بخشی از مقاله
چکیده –
امروزه پلاریزاسیون دایروی در سیستمهای فضایی، اندازهگیری و . . . دارای کاربردهای بسیار زیادی است.یکی از انواع پلارایزرها، پلارایزر سپتوم است که میتواند در این کاربردها مفید باشد. این پلارایزر دارای یک ساختار پلهای است که موجبر را به دو قسمت تقسیم میکند و هر قسمت جداگانه تغذیه میشود که یک قسمت پلاریزاسیون دایروی راستگرد و قسمت دیگر پلاریزاسیون دایروی چپگرد را تأمین میکنند. در این مقاله به توصیف طراحی و ساخت این نوع پلارایزر میپردازیم.
-1 مقدمه
آنتنهای رفلکتور - بازگردان - در طولموجهای ماکروویو و کوچکتر از آن بهصورت گسترده در ارتباطات و رادارهای دارای رزولوشن و بهره بالا و همچنین به همراه بیم مدادی شکل، کاربرد فراوان دارند.
در همین حال به دلیل توسعه و پیشرفت ارتباطات فضایی و فنّاوری اندازهگیری از راه دور استفاده از یک نمونه پلاریزاسیون نمیتواند نیازهای فضایی - ماهوارهای - و حسگرهای کنترل از راه دور ،که برای ردیابی و اندازهگیری هدف استفاده میشوند را برطرف نماید. به همین دلیل میل به استفاده از پلاریزاسیون دایروی وجود دارد. در ارتباطات راداری استفاده از آنتنهای دارای پلاریزاسیون دایروی میتواند تداخل ناشی از باران و ابر را جبران
نماید [1] و تلفات ناشی از پلاریزاسیون را به حداقل برساند. ساخت یک آنتن مرجع که همزمان نیاز ما به پلاریزاسیون-های دایروی راستگرد و چپگرد و همچنین خطی را برطرف نماید بسیار حائز اهمیت است.
در این مقاله پس از معرفی انواع پلارایزرها به ارائه طراحی و ساخت نوع خاصی از پلارایزرها به نام سپتوم - Septum - در باند فرکانسی X در کاربرد موجبری خواهیم پرداخت.
در بخش 2 انواع پلارایزرها، در بخش 3 نوع خاص پلارایزر سپتوم، در بخش 4 مراحل طراحی، در بخش 5 نتایج شبیهسازی و در بخش 6 مراحل ساخت مطرح میگردد.
-2 پلارایزر
پلارایزرهای ماکروویو به دودسته بزرگ تقسیم میشوند: پلارایزرهای ماکروویو با استفاده از ساختارهای میکرواستریپ و ساختارهای موجبری. در اینجا تمرکز بر ساختارهای موجبری است.
استفاده از پلاریزاسیون دایروی در سیستمهای ارتباطی فواید بسیاری دارد. اولین آن کم بودن تأثیر مخرب بر پلاریزاسیون در مسیر طولانی تشعشع است. حساسیت کم نسبت به تشعشع چندمسیری و ایزولاسیون پلاریزاسیون متقاطع بسیار بالا از دیگر فواید استفاده از این نوع پلاریزاسیون است .[2] گفتنی ست کیفیت پلاریزاسیون دایروی با معیار axial ratio سنجیده میشود که در ادامه به آن میپردازیم.
پلارایزرهای موجبری دارای انواع مختلفی هستند .[3] یکی از متداولترین ساختارها برای استفاده در موجبر ساختار سپتوم و یا ساختار پلهای است.
از سادهترین راههای تولید پلاریزاسیون دایروی ایجاد یک سپتوم دیالکتریک در میانه موجبر دایروی است. با قرار دادن این سپتوم در میانه موجبر میتوان بین دو مد عمود برهم اختلاففاز 90 درجهای ایجاد و پلاریزاسیون دایروی را به وجود آورد. در این ساختار، ضخامت و ضریب گذردهی الکتریکی دیالکتریک مورداستفاده تأثیر زیادی در به وجود آمدن پلاریزاسیون دایروی دارند
استفاده از سپتوم فلزی برای موجبر مستطیلی [5-10] و برای موجبر دایروی [11-13] و همچنین استفاده از تیسپتوم [14] از روشهای معمول دیگر برای تولید پلاریزاسیون دایروی هستند.
این ساختارها بهعنوان المانهای سه دهانه شناخته میشوند. با استفاده از این ساختار و با تحریک یک دهانه آن میتوان به پلاریزاسیون دایروی دستیافت. با تحریک دهانه دیگر به پلاریزاسیون دایروی و با جهت معکوس نسبت به دهانه دیگر دست مییابیم
-3 سپتوم - تیغه -
سپتوم تیغهای است که در میانه موجبر قرار میگیرد و با شکلهای متفاوتی قابلیت طراحی را دارد. استفاده از ساختار پلهای یکی از شکلهای قرار دادن این تیغه در میانه موجبر است. با استفاده از این ساختار میتوان پلاریزاسیون دایروی بهصورت همزمان چپگرد و راستگرد را در کاربرد گیرندگی از هم جدا و در کاربرد فرستندگی تولید نمود. دراینبین ابعاد - طول و ارتفاع و ضخامت - ساختار پلهای نقش اساسی را در به وجود آمدن چنین خاصیتی بازی میکنند.
گفتنی است در صورت تحریک یک دهانه پلاریزاسیون دایرویمثلاً - راستگرد - و با تحریک دهانه دیگر کهمعمولاً متقارن قرار میگیرد پلاریزاسیون دایروی چپگرد و همچنین در صورت تحریک هر دو دهانه بهصورت همزمان پلاریزاسیون خطی تولید میگردد.
-4 طراحی
گام اول انتخاب تعداد پلههای پلارایزر است. پهنای باند این مبدل امپدانس با تعداد پلههای بهکاررفته متناسب است. برای مثال استفاده از دو پله در ساختار، برای کاربردهای باریک باند کاربرد دارد. ارتفاع پلهها بهصورت مستقیم انتخاب میشوند. نباید ارتفاع اولین پله آنقدر بزرگ باشد که باعث تحریک مدهای بالاتر گردد. همزمان انتخاب بهینه ارتفاع پلهها برای حداکثر شدن انطباق الزامی است
در مرحله بعد شیفت فاز اتفاق افتاده در هر پله را میبایست محاسبه نماییم. ازآنجاکه شیفت فاز موردنظر 90 درجه است باقیمانده این شیفت باید بین تعداد پلهها تقسیم گردد
تحریک به دو صورت موجبر مستطیلی و استفاده از پروب جریان و کابل هممحور امکانپذیر است. برای تحقق پروب جریان از اتصالدهنده SMA استفاده میشود. بهره بردن از کابل هممحور بهمراتب در مرحله ساخت سادهتر است. از مشکلات استفاده از کابل هممحور میتوان به محدودیت در توان و همچنین داشتن تلفات اشاره نمود.[2] در این طراحی از کابل هممحور و اتصالدهنده SMA استفادهشده است. ابعاد با استفاده از محاسبات مقاله [15] و بهینهسازی برخی مقادیر به شکل زیر ارائه میگردد. فاصله مغزی از انتهای موجبر برابر 6mm و طول مغزی 5/88mm و ضخامت تیغه نیز 1mm انتخابشده است.
شکل -1شکل کلی ساختار پلهای
جدول -1 ابعاد ساختار پلهای
-5 نتایج شبیهسازی
شکل کلی ساختار در شکل 2 دیده میشود.
شکل -2شکل کلی ساختار شبیهسازیشده
شکل میدانها در شکل 3 بهصورت برشی از بالا نشان دادهشده است. پیکانها راستای میدان را در هر مکان نشان میدهند. در کنار تیغه بهصورت مورب و در دهانه بهصورت خطی قرار میگیرند.
شکل -3 نمای شکل میدان در برش از بالا
نمودارS11 بهصورت شکل 4 است.
شکل -4 نمودار افت بازگشتی
همانطور که در این شکل دیده میشود امپدانس ورودی سپتوم در پهنای باند وسیعی به 50 اهم - امپدانس کابل هممحور - منطبق شده است.
در شکل 5 دیده میشود که این پلارایزر در کل پهنای باند جهتدهی مناسب و قابل قبولی ارائه میدهد است.
شکل -5 جهتدهی در فرکانسهای مختلف
در شکل 6 الگو میدان E نرمالیزه شده برای نمونه در چند فرکانس نشان دادهشده است.
شکل -6الگوی میدان E نرمالیزه شده
جهتدهی و الگوی میدان گزارششده بدون استفاده از دهانه هورن - Horn - و فقط همان دهانه موجبری است.
حال میبایست ثابت کنیم که پلاریزاسیون ما دایروی است پس به کمک معیار axial ratio این مهم را نشان میدهیم. طبق آنچه تابهحال گفتهشده اگر هردو ورودی باهم تحریک گردند، نتیجه پلاریزاسیون خطی خواهد بود.
شکل -7 نمودار axial ratio وقتی هر دو ورودی تحریک شدهاند
آنچه دیده شد گزارش مقدار بسیار بالای 40 dB که نشان از خطی بودن خروجی در زمان تحریک همزمان دو دهانه است. در محاسبه این مقدار در حالت خطی به علت مقدار بسیار بالای آن نرمافزار عدد 40dB را نمایش میدهد و این بدان معنا نیست که در کل بازه یکشکل ثابت از پلاریزاسیون را داریم. و این بدان معناست که در کل بازه مقدار خطی بودن بسیار خوب و از حدی بالاتر است.
Axcial ratio این پلارایزر در فرکانس مرکزی وقتی فقط یک دهانه تحریکشده در شکل 8 نشان دادهشده است. همانطور که مشاهده میشود در این فرکانس به ازای همه زوایا این پارامتر نزدیک صفر دسیبل است که بیانگر کیفیت خوب پلاریزاسیون دایروی است.
شکل -8 نمودار axial ratio در فرکانس مرکزی وقتی فقط یک ورودی تحریکشده است.
در شکل axial ratio 9 در کل پهنای باند در راستای بیم اصلی نشان دادهشده است.
شکل -9نمودار تغییرات axial ratio در کل پهنای باند
اما ادعای دیگر ما مبنی بر راستگرد بودن پلاریزاسیون در صورت تحریک یک دهانه و چپگرد بودن در صورت تحریک دهانه دیگر با توجه به نمودارهای بعدی قابلاثبات است.
