بخشی از مقاله
چکیده - طراحان آنتنهای سینوسی معمولاً با مشکل بخش تطبیق امپدانس بزرگ یا ساختار فلزی و نیز مشکل تطبیق امپدانس مواجه میباشند. در این مقاله آنتن سینوسی دوتایی بر روی دیالکتریک طراحی و شبیهسازی شده و بخش تطبیق نیز با حداقل فضا طراحی شده است. برای این منظور از ساختارهای تطبیق امپدانس موجود ایده گرفته و بهینهسازی انجام شده است. برای تشعشع یک طرفه نیز از منعکس کننده یا منعکس کننده و جاذب استفاده شده است. این آنتن با ساختار دو تایی برای داشتن تمامی پلاریزاسیونها، گین بیش از 3 دسیبل در فرکانس 2 تا 7 گیگاهرتز استفاده میکند. برای این آنتن، بالن دیگری برای ساختار با دو دی الکتریک مجزا طراحی گردید که در نتیجه این عمل بهینهسازی در پهنای باند 2 گیگاهرتز - در فرکانس 2 تا 4 گیگاهرتز - و فرکانس بالاتر پهنای باند 6 گیگاهرتز 4 - تا 10 گیگاهرتز - حاصل گردید.
-1 مقدمه
آنتنها در رادار و کاربردهای نظامی و تجاری اعم از جهتیابها و آشکارسازها استفاده میشوند. آنتنها در تجهیزات رادیویی مورد استفاده در 1IFF و در اقدامات متقابل جنگ الکترونیک در گیرندهها برای تشخیص سیگنالهای راداری دشمن کاربرد دارند. مهمترین بخش رادارها در بهبود مشخصات آنتن آنهاست. علاوه بر آن، آنتن بخش مهمی از هر سیستم ارتباطی بیسیم است. در این بین در برخی سیستمها مانند جهتیابها، دریافت و آشکارسازی تمامی پلاریزاسیونها، پهنای باند بسیار وسیع و اندازه و حجم کم مزیت به شمار میروند. در این مقاله آنتن سینوسی همراه با بخش تطبیق امپدانس طراحی میشود که به دلیل داشتن مزایای مطرح شده میتواند زیر اجسام پرنده نیز نصب و مورد استفاده قرار گیرد.
-2 طراحی آنتن سینوسی
همان گونه که مطرح شد در بسیاری از کاربردها مانند سیستمهای جهتیاب یا تغذیه آنتنهای رفلکتوری نیازمند المانهای تشعشعی باند وسیع هستیم تا بتوانیم چندین پلاریزاسیون را فراهم کنیم1]،2،3،.[4 آرایههای دیپل متقاطع، دارای ساختار لگاریتمی بزرگ بوده و مرکز فاز این آنتنها با فرکانس تغییر یافته و الگوی تشعشعی آنها مشابه نیست و خواص تشعشعی میدانهای صفحهH 2 و صفحه E آنها با فرکانس تغییر میکند. اما در 1982 المان تشعشعی ویژهای به نام آنتن سینوسی طراحی شد.[2]
این ساختار نسبت به پلاریزاسیون و فرکانس کاری دارای مرکز فاز ثابت و از لحاظ اندازه، شبیه آنتن حلزونی است و میتواند هر دو پلاریزاسیون عمود بر هم را دریافت یا ارسال کند. به این صورت که یک جفت آن در یک راستا توانایی دریافت - ارسال - یک پلاریزاسیون خطی افقی - عمودی - را دارد و جفت دیگر موج با پلاریزاسیون عمود بر پلاریزاسیون دریافتی قبل را دریافت - ارسال - میکند 6]،.[5 آنتن مورد نظر بهتر است از لحاظ ساخت روی مدار چاپی ایجاد شود که از نظر ساخت آنتن و طراحی مدار تطبیق با ساختار مناسبی مواجه باشیم. آنتن سینوسی آنتنی مستقل از فرکانس به طور دورهای یا شبه متناوب است.
-3 طراحی مدار تطبیق امپدانس - بالن - 4
همانطور که می دانیم در صورتی که امپدانس آنتن 50 اهم نباشد باید مدار یا ساختار تطبیق استفاده یا طراحی شود. مدارات تطبیق امپدانس آنتن یا همان بالنها به صورت میکرواستریپ، استریپ لاین، یا به صورت مدار فشرده میتواند طراحی شود. بالن قطعه یا وسیلهای است که بین یک سیگنال متعادل - دو سیگنال یا جریان مخالف هم - و یک سیگنال نامتعادل قرار میگیرد و این قطعه عدم تعادل را از بین میبرد .[7] چون آنتن سینوسی به صورت دو جفت بازو است و هر جفت باید به طور جداگانه تغذیه شوند نیاز به دو بالن است. بالن طراحی شده هر دو بازوی هر جفت را باید تغذیه کند که این جفت خط تغذیه باید با هم 180 درجه اختلاف فاز داشته باشند.
یک ساختار مناسب، بالن استریپ لاین است که در واقع باید مبدلی باشد که امپدانس آنتن سینوسی که حدود 260 اهم است - چنانکه در بخش پیش بررسی شد - را همراه با تبدیل استریپ لاین به میکرواستریپ به خط 50 اهم تبدیل کند . اما در اینجا به بررسی بالنهای موجود و طراحی و شبیهسازی بهترین ساختار و بالن مناسب میپردازیم که برخی از ساختارها و کاربردها در مراجع آورده شده است 11]،10،9،.[8 از انواع بالن می توان بالن میکرواستریپ، استریپ لاین و بالن مدارات فشرده و سرامیکی را برشمرد .[12]
سادهترین نوع تقسیم توان T تقاطع است. ساختار معرفی شده در [13] یک شبکه سه پورت با یک پورت ورودی و دو خروجی با 180 درجه اختلاف فاز میباشد که میتواند به دو بازوی یک آنتن با امپدانس ورودی 50 اهم متصل شود. در مرجع [14] بالنی برای تطبیق امپدانس کابل کواکسیال به آنتن پاپیونی5 طراحی شده است و تلف برگشتی کل ساختار یا آنتن نیز آورده شده است. این بالن امپدانس حدود 150 اهم آنتن را به خط کواکسیال 50 - اهم - تطبیق کرده است.
بالن نشان داده شده در مرجع [15] نیز برای تطبیق امپدانس 200 اهم استریپ لاین به خط میکرواستریپ طراحی شده است و با وجود ساختار کوپلینگ، تلف عبوری در دو بالن متصل به هم کم است. در مرجع [10] نیز بالن دیگری آورده شده است که برای تطبیق خط 150 اهم استریپ لاین به کواکسیال طراحی شده است. همچنین یک بالن از نوع ترانسفورمر مدار فشرده نیز میتواند باشد که تبدیل امپدانس متعادل به نامتعادل و به عکس را انجام میدهد. همچنین بالنهای سلف و خازنی سرامیکی وجود دارند که توسط شرکتهای مختلفی مانند Minicircuits تولید میشوند که برای فرکانس 2 تا 4 گیگاهرتز و حتی بالاتر نیز مناسب میباشند .[16]
-4 نتایج طراحی و شبیهسازی بالن و آنتن
در این قسمت نتایج طراحی و شبیهسازی آنتن به همراه مدار تطبیق - بالن - آن آورده میشود. از بخش قبل مشخص شد که بالن طراحی شده باید امپدانس 260 اهم را به 50 اهم تبدیل کند. بالن برای ساختار آنتن دوتایی مورد نظر و روی سابستریت Rogers RT/Duroid با ضخامت 0,5 طراحی و بهینهسازی شد. نتایج شبیهسازی بالن همراه آنتن در شکلهای - 2 - تا - 4 - نشان داده شده است. برای داشتن پترن یک جهته از جاذب و صفحه هادی رفلکتوری استفاده شد و ساختار نهایی در نرم افزار FEKO6 شبیهسازی شد.
همانگونه که در شکل نشان داده شده است نمودار گین بر حسب فرکانس نیز آورده شده است. مقدار گین پلاریزاسیون راستگرد و چپگرد 3 دسیبل از گین نشان داده شده کمتر است و نشان از دایروی بودن پلاریزاسیون میدهد. در این کار بالنهای دیگری نیز چنانکه در شکلهای - 5 - و - 6 - آورده شده است نیز شبیهسازی و بهینهسازی شد. اما در باند فرکانسی مورد نظر بیش از 2 پهنای باند بدست نیامد. اما با بهینهسازی برای فرکانسهای بالاتر، پهنای باند بیشتری بدست آمد. لازم به یادآوری است که آنتن سینوسی به دلیل دو جفت بازوی عمود بر هم، هر نوع پلاریزاسیونی را میتواند دریافت کند.
