بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله طراحی شبکه چرخش پرتو ماتریس باتلر فرا پهنباند دو لایهای فشرده ارادئه شده است. در این طرح از فنآوری چند لایهای که دارای قابلیت کوچک بودن ابعاد و پهنای باند وسیع میباشد، استفاده شدهاست. ساختار این ماتریس باتلر 4×4 شامل چهار تزویجگر و دو شیفت دهندهی فاز میباشد و از خطوط متقاطع در آن استفاده نشدهاست. در تزویجگرها از صفحات تزویج شدهی باند وسیع ذوزنقهای شکل و شکاف مستطیلی ایجاد شده درون زمین مشترک بین دو زیرآیند و در شیفت دهندههای فاز از صفحات تزویج شدهی لوزی شکل با زیرآیند راجرز RO 3003، استفاده شدهاست. نتیاج شبیهسازی بیانگر عملکرد خوب در دامنه و فاز انتقال و همچنین تلفات بازگشتی و ایزولاسیون خوب در سراسر بازهی فرکانسی فرا پهنباند میباشد.
.1 مقدمه
چگالی طیف توان سیگنال فرا پهنباند بر اساس مقررات کمیسیون ارتباطات فدرال امریکا محدود شدهاست. بنابراین، حداکثر دامنهی پوشش قابل دستیابی توسط آنتنهای چند عنصری کاهش خواهد یافت. این مسئله میتواند با استفاده از فنآوری سیستمهای آنتن هوشمند مرتفع گردد. جهت دهی پرتو یکی از رایجترین فنآوریهایی است که هم برای گسترش دامنهی بار و هم کاهش تداخل مورد استفاده قرار میگیرد .
سیستمهای آنتن با امکان سوئیچ پرتو به سیستم آنتن آرایهای گفته میشود که بتواند بیمهای چندگانه ثابتی را با حساسیت خوبی تولید کند. از جمله ساختارهای مختلف چرخش پرتو در شبکههای چند پرتو که تا کنون ارائه شدهاند میتوان به ماترس بلس [2]، ماتریس نولن [3]، لنز روتمن [4] و ماتریس باتلر [8-5] اشاره کرد. شبکه چرخش بیم ماتریس باتلر شامل یک شبکه آرایهای آنتن فازی غیرفعال میباشد که دارای قابلیت هدایت پرتو اصلی در جهت مطلوب یا هدایت صفرها به جهت نامطلوب است. از نظر پیادهسازی، ماتریس باتلر از ترکیب تزویجگر هایبرید و شیفتدهندههای فاز ساخته میشود.
تزویجگرهای هایبرید قطعات مایکروویوی غیرفعال مهمی هستند که میتوانند به صورت گستردهای در بسیاری از کاربردهای مدارات فشرده مایکروویوی نظیر مخلوطگرهای متعادل، مدولاتورها و شبکههای چرخش پرتو استفاده شوند. تزویجگر هایبرید به صورت چهار دهانه [9] تعریف میگردد و میتواند به عنوان ترکیبکننده یا جداکننده سیگنال با فاز مطلوب مناسب استفاده شود. برخی از تزویجگرهای جهتی 90 رایج و معروف مانند خط شاخهای، خط تزویجشده و تزویجگر لانگ معمولا در مدارهای مایکروویوی مختلف استفاده میشوند.
این نوع تزویجگرها دارای عمکلرد کاری باند باریک هستند. برای کابردهای باند وسیع ارتباطات بیسیم نظیر سیستمهای فرا پهنباند، الزاماتی در طراحی تزویجگر هایبرید باندوسیع و کارآمد وجود دارد. تزویجگرها باید دارای کارایی بالا، قیمت پایین و اندازه کوچک باشند. روشهای مختلفی جهت طراحی تزویجگرهای جهتی وجود دارد .[14-10] یک روش توسط [ 12] با استفاده از خطوط تزویج شده با صفحهی زمین شکافدار در زیر آن ارائه شدهاست، اما فاصلههای مورد نیاز بین آن خطوط برای دستیابی به تزویج دلخواه بسیار کوچک است و در نتیجه ساخت تزویجگر دشوار خواهد بود.
علاوه بر این، محدودیتهای جدی دیگری وجود دارد که روی عملکرد کلی چنین ساختارهایی تاثیر میگذارد. علاوه بر این، یک روش تزویج باندوسیع برای اجتناب از مشکلات محدودیتهای فاصلهی بین خطوط در تزویجگرهای خطوط تزویجشده ارائه گردیده است .[13-10] این روشها از ساختارهای چندلایهای شامل دو زیرآیند دیالکتریک و سه لایهی فلزی استفاده میکنند. دو صفحهی مایکرواستریپ در هر شکلی روی لایههای بالایی و زیری نصب شدهاند و شکاف تزویج در صفحهی زمین مشترک میانی قرار دارد.
این مقاله، طراحی فشرده و مقرون به صرفهی ماتریس باتلر 4 4 میکرواستریپ دولایه برای کاربرد فرا پهنباند را ارائه میدهد. طرح دولایهی میکرواستریپ برای یک ماتریس باتلر 4 4 ارائه شدهاست. طراحی این ماتریس باتلر 4 4 با استفاده از تکنولوژی مدارات چاپی میکرواستریپ فشرده و ارزان است که عملکردهای فرا پهنباند دامنه و فاز انتقال با تلفات بازگشتی و مشخصات ایزولاسیون خوبی را داراست.
در طراحی ارائه شده، اجزای ماتریس تزویجگر 90 3dB/ و شیفت دهندهی فاز 45 میباشد. عناصر مجزا و همچنین ماتریس باتلر دارای نتایج شبیهسازی خوبی است. ساختار دولایهای برای اجتناب از خطوط تقاطع که سبب محدود ساختن عملکرد و کارایی میشود استفاده شدهاست. ماتریس باتلر ارائه شده توسط نرم افزارهای شبیهسازی تمام موج، طراحی و بهصورت عددی بهینهسازی شدهاست. تمام مشخصات ماتریس نظیر محاسبات دامنه و فازها و همچنین تلفات بازگشتی و ایزولاسیونها به طور عددی شبیهسازی شدهاند.
شکل - 1 هندسهی ساختار توسعه یافتهی ماتریس باتلر 4×4
شکل - 2 الف - تزویجگر هایبرید مایکرواستریپ ب - ساختار ماتریس تزویجگر ذوزنقهای 90 3dB/، - I لایههای بالایی و زیری - II لایهی میانی و - III ساختار کل
.2 طراحی تزویجگر هایبرید میکرواستریپ 90 3dB/ ذوزنقهای
در این بخش، تحلیل صفحات تزویج میکرواستریپ ذوزنقهای شکل با شکاف تزویج مستطیلی ارائه شدهاست .[13] ساختار ارائه شده برای یک تزویجگر چهار دهانهای با دهانهی ورودی، دهانهی مستقیم، دهانهی بازگشتی و دهانهی ایزوله، مورد بحث قرار گرفتهاست. هندسهی یک تزویجگر هایبرید مایکرواستریپ چهار دهانهای در شکل 2الف نشان داده شدهاست. تزویجگر نشان دادهشده شامل دو زیرآیند دیالکتریک و سه لایهی مایکرواستریپ است. لایه مایکرواستریپ بالایی شامل یک صفحهی مایکرواستریپ با شکل دلخواهِ متصل شده به خط مایکرواستریپ ختم شده به دهانهی - 1ورودی - و 2 - خروجی مستقیم - است.
لایهی مایکرواستریپ زیرین که شبیه لایهی بالایی است، شامل یک صفحهی دیگر مایکرواستریپ با شکل دلخواه که روبروی صفحهی بالایی است و به خط مایکرواستریپ که به دهانهی3 - خروجی تزویج شده - و دهانهی 4 - تطبیق - متصل شدهاست، میباشد. دهانهی 4 که همچنین دهانهی ایزوله نیز نام دارد باید به بار تطبیق 50 متصل باشد زیرا توان خروجی به آن دهانه نمیرود. سازوکار تزویج بین این صفحات مایکرواستریپ با شکاف مستطیل شکل در صفحهی زمین مشترک، که در لایهی وسطی قرار دارد تحقق مییابد.
هندسهی تزویجگر هایبرید 90 3dB/ ذوزنقهای فرا پهنباند در شکل 2 نشان داده شدهاست که شامل دو صفحهی مایکرواستریپ ذوزنقهای روبروی هم در لایهی بالا و پایین است و به خطوط مایکرواستریپ ورودی و خروجی متصل شدهاست. تزویج بین این صفحات با بریدن حفرهی مستطیلی شکل در صفحهی زمین که در صفحهی میانی قرار دارد، حاصل میشود. مولفههای هندسی تزویجگر، عرضهای بزرگ و کوچک صفحات ذوزنقهای و و عرض حفرهی مستطیلی است. طول صفحهی تزویج ذوزنقهای مایکرواستریپ برابر طول حفره است
برای تزویجگر هایبرید فرا پهنباند، تحلیل تزویجگرهای ارائه شده، میتواند به وسیلهی تقریب زدن صفحات شکل پیچیده با صفحات مستطیلی معادل آنها با عرض ، طول ، عرض تزویج و طول شکاف تزویج - که - ساده شود
