بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک آنتن آرایه بازتابی دو باندهی تکلایه ارائه شده است. سلولهای جدید پیشنهاد شده در ساختار این آنتن شامل دو حلقه مربعی با استابهایی درون حلقه داخلی هستند. تعداد 185 عدد از این سلول روی زیرلایه Rogers RO4003 قرار گرفتهاند و توسط آنتن هورن که در مرکز مختصات آنتن قرار دارد، تغذیه میشوند.
در طراحی این آنتن موقعیت سلولها ثابت در نظر گرفته شده است و با تغییر اندازه این سلولها میتوان به تغییر فازهای مورد نظر در دو باند X و Ku دست یافت. بهره این آنتن در دو فرکانس 8/3 GHz و 13 GHz بهترتیب برابر با 23/86 dB و 25/2 dB است. پهنای باند 1–dB آن در فرکانس 8/3GHz و 13 GHz بهترتیب %17 و %33 است و پهنای باند 3–dB آن در فرکانس 8/3 GHz برابر با %108 و در فرکانس 13GHz برابر با %44 است.
-1 مقدمه
سیستمهای راداری و ارتباط راه دور نیازمند آنتنهایی با بهره بالا هستند. در اینگونه موارد بهطور معمول از آنتنهای سهموی و یا آرایهها استفاده میشود. ساخت آنتنهای سهموی به خاطر شکل خاصشان، به خصوص در فرکانسهای بالا، مشکل است. از طرف دیگر آنتنهای آرایه بازتابی مزایایی همچون وزن پایین، هموار بودن، ساخت آسان، هزینه پایین و همچنین قابلیت اسکن پرتو و چند بانده شدن را دارا هستند. بنابراین مشکلاتی از قبیل هزینه و وزن بالا و ابعاد بزرگ در آنتنهایی با بهره بالا و مشکلاتی دیگر مانند عدم امکان اسکن پرتو در زوایای پهن در آنتنهای سهموی و در آنتنهای آرایهای معمول که با وجود امکان اسکن پرتو، استفاده از شیفت دهندههای فاز قابل کنترل، بسیار پرهزینه است، باعث شده فناوری ساخت آنتنهایی با بهره بالا، به سمت آنتنهای آرایه بازتابی سوق داده شود
آنتن آرایه بازتابی از یک صفحهی تخت شامل عناصر میکرواستریپی تشکیل شده است و توسط یک آنتن تغذیه مورد تابش قرار میگیرد. یکی از مشکلاتی که در طراحی آنتنهای آرایه بازتابی وجود دارد پهنای باند کم آن است و به دلیل پهنای باند کم ذاتی عناصر میکرواستریپ و اختلاف فاز ناشی از فاصلهی متفاوت عناصر تشعشعکننده از تغذیه - بهخصوص در آنتنهای بزرگ - است
مشکل اختلاف فاز را میتوان با تغییر پارامترهای هندسی عناصر مانند تغییر اندازه پچ و یا تغییر طول خط تأخیر فاز و یا چرخش عناصر - تنها برای پلاریزاسیون دایروی - جبران کرد .3[] معمولاً برای بهبود پهنای باند، عناصری با پاسخ فاز خطی بهکار گرفته میشوند. پاسخ فاز خطی با روش-هایی مانند استفاده از زیرلایه ضخیم یا چندلایهای [4]، عناصر چند تشدیدی [5] و خطوط تأخیر فاز [6] بدست میآید.
در سالهای اخیر روشهایی برای رسیدن به عملکرد آنتنهای آرایه بازتابی در دو باند ارائه شده است. این روشها شامل استفاده از عناصر دو بانده با یک زیرلایه [7] ، عناصر دو بانده با دو زیر لایه که هر لایه در باند فرکانسی مستقل عمل میکند [8] و آنتنهای آرایه بازتابی دو بانده با ساختارهای FSS در پشت ساختار، به جای زمین [9] هستند. بسیاری از آنتنهای آرایه بازتابی دو بانده گزارش شده ساختاری دو لایه دارند، که علاوه بر پیچیدگی ساخت و افزایش وزن، در بعضی از کاربردها محدودیت بهوجود میآورند.
در آنتنهای آرایه بازتابی تکلایه با مشخصات دو بانده، اغلب از دو سلول با اندازههای مختلف که در یک سلول واحد قرار داده شدهاند و در دو باند به صورت جداگانه عمل میکنند، استفاده شده است. اما تک سلول با دو باند عملیاتی خیلی کم دیده می شود. همچنین با توجه به تداخل فیزیکی یا الکتریکی عناصر بین دو سلول در دو باند، به طور کلی fupper flower زیر 1/4 یا بالای 2 بوده است. کوپلینگ یا تداخل متقابل به طور قابل توجهی مشخصات فاز دو سلول را تغییر خواهد داد، که در بسیاری از مقالات از این اثر به منظور افزایش محدوده فاز و منحنی خطی آنتن آرایه بازتابی تکبانده استفاده شده است .[10] در نتیجه ترکیب دو عنصر به یک عنصر یکپارچه و تنظیم فاز جداگانه در دو باند بسیار مشکل است
در این مقاله یک آنتن آرایه بازتابی تکلایه در دو باند ارائه شده است. این آنتن متشکل از یک عنصر یکپارچهی جدید با دو حلقهی مربعی و تعدادی استاب است که به درون حلقه داخلی افزوده شده است. با توجه به اینکه در طرح پیشنهادی نسبت فرکانسها fupper flower = 1/64 است، در باند X و باند Ku با تغییر اندازه پچ، محدوده فاز خطی بدست آمده است.
-2 طراحی و تحلیل سلول پیشنهادی
شکل 1 نما از بالا و کنار سلول میکرواستریپ تکلایه را با عملکرد در دو باند X و Ku، که در این مقاله معرفی شده است، نشان میدهد. اندازه هر سلول مربعی W=17mm است که معادل با 0/47 طول موج در8/3GHz و 0/73 طول موج در 13GHz است. جنس لایه دیالکتریک Rogers RO4003 با ضریب عایقی نسبی 3/55 است و یک فاصله هوایی بین صفحه زمین و این زیرلایه به ضخامت t2=6mm، وجود دارد - شکل1 - ب - - . برای تحلیل مشخصات فاز بازتابی سلول از نرمافزار HFSS استفاده شده است.
در شبیهسازی حالت آرایه بینهایت، از شرایط مرزی Master-Slave و همچنین پورت فلوکه استفاده شده است. در آنتنهای آرایه بازتابی با تغییر فاز مناسب سیگنال رسیده از آنتن تغذیه به هر سلول، پترن در جهت و شکل دلخواه بدست میآید. این اختلاف فاز مورد نیاز در این آنتن با تغییر اندازه پچ بدست آمده، زیرا تغییر طول حلقهها موجب میشود امپدانس حلقهها و در نتیجه فاز موج بازتابی تغییر کند و میتوان فاز موج بازتابی را از این طریق کنترل نمود. از ویژگیهای سلول مطلوب، محدوده فازی بالاتر و نمودار فاز خطیتر است تا بتواند اختلاف فاز لازم جهت جبران سازی را فراهم کند. همچنین هر چه شیب نمودار تغییرات فاز بر حسب تغییر ابعاد پچ کمتر باشد، حساسیت به خطای ساخت کاهش مییابد و دستیابی فاز مورد نظر سادهتر خواهد بود. پارامترهای مختلف که در طراحی مورد استفاده قرار گرفتهاند، در شکل - 1 - آورده شده است.
شکل .1 نمای سلول طراحی شده - الف - نما از یالا - ب - نما از کنار
9 درجه آزادی - - k1, k2, k3, k4, g, w1, w2, t1, t2 برای کنترل پاسخ فاز در دو فرکانس8/3GHz و 13GHz در نظر گرفته شده است و این پارامترها باید برای رسیدن به محدوده فاز خطی و وسیع در دو باند، بهینه شوند.
-3 بررسی تأثیر پارامترهای یک سلول
شکلهای - 2 - تا - 8 - اثر هر یک از پارامترها را روی منحنی فاز، برای طراحی مناسب سلول در فرکانسهای 8/3GHz و 13GHz، با تغییر پلهای هر پارامتر به ازای تغییرات L، زمانیکه آن پارامتر متغیر و بقیه پارامترها ثابت باشند، نشان میدهد. پارامتر t2 بیشترین اثر را روی منحنی فاز در دو باند فرکانسی دارد. بنابراین بعد از انتخاب پارامتر t2، بقیه پارامترها در دو باند بدست میآیند.
شکل .2 پاسخ فاز سلول به ازای مقادیر مختلف t2
شکل .3 پاسخ فاز سلول به ازای مقادیر مختلف k1
شکل .4 پاسخ فاز سلول به ازای مقادیر مختلف k2
شکل .5 پاسخ فاز سلول تنها با دو حلقه بدون استاب
شکل .6 پاسخ فاز سلول به ازای مقادیر مختلف k3
شکل .7 پاسخ فاز سلول به ازای مقادیر مختلف k4
