بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله روشهاي تضعیف تزویج متقابل عناصر آرایه بررسی شده است. در آن، یک رولایه فرامواد در میان عناصر آرایه فازي میکرواستریپ با بسته بندي متراکم قرار دارد. تشدیدگرهاي حلقوي شکافدار مکمل اصلاح شده بر روي تیغهي رولایه مجزایی که براي هر دو اثر موج سطحی و فضایی ارائه شدهاند، پرینت میشوند. این طرح پیشنهادي به طور دقیق بر روي بستري با گذردهی پایین و بالا مورد تحلیل قرار میگیرد.
تضعیف تزویج 27 دسیبل و 11 دسیبل به ترتیب بر روي بسترهایی با گذردهی پایین و بالا و جداسازي عنصري λo/8 بدست می آید. این طراحی فشرده است و به آسانی تحقق می یابد و نقص نسبت ضعیف جلو به عقب گزارش شده در تکنیک هاي عدم تزویج را برطرف میسازد. علاوه بر تضعیف شدید تزویج، میتوان تیغه جداساز را در زمان مورد نظر اضافه یا حذف نمود که این امر، موجب انطباق پذیري این تکنیک براي کاربردهاي مختلف با الزامات عملکردي متفاوت میگردد.
-1 مقدمه
سالهاست که آرایههاي آنتنی در کانون توجه قرار دارند. با توجه به قابلیت آنها در ارائه بهرهي بالا، شکلدهی پرتو و پویش پرتو الکترونیکی، در رادارها و سیستمهاي ماهوارهاي متداول هستند. براي فشردهسازي سیستمهاي RF، آرایههاي میکرواستریپ به طور گسترده در دو دهه گذشته مورد استفاده قرار گرفته است.
این آرایهها یکپارچهسازي آسان با سایر اجزا را فراهم میسازد. تزویج یا القاء متقابل اثر الکترومغناطیسی است که هر جزء جریان روي جسم دیگر می گذارد. به عنوان مثال اگر یک سیم حامل جریانی هر چند اندك باشد، میدان هاي الکتریکی و مغناطیسی دور خود ایجاد می کند. این اثر به شکل بار القایی ساکن یا جریان الکتریکی القاء شده قابل اندازهگیري است.
جریان القائی نیز به نوبه خود روي سیم اولیه اثر القائی دارد. البته این اثرات تا بی نهایت ادامه دارند لیکن در طراحی و مهندسی تنها اثرات غالب مرتبه هاي نخست در نظر گرفته میشود. در مسائل عادي این اثر آنقدرکم است که نیازي به محاسبه اثر جریان القائی روي سیم اولیه نیست. ولی این بدان معنا نیست که اثر اولیه نیز قابل صرف نظر کردن است.
تزویج متقابل بر پلاریزاسیون تداخلی بین سیگنال هاي دریافتی تاثیر می گذارد. این اثر وقتی که فاصله بین المانها کم میشود، محسوستر است. براي محاسبه یا اندازه گیري تزویج متقابل بین المان هاي آرایه، معمولا از پارامترهایی نظیر امپدانس متقابل، ضریب انعکاس و استفاده می شود.
تزویج متقابل در آرایه هاي آنتنی، همراه با جداسازي عنصر نیم موج یا بیشتر، تحت تاثیر اثرات موج سطحی قرار دارد. با این حال، آرایههاي به طور متراکم بستهبندي شده با جداسازي عنصري کمتر از نصف طول موج، با موج سطحی و همچنین اثرات تزویج موج فضایی مواجه اند
در آنتنهاي چند تغذیهاي، مشکل تزویج متقابل بین عناصر تشعشعی با استفاده از فیلتر مناسب کاهش مییابد [2]، .[3] در [4]، تشدیدگر حلقوي شکافدار چند لایهاي با ضخامت کم در صفحه زمین بین عناصر آنتن به طور متراکم مجتمع شده است. تکنیک پیشنهادي کارآمد است، اما بهره و نسبت تشعشع جلو به عقب را به شدت کاهش میدهد.
علاوه بر این، مرجع [5] با استفاده از ساختارهاي باند ممنوعه الکترومغناطیسی - EBG - در هر دو آرایه ي E و H همراه با جداسازي عنصري 0/75λo، به کاهش 8 دسیبل دست یافت. در مطالعهي دیگر، یک رولایه با EBG مزدوج مسطح -واحد گزارش شده است. این طرح، کاهش تزویج 10 دسیبل براي جداسازي نیم طول موج را ممکن میسازد .[6] در [7] یک دیوارهي عایقی شامل تشدیدگرهاي فرامواد ارائه شده است. این تکنیک به کاهش تزویج بیشتر از 20 دسیبل منجر شده است.
روشهاي سنتز نیز چندین بار گزارش شدهاند که در آنها، تزویج متقابل به طور خازنی یا القایی در بین عناصر جبران شده و تضعیف باند بسیار باریک را در پی دارد
در تحقیقی جدید حذف لبه کناري که با استفاده از بارگذاري تشدیدگر حلقوي شکافدار مکمل CSRR1 در صفحه زمین آرایه آنتن بدست میآید، موجب کاهش 4/3 دسیبل اثر لبههاي جانبی میشود
تکنیکهاي مبتنی بر فرامواد براي تضعیف تزویج، از فرآیند ساخت پیچیده یا ابعاد بزرگ آنتن رنج میبرند
ساختار تشدیدگر حلقوي شکافدار مکمل شکاف ترکیبی SC-CSRR2 در صفحه زمین و در لایه بالاي آرایه در یک قالب دو ستونی نصب شده است تا تضعیف تزویج برابر با 19دسیبل همراه با جداسازي0/5λoحاصل گردد
در این مقاله، ساختارهاي SC-CSRR مطابق شکل 1، در وسط عناصر آنتن مزدوج E به شکل تیغهي رولایه ایجاد میشوند. در این طرح نیازي به افزودن تیغه جداساز نیست و قرار دادن آن در مرکز عناصر آنتن براي کاهش اثر تزویج کافی است. اثرات عدم تزویج SC-CSRR پیشنهادي، براي عناصر آنتن به طور انبوه بسته بندي شده با جداسازي لبه λo/8 مورد بررسی قرار گرفته است. دو نوع بستر براي ساخت آرایه آنتن مورد استفاده قرار گرفتهاند که یکی از آنها بستري ضخیم با گذردهی بالا و دیگري بستري نازك با گذردهی کم است.
-2 طراحی ساختار غیر تزویجی پشتهاي
در تشدیدگر CSRR، تشدید براي میدانهاي با قطبش عمودي در امتداد محور z وجود دارد. براي ایجاد ساختار پیشنهادي، ساختار متداول CSRR با تغییر حلقه بیرونی به شکل Ω و نیز ایجاد دو شکاف موازي در حلقه داخلی اصلاح میشود.
ترکیب دو سلول اصلاح شده CSRR از طریق یک شکاف، سلول واحد SC-CSRR را میسازند. سلول واحد SC-CSRR در فرکانس 3/36GHz بر بستر FR-4 با ضخامت 1 میلیمتر طراحی شده است. پهناي تیغه جداساز بهینه 9/8 میلیمتر و پهناي حلقهها 0/7 میلیمتر و فاصله بین آنها 0/2 میلیمتر بدست آمده است. یک نمونه عنصر واحد SC-CSRR در شکل 1 نشان داده شده که میدان و موج سطحی به ترتیب در امتداد محورهاي z و x هستند.
شکل :1 ساختار سلول واحد SC-CSRR پیشنهادي با پارامترهاي طراحی
پارامترهاي پراکندگی ساختار پیشنهادي شامل گذردهی، نفوذ پذیري و پاسخهاي تناوبی طول شکاف - p - به ترتیب در شکلهاي 2 تا 5 ارائه شده است.
شکل :2 پارامترهاي پراکندگی ساختار
شکل :3 رفتار فرکانسی گذردهی مغناطیسی
شکل :4 رفتار فرکانسی گذردهی الکتریکی مغناطیسی مثبت را ارائه میکند. شکافهاي ایجاد شده در وسط حلقه درونی، به تنظیم دقیق فرکانس تشدید بدون تغییر سایر پارامترهاي تشدیدگر کمک میکند.
براي ساختار SC-CSRR اصلاح شده میتوان باند حذف فرکانسی را در بازه فرکانسی 2/8 تا 3/8 گیگاهرتز مشاهده نمود. این در حالی است که CSRR معمولی، تنها شکاف باند 0/2گیگاهرتزي را نشان میدهد. در این ساختار میدانهاي E در امتداد محور z قطبی شده و k در امتداد محور -x است. مرزها در محور +x - صفحه - y-z و محور -x به ترتیب به عنوان اصلی و فرعی تعریف میشوند. تمام مرزهاي دیگر در لایه کاملا تطبیق یافته تنظیم شده اند.
-3 رفتار تزویج عناصر آرایه مزدوج در صفحه E
در این بخش، رفتار تزویج عناصر آرایه به طور دقیق مورد تحلیل قرار میگیرد و مدل دقیقی از کل ساختار آنتن استخراج میشود. یکی از دو نوع پدیده ي تزویج مطرح شده در مراجع ، پدیده موج سطحی است که در داخل بستر محدود میشود[14] و دیگري، پدیده موج فضایی است که به تزویج میدان نزدیک / میدان واکنشی وابسته است و در خارج از بستر قرار گرفته در بالاي پچهاي مزدوج، محدود میگردد. این مسئله به کمک تئوري تشدیدگر مزدوج به راحتی مورد تحلیل قرار میگیرد. این تحلیل، تمام اثرات بیان شده فوق را در مدارهاي تشدید متصل به یکدیگر، مدل میکند. رفتار تزویج براي دو نوع پیکربندي متفاوت که شامل بستري ضخیم با گذردهی بالا و بستري نازك با گذردهی پایین است، بررسی میشود.
.3الف- بستر ضخیم با گذردهی بالا - Ro6010 -
شکل 6، ساختار آرایه آنتن میکرواستریپ دو عنصري را نشان میدهد. عناصر آنتن، با لبههاي غیر تابشی به طول L، از طریق تغذیه کواکسیال با آفست Po از لبه تشعشعی تغذیه میشوند. فاصله دو المان تشعشعی آرایه پچ میکرواستریپ نیز P میباشد. در شکل 6 یک آرایه پچ میکرواستریپ مربعی شکل - L=W - به ضلع 12 میلیمتر مدلسازي شده است.
شکل:5 ضریب انعکاس براساس تغییرات دو فاکتور فیزیکی تشدیدگر، قابلیت گذردهی الکتریکی منفی و نفوذپذیري
