بخشی از مقاله
چکیده -
به دلیل آنکه برای افزایش پهنایباند در ساختارهای صفحه شطرنجی نیاز به بردهای با ضخامت بالا میباشد و بردهای ارزان قیمت تر نیز ضخامتی محدود دارند، در این مقاله از یک برد RO4003 بر روی زیر لایهای از هوا استفاده شده است. با این تکنیک علاوه بر قرار گرفتن پارامتری جدید در اختیار طراح، هزینه ساخت 90 درصد کاهش و پهنایباند ساختار به 73 درصد افزایش یافته است. همچنین نتایج شبیهسازی و اندازهگیری از تطابق خوبی برخوردارند.
-1مقدمه
هادیهای الکتریکی در طبیعت وجود دارند ولی هادیهای مغناطیسی AMC را باید بصورت مصنوعی ساخت. اینگونه از مواد مهندسی شده که ساختارهای پریودیک دارند امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. کاربردهای مختلف AMCs باعث شده که امروزه مطالعه در مورد آنها در زمینههای گوناگونی مانند ارتقا، طراحی، کاربردها و مدلسازی درحال انجام باشد. از کاربردهای این مواد میتوان به بهبود مشخصات برخی از آنتنها نظیر افزایش گین[2]، کاهش SLL در آنتنهای مایکرواستریپ [3]، کاهش موج سطحی [4] و کاهش کوپلینگ متقابل درآنتن-های آرایه [5] اشاره نمود.
اما یکی از کاربردهای بسیار مهم AMCها کاربرد آنها در کاهش RCS آنتنها [6] و سطوح-7] [13میباشد. برای کاهش RCS دو روش اصلی وجود دارد که عبارتند از کاهش فعال و کاهش غیرفعال. در روش فعال ابتدا موج تابشی رادار دریافت، و سپس آن را با اختلاف فاز 180 درجه مجددا ارسال مینمایند تا با استفاده از برآیند ویرانگر بین دو موج، RCS کاهش یابد.[14] هرچند این روش امروزه در برخی از سیستمهای نظامی کاربرد دارد اما مشکلات آن اغلب بیشتر از مزایای آن است. مشکلاتی از قبیل هزینه بسیار بالا ، پیچیدگی، مشکلات زمانی و پهنایباند محدود. روشهای غیرفعال نیز انواع مختلفی مثل استفاده از [18-15 ] RAM ، شکلدهی [19] و استفاده از سطوح شامل [13-7 ] AMC دارد.
در روش شکلدهی با تغییر در شکل هندسی هدف، انرژی به زاویهای غیر از زاویه تابشی منعکس میگردد. اما یکی از مهمترین روشهای کاهش سطح مقطع راداری RCS، استفاده از سطوح شامل AMC میباشد. AMC نوعی از ساختارهای EBG میباشد. به دلیل امپدانس سطحی بالای AMCها در فرکانس رزنانس، ضریب انعکاس برای موج تابشی به آن تقریبا برابر +1 و لذا فاز آن در حدود صفر میباشد. همچنین فاز ضریب انعکاس به طور متناوب بین -180 تا 180 تغییر مینماید.
هرچند صفر شدن فاز تنها در یک فرکانس رخ میدهد اما پهنایباند AMC را بازه-ای از فرکانس در نظر میگیرند که فاز ضریب انعکاس سطح بین -90 تا +90 متغییر باشد.[21-20] برخلاف AMCها فاز موج منعکسه از PEC برابر 180 درجه میباشد لذا چنانچه این دو ساختار به نحو مناسبی بصورت صفحه شطرنجی در کنار یکدیگر قرار گیرند، امواج منعکسه برآیند ویرانگر نموده و باعث کاهش RCS میگردند.
با این روش در [7] و با استفاده از AMC و PEC در کنار هم پهنایباند 6.4% و در [8] پهنای باند 12% بدست آمده است. منظور از پهنایباند سطح، بازهی فرکانسی است که RCS سطح نسبت به سطح معادل PEC ، بیش از 10dB کاهش یافته باشد. به دلیل پهنایباند محدود ساختارهای AMC ، یک سلول AMC در خارج از پهنایباند خود، رفتاری شبیه PEC نشان میدهد.
لذا پهنایباند ساختار نیز محدود خواهدشد. برای افزایش پهنایباند بجای استفاده از ترکیب سلولهای AMC-PEC میتوان از ترکیب دو سلول AMC با دو فرکانس رزونانس متفاوت به نحوی استفاده کرد که اختلاف فاز بین دو سلول در بازه فرکانسی وسیعتری در حدود 180 درجه باقیبماند. این ایده ابتدا در [9] مطرح شد و با این روش پهنایباند ساختار صفحه شطرنجی به %54 افزایش یافت. این روند در [11] نیز ادامه یافت. این سطوح حتی میتوانند از حالت صفحهای نیز خارج شوند و برای پوشش اجسام مختلف بکار روند .
هرچند استفاده از دو سلول AMC بصورت ساختارهای صفحه شطرنجی مشکل پهنایباند محدود را تا حدودی بهبود داده است ولی همچنان طراحی این نوع ساختارها در فرکانسهای پایین مشکل میباشد. به عنوان مثال تمامی نتایج مقالات بررسی شده - 9] [8-7-12در فرکانسهای بالاتر از 14GHz گزارش گردیده اند. به منظور کاهش فرکانس کاری سطح، ساختار[10]معرفی شد که به پهنایباند %2,5 در بازه فرکانسی 5.77-5.92GHz دست یافت.
یکی دیگر از روشهای افزایش پهنایباند و پایینآوردن فرکانس کاری در ساختارهای صفحه شطرنجی افزایش ضخامت زیرلایه میباشد. به عنوان مثال در [12] از یک برد RT/Duruid 5880 با ضخامت6.35mm استفاده گردیده که منجر به دستیابی به پهنای باند 63% در بازه فرکانسی 4.10 - 7.59 GHz گردیده است. با توجه به ماکزیمم ضخامت موجود این برد که برابر 3.175mm میباشد احتمالا این سطح از دو لایه یکسان به هم چسبیده ساخته شده است که به علت قیمت بسیار بالای این برد و با توجه به دو لایه بودن و دو برابر شدن قیمت هر سانتیمتر مربع از این پوشش، انتخاب این نوع از ساختار از لحاظ هزیته بهصرفه نیست. به عبارتی انتخاب بردهای ارزان قیمتتر نظیر RO4003 فقط به علت ماکزیمم ضخامت موجود 1.524mm آن در عمل امکانپذیر نیست.
در این مقاله این مشکل با استفاده از دولایه شدن زیرلایه رفع گردیده است. تاکنون ساختارهای AMC بر روی یک نوع زیرلایه ساخته شدهاند اما در این مفاله یک لایه برد RO4003 فقط به عنوان نگهدارنده بر روی زیر لایهای از هوا قرار گرفته است. مزایای این روش در مقایسه با [12] عبارتند از: افزایش پهنایباند به بیش از 73%، کاهش ضخامت Board وکاهش 90 درصدی هزینه ساخت پوشش به دلیل قیمت مناسبتر زیرلایه .RO4003 همچنین قابل تنظیم بودن ضخامت برد در بهترین مقدار مورد نظر طراح از دیگر مزایای روش پیشنهاد شده است.
-2 طراحی ساختار
-1-2طراحی سلول
مهمترین خاصیت یک AMC که در کاهش RCS مورد استفاده قرار میگیرد این است که فاز و دامنه موج تابشی و موج منعکس شده از آن تقریبا مساوی است. بر همین اساس دو سلول مستطیلی AMC با ابعاد 10*10mm2 با دو فرکانس رزونانس متفاوت مطابق شکل1 طراحی گردیده است.
شکل:1 نمایی سهبعدی از سلول AMC معرفی شده.
ابعاد و مشخصات این دو سلول به نحوی است که در بازه فرکانسی وسیعی اختلاف فاز نزدیک به 180 درجهای وجود داشته باشد. مطابق شکل1 این دو سلول بر روی دو لایه هوا با ضخامت ha=40mm و زیرلایه RO4003 با ضخامت hs=32mil و ثابت دیالکتریک 3.55 قرار گرفته است. در زیر لایهی هوا نیز، زمین ساختار قرار گرفته است. سلول1 از یک patch دایروی تشکیل شده است و سلول 2 نیز هیچگونه مسی بر روی زیرلایه اصلی خود ندارد. در عمل رزنانس این سلول به دلیل عمق دو زیرلایه میباشد. در شکل2 پاسخ فاز و دامنه انعکاسی سلول1 و سلول2 که توسط نرمافزار [22] HFSS شبیهسازی شده، ترسیم گردیده است.
شکل:3 دامنه و فاز موج منعکسه از دو سلول. الف - دامنه ب - فاز و اختلاف فاز موج منعکسه بین دو سلول.
مطابق شکل2 فرکانس رزنانس سلول1 و 2 به ترتیب برابر 5.35GHz و 11.4GHz میباشد. مطابق [12] برای داشتن کاهش-10db RCS اختلاف فاز بین دو سلول AMC باید در محدوده 180 37 باشد. لذا مطابق - شکل-2ب - پیشبینی می-گردد پهنایباند ساختار نهایی در محدوده 5.85-11.95GHz باشد.
-2-2توزیع سلولها و ساختار نهایی با ترکیب سلولهای1 و 2 به صورت شکل3 ساختار صفحه
شطرنجی ساخته میشود. به دلیل آنکه سلول2 هیچگونه مسی بر روی زیرلایه اصلی خود ندارد شکل ظاهری این سلول با تمامی ساختارهای [12-9] متفاوت میباشد.
شکل:3 ساختار صفحه شطرنجی: الف - یک پریود 4 در 4 ب - کل ساختار 16 در .16
همچنین در قرارگیری سلولهای 2 در کنار یکدیگر بایستی بسیار دقت شود. نکته اساسی در این ساختار مساوی بودن تعداد سلولهای1 و 2 در ساختار میباشد. در - شکل-3الف - نمایی از یک جز 4 در 4 ساختار پیشنهادی نمایش داده شده است. با تکرار این جز بصورت پریودیک مطابق - شکل-3ب - ساختار نهایی ساخته میشود. ابعاد این صفحه شطرنجی 16×16 cm2 میباشد.
-3شبیهسازی و تست ساختار پیشنهادی
ساختار صفحه شطرنجی ساخته شده در شکل4 نشان داده شده است.
شکل:4 نمایی از ساختار ساخته شده.
نتایج شبیهسازی و اندازهگیری کاهش سطح مقطع راداری سطح ساخته شده نسبت به PEC در شکل5 نمایش داده شده است.
شکل:5 نتایج شبیهسازی و ساخت کاهش سطح مقطع راداری مونو استاتیک سطح شطرنجی پیشنهادی نسبت به صفحه فلزی.
تابش آنتن فرستنده بصورت عمودی است و آنتن گیرنده در جهت زاویه حرکت میکند
