بخشی از مقاله
چکیده
آنتنهای آرایهای کاربردهای بسیار زیادی در سیستم-های تجاری و نظامی دارند. از جمله در رادار، سامانههای مراقبتی، جنگ الکترونیک، جهتیابها و ... کاربرد دارند. شبکه تغذیه آنتنهای آرایهای یک از قسمتهای مهم آرایهها است. در این مقاله یک شبکه تغذیه 1:8 با استفاده از فناوری جدید موجبر فاصلههوایی - Ridge Gap waveguide - RGW - - در باند Ku طراحیو شبیهسازی شده است که قابل تعمیم به شبکه تغذیه 1:N دلخواه است. فناوری RGW دارای مزایای زیادی از جمله تلفات کم، پهنای باند زیاد، حساسیت کم به خطای ساخت، قابلاستفاده در فرکانسهای باال مانند موج میلیمتری، قابلیت اتصال آسان به ادوات فعال و . . . است. شبکه تغذیه شبیهسازی شده دارای افت بازگشتی بهتر از -15 dB در پهنای باند فرکانسی 15-18 GHz است . همچنین تلف عبوری از دهانه ورودی به هر کدام از دهانه-های خروجی حدود -9 dB است که مورد انتظار بود. همچنین تغییر اختالف فاز از دهانه ورودی به هر کدام از دهانههای خروجی کمتر از یک درجه است.
کلمات کلیدی– موجبر فاصله هوایی - RGW - ، شبکه تغذیه آنتن آرایهای، باند Ku، افت بازگشتی، تلف عبوری.
-1 مقدمه
موجبر فاصله هوایی - Ridge Gap waveguide - RGW - - موجبر جدیدی است که به دلیل ویژگیهای منحصربهفرد آن مورد توجه قرار گرفته است. این ساختار در سال 2009 معرفی شد [1] و اساس آن بر مبنای تعریف صفحه سخت و نرم که در سال 1988 معرفی گردید، است.[2] یک صفحه در یک راستا سخت - نرم - نامیده میشود اگر بتواند موج را در آن راستا انتشار ندهد - بدهد - . نمای کلی ساختار موجبر RGW در شکل 1 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود کل موجبر از جنس PEC و از چند بخش کلی ساخته شده است -1:ساختاری متناوب، -2تیغهای که در وسط قرار گرفته است -3یک صفحه PEC در پایین و چسبیده به ساختار متناوب و -4یک صفحه PEC که در باال و به فاصله کمتر از ربع طولموج از آنها قرار گرفته است .نمای از روبهروی ساختار ساختار شکل 1 در شکل 2 نشان داده شده است.می توان نشان داد بین دو صفحه PEC که روبهروی هم قرار گرفته اند موج می تواند منتشر شود درحالیکه بین یک صفحه PEC و یک صفحه PMC اگر با فاصله کمتر از یکچهارم طولموج روبهروی هم قرا گیرند موج نمی تواند عبور کند - شکل [3] - 3 و .[1]همان طور که در شکل 2 مشاهده میشود در موجبر RGW نیز از همین ویژگی استفاده شده است.
قسمت متناوب موجبر در حکم یک صفحه با امپدانس باال یا یک PMC عمل میکند و تیغهی وسط نیز یک PEC است درنتیجه موجبر روی تیغهی مرکزی محبوس میماند و حرکت میکند. مد غالب در این موجبر مود شبه TEM - یا - Q-TEM است.موجبر RGW در مقایسه با خطوط انتقال دیگر داری مزایایی زیادی است از جمله: تلفات کم، پهنای باند زیاد، قابلاستفاده در فرکانسهای میلیمتری و زیر میلیمتری، قابلیت اتصال آسان به ادوات فعال، حساسیت کم به تلورانس ساخت و ... است .[4] تاکنون از این فناوری در کاربردهای زیادی مانند کوپلر [5] ، اتصال -Tشکل [6] ، فیلتر [7] و ...استفاده شده است. در اینجا با استفاده از فناوری RGW شبکه تغذیهای برای آنتن آرایهای در باند Ku - در محدوده فرکانس - 15-18 GHz طراحی و شبیه سازی میشود.
-2 طراحی یک RGW ساده
در ابتدا یک موجبر ساده با استفاده از RGW طراحی و شبیه سازی می شود. ابعاد این موجبر در جدول 1 نشان داده شده است.در یک موجبر RGW مهمترین ابعاد مربوط به ارتفاع فاصلهی هوایی و همچنین پهنای Ridge است. به دلیل اینکه این دو پارامتر بر روی امپدانس موجبر تأثیرگذار هستند و درنتیجه برای تطبیق امپدانس مهم هستند باید در طراحی با دقت خاصی آنها را انتخاب کرد. بقیه پارامترها حساسیت کم تری دارند و در صورت تغییرات کوچک، تفاوت آنها در نتایج چشمگیر است. حتی در ساختار متناوب بهجای شکل مکعب میتوان از ساختاری متناوب به شکل استوانه استفاده کرد و نتایج قابل قبولی داشت. موجبر شبیه سازی شده در نرم افزار CST با ابعاد جدول 1 در شکل 4 نشان داده شده است.نتایج افت بازگشتی - - S11 و تلف عبوری - - S21 موجبر RGW شبیه سازی شده، در شکل 5 نشان داده شده است. همان طور که مشاهده می شود این ساختار دارای افت بازگشتی بهتر از -25 dB و تلف عبوری بهتر از -0/05 dB در پهنای باند مورد نظر - 15-18 GHz - است.
موجبر RGW
در این ساختار موج روی تیغه مرکزی محدود میماند و در راستای طولی حرکت میکند و در راستای عرضی موج سریعا افت میکند بهطوریکه در راستای عرضی بعد از تناوب دوم موجی منتشر نمیشود و تقریبا مقدار آن صفر و عمل گذاشتن ردیفهای سوم و ردیفهای بیشتر تأثیر زیادی در عملکرد موجبر نخواهد داشت.
-3 طراحی یک تقسیمکننده توان 1:2 با استفاده از RGW
برای طراحی یک شبکه تغذیه 1:N - یک ورودی و N خروجی - با استفاده از ساختار دودویی ابتدا نیاز به طراحی یک مقسم 1:2 - با یک ورودی و دو خروجی - است. برای طراحی در این مرحله نیاز به دانستن امپدانس موجبر است که این امپدانس قبل معرفیشده است [8]،که در این رابطه امپدانس موج فضای آزاد و W و h عرض Ridge و فاصله هوایی بین دو صفحه PEC است. ذکر این نکته ضروری به نظر میرسد که امپدانس معرفی شده با استفاده از مشابهت بین خط استریپ و RGW به دستآمده است و روشی تقریبی برای محاسبات اولیه است. به دلیل اینکه ساختار متناوب را نمیتوان یک PMC کامل دانست و شکل میدانها بین RGW و خط استریپ دقیقا یکسان نیست نمیتوان آن را یک رابطهی دقیق دانست. بهجز این روش، روشهای عددی نیز در [8] معرفی شده است که با محاسبات نرمافزارهای مختلف میتوان به امپدانس موجبر رسید.
اگر بخواهیم امپدانس موجبرهای خروجیی برابر با Z0 باشد بنابراین امپدانس ورودی نقطه اتصال موجبرهای خروجی Z 0 / 2 می شود در صورتی که بخواهیم امپدانس دهانه ورودی نیز Z0 باشد نیاز به تطبیق امپدانس داریم. روش های مختلفی برای تطبیق امپدانس وجود دارند که در این جا از روش مبدل ربع طول موج استفاده می کنیم. بنابراین برای تطبیق امپدانس در ورودی نیاز به موجبری با امپدانس 2 Z0 / و به طول ضریب فردی از ربع طول موج است. پهنای قسمت تطبیق برابر با 7/9 میلیمتر است. ساختار مقسم 1:2 با ااستفاده از RGW در شکل 6 نشان داده شده است.
-4طراحی شبکه تغذیه آنتن آرایه ای با فناوری RGW
در این بخش شبکه تغذیه آرایه آنتنی با 8 المان با استفاده مقسم 1:2 طراحی و شبیه سازی می شود. در حالت کلی این شبکه قابل تعمیم به یک شبکه 1:N با N زوج دلخواه است. در اینجا از 7 مقسم توان 1:2 RGW برای تحقق شبکه تغذیه 1:8 با ساختار دودویی استفاده شده است. نمای این شبکه تغذیه در شکل 8 نشان داده شده است.نتایج شبیه سازی ساختار مقسم 1:2 با استفاده از نرم افزار CST در شکل 7 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشاهده می شود این مقسم دارای افت بازگشتی - S11 - بهتر از -15 dB در پهنای باند 15-18 GHz است. همچنین تلف عبوری به هر دو دهانه خروجی - S21 و - S31 تقریبا -3 dB است که مطابق انتظار است.نتایج شبیه سازی در CST افت بازگشتی شبکه تغذیه 1:8 در شکل 9 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشاهده می شود این شبکه تغذیه دارای افت بازگشتی بهتر از حدود -15dB در پهنای باند 15-18 GHz است. البته قابل ذکر است که ابتدا و انتهای باند کم تر از -10 dB است.
