بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، طراحی و شبیهسازی یک هایبرید جهتی ° فراپهن باند با میزان تزویج -3دسیبل ارائه شده است. جهت پوشش پهنای باند پیشنهادی 0.5 تا 28 گیگاهرتز - بیش از پنج اکتاو - ، از تکنولوژی استریپ الین استفاده شده است. همچنین در این مقاله یک طراحی الکترومغناطیسی دقیق برای بهینهساز ی عملکرد با توجه به پهنای باند وسیع ساختار انجام شده است. نتایج شبیهسازی این ساختار میزان تلفات بازگشتی - < − - ، توان انتقالی - ≈ ≅ − - ، میزان ایزوالسیون بین پورتهای ورودی - ≈ ≅ − - و همچنین میزان اختالف فاز ایجاد شده بین پورتهای خروجی - ° ± ° - ، درمحدوده فرکانسی 0.5 تا 28 گیگاهرتز را نشان میدهد.
همچنین این ساختار دارای پهنای باند نسبی برابر - % - = .میباشد که نسبت بسیار زیادی است . با توجه به دستیابی به نتایج بسیار عالی در چنین محدوده فرکانسی وسیعی در مرحله شبیهسازی، از این ساختار میتوان در بسیاری از سیستمهای راداری نظیر شبکههای تغذیه فراپهن باند آنتن مونوپالس، شبکههای تغذیه باتلر و همچنین شبکههای ردیابی و جهتیابی ماهوارهای همانند شبکه شکلدهنده مود و پرتو برای آنتنهای چهاربازویی حلزونی در زمینه غیرنظامی و به طور خاص در زمینه نظامی استفاده کرد. الزم به ذکر است که این پهنای باند وسیع - 0.5 تا 28 گیگاهرتز - ، برای چنین ساختاری در هیچ کدام از مقالههای پیشین مربوطه، هنوز گزارش نشده است.
کلمات کلیدی– هایبرید جهتی ،امپدانس خطوطغیریکنواخت،آنتن مونوپالس، شبکه شکلدهنده مود و پرتو، آنتن حلزونی چهاربازویی.
-1 مقدمه
هایبرید90° یکی از پرکاربردترین ادوات غیرفعال موجود در جعبه ابزار طراحان مدارات موج میلیمتری می باشد. هایبرید 90° ، یک قطعه4 پورتی است که براي تقسیم توان ورودي به دو بخش مساوي با اختالف فاز 90° در دو پورت خروجی با اندازه ایزوالسیون بسیار باال و نوسانات بسیار اندك در توانهاي خروجی و یا ترکیب دو سیگنال ورودي با اندازه توان مساوي و اختالف فاز 90° در پورت خروجی مورد استفاده قرار میگیرد. چنین اختالف فاز 90° بین خروجی باعث میشود که از این هایبریدها در طراحی تضعیفکنندههای متغیر الکترونیکی، میکسرهای مایکروویو، مدوالتورها و بسیاری از اجزای دیگر مایکروویوی مانند شبکههای تغذیه فراپهن باند آنتن مونوپالس - نظیر: شبکه شکلدهنده مود و همچنین پرتو - ]1[ به عنوان بک عنصر بسیار کاربردی و مفید استفاده شود.]2[
طراحی هایبریدها در ادبیات علمی به خوبی شناخته شدهاند، اما طراحی آنها جهت استفاده در کاربردهای UWB دارای اهمیت ویژهای است. برای افزایش دامنه فرکانس کاری هایبرید، راهحلهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. ساختارهای معمولی "اتصال بزرگ" ]3[، "اتصاالتشاخهای" ]4[ و "حلقه هایبریدی" ]5[ از جمله روشهای افزایش پهنای باند برای این ساختار هستند، اما این روشها پهنای باند تنها یک اکتاو را تضمین می کنند. یکی دیگر از انواع ساختارها، که در این مقاله شرح داده شده است، "اتصال دو طرفه]6[ است که امکان تحقق یک ساختار با پهنای باند چند اکتاو را فراهم می کند و در مقایسه با طراحیهای دیگر، پیچیدگی تولیدرا کاهش می دهد.
یک تکنیک برای بدست آوردن ساختاری با پهنای باند چند اکتاو، استفاده از خطوط امپدانس چند بخشی جهت حذف تغییراتناگهانی بین خطوط میباشد، به طوری که با حذف تغییر ناگهانی بین خطوط تزویجشده می توان به پاسخ فرکانسی مناسبتری دست یافت. برای این منظور با طراحی هموار ساختار تزویجکننده میتوان ایزوالسیون و در نتیجه جهتدهی تزویجکننده را افزایش داده و از طرفی به پاسخ فاز مناسبتری در فرکانسهای باالتر دست یافت.]2[ به عنوان مثال در مقاله ]8[ با استفاده از خطوط چند شاخهای محدوده فرکانسی 2.5 تا 4 گیگاهرتز را شامل شده است.
در مقاله ]9[ با استفاده از قطعه rat-race بازه 0.5 تا 2.8 گیگاهرتز و همچنین در ]10[ با استفاده از خط انتقال شکافی به بازه فرکانسی 3.1 تا 11.6 گیگاهرتز دست یافته است. باالترین محدوده فرکانسی ارائه شده در مقاله ]11[ محدوده 2 تا 20 گیگاهرتز را با استفاده از خطوط امپدانسی غیریکنواخت پوشش داده است.در این مقاله طراحي و تحلیل یک هایبرید -3دسیبل ، 90° در محدوده فرکانسی 0.5 تا 28 گیگاهرتز ارائه شده است. الزم به ذکر است، طراحی این ساختار برای چنین بازه فرکانسی وسیعی در هیچ کدام از مقاالت پیشین موجود در این زمینه ارائه نشده است. مراحل انجام مقاله به ترتیب زیر آورده شده است: بخش اول مقاله - فصل دوم و سوم - طراحی و انتخاب فنآوری را توصیف می کند. فصل چهارم نتایج شبیهسازی را نشان می دهد.
با استفاده از معادالت زیر میتوان به پاسخ تزویج dB -3، برای هایبرید را بدست آورد:
در ادامه با استفاده و از روابط قبلی و همچنین روابط زیر با توجه به میزان تزویج dB-8.34 خواهیم داشت:
-2 ساختار و طراحی هایبرید
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است، ساختار اتصال مربوط به این مقاله متشکل از دو هیبرید متقارن dB - 8 34 به صورت پشت سر هم]12[ برای بدست آوردن میزان تزویج dB-3 است.دو نوع روش برای اتصال N بخش به هم وجود دارد، یکی روش اتصال گسسته و دیگری روش اتصال باریک شونده میباشد.]13[ چنین مشخصاتی بر عنصر پارازایتی امپدانس خط ]14[ اثر می گذارد با محدودیت پاسخ فرکانسی. توسعه تحلیلی و جداول ضرایب اتصال مورد نیاز برای طراحی با میزان نوسان برابر در مقاله ]15[ گزارش شده است. تفاوت بزرگ میزان ضریب تزویج - کوپلینگ - مورد نیاز در با بخشهای مجاور با یک چهارم طول موج، باعث تغییر ناگهانی در ابعاد فیزیکی خواهد شد که این امر باعث اختالالت عملکردی و همچنین تخریب اثر تزویج اتصاالت مجاور خواهد شد، به همین دلیل برای اتصاالت با کاربردهای باالتر از 20 گیگاهرتز استفاده از روش مخروطی مناسب است.]18[ با توجه به این نقص و همچنین پیچیدگی راهحل مربوطه جهت طراحی، در این مقاله رویکرد گسسته به دلیل محدودیت فرکانسی انتخاب شده است.
در طراحی هایبریدهای جهتی، اولین گام محاسبه ضرایب تزویج و تعداد بخشهای خطوط امپدانسی - N - میباشد، با توجه به این دو مولفه میتوان پهنای باند، میزان نوسان، ایزوالسیون و تطبیق امپدانس را تعیین می کند. این تحلیل در ]17[ توصیف شده است. با توجه به پهنای باند مورنظر - = - ، ضریب تزویج بخشهای مختلف 8.34 دسیبل، میزان نوسان - 1ریپل - 0.7215 و تعداد بخشها جهت پوشش پهنای باند برابر - N = 13 - 13 درنظر گرفته شده است. تزویجکنندههای جهتی غیر یکنواخت که برای اولین بار در یک روش مدوالر در سال 1966توسط آقای Tresselt پیشنهاد شده ]16[، به طور گسترده در سیستمهای امواج میلیمتری مختلف استفاده میشود.
با استفاده از این روش طراحی، ساختار تزویجکننده مورد نظر را شرح میدهیم. اگر c ضریب تزویج درفرکانس ω و p1 - u - توزیع ضریب بازتاب مود زوج در پورت ورودی تزویجکننده باشد با استفاده از رابطه - 1 - میزان تزویج در طول را محاسبه کرد.که در آن d طول کلی خطوط تزویجکننده و v سرعت انتشار موج در محیط است. ساختار هایبرید مورد نظر را می توان با داشتن ضریب تزویج در هر نقطه از طول ساختار ایجاد نمود. برای این کار ابتدا امپدانس مشخصه مود زوج با انتگرالگیری نقطه به نقطه از توزیع ضریب بازتاب که در رابطه ی - 1 - نشان داده شده است، بدست آورد.
در ادامه باید به این نکته مهم توجه داشته باشیم که با افزایش طول خطوط تزویجکننده، نمودار تزویج2 این خطوط به نمودار تخت نزدیکتر میشود. به دلیل اینکه نمیتوانیم طول ساختار را بینهایت انتخاب کنیم، پدیدهای به نام " گیبس" رخ خواهد داد. برای بهبود این شرایط راهحلی ارائه شده است که در ادامه به آن میپردازیم. برای رفع این مشکل کافی است به جای یک تابع کامال تخت برای ضریب تزویج، یک تابع با نوسانهای سینوسی کوچک و یکسان و قابل قبول را در نظر بگیریم. در این صورت روند طراحی نتیجه بهتری خواهد داشت و پدیده گیبس رخ نخواهد داد. در این انتخاب با اعمال توابع وزنی جدید، رابطه - - 1 به صورت رابطه - 2 - تبدیل میشود.برای محاسب - 0 - از از رابطه ی - - 2 زیر استفاده می کنیم:
که در آن ها توابع وزنی هستند. و از طریق رابطه - 3 - بدست میآیند.در ادامه با داشتن رابطه - 3 - مقادیر wهای مختلف و سپس با استفاده از مقادیر بدست آمده و همچنین با جایگزاری در رابطه - 2 - ، مقادیر امپدانسهای مود زوج جدید که دارای نوسان - ریپل - های یکسان هستند برای ساختار تزویجکننده بدست خواهد آمد. نمودار تغییرات امپدانس در سرتاسر طول ساختار، در شکل - 2 - نشان داده شده است.با داشتن مقادیر تغییرات امپدانس بدست آمده می توان منحنیهای خطوط امپدانسی استریپالین ساختار مورنظر را ترسیم کرد، که نمودار مربوط به منحنی این خطوط در شکل - - 3 نشان داده شده است.
