فصل پنجم
شکاف های چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر
مقدمه
در فصل گذشه روش طراحی آرایه موج رونده موجبر شکاف دار به صورت کامل مورد بررسی قرار گرفت و سپس آرایه ای با 58شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر طراحی وشبیه سازی شد. همانطور که دیده شد پلاریزاسیون متقاطع این نمونه شکاف ها بسیار بالا می باشد. به گونه ای که برای بسیاری از کاربرد های راداری ناکارامد می باشد. بررسی و مطالعات مربوط به پلاریزاسیون متقاطع شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر به صورت کامل توسط Lee و Kurtz انجام شده است.[45]
اگر بخواهیم به طور اجمالی این موضوع را بررسی کنیم، همانطور که در فصل سوم اشاره شد طبق اصل بابینه یک شکاف روی یک صفحه بینهایت معادل یک دایپل مغناطیسی است که جریان مغناطیسی روی دایپل در جهت راستای شکاف می باشد. تئوری Steavenson نیز از همین موضوع اسفاده کرده است. به گونه ای که یک شکاف که دارای عرض w ، طول L وضخامت t (معادل ضخامت موجبر) را خود معادل یک موجبر می گیرد که در مد 〖TE〗_10 تحریک می شود. سطح مقطع این موجبر (شکاف) همان L و w می باشد. میدان الکتریکی درون این موجبر یا شکاف مانند موجبر های عادی در مد غالب، عمود بر طول شکاف و هم راستا با عرض شکاف می باشد. از این رو طبق قضیه surface equivalentاین شکاف را می توان معادل یک جریان مغناطیسی در راستای طول شکاف و یک جریان الکتریکی در راستای عرض شکاف در نظر گرفت.[19]
در تئوری Steavenson بعد از طرح این موضوع با فرض بی نهایت بودن صفحات و اسفاده از قضیه تصویر، شکاف را به صورت تقریبی تنها معادل یک جریان مغناطیسی در طول شکاف در نظر می گرفت.
نحوه تحریک یک شکاف اریب روی بدنه باریک موجبر در شکل 1-5 نشان داده شده است. همانطور که دیده می شود هرچه میزان چرخش شکاف بیشر باشد، تعداد خطوط میدان الکتریکی قطع شده بیشتر خواهد بود و میزان بیشتری توان به بیرون کوپل می شود.
همانطور که مطرح شد یک شکاف به صورت تقریبی معادل یک جریان مغناطیسی در راستای شکاف می باشد. برای شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر این جریان را می توان به صورت دو جریان عمود بر هم در نظر گرفت که یکی از آنها هم راستا با عرض موجبر و دیگری هم راستا با امتداد موجبر یا در راستای آرایه می باشد.

مطالب مشابه در سایت

SABZFILE.COM

موجود است

مولفه همراستا با عرض موجبر پترن دلخواه را به وجود می آورد و مولفه هم راستا با امتداد موجبر باعث تولید پلاریزاسیون متقاطع می شود. در آرایه های taper شده این جریان ها با هم برابر نیستند و شکاف های کنار هم که به صورت چیدمان مثبت و منفی هستند به دلیل مساوی نبودن جریان هایمعادلشان، در امتداد موجبر (آرایه) شکاف ها،این جریان ها نمی توانند به صورت کامل یکدیگر را خنثی کنند و با عث به وجود آمدن پلاریزاسیون متقاطع می شوند.
شکل 5-1 : نحوه تحریک شکاف اریب روی بدنه باریک موجبر
نحوه تحریک شکاف های چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر
شکاف های چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر به خودی خود به دلیل این که خطوط میدان را قطع نمی کنند، نمی توانند تشعشع کنند. پس باید به وسیله ای میدان های درون موجبر را تغییر داد تا خطوط میدان الکتریکی شکاف را قطع کرده و شکاف تحریک شود. در واقع به جای چرخش شکاف ها برای قطع کردن خطوط میدان، میدان ها چرخش داده می شوند تا شکاف را قطع کرده و آن ها را تحریک کنند.

سایت ما حاوی پایان نامه های زیادی است – می توانید جستجو کنید :

نحوه تحریک این شکاف ها در شکل 5-2 نشان داده شده است. همانطور که دیده می شود به وسیله ساختارهایی در درون موجبر، خطوط میدان الکتریکی را می توان مختل(perturb )کرد به گونه ای که عمود بر شکاف شوند و شکاف تحریک شود. وجود جریان مغناطیسی معادل در راستای شکاف که به صورت تقریبی تنها در راستای عرض موجبر می باشد باعث می شود که دیگر مولفه جریان در امتداد موجبر وجود نداشه باشد و باعث کاهش پلاریزاسیون متقاطع می شود.[3]
شکل 5-2 : نحوه تحریک شکاف چرخش نیافه روی بدنه باریک موجبر
این موضوع اولین بار توسط Ajioka مطرح شد که از دو سیم بسیار نازک چرخش یافته برای تحریک هرکدام از شکاف ها استفاده می کرد.[4] بعد از آن ساختارهای متفاوتی مانند استفاده از نوار فلزی بر روی یک صفحه دی الکتریک[5] در پشت شکاف ها، استفاده از دو صفحه بسیار نازک فلزی [3]، استفاده از ساختار های گوه مانند در کنار شکاف ها [8] و ساختار های دیگر [6,7,9,10] برای تحریک شکاف ها ارائه شد.
اگرچه همه این پیشنهاد ها باعث می شد که شکاف های چرخش نیافته تحریک شده و پلاریزاسیون متقاطع آرایه پایین بیاید. اما همه آن ها یا از ساختار های بسیار کوچک و یا از ساختارهای پیچیده درون موجبر استفاده می کردند که ساخت آن ها را از لحاظ عملی دچار مشکل می کرد. همچنین هیچکدام از آنها قابلیت تیونینگ67 را ندارند که یکی از ویژگی های مهم یک آنتن می باشد تا بعد از ساخت بتوان عملیات کالیبراسیون68 را انجام داد.
ساخار پیشنهاد شده برای کاهش پلاریزاسیون متقاطع
بعد از مطالعات صورت گرفته و بررسی این موضوع که ساختارهایی که تا کنون پیشنهاد شده اند ازلحاظ ساخت بسیار مشکل بوده و همچنین قابلیت تیونینگ را ندارند، ساختار ساده شکل زیر پیشنهادشده است. همانطور که در شکل 5-3 دیده می شود، شکاف های چرخش نیافته توسط دو استوانه در کنار شکاف ها تحریک می شوند. این استوانه ها می توانند به عنوان یک پیچ در نظر گرفته شوند که از طریق بدنه موجبر وارد موجبر می شوند و شکاف را تحریک می کنند. از این رو این ساختار قابلیت تیونینگ را دارد.با تغییر ارتفاع این استوانه ها (h) تعداد خطوط چرخش یافته میدان الکتریکی قابل کنترل بوده و می توان میزان توان کوپل شده به بیرون توسط شکاف ها یا رسانایی شکاف ها را کنترل کرد و تغییر داد. از این رو از این ساختار می توان در طراحی آرایه های taper شده استفاده کرد.
شکل 5-3 : ساختار پیشنهاد شده برای تحریک شکاف چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر
چیدمان یکی عکس دیگریاستوانه ها، باعث به وجود آمدن اخلاف فاز 180 درجه بین تحریک شکاف های مجاور هم می شود.
بدست آوردن رسانایی ساختار پیشنهاد شده
همانطور که اشاره شد با تغییر ارتفاع اسوانه ها می توان اندازه رسانایی شکاف ها را تغییر داد. مشابه با روش پیشنهادی که برای بدست آوردن رسانایی شکاف اریب روی بدنه باریک موجبر ارائه شد، همانطور که در شکل 5-3 دیده می شود یک unit-cell شامل دو شکاف با عرض λ_g/20 (w) که به فاصله 6.5 سانتی متر (L) از هم قرار گرفته اند در نظر گرفه شده است.
ساختار از یک طرف تحریک شده و در طرف دیگر بار تطبیق وجود دارد. شعاع استوانه ها مشابه بوده و برابر 0.095λ (1 cm) می باشد.
همه طراحی ها دوباره در باند S و فرکانس 2.85 گیگاهرترز و در موجبر WR-284 می باشد. این unit-cell در نرم افزار CST شبیه سازی شده است به گونه ای که بین پورت 1و 2 شرط مرزی پریودیک گذاشه شده است. سپس برای هر ارتفاع h میزان عمق فرورفتگی (d) شکاف در بدنه پهن موجبر تغییر داده شده تا شکاف به رزونانس برسد.
در شکل زیر اندازه رسانایی شکاف ها بر حسب تغییر ارتفاع استوانه ها نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود با افزایش ارتفاع استوانه ها اندازه رسانایی شکاف ها در نتیجه میزان توان تشعشع شده توسط شکاف ها افزایش پیدا می کند. زیرا میزان خطوط میدان الکتریکی چرخش یافته بر روی شکاف ها افزایش پیدا می کند.
شکل 5-4 : رسانایی شکاف چرخش نیافته پیشنهاد شده بر حسب ارتفاع استوانه ها ( نرمالایز شده به λ)
اندازه طول رزونانس شکاف ها با افزایش ارتفاع استوانه ها از 0.59λ تا 0.6λ تقریبا به صورت خطی افزایش پیدا می کند.
آرایه موج رونده طراحی شده با ساختار پیشنهاد شده و نتایج شبیه سازی
بعد از بدست آوردن نمودار طراحی شکل 5-4 یک آرایه با 58 شکاف که دارای مشخصات مشابه با آن چیزی که برای شکاف اریب انجام شد طراحی شده است. با استفاده از نمودار شکل 5-4 و جدول طراحی 4-1 مشخصات شکاف ها و ارتفاع استوانه ها بدست آمده و آرایه در نرم افزار CST و HFSS شبیه سازی شده و نتایج با هم مقایسه شده است. شبیه سازی با دو نرم افزار به این دلیل بوده است که این دو نرم افزار از دو روش عددی متفاوت استفاده می کنند.
نرم افزار CST از روش Finite integration time domainدر حوزه زمان و نرم افزار HFSS از روش Finite Elementدر حوزه فرکانس در تحلیل ساخارها استفاده می کنند.شمای کلی آرایه موج رونده طراحی شده با ساختار پیشنهاد شده در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 5-5. شمای کلی آرایه طراحی شده با ساختار پیشنهاد شده
پهنای باند
در شکل زیر نمودار اندازه VSWR به وسیله نرم افزار های CST و HFSS محاسبه و کشیده شده است. همانطور که دیده می شود در کل پهنای باند فرکانسی،اندازه VSWR آرایه مقدار بسیار کمی است. نتایج دو نرم افزار نشان می دهد که اندازه VSWR زیر مقدار 1.1 می باشد.
شکل 5-6. نمودار اندازه VSWR آرایه با ساختار پیشنهد شده
البته اندازه پهنای باند فرکانسی بسیار بیشتر از این مقدار می باشد،اما همانطور که در مورد آرایه طراحی شده با شکاف اریب مطرح شد، در خارج از این باند اندازه سطح لوب کناری پترن ها بالا آمده و شکل پترن از هدف طراحی دور می شود.
الگوهای تشعشعی
در شکل های 5-7 و 5-8 پترن دایرکتیویتی آنتن طراحی شده در نرم افزار CST در فرکانس مرکزی به ترتیب در مختصات دکارتی و قطبی کشیده شده است. همانطور که مشاهده می شود اندازه ماکزیمم دایرکتیویتی آنتن 22.5 dB و پهنای بیم آن 2درجه می باشد. این در حالی است که طراحی انجام گرفته برای پهنای بیم 1.9 درجه بوده است. با این که طراحی برای راستای بیم اصلی 97.2 درجه بوده است، همانطور که مشاهده می شود نتایج زاویه 97.5 درجه را نشان می دهند. اندازه سطح لوب کناری تقریبا -33 dB می باشد که بسیار نزدیک به مقدار طراحی است. این موضوع نشان می دهد که در نمودار طراحی شکل 5-4 هم مانند شکاف اریب، اثر کوپلینگ متقابل بین شکاف ها، به خوبی در نظر گرفته شده است.
شکل 5-7 : پترن دایرکتیویتی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.85 GHzدر مختصات دکارتی

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید