پایان نامه ها

آنتن، آنتنها، تزویج، ولتاژ، امپدانس، رادارهای

امپدانس Z1 برای جبهه موج ورودی از زاویهی 87°95
شکل6- 45: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با ماتریس
برای جبهه موج ورودی از زاویهی 57/5° 96
شکل6- 46: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با C2 برای
جبهه موج ورودی از زاویهی 57/5°97
شکل6- 47: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با C4 برای
جبهه موج ورودی از زاویهی 57/5°98
شکل6- 48: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با ماتریس
امپدانس Z1 برای جبهه موج ورودی از زاویهی 57/5°99
فصل اول

مقدمهپیش از این، برای فهم قابلیت و کارایی آنتنهای طراحی شده باید آنها ساخته میشدند، در نتیجه تحلیل کارایی آنتنهای طراحی شده مستلزم هزینههای زیادی بود و گاهی برای ایجاد کوچکترین تغییر در طراحی و بررسی نتایج آن، باید کل روند ساخت دوباره طی میشد. با پیشرفت علم و تکنولوژی کامپیوتر، محققین و مهندسین آنتن و انتشار امواج توانستند بکمک روشهای عددی الکترومغناطیسی مسایل پیچیده را با دقت قابل قبول شبیه سازی و حل نمایند.
همگام با پیشرفت تکنولوژی و تولید کامپیوترهای قدرتمندتر، روشهای عددی گسترش داده شده و الگوریتمهای پیچیدهتر و دقیقتر ارائه گردیدهاند. در این پایان نامه از روشهای عددی الکترومغناطیسی برای حل دقیق یک مسئله عملی در حوزه رادار پسیو استفاده کردهایم و کارایی چند تکنیک عددی را مورد بررسی قرار دادهایم. همچنین نحوه بهبود و یک روش برای حذف آثار مخرب تزویج متقابل در آرایههای آنتن یاگی-اودا را بررسی کردهایم.
در این رساله ابتدا توضیح مختصری دربارهی رادار پسیو داده و نحوهی عملکرد آنتن گیرنده در این رادار مورد بررسی قرار گرفته است. پس از آشنایی با توابع گرین و خواص آنها و همچنین توابع پایه و وزن؛ روش مومنت و چگونگی استفاده از این روش برای حل معادلات الکترومغناطیس بررسی شده است. سپس آنتنهای سیمی معرفی شده و جریان روی سیمهای این آنتنها تحت تاثیر میدان خارجی بدست آمده است. برای این منظور معادله هالن از روش مومنت حل شده است. علاوه بر این روند پیادهسازی روش مومنت برای حل معادلات مورد نظر و همچنین دغدغههای موجود در این پیاده سازی نیز عنوان شده است. در آخر نتایج بصورت جدول و نمودار نشان داده شده است.
در فصل دوم مختصری از رادار دوپایه ، بررسی آنتنهای گیرنده و مشکلاتی که در طراحی آنتن گیرنده وجود دارد بیان میشود. در فصل سوم برای بدست آوردن جریان القا شده روی سطح آنتنهای سیمی، معادلهی انتگرالی سیم نازک را از معادلات الکترومغناطیس ماکسول محاسبه و با استفاده از روش مومنت چگونگی حل آن نشان داده میشود. در فصل چهارم، جریان القا شده روی سیمهای آرایهای از چهار دوقطبی، در اثر برخورد یک جبهه موج محاسبه میشود. همچنین در این فصل، تاثیر افزودن مقاومت به ترمینال آنتن دوقطبی و خم کردن آنتن دوقطبی بررسی میگردد. در فصل پنجم، به تشریح نرم افزاری که برای محاسبه جریان روی سیمها و محاسبه ولتاژ روی ترمینالهای آنتن طراحی شده و متدهای که برای انتگرالگیری و حل دستگاه معادلات به کار رفته، پرداخته میشود. همچنین طریقهی استفاده از نرم افزار و قابلیتهای آن را ذکر میشود. در فصل ششم، نتایج بدست آمده از پایان نامه به همراه نمودار و جدول نشان داده شده است.
فصل دوم
آشنایی با رادار پسیو
2-1- مقدمهای از رادار پسیوتدبیر ساخت رادارهای دوپایه یعنی رادارهایی که روشن کننده ندارند و هدف را به وسیله امواجی که از سطح آنها پراش میشوند آشکارسازی میکنند، ایده جدیدی نیست. اولین آزمایشات در سال 1935 توسط رابرت واتسون وات در انگلیس صورت پذیرفت. او توانست یک بمب افکن را توسط امواج کوتاه در 12 کیلومتری تشخیص دهد. رادارهای دوپایه به رادارهایی گفته میشود که گیرنده و فرستندهی آنها در دو مکان متفاوت قرار دارند. رادارهای اولیه همگی دوپایه بودند، زیرا تکنولوژی به اندازهای پیشرفت نکرده بود تا آنتن را قادر سازد که از مود فرستندگی به گیرندگی سوئیچ نماید. تا اینکه شکل موجهای پالسی و سوئیچهای فرستنده/گیرنده برای کاربردهای راداری طراحی شدند. با گذشت زمان میزان توجه به رادارهای دوپایه همواره در حال تغییر بوده است. ولی امروزه این رادارها بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند.
انواع فرستندههای استفاده شده در رادارهای دوپایه:
فرستندههایی که بصورت خاص برای استفاده در یک رادار دوپایه طراحی شدهاند.
فرستندههایی که جهت کاربردهای دیگری طراحی شدهاند ولی در رادارهای دوپایه نیز میتوان از آنها استفاده کرد. رادارهایی که از این فرستندهها استفاده میکنند خود به دو دسته تقسیمبندی میشوند:
رادارهای هیچهایکر که از فرستندهی یک رادار مونواستاتیک استفاده میکنند.
رادارهایی که از فرستندههای غیرراداری (مانند سیگنالهای پخش سراسری، مخابراتی و ردیابی) استفاده میکنند. به این دسته از رادارهای دوپایه، رادارهای غیرفعال یا رادارهای پارازیتی گفته میشود.
رادارهای نوع دوپایه غیرفعال از سایر رادارهای دوپایه جذابترند. از آنجا که رادارهای دوپایه غیرفعال از فرستندههای راداری استفاده نمیکنند، قابل آشکارسازی نمیباشند. در این رادارها میتوان از باندهای فرکانسی UHF و VHF که معمولا در رادارها کاربرد ندارند، استفاده کرد. استفاده از چنین باند فرکانسی باعث میشود سیستمهای ضد راداری که برای فرکانسهای مایکرویو طراحی شدهاند، کارایی لازم را در مقابله با این رادارها را نداشته باشند. علاوه براین وجود فرستندههای پخش سراسری در این باندهای فرکانسی (UHF و VHF) ، پوشش و توان مورد نیاز برای این رادارها را تامین میکنند.
2-2- آنتنهای گیرندهی رادار پسیو
به نظر میرسد برای آنتن رادار پسیو که در فرکانس UHF یا VHF کار میکند، استفاده از آنتنهای سیمی بخصوص آنتن یاگی- اودا بهترین گزینه باشد. فرض کنید چند آنتن در یک آرایه، به فاصلهی d از هم قرار دارند و جبهه موج E با زاویهی θ همانند شکل زیر به این آرایه تابیده میشود:

شکل 2- 1: آرایه ای از آنتنهای گیرنده
به نظر میرسد که ولتاژ اندازهگیری شده در ترمینالهای آنتنها چنین رابطهای نسبت به هم داشته باشند:
(2-1) V1V2⋮VNN×1=V0×1e-ωcdcosθ⋮e-ωcNdcosθN×1جاییکه c سرعت نور و ω=2πf و f فرکانس کاری سیستم میباشد. در این صورت با محاسبهی اختلاف فاز بین ولتاژهای اندازهگیری شده از ترمینال آنتنها، و با عمل به فاصلهی بین آنتنها میتوان جهت ورود جبهه موج را تعیین کرد.
اما واقعیتی که وجود دارد اثر متقابل بین این آنتنهاست که بعنوان تزویج متقابل بین آنتنها شناخته میشود و باعث تغییر جریان روی سطح آنتن و درنتیجه ولتاژ ترمینال آنتنها میشود. در عمل رابطهی بین ولتاژ اندازهگیری شده از ترمینالها بصورت زیر است:
(2-2) V1V2⋮VNN×1=V0×m1e-θ1m2e-θ2⋮mNe-θNN×1بنابراین یکی از چالشهای موجود در بکارگیری رادار پسیو، تعیین میزان تزویج متقابل بین آنتنها، سعی بر به حداقل رساندن آن و یافتن الگوریتمی برای حذف کردن یا وارد کردن اثر تزویج بین آنتنها در محاسبات مسیریابی است.
2-3-تزویج متقابل در آرایه آنتنها
وقتی آنتنها در مجاورت یکدیگر قرار میگیرند، هر تعداد از آنها، در مود فرستندگی (یا گیرندگی) باشند، مقداری از انرژی ارسالی (دریافتی) توسط هر کدام و همچنین مقداری از انرژی بازتابش شده از سطح هر آنتن، به دیگری میرسد. این مقدار به پارامترهای زیر بستگی دارد:
– مشخصات تشعشعی هریک از آنتنها
– فاصلهی بین آنتنها
– جهت قرارگرفتن هر آنتن نسبت به سایر آنتنها.
مکانیزمهای مختلفی وجود دارند که این مبادله انرژی بین آنتنها را باعث میشوند. برای مثال، اگر هر دو آنتن، فرستنده باشند مقداری از انرژی تشعشع کرده از هر آنتن به آنتن دیگر میرسد. که یکی از دلایل آن، غیر ایدهآل بودن دایرکتیویتهی آنتنهاست بخشی از انرژی تابیده شده به آنتن دوم، به جهت دیگری بازتابش میکند، در واقع آنتن دوم مثل یک آنتن ثانویه عمل میکند. این مبادله انرژی به عنوان تزویج متقابل شناخته میشود و در بسیاری از موارد کار طراحی و ساختن آنتنها را پیچیده میکند. گذشته از این، در بسیاری از کاربردهای عملی، تزویج متقابل را نمیتوان به صورت آنالیز ریاضی معادلات بدست آورد، در حالیکه، تاثیر عمدهای در کارایی آنتنها دارد. از طرفی نمیتوان میزان تاثیر تزویج روی هر آنتن را به صورت عمومی و با یک فرمول خاص محاسبه کرد، در قسمت بعد تزویج متقابل به طور خلاصه، به صورت کیفی بررسی شده است.
2-3-1-تزویج در مدفرستندگی
فرض کنید که دو آنتن n ، m از یک آرایه، در یک فاصله مشخص نسبت به همدیگر قرار دارند، همانطور که در شکل (2-2) مشخص است. این فرآیند میتواند به هر تعداد آنتن نزدیک به هم بسط داده شود. اگر آنتن n با یک منبع، تغذیه شود، انرژی منبع تغذیه به سمت آنتن شارش میکند(0)، این انرژی توسط آنتن در فضای آزاد منتشر میشود(1)، مقداری از این انرژی به آنتن m میرسد(2)، انرژی تابیده شده به آنتن m جریانی روی این آنتن القا میکند، که باعث ایجاد انرژی تفرق یافته از آنتن m میشود(3)، مقداری از این انرژی نیز به سمت منبع آنتن m میرود(4)، از طرفی مقداری از این انرژی بازتاب شده از آنتن m دوباره به آنتن n میرسد(5)، این فرآیند به طور نامحدودی تکرار میشود. همچنین یک فرآیند مشابه در حالتی که آنتن m تحریک شود و آنتن n به عنوان عنصر پارازیتیک باشد اتفاق میافتد. اگر هر دو آنتن با هم تحریک شوند، میدانهای تشعشعی و بازتاب شده از هر یک، باید به صورت برداری با هم جمع شوند، تا میدان کل در نقطه مشاهده بدست آید.

شکل 2- 2: مکانیزم تزویج بین آنتن m و n در مود فرستندگی[1]
بنابراین سهم کل پترن یک آنتن فقط به میزان و نوع تحریک آنتن بستگی ندارد، بلکه به نوع و میزان تحریک آنتنهای مجاورش، و همچنین شکل و اندازهی آنتنها نیز وابسته است.
جبهه موجی که از آنتن n به آنتن m میرسد و نهایتاً به سمت منبع آنتن m میرود(4)، با موجهای تشعشعی و بازگشتی خود آنتن m به صورت برداری جمع میشود، چون موج بازگشتی به سمت منبع آنتن m ، با وجود آنتن n، با موج بازگشتی به سمت منبع آنتن m که فقط ناشی از انتشار موج توسط خود آنتن m بود از نظر دامنه و فاز اختلاف دارد، بنابراین پترن موج ایستا درون آنتن m افزایش مییابد. رفتار متقابل این دو موج به میزان تزویج متقابل بین آنتنها و همچنین میزان تحریک آنتنها بستگی دارد. واضح است که بردار حاصل از جمع این دو موج روی امپدانس ترمینال آنتن m تاثیر میگذارد و تابعی از موقعیت و میزان و نوع تحریک آنتن n است. تاثیرات این تزویج روی امپدانس ترمینالها، به عنوان تغییر امپدانس متقابل شناخته میشوند.
امپدانس متقابل در واقع یک پارامتر ناخواسته و غیرمفید است. با توجه به این که مقدار آن شناخته شده نیست در محاسبات بعدی طراحی آنتن، باعث ایجاد ابهام میکند. از وظایف یک طراح آنتن، محاسبه تزویج بین آنتنها و سعی بر اعمال روشهایی برای کاهش مقدار آن و یا محاسبه تاثیر آن روی پارامترهای آنتن میباشد[1].
3-2-1-تزویج در مد گیرندگی
برای اینکه تاثیر تزویج متقابل را در روی مکانیزم آنتنها در مد گیرندگی بررسی شود، دو آنتن m , nاز یک آرایهی چند المانه را فرض کنید، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. جبهه موج(0) به این آرایه تابیده میشود، ابتدا به آنتن m برخورد میکند، که باعث ایجاد جریان روی آن میشود، مقداری از این موج برخوردی در فضا بازتابش میکند(2)، و مقداری از آن به آنتن n میرسد(3)، و با موج(0) رسیده به آنتن n به صورت برداری جمع میشود. همچنین مقداری از موج اولیه (0) به سمت منبع آنتن m میرود(1). واضح است که مقدار انرژی دریافتی توسط هر یک از آنتنهای آرایه برابر با جمع برداری این موجها خواهد بود.
مقدار انرژی جذب شده و بازتابشی از هر آنتن به تطبیق امپدانس ترمینال آنتنها نیز بستگی دارد، از طرفی برای جذب حداکثر مقدارجبهه موج تابیده شده، بهتر است که مقدار موج بازتابشی(2) حداقل باشد، و این با تطبیق صحیح امپدانس آنتنها با محیط و تطبیق امپدانس بین آنتن و گیرنده که باعث کاهش مولفهی(4) میشود، امکان پذیر است[1].

شکل 2- 3: مکانیزم تزویج بین آنتن m و n در مود گیرندگی[1]
2-4- محاسبهی امپدانس متقابل و ماتریس کالیبراسیون
2-4-1- روش امپدانس متقابل گیرندگی
تزویج متقابل بین آرایه آنتن N المانه مثل یک شبکه دوطرفه مدل میشود. با استفاده از یک ماتریس امپدانس متقابل، ولتاژ مدار باز از ولتاژ اندازهگیری شده در ترمینال آنتنها بدست میآید. ولتاژهای اندازهگیری شده میتوانند به عنوان سیگنال ورودی به الگوریتمهای پردازش سیگنال آرایه وارد شوند؛ از قبیل الگوریتمهای مسیریابی،الگوریتم جهت دهی وفقی صفر . رابطهی بین ولتاژ اندازهگیری شده در ترمینال kام با جریان ترمینال سایر آنتنها به صورت زیر است[2]و [5]و [11]:
(2-3) Vk=I1Zk,1+I2Zk,2+…+IkZk,k+…+INZk,N+Vokبطوریکه Zk,k امپدانس خودی و Vok ولتاژ مدار باز ترمینال آنتن k ام است وقتی که ترمینالهای سایر آنتنها نیز مدار باز باشند و Ii جریان القا شده در ترمینال آنتن i ام است. در نتیجه رابطهی بین ولتاژ مدار باز و ولتاژ اندازهگیری شده به صورت زیر است [2]و [4]و [6]و [10]:
(2-4) 1+Z1,1ZLZ1,2ZLZ2,1ZL1+Z2,2ZL⋯Z1,NZLZ2,NZL⋮⋱⋮ZN,1ZLZN,2ZL⋯1+ZN,NZLN×N×V1V2⋮VNN×1=Vo1Vo2⋮VoNN×1روش محاسبهی امپدانس متقابل فوق به چند دلیل روش مناسبی نیست. اولاٌ ماتریس امپدانس متقابل را در مود فرستندگی بررسی میکند، که برای محاسبهی تزویج متقابل در مود گیرندگی درست نمیباشد. ثانیاٌ در عمل، المانهای آنتن به گیرنده متصل شدهاند و مدار باز نمیباشند. ثالثاٌ ایدهی روش مدار باز بر این اساس است که آنتنی که مدار باز فرض شده است تشعشع نمیکند، که این فرض درست نیست. جریان القا شده روی سطح آنتن در اثر جبهه موج تابیده شده، حتی در حالت مدار باز تشعشع دارد. به دلایل ذکر شده، استفاده از روش فوق برای محاسبهی ولتاژ مدار باز جواب درستی نمیدهد.
روشی برای بدست آوردن امپدانس متقابل در مود

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *