آنتن، تشعشعی، فرکانس، پلاریزاسیون، آرایه، موجبر

توانایی ایجاد جهت دهندگییا بهره بالا و قابلیت‏های مختلف شکل دهی پرتو اشاره کرد. باند فرکانسی، مأموریت راداری، پهنای باند مورد نظر، میزان توان ارسالی، میزان بهره مورد نظر و … از عوامل تعیین کننده نوع المان به کار رفته در آنتن های آرایه ای است.
آرایه‏های موجبر شکاف‏دار درسال 1943 در دانشگاه McGillدر Montrealابداع گردید..]1[ سادگی هندسه ساختار آنتن‏های موجبری شکاف‏دار، راندمان خوب، توانایی ایجاد امواج با پلاریزاسیون‏های خطی، توانایی ارسال بیم‏های broadside، قابلیت حمل توان بالا و … از ویژگی‏های مهم این نوع آنتن‏ها است که سبب شده در کاربردهای راداری مورد توجه قرار بگیرند. خصوصاً در کاربردهای هوایی این نوع آنتن ها گزینه مناسبی هستند چرا که می توان آنها را بر روی بال ها و بدنه هواپیما قرار دارد. اغلب این نوع آنتن‏ها را می توان در فرکانس های 2 تا 24 گیگا هرتز مورد استفاده قرار داد..]2[
این نمونه آنتن ها به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند به صورت گسترده در طراحی وساخت آنتن های آرایه فازی مورد استفاده قرار می گیرند. این آنتن ها بسته به نوع شکاف استفاده شده و نوع ساختار به کار رفته طبقه بندی می شوند. به طور کلی ساختار های این آنتن ها به دو دسته رزونانسی وموج رونده تقسیم می شوند.آرایه های موج رونده به دلیل پهنای باند فرکانسی بالا، در کاربرد های بسیار متعددی استفاده می شوند..]1[
زمانی که نیاز به پلاریزاسیون عمودی می باشد، از شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر استفاده می شود. اما رسیدن به سطح لوب کناری پایین در مورد این آرایه ها همیشه به عنوان یک گلوگاه مطرح بوده است. همچنین شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر دارای پلاریزاسیون متقاطع بسیار بدی می باشند. از این رو تا به حال تلاش های بسیار زیادی برای کاهش پلاریزاسیون متقاطع این نمونه از شکاف ها انجام گرفته است که همگی آن ها از لحاظ ساخت بسیار مشکل می باشند.]3-10[ در این تحقیق یک آرایه موج رونده موجبر شکافداری با سطح لوب کناری و پلاریزاسیون متقاطع پایین که از لحاظ ساخت عملی باشد، در باند Sطراحی وشبیه سازی می شود.
در فصل دوم، تعاریف و مقدمات لازم برای طراحی آنتن های آرایه ای و پارامترهای اساسی این آنتن ها بیان خواهد شد و تئوری اساسی تیلور که به طراحی آنتن آرایه ای با سطح لوب کناری پایین می پردازد مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت.
در فصل سوم برخی از نمونه های پایه آنتن های موجبر شکاف دار مانند انواع شکاف ها مختلف روی بدنه ها موجبر و همچنین انواع آرایه های موجبر شکاف دار و نحوه طراحی آن ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
در فصل چهارم آنتن آرایه ای موج روندهموجبر شکاف داری با شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر با سطح لوب کناری پایین طراحی و شبیه سازی خواهد شد و همه مسائل مربوط به طراحی و شبیه سازی بیان خواهد شد.
در فصل پنجم آنتن آرایه ای موج رونده موجبر شکافداری که از یک نمونه شکاف های چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر تشکیل شده است به عنوان خروجی این پایان نامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت و مشخصات تشعشعی و تلفات بازگشتی و نکات ریز طراحی آن بیان خواهد شد و در نهایت فصل آخر به ارائه پیشنهاداتی برای ادامه کار این پایان نامه توسط سایر دانشجویان خواهد پرداخت.

فصل دوم
center65405400000
3300730-1022354000020000تئوری آنتن و آرایه هاقبل از شروع به طراحی ضروری است تا با برخی از مفاهیم و پارامترهای اساسی آنتن ها و آرایه ها آشنا شویم. پس از آن، نیازمندی های اولیه فرآیند طراحی یک آنتن آرایه ای با سطح لوب کناری پایین بحث خواهد شد.
آنتنجزء تفکیک ناپذیر هر سیستم راداری است. طبق تعریف استانداردIEEE برای آنتن ها ، آنتن عبارت است از ابزار تشعشع و دریافت امواج رادیویی.]11[به عبارت دیگر، آنتن فرستنده قطعه ای است که یک سیگنال را از خط انتقال تحویل گرفته و آن را به امواج الکترومغناطیسی تبدیل کرده و به فضای آزاد تشعشع می کند. درحالت گیرندگی آنتن، امواج الکترومغناطیسی برخورد کننده به آن را تبدیل به سیگنال الکتریکی می کند. ( شکل 2-1 )

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: آنتن به عنوان یک قطعه مبدلدر یک سیستم راداری، عمدتاً آنتن طوری طراحی و بهینه سازی می شود که بتواند انرژی را در برخی جهات تشعشع کند و به بعضی طرف ها اصلاً موجی ارسال نکند. بنابراین آنتن علاوه بر وظیفه تبدیل کنندگی وظیفه جهت دهندگی به تشعشع را نیز دارد. برآورده کردن این خواص باعث می شود کهآنتن شکل های مختلفی پیدا کند. تبعاً آنتن گاهاً شامل یک قطعه فلز ، روزنه، زیر لایه و یا المان های دیگر است.
پارامترهای مهم آنتنبرای توصیف عملکرد آنتن تعریف برخی پارامترهای آنتن الزامی است. مهم ترین این پارامترها عبارت است از فرکانس عملکرد ، پهنای باند، الگوی تشعشعی ، جهت دهندگی، بهره، امپدانس ورودی و غیره.
پهنای باند فرکانسیپهنای باند فرکانسی آنتن(BW ) محدوده فرکانسی است که در آن عملکرد آنتن نسبت به برخی خواص مطابق با استانداردهای لازم باشد. پهنای باند را می توان محدوده فرکانسی در دو طرف فرکانس مرکزی در نظر گرفت که حول آن فرکانس مرکزی، مقدار قابل قبولی برای آن پارامتر وجود داشته باشد. در کاربرد های راداری عموماً لازم است که تلفات بازگشتی آنتن در پهنای باند فرکانسی کمتر از dB 10- باشد. پهنای باند آنتن به دو صورت می تواند تعریف شود. پهنای باند مطلق ( ABW) و پهنای باند نسبی (RBW ) . اگر fH وfL به عنوان فرکانس قطع بالا و فرکانس قطع پایین تعریف شود، پهنای باند مطلق عبارت است از تفاوت دو فرکانس قطع. در حالیکه پهنای باند نسبی به صورت درصد تفاوت دو فرکانس قطع نسبت به فرکانس مرکزی تعریف می شود. بنابراین این دو پارامتر بصورت زیر تعریف می گردند:
(1.2)ABW=fH-fl(2.2) FBW=2fH-fLfH+fLبرای برخی آنتن ها، پهنای باند همچنین می تواند بصورت نسبت فرکانس قطع بالا به فرکانس قطع پایین به صورت زیر تعریف گردد.
(3.2) BW=fHfLالگوی تشعشعیالگوی تشعشعی (یا الگوی آنتن) بیان کردن ویژگی های تشعشعی آنتن طبق توابع مختصات سه بعدی است. در مورد آنتن ها می توان گفت میدان های دور آنتن ، منطقه ای است که توزیع زاویه ای توان تشعشعی به فاصله بستگی ندارد. الگوی آنتن، میدان نرمالیزه شده به حد اکثر را توصیف می کند. خواص تشعشعی ، تابع توزیع فضایی انرژی تشعشعی به صورت دو بعدی و یا سه بعدی است که نسبت به موضع مرجع سنجیده می شود. در عمل الگوی سه بعدی آنتن در بسیاری از موارد مورد نیاز است و گاهی به جای آن یک سری الگوهای دو بعدی استفاده می گردد. در عمده کاربردهای عملی ، نمودار تابع بر حسب φ و θ برای برخی فرکانس های مشخص داده میشود که اطلاعات کافی را در مورد نحوه تشعشع آنتن در اختیار ما قرار میدهد.
برای یک آنتن با قطبیدگی خطی عملکرد آنتن ها عموماً با دو مؤلفه صفحه E و صفحه H سنجیده می شود. صفحه E صفحه ای است که حاوی بردارهای میدان الکتریکی و در جهت حداکثر تشعشع و صفحه H صفحه ای است که بردارهای میدان مغناطیسی و در جهت حداکثر تشعشع در آن قرار دارند.]11[
برای عمده آنتن ها سه نوع الگوی تشعشعی به صورت زیر تعریف می شود.
الف- همه جهته: یک آنتن بی تلف فرضی که در تمامی جهات به یک میزان تشعشع می کند. این آنتن تحقق خارجی ندارد و عمدتاً به عنوان یک آنتن ایده آل برای مقیاس سنجش میزان جهت دهندگی آنتن ها به کار می رود.
ب- جهت دار: آنتنی که دریافت و یا ارسال امواج الکترومغناطیسی در آن در برخی جهات خیلی موثرتر از بعضی جهات دیگر است. در اصطلاح به آنتنی جهت دار گویندکه میزان بیشینه جهت دهندگی آن خیلی بیشتر از یک آنتن دو قطبی استاندارد باشد.
ج- نیمه جهتی: آنتنی که در یک صفحه، الگوی تشعشعی غیر جهت دار داشته و در سایر صفحات عمود بر آن دارای الگوی جهت دار باشد.
جهت دهندگی ، بهره و پلاریزاسیونبرای توصیف خواص الگوی تشعشعی آنتن پارامتر D به کار می رود. این پارامتر بصورت نسبت بین شدت تشعشع U در یک جهت مشخص به یک منبع ایزوتروپیک تعریف می شود. برای یک منبع ایزوتروپیک شدت منبع U0برابر است با نسبت توان تشعشعی کل P– به π4 . بنابر این جهت دهندگی بصورت زیر محاسبه می گردد.
(4.2) D=UU0=π4UPRADکه در آن U شدت تشعشع در یک جهت مشخص است. در صورتی که U حد اکثر مقدار خود را داشته باشد میزان جهت دهندگی بیشینه می گردد. بهره آنتنG با جهت دهندگی ارتباط تنگاتنگ دارد. با در نظر گرفتن بازده تشعشعی e– رابطه بین بهره و جهت دهندگی آنتن بصورت زیر در می آید:
(5.2)G = e– D
108785887393
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: مدار معادل آنتنشکل2-2مدار معادل یک آنتن را تصویر می کند که در آن Rr، RL،L و Cبه ترتیب مقاومتتشعشی ، مقاومت تلفی ، مقدار اندوکتانس و ظرفیت خازنی است. بازده تشعشعی e–به صورت نسبت توان رسیده به مقاومت تشعشعی به مجموع توان رسیده بهRL و Rrاست و به صورت زیر تعریف می شود.
(6.2) e–=RrRr+RLبعنوان نمونه از یک آنتن ، دو قطبی کوچک ( دو قطبی هرتز ) معرفی میگردد. دو قطبی هرتز دو قطبی است که طول dl بسیار کمتر از طول موج تحریک شده باشد. (dl << λ ) یا ( dl < λ/50 ) . علاوه بر این می بایستی شعاع سیمa بسیار کمتر از طول موج λ باشد. همانطور که در شکل 2-3 نشان داده شده است یک سیم کوچک خطی در مبدا مختصات در راستای z به صورت متقارن قرار داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3 : دو قطبی هرتزدو قطبی بسیار کوچک معادل یک المان جریان Idl است. از آنجایی که این سیم خیلی کوتاه است جریان نیز در طول آن ثابت فرض می شود. با اینکه دو قطبی بسیار کوچک خیلی عملی نیست ولی این المان برای طراحی ساختارهای پیچیده تری به کار می رود. حال به محاسبه برخی پارامترهای مهم این آنتن می پردازیم.
الف : میدان تشعشعی : برای یافتن میدان های تشعشعی بوسیله یک المان لازم است تا بردار پتانسیل مغناطیسیAیا بردار پتانسیل مغناطیسی Fمشخص گردد. از آنجا که برای دوقطبی هرتز تنها جریان الکتریکی داریم، می توانیم بنویسیم:]12[
Az=μ0Idl4πre-jkr , F=0 (2.7)
درمختصات کروی معادله بالا بصورت زیر در می آید:
(8.2) Ar=Azcosθ= μ0Idl4πre-jkrcosθ(9.2) Aθ=-Azsinθ= μ0Idl4πre-jkrsinθ(10.2)Aφ = 0
با توجه به معادله ماکسول و رابطه میان A و H داریم:
(11.2) ∇×E=-jωμH(12.2) H=1μ∇×Aبا جایگذاری در معادلات ماکسول بدست می آید:
(13.2) Hφ= jkIdlsinθ4πr[1+1jkr]e-jkr(14.2) Er= ηIdlcosθ2πr2[1+1jkr]e-jkr(15.2) Eθ= jηkIdlsinθ4πr[1+1jkr-1(kr)2]e-jkrبرای میدانهای دور kr>> 1 میدانهای E و H بصورت زیر ساده سازی و تقریب زده می شوند.
(16.2) Eθ= jηkIdlsinθ4πre-jkr(17.2) Hφ= jkIdlsinθ4πre-jkrامپدانس موج Zw بصورت نسبت Eθ و HΦ طبق فرمول زیر بدست می آید.
(18.2)Zw=EθHф=ηاین مقدار برای محیط آزاد برابر π120 یعنی حدود 377 اهم می باشد.
در منطقه دور از آنتن میدان های E و H عمود بر جهت انتشار موج و بر هم نیز عمودند و تغییرات r از تغییرات θ و φ قابل تفکیک هستند. شکل کلی الگوی تشعشعی آنتن تابعی از فاصله r نیست بنابراین میدان تشعشعی از نوع TEM با امپدانس برابر امپدانس ذاتی موج در محیط پیرامون آنتن است.
ب : مقاومت تشعشعی]12[: برای یک آنتن بی تلف در فرکانس رزونانس ، قسمت حقیقی امپدانس ورودی آنتن همان مقاومت تشعشعی آنتن است.با انتگرال گیری بردار پوینتینگ روی یک صفحه بسته پیرامون آنتن توان تشعشعی کل از منبع محاسبه می گردد و این توان با مقاومت تشعشعی رابطه مستقیم دارد.مثلا برای دایپل کوتاه داریم :
(19.2) P–=12Re∫E×H*∙ds= η(π3)|dl I0λ|2=12|I0|2Rr(20.2) Rr=η(2π3)|dlλ|2=80π2|dlλ|2بنابراین مقاومت تشعشعی وابسته به طول المان نسبت به طول موج است.
ج : جهت دهندگی : میزان چگالی توان متوسط Wavاز فرمول زیر قابل محاسبه است.
(21.2) arWav=12ReE×H*=12η|Eθ|2ar=η2|kdlI04π|2sinθ2r2با استفاده از این فرمول می توان شدت تشعشع را تعریف کرد که عبارتست از:
(22.2) U=r2Wav=η2|kdlI04π|2sinθ2=r22η|Eθ(r,θ,φ)|2حداکثر U در θ= π2 اتفاق می افتد و عبارت است از :
(23.2) Umax=η2|kdlI04π|2بنابر این جهت دهندگی D0 برای یک دو قطبی هرتز به صورت زیر ساده می شود.
(24.2) D0=4πUmaxP–=1.5 یکی دیگر از خواص تشعشعی همه آنتن ها که بسیار مهم بوده و باید مورد بررسی قرار گیرد پلاریزاسیون آنتن می باشد. پلاریزاسیون آنتن همان پلاریزاسیون موج منتشر شده توسط آنتن می باشد. میدان در هر نقطه از فضا به گونه ایست که دارای یک پلاریزاسیون خاصی است. در هر نقطه روی کره انتشاری، پلاریزاسیون معمولا به صورت دو جفت پلاریزاسیون عمود بر همCo و Cross تقسیم می شود.
به تغییرات نوک پیکان میدان الکتریکی بر حسب زمان، پلاریزاسیون آن موج گویند. به صورت کلی سه نمونه پلاریزاسیون خطی، دایروی و بیضوی وجود دارد.[13]در فاصله دور از هر آنتنی میدان ها را می توان به صورت یک موج صفحه ای در نظر گرفت. مولفه های یک موج صفحه ای کلی که در راستای z منتشر می شود را می توان به صورت زیر نوشت [13]:
(25.2)Exz,t=Ex0cos(wt+kz+∅x)(26.2)Eyz,t=Ey0cos(wt+kz+∅y)که Ex0 و Ey0 مقدار ماکزیمم دامنه میدان الکتریکی در راستای x وy می باشد و k ثاب

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

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