آرایه، آنتن، انعکاسی، تاخیر، تراهرتز، آنتن‌های

تحریک شود. برای برخی از کاربردها، مانند ریدوم‌های آنتن در فرکانس‌های پایین‌تر، سطوح فرکانس گزین با ابعاد الکتریکی نسبتاً کوچک که حساسیت کمتری نسبت به زاویه تابش دارند و می‌توانند با جبهه فاز غیرمسطح عمل کنند، بسیار مطلوب است. به تازگی، یک نوع جدید از سطوح فرکانس گزین با عناصر کوچک طراحی شده است. این نوع از سطوح فرکانس گزین از آرایه‌ پریودیکی از رویه‌های زیرطول‌موجی چاپ شده بر روی یک طرف زیرلایه دی‌الکتریک و شبکه القایی چاپ شده در طرف دیگر همان زیرلایه تشکیل شده است ]5 .[
1-3- الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی
تپه‌نوردی تصادفی یک روش بهینه‌سازی است که متعلق به گروهی از الگوریتم‌های جستجوی محلی است. اساساً این بدان معنی است که این الگوریتم از یک جواب به جواب دیگر در فضای جستجو حرکت می‌کند تا جواب بهینه یافت شود. این الگوریتم تلاش دارد تابع شایستگی (دقت) را با مقایسه مکرر دو جواب به حداکثر برساند. این الگوریتم بهترین جواب را قبول می‌کند و با مقایسه جلو می‌رود (به عنوان مثال، بیشتر به سمت بالای تپه حرکت می‌کند). این تکرار تا زمانی که هیچ جواب بهتری در هر دو طرف جواب در حال حاضر وجود نداشته باشد ادامه پیدا می‌کند (می‌توان گفت به اوج واقعی می‌رسد).
چندین روش برای پیاده‌سازی الگوریتم تپه‌نوردی تصادفی وجود دارد. اولین و اساسی‌ترین فرم، تپه‌نوردی ساده است. در این روش، اول نزدیک‌ترین گره برای ارزیابی انتخاب می‌شود. نوع دوم شدیدترین تپه‌نوردی صعودی نامیده می شود. در روش شدیدترین تپه‌نوردی صعودی، تمام جانشینان با هم مقایسه و نزدیک‌ترین آن‌ها به جواب انتخاب می‌شود. مدل‌های دیگری نیز وجود دارند که تپه‌نوردی صعود بعدی و تپه‌نوردی مونت کارلو دمای صفر نامیده می‌شوند ]6 .[
1-4- پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش
مفهوم آنتن آرایه انعکاسی در ابتدا با فناوری موجبر در سال 1960 معرفی گردید ]7 .[ در سال‌های 1970 یک آنتن آرایه انعکاسی با استفاده از 4 بازوی مارپیچ با دیودهای سویچینگ در مرکز برای رسیدن به یک سیستم تغییر فاز دو بیت برای پلاریزاسیون دایروی طراحی شد ]8 .[با معرفی آنتن‌های میکرواستریپ تکنولوژی ترکیب آنتن‌های آرایه انعکاسی و تششع کننده‌های میکرواستریپی بررسی شد. اولین ترکیب عناصر میکرواستریپی با آنتن آرایه انعکاسی در سال 1978 انجام شد ]9 .[در همان سال، اولین تلاش برای آنالیز عناصر آرایه انعکاسی میکرواستریپ با استفاده از روش آرایه بینهایت انجام شد ]10 .[اما تا یک دهه‌ی بعد هیچ توسعه‌ای برای آنتن‌های آرایه میکرواستریپی صورت نگرفت. از آن زمان آنتن‌های آرایه انعکاسی مایکرواستریپ به آرامی به عنوان نسل جدید آنتن‌های گین بالا ظهور کردند.
تا کنون، تعداد کمی آنتن آرایه انعکاسی برای تابش تراهرتز، در حدود 1THz و بالاتر ساخته شده است. برخی پیاده سازی‌های آرایه‌های فازی تراهرتز مانند آرایه آنتن‌های فوتوهادی با 64 الکترود ]11 [و آرایه آنتن پچ 4×4 برای برقراری مخابرات تراهرتز در محیط داخلی صورت گرفته است ]12 .[آنتن اول به نویز الکتریکی حساس است، و پیچیدگی طراحی می‌تواند یک محدودیت بالقوه در این آنتن باشد. آنتن دوم زمانی که تعداد عناصر آرایه بزرگ باشد تلفات بالایی دارد. علاوه بر این، در]13 [یک منبع الکترونوری تراهرتز بر اساس اصل آرایه فازی طراحی شده‌ است. به تازگی، روشی مشابه برای جهت‌دهی پرتو تراهرتز در یک آنتن فوتوهادی با استفاده از تداخل دو پرتوی پمپ بکار گرفته شده است ]14 .[آرایه های فازی تراهرتز قابل تنظیم به عنوان جزئی از ارتباطات تراهرتز، در ]15 [ارائه شده اند. این آرایه‌ها از عناصری که می‌توانند برای پراکندگی و تمرکز امواج سطحی به صورت پویا تنظیم شوند تشکیل شده‌اند. در ]16 [ یک روش جایگزین برای اسکن پرتو تراهرتز طراحی شده است. در این روش ساختاری به شکل گوه که با کریستال مایع پر شده مورد استفاده قرار گرفته است تا مسیر پرتو انتقال را با استفاده از بایاسDC تغییر دهد.
در مقاله ]17 [ از دی‌الکتریک برای طراحی آنتن آرایه انعکاسی استفاده شده است، که راه حل مناسب کم تلفی برای آنتن‌های تراهرتز با بهره بالا خوانده شده است. در فرکانس 1/0 تراهرتز سطح لوب فرعی این آنتن پایین‌تر از dB 18- است و بهره‌ای برابر با dB9/22 دارد.
در مقاله ]18 [آنتنی با رویه‌ای از جنس گرافن برای داشتن بیمی ثابت طراحی شده است. ساختار یکتای گرافن باعث به وجود آمدن هدایت سطحی مختلطی در فرکانس‌های تراهرتز می‌شود، که باعث کاهش شدیدی در ابعاد آنتن و عملکرد آرایه‌ای خوبی می‌شود. این آنتن در فرکانس THz3/1 طراحی شده است و پهنای باند و پلاریزاسیون متقاطع خوب و تلفات زیادی دارد.
همچنین اخیراً یک آنتن آرایه انعکاسی در THz1 طراحی شده است که وابسته به پلاریزاسیون است و قابلیت جدا کردن بیم‌ها و بازتاب آن‌ها در جهت‌های متفاوت دارد. عناصر انعکاسی آن از دو دسته دوقطبی‌های نواری متعامد تشکیل شده است. این دوقطبی‌ها بصورت شبکه‌های مثلثی متقاطع چیده شده‌اند. با تغییر طول و عرض دوقطبی‌ها تغییر فاز محلی وابسته به پلاریزاسیون ایجاد شده است. این آنتن دارای بازدهی بالای 60% و خلوص پلاریزاسیونی حداقل dB27- داراست. ]19 [
در فصل دوم آنتن‌های آرایه انعکاسی معرفی می‌شوند و تکنیک‌های تحلیل آن‌ها بررسی می‌شود.
در فصل سوم روش الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی بحث می‌شود.
در فصل چهارم تکنیک‌های افزایش پهنای باند این آنتن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فصل پنجم یک نوع آنتن آرایه انعکاسی معرفی و نتایج شبیه سازی و بهینه سازی آن ارائه می‌شود.

فصل دوم:آنتن‌های آرایه انعکاسی
آنتن‌های آرایه انعکاسی
2-1- معرفی آنتن آرایه انعکاسی
همانطور که در شکل2-1 نشان داده شده است، آنتن آرایه انعکاسی ]20 [ آنتنی است که از یک سطح بازتاب صاف و یا منحنی‌وار و یک آنتن تغذیه تشکیل شده است. در سطح منعکس‌کننده تعداد زیادی عناصر تششع‌کننده (به عنوان مثال، موجبرهای انتها باز، رویه‌های مایکرواستریپ چاپ شده، دوقطبی، و یا حلقه) بدون هیچ گونه خطوط انتقال تقسیم توان وجود دارد. آنتن تغذیه بطور شعاعی این عناصر منعکس‌کننده آرایه‌ای را تحریک می‌کند که این عناصر طوری طراحی شده‌اند که میدان تابش را با فاز الکتریکی که برای تشکیل یک جبهه فاز مسطح در فاصله میدان دور مورد نیاز است بازتابش و پراکنده کنند. به عبارت دیگر، این عناصر با فازهای از قبل تعیین شده استفاده می‌شوند تا فازهای مرتبط با طول‌های مسیر مختلف از تغذیه تحریک کننده (S1، S2، … ،SN در شکل 2-1) را جبران کنند. این عملیات به استفاده از یک بازتابنده سهموی که با بهره‌گیری از انحنای منحصر به فردش برای بازتاب و تشکیل یک جبهه فاز مسطح زمانی که تغذیه در نقطه کانونی آن قرار می‌گیرد شبیه است. به این ترتیب، اصطلاح “بازتابنده تخت” گاهی اوقات برای توصیف آنتن آرایه انعکاسی که از هر دو تکنولوژی بازتابنده و آرایه بهره‌گیری می‌کند استفاده می‌شود. همانطور که در شکل2-2 نشان داده شده است، انتخاب‌های متعددی برای عناصر آنتن آرایه انعکاسی برای رسیدن به جبهه فاز مسطح وجود دارد. یکی از آنها استفاده از رویه‌های مایکرواستریپ یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر است [21] به طوری که این عناصر می‌توانند تاخیر فاز را در طول مسیرهای مختلف از منبع تحریک جبران کنند. یکی دیگر از روش‌ها‌ استفاده از رویه‌هایی با اندازه متغیر، دو قطبی‌ها، و یا حلقه‌ها است [22,23,24] به طوری که عناصر می‌توانند امپدانس‌های پراکندگی مختلف و بنابراین فازهای مختلفی برای جبران تاخیر مسیر تغذیه مختلف داشته باشند. در روش سوم، تنها برای پلاریزاسیون دایروی، آنتن آرایه انعکاسی عناصر پلاریزاسیون دایروی یکسانی با چرخش‌های زاویه‌ای متفاوت برای جبران طول‌های متفاوت مسیر تغذیه دارد ]25[.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسیJ. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2- عناصر مختلف بکار برده شده در آنتن‌های آرایه آنعکاسی. (a)رویه‌های یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر. (b) دوقطبی با ابعاد متغیر یا حلقه. (c) رویه‌هایی با ابعاد متغیر. (d) رویه‌های با خطوط تاخیر فاز بطول یکسان با چرخش با زاویه‌های مختلفJ. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیرJ. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))
2-2- مزایای آنتن آرایه انعکاسی
آنتن آرایه انعکاسی شبیه به یک بازتابنده سهموی است که برای یک روزنه بسیار بزرگ، می‌توان با آن به بازده بسیار خوب (بالای 50 درصد) دستیابی پیدا کرد، زیرا هیچ تقسیم کننده توانی مورد نیاز نیست و در نتیجه تلفات مقاومتی بسیار کمی ایجاد می‌کند. از طرف دیگر، بسیار شبیه به یک آنتن آرایه‌ای، آنتن آرایه انعکاسی می‌تواند طوری طراحی شود که پرتو اصلی خود را در زاویه بزرگی (> 50 درجه) نسبت به جهت برودساید منحرف کند. شیفت دهنده‌های فاز الکترونیکی کم تلف را می‌توان در عناصر اسکن‌کننده پرتو الکترونیکی با زاویه بزرگ گنجانید [26]. با استفاده از قابلیت پوییدن پرتو آنتن آرایه انعکاسی، شبکه پیچیده تشکیل‌ پرتو با تلف بالا و ماژول‌های تقویت کننده انتقال / دریافت (T / R) پرهزینه یک آرایه فاز معمولی، دیگر مورد نیاز نیست.
یکی از مزایای قابل توجه آرایه انعکاسی چاپی این است که زمانی که یک آنتن فضاپیما با روزنه بزرگ (به عنوان مثال، به اندازه 10متر) نیاز به یک مکانیزم استقرار دارد، ساختار مسطح آنتن آرایه انعکاسی اجازه می‌دهد یک مکانیزم بسیار ساده‌تر و قابل اعتمادتر در مقایسه با آن که برای سطح مضاعف خمیده یک بازتابنده سهموی مورد نیاز است، داشته باشد. علاوه بر این، می‌توان یک سیستم غیرمسطح با یک روزنه آرایه انعکاسی بزرگ مسطح را با یک مکانیزم مستقرساز استفاده کرد تا یک آنتن غیرمسطح ایجاد شود. سطح صاف انعکاسی آنتن آرایه انعکاسی نیز برای نصب بر روی ساختار مسطح موجود بدون اضافه کردن مقدار قابل توجهی وزن و حجم به ساختار کلی سیستم استفاده می‌شود. آنتن آرایه انعکاسی با صدها یا هزاران عنصر، که به شکل یک آنتن مایکرواستریپ چاپی است، می‌تواند با فرایند قلم‌زنی شیمیایی ساده و هزینه ساخت کم، به ویژه هنگامی که در مقادیر زیاد تولید می‌شود، ساخته شود.
یکی دیگر از ویژگی‌های اصلی این آنتن آن است که با تعداد زیادی از عناصر در آنتن آرایه انعکاسی که دارای قابلیت تنظیم فاز عنصر هستند، با استفاده از روش سنتز فاز می‌توان به شکل پرتو کانتور بسیار دقیقی دستیابی پیدا کرد [27]. مشابه انعکاس‌دهنده سهموی، قابلیت چند پرتویی را همچنین می‌توان با قرار دادن عناصر تغذیه‌ای متعدد در منطقه کانونی آنتن به دست آورد. فناوری آنتن آرایه انعکاسی می‌تواند در سراسر طیف مایکروویو و همچنین در فرکانس‌های موج میلی‌متری استفاده شود.
2-3- نقطه ضعف‌ آنتن آرایه انعکاسی
علاوه بر تمام قابلیت‌هایی که قبلا گفته شد، یک نقطه ضعف متمایز در ارتباط با آنتن آرایه انعکاسی وجود دارد. این نقطه ضعف ویژگی ذاتی پهنای باند باریکش است، که به طور کلی بسته به طراحی عنصر، اندازه روزنه، فاصله کانونی، و غیره نمی‌تواند بیشتر از ده درصد باشد. عملکرد پهنای باند آنتن آرایه انعکاسی [28] هیچ شباهتی به یک آنتن بازتابنده سهموی ندارد، که در آن از لحاظ تئوری پهنای باند بی‌نهایت وجود دارد. برای آنتن آرایه انعکاسی مایکرواستریپ چاپی، پهنای باند با دو عامل محدود می‌شود. یکی باریک بودن پهنای باند عناصر رویه مایکرواستریپی در سطح آنتن آرایه انعکاسی و دیگری تاخیر فاز شعاعی تفاضلی.
2-3-1- محدودیت پهنای باند عناصر
عنصر رویه مایکرواستریپ عموماً دارای پهنای باند حدود 3 تا 5 درصد است. برای رسیدن به پهنای باند بیشتر برای یک آرایه مایکرواستریپ معمولی، روش‌هایی مانند استفاده از زیرلایه ضخیم ، روی هم چیدن رویه‌های متعدد [29]، و استفاده از عناصر چرخشی بکار گرفته می‌شود. با اعمال این روش‌ها می‌توان به ‌پهنای باند بالاتر از 15درصد دست یافت.
2-3-2- محدودیت پهنای باند با تاخیر فاز شعاعی تفاضلی
عامل محدود کننده دوم پهنای باند آنتن آرایه انعکاسی، تاخیر فاز شعاعی تفاضلی، می‌تواند به بهترین نحو با اشاره به شکل2-4 توضیح داده شود، که در آن تاخیر فاز شعاعی تفاضلی، ΔS، اختلاف فاز بین این دو مسیر S1 و S2 از منبع به عناصر آنتن آرایه انعکاسی است. این ΔS می‌تواند مضربی از طول موج (λ) در فرکانس‌ کاری مرکزی باشد. این تاًخیر فاز می‌تواند به صورت λ (N + d) ΔS = بیان شود که در آن N یک عدد صحیح و d کسری از طول موج فضای آزاد λ است. در مکان هر عنصر، d توسط یک تاخیر فاز مناسب با طراحی عنصر آنتن آرایه انعکاسی جبران می‌شود (با اندازه رویه متغیر، طول خط تاخیر فاز متغیر، و غیره به دست می‌آید). وقتی فرکانس تغییر می‌کند، عامل λ (N + d) به (λ + Δλ) (N + d) تبدیل می‌شود. از آنجا که طراحی و فاز جبران شده برای هر عنصر برای فرکانس مرکزی ثابت است، یک خطای تغییر فرکانس در مقابل فاز بازتاب شده رخ خواهد داد. میزان تغییر فاز در هر مسیر، زمانی که با یک مسیر مرجع مقایسه می‌شود، با توجه به شکل 2-4 مسیر S1 ، برابر است با Δλ (N + d) که می‌تواند بخش قابل توجهی از طول موج و یا 360 درجه باشد.
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 4- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی J. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))
برای کاهش مقدار خطای تغییر فرکانسی، عدد صحیح N باید کاهش یابد. چندین روش برای کاهش N وجود دارد. یکی طراحی آنتن آرایه انعکاسی با نسبت طول فاصله

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

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