کوپلینگ متقابل میان شکافها در یک آرایه موجبر شکاف دار بسیار بالا است، بنابراین تغییراتی در ابعاد و مکان شکافها باید ایجاد شود تا تغییرات فرکانس رزونانس جبران شود. بسیاری از طراحیهای شکافها برای بیم ثابت یا کاربردهای اسکن مکانیکی[۴۶] است که آرایه روی یک پایه قرار داده میشود تا چرخانده شود. اسکن الکترونیکی[۴۷] هم در راستای محور مماس بر زیر آرایههای خطی موجبر امکانپذیر است. معمولا طراحی ها به گونه ایست که آنتن در راستای سمت[۴۸] به صورت مکانیکی و در راستای ارتفاع[۴۹] به صورت الکترونیکی اسکن می کند. شیفتدهندههای فاز[۵۰] و تضعیف کنندهها[۵۱] در شبکه ای که سیگنالهای تغذیه به هر زیر آرایه را فراهم میکند، قرار داده میشوند.
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
همانطور که اشاره شد تأخیر میان شکافها، با فرکانس تغییر میکند، و این آن چیزی است که سبب محدودیت پهنای باند در آرایه های موجبر شکاف دار است. به همین دلیل در آرایه های موج رونده موجبر شکاف دار، بیم تشعشعکننده بوسیله آنتن در راستای محور طولی موجبر، همراه با تغییر فرکانس اسکن میکند.
آرایههای موجبر شکاف دار به دو گروه تقسیمبندی میشوند:
۱- آرایههای موج ایستان (standing ware array)
۲- آرایه های موج رونده (traveling ware array)
درنوع اول المانها به فاصله از هم قرار میگیرند و یک بیم broadsideتشعشع میکنند. همانطور که می دانیم میدانها در هر ، ۱۸۰ درجه اختلاف فاز پیدا می کنند، بنابراین شکافها را به صورت چیدمانهای -/+ قرار میدهند تا همگی هم فاز تغذیه شوند. زیرا این چیدمان باعث می شود که ۱۸۰ درجه دیگر اختلاف فاز بین شکاف های کنار هم، برقرار شود.
آرایه های رزونانسی به دو روش میتوانند تغذیه شوند. یکی تغذیه از طرفین یا کناره[۵۲] و دیگری تغذیه از وسط است. در نوع اول، تغذیه از یکی از طرفین صورت گرفته و طرف دیگر اتصال کوتاه[۵۳] می شود. در نوع دوم تغذیه از مرکز موجبر صورت میگیرد و دو انتها اتصال کوتاه میگردد.
آرایههای نوع موج رونده، زمانی استفاده میشود که راستای بیم اصلی به زوایایی اشاره میکند که نسبت به موجبر در وضعیت broadsideنیستند و یا اسکن فرکانسی مورد نیاز است.در این حالت لازم نیست که فاصله میان المانها حتما یکسان باشد و باید از فاصله ی پرهیز شود.
در طراحی این نوع آرایهها مهم است که پایانههایی با تطبیق عالی در پهنای باند عملکرد با VSWRبسیار کم وجود داشته باشد تا از تشکیل امواج بازتابش جلوگیری شود. در این نوع آرایه ها، تنها تغذیه از انتهای موجبرها امکان پذیر است. برای ماکزیمم نمودن پهنای باند امپدانس آرایه، المانهای تشعشعی(شکاف ها) به گونهای طراحی میشوند که در فرکانس مرکزی عملکردشان، رزونانس داشته باشند. لذا آنها را شکافهای رزونانسی گویند که این مسأله را نباید با آرایههای رزوناسی که پیشتر بررسی شد، اشتباه گرفت. در آرایههای رزونانسی برخلاف آرایه های موج رونده، شرایط موج ایستان داخل موجبر برقرار است.
همانگونه که ذکر شد، دو نوع اصلی آرایههای موجبر شکاف دار، آرایههای رزونانسی و موج رونده وجود دارد و بسته به نوع شکاف که میتواند موازی یا سری باشد، انواع مختلفی از آرایههای موجبری شکافدار را می توان طراحی کرد. در این بخش به روشهای طراحی انواع مختلف آرایههای موجبر شکافدار پرداخته میشود.
طراحی آرایه موجبر شکاف دار از نوع رزونانسی
آرایه های موجبر شکاف دار رزونانسی هم از نوع خطی و هم از نوع صفحه ای در موارد زیادی خصوصاً در کاربرد رادارهای هوایی مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال مزیت استفاده از یک آرایه موجبر شکافدار صفحهای در مقابل یک رفلکتور سهموی[۵۴] آن است که آرایه باریکتر است و بیم و سطح لوبهای فرعی آن قابل شکلدهی است.
اصول کلی عملکرد آرایههای موجبر شکافدار رزونانسی آن است که المانهای شکاف بوسیله یک موج ایستان در داخل موجبر تحریک میشوند و لذا همگی همفاز هستند. امپدانس (ادمیتانس)، در یک خط انتقال در فواصل تکرار میشود. اگر امپدانسهای (ادمیتانسهای) شکاف سری (موازی) در فرکانس مرکزی حقیقی باشند، آنگاه امپدانس های (ادمتیانسهای) شکافهای قبلی در موجبر در شکاف بعدی با یکدیگر جمع میشوند زیرا هر معادل آنست که یک دور کامل به اندازه ۳۶۰ درجه حول نمودار اسمیت[۵۵] چرخیده ایم. لذا مسأله آن است که امپدانس یا ادمیتانس مجموع شکافها در نقطه تغذیه مساوی با امپدانس یا ادمتیانس ذاتی موجبر باشد. این امر داشتن حداقلVSWRدر فرکانس کار مرکزی را تضمین میکند. شکافها در طول موجبر در جایی قرار داده میشوند که توزیع جریان، نزدیک مقدار ماکزیمم باشد. جریان های Transverseکه هم فاز با میدان الکتریکی هستند، شکافهای طولی (نوع a) و شکافهای واقع در دیواره های کناری را تحریک میکنند. پس این شکافها روی مرکز موجبر در ولتاژ ماکزیمم قرار داده میشوند. جریانهای طولی که در فاز مخالف میدان الکتریکی هستند، شکافهای سری را تحریک میکنند پس آنها را در حداقل ولتاژ در طول موجبر قرار میدهند.[۱۵]
آرایه خطی رزونانسی موجبر شکاف دار
طراحی یک آرایه شکاف موجبری خطی ابتدا با تعیین توزیع روزنهها و در نتیجه تحریک شکافها برای رسیدن به پهنای بیم، گین و سطح لوب کناری مورد نظر، در فرکانس مرکزی باند عملکرد انجام میشود. برای مثال همانطور که در فصل پیش مطرح شد می توان به وسیله پهنای بیم و سطح لوب کناریمورد نظر، یک توزیع جریان پیوسته خطی از روش تیلور بدست آورد که مشخصات مورد نظر را به ما می دهد. سپس می توان با sample گیری (هر ) جریان تحریک هر کدام از شکاف ها را بدست آورد.
از آنجایی که شکافها به فاصله از هم قرار دارند، و هم فاز هستند، پترن آرایه در راستای صفحه طولی موجبر بوسیله تعداد المان ها و دامنه تحریکشان کنترل میشود.دامنه تحریک بسته به نوع شکافی که استفاده می شود، بوسیله فاصله دادن المانها از خط وسط موجبر و یا با چرخاندن شکافها نسبت به مرکز آنها و یا ترکیبی از این دو کنترل میگردد. مربع ولتاژتحریک یک شکاف متناسب با توان تشعشعی از آن و رسانایی رزونانس آنهاست. برای یک آرایه خطی با Nشکاف، میتوان نوشت[۱] :
(۳.۲۲)
(۳.۲۳)
که رسانایی رزونانس nامین شکاف است که نسبت به ادمتیانس موجبر ، نرمالیزه شده است، A(n)توزیع ولتاژ یا جریان در موقعیت nامین شکاف است (که از یک توزیع خاص مثل تیلور بدست می آید)، Kفاکتور نرمالیزه[۵۶] توان و Wبرای آرایههای تغذیه از کنار برابر یک و برای آرایههای تغذیه از وسط مساوی دو میباشد تا در ورودی تطبیق داشته باشیم. زمانی که آرایه از وسط تغذیه می شود، اگر از پورت به سمت داخل آرایه نگاه کنیم واضح است که دو بار یکسان موازی با هم دیده می شود. ادمیتانس معادل این دو بار باید برابر با ادمیتانس ذاتی موجبر باشد به این دلیل در این حالت W باید برابر با ۲ باشد.
معادلات (۳.۲۲) و (۳.۲۳) را بایستی برای بدست آوردن حل کنیم. با توجه به اینکه دامنه تحریک شکاف یا A(n)، بر اساس نوع توزیع (مثلا تیلور)، تعیین میشود، پس از بدست آوردن ، باید ابعاد شکاف و موقعیت آنها در موجبر به گونه ای تنظیم شود که شکاف nام رسانایی را داشته باشد.
شکل زیر دو روش تغذیه این نوع آرایه ها را نشان میدهد، در هر دو حالت فاصله میان اتصال کوتاه آخر موجبر تا آخرین شکاف است. اتصال کوتاهی که از فاصله دیده میشود مدار باز[۵۷] است لذا ادمیتانس آن صفر می باشد.
شکل ۳-۶ : آرایه موجبر خطی با شکاف رزونانسی طولی ، الف) تغذیه از کنار، ب) تغذیه از وسط
در آرایه شکافی خطی هم شکافهای طولی موازی( نوعa) و هم شکافهای موازی در دیواره کناری(نوع b) را میتوان به کار برد.شکافهای طولی باریک، پترنی با مولفه پلاریزاسیون متقاطعبسیار کم ایجاد میکند.
یک مثال از یک آرایه خطی با شکاف طولی در دو دیواره مقابل هم که از انتها تغذیه میشود و در باندXبه کار رفته است، به همراه منحنی تطبیق وروردی ( )، در شکل (۳-۷) نشان داده شده است.
شکل ۳-۷ : یک نمونه آرایه خطی رزونانسی با شکاف موازی طولی
این آرایه یک پترن همه جهته در راستایسمت، با پلاریزاسیون افقی[۵۸] ایجاد میکند. برای داشتن یک پترن با پلاریزاسیون عمودی[۵۹] بایستی از شکافهای موازی در دیواره کناری استفاده کنیم. اما پلاریزاسیون متقاطع این نوع شکافها به خوبی شکافهای طولی نیست.
در آرایه های رزونانسی همانطور که پیشتر به آن اشاره شد، تعداد شکافهایی که میتوان در یک بخش از موجبر ایجاد نمود محدود است. پهنای باند امپدانسی آرایه موجبری، با افزایش تعداد المان ها به سرعت کم میشود. در یک آرایه نوعی با تغییر تعداد المان های از ۱۲ به ۱۶ المان ، پهنای باند امپدانسی به ترتیب از ۴ به ۳ درصد تقلیل مییابد.[۱]
برای رسیدن به پهنای باند خوب در طراحی این آرایه ها مجبور به استفاده از زیر آرایه های زیادی هستیم که در کنار یکدیگر قرار می گیرند و آرایه اصلی را تشکیل می دهند. در این موارد مجبور هستیم که از تغذیه های corporateیا تغذیه با شکاف های سری استفاده کنیم که باعث می شود قسمت مدار تغذیه بسیار بزرگ شده و ساخت و استفاده آن بسیار مشکل شود. زیرا یک مجموعه عظیمی در پشت آرایه باید برای تغذیه آن بکار برده شود.
آرایه صفحهای رزونانسی با شکافهای موازی و سری
آرایه های صفحه ای رزونانسی در بسیاری کاربردهای راداری به جای آنتن های رفکتور مورد استفاده قرار میگیرند، چرا که پترن بیم را میتوان شکل دهی نمود و پورت های مجموع[۶۰] و تفاضل[۶۱]، برای کاربردهای ردگیری را میتوان مستقیماً پیادهسازی کرد. امروزه بسیاری رادارها همچنان از روزنههای بیم ثابت و اسکن مکانیکی استفاده میکنند. ولی در بعضی رادارها اسکن هیبرید[۶۲] مورد استفاده قرار میگیرد که در یک صفحه به صورت الکترونیکی و در دیگری به صورت مکانیکی اسکن انجام میشود.
آرایه صفحهای را از کنار هم قرار دادن آرایههای خطی میتوان بدست آورد که نمونه هایی از آن در شکل ۸-۳ نشان داده شده است.
شکل ۳-۸ : نمونه هایی از آرایه صفحهای موجبری شکافدار
از آنجایی که حداقل عرض پهن موجبر مساوی با نصف طول موج در فرکانس قطع است، فاصله بین المانها در موجبرهای مجاوربرای شکاف هایی که روی بدنه پهن موجبر زده می شود، در فرکانس کار، بزرگتر از است که میتواند ایجاد لوب های گریتینگ در زوایای اسکن بالاتر از یک مقدار مشخص در صفحه عمود بر موجبرها کند. همانند طراحی استاندارد آنتنهای آرایه فازی، پترن تشعشعی آرایه تابعی از موقعیت و تحریک المانها نسبت به یکدیگر است.
تغذیه آرایههای صفحهای رزونانسی بزرگ اغلب با بهره گرفتن از شبکههای موجبری با تغذیه corporateیا تغذیه با شکاف های سری، صورت میپذیرد. نمونه ای از این ساختارها در شکل زیر آورده شده است.
تعداد زیر آرایههای موجبری قابل تغذیه شدن با یک موجبر ثانویه، که با شکافهای سری یا موازی توان را به زیر آرایه ها کوپل می کنند، از نظر پهنای باند امپدانسی وابسته به تعداد المانهای روی هر موجبر است و از این نظر محدودیت وجود دارد.[۳۸]
شکل ۳-۹ : نمونه هایی از آرایه صفحهای موجبری شکافدار از نوع رزونانسی
برای تغذیه زیر آرایه ها معمولا از شکاف نوع d استفاده می شود، از این رو کوپلینگ توان به زیر آرایه ها بوسیله شکافها، با چرخاندن زاویه شکافها صورت میگیرد. بسته به تعداد زیر آرایههایی که باید تغذیه شوند، لایه های متعددی ازموجبر در شبکه تغذیه مورد نیاز است. یک حالت ساده از این روش تغذیه در شکل زیر نشان داده شده است.همانطور که دیده می شود آرایه از چندین خط موجبری کنار هم تشکیل شده است و توسط یک موجبر که در زیر این خطوط قرار دارد تغذیه می شوند. روی موجبر تغذیه، شکاف های سری نوع d قرار دارد که خطوط موجبری کنار هم ( زیر آرایه ها) را تغذیه می کنند.
در حالت کلی، سیستم تغذیه از وسط با شکاف سری سادهتر است و طراحی فشردهتری نسبت به حالت سیستم تغذیه از انتهای موجبر یا corporate دارد. اما دقت زیادی باید به خرج داد چرا که شکافهای تغذیه گاهی شدیداً به شکافهای تشعشع کننده که در بالای آنها قرار دارند، کوپل میشوند. این مسأله خصوصاً برای شکافهای سری نوع d و شکافهایی که در دیواره کناری موجبر قرار دارند، شدیدتر است. شکافهای طولی موازی نوع aکوپل شدیدی ندارند مگر آنکه ارتفاع موجبر بسیار کم باشد.[۱]
شکل ۳-۱۰ : نمونه ای از آرایه صفحه ای رزونانسی با تغذیه از وسط توسط شکاف های سری
آرایههای شکافی رزونانسی سری به روش مشابه با آرایههای شکافی موازی طولی طراحی میشوند. اما چون همانطور که اشاره شد وضعیت پلاریزاسیون متقاطع آنها خیلی خوب نیست، بیشتر به عنوان تغذیه زیر آرایه ها استفاده میشوند. دلیل استفاده از آنها برای کاربرد تغذیه، آن است که المانها را میتوان حول خط وسط موجبر قرار داد و میتوان موجبرهای دیگری را که به فاصله از هم قرار دارند، تغذیه نمود.
شکافها روی خط وسط موجبر قرار میگیرند و نسبت به خط وسط، زاویه آنها تغییر داده میشود به گونهای که انرژی از موجبر از طریق شکاف به زیر آرایه ها کوپل میشود. بر خلاف شکافهای موازی که طول رزونانس آنها تحت تاثیر میزان فاصله از خط وسط موجبر است، طول رزونانس شکافهای سریتقریباً نسبت به زاویه چرخش آنها حساس نیست. به دلیل حفظ هم فاز بودن شکافهایی که با فاصله از هم قرار داده میشوند، یکی در میان، زاویهها را به صورت + و – قرار میدهند.
وقتی تحریک مورد نیاز شکاف طولی موازی یا سری تعیین گردید، رسانایی یا مقاومت شکاف ها تعیین میگردد. سپس ابعاد شکاف و فاصله از خط وسط موجبر، برای شکافهای موازی و زاویه چرخش برای المانهای سری، محاسبه میشود. با بهره گرفتن از مدار معادل شکاف و با فرض این که همه شکافها در رزونانس هستند، رسانایی ها یا مقاومت سری نرمالایز شده شکاف ها در موجبر، به کمک معادلات زیر تعیین میشوند[۱]:
(۳.۲۴)
(۳.۲۵)
