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.
دانلود پایان نامه - مقاله - پروژه
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)

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...