متلب سایت MatlabSite.com

Transcript

1 طراحی و ساخت هایبرید 18 درجه باند وسیع بر پایه ي مقسم توان گایسل 1 مهدي فرتوك زاده سید 3 حسین محسنی ارمکی مرتضی کازرونی 1 دانشگاه صنعتی مالک اشتر mahdi.fartookzadeh@gmail.com دانشگاه صنعتی مالک اشتر mohseni@ee.iust.ac.ir 3 دانشگاه صنعتی مالک اشتر mr_kazerooni@yahoo.com -1 چکیده یکی از قطعات مورد استفاده در شبکه هاي مقایسه گر مونوپالس هایبرید 18 درجه می باشد. ساختارهاي متفاوتی براي قطعه فوق اراي ه شده است که برحسب پهناي باند توان قابل تحمل و تکرار پذیري ساخت قابل دسته بندي هستند. یکی از بهترین مقسم توان ها مقسم توان گایسل می باشد که نقص آن پهناي باند اندك فرکانسی است. در این مقاله روش جدیدي براي افزایش پهناي باند مقسم مذکور با استفاده از مقاومت هاي متصل به زمین به همراه بهینه سازیهاي طراحی اراي ه می گردد. براي تشکیل ساختار هایبرید از این مقسم توان از پل زمین و انتقال دهنده ي فاز و مبدل خط به زمین استفاده شده است. هایبرید اراي ه شده در این مقاله با نرم افزار HFSS شبیه سازي شده و به منظور ارزیابی صحت روش اراي ه شده نتایج شبیه سازي و اندازه گیري دو مقسم توان ساخته شده در باند s و x تطابق داده شده است. کلید واژه - مدارات میکرواستریپ شبکه ي مقایسه گر تک پالس مقسم توان گایسل هایبرید 18 درجه. مقدمه در سیستم هاي رادار ردگیر و ایستگاههاي زمینی به منظور ردگیري اهداف و ماهواره ها از الگوریتم مونوپالس استفاده می شود. در این الگوریتم براساس داده هاي منتج از شبکه مقایسه گر مو نوپالس راستاي اهداف در دو محور سمت و ارتفاع بطور دقیق تخمین زده می شود[ 1 ]. از قطعات اصلی در شبکه مقایسه گر مونوپالس هایبرید 18 درجه است که در ساختارهاي متفاوتی قابل پیاده سازي است. به منظور پیاده سازي هایبرید 18 درجه بر حسب پهناي باند توان قابل تحمل و سادگی و تکرار پذیري ساخت می توان از بسترهاي متفاوتی همچون موجبر و یا میکرواستریپ استفاده نمود. در سامانه هاي ردگیر کوچک بدلیل تجمیع عناصر آرایه آنتن میکرو استریپ با شبکه مقایسه گر بیشترین اقبال به سمت قطعات قابل تحقق روي میکرو استریپ است. نقص قطعات مبتنی بر میکرو استریپ توان اندك قابل تحمل و سطح فیزیکی بزرگ در صورت افزایش پهناي باند می باشد. به تازگی راه هایی براي افزایش پهناي باند هایبرید هاي شبکه که هایبرید هاي 9 درجه یا 18 درجه نام دارد) با حداقل سطح فیزیکی بر روي میکرواستریپ معرفی شده است. اما همه ي آنها یا محدودیت ساختاري دارند که در شبکه ي تک پالس قابل استفاده نیستند و یا در بازه ي فرکانسی مورد نظر قابل اجرا نیستند. علاوه بر آن محدودیت توان و تشعشعات ناخواسته را می توان از ناکارآمدي طرح هاي قبلی بر شمرد. ونگ از هایبرید هاي 9 درجه براي مقایسه گر تک پالس در تجمیع با آرایه آنتن میکرواستریپ استفاده کرده است[ ]. همچنین روشهاي افزایش پهناي باند این هایبرید ها توسط چیو معرفی شده است[ 3 ]. براي تحقق هایبرید 18 درجه که در واقع ساخت اتصال تی جادویی ر يو میکرواستریپ به حساب می آید روشهاي چندي وجود دارد که به عنوان نمونه می توان به استفاده از میکرواستریپ چند لایه و شکاف اشاره کرد[ 4 ]. روشهاي جدید تر ترکیب هایبرید حلقوي کننده ي توان ویلکینسون و تی جادویی[ 5 ] یا ترکیب تقسیم و تی جادویی[ 6 ] [7] را معرفی کرده است که از پهناي باند و دقت بالایی برخوردارند. ترکیب هایبرید حلقوي و تی جادویی نتایج خوبی دارد ولی براي مقایسه گر تک پالس مناسب نیست چون ورودي ها در کنار هم قرار ندارند. ي کننده تقسیم ترکیب توان ویلکینسون و فرکانسهاي پایین از کارایی بهتري برخوردار است. در تی جادویی هایبرید اراي ه شده در این مقاله بر پایه ي مقسم توان گایسل است[ 8 ]. شکل اولیه ي این مقسم توان نسبت به مقسم توان ویلکینسون از مزایایی همچون قابلیت بکار گیري مقاومت هاي بیرونی با توان قابل تحمل بالا هندسه ي ساده و قابل درك و قابلیت کنترل بهتر بر يا نقص بزرگ آن پهناي بار هاي ناهمسان برخوردار است. اما باند کم می باشد. جدیدي براي رفع نقص فوق اراي ه شده است. بدین لحاظ طرح 3178

2 - مقسم توان گایسل بهبود یافته شکل 3 نشان داده شده است. مقسم توان گایسل مورد استفاده در واقع تغییر یافته ي مقسم توان گایسل اولیه است که خود آن تغییر یافته ي مقسم توان ویلکینسون می باشد[ 9 ]. روند تغییرات در مقسم توان ویلکینسون تا مقسم توان گایسل بهبود یافته در شکل 1 مشخص است. قسمتی که با خط چین در شکل اول مشخص است یک مقاومت است که در مقسم توان ویلکینسون بکار می رود. در مقسم توانی که توسط گایسل اراي ه شداین قسمت با بخش درون خط چین در شکل دوم تعویض شد. در مقسم توان بهبود یافته دو نقطه از مدار دوم جاي خود را به دو بخش درون خط چین شکل سوم دادند که این کار موجب افزایش پهناي باند مدار شد. شکل - شماتیک مقسم توان گایسل بهبود یافته جدول 1- مشخصات مقسم توان شکل Scattering Parameters db) Frequency GHz) Transmission Isolation Reflection -3 شکل 1- تکامل مدار معادل مقسم توان از ویلکینسون تا گایسل بهبود یافته نقشه قابل پیاده سازي مقسم توان تغییر یافته گایسل مدارمعادل سوم شکل 1 ) روي میکرواستریپ مطابق شکل قابل پیاده سازي است. طول و عرض هر یک از خطوط به ترتیب با اندیس هاي w و l مشخص شده است. با توجه به اندازه هاي جدول 1 نتایج شبیه سازي در پهناي باند 1 تا 1 گیگاهرتز در شکل 3- نتایج شبیه سازي مقسم توان گایسل بهبود یافته. هایبرید 18 درجه در این هایبرید بر خلاف طرح هاي قبل که از ترکیب هایبرید هاي تی جادویی و حلقوي یا از مقسم توان ویلکینسون و امثال این ها استفاده می کرد از ترکیب مقسم توان گایسل و پل زمین 3179

3 ب ب ب ) ب ) استفاده می شود. مقسم توان گایسل از قابلیت حمل توان و پایداري بیشتري برخوردار است ولی پهناي باند کمتري دارد که با استفاده از طرح پیشنهادي این نقیصه نیز تا حدي قابل جبران است. مداري که باید به مدار مقسم توان اضافه شود تا هایبرید 18 درجه ي مورد نظر بدست آید بخشی است که بتواند تفاضل دو ورودي را محاسبه کند و به یک خروجی بفرستد. شکل 4 مدار تفاضل گر مذکور و کلیات مدار معادل هایبرید 18 درجه را نشان می دهد. شکل 4- تغییر مورد نیاز در مقسم توان براي ایجاد هایبرید 18 درجه شکل 5- در شکل فلا فلا شماتیک مدار هایبرید قابل ساخت بر روي میکرواستریپ مبدل فاز 4 بایستی متذکر شدکه قبل از تفاضلگر اختلاف سیگنالهاي ورودي بایستی یکسان باشند. لذا با توجه به اختلاف فاصله ي بین ورودي ها تا آن نقطه نیاز به یک مبدل فاز در مسیر با فاصله ي کمتر است. به عبارت دیگر مبدل فاز قرار داده شده مطابق شکل 5 به طور تقریبی از رابطه ذیل تبعیت می نماید: در شکل 5 فلا مدار هایبرید 18 درجه به طوري که بر میکرو d1' + d1'') d' + d'') d1 + = d + ١) استریپ قابل اجرا باشد را نشان می دهد. قسمت هاي کمرنگ تر زمین میکرواستریپ و قسمت هاي پررنگ خط آن را نشان می همچنین براي جبران خمش موجود در خطوط خروجی و براي دهد. مقاومت ها و حفره ها هم در شکل مشخص هستند. مطابق بهبود تطبیق فاز ها از شکاف روي خط ورودي مربوط به پورت شکل 4 براي اضافه کردن خروجی تفاضل نیاز به پلی است که نیز استفاده شده DMS) است. شکل 6 الف) مدار نهایی را به نحوي دو ورودي را اتصال دهد. در مدار هاي مربوط به دیگر نشان می دهد. ابعاد دقیق DMS در شکل 6 نشان داده مقالات از اتصال هوایی یا القاء بین خطوط و زمین استفاده می شده است. شده است. اما در طرح اراي ه شده از پل زمین استفاده شده که مدار هاي نشان داده شده در شکل هاي 5 فلا و 6 فلا دقیقا همانند القاء بین خطوط و زمین نیازي به اضافه کردن بخشی مربعی با ضلع /8 سانتی متر می باشند. نسبت ابعاد این دو مدار بعد از چاپ مدار ندارد و همانند اتصال هوایی به طور مستقیم دو در شکل ها به طور دقیق رعایت شده و با استفاده از این مقیاس طرف خط را به هم متصل می کند. می توان ابعاد همه ي خطوط را بدست آورد. 318

4 ب ب ب ب فلا شکل 7- نتایج شبیه سازي هایبرید فرکانس بالا اختلاف فاز ها دامنه ها و ب) هایبرید تحقق یافته بر بستر میکرواستریپ با مشخصات مندرج در جدول 1 در شکل 8 نشان داده شده است. فلا فلا شکل 6- هایبرید 18 درجه را با DMS اضافه شده ابعاد DMS پیاده سازي هایبرید باند x با توجه به اینکه ابعاد DMS از قابلیت انعطاف و انتخاب بالایی برخوردار است اختلاف فاز هاي مورد نظر با دقت بسیار بالایی قابل حصول می باشد. اما خطایی در حدود.5dB در دامنه ها اجتناب ناپذیر است. نتایج شبیه سازي هایبرید در شکل 7 اراي ه شده است. فلا Scatterting Parameters Phase Difference Frequency GHz) φ4 - φ43 ) SUM φ1 - φ13 ) فلا شکل - 8 هایبرید 18 درجه ي باند x ساخته شده نتایج اندازه گیري هایبرید مذکور در شکل 9 و 1 اراي ه شده است. مطابق شکل هاي 9 و 1 ایزولاسیون ورودي ها و خروجی ها در کل پهناي باند رضایت بخش است ضمن آنکه ضرایب باز گشتی در محدوده فرکانسی 7 گیگاهرتز تا 1 گیگاهرتز کمتر از -1dB مشاهده می شود. نکته حاي ز اهمیت پایانه دقت فاز ها براي تفاضل می باشد که مقدار آن ±/3 حاصل شده است که بسیار بهتر از طرحهاي قبلی است پیاده سازي هایبرید باندs هایبرید ساخته شده باند s در شکل 11 اراي ه شده است. ابعاد مدار در شکل مشخص است. براي پیاده سازي از فیبر RG

5 ب ب ب با ضخامت 1/5 میلی متر و ضریب نفوذ پذیري الکتریکی نسبی / استفاده شده است. Scattering Parameters db) Scattering Parameters Phase Difference Degrees) Frequency GHz) S1 S13 S4 S43 فلا Frequency GHz) φ13 - φ1 ) φ43 - φ4 ) شکل 9- دامنه و اختلاف فاز سیگنال هاي جمع و تفاضل هایبرید فرکانس Scattering Parameters db) Scattering Parameters db) بالا Frequency GHz) S14 فلا Frequency GHz) S3 S11 S S33 S44 شکل 1- ایزولاسیون ها و ضرایب انعکاسی هایبرید فرکانس بالا شکل 11- تصویر هایبرید 18 درجه ي باند s مطابق نتایج اندازه گیري مندرج در شکل 1 هایبرید طراحی شده در فرکانس 1/6 گیگاهرتز تا /6 گیگاهرتز عملکرد دارد. علت تشدید در فرکانس ساختار میکرو استریپ می باشد. گیگاهرتز جعبه فلزي محیط بر بدلیل افزایش ضخامت لایه میکرواستریپ که باعث بیشتر شدن پراکندگی شار الکتریکی می شود دقت فاز ها نسبت به مدار قبلی تنزل پیدا کرده است. Scatterting Parameters db) Scatterting Parameters Phase Difference Frequency GHz) Sd S3d Ss S3s S S33 فلا Frequency GHz) φd - φ3d ) φs - φ3s ) شکل 1- دامنه و اختلاف فاز سیگنال هاي جمع و تفاضل هایبرید فرکانس نتیجهگیري پایین -4 در این مقاله براي نخستین بار هایبرید 18 درجه تغییر یافته ببر مبناي مقسم توان گایسل اراي ه شد. جهت صحت نتایج شبیه x سازي دو هایبرید در باند s و پیاده سازي گردید. در این هایبرید ها ایزولاسیون ورودي ها و خروجی ها در کل پهناي باند 318

6 ز ا [] H. Wang, D. G. Fang, X. G. Chen, A Compact Single Layer Monopulse Microstrip Antenna Array, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 54, no., pp. 539, Feb 6. [3] L. Chiu and Q. Xue, Investigation of a wideband 9 hybrid coupler with an arbitrary coupling level, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 58, no. 4, pp. 1-19, Apr 1. [4] J. P. Kim and W. S. Park, Novel configurations of planar multilayer magic-t using microstrip slotline transitions, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 5, no. 7, pp , Jul.. [5] K. U-Yen, E. J. Wollack, J. Papapolymerou, and J. Laskar, A broadband planar magic-t using microstripslotline transitions, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 56, no. 1, pp , Jan. 8. [6] G. L. Nystrom, Synthesis of Broad-Band 3-dB Hybrids Based on the -Way Power Divider, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 9, no. 3, pp , Mar [7] N. Yang, C. Caloz and K. Wu, Broadband Compact 18 Hybrid Derived From the Wilkinson Divider, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 58, no. 4, pp , Apr 1. [8] U. H. Gysel, A new N-way power divider/combiner suitable for high-power application, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., May 1975, vol. 75, pp [9] E. J. Wilkinson, An N-way hybrid power divider, IRE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT 8, pp , Jan قابل قبول بوده ضمن آنکه ضرایب بازگشتی براي هایبرید اول فرکانس 7 گیگاهرتز تا 1 گیگاهرتز با دقت فازپایانه تفاضل در سطح درجه حاصل شد. نتیجه فوق بسیار بهتر از طرحهاي قبلی است. هایبرید دوم بدلیل استفاده از بورد با ضخامت بالا از دقت پایین تري برخوردار است ولی نتایج مبین این حقیقت است که این مدار براي باندهاي فرکانسی دیگر هم قابل استفاده است. ویژگی این هایبرید در این است که با تجمیع چهار عدد از آن در کنار هم و بدون نیاز به تغییرات در طراحی شبکه ي مقایسه گر تک پالس را محقق می سازد. مراجع [1] M. I. Skolnik, Ed., Radar Handbook. NewYork: McGraw-Hill,