تثبیت تغییرات مرکز فاز آنتنهاي متناوب لگاریتمی 3 محمد اسحاق میرزاپور سید محمد جواد رضوي سید حسین محسنی ارمکی کارشناسی ارشد برق مخابرات دانشگاه صنعتی مالک اشتر Mrmi.mirzapour@gmail.com مجتمع برق و الکترونیک دانشگاه صنعتی مالک اشتر 3 مجتمع برق و الکترونیک دانشگاه صنعتی مالک اشتر تاریخ دریافت: 9//6 تاریخ پذیرش: 93/7/7 چکیده در این مقاله روش جدیدي براي تثبیت تغییرات مرکز فاز آنتنهاي متناوب لگاریتمی بر مبناي اصلاح تغییرات فاز جریان تحریک المانهاي آنتن اراي ه شده است. بمنظور تصدیق این روش آنتن فوق پهنباند متناوب لگاریتمی سطحی براي پوشش باندهاي L و (-4GHz) S با المان طراحی گردید. براي خطیسازي تغییرات فاز جریان تحریک المانهاي آنتن انواع ساختارهاي ریزنوار ناقص و خطوط ریزنوار پیچدار مورد بررسی قرار گرفته و ساختار ریزنوار پیچدار به عنوان بهترین ساختار با بالاترین محدوده دینامیکی در ایجاد تغییر فاز بر مبناي فواصل محدود بین المانها و تطبیق امپدانس آنتن مورد استفاده قرار گرفت. آنتن اصلاح شده نهایی تنها با 6 ساختار ریزنوار پیچدار طراحی و ساخته شد. نتایج شبیهسازي و اندازهگیري نشان داد که تغییرات مرکز فاز این آنتن بدون تغییر در ابعاد آن اصلاح گردیده و الگوهاي تشعشعی در دو حالت از تطابق مناسبی برخوردار میباشند. بعلاوه پاسخ تلفات انعکاسی آنتن حاکی از / 5GHz 4 پهناي باند -0dB میباشد. کلیدواژه مرکز فاز آنتن متناوب لگاریتمی آنتن فوق پهنباند ساختارهاي ریزنوار تغییردهنده فاز مقدمه یکی از ساختارهایی که بسیار به مفهوم آنتنهاي مستقل از فرکانس نزدیک است ساختارهاي متناوب لگاریتمی هستند که در سال 957 توسط دوهامل و ایزبل معرفی شدند []. ساختار این آنتنها تنها بوسیله زوایا تعریف نمیشود از اینرو به صورت کامل مستقل از فرکانس نیستند. این آنتنها به عنوان تغذیه آنتن انعکاسی [] در آزمایشهاي سازگاري الکترومغناطیسی [ 3 ]و جهتیابی (DF) [ 4 ]بکار میروند. اما عیب عمده آنها تغییرات زیاد مرکز فاز نسبت به فرکانس به خصوص در ارتباطات پهن باند میباشد [-3]. تغذیه آنتن انعکاسی باید در کانون آن قرار گیرد اگر مرکز فاز این تغذیه در بازه فرکانسی تغییر یابد بدان معنی است که تغذیه آنتن در کانون آن قرار نداشته و از اینرو خطاهایی در فاز ایجاد میگردد. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت عدم تغییر مرکز فاز میتوان به آزمایشهاي سازگاري الکترومغناطیسی اشاره نمود. این آزمایشها بر 3 اساس ساختار آزمایشی انجام میگیرند که در استانداردهایی همچون استاندارد نظامی 46 و یا تجاري IET/EN معین گردیده (EUT) باید در فاصله است. بر اساس آنها تجهیزات مورد آزمایش 4 مشخصی از آنتن قرار گیرند اگر این فاصله با تغییر فرکانس تغییر زیادي داشته باشد خطاي اندازهگیري بیش از حد قابل قبول بوده و منجر به باطل شدن آزمایش میگردد [3]. بنابراین کاهش تغییرات مرکز فاز این آنتن یکی از دغدغههاي بسیار مهم در استفاده از آن میباشد. با توجه به اینکه هر آنتنی چندین ناحیه فعال دارد (بسته به پهناي باند آن) و هر ناحیه فعالی نیز مراکز فاز (وابسته به فرکانس) مربوط به خود را دارد بنابراین نمیتوان آنتن متناوب لگاریتمی با یک مرکز فاز داشت [5] از اینرو تغییرات مرکز فاز باید اصلاح گردد. در این مقاله روش جدیدي جهت اصلاح تغییرات مرکز فاز بر اساس اصلاح تغییرات فاز جریان تحریک اراي ه شده است. در این روش که دامنه کاربرد آن همه انواع آنتنهاي متناوب لگاریتمی است تغییرات مرکز فاز از دید هر ناحیه فعال تثبیت گردیده است. از اینرو از دید کلی اصلاح تغییرات مرکز فاز و از دید هر ناحیه فعال آنتنی با مرکز فاز ثابت خواهیم داشت. بمنظور تصدیق این (PLPDA) استفاده روش از آنتن متناوب لگاریتمی سطحی 5 گردیده است. این آنتن بواسطه برخورداري از ویژگیهایی همچون وزن کم ساخت آسان قابلیت حمل و نقل و هزینه ساخت پایین از جمله پرکاربردترین آنتنهاي متناوب لگاریتمی به شمار میرود. 5. Planar Log-Periodic Dipole Array. ElectroMagnetic Compatibility.Direction Finding 3.Test Setup 4.Equipment Under Test 65
و تثبیت تغییرات مرکز فاز آنتنهاي متناوب لگاریتمی در ادامه مرکز فاز و عوامل موثر در تغییرات آن به همراه روش پیشنهادي جهت اصلاح این تغییرات شرح داده شده است. سپس آنتن فوق پهن باند PLPDA براي پوشش باندهاي فرکانسی L و S (-4GHz) طراحی شده و تغییرات مرکز فاز آن بوسیله ساختارهاي ریزنوار پیچدار اصلاح گردیده است. آنتن اصلاح شده 6 (MPLPDA) نهایی بر روي زیرلایه شرکت 3M با ضخامت 0 / 76 میلیمتر و ضریب نفوذپذیري الکتریکی نسبی و تانژانت / 55 تلفات 0 / 0 ساخته و مورد آزمایش و اندازهگیري قرار گرفته است. مرکز فاز مرکز فاز یک آنتن نقطهاي بر روي آنتن است که از دید میدان دور امواج کروي آنتن از آن نقطه انتشار یافته و میدان منتشره داراي فاز ثابتی است به عبارت دیگر از دید میدان دور آنتن جهتداري در این نقطه قرار دارد که چنین الگوي تشعشعی را نتیجه میدهد [ 5-8]. 3 در کلیه مباحثی که فاصله از آنتن تعریف میشود منظور همان فاصله تا مرکز فاز آن آنتن میباشد بنابراین تغییرات شدید این نقطه نسبت به عدیدهاي (نسبت به نوع کاربرد) را پدید خواهد آورد. فرکانس مشکلات آنتنهاي متناوب لگاریتمی داراي سه ناحیه فعال انتقال و انعکاس هستند []. 4 تا 0 / 35 7 ناحیه فعال شامل المانهایی است که طول آنها بین طول موج میباشد.[5].[5 ] ناحیه فعال با افزایش فرکانس از المانهاي بزرگ به سمت المانهاي کوچک حرکت میکند همچنین انرژي از المانهاي فعال کوچک به سمت المانهاي غیر فعال بزرگ به شدت کاهش مییابد (وجود ناحیه فعال در فرکانس بالا) از اینرو المانهاي انتهایی آنتن تشعشع ناچیزي دارند. این حرکت ناحیه فعال و مرکز فاز مربوطه به آن بویژه در آنتنهاي پهنباند یک ویژگی نامطلوب به شمار میرود مولفه اصلی میدان الکتریکی هر آنتنی در میدان دور و در یک جهت خاص ) به ازاي θ و φ مشخص) معمولا به صورت زیر است E = E e ( ψ) () که در آن دامنه میدان بصورت تابعی از r/ در نظر گرفته شده است و ψ 8 نمایانگر فاز جریان تحریک (ECPh) آنتن میباشد. با توجه به تعریف مرکز فاز و رابطه () r مرکز فاز میباشد. بنابراین اگر لازم باشد تغییري در مرکز فاز آنتن پدید آید تنها میتوان بر روي فاز جریان تحریک المانها کار کرد. امواج منتشره از آنتن در میدان دور بصورت موج صفحهاي میباشند از اینرو باید داراي فاز ثابتی باشند بنابراین Kr + ψ = A () با مشتقگیري از رابطه () بر حسب فرکانس داریم r = ψ ( ) (3) π با توجه به رابطه (3) واضح است که براي ثابت بودن مرکز فاز (مستقل از تغییرات فرکانس) تغییرات فاز جریان تحریک المانهاي آنتن (سمت راست تساوي) باید به فرم تابعی خطی بر حسب فرکانس باشد بنابراین ψ = Mf + N (4) با توجه به اینکه المانهاي با فرکانس پایینتر در انتهاي بزرگ آنتن قرار دارند و در نتیجه جریان تحریک طول بیشتري را براي رسیدن به المان طی میکند فاز جریان در فرکانس پایینتر منفیتر میشود بنابراین فاز با کاهش فرکانس منفیتر میشود که این به معناي مثبت بودن نرخ تغییرات فاز بر حسب نرخ افزایش فرکانس میباشد بنابراین M در رابطه (4) میبایست عددي ثابت غیر صفر و مثبت باشد. حال اگر رابطه (4) را برحسب شماره المانها جایگذاري کنیم (شمارهگذاري از نقطه تغذیه در نظر گرفته میشود) منجر به منفی شدن نرخ تغییرات فاز بر حسب شماره المانها میگردد. از رابطه (3) به نظر میرسد که میتوان مرکز فاز را براي کل بازه فرکانسی ثابت نمود در صورتیکه فاز جریان تحریک نیز محدوده قابل قبولی دارد که در آن شکل الگوي تشعشعی تغییر نمیکند بنابراین در هر بازه فرکانسی تا حدودي میتوان فاز جریان تحریک را تغییر داد و خارج از آن محدوده شکل الگوي تشعشعی خراب خواهد شد. از اینرو نمیتوان تغییرات مرکز فاز را براي کل بازه فرکانسی (شامل چندین ناحیه فعال) ثابت نمود [5]. بنابراین میتوان انتظار داشت که اگر تغییرات فاز جریان تحریک نسبت به تغییر فرکانسهاي هر ناحیه فعال خطی باشد مراکز فاز آنها نیز (یک بازه فرکانسی) بدون تغییر خواهد ماند. مهمترین علت تغییر مرکز فاز این آنتن نوع هندسه آن میباشد. مرکز فاز یک آنتن دوقطبی تک در وسط آن و به عبارت دیگر در نقطه تغذیه میباشد [5]. با آرایه شدن المانها و اثر بارگذاري امپدانسی آنها بر روي خط انتقال مرکزي (خط تغذیه) فاز جریان تحریک المانها غیرخطی شده و منجر به تغییر مراکز فاز میگردد. با توجه به اینکه بارگذاري حاصل از المانها اجتناب ناپذیر است بنابراین براي اصلاح تغییرات مراکز فاز باید تغییرات فاز جریان تحریک المانها را به صورت خطی اصلاح نمود براي این منظور میبایست از ساختارهاي تغییردهنده فاز مناسب با نوع آنتن متناوب لگاریتمی مورد نظر استفاده نمود. 6. Modified PLPDA 7.Active Region 8.Excitation Current Phase 66
محمد میرزاپور طراحی آنتن فوق پهنباند PLPDA نقطه شروع در طراحی آنتن متناوب لگاریتمی انتخاب راستاوري است. با در نظر داشتن راستاوري و استفاده از نمودار کارل [9] ضرایب فاصله (σ) و مقیاس (τ) و با دانستن پهناي باند مورد نظر تعداد المانهاي لازم بدست میآید. در جدول تعداد المانهاي لازم براي پوشش دو باند L و S به ازاي ضرایب مقیاس مختلف به همراه راستاوري حاصل محاسبه و آورده شده است. جدول. تعداد المانها و راستاوريهاي آنتن PLPDA به ازاي ضرایب راستاوري به ازاي ضریب فاصله بهینه (db) 8< D <8 / 5 مقیاس مختلف در باند L و S تعداد المانهاي لازم 0 ضریب مقیاس 0 / 8 0 / 8 0 / 84 0 / 86 0 / 88 0 / 9 0 / 9 0 / 94 0 / 96 4 6 9 30 4 8< D <8 / 5 8 / 5< D <9 8 / 5< D <9 9< D <9 / 5 9< D <9 / 5 9 / 5< D <0 < D < / 5< D < نکتهاي که باید مد نظر داشت این است که افزایش تعداد المانها منجر به افزایش تعداد نواحی فعال افزایش بهره و البته افزایش تغییرات مرکز فاز میشود. از اینرو ضریب مقیاس 0 / 84 انتخاب و آنتن متناوب لگاریتمی سطحی با المان و ابعاد 40mm 40mm طراحی و شبیهسازي گردید که در شکل نشان داده شده است. پارامترهاي اصلی آنتن طراحی شده در جدول لیست شده است که در آن α نصف زاویه محوري و N تعداد المانهاي آنتن میباشد. جدول. پارامترهاي آنتن متناوب لگاریتمی سطحی براي پوشش باند L و S طول المانهاي آنتن بر اساس کوچکترین و بزرگترین فرکانس باند طراحی و با استفاده از طراحی ایدهآل نسبت ضریب مقیاس بدست میآید. L/W المانها برابر یک عدد ثابت میباشد []. (نسب طول به عرض) در یک براي کلیه 9 خط تغذیه این آنتن از نوع متعادل است و براي اتصال آن به کانکتور SMA و در نتیجه کابل هم 0 محور که ذاتا نامتعادل است باید از بالن استفاده شود. براي این طراحی ساختاري تحت عنوان بالن مبدل مود طراحی و استفاده گردیده است. شکل. ساختار آنتن فوق پهنباند متناوب لگاریتمی سطحی خط ریزنوار باریک شونده اولین بار توسط آقاي کلوپفنشتاین و بمنظور تطبیق امپدانس در خطوط ریزنوار در سال 956 اراي ه گردید [0]. از این ساختار در بخشی از خط تغذیه از نوع متعادل آنتن و در لایه زیرین آن استفاده گردید. اساس این بالن که در شکل نشان داده شده است بر مبناي تبدیل مود میباشد. مطابق شکل مود سیگنال ورودي که شبه TEM میباشد در طول این بالن به متعادل) (خط کامل TEM تبدیل میگردد. مهمترین ویژگی این بالن نسبت به بالن کلاسیک در آنتنهاي متناوب لگاریتمی سطحی (که عبارتست از امتداد شیلد بیرونی کابل کواکسیال در یک طرف آنتن و روي خط تغذیه مرکزي و اتصال هادي درونی کابل به خط تغذیه طرف دیگر آنتن بوسیله گذر آن از یک سوراخ ایجاد شده در زیرلایه) قابلیت بکارگیري ساختارهاي تغییر دهنده فاز بمنظور جبرانسازي فاز جریان تحریک میباشد. از دیگر مزایا آن میتوان به کوچک بودن (طول (0mm سادگی در ساخت و تطبیق امپدانس فوق پهنباند آن اشاره نمود بطوریکه با تقریب خوبی میتوان آنرا به عنوان بالنی مستقل از فرکانس دانست. شکل. ساختار بالن مبدل مود نتایج شبیهسازي نشان داد که تلفات انعکاسی این آنتن (شکل 3) نه تنها در بازه مورد نظر کمتر از -0dB است بلکه پهناي باند τ 0 / 84 σ opt α(degree) 4 / 9 N L/W 9 / 6.Microstrip Tapered line.via 9. Balance 0.Unbalance 67
تثبیت تغییرات مرکز فاز آنتنهاي متناوب لگاریتمی -0dB آن VSWR) کمتر از ) در حدود 4 / 5GHz میباشد. تغییرات مرکز فاز این آنتن در شکل 4 نشان داده شده است. با توجه به شکل واضح است که رابطه (3) براي این آنتن صادق نبوده و تغییرات فاز جریان تحریک نسبت به فرکانس غیرخطی میباشد که منجر به کاهش فاصله مرکز فاز تا مبدا (انتهاي باریک آنتن) با افزایش فرکانس میگردد. طراحی آنتن فوق پهنباند MPLPDA بمنظور اصلاح تغییرات مرکز فاز آنتن میبایست فاز جریان تحریک المانها را بدست آورده و خطیسازي کنیم این امر توسط نرم افزار CST محاسبه شده و در شکل 5 نشان داده شده است. با توجه به شکل مشخص است که تا المان چهارم تغییرات فاز جریان تحریک به صورت خطی است اما از این المان به بعد تغییرات را به صورت غیرخطی داریم در نتیجه باید این تغییرات غیرخطی به صورت خطی اصلاح گردد. که در آن N شماره المان مورد نظر و 3 MECPh فاز جریان تحریک اصلاح شده میباشد. به این ترتیب مقادیري که فاز جریان تحریک المانها باید داشته باشند محاسبه گردیده و در جدول 3 در کنار فاز جریان تحریک اصلی داده شده است. با مشخص شدن اختلاف فاز بین حالت اصلی و اصلاح شده کافیست مقادیر مورد نظر را با ساختارهاي تغییر دهنده فاز مناسب بسازیم. مقادیر فاز اصلاح شده که در جدول 3 داده شده است مقادیر مرجع میباشند به این معنی که در نهایت فاز جریان تحریک هر المانی باید برابر آن گردد. بدلیل آنکه مقادیر فاز المانها مستقل از یکدیگر نبوده و اصلاح یکی منجر به تغییر در دیگري میشود نمیتوان به صورت یکجا فاز المانها را اصلاح نمود بلکه باید بصورت مرحله به مرحله و المان به المان فازها را به نمودار مقایسه فاز جریان تحریک المانها در حالت عادي و خطیسازي شده شکل 5. شکل 3. تلفات برگشتی آنتن متناوب لگاریتمی سطحی خطی منتقل نموده و اختلاف فاز المان بعدي مجددا محاسبه و اصلاح گردد. این پروسه بازگشتی تا اصلاح فاز آخرین المان ادامه مییابد. جدول 3. مقادیر فازهاي جریان تحریک معمولی و خطیسازي شده Index of Elements OECPH(Deg) MECPH(Deg) -60-60 -87-87 3 4-5 -4-5 -4 شکل 4. تغییرات مرکز فاز آنتن 5-60 -68 6 7 8 9 0-75 -86-300 -33-340 -350-95 -3-349 -376-403 -430 از اینرو میبایست بهترین شیب را براي این خطیسازي بدست آوریم. با توجه به این نکته که در المانهاي ابتدایی تغییرات کاملا به صورت خطی است و با استناد به این مطلب که براي نوشتن معادله یک خط وجود دو نقطه کافیست براحتی معادله خط بهینه به فرم زیر بدست میآید که در شکل 5 و در کنار فاز اصلی ترسیم -370-457 شده است. MECPh = -(7N+33) (5) 3.Modified ECPh 68
ب( ب( محمد میرزاپور ساختارهاي تغییردهنده فاز با توجه به اینکه تغییر فازهاي لازم منفی هستند با افزایش طول خطوط انتقال براحتی قابل پیادهسازي و ساخت میباشند. در واقع افزایش طول خط منجر به افزایش طول الکتریکی و ایجاد تغییر فاز منفی مطابق رابطه (6) میگردد. اما این امر مستلزم افزایش بعد آنتن خواهد شد که مطلوب ما نیست. φ = βl (6) بنابراین به ساختارهایی نیاز داریم که طول الکتریکی را افزایش دهند بدون اینکه تغییري در طول فیزیکی (که مقدار آنرا فاصله بین دو المان مجاور در آنتن تعیین میکند) پدید آورند و یا بگونهاي طول فیزیکی را افزایش دهند که بعد آنتن تغییري نیابد. 4 از اینرو انواع ساختارهاي ریزنوار ناقص ( ](DMS ](که اساس همه آنها افزایش طول الکتریکی بدون تغییر در طول فیزیکی است) 5 و ریزنوار پیچدار (تغییر طول فیزیکی بدون تغییر ابعاد آنتن) که در شکل 6 نشان داده شده است مورد مطالعه بررسی و طراحی قرار گرفت. شکل 7. پارامترهاي یک سلول از ساختار ریزنوار پیچدار طول خط کل لازم براي ایجاد تغییر فاز مورد نظر از رابطه (6) بدست میآید. با توجه به ثابت بودن مقدار W (پهناي خط تغذیه) و مشخص بودن l مشخص شده در شکل (فاصله دو المان مجاور در آرایه) پارامترهاي 7 محاسبه و بهینهسازي گردید. این مقادیر به همراه تعداد سلولهاي لازم در جدول 4 داده شده است. نتایج شبیهسازي و اندازهگیري آنتن اصلاح شده (MPLPDA) نهایی بر روي زیرلایه شرکت 3M با ضخامت 0 / 76 میلیمتر و ضریب نفوذپذیري الکتریکی نسبی / 55 و تانژانت تلفات 0 / 0 ساخته شد که در شکل 7 نشان داده (الف) با شده است. توجه به گستردگی بازه فرکانسی اندازهگیريها بصورت نمونه و تنها در 4 فرکانس ) 3 و 4 گیگاهرتز) انجام پذیرفت. ( (الف ( شکل 6. انواع ساختارهاي تغییردهنده فاز الف)ساختارهاي DMS ب)ساختار ریزنوار پیچدار مطالعه و بررسی نتایج شبیهسازيهاي متعدد نشان داد که ساختارهاي DMS داراي محدوده دینامیکی کمی بوده و تنها براي تغییر فازهاي کم (در حدود 0 درجه) در آن طول فیزیکی خاص (فاصله بین المانهاي مجاور در آنتن) قابل استفاده میباشند. البته اعوجاجی در سیگنال خروجی این ساختارها بخصوص در فرکانسهاي بالا نیز مشاهده گردید که قابل پیشبینی بود. اما خطوط ریزنوار پیچدار داراي محدوده دینامیکی مناسبی بوده و هر تغییر فازي را میتوان به کمک آنها ساخت. بمنظور حذف اثر اعوجاجی گوشههاي (گوشهه يا 90 6 درجه میبایست آنها را اری ب 45 درجه) کرد []. یک سلول از این ساختار به همراه پارامترهایش در شکل 7 نشان داده شده است. شکل 8. نمونه ساخته شده آنتن اصلاح شده الف)سطح بالایی ب)سطح پایینی ( 4.Defected Microstrip structure 5.Microstrip Meander Structure 6.Chamfer 69
تثبیت تغییرات مرکز فاز آنتنهاي متناوب لگاریتمی جدول 4. تعداد و پارامترهاي سلول ریزنوار پیچدار Index of Elements l (mm) W (mm) Number of cell a (mm) b (mm) d (mm) Chamfer(mm) 6 9 / 405 / 38 / 03 3 / 0 / 8 7 / 9 / 38 / 85 / 8 0 / 6 0 / 8 8 3 / 34 / 38 / 99 3 / 5 / 5 0 8 / 883 / 38 / 7 3 4 / 48 / 38 0 / 956 4 / 3 / 5 6 / 769 / 38 5 / 096 6 / 5 اندازهگیري مرکز فاز اساس روش اندازهگیري مرکز فاز آنتن بر تعریف آن استوار است. بدین معنا که اگر آنتن در مرکز فازش قرار داشته باشد انتظار میرود که در میدان دور داراي الگوي فاز یکنواختی باشد [ 7 ]که البته با توجه به روابط () و () قابل استنباط میباشد. از اینرو باید موقعیت آنتن را در فرکانس مورد نظر در اندازهگیري نسبت به موقعیت مرجعش (نقطه تغذیه) تغییر مکان داده و الگوي فاز را مشاهده نماییم براي این منظور از ساختاري جهت حرکت خودکار آنتن در دو بعد استفاده میگردد [7]. اما میتوان با فرض صحیح بودن نتایج شبیهسازي پروسه اندازهگیري را سادهتر و سریعتر نموده و در نهایت درستی فرض اولیه را اثبات نمود. با توجه به اینکه میدانیم (از نتایج شبیهسازي) موقعیت مرکز فاز آنتن MPLPDA بر روي محور آنتن تغییر مییابد بنابراین ابتدا بررسی در بعد دیگر را کنار گذاشته و تغییرات محوري را نیز در حدود موقعیت حاصله از نتایج شبیهسازي بررسی نمودیم. با تعیین دقیق نقطه مرکز فاز که با تقریب مناسبی (±mm) برابر نتایج شبیهسازي گردید آنتن را در بعد دیگر حرکت داده و بدین ترتیب صحیح بودن فرضهاي اولیه را اثبات نمودیم. این مطلب حاکی از نتایج قابل قبول شبیهسازي دارد (شایان ذکر است که پروسه بررسی بعد دوم تنها در یک فرکانس انجام گرفته است). بررسی نتایج نتایج شبیهسازي و اندازهگیري نشان داد که تغییرات مرکز فاز آنتن اصلی بدون تغییر در ابعاد آن اصلاح شده و در هر ناحیه فعال با تقریب مناسبی (±mm) برابر مقدار ثابتی گردیده است (شکل 9). بعلاوه مقایسه تلفات انعکاسی آنتنها که در شکل 0 نشان داده شده حاکی از آن است که تطبیق آنتن اصلاح شده همچنان در محدوده قابل قبول بوده و پهناي باند -0dB آن نیز همچون آنتن اصلی در حدود 4 / 5GHz میباشد. همانطوریکه مشاهده میشود تطابق مناسبی بین نتایج شبیهسازي و اندازهگیري وجود دارد. شکل 9. تغییرات مرکز فاز آنتنها بر حسب فرکانس شکل 0. تلفات انعکاسی آنتنها با توجه به ساختارهایی که براي اصلاح فاز استفاده گردید بهره آنتن اصلاح شده بطور متوسط در حدود db کاهش یافت که البته با توجه به ساختار ریزنوار پیچدار اجتناب ناپذیر میباشد (شکل ). اگر توزیع جریان بر روي آنتن را بصورت کلی زیر در نظر بگیریم I = I e γ, γ = α + jβ (7) تلفات جریان و به عبارتی سیگنال به شدت به طول مسیر حرکت آن بستگی خواهد داشت زیرا در شرایط مساوي تغییر محیطی و ماهیتی نداشته و فقط طول مسیر تغییر مییابد. به همین دلیل ساختار ریزنوار پیچدار در کنار ایجاد تغییر فاز با بالاترین محدوده دینامیکی بصورت اجتناب ناپذیري کاهنده راندمان آنتن و به عبارت دیگر بهره میباشد. از طرفی بدلیل آنکه براي جبران فاز در المانهاي پایانی آنتن (فرکانس پایین) نیازمند استفاده از دو سلول ریزنوار پیچدار شدهایم این مسي له بصورت تشدید شدهاي در فرکانسهاي پایین نمایان گردیده است (شکل ). 70
محمد میرزاپور شکل. تغییرات بهره آنتنها بر حسب فرکانس با توجه به بهینهسازي مقادیر پارامترهاي ساختار ریزنوار پیچدار بنظر میرسد که براي جبرانسازي این کاهش بتوان از تکنیکهاي افزایش بهره در آنتنهاي آرایه استفاده نمود که البته منجر به افزایش تغییرات مرکز فاز میگردد از اینرو باید روشهاي دیگري مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد که هدف این مقاله نیست. 7 بنابراین با شرایط موجود میبایست مصالحهاي بین این دو پارامتر برقرار نمود. نتایج مطالعه و بررسی الگوي تشعشعی آنتنها (در 0 فرکانس در حالت شبیهسازي و 4 فرکانس در حالت اندازهگیري) نشان داد که آنتن اصلاح شده به عنوان یک آنتن فوق پهنباند داراي الگوهاي تشعشعی مناسبی در بازه فرکانسی مورد نظر و بخصوص در فرکانسهاي بالاتر از /GHz یم باشد. بعلاوه تطابق مناسبی با الگوهاي تشعشعی آنتن اصلی دارد. نمودار الگوهاي تشعشعی H نرمالیزه شده صفحه E (شبیهسازي و اندازهگیري) آنتنها و صفحه 39 8 (الگوهاي قطبیشدگی موازي و متقاطع اندازهگیري شده) آنتن اصلاح شده در 4 فرکانس به ترتیب در شکلهاي 3 و 4 نشان داده شده است. شکل. الگوهاي تشعشعی نرمالیزه شده صفحه E دو آنتن شکل 3. الگوهاي تشعشعی نرمالیزه شده موازي و متقاطع صفحه H آنتن MPLPDA در فرکانسهاي و گیگاهرتز شکل 4. الگوهاي تشعشعی نرمالیزه شده موازي و متقاطع صفحه H نتیجهگیري آنتن MPLPDA در فرکانسهاي 3 و 4 گیگاهرتز در این مقاله نشان دادیم که با اصلاح فاز جریان تحریک المانهاي آنتن متناوب لگاریتمی میتوان تغییرات مرکز فاز آن را نسبت به فرکانس و در هر ناحیه فعال ثابت نمود. دامنه کاربرد این روش همه انواع آنتنهاي متناوب لگاریتمی است. در این مقاله و بمنظور تصدیق روش فوق از آنتن متناوب لگاریتمی سطحی که پرکاربردترین آنها میباشد استفاده گردید. این آنتن فوق پهنباند براي پوشش باندهاي L و S طراحی و شبیهسازي گردید. براي بالن این آنتن از ساختار مبدل مود به عنوان تنها ساختار مفید با توانایی تغییر در فاز جریان تحریک المانها استفاده شد. بمنظور خطیسازي تغییرات فاز جریان تحریک المانهاي آنتن از ساختار ریزنوار پیچدار به عنوان بهترین ساختار با بالاترین محدوده دینامیکی در ایجاد تغییر فاز بر مبناي فواصل محدود بین المانها و تطبیق امپدانس آنتن استفاده گردید. آنتن اصلاح شده نهایی تنها با 6 ساختار ریزنوار پیچدار طراحی و ساخته شد. نتایج شبیهسازي و اندازهگیري نشان داد که تغییرات مرکز فاز آنتن بدون تغییر در ابعاد آن اصلاح گردیده و بهره آن به میزان db (بطور متوسط) نسبت به آنتن اصلی کاهش یافته است. بعلاوه پهناي باند -0dB آن ) (VSWR در حدود 4 / 5GHz میباشد. 7. Trade off 8.Co-polarization 9.Cross-polarization 7
تثبیت تغییرات مرکز فاز آنتنهاي متناوب لگاریتمی with the Method of Moving Reference Point', ISAPE IEEE, p 4-7, 008. [8] Z. Allahgholi pour and L. Shafai, 'Control of Phase Center and Polarization in Circular Microstrip Antennas', IEEE ISAPS, p 44-444, 006. [9] Carrel Robert L., 'Analysis and Design of the Log-Periodic Dipole Antenna', Technical Report No.5, Antenna Laboratory, University of Illinois, 96. [0]Klopfenstein, R. W., A Transmission Line Taper of Improved Design, Proc. of the I.R.E No.44, Jan. 956, pp.3-35. [] Kazerooni M, Cheldavi A, and Kamarei M, 'Analysis, modeling and design of cascaded defected microstrip structure (CDMS) for planar circuits', International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, vol.0,00. [] Sainati Robert A., 'Cad of Microstrip Antenna for Wireless Applications' Artech House, London, 995. مرجعها [] Duhamel, R. H., and Isbell D.E, 'Broadband Logperiodic Antenna Structures', I.R.E 957 National Convention Record, Part. pp. 9-8. [] Balanis C. A., 'Antenna Theory: Analysis and Design', Third edition, Wiley-Interscience, New Jersey & Canada, 005, p.6. [3] Morgan D., 'A Handbook for EMC Testing and Measurement', IET, London, United Kingdom, 007. [4] Yeo, J., and Lee, J. L., 'Miniaturized LPDA Antenna for Portable Direction Finding Applications'. ETRI Journal, Volume 34, No., pp. 8-, Feb. 0. [5] Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design, Second Edition, Wiley-Interscience, New Jersey & Canada, 005. [6] Z. Allahgholi pour and L. Shafai, 'Adaptive Aperture Antennas with Adjustable Phase Centre Locations', IWAT IEEE, pp. 355-357, 0. [7] Jun-ping Shang, De-min Fu, Yingbo Deng, Shuai Jiang, 'Measurement of Phase Center for Antenna 7