آنتن های موج نشتی موجبری

آنتن های موج نشتی موجبری

آنتن های شکاف‌دار، به آنتن هایی گفته می شود که از ایجاد شکاف بر بدنه یک موجبر تشکیل شده اند. آنتن های موج نشتی زیرمجموعه آنتن های شکاف دار می باشند. آنتن های موج نشتی بر دو دسته آنتن های موج نشتی ساکن و آنتن های موج نشتی رونده تقسیم می شوند. در آنتن های موج نشتی ساکن، انتهای موجبر کاملا بسته شده و موج رونده پس از رسیده به انتهای موجبر، با ضریب بازتاب یک باز می گردد و درون موجبر موج ساکن ایجاد می شود. در آنتن های موج نشتی رونده، انتهای موجبر به بار منطبق ختم شده است. از اینرو فقط موج رونده در موجبر وجود دارد.  

آنتن های موج نشتی از دسته آنتن های موج رونده هستند که در یک پهنای باند مشخص تشعشع می کنند. در این گونه آنتن ها به علت وابستگی فاز به فرکانس، راستای پرتو اصلی تشعشع نیز با فرکانس تغییر می کند و در نتیجه یک آنتن موج نشتی می تواند جاروب فرکانسی انجام دهد. نمونه های اولیه این آنتن ها با استفاده از موجبرهای مستطیلی متداول ساخته شده اند. این موجبرها هزینه و حجم زیادی داشته و ترکیب آن ها با سایر اجزای مدارات مسطح، مشکلاتی به همراه دارد.

آنتن های موج نشتی، همان موجبرهایی هستند که شکاف یا شکاف‌هایی بر روی بدنه موجبر ایجاد شده است و مکانیمی را ایجاد می کند تا به توان در حال انتشار در موجبر اجازه دهد تا در امتداد این شکاف یا شکاف ها به فضای خارج موجبر نشت کند. ابتدایی ترین نمونه از این نوع آنتن ها، همان موجبر مستطیلی است که شکافی پیوسته در یکی از وجه های موجبر ایجاد شده است. از آنجایی که نشت توان از کل شکاف مورد نظر اتفاق می افتد، طول کل شکاف در تشعشع موثر می باشد مگر این که توان نشت شده به بیرون قبل از رسیدن به انتهای موجبر بسیار ناچیز شود. به خاطر نشت توان، عدد موج انتشاری این ساختارها مقداری مختلط است. اینکه ثابت نشت مقداری بزرگ یا کوچک باشد بسته به این دارد که مقدار نشت در واحد طول زیاد یا کم باشد.

یک آنتن موج نشتی رونده موجبری در حالت معمول طولی در حدود 20 برابر طول موج دارد بنابراین پهنای بیم تشعشع در حدود 4 درجه خواهد بود. البته این شرایط در حالت معمول و هنگامی که جهت بیم در زاویه 45 درجه ای نسبت به محور آنتن قرار دارد، صادق است. از آنجایی که ثابت فاز در یک موجبر با فرکانس تغییر می کند، جهت بیم آنتن نیز با فرکانس در حال تغییر است. به همین دلیل آنتن های موج نشتی می توانند فضا را با تغییر فرکانس کار اسکن کنند. از طرفی چون توان تشعشعی از رونه به طور پیوسته ادامه دارد، میدان های موجود در روزنه آنتن های موج نشتی که پارامترهای هندسی یکنواختی دارند به صورت نمایی (معمولا با ضریب میرایی کوچک) تضعیف می شوند. آنتن های موج نشتی با طول های معمول از نظر سطح گلبرگ جانبی، عملکرد ضعیفی دارند. از این رو سعی می شود تا مقدار ثابت نشت در امتداد شکاف به آهستگی تغییر کند در حالی که ثابت فاز ثابت باقی بماند. این تلاش ها منجر می شود تا دامنه توزیع میدان ها در روزنه به گونه ای شود تا سطح گلبرگ های جانبی در وضعیت مطلوبی قرار گیرد. به این تکنیک نرم شدگی یا Tapering گفته ی شود.

یک آنتن موج نشتی در واقع همان آنتن با منبع خطی است که در حالت سه بعدی بیمی به شکل مخروط دارد. این شکل بیم به ابعاد سطح مقطع موجبر وابسته است. معمولا برای باریک کردن بیم این نوع آنتن ها از تکنیک هایی نظیر استفاده از آنتن Horn یا قرار دادن یک آنتن خط جریان به صورت آرایه، مورد استفاده قرار می گیرد. بیم این نوع آنتن ها در صفحه اسکن معمولا به صورت Fan Beam می باشد ولی با استفاده از تکنیک های آرایه ای می توان به Pencil Beam نیز دست یافت که می توانند عمل اسکن را در دو بعد انجام دهند.

از حدود 40 سال پیش که آنتن های موج نشتی معرفی شدند تقریبا همه آنتن ها بر مبنای ایجاد شکاف روی بدنه موجبرهای بسته شکل گرفته بودند اما موجبرهای حوزه امواج میلی متری امروزی معمولا باز هستند که محققان توانستند آنتن های موج نشتی با این ساختارها را نیز طراحی کنند. از معمول ترین این ساختارها می توان به خطوط مایکرواستریپ، موجبرهای دی الکتریک، موجبرهای شکاف دار، موجبرهای NRD و ... اشاره نمود. مدهای غالب در این نوع موجبرها معمولا محدود هستند ولی یک شکاف به تنهایی باعث نشت توان از این موجبرها نمی شود بلکه با تکنیک های خاصی باید این ساختارها را به آنتن های موج نشتی تبدیل کرد. طراحی آنتن های موج نشتی موجبری معمولا فرآیندی سر راست بوده و با توجه به وجود شکاف و روزنه در این ساختارها از مفاهیم توزیع میدان و جریان در روزنه ها نیز استفاده می شود. از قبل نیز می دانیم که میدان های تشعشعی یا پترن آنتن های روزنه ای به نوعی همان تبدیل فوریه توزیع جریان در دهانه روزنه آنتن می باشند.

دو نوع آنتن موج نشتی پایه وجود دارد. این آنتن ها معمولا بر حسب اینکه هندسه ساختارهای شکاف آن ها یکنواخت یا پریودیک باشند دسته بندی می شوند. هر دو نوع از نظر اصول یکسان بوده ولی از نظر ویژگی های عملکرد متفاوت می باشند از این رو در طراحی آن ها باید ملاحظاتی را در نظر گرفت. دسته اول از آنتن های های موج نشتی به آنتن های موج نشتی یکنواخت معروف می باشند. علیت این نامگذاری این است که شکاف یا روزنه موجود در این آنتن ها به صورت یکنواخت و پیوسته است. این نوع ساختارها معمولا دارای Tapering کوچک در امتداد طولشان می باشند. همان گونه که قبلا نیز بیان شد، نرم شدگی یا Tapering برای کاهش سطح گلبرگ های جانبی به کار می رود. دسته دوم از آنتن های موج نشتی به آنتن های موج نشتی پریودیک معروف هستند. در این ساختارها، شکاف های موجود در بدنه موجبر به صورت پریودیک تکرار می شود.

برخی از مباحث مطرح شده در این پروژه به شرح زیر است:

اصول کلی آنتن های موج نشتی

انواع آنتن های موج نشتی

اصول طراحی آنتن های موج نشتی یکنواخت

جهت گیری بیم آنتن، پهنای باند و راندمان تشعشعی

رفتار اسکن زاویه ای آنتن های موج نشتی یکنواخت

الگوی تشعشعی آنتن های موج نشتی یکنواخت

کنترل توزیع روزنه برای کاهش سطح گلبرگ های جانبی

اصول طراحی آنتن های موج نشتی متناوب

تاثر ساختار متناوب در رفتار اسکن آنتن

جهت گیری پرتو، پهنای باند و راندمان تشعشعی

ملاحظات تغذیه آنتن های موج نشتی

بررسی برخی آنتن های موج نشتی خاص

آنتن های موج نشتی با شکاف طویل در موجبر مستطیلی

آنتن موج نشتی با حفره های نزدیک هم تعبیه شده روی موجبر مستطیلی

آرایهای از نوارهای پهن عرضی نزدیک هم

آنتن های موج نشتی خاص بر مبنای موجبرهای باز متناوب

شاید به جرات می توان گفت که این مجموعه کاملترین مباحث مربوط به آنتن های موج نشتی موجبری یا Waveguide Leaky Wave Antenna را به زبان فارسی شامل می شود. کدهای MATLAB به همراه فایل شبیه سازی HFSS نیز به همراه گزارش کامل پیوست شده است. برای دانلود کافی است بر روی "دانلود فایل" در زیر کلیک کنید.

دانلود فایل