پایان نامه ارشد مهندسی برق مخابرات: تحلیل و طراحی آنتن هوشمند آرایه فازی مسطح

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب دانشكده تحصیلات تكمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه كارشناسی ارشد “M.Sc” مهندسی برق- مخابرات

عنوان :

تحلیل و طراحی آنتن هوشمند آرایه فازی مسطح در فركانس باند X با بهرهdB30

بهمن87

دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب دانشكده تحصیلات تكمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه كارشناسی ارشد “M.Sc” مهندسی برق- مخابرات

عنوان :

تحلیل و طراحی آنتن هوشمند آرایه فازی مسطح در فركانس باند X با بهرهdB30

نگارش :

محبوبه حاجی پور

امضاء هیات داوران پروژه :

• استاد راهنما : دكترفرخ حجت كاشانی
• هیئت ژوری: دكتر هوشنگ امین اللهی
• هیئت ژوری : دكتر منصور شیخان
• مدیر گروه : دكترصدیقه غفرانی

ISLAMIC AZAD UNIVERSITY

SOUTH OF TEHRAN BRANCH

FACULTY OF GRADUATE STUDIES

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEEIRING

“M.Sc” THESIS

ON TELECOMMUNICATION

SUBJECT:

Design and Analysis of Planner Phase Array Smart Antenna in X

Band With 30dB Efficiency

THESIS ADVISOR:

F.Hojat Kashani Ph.D

BY:

M.HAJIPOUR

January 2009

د

فهرست مطالب  

چكیده…………………………………………………………………………………………………………………………………………..1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………2 فصل اول:كلیات……………………………………………………………………………………………………………………………4 1- 1- هدف…………………………………………………………………………………………………………………………………..5

1- 2-                        پیشینه تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………..5

• 3- روش كار و تحقیق……………………………………………………………………………………………………………..6 فصل دوم: آنتن ……………………………………………………………………………………………………………………………7 2- 1- تعریف آنتن ………………………………………………………………………………………………………………………8
• 2- پارامتر های آنتن……………………………………………………………………………………………………………….8

2- 2- 1- بهره آنتن………………………………………………………………………………………………………………….8

2- 2- 2- دایر كتیویته آنتن …………………………………………………………………………………………………..9

2- 2- 3- سطح موثر دریافت ………………………………………………………………………………………………….9

2- 2- 4- تطبیق آنتن……………………………………………………………………………………………………………10

2- 2- 5- پهنای باند……………………………………………………………………………………………………………..10

2- 2- 6- پترن آنتن……………………………………………………………………………………………………………..11

       2- 2-6- الف- پهنای شعاع اصلی……………………………………………………………………………12  

ه

     2- 2- 6- ب – ارتفاع پره های كناری………………………………………………………………………..12  

     2- 2-7- امپدانس آنتن …………………………………………………………………………………………………..13

     2- 2-8- پلاریزاسیون ……………………………………………………………………………………………………..15

2- 3- آنتنهای آرایه ای…………………………………………………………………………………………………………….19

   2- 3- 1- آرایه های خطی………………………………………………………………………………………………19

     2- 3- 1- الف-آرایه های دو عنصری متشكل از منابع نقطه ای یكسانگرد   ………..21

     2- 3- 1-ب- آرایه های N عنصری با فاصله گذاری و دامنه یكنواخت…………………..23

   2- 3- 2- آرایه خطی پهلو آتش……………………………………………………………………………………..27

   2- 3- 3- آرایه خطی سر آتش……………………………………………………………………………………….30

   2- 3- 4- پویش تابه اصلی آرایه…………………………………………………………………………………….32

   2- 3- 5- سمتگرائی آرایه خطی……………………………………………………………………………………35

     2- 3- 5- الف- سمتگرائی آرایه پهلو آتش………………………………………………………………35

     2- 3- 5- ب- سمتگرائی آرایه سر آتش………………………………………………………………….37

   2- 3- 6- آرایه های مسطح…………………………………………………………………………………………..39

     2- 3- 6- الف- ضریب آرایه……………………………………………………………………………………..40

     2- 3- 6- ب- سمتگرائی آرایه های مسطح……………………………………………………………..41

• 4- پرتو سازی به روش دیجیتالی……………………………………………………………………………………….45

و

فصل سوم:معرفی آنتنهای میكرواستریپ…………………………………………………………………………………..49 3- 1- تاریخچه……………………………………………………………………………………………………………………………50

• 2- تعریف آنتن میكرواستریپ………………………………………………………………………………………………50

3- 3- مكانیسم تشعشع در آنتنهای میكرواستریپ………………………………………………………………….53

3- 4- انواع آنتنهای میكرواستریپ………………………………………………………………………………………….55

   3- 4- 1- آنتنهای پچ میكرواستریپ………………………………………………………………………………55

3- 4- 2- آنتنهای دایپل میكرواستریپ………………………………………………………………………….56

3- 4- 3- آنتنهای شیاردار چاپی…………………………………………………………………………………….56

3- 4- 4- آنتنهای میكرواستریپ موج رونده………………………………………………………………….56

3- 5- مدلها و تكنیكهای تغذیه………………………………………………………………………………………………..59

   3- 5- 1-تغذیه كواكسیال………………………………………………………………………………………………60

   3- 5- 2- تغذیه های میكرواستریپ……………………………………………………………………………..63

     3- 5- 2- الف- تغذیه با خطوط میكرواستریپ……………………………………………………….64

     3- 5- 2- ب- تغذیه با تزویج مجاورتی…………………………………………………………………..66

     3- 5- 2- پ- خط تغذیه میكرواستریپ با تزویج روزنه ای……………………………………67

3- 6-مزایا و معایب آنتنهای میكرواستریپ…………………………………………………………………………….70

3- 7- بعضی از كاربردهای آنتنهای میكرواستریپ…………………………………………………………………72

ز

3- 8- پچ مستطیلی…………………………………………………………………………………………………………………..73

   3- 8- 1- مدلهای ریاضی پچ های میكرواستریپ مستطیلی………………………………………….73

   3- 8- 2- مدل خط انتقال………………………………………………………………………………………………74

   3- 8- 3- پارامترهای خط………………………………………………………………………………………………76

   3- 8- 4- محاسبه ادمیتانس خودی………………………………………………………………………………77

   3- 8- 5- ادمیتانس متقابل……………………………………………………………………………………………78

3- 9- محاسن و معایب مدل خط انتقال…………………………………………………………………………………80

3- 10- بررسی پارامترهای مختلف پچ مستطیلی ………………………………………………………………….81

       3- 10- 1- تĤثیر پهنای آنتن……………………………………………………………………………………………81

   3- 10- 2- تĤثیر ضخامت زیر لایه………………………………………………………………………………….82

   3- 10- 3- تĤثیر ضریب دی الكتریک و تانژانت تلفات زیر لایه……………………………………..82

   3- 10- 4- تĤثیر زمین محدود در آنتن میكرواستریپ………………………………………………….83

• 11- فرایند طراحی آنتن پچ مستطیلی………………………………………………………………………………83 فصل چهارم: طراحی آنتن آرایه فازی صفحه ای با بهرهdB30……………………………………………..86
• 1- طراحی المانهای آنتن…………………………………………………………………………………………………….86

4- 1- 1- طراحی آنتن در حالت المانهای ایزوتروپ……………………………………………………………87

4- 1- 2- طراحی آنتن در حالت المانهای میكرواستریپ در فركانس باند X……………………..87

4- 2- طراحی آنتن آرایه فازی………………………………………………………………………………………………….89

ح

4- 3- طراحی سخت افزار گیرنده…………………………………………………………………………………………….89

4- 4- پردازش سیگنال دریافتی از آنتن…………………………………………………………………………………..97

4- 5- آشكارسازی هدف………………………………………………………………………………………………………….101 فصل پنجم:نتایج . پیشنهادات………………………………………………………………………………………………..108 نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………109 پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………………………………..109 پیوست……………………………………………………………………………………………………………………………………110

منابع و مĤخذ…………………………………………………………………………………………………………………………120 چكیده انگلیسی …………………………………………………………………………………………………………………..122

ط

فهرست اشكال

٢-١-نمونه ساده ای از یک پترن تشعشعی………………………………………………………………………….11

2- 2- نمونه هایی ازپترنهای تشعشعی……………………………………………………………………………………..13

2- 3- پلاریزاسیون آنتن……………………………………………………………………………………………………………15

2- 4- مكان هندسی میدان الكتریكی یک موج با پلاریزاسیون بیضوی………………………………….16

2- 5- شكل هندسی آرایه دو عنصر در امتداد محور Z……………………………………………………………22

2- 6- پترن حاصل از یک آنتن آرایه ای…………………………………………………………………………………..23

2- 7- شكل هندسی شامل یكN عنصر در امتداد محور Z…………………………………………………….24

2- 8- ضریب آرایه خطی عنصری……………………………………………………………………………………………25

2- 9- ضریب آرایه خطی و مختصات خطی ……………………………………………………………………………27

2- 10- پترن سه بعدی برای آرائه پهلو آتش و سرآتش………………………………………………………….29

2- 11- پترن دو بعدی آرائه ده عنصری با دامنه یكنواخت در حالت پهلو آتش…………………….30

2- 12- پترن آرایه ده عنصری در حالت سر آتش…………………………………………………………………..31

2- 13- پترن دو بعدی آرایه   ده عنصری یكنواخت در حالت سر آتش………………………………..32

2- 14- پویش پترن آرایه ده عنصری با دامنه یكنواخت……………………………………………………….34

2- 15- شكل هندسی آرایه خطی و مسطح……………………………………………………………………………41

2- 16- پترن سه بعدی آرایه مسطح 5× 5 عنصری………………………………………………………………43

• 17- ساختار آنتن هوشمند فازی………………………………………………………………………………………..46
• 1- شكل كلی آنتن میكرو استریپ……………………………………………………………………………………51

3- 2- مدل پج تحریک شده……………………………………………………………………………………………………53

3- 3- اشكال مختلف پچ ………………………………………………………………………………………………………..55

3- 4- آنتن دایپل با تغذیه مجاورتی ……………………………………………………………………………………..57

3- 5- ساختار كلی آنتن های موج سیار………………………………………………………………………………..58

3- 6- تغذیه پروپ …………………………………………………………………………………………………………………63

3- 7- مدل خط انتقال برای تغذیه كواكسیال………………………………………………………………………64

3- 8- تغیه از لبه و مدل خط انتقال معادل آن…………………………………………………………………….65

3- 9- نمایش میدان مغناطیسی در مرز پچ ………………………………………………………………………….65

3- 10- تغذیه از لبه و سه مدل توزیع جریان در آنها……………………………………………………………….66

ی

3- 11- تغذیه مجاورتی و مد ل خط انتقال آن…………………………………………………………………………67

3- 12- تغذیه تزویج روزنه ای و مدل خط انتقال آن ……………………………………………………………..69

• 13- مدل خط انتقال ساده…………………………………………………………………………………………………..74
• 1- سخت افزار آنتن آرایه ای 121 عنصری در فركانس باند X…………………………………………..86

4- 2- نمایش آنتن آرایه ای 11× 11 عنصری شبیه سازی شده با نرم افزار FEKO………………89

4- 3-  پترن حاصل از آرایه 11×11 عنصری با زاویه اسكن ^o3=oϕo=o,θدرجه……………. 91

4- 4- ) تغییر فاز لازم برای هر عنصر انتن آرایه ای 11×11 عنصری با فرض ماكزیمم پترن در جهت

92…………………………………………………………………………………………………………………………………………..ϕ_o =o,θ_o =3o^o

4- 5- نمای دوبعدی در مختصات قطبی از حركت پرتوی آنتن آرایه ای 11×11 عنصری در چند نقطه…….93

4- 6- 6 نمای دوبعدی از حركت پرتوی آنتن آرایه ای 11×11 عنصری در چند نقطه حركت…………………94

4- 7- آنتن آرایه ای 11×11 عنصری با بهره 30dB در زاویه ^o=oϕo=o,θ…………………………………95

4- 8- پترن آنتن آرایه ای 11×11 عنصری با بهره 30db در زاویه ^oo2=oϕo=o^o,θ……………………….96

4- 9- پترن آنتن آرایه ای 11×11 عنصری با بهره 30dB طراحی شده در زاویه ^oo1=oϕo= 3o^o,θ……….96

4- 10- پترن آنتن آرایه ای 11×11 عنصری با بهره 30dB در زاویه ^o15−=oϕo=o^o,θ………………97

4- 11- : تغبیر فازهای اعمال به سیگنال دریافتی از عناصر آنتن11×11 عنصری بافرض

   101………………………………………………………………………………………………………….α_Y =و α_X =

4- 12- حركت هدف به سمت رادار به صورت تصادفی…………………………………………………………103

4- 13- آشكار سازی هدف در شكل 4-12- توسط رادار……………………………………………………..104

4- 14- حركت هدف به سمت رادار به صورت تصادفی………………………………………………………..104

4- 15- كار سازی هدف در شكل 4- 14- توسط رادار…………………………………………………………..105

4- 16- حركت هدف به سمت رادار به صورت تصادفی………………………………………………………..106

4- 17- كار سازی هدف در شكل 4-16- توسط رادار…………………………………………………………107

ك

فهرست جداول

3- 1- مشخصات مهم سه نوع آنتن میكرو استریپ………………………………………………………………..59

3- 2- مقایسه مشخصات روش های مختلف تغذیه آنتنهای میكرواستریپ……………………………….70  

ل

چكیده:  

سیستم آنتن هوشمند شامل تكنیكهای گسترده ای است كه موجب تقویت سیگنال دریافتی، تضعیف همة سیگنالهای تداخلی و افزایش ظرفیت به طور عمده می شود. در این مقاله به طراحی آنتن هوشمند آرایه فازی می پردازیم. آرایه های فازی بیش از یک قرن است كه در دسترس می باشند. آنها مجموعه ای از آنتن ها می باشند كه فاز نسبی سیگنال هایی كه آنها را تغذیه می كند با هم اختلاف دارند، در نتیجه الگوی پرتو افشانی موثر این آرایه در جهات خاص هدایت شده و در جهات غیر دلخواه وتوقف می شود. این حقیقت كه امواج رادیویی از درون ابرها و اغلب موادی كه مانع سیستم های ارتباطی نوری می شوند، عبور می كند كه منجر به این شد كه مهندسین از آرایه های فازی در رادارها استفاده كنند.

رادارهای آرایه فازی در طیف وسیعی از جمله :  

• رادارهای هواشناسی  
• نصب بر روی جنگنده ها  
• ناوها  
• رادارهای رهگیری موشكهای بالستیكی   كاربرد دارند.

بنابراین یک مدل پایه برای طراحی شیفت دهنده های فاز المانهای آرایه و همچنین شكل دهی مناسب پرتو برای آنتن و الگوریتم های وفقی كه در حال حاضر برای پردازش آرایه به كار می روند را طراحی می كنیم.  

مقدمه:  

اخیراً آنتنهای هوشمند برای افزایش كارایی سیستمهای رادیویی بی سیم بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این سیستمهای آنتن شامل تكنیكهای گسترده ای است كه موجب تقویت سیگنال دریافتی، تضعیف همة سیگنالهای تداخلی و افزایش ظرفیت به صورت عمده می شود.  

یک آنتن هوشمند متشكل از آرایة آنتن است كه با پردازش سیگنال در حوزه زمان و مكان همراه می شود. به عبارت دیگر، چنین سیستمی می تواند به صورت اتوماتیک جهت الگوی تشعشعی را در پاسخ به محیط سیگنال تغییر دهد. این مسئله به طرز شگفت انگیزی مشخصه سیستم بی سیم را بهبود می بخشد. در این پایان نامه بر آنتنهای هوشمند از نوع آرایه های فازی وفقی متمركز می شویم. آنتنهای آرایه تطبیقی در حال حاضر پیشرفته ترین سیستم آنتن هوشمند محسوب می شوند با بهره گرفتن از الگوریتم پردازش سیگنال جدید، این آنتنها پرتو خود را در هر لحظه، با توجه به موقعیت سیگنال مورد نظر و سیگنال تداخلی، به گونه ای تنظیم می كنند كه عملكرد سیستم بهینه بماند. نحوة شكل گیری پرتو همواره به گونه ایست كه كاربرها با گلبرگ اصلی و تداخل ها با صفرهای نمونه دنبال می شوند بدین ترتیب، دریافت سیگنال حداكثر بوده و تداخل هان به حداقل می رسند.  

به عنوان مثال رادارهای آرایه فازی از جدیدترین و پیشرفته ترین نوع رادارهای نظامی و صنعتی می باشد. اساسی ترین تفاوت رادارهای phase array با رادارهای متداول نسل گذشته نحوة اسكن پترن تشعشعی می باشد. در این نوع رادارها با بهره گرفتن از بخش Beam former امكان اسكن پترن تشعشعی در هر جهت به صورت الكترونیكی به وجود می آید.

اصطلاح Beam forming یا Digital Beam Forming به یک روند پردازش اتلاق می شود كه سیگنالهای آنتن را دریافت و با پردازش بر نمونه برداریهای انجام شده از امواج الكترومغناطیسی در هر المان آرایه ای یک دسته از بیم ها را كه در فضا به صورت متفاوت جهت دار شده اند پراكنده می كند. در اجرای این پروژه فاز مطالعاتی بر اساس شبیه سازی الگوریتم وقتی جهت چرخش بیم بانسبت سیگنال به نویز ثابت می باشد و در نهایت به صورت روش های پیشنهادی ریاضی و محاسباتی جهت طراحی و اجراء ارائه می باشد.  

هدف:

با توجه به مزایای آنتنهای آرایه ای از قبیل حجم كمتر و بازدهی بالاتر نسبت به آنتنهای دیگر و كاربرد گسترده آنها در صنایع نظامی از این رو در سالیان اخیر تحقیقات گسترده ای در ساخت انواع مختلف آنتنهای آرایه ای صورت گرفته است و در حال حاضر تنوع بسیار زیادی از نظر ساختمان و نوع كاربرد آن ها وجود دارد.

یكی از كاربردهای آنتنهای آرایه ای در رادارهای آرایه فازی می باشد كه مطالعات وسیعی در این جهت انجام شده است. یكی از اهداف این مقاله هم طراحی آنتن های آرایه فازی می باشد كه ساختار آرایه های آن مسطح می باشد.

با توجه به این كه این رادارها باید در هر لحظه هدف را دیگری كنند در اینجا سعی شده است تمام شرایطی كه این رادارها با بهره مشخص شده باید داشته باشند را مد نظر بگیریم.

به علت مزیت آنتنهای پچ میكرواستریپ هزینه ساخت، سادگی و نوع پترن آنها، آرایه های آنتن را از این نوع در نظر گرفته ایم و بعد از آن، چرخش پترن آنتن را از طریق تغییر فاز بین آرایه ها در فضا مورد مطالعه قرار می دهیم.

پیشینه تحقیق :

همانطور كه ذكر شد تحقیقات وسیعی در زمینه آنتنهای آرایه ای انجام گرفته است و از این آنتنها سال ها در جنگ های الكترونیک استفاده می شده است، اولین استفاده عملی از آن به جنگ جهانی دوم (0491) بر می گردد.

در منابع نظامی نیاز است كه یک هدف را كه با سرعت زیاد حركت می كند، ردیابی كنند از آنجا كه ثابت زمانی گردش مكانیكی آنتن به علت اینرسی زیاد آن ، خیلی زیاد است سرعت ردیابی بسیار كند می شود. در نتیجه، این ایده مطرح شد كه فضا را با چرخش الكترونیكی راستای دید آنتن جاروب كنند.

روش كار و تحقیق :

در این تحقیق یک بهره مشخص كرده و بر طبق آن تعداد عناصر لازمه برای ساخت آنتن آرایه ای مسطح با چنین بهره ای را مشخص می كنیم. سپس نوع عناصر را با توجه به شكل پترن، بهره آنها و همچنین سادگی جهت ساخت آنتن مشخص می كنیم.

پس با بهره گرفتن از نرم افزار مطلب، قسمت پردازنده آن را طراحی كرده تا بتوان پترن آنتن را به چرخش در بیاوریم و در نهایت با نرم افزار FEKO آنتن را شبیه سازی می كنیم و چرخش پترن آنتن را با نتایج بدست آمده از شبیه سازی مشاهده می كنیم.