Get a site

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب دانشکده تحصیلات تکمیلی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc” مهندسی برق- مخابرات
عنوان :
تحلیل و طراحی آنتن هوشمند آرایه فازی مسطح در فرکانس باند X با بهرهdB30

بهمن۸۷

دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب دانشکده تحصیلات تکمیلی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc” مهندسی برق- مخابرات
عنوان :
تحلیل و طراحی آنتن هوشمند آرایه فازی مسطح در فرکانس باند X با بهرهdB30
نگارش :
محبوبه حاجی پور
امضاء هیات داوران پروژه :

  • استاد راهنما : دکترفرخ حجت کاشانی
  • هیئت ژوری: دکتر هوشنگ امین اللهی
  • هیئت ژوری : دکتر منصور شیخان
  • مدیر گروه : دکترصدیقه 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  
چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………………………..۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………۲ فصل اول:کلیات……………………………………………………………………………………………………………………………۴ ۱- ۱- هدف…………………………………………………………………………………………………………………………………..۵
۱- ۲-                        پیشینه تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………..۵

  • ۳- روش کار و تحقیق……………………………………………………………………………………………………………..۶ فصل دوم: آنتن ……………………………………………………………………………………………………………………………۷ ۲- ۱- تعریف آنتن ………………………………………………………………………………………………………………………۸
  • ۲- پارامتر های آنتن……………………………………………………………………………………………………………….۸

۲- ۲- ۱- بهره آنتن………………………………………………………………………………………………………………….۸
۲- ۲- ۲- دایر کتیویته آنتن …………………………………………………………………………………………………..۹
۲- ۲- ۳- سطح موثر دریافت ………………………………………………………………………………………………….۹
۲- ۲- ۴- تطبیق آنتن……………………………………………………………………………………………………………۱۰
۲- ۲- ۵- پهنای باند……………………………………………………………………………………………………………..۱۰
۲- ۲- ۶- پترن آنتن……………………………………………………………………………………………………………..۱۱
۲- ۲-۶- الف- پهنای شعاع اصلی……………………………………………………………………………۱۲
ه
۲- ۲- ۶- ب – ارتفاع پره های کناری………………………………………………………………………..۱۲
۲- ۲-۷- امپدانس آنتن …………………………………………………………………………………………………..۱۳
۲- ۲-۸- پلاریزاسیون ……………………………………………………………………………………………………..۱۵
۲- ۳- آنتنهای آرایه ای…………………………………………………………………………………………………………….۱۹
۲- ۳- ۱- آرایه های خطی………………………………………………………………………………………………۱۹
۲- ۳- ۱- الف-آرایه های دو عنصری متشکل از منابع نقطه ای یکسانگرد   ………..۲۱
۲- ۳- ۱-ب- آرایه های N عنصری با فاصله گذاری و دامنه یکنواخت…………………..۲۳
۲- ۳- ۲- آرایه خطی پهلو آتش……………………………………………………………………………………..۲۷
۲- ۳- ۳- آرایه خطی سر آتش……………………………………………………………………………………….۳۰
۲- ۳- ۴- پویش تابه اصلی آرایه…………………………………………………………………………………….۳۲
۲- ۳- ۵- سمتگرائی آرایه خطی……………………………………………………………………………………۳۵
۲- ۳- ۵- الف- سمتگرائی آرایه پهلو آتش………………………………………………………………۳۵
۲- ۳- ۵- ب- سمتگرائی آرایه سر آتش………………………………………………………………….۳۷
۲- ۳- ۶- آرایه های مسطح…………………………………………………………………………………………..۳۹
۲- ۳- ۶- الف- ضریب آرایه……………………………………………………………………………………..۴۰
۲- ۳- ۶- ب- سمتگرائی آرایه های مسطح……………………………………………………………..۴۱

  • ۴- پرتو سازی به روش دیجیتالی……………………………………………………………………………………….۴۵

و

فصل سوم:معرفی آنتنهای میکرواستریپ…………………………………………………………………………………..۴۹ ۳- ۱- تاریخچه……………………………………………………………………………………………………………………………۵۰

  • ۲- تعریف آنتن میکرواستریپ………………………………………………………………………………………………۵۰

۳- ۳- مکانیسم تشعشع در آنتنهای میکرواستریپ………………………………………………………………….۵۳
۳- ۴- انواع آنتنهای میکرواستریپ………………………………………………………………………………………….۵۵
۳- ۴- ۱- آنتنهای پچ میکرواستریپ………………………………………………………………………………۵۵
۳- ۴- ۲- آنتنهای دایپل میکرواستریپ………………………………………………………………………….۵۶
۳- ۴- ۳- آنتنهای شیاردار چاپی…………………………………………………………………………………….۵۶
۳- ۴- ۴- آنتنهای میکرواستریپ موج رونده………………………………………………………………….۵۶
۳- ۵- مدلها و تکنیکهای تغذیه………………………………………………………………………………………………..۵۹
۳- ۵- ۱-تغذیه کواکسیال………………………………………………………………………………………………۶۰
۳- ۵- ۲- تغذیه های میکرواستریپ……………………………………………………………………………..۶۳
۳- ۵- ۲- الف- تغذیه با خطوط میکرواستریپ……………………………………………………….۶۴
۳- ۵- ۲- ب- تغذیه با تزویج مجاورتی…………………………………………………………………..۶۶
۳- ۵- ۲- پ- خط تغذیه میکرواستریپ با تزویج روزنه ای……………………………………۶۷
۳- ۶-مزایا و معایب آنتنهای میکرواستریپ…………………………………………………………………………….۷۰
۳- ۷- بعضی از کاربردهای آنتنهای میکرواستریپ…………………………………………………………………۷۲
ز
۳- ۸- پچ مستطیلی…………………………………………………………………………………………………………………..۷۳
۳- ۸- ۱- مدلهای ریاضی پچ های میکرواستریپ مستطیلی………………………………………….۷۳
۳- ۸- ۲- مدل خط انتقال………………………………………………………………………………………………۷۴
۳- ۸- ۳- پارامترهای خط………………………………………………………………………………………………۷۶
۳- ۸- ۴- محاسبه ادمیتانس خودی………………………………………………………………………………۷۷
۳- ۸- ۵- ادمیتانس متقابل……………………………………………………………………………………………۷۸
۳- ۹- محاسن و معایب مدل خط انتقال…………………………………………………………………………………۸۰
۳- ۱۰- بررسی پارامترهای مختلف پچ مستطیلی ………………………………………………………………….۸۱
۳- ۱۰- ۱- تĤثیر پهنای آنتن……………………………………………………………………………………………۸۱
۳- ۱۰- ۲- تĤثیر ضخامت زیر لایه………………………………………………………………………………….۸۲
۳- ۱۰- ۳- تĤثیر ضریب دی الکتریک و تانژانت تلفات زیر لایه……………………………………..۸۲
۳- ۱۰- ۴- تĤثیر زمین محدود در آنتن میکرواستریپ………………………………………………….۸۳

  • ۱۱- فرایند طراحی آنتن پچ مستطیلی………………………………………………………………………………۸۳ فصل چهارم: طراحی آنتن آرایه فازی صفحه ای با بهرهdB30……………………………………………..86
  • ۱- طراحی المانهای آنتن…………………………………………………………………………………………………….۸۶

۴- ۱- ۱- طراحی آنتن در حالت المانهای ایزوتروپ……………………………………………………………۸۷
۴- ۱- ۲- طراحی آنتن در حالت المانهای میکرواستریپ در فرکانس باند X……………………..87
۴- ۲- طراحی آنتن آرایه فازی………………………………………………………………………………………………….۸۹
ح
۴- ۳- طراحی سخت افزار گیرنده…………………………………………………………………………………………….۸۹
۴- ۴- پردازش سیگنال دریافتی از آنتن…………………………………………………………………………………..۹۷
۴- ۵- آشکارسازی هدف………………………………………………………………………………………………………….۱۰۱ فصل پنجم:نتایج . پیشنهادات………………………………………………………………………………………………..۱۰۸ نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………۱۰۹ پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………………………………..۱۰۹ پیوست……………………………………………………………………………………………………………………………………۱۱۰
منابع و مĤخذ…………………………………………………………………………………………………………………………۱۲۰ چکیده انگلیسی …………………………………………………………………………………………………………………..۱۲۲
ط
فهرست اشکال
٢-١-نمونه ساده ای از یک پترن تشعشعی………………………………………………………………………….۱۱
۲- ۲- نمونه هایی ازپترنهای تشعشعی……………………………………………………………………………………..۱۳
۲- ۳- پلاریزاسیون آنتن……………………………………………………………………………………………………………۱۵
۲- ۴- مکان هندسی میدان الکتریکی یک موج با پلاریزاسیون بیضوی………………………………….۱۶
۲- ۵- شکل هندسی آرایه دو عنصر در امتداد محور Z……………………………………………………………22
۲- ۶- پترن حاصل از یک آنتن آرایه ای…………………………………………………………………………………..۲۳
۲- ۷- شکل هندسی شامل یکN عنصر در امتداد محور Z…………………………………………………….24
۲- ۸- ضریب آرایه خطی عنصری……………………………………………………………………………………………۲۵
۲- ۹- ضریب آرایه خطی و مختصات خطی ……………………………………………………………………………۲۷
۲- ۱۰- پترن سه بعدی برای آرائه پهلو آتش و سرآتش………………………………………………………….۲۹
۲- ۱۱- پترن دو بعدی آرائه ده عنصری با دامنه یکنواخت در حالت پهلو آتش…………………….۳۰
۲- ۱۲- پترن آرایه ده عنصری در حالت سر آتش…………………………………………………………………..۳۱
۲- ۱۳- پترن دو بعدی آرایه   ده عنصری یکنواخت در حالت سر آتش………………………………..۳۲
۲- ۱۴- پویش پترن آرایه ده عنصری با دامنه یکنواخت……………………………………………………….۳۴
۲- ۱۵- شکل هندسی آرایه خطی و مسطح……………………………………………………………………………۴۱
۲- ۱۶- پترن سه بعدی آرایه مسطح ۵× ۵ عنصری………………………………………………………………۴۳

  • ۱۷- ساختار آنتن هوشمند فازی………………………………………………………………………………………..۴۶
  • ۱- شکل کلی آنتن میکرو استریپ……………………………………………………………………………………۵۱

۳- ۲- مدل پج تحریک شده……………………………………………………………………………………………………۵۳
۳- ۳- اشکال مختلف پچ ………………………………………………………………………………………………………..۵۵
۳- ۴- آنتن دایپل با تغذیه مجاورتی ……………………………………………………………………………………..۵۷
۳- ۵- ساختار کلی آنتن های موج سیار………………………………………………………………………………..۵۸
۳- ۶- تغذیه پروپ …………………………………………………………………………………………………………………۶۳
۳- ۷- مدل خط انتقال برای تغذیه کواکسیال………………………………………………………………………۶۴
۳- ۸- تغیه از لبه و مدل خط انتقال معادل آن…………………………………………………………………….۶۵
۳- ۹- نمایش میدان مغناطیسی در مرز پچ ………………………………………………………………………….۶۵
۳- ۱۰- تغذیه از لبه و سه مدل توزیع جریان در آنها……………………………………………………………….۶۶
ی
۳- ۱۱- تغذیه مجاورتی و مد ل خط انتقال آن…………………………………………………………………………۶۷
۳- ۱۲- تغذیه تزویج روزنه ای و مدل خط انتقال آن ……………………………………………………………..۶۹

  • ۱۳- مدل خط انتقال ساده…………………………………………………………………………………………………..۷۴
  • ۱- سخت افزار آنتن آرایه ای ۱۲۱ عنصری در فرکانس باند X…………………………………………..86

۴- ۲- نمایش آنتن آرایه ای ۱۱× ۱۱ عنصری شبیه سازی شده با نرم افزار FEKO………………89
۴- ۳-  پترن حاصل از آرایه ۱۱×۱۱ عنصری با زاویه اسکن o3=oϕo=o,θدرجه……………. ۹۱
۴- ۴- ) تغییر فاز لازم برای هر عنصر انتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری با فرض ماکزیمم پترن در جهت
۹۲٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫ϕo =o,θo =3oo
۴- ۵- نمای دوبعدی در مختصات قطبی از حرکت پرتوی آنتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری در چند نقطه…….۹۳
۴- ۶- ۶ نمای دوبعدی از حرکت پرتوی آنتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری در چند نقطه حرکت…………………۹۴
۴- ۷- آنتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری با بهره ۳۰dB در زاویه o=oϕo=o,θ…………………………………۹۵
۴- ۸- پترن آنتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری با بهره ۳۰db در زاویه oo2=oϕo=oo,θ……………………….۹۶
۴- ۹- پترن آنتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری با بهره ۳۰dB طراحی شده در زاویه oo1=oϕo= 3oo,θ……….۹۶
۴- ۱۰- پترن آنتن آرایه ای ۱۱×۱۱ عنصری با بهره ۳۰dB در زاویه o15−=oϕo=oo,θ………………۹۷
۴- ۱۱- : تغبیر فازهای اعمال به سیگنال دریافتی از عناصر آنتن۱۱×۱۱ عنصری بافرض
۱۰۱٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫٫αY =و αX =
۴- ۱۲- حرکت هدف به سمت رادار به صورت تصادفی…………………………………………………………۱۰۳
۴- ۱۳- آشکار سازی هدف در شکل ۴-۱۲- توسط رادار……………………………………………………..۱۰۴
۴- ۱۴- حرکت هدف به سمت رادار به صورت تصادفی………………………………………………………..۱۰۴
۴- ۱۵- کار سازی هدف در شکل ۴- ۱۴- توسط رادار…………………………………………………………..۱۰۵
۴- ۱۶- حرکت هدف به سمت رادار به صورت تصادفی………………………………………………………..۱۰۶
۴- ۱۷- کار سازی هدف در شکل ۴-۱۶- توسط رادار…………………………………………………………۱۰۷
ک
فهرست جداول
۳- ۱- مشخصات مهم سه نوع آنتن میکرو استریپ………………………………………………………………..۵۹
۳- ۲- مقایسه مشخصات روش های مختلف تغذیه آنتنهای میکرواستریپ……………………………….۷۰
ل

چکیده:  
سیستم آنتن هوشمند شامل تکنیکهای گسترده ای است که موجب تقویت سیگنال دریافتی، تضعیف همه 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 که در دسترس می باشند. آنها مجموعه ای از آنتن ها می باشند که فاز نسبی سیگنال هایی که آنها را تغذیه می کند 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 که امواج رادیویی از درون ابرها و اغلب موادی که مانع سیستم های ارتباطی نوری می شوند، عبور می کند که منجر به این شد که مهندسین از آرایه های فازی در رادارها استفاده کنند.
رادارهای آرایه فازی در طیف وسیعی از جمله :

  • رادارهای هواشناسی
  • نصب بر روی جنگنده ها
  • ناوها
  • رادارهای رهگیری موشکهای بالستیکی   کاربرد دارند.

بنابراین یک مدل پایه برای طراحی شیفت دهنده های فاز المانهای آرایه و همچنین شکل دهی مناسب پرتو برای آنتن و الگوریتم های وفقی که در حال حاضر برای پردازش آرایه به کار می روند را طراحی می کنیم.
مقدمه:  
اخیراً آنتنهای هوشمند برای افزایش کارایی سیستمهای رادیویی بی سیم بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این سیستمهای آنتن شامل تکنیکهای گسترده ای است که موجب تقویت سیگنال دریافتی، تضعیف همه سیگنالهای تداخلی و افزایش ظرفیت به صورت عمده می شود.
یک آنتن هوشمند متشکل از آرایه آنتن است که با پردازش سیگنال در حوزه زمان و مکان 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 متمرکز 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 کنند که عملکرد سیستم بهینه بماند. نحوه شکل گیری پرتو همواره به گونه ایست که کاربرها با گلبرگ اصلی و تداخل ها با صفرهای نمونه دنبال می شوند بدین ترتیب، دریافت سیگنال حداکثر 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 نحوه اسکن پترن تشعشعی می باشد. در این نوع رادارها با بهره گرفتن از بخش Beam former امکان اسکن پترن تشعشعی در هر جهت به صورت الکترونیکی به وجود می آید.
اصطلاح Beam forming یا Digital Beam Forming به یک روند پردازش اتلاق می شود که سیگنالهای آنتن را دریافت و با پردازش بر نمونه برداریهای انجام شده از امواج الکترومغناطیسی در هر المان آرایه ای یک دسته از بیم ها را که در فضا به صورت متفاوت جهت دار شده اند پراکنده می کند. 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 کمتر و بازدهی بالاتر نسبت به آنتنهای دیگر و کاربرد 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 کاربرد آن ها وجود دارد.
یکی از کاربردهای آنتنهای آرایه ای در رادارهای آرایه فازی می باشد که مطالعات وسیعی در این جهت انجام شده است. یکی از اهداف این مقاله هم طراحی آنتن های آرایه فازی می باشد که ساختار آرایه های آن مسطح می باشد.
با توجه به این که این رادارها باید در هر لحظه هدف را دیگری کنند در اینجا سعی شده است تمام شرایطی که این رادارها با بهره مشخص شده باید داشته باشند را مد نظر بگیریم.
به علت مزیت آنتنهای پچ میکرواستریپ 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 که ذکر شد تحقیقات وسیعی در زمینه آنتنهای آرایه ای انجام گرفته است و از این آنتنها سال ها در جنگ های الکترونیک استفاده می شده است، اولین استفاده عملی از آن به جنگ جهانی دوم (۰۴۹۱) بر می گردد.
در منابع نظامی نیاز است که یک هدف را که با سرعت زیاد حرکت می کند، ردیابی کنند از آنجا که ثابت زمانی گردش مکانیکی آنتن به علت اینرسی زیاد آن ، خیلی زیاد است سرعت ردیابی بسیار کند می شود. در نتیجه، این ایده مطرح شد که فضا را با چرخش الکترونیکی راستای دید آنتن جاروب کنند.
روش کار و تحقیق :
در این تحقیق یک بهره مشخص کرده و بر طبق آن تعداد عناصر لازمه برای ساخت آنتن آرایه ای مسطح با چنین بهره ای را مشخص می کنیم. سپس نوع عناصر را با توجه به شکل پترن، بهره آنها و همچنین سادگی جهت ساخت آنتن مشخص می کنیم.
پس با بهره گرفتن از نرم افزار مطلب، قسمت پردازنده آن را طراحی کرده تا بتوان پترن آنتن را به چرخش در بیاوریم و در نهایت با نرم افزار FEKO آنتن را شبیه سازی می کنیم و چرخش پترن آنتن را با نتایج بدست آمده از شبیه سازی مشاهده می کنیم.

تعداد صفحه : ۱۳۴
قیمت : 14700 تومان

 

—-

پشتیبانی سایت :       

*         [email protected]

[add_to_cart id=144473]

—-

پشتیبانی سایت :       

*        


0 Comments

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.