این است که پاسخ فرکانسی ساختاری با این اجزاء با تغییر زاویه تابش، تغییر چندانی نداشته باشد. همچنین، جداسازی باند[۸]، گذر سریع بین دو باند است. با توجه به توضیحات مفصلی که در [۱] داده شده است، برای کاربردهایی با پهنای باند بزرگ، عناصر حلقوی به دلیل پایدار بودن در برابر زاویه تابش و کوچک بودن ابعادشان بر حسب طول موج مناسبترین و عناصر گروه سوم (صفحهایها) نامناسبترین هستند.
۲-۱-۱-۲ ضریب هدایت اجزاء
وقتی یک موج الکترومغناطیسی به سطح انتخابگر فرکانس میتابد جریانهای الکتریکی روی سطح اجزای
هادی القا میشوند. این جریانهای القا شده باعث تشعشع دوباره امواج الکترومغناطیسی از سطح اجزای هادی می شود. سطوح انتخابگر فرکانس بسته به شکل اجزای بکار رفته در ساختارشان، میتوانند به صورت سلف و خازن ذخیره کننده انرژی در یک مدار الکتریکی مدل شوند.
اگر اجزای هادی در ساختار دارای تلفات باشند، عملکرد سطح انتخابگر فرکانس تحت تاثیر قرار میگیرد. همانطوری که در شکل ۲-۴ نشان داده شده است، برای سطح انتخابگر فرکانسی با اجزای حلقوی مربعی، رسانایی جزء هادی با یک مقاومت در مدار معادل مدل می شود. هر چه مقدار این مقاومت افزایش یابد، تضعیف در فرکانس تشدید کاهش مییابد تا جایی که سطح انتخابگر فرکانس خصوصیات انتخاب فرکانسی خود را از دست میدهد. بنابراین انتخاب مواد با رسانایی متفاوت، منجر به سطوح انتخابگر فرکانس متفاوتی میشود.
۲-۱-۱-۳ زیر لایه دی الکتریک
دی الکتریک و صفحه حاوی اجزاء هادی به دو صورت در یک ساختار قرار میگیرند: (الف) سطح انتخابگر فرکانس بین لایه های دی الکتریک قرار داده شود و (ب) زیر لایه دی الکتریک در یک طرف سطح انتخابگر فرکانس قرار داده شود (شکل ۲-۵). مقدار خازن در مدار معادل سطوح انتخابگر فرکانس با ثابت دی الکتریک زیر لایه ها تغییر می کند، در نتیجه فرکانس تشدید Fr تحت تاثیر قرار میگیرد. برای هر دو حالت (الف و ب)، فرکانس تشدید با ضریب کاهش مییابد که ثابت دی الکتریک موثر است. اگر ضخامت لایه های دی الکتریک بیشتر از ۰۵/۰ طول موج الکتریکی محیط باشد، برای حالت (الف) برابر با و برای حالت (ب) برابر با است [۱]. اگر ضخامت زیرلایه کمتر از ۰۵/۰ طول موج الکتریکی محیط شود، تابعی غیرخطی از ضخامت زیرلایه می شود که این باعث حساسیت Fr به ضخامت زیرلایه میگردد.
شکل ۲-۴ تاثیر مقاومت بر عملکرد سطح انتخابگر فرکانس با اجزای حلقوی مربعی، Z0 امپدانس مشخصه خط انتقال است [۲]
شکل ۲-۵ سطح انتخابگر فرکانس (الف) در داخل و (ب) روی لایه دی الکتریک [۲]
۲-۱-۱-۴ زاویه تابش موج مسطح
وقتی موجی به طور مایل به یک سطح انتخابگر فرکانس با نوارهای هادیای که به صورت متناوب با W از هم جدا شده اند، می تابد (شکل ۲-۶). فاصله موثر بین هر دو نوار متوالی (و همینطور پهنای هر نوار) با ضریب cosθ کاهش می یابد [۲]. ابعاد موثر جزء با این تابش، مایل به نظر میرسند و از این رو جریان القایی روی هر نوار نیز متفاوت از زمانی است که موج به طور عمود به سطح میتابد، در نتیجه پاسخ سطح انتخابگر فرکانس تغییر می کند. این تغییر باعث می شود که مقدار سلف و خازن در مدار معادل تابعی از زاویه تابش شود. بنابراین فرکانس تشدید تابعی از θ می شود.
شکل ۲-۶ فاصله طراحی شده بین اجزا با یک سیگنال تابشی مایل [۲]
۲-۱-۲ جلوگیری از لوب ساینده
اگر یک موج مسطح یکنواخت با زاویه η به سطح یک ساختار متناوب یک بعدی با دوره تناوب Dx تابیده شود، جریانهایی روی سطح عناصر هادی القا می شود. در یک آرایه بینهایت، دامنه جریان هر عنصر یکسان است در حالی که تاخیر فازی معادل با sinη Dx β در هر عنصر نسبت به عنصر مجاورش ایجاد میگردد. این جریانها سبب تشعشع میدانهای پراکندگی در جهت جلو (انتقال) و پشت (انعکاس) ساختار میشوند. اگر فاصله بین عناصر کم باشد، تاخیر فاز از یک عنصر به عنصر دیگر بسیار کم است. بنابراین تشعشع میدانهای همه عناصر در یک جهت میباشند. اگر فاصله بین عناصر زیاد باشد، میدانها ممکن است در جهات مشخص دیگری مثل gη مطابق شکل ۲-۷ نیز منتشر شوند که این امواج لوبهای ساینده نامیده میشوند. با در نظر گرفتن لوب ساینده، اختلاف فاز هر عنصر نسبت به عنصر مجاورش به اندازه (gη sin+ sinη)Dx β می شود که در این رابطه =β است که طول موج الکتریکی محیط میباشد. اگر این اختلاف فاز برابر با ضریب صحیحی از π۲ شود، لوب ساینده منتشر می شود که در این حالت زاویه لوب ساینده برابر است با:
(۲-۱)
که در این رابطه c سرعت نور و F فرکانس موج تابشی است. بنابراین زاویه لوب ساینده به دوره تناوب و زاویه تابش وابسته است. در نتیجه برای جلوگیری از تشکیل لوب ساینده دوره تناوب را کوچکتر از نصف طول موج انتخاب میکنیم [۱، ۳].
شکل ۲-۷ انتشار لوب ساینده در جهت gη [۱]
۲-۲ تحریک سطوح انتخابگر فرکانس
هر آرایه متناوب را میتوان به دو روش تحریک کرد: با یک موج مسطح یکنواخت ، همانطوری که در شکل ۲-۸-الف (آرایه غیر فعال) نشان داده شده است و یا با مولدهای متصل شده به هر جزء در ساختار، بصورتی که در شکل ۲-۸-ب (آرایه فعال) نشان داده شده است. در مورد اخیر، بدلیل متناوب بودن ساختار، مولدهای ولتاژ وصل شده به هر جزء باید دامنه یکسان و تغییر فاز خطی در طول آرایه داشته باشند.
در آرایههای غیر فعال، بخشی از موج تابشی در جهت مستقیم منتقل می شود () و بخشی نیز منعکس می شود (). ضریب انعکاس(Γ) و ضریب انتقال (τ) اینگونه تعریف می شوند [۱]:
(۲-۲)
(۲-۳)
۲-۳ آرایه های مکمل
قبل از اینکه به بحث آرایههای مکمل بپردازیم، ساختارهای دیگری را معرفی میکنیم. در این ساختارها به جای استفاده از آرایهای با اجزاء دوقطبی با جریان الکتریکی، میتوان از آرایهای با اجزاء شکاف با جریان مغناطیسی استفاده کرد. همانطور که قبلا اشاره شد، این نوع از آرایهها نیز می توانند به دو صورت فعال و غیر فعال تحریک شوند. تفاوت اساسی بین حالتهای دوقطبی و شکاف این است که در حالت اول جریانهای الکتریکی روی سیم-
شکل ۲-۸ ساختارهای متناوب هادیها با (الف ) حالت غیرفعال، (ب) حالت فعال [۱]
های دوقطبی تحریک میشوند در صورتی که در حالت شکاف در تئوری ما، جریانهای مغناطیسی را تحریک میکنیم ولی جریانهای مغناطیسی در عمل وجود ندارند. بنابراین به جای جریان مغناطیسی از رابطهای که معادل با این جریانها است، استفاده میکنیم:
(۲-۴) × =
در رابطه بالا، شدت میدان الکتریکی روی شکافها و بردار واحد عمود بر سطح ساختار است. اگر میدان الکتریکی در دوقطبی و میدان مغناطیسی در شکاف را با هم مقایسه کنیم، خواهیم دید که این دو حالت کاملا شبیه به هم و مکمل هم هستند.
حال به بحث آرایه های مکمل می پردازیم. آرایه های مکمل، آرایههایی با اجزاء دوقطبی و شکاف با شکلهایی شبیه به هم هستند که اگر این دو آرایه را روی هم قرار دهیم تشکیل یک صفحه هادی کامل می دهند. نمونه ای از این آرایهها، در شکل ۲-۱ نشان داده شده است. اگر صفحه هادی نازک و ساختار بدون زیر لایه دی الکتریک باشد، ضریب انتقال یک ساختار برابر ضریب انعکاس ساختار دیگر می شود [۱]. این، یک نمونه ساده از قضیه بابینت[۹] است.
طراح برای اینکه از آرایههای مکمل استفاده کند اول از همه باید به این نکته توجه کند که صفحه هادی باید یک هادی کامل با ضخامت خیلی نازک، معمولا کمتر از یک دههزارم طول موج، باشد. اگر صفحه هادی ضخیمتر باشد، پهنای باند آرایه دوقطبی بزرگتر و پهنای باند آرایه شکاف کوچکتر خواهد شد [۱]. اگر یک لایه نازک دی الکتریک به ساختار اضافه شود، فرکانس تشدید برای هر دو آرایه دوقطبی و شکاف پایینتر خواهد آمد، اما برای یک دی الکتریک ضخیمتر از یک چهارم طول موج، دو آرایه رفتار کاملا متفاوتی از خود نشان خواهند داد.
۲-۴ چگونگی تشکیل منحنی تشدید
برای اینکه ما به یک منحنی تشدید با قله تخت و شیب بیشتر دسترسی پیدا کنیم دو روش وجود دارد:
استفاده از دو یا چند ساختار متناوب و بدون لایه دی الکتریک که پشت سر هم قرار داده شده اند.
استفاده از لایه دی الکتریکی که بین ساختارهای متناوب قرار داده شده است [۱].
۲-۴-۱ سطوح متناوب پیاپی بدون دی الکتریک
این ساختار با آرایههایی از شکاف در شکل ۲-۹ نشان داده شده است. در منحنی انتقال مشاهده می شود که استفاده از دو صفحه متناوب باعث شده، پاسخ فرکانسی دارای قله تختتر و شیب بیشتری شود.
۲-۴-۲ یک سطح متناوب با لایه های دیالکتریک
نمونهای از این ساختار در شکل ۲-۱۰ نشان داده شده است. این ساختار صفحه متناوبی است که بین دو لایه دی الکتریک با ضخامت و ثابت دی الکتریک یکسان قرار داده شده است. پهنای باند پاسخ فرکانسی این ساختار نسبت به ساختار بدون لایه دی الکتریک پهنتر است ولی پاسخ فرکانسی نسبت به حالت قبل قله تخت نخواهد داشت. بنابراین طراح باید مصالحهای بین تخت بودن و پهن بودن پاسخ انجام دهد.
شکل ۲-۹ ساختار متناوب پیاپی [۱]
شکل ۲-۱۰ ساختار صفحه متناوب با دو لایه دی الکتریک و منحنی انتقال این ساختار [۱]
۲-۵ کاربردهای سطوح انتخابگر فرکانس
سطوح انتخابگر فرکانس کاربردهای گسترده و متنوعی در نواحی متفاوت فرکانسی دارند. برای نمونه در ناحیه مایکروویو برای طراحی ردوم[۱۰] ها از این سطوح استفاده می کنند. این سطوح میتوانند برای یک باند میان گذر امواج را از خود عبور دهند و در خارج این باند کاملا به صورت یک منعکس کننده رفتار کنند. در محدوده فرکانسهای بالای مادون قرمز[۱۱] این سطوح متناوب به عنوان قطبی کننده[۱۲]، جدا کننده پرتو[۱۳] به کار میرود. یک قطبی کننده از یک شبکه پراش ساخته شده که میدانهای با قطبش موازی به شبکه را باز میتاباند و میدانهای با قطبش عمودی را منتقل می کند. این قطعه در فرکانسهای مادون قرمز نزدیک [۱۴] به عنوان سطوح انتخابگر خورشیدی برای جمع آوری انرژی خورشیدی به کار میرود [۴].
۲-۵-۱ کاهش تداخلات الکترومغناطیسی
امروزه برای کم کردن تداخل امواج الکترومغناطیسی بین محیط داخل و محیط خارج از عایقهای الکترومغناطیسی استفاده می شود. این عایقها برای مکانهایی که انتقال نور از محیط بیرون به محیط داخل وجود ندارد، به صورت ورقههای فلزی در فرکانسهای پایین (فرکانسهای رادیویی) و به صورت ورقههایی از جنس فریت در فرکانسهای بالا (فرکانسهای مایکرویو) مورد استفاده قرار گرفتهاند. عملکرد این نوع عایقها برای محیطهایی مثل ساختمانها، که دارای پنجرههایی از جنس شیشه هستند و انتقال نور از محیط بیرون از طریق این پنجرهها وجود دارد، مناسب نیست. بنابراین برای کاهش تداخل امواج الکترومغناطیسی با در نظر گرفتن انتقال نور از محیط بیرون، باید از فیلتر استفاده شود. عایقهای الکترومغناطیسی کاربردهای زیادی دارند از جمله این کاربردها، حفاظت محیطهای زندگی از تشعشعات ایستگاههای رادیویی محیط بیرون وکاهش تداخلات متقابل بین وسایل الکترونیکی را میتوان نام برد.
عایق تداخل الکترومغناطیسی[۱۵] باید به شکل یک فیلتر انتخابگر فرکانس عمل کند تا هر گونه ارتباط بین محیط محافظت شده و بیرون را حذف کند. شکل ۲-۱۱ تضعیف حاصل از دیوارهایی با جنسهای متفاوت در باند فرکانسی
شکل ۲-۱۱ تضعیف دیواربا ضخامت ۳۵ سانتی متر، با انواع متفاوت
مواد : سیمان، آجر، سنگ، در مقایسه با شیشه به ضخامت ۱ سانتی متر [۵]
بین GHz5/0 و GHz6 را نشان میدهد. همانطور که در شکل مشاهده می شود، تضعیف حاصل از دیواری از جنس شیشه نسبت به دیوارهای دیگر کمتر است. بنابراین دیوارهای ساختمان تا حد مناسبی تشعشعات را تضعیف می کنند ولی وجود پنجرههایی از جنس شیشه درساختمان، این تشعشعات را به خوبی تضعیف نمیکند. بنابراین باید از عایق الکترومغناطیسی انتخابگر فرکانس در مکانهایی که شیشه وجود دارد، استفاده شود. در سالهای اخیر، برای کاهش تداخلات شبکه های مخابراتی بیسیم از سطوح انتخابگر فرکانس خازنی به عنوان فیلتر میاننگذر استفاده شده است [۵].
[جمعه 1400-07-30] [ 08:05:00 ب.ظ ]
|