17063

17063

كاهش سطح مقطع راداري آنتن آرايه اي مايكرواستريپي Patch با استفاده از سطوح انتخابگر فركانس

دكتري

مخابرات ميدان

تير ماه 1395

دكتر محمد خلج اميرحسيني

دكتر علي عبدالعالي

برق

چكيده يكي از لوازم ضروري ادوات جنگي آنتن¬ها هستند و آنتن¬هاي مايكرواستريپي patch به دليل داشتن صفحه زمين بزرگ، سطح مقطع راداري بالايي دارند. يك دسته از روش¬هاي كاهش سطح مقطع راداري آنتن از سطوح انتخابگر فركانس استفاده مي¬كنند كه در آنها سعي مي¬شود مشخصات تشعشعي آنتن در محدوده كاري دچار حداقل ميزان تغيير گردند. در اين پايان نامه كاهش سطح مقطع راداري آنتن با استفاده از سطوح انتخابگر فركانس در صفحه زمين، ساختار زيرلايه و رولايه جاذب دنبال شده است. ابتدا از سطوحي كه قابليت عبور امواج را دارند، در صفحه زمين استفاده شده است. از آنجا كه اين روش در آنتن آرايه¬اي استفاده مي¬شود و با محدوديت فضا براي قرار دادن سلول¬هاي سطح انتخابگر فركانس مواجه هستيم از سلول¬هاي كوچك شده بهره گرفته شده است كه كاهش سطح مقطع راداري را در باند وسيعي ممكن مي¬سازند. در حالت تغذيه با كابل هم¬محور در فركانس كاري 3.35 GHz، با استفاده از سطح حلقه كوچك شده مربعي سطح مقطع راداري از 4 GHz تا 9.5 GHz كاهش داده شده است. پهناي باند كاهش سطح مقطع راداري با استفاده از سطح حلقه كوچك شده شش ضلعي تقريبا دو برابر شده و از 4 GHz تا 16 GHz گسترش يافته است. همچنين نشان داده شده است كه در حالتي كه خط تغذيه مايكرواستريپي به كار برده شود مي¬توان از سطح انتخابگر فركانس به عنوان يك انعكاس دهنده با فاصله هوايي از آنتن استفاده نمود. گرچه قرار دادن سطح انعكاس دهنده با فاصله از آنتن باعث طراحي آسان مي¬گردد اما از طرفي بهره آنتن را كاهش داده و سطح گلبرگ كناري را افزايش مي¬دهد. به منظور برطرف نمودن اين عيب از جاذب پلاسمايي براي زيرلايه استفاده شده كه در فركانس كار آنتن به صورت صفحه زمين و در فركانس-هاي بالاتر به صورت جاذب عمل كند. براي كاهش ارتفاع، اين جاذب به صورت تركيبي از سطوح انتخابگر مقاومتي و محيط پلاسمايي ايجاد شده است كه باعث كاهش سطح مقطع رادراي آنتن از 12 GHz تا 16 GHz مي¬شود. فركانس كار آنتن نيز 1 GHz در نظر گرفته شده است. از آنجا كه جاذبي كه زير آنتن قرار دارد سطح مقطع راداري صفحه زمين را كاهش مي¬دهد و انعكاس از سطح patch ها هنوز وجود دارد، طرح¬هايي براي استفاده از جاذب به صورت رولايه در حالتي كه خط تغذيه آنتن مايكرواستريپي تغيير داده شود يا بدون تغيير باقي بماند نيز ارائه شده است كه فركانس كار آنتن 3.35 GHz مي¬باشد و كاهش سطح مقطع راداري در محدوده 9 GHz تا 12 GHz رخ مي¬دهد. علاوه بر اين نشان داده شده است كه در حالتي كه آنتن بر روي ساختار استوانه¬اي قرار داشته باشد، مي-توان با استفاده از سطح انتخابگر patch پوششي در اطراف آنتن ايجاد نمود كه منجر به نامرئي شدن و كاهش سطح مقطع راداري آنتن گردد. يكي از روش¬هاي موثري كه براي تحليل ساختارهاي داراي سطوح انتخابگر فركانس به كار مي¬رود مدل مداري يا خط انتقالي است. در مورد سطوح انتخابگر حلقه كه در اطراف patch قرار داده شده، سعي شده با استفاده از روابط رياضي تحليلي براي اجزاي تشكيل دهنده سطح پيچيده، مدلي وابسته به پارامترهاي ساختار معرفي شود. همچنين مدل مداري سطح انتخابگر فركانس patch بي¬تلف و داراي مقاومت سطحي در محيط¬ تلفاتي پلاسما معرفي شده و با استفاده از مدل مداري پاسخ¬هاي ساختار جاذب پلاسمايي پيشنهادي، محاسبه و با نتايج شبيه¬سازي مقايسه شده است. واژه‌هاي كليدي:كاهش سطح مقطع راداري، آنتن مايكرواستريپي Patch، سطوح انتخابگر فركانس

1396/01/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Nowadays, war equipments are required to be camouflaged from the enemy radars an​d antennas are necessary part of theses equipments. Microstrip antennas are proper choices to be installed on military platforms due to their lightweight an​d easy fabrication. Most of the time, gain of theses antennas is not sufficient an​d they are used in array configuration with large ground plane which can reflect electromagnetic waves an​d make high radar cross section (RCS). Lots of methods are presented to reduce the RCS of patch antennas. One of them is using frequency selective surfaces (FSS) in which antenna propagation characteristics are preserved. In this thesis, RCS reduction is realized using FSS in ground plane, substrate an​d superstrate of patch array antenna. First, ground plane of the antenna is substituted with band stop FSS. Array antennas have limited space for FSS cells an​d therefore, miniaturized FSSs are employed to make wide band RCS reduction. Because stop band FSSs are transparent to incident waves in RCS reduction frequency range, wide band absorbers are needed beneath the antenna to avoid back scattering from the other objects behind the antenna. For patch antenna with microstrip feed, some designs are studied to use commercial an​d plasma absorbers an​d new plasma absorber is introduced with combination of plasma an​d lossy FSS to reduce the RCS of the antenna. Transmission line analysis is a fast an​d useful method for 2-D an​d planar structures. However, circuit model of many FSSs are not available. For example when some FSSs with different shapes are combined to make a new FSS o​r when FSS is placed in a complex medium, transmission line method cannot be applied because of lack of circuit model. In this thesis a new approach is introduced to find the circuit model of a complicated FSS. Also an equivalent circuit model is presented for lossless an​d lossy FSS embedded in plasma layer which can be employed for transmission line analysis of the plasma absorber. FSSs can also be used above the antenna for RCS reduction. For instance, an absorptive an​d partially reflective FSS as a superstrate of patch array antenna is investigated. Also using a mantel cloak for monostatic an​d bistatic RCS reduction of patch antenna on a cylindrical perfect electric conductor is studied. Keywords: Radar Cross Section Reduction, Patch array antenna, Frequency Selective Surface (FSS)