بررسی آثار تزویج در آرایه ای ازآنتن های سیمی برای کاربرد در رادار پسیو
همواره آشکارسازی اهدافی که از دید بصری مصون هستند مورد توجه بوده است. برای شناسایی اهداف میتوان از امواج الکترومغناطیس استفاده کرد. اولین قدم برای دریافت امواج، یک آرایه مناسب آنتن است. امواج پس از رسیدن به آنتن باعث شارش جریانی روی سطح آن میشوند. میزان جریان شارشی تابعی از پارامترهای مختلفی مثل نوع آنتن، سطح مقطع موثر آنتن، محل قرار گرفتن آنتن، دامنه و زاویه ورود جبهه موج و... است.
کاری که در این پایان نامه انجام شده است محاسبهی اندازه و فاز جریان القا شده روی آنتنهای سیمی، در اثر تحریک جبههموج الکترومغناطیسی است. برای این منظور بکمک روش عددی مومنت، نرمافزاری تهیه شده است که جریان ناشی از برخورد جبههموج به آنتن را روی سیمهای آنتن محاسبه میکند. این نرم افزار یکی از جوابهای معادلهی انتگرال- دیفرانسیلی ماکسول بنام معادلهی هالن را حل میکند. بعلاوه در این پایاننامه، بررسی تاثیر توابع پایه مختلف بر دقت حل مسئله در روش مومنت مورد بررسی قرار گرفته است. در معادلهی هالن از توابع پالسی، مثلثی و سینوسی بعنوان توابع پایه روش مومنت استفاده شده و دقت و سرعت همگرایی مقایسه شده است. همچنین، نمودارهایی از تاثیر زاویه ورود جبههموج بر اندازه و فاز ولتاژ ترمینال آرایههایی از آنتنهای مختلف سیمی ارائه شده است. نیز ماتریسی بنام ماتریس کالیبراسیون[1] معرفی شده است تا جبرانسازی تزویج متقابل بین ولتاژ اندازهگیری شده از ترمینال آنتنها را انجام دهد و با استفاده از ولتاژ بدون تزویج بدست آمده، زاویهی ورود جبههموج با استفاده از الگوریتم میوزیک[2] محاسبه شود. روش ارائه شده برای محاسبهی ماتریس کالیبراسیون و نیز نحوهی استفاده از آن در جهتیابی، بهبود نسبی دقت جهتیابی در مقایسه با روشهای قبلی را نتیجه میدهد.
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه ....................................................................................................................................... 2
فصل دوم: آشنایی با رادار پسیو
2-1- مقدمهای از رادار پسیو................................................................................................................ 5
2-2- آنتنهای گیرندهی رادار پسیو................................................................................................... 6
2-3-تزویج متقابل در آرایه آنتنها..................................................................................................... 7
2-3-1-تزویج در مد فرستندگی................................................................................................... 8
2-3-1-تزویج در مد گیرندگی....................................................................................................... 9
2-4- محاسبهی امپدانس متقابل و ماتریس کالیبراسیون ......................................................... 10
2-4-1- روش امپدانس متقابل گیرندگی.................................................................................. 10
2-4-2- محاسبهی ماتریس کالیبراسیون.................................................................................. 12
فصل سوم: بدست آوردن جریان روی سطح آنتنهای سیمی
با استفاده از روش مومنت
3-1- معادلات انتگرالی ( ).............................................................................................................. 14
3- 2- توابع گرین................................................................................................................................... 15
3-2-1-خصوصیات تابع گرین...................................................................................................... 16
3- 3- توابع پایه و وزن......................................................................................................................... 17
3- 4- حل عددی معادلات الکترومغناطیس ................................................................................. 20
3- 5- الگوریتمهای حل عددی معادلات الکترومغناطیس......................................................... 20
3- 6- استفاده از روش مومنت برای حل مسائل الکترومغناطیس .......................................... 21
3- 7- سیمهای نازک به عنوان آنتن گیرنده................................................................................. 22
3- 7- 1- محاسبهی جریان القا شده روی سیم نازک در اثر
جبهه موج برخوردی ................................................................................................................ 25
3- 7- 2- حل عددی معادلهی هالن با استفاده از روش مومنت....................................... 27
فصل چهارم: محاسبهی جریان القا شده روی آرایهای از چهار دایپل
4- 1- محاسبهی جریان القا شده روی 4 دایپل در اثر جبههموج برخوردی
با در نظر گرفتن تزویج متقابل بین آنها.......................................................................................... 30
4-2- آنتن دوقطبی خمشده............................................................................................................... 42
4-3- افزودن بار به مرکز سیم..................................................................................................... 44
فصل پنجم: خصوصیات نرمافزار و نحوهی تهیهی آن
5-1-پیاده سازی روابط و معادلات نوشته شدهی فصل چهارم با استفاده
از زبان برنامهنویسی ............................................................................................................... 47
5-1-1-انتگرال گیری عددی بکمک روش ذوزنقهای............................................................ 48
5-1-2-حل دستگاه معادلات (4-32) و (4-33).................................................................... 49
5-2-روش کار و قابلیت نرم افزار....................................................................................................... 51
5-2-1- مشاهدهی نتایج محاسبات............................................................................................ 54
5-2-2- سایر امکانات این پنجره ............................................................................................... 55
فصل ششم: نتایج
6- 1- مقدمه............................................................................................................................................ 58
6- 2– مقایسهی جواب نرمافزار با نرمافزار طراحی شده................................................ 58
6- 3– محاسبهی خطای محاسبات در نتیجهی تابع پایهی انتخابی
و تقسیمبندی سیم انتگرال گیری عددی با استفاده از روش ذوزنقهای................................. 64
6-4- مقایسهی جریان محاسبه شده روی سیمهای آنتن یاگی- اودا
با استفاده از سه نوع تابع پایه............................................................................................................. 65
6-5- حضور آنتنها در آرایه و تاثیر آن بر اندازه و فاز ولتاژ ترمینالشان................................ 68
6-5-1- چهار فولدد دایپل به فاصلهی 0.2 از هم............................................................ 69
6-5-2- چهار فولدد دایپل به فاصلهی 0.3 از هم.......................................................... 71
6-5-3- سه آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.2 از هم در حالت عمودی........................ 74
6-5-4- سه آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.5 از هم در حالت افقی............................. 76
6-5-5- چهار آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.2 از هم در حالت عمودی..................... 79
6-5-6- چهار آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.5 از هم در حالت افقی.......................... 81
6-6- محاسبهی زاویهی ورود یک جبهه موج به آرایهی افقی 4 آنتن یاگی- اودا............... 84
6-6-1- محاسبهی زاویه ورود جبههموج................................................................................... 91
6-6-1-1- استفاده از الگوریتم میوزیک برای تخمین زاویه.......................................... 91
6-6-1-2- تخمین زاویه بکمک الگوریتم میوزیک و ماتریسهای و ............... 92
6-7- نتایج............................................................................................................................................... 100
6-8- پیشنهادات.................................................................................................................................... 101
فهرست منابع و مأخذ........................................................................................................................... 102
فهرست جدول ها :
جدول6-1: اختلاف فاز ولتاژترمینالها محاسبه شده از ......................................................... 63
جدول6-2: اختلاف فاز ولتاژترمینالها محاسبه شده از نرمافزاز طراحی شده............................ 64
جدول 6- 3: اندازهی درایههای ماتریس ........................................................................................ 85
جدول 6- 4: فاز درایههای ماتریس ................................................................................................. 85
جدول 6- 5: اندازهی درایههای ماتریس .......................................................................................... 86
جدول 6- 6: فاز درایههای ماتریس ................................................................................................... 86
جدول 6- 7: اندازهی درایههای ماتریس .......................................................................................... 86
جدول 6- 8: فاز درایههای ماتریس ................................................................................................... 86
جدول 6- 9: اندازهی درایههای ماتریس ......................................................................................... 87
جدول 6- 10: فاز درایههای ماتریس ............................................................................................... 87
جدول 6- 11: اندازهی درایههای ماتریس ...................................................................................... 87
جدول 6- 12: فاز درایههای ماتریس ............................................................................................... 87
جدول 6- 13: اندازهی درایههای ماتریس ..................................................................................... 87
جدول 6- 14: فاز درایههای ماتریس .............................................................................................. 88
جدول 6- 15: اندازهی درایههای ماتریس ...................................................................................... 88
جدول 6- 16: فاز درایههای ماتریس ................................................................................................ 82
جدول 6- 17: اندازهی درایههای ماتریس ...................................................................................... 88
جدول 6- 18: فاز درایههای ماتریس ............................................................................................... 89
جدول 6- 19. اندازهی درایههای ماتریس ...................................................................................... 89
جدول 6- 20: فاز درایههای ماتریس ............................................................................................... 89
جدول 6- 21: اندازهی درایههای ماتریس .................................................................................... 89
جدول 6- 22: فاز درایههای ماتریس ............................................................................................. 90
جدول 6- 23: اندازهی درایههای ماتریس ................................................................................... 90
جدول 6- 24: فاز درایههای ماتریس ............................................................................................ 90
جدول 6- 25:. اندازهی درایههای ماتریس امپدانس متقابل ..................................................... 90
جدول 6- 26: فاز درایههای ماتریس امپدانس متقابل ............................................................... 91
جدول 6- 27: اندازهی درایههای ماتریس امپدانس متقابل ...................................................... 91
جدول 6- 28: فاز درایههای ماتریس امپدانس متقابل ............................................................... 91
فهرست شکل ها
شکل 2- 1: آرایه ای از آنتنهای گیرنده................................................................................................ 6
شکل 2- 2: مکانیزم تزویج بین آنتن m و n در مود فرستندگی..................................................... 9
شکل 2- 3:مکانیزم تزویج بین آنتن m و n در مود گیرندگی........................................................ 10
شکل 3- 1: سیم نازک به عنوان آنتن گیرنده..................................................................................... 25
شکل 4- 1: طرز قرار گرفتن چهار سیم در یک آرایه ...................................................................... 31
شکل 4- 2: توابع زیردامنهای مستطیلی................................................................................................ 35
شکل 4-3: توابع زیردامنهای مثلثی.......................................................................................................... 36
شکل 4- 4: توابع زیردامنهای سینوسی................................................................................................... 36
شکل 4- 5: فولدد دایپل............................................................................................................................. 42
شکل 4- 6: افزودن بار به وسط سیم.................................................................................................... 44
شکل 5- 1: نمودار یک تابع مفروض برای انتگرالگیری................................................................... 48
شکل 5- 2:دامنهی یک تابع دوبعدی برای انتگرالگیری.................................................................. 49
شکل 5- 3: نمای Help Form نرم افزار.............................................................................................. 51
شکل 5- 4. نمای پنجرهی Basic Information نرمافزار............................................................... 52
شکل 5- 5: نمای پیغام پایان محاسبات................................................................................................. 54
شکل 5-6: نمای load Results نرمافزار............................................................................................... 55
شکل 5- 7: نمایی از طریقهی نمایش یک جواب نمونه..................................................................... 56
شکل 6- 1: نحوهی چیدمان آرایهی چهار آنتن یاگی- اودا ............................................................. 59
شکل 6- 2: اندازهی جریان محاسبه شده روی سیمهای آنتن
یاگی- اودا بوسیلهی ........................................................................................................................ 59
شکل 6- 3: اندازهی جریان محاسبه شده روی سیمهای آنتن یاگی- اودا
بوسیلهی نرمافزار طراحی شده.................................................................................................................. 60
شکل 6-4: فاز جریان محاسبه شده روی سیمهای آنتن یاگی- اودا بوسیلهی ............... 60
شکل 6-5: فاز جریان محاسبه شده روی سیمهای آنتن یاگی- اودا بوسیلهی
نرمافزار طراحی شده................................................................................................................................... 61
شکل 6-6: قسمت حقیقی جریان محاسبه شده روی سیمهای
آنتن یاگی- اودا بوسیلهی .............................................................................................................. 62
شکل 6-7: قسمت حقیقی محاسبه شده روی سیمهای آنتن
یاگی- اودا بوسیلهی نرمافزار طراحی شده............................................................................................ 62
شکل 6-8: قسمت موهومی جریان محاسبه شده روی سیمهای
آنتن یاگی- اودا بوسیلهی .............................................................................................................. 63
شکل 6-9: قسمت حقیقی محاسبه شده روی سیمهای آنتن یاگی- اودا
بوسیلهی نرمافزار طراحی شده.................................................................................................................. 63
شکل 6 -10: درصد اختلاف ولتاژ در ترمینال دایپل برای N از 5 تا 150................................... 65
شکل 6 – 11: درصد اختلاف ولتاژ در تمام نقاط دایپل برای N از 5 تا 150............................ 63
شکل 6- 12: برخورد یک جبههموج الکترومغناطیسی با یک آنتن
یاگی- اودا با دو رفلکتور و سه دایرکتور ............................................................................................... 66
شکل 6- 13: تخمین اندازه(منحنی بالا) و فاز(منحنی پایین) جریان القا شده
روی سیمهای آنتن با تابع پایه پالس و N=80 ................................................................................. 66
شکل 6- 14: تخمین اندازه(منحنی بالا) و فاز(منحنی پایین) جریان القا شده
روی سیمهای آنتن با تابع پایه مثلثی و N=30.................................................................................. 67
شکل 6- 15: تخمین اندازه (منحنی بالا) و فاز (منحنی پایین) جریان القا شده
روی سیمهای آنتن با تابع پایه سینوسی و N=20............................................................................. 67
شکل 6- 16: مقایسهی تخمین اندازه(منحنی بالا) و فاز(منحنی پایین) جریان
القا شده روی سیمهای آنتن با سه تابع پایه پالس، مثلثی و سینوسی........................................ 68
شکل 6- 17: چیدمان چهار فولدد دایپل به فاصلهی 0.2 از هم.................................................. 69
شکل 6- 18: تغییر اندازهی ولتاژ ترمینال در چهار فولدد دایپل فوق در
دو حالت با تزویج و بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج............................................ 70
شکل 6- 19: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار فولدد دایپل فوق در حالت
بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج.................................................................................. 70
شکل 6- 20: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار فولدد دایپل فوق در حالت
با تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج......................................................................................... 71
شکل 6- 21: چیدمان چهار فولدد دایپل به فاصلهی 0.3 از هم................................................ 72
شکل 6- 22: تغییر اندازهی ولتاژ ترمینال در چهار فولدد دایپل فوق در
دو حالت با تزویج و بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج............................................ 72
شکل 6- 23: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار فولدد دایپل فوق در حالت
بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج................................................................................ 73
شکل 6- 24: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار فولدد دایپل فوق در حالت
با تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج......................................................................................... 73
شکل 6- 25: چیدمان عمودی سه آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.2 از هم.............................. 74
شکل 6- 26: تغییر اندازهی ولتاژ ترمینال در سه آنتن یاگی- اودای عمودی
فوق در دو حالت با تزویج و بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج........................... 75
شکل 6- 27: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در سه آنتن یاگی- اودای عمودی فوق
در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج در حالت بدون تزویج.............................................................. 75
شکل 6- 28: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در سه آنتن یاگی- اودای عمودی فوق
در حالت با تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج....................................................................... 76
شکل 6- 29: چیدمان افقی سه آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.5 از هم................................. 77
شکل 6- 30: تغییر اندازهی ولتاژ ترمینال در سه آنتن یاگی- اودای افقی فوق
در دو حالت با تزویج و بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج.................................... 77
شکل 6- 31: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در سه آنتن یاگی- اودای افقی فوق
در حالت بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج................................................................ 78
شکل 6- 32: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در سه آنتن یاگی- اودای افقی فوق
در حالت با تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج....................................................................... 78
شکل 6- 33: چیدمان عمودی چهار آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.2 از هم........................ 79
شکل 6- 34: تغییر اندازهی ولتاژ ترمینال در چهار آنتن یاگی- اودای فوق
در دو حالت با تزویج و بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج...................................... 80
شکل 6- 35: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار آنتن یاگی- اودای فوق در حالت
بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج................................................................................ 80
شکل 6- 36: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار آنتن یاگی- اودای فوق در حالت
با تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج....................................................................................... 81
شکل 6-37: چیدمان افقی چهار آنتن یاگی- اودا به فاصلهی 0.5 از هم................................ 82
شکل 6-38: تغییر اندازهی ولتاژ ترمینال در چهار آنتن یاگی- اودای فوق
در دو حالت با تزویج و بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج...................................... 82
شکل 6-39: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار آنتن یاگی- اودای فوق
در حالت بدون تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج................................................................ 83
شکل 6- 40: تغییر فاز ولتاژ ترمینال در چهار آنتن یاگی- اودای فوق
در حالت با تزویج در اثر تغییر زاویهی ورود جبههموج....................................................................... 83
شکل6- 41: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ اندازهگیری شده از ترمینال
برای جبهه موج ورودی از زاویهی ................................................................................................ 92
شکل6- 42: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با برای
جبهه موج ورودی از زاویهی ............................................................................................................. 93
شکل6- 43: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با برای
جبهه موج ورودی از زاویهی ............................................................................................................ 94
شکل6- 44: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با ماتریس
امپدانس برای جبهه موج ورودی از زاویهی ......................................................................... 95
شکل6- 45: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با ماتریس
برای جبهه موج ورودی از زاویهی ........................................................................................... 96
شکل6- 46: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با برای
جبهه موج ورودی از زاویهی ........................................................................................................ 97
شکل6- 47: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با برای
جبهه موج ورودی از زاویهی ........................................................................................................ 98
شکل6- 48: تخمین زاویه بکمک موزیک از ولتاژ کالیبره شده با ماتریس
امپدانس برای جبهه موج ورودی از زاویهی ..................................................................... 99