تحلیل و طراحی آنتن های میله ای دی الکتریک تیپر شده برای کاربرد در امواج میلیمتری

توسعه سیگنال های صوتی و تصویری با کیفیت بالا و افزایش تعداد وسایل ارتباطی در منازل اخیرا باعث افزایش تقاضا برای مخابرات بیسیم با نرخ تبادل اطلاعات بالا در فواصل نزدیک شده است. فرکانس های موج میلیمتری (30 تا 300 گیگا هرتز) یکی از بهترین گزینه ها برای این منظور می باشد. باند فرکانس موج میلیمتری بعلت پهنای باند وسیع، امکان تبادل اطلاعات تا نرخ 5 گیگا بیت بر ثانیه را فراهم می سازد. بهرحال به علت تلفات سیگنال در فضای آزاد در این رنج فرکانسی، کاربردهای عملی همانند wpan به فواصل کوتاه محدود شده اند. در میان باندهای متنوع موج میلیمتری، باند فرکانسی 60 گیگا هرتز دارای خواص ویژه ای است که آن را برای مخابرات بیسیم در فواصل نزدیک، مناسب تر می سازد. مهمترین خاصیت آن، همپوشانی آن با رنج جذب رزونانسی اکسیژن است. بعلت خاصیت جذب بالا بعلاوه تضعیف در فضای آزاد، باند 60 گیگا هرتز برای مخابرات بیسیم در فواصل دور کاربرد ندارد. اما خاصیت جذب اکسیژن بعنوان یک مزیت در فواصل کوتاه شناخته می شود، زیرا امکان ایجاد نواحی بدون تداخل و به فاصله نزدیک به هم را فراهم می سازد. در طراحی یک لینک مخابراتی بیسیم، آنتن یکی از اجزاء حیاتی آن بشمار می رود. هنگام طراحی یک آنتن در فرکانس های موج میلیمتری، پارامترهای مختلفی باید در نظر گرفته شود. پارامترهای معمول آنتن نظیر بهره، پهنای باند و بازده، برای هر کاربرد باید خواسته های مشخصی را برآورده سازند. برای کاربردهای فاصله نزدیک در فرکانس 60 گیگا هرتز، آنتن هایی با بهره بالا و پهنای باند وسیع مورد نیاز است.آنتن های میله ای دی الکتریک مدت زمان زیادی است که به عنوان تشعشع کننده های اندفایر موج سطحی، شناخته شده اند. آنها به صورت مبدل امواج هدایت شده به امواج انتشاری فضای آزاد، تشعشع می کنند. این آنتن ها دارای اشکال متنوع و روش های تغذیه گوناگون هستند. میله های با سطح مقطع مستطیلی و دایروی، نسبت به بقیه از معروفیت بیشتری برخوردار می باشند. علیرغم کاربرد وسیع این نوع آنتن ها، روش های تئوری موجود برای طراحی این آنها با ساده سازی های بسیاری همراه هستند. در عوض، روش های عددی پیچیده ای نظیر fdtd، fem و روش های مبتنی بر معادلات انتگرالی، برای بررسی مشخصات تشعشعی آنتن های میله ای دی الکتریک مورد استفاده قرار گرفته است. هرچند این روش ها دقیق هستند، اما از لحاظ ریاضی بسیار پیچیده بوده و دید اندکی نسبت به ساز و کار تشعشعی این آنتن ها ارائه می دهند. در این پایان نامه، روش های تحلیلی مبتنی بر نظریه مدهای موضعی برای تحلیل آنتن های دی الکتریک تیپر شده با سطح مقطع دایروی و مستطیلی ارائه شده است.در این روش با نوشتن معادلات انتگرالی حجمی ساده ای برای آنتن های دی الکتریک که در آن توابع پایه ای بصورت قرص های نازک در طول آنتن هستند، و حل معادلات انتگرالی بروش ممان، جریان های پلاریزاسیون محاسبه شده و سپس با قرار دادن این جریان ها در فضای آزاد، پترن تشعشعی آنتن محاسبه می شود. سپس به صورت پایه ای به بررسی مکانیزم تشعشعی آنتن های میله ای دی الکتریک پرداخته شده و روشی برای طراحی آنتن جهت دستیابی به حداکثر بهره ارائه شده است. همچنین روش تحلیلی برای محاسبه پترن تشعشعی آنتن های دی اکتریک تیپر شده دایروی با ضریب نسبی دی الکتریک کم که شعاع آنها در محدوده خاصی تغییر می کند، ارائه شده است.