مدل متقارن محوری دوبعدی یک آنتن شاخ مخروطی

ما در مورد اینکه چگونه می‌توانید با استفاده از تقارن، ضد تقارن و شرایط مرزی دوره‌ای، در زمان تنظیم مدل‌های الکترومغناطیسی خود صرفه‌جویی کنید، وبلاگ نوشته‌ایم. امروز، مدلی را به شما نشان خواهیم داد که از تقارن محوری بهره می برد – یک مدل آنتن شاخ مخروطی.

صرفه جویی در زمان با یک مدل متقارن محوری دو بعدی

اگرچه امکان راه اندازی و حل یک مدل سه بعدی از یک آنتن شیپوری مخروطی وجود دارد، اما چنین مدلی به مقدار نسبتاً زیادی از منابع محاسباتی برای حل نیاز دارد. با استفاده از تقارن ساختار می‌توانیم میدان‌های الکترومغناطیسی را خیلی سریع‌تر حل کنیم. از آنجایی که ما با یک مخروط سر و کار داریم، مدل ما از نظر ساختاری حول محور آن متقارن است، یعنی متقارن محوری است .

در حال حاضر، اگرچه ساختار متقارن است، اما میدان‌های الکترومغناطیسی در اطراف آزیموت محور تغییراتی خواهند داشت، یعنی میدان‌ها دارای یک تغییر ازیموتی هستند . ماژول RF و ماژول اپتیک موج به شما این امکان را می دهند که ساختارهای متقارن محوری را با اعداد حالت های مختلف ازیموتال مدل کنید.

ما می توانیم از این ویژگی سوء استفاده کنیم. با ساختن یک مدل متقارن محوری دوبعدی و حل چندین عدد حالت آزیموتال مختلف، می‌توانیم مدلی بسازیم که بسیار سریع‌تر حل می‌شود و از حافظه کمتری نسبت به یک مدل سه‌بعدی کامل استفاده می‌کند. من صدای آن را دوست دارم. اما ابتدا، یک یادداشت سریع در مورد آنتن های بوق.

نکته کلی در مورد آنتن های هورن

انواع مختلفی از آنتن های شیپوری هم از نظر شکل کلی و هم از نظر طرح داخلی وجود دارد. این ویژگی ها مشخصات پرتو، پهنای باند و قطبش متقاطع آنتن را تعیین می کند.

قطبش متقاطع به این معنی است که میدان های الکترومغناطیسی برخلاف آنچه در نظر گرفته شده است، قطبی می شوند. به عنوان مثال، ما می خواهیم فیلدها به صورت عمودی قطبی شوند، اما در عوض به صورت افقی قطبی می شوند.

قسمت قیف آنتن به یک موجبر متصل است که امواج الکترومغناطیسی را وارد آنتن می کند. شکل شاخ تعیین می کند که برای چه کاربردی مناسب است. برای مثال، بوق‌های بخش (با برچسب b و c در تصویر زیر) معمولاً برای آنتن‌های رادار جستجوی گسترده استفاده می‌شوند .

نموداری از اشکال مختلف آنتن شاخ.
اشکال مختلف آنتن شاخ: الف) هرمی. ب) بخش، E-plane; ج) بخش، H-صفحه; د) مخروطی؛ ه) نمایی. “انواع آنتن بوق” ساخته چتورنو – کار شخصی. دارای مجوز Creative Commons Zero، اختصاص دامنه عمومی از طریق Wikimedia Commons .

مدل آنتن شیپوری مخروطی موجدار

آنتن در مورد ما هم به شکل مخروط است ( در تصویر بالا با برچسب d ) و هم دارای یک سطح راه راه است. این یک آنتن شیپوری مخروطی موجدار است که توسط یک موجبر دایره ای تغذیه می شود. موجبر حالت TE برانگیخته را از طریق قیف موجدار عبور می دهد که به نوبه خود یک حالت TM ایجاد می کند. با توجه به سطح موج دار در سراسر مخروط، حالت ها مخلوط می شوند، که منجر به قطبش متقاطع پایین تر در دیافراگم نسبت به حالت TE تحریک شده اصلی می شود.

تجسم سه بعدی از مدل متقارن محوری دوبعدی یک آنتن شاخ مخروطی
آنتن شاخ مخروطی: تجسم سه بعدی بر اساس مدل متقارن محوری دوبعدی. موجبر آنتن را با حالت TE _1m ( m = ±1) تغذیه می کند، که در حین انتشار در آنتن با حالت TM _{1m مخلوط می شود.}

در بالا اشاره کردم که قطبش متقاطع چیست، اما چرا می خواهیم آن را کاهش دهیم؟ خوب، اگر قطبش متقاطع زیادی داشته باشیم، سیگنال ما ممکن است با کانال های دیگر نزدیک تداخل داشته باشد، اگر آنها قطبش عمودی و افقی متناوب داشته باشند. ما این را نمی خواهیم.

بررسی قطبش متقاطع در آنتن شاخ

برای بررسی قطبش متقاطع، می‌توانیم از COMSOL Multiphysics و ماژول RF برای تنظیم یک مدل استفاده کنیم. همانطور که قبلاً یاد گرفتیم، می‌توانیم با حل این مسئله به‌عنوان یک مدل متقارن محوری دوبعدی به جای سه‌بعدی، در زمان صرفه‌جویی کنیم. ما می توانیم این کار را با استفاده از واسط امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس انجام دهیم .

من از تنظیم گام به گام مدل صرف نظر می کنم و مستقیماً به چیزهای سرگرم کننده می پردازم – نتایج. اگر می‌خواهید طرح‌های نشان داده شده در اینجا را بازتولید کنید، می‌توانید مستندات مدل و فایل MPH را از گالری مدل دانلود کنید .

ابتدا می توانیم ببینیم که الگوی پرتو مستقیم آنتن چیست:

نمودار میدان دور که پرتو مستقیم آنتن را نشان می دهد
نمودار میدان دور: الگوی پرتو مستقیم آنتن.

بعد، می‌توانیم میدان الکتریکی در ورودی و خروجی آنتن را تجزیه و تحلیل کنیم. با حل مدل برای m = +1 و m = -1، می‌توانیم قطبش خطی را در جهت x و y در خروجی مقایسه کنیم.

میدان الکتریکی در ورودی و خروجی آنتن برای برهم نهی خطی m = +1 و m = -1 .

در تغذیه موجبر، میدان بیشتر در جهت x است ، اما به صورت خطی قطبی نیست. در دیافراگم، میدان تقریباً به صورت خطی قطبی شده است. برای تعیین کمیت قطبش در هر دو جهت، می‌توانیم انتگرال قدر مطلق هر جزء میدان را بر روی ورودی و خروجی آنتن شاخ مخروطی ارزیابی کنیم. با انجام این کار، متوجه خواهیم شد که نسبت در ورودی تقریباً 5:1 و در خروجی حدود 40:1 است. به عبارت دیگر، قطبش متقاطع را تقریباً 8 برابر کاهش داده ایم.