تأثیر فرکانس و شکل موج تحریک جریان متناوب بر آنتن پلاسمایی تک‌قطبیUشکل

.

.

چکیده

امروزه فن‌آوری پلاسما، کاربردهای قابل توجهی در صنایع مختلف از جمله مخابرات یافته است. حد یونیزاسیون بالای پلاسما سبب شده که بتوان از آن به عنوان یک رسانای خوب و به عنوان جایگزینی برای فلز در ساختارهای فرکانس بالا استفاده کرد. در سال‌های اخیر توجه جوامع علمی و به خصوص مراکز فضایی و نظامی به محیط پلاسما برای طراحی ساختارهای آنتن قابل پیکربندی مجدد، موجبرها و سطوح فرکانس‌گزین (FSS) افزایش یافته است. دلیل این موضوع مشخصات ویژه محیط پلاسما است که با استفاده از آن می‌توان کنترل و انطباق‌پذیری را بر ساختارهای مختلف پیاده‌سازی کرد. تاثیر استفاده از پلاسما در آنتن‌ها عبارت است از: بهبود حساسیت و جهت‌دهی، قابلیت پنهان‌سازی و سطح مقطع راداری کم، تنظیم جهت الگوی تشعشعی، حل مشکل تزویج و تداخل آنتن‌های آرایه‌ای، تغییر فرکانس کاری.

ایجاد پلاسما روش‌های مختلفی دارد که عبارت‌اند از: تحریک با جریان مستقیم، جریان متناوب، موج سطحی. هدف از این پژوهش، مطالعه و بررسی اثر تحریک جریان متناوب پلاسما با فرکانس و شکل‌موج‌های مختلف بر پارامترهای آنتن پلاسمایی تک‌قطبی U‌شکل از جمله: تطبیق، فرکانس‌های تشدید و پهنای‌باند می‌باشد. این نوع از تحریک علاوه بر قابلیت مصرف توان بسیارکمتر، موجب افزایش فرکانس کاری آنتن تک‌قطبی U‌شکل مورد آزمایش تا حد 2 گیگاهرتز و پهنای باند آن می‌شود. سیگنال‌های ارسالی یا دریافتی از آنتن توسط یک کوپلر خازنی به آنتن پلاسمایی اعمال یا از آن دریافت می‌شوند. همچنین، با تغییر فرکانس و شکل‌موج جریان تحریک(مربعی، مثلثی، سینوسی) پلاسما نتایج مختلفی بر پارامترهای آنتن از جمله: بهبود تطبیق، شیفت فرکانس مرکزی و تغییر پهنای باند، مشاهده و اندازه‌گیری شده است.

.

1 - مقدمه

با توجه به تأثیر فراوان آنتن بر روی عملکرد سامانه‌های مخابراتی، مهندسین همواره به دنبال بهبود مشخصات آنتن‌ها با استفاده از روش‌های مختلف می‌باشند. با مطرح شدن ایده‌ی استفاده از پلاسما به عنوان جایگزینی برای فلز در ساختارهای مخابراتی^[1] محققان تلاش‌های زیادی انجام دادند تا بتوانند از این ماده با ویژگی‌های عجیب و خاص خود، بیش‌ترین بهره را ببرند. در سال‌های اخیر، تحقیقات گوناگون و متنوعی در حوزه ساختارهای پلاسمایی در فرکانس‌های رادیویی صورت گرفته، از جمله: آنتن‌های پلاسمایی^[2] موجبرهای پلاسمایی^[3] سطوح فرکانس‌گزین^[4].

پلاسما، گاز به شدت یونیزه‌شده‌ای است که تعداد الکترون‌های آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یون‌های مثبت آن بوده و عموماً از آن به عنوان «حالت چهارم ماده» یاد می‌شود^[5]. وجود پلاسما اولین بار توسط «سر ویلیام کروکس» و در سال 1879 میلادی اثبات گردید و حدود 44 سال بعد اولین طرح مفهومی از آنتن‌های پلاسمایی ارایه گردید^[6].

پلاسما را می‌توان توسط روش‌های گوناگونی ایجاد نمود که برخی از آن‌ها عبارت‌اند از:

• تحریک با جریان متناوب و مستقیم،
• تحریک و گرمادهی فرکانس رادیویی (RF)،
• روش‌های با انرژی بالا (هسته ای).

در این میان، قابلیت بالای یونیزاسیون پلاسما، باعث شده که بتوان از آن به عنوان جایگزینی برای فلز در ساختارهایی مانند آنتن استفاده نمود. در فلز الکترون‌های آزاد با جابجایی و حرکت خود در طول رسانای فلزی سبب تشعشع میدان‌های الکترومغناطیسی از خود می‌شوند و در پلاسما الکترون‌های آزادشده از یون‌های مثبت که در فرآیند یونیزاسیون به وجود آمده‌اند، موجب تشعشع میدان‌های الکترومغناطیسی می‌شوند. تفاوت بین ساختارهای فلزی و پلاسماییRF به همین جا ختم نمی‌شود. آنتن‌های پلاسمایی بر خلاف آنتن‌های فلزی دارای خاصیت پیکربندی مجدد هستند و می‌توان با تغییر و کنترل پارامترهای پلاسما، از جمله فرکانس پلاسمایی، فرکانس برخورد و چگالی پلاسما، پارامترهای آنتن از جمله: بهره، الگوی تشعشعی، فرکانس کاری، جهت‌گیری، سطح مقطع راداری را تغییرداد، یعنی نسل جدیدی از آنتن‌های قابل‌کنترل و منعطف. قطعاً سرعت تغییرِ در حد نانوثانیه‌ایِ پلاسما نسبت به سرعت تغییر مکانیکی، و برتری‌های بسیار پلاسما، قابل توجه و برجسته است. همچنین، یک تیوب پلاسمایی می‌تواند در یک زمان نقش آنتن را ایفا کرده و با قطع تحریک، از حالت ارسال و دریافت سیگنال خارج شده و به یک جسم شفاف و غیرقابل‌شناسایی توسط رادار تبدیل شود که این بحث در حوزه‌ی نظامی بسیار قابل توجه است. تا کنون تحقیقات گوناگونی پیرامون تحریک‌های مختلف و اثرات آن بر پارامترهای آنتن‌های پلاسمایی انجام و نتایج آن منتشر شده است که هر کدام برتری‌ها و کاستی‌های مربوط به خود را دارا هستند. برای مثال: در تحریک با موج سطحی (SWD)¹ ناگزیر به استفاده از تقویت کننده‌های فرکانس و توان بالا هستیم. و از طرف دیگر، به دلیل تداخلات EMI حاصل از تحریک پلاسما با این روش، استفاده از فیلترها و تضعیف‌کننده‌های مایکرواستریپ در خروجی پورت سیگنال بسیار با‌اهمیت خواهد بود. اما با وجود تمامی معایب مذکور، این روش قابلیت تغییر سطح ستون پلاسما (با استفاده از یک تقویت‌کننده‌ی توان بالای فرکانس رادیویی با فرکانس تحریک حداکثر یک گیگاهرتز، که با افزایش یا کاهش دامنه‌ی سیگنال تحریک، سطح ستون پلاسما افزایش یا کاهش می‌یابد) و به تبع تغییر فرکانس کاری آنتن رادار است که بسیار قابل توجه و با اهمیت است^[7]. در این میان تحریک با جریان متناوب معایب روش تحریک موج سطحی را برطرف ساخته، اما مزایایی همچون تغییر سطح ستون پلاسما و به تبع آن فرکانس کاری آنتن را دارا نمی‌باشد، زیرا تحریک با استفاده از اعمال جریان متناوب به الکترودهای طرفین تیوب پلاسمایی صورت گرفته و هم‌زمان، کل گاز درون تیوب پلاسمایی تحریک خواهد شد. ما در این پژوهش و در راستای ادامه‌ی پژوهش مرتبط در حوزه تحریک با جریان متناوب که در آن صرفاً از یک دسته فرکانس (فرکانس‌های زیر 100هرتز) و شکل‌موج سینوسی برای تحریک پلاسما استفاده شده که عملاً توانایی تغییر فرکانس و شکل‌موج تحریک را نخواهد داشت^[8]، قصد داریم نوع جدیدی از تحریک با جریان متناوب را پیشنهاد دهیم که در آن با تغییر فرکانس یا شکل‌موج جریان اعمالی با استفاده از یک مدار واسط، پارامترهای آنتن پلاسمایی از جمله: تطبیق، فرکانس مرکزی و پهنای باند تغییر می‌یابند. از طرف دیگر، مصرف توان این روش پیشنهادی بسیار کمتر از روش‌های متداول تحریک متناوب می‌باشد. در بخش 2 به تئوری و پارامترهای پلاسما خواهیم پرداخت. در بخش3 به نتایج شبیه‌سازی آنتن پلاسمایی پرداخته و در بخش 4 روش آزمایشگاهی تست آنتن پلاسمایی با تحریک پیشنهادی توضیح داده شده است. بخش 5 به نتایج حاصل از اعمال شکل‌موج‌های جریان تحریک در فرکانس‌های متغیر بر پارامترهای آنتن می‌پردازد. در نهایت، نتیجه‌گیری نهایی انجام خواهد شد.

.

2- تئوری و پارامترهای پلاسما

پلاسما یکی از چهار حالت اصلی ماده است. پلاسما گاز شبه‌خنثی و یونیزه‌شده‌ای است که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یون‌های مثبت تبدیل شده باشند.

این گاز به شدت یونیزه‌شده تعداد الکترون‌های آزادش تقریباً برابر با تعداد یون‌های مثبت آن می‌باشد.

درجه یونیزاسیون می‌تواند از 100% (گازهای کاملاً یونیزه شده) تا مقادیر درجه پایین (جزیی یونیزه‌شده) متفاوت باشد. پلاسما را می‌توان با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، حرارت‌دهی از طریق امواج رادیویی و تحریک لیزری ایجاد نمود. در این میان، روش الکتریکی خود به دو بخش جریان مستقیم و جریان متناوب تقسیم می‌شود. در حوزه‌ی کاری آنتن‌های پلاسمایی همواره باید توجه داشت که فرکانس پلاسمایی  (ω_pe) با فرکانس عملکرد آنتن (ω) کاملا متفاوت است و باید میان آنها تمایز قایل شد. فرکانس پلاسما اندازه‌گیری میزان یونیزاسیون پلاسماست، در حالی که فرکانس عملکرد آنتن پلاسمایی فرکانسی می‌باشد که در آن، آنتن پلاسمایی ارسال و دریافت انجام می‌دهد. فرکانس پلاسمایی یک آنتن فلزی در محدوده‌ی اشعه ایکس طیف الکترومغناطیسی تثبیت شده یعنی دارای فرکانس پلاسمایی معادل با 30 پتاهرتز تا 30 اگزاهرتز (10¹⁶×30  تا 10¹⁹×30 هرتز) است، اما فرکانس پلاسمایی آنتن پلاسمایی می‌تواند متغیر باشد. پلاسما به عنوان یک محیط حامل بارهای آزاد، نوسانات طبیعی را به وجود می‌آورد که به علت اختلالات دمایی و الکتریکی به وجود می‌آیند. به علت این نوسانات هماهنگ، چگالی الکترون‌ها می‌تواند حول فرکانس زاویه‌ای (ω_pe) نوسان کند^[9]. از آنجا که پلاسما محیطی پاشنده می‌باشد، دارای خواص الکتریکی و مغناطیسی مخصوص به خود است که در تحریک‌های مختلف، هر کدام از این خواص بسته به نوع تحریک بیشتر نمایان می‌شوند. همان طور که اشاره شد، محیط پلاسما از لحاظ خواص الکترومغناطیسی، همگن، غیرخطی و پاشنده می‌باشد و به تبع پارامترهای الکتریکی و مغناطیسی در آن بر حسب فرکانس و عوامل دیگر می‌توانند متغیر باشند و به همین خاطر پلاسما محیطی با خواص ویژه است. بنابراین، پلاسما در برابر موج الکترومغناطیسی تابیده شده با هر فرکانس خاص و در درجه یونیزاسیون‌های گوناگون رفتارهای مختلفی به نمایش می‌گذارد. امواج الکترومغناطیسی با تابش بر پلاسما، پراکنده یا عبور داده می‌شوند^[3,10]. رابطه بین الکترون‌ها و میدان الکتریکی در حالت تحریک با جریان متناوب به شرح زیر است^[8]:

.

.

که در آن F نیروی الکتریکی، ν_e فرکانس برخورد پلاسمایی و سرعت حرکت الکترون تحت میدان E ، e بار الکتریکی الکترون و m جرم الکترون می‌باشد. با این تفاسیر، جریان سطحی داخلی پلاسما توسط رابطه‌ی (4) تعریف می‌شود:

.

.

که در آن n_e چگالی الکترون‌های آزاد در واحد مترمکعب است. توان تخلیه در پلاسما را می‌توانیم به صورت رابطه (5) بنویسیم و گذردهی الکتریکی پلاسما نیز توسط رابطه  (6) توصیف می‌شود:

.

.

که در آن ω_pe فرکانس پلاسمایی و ϒ فرکانس برخورد طبیعی الکترون است. پلاسما در این آزمایش دارای دمای پایین و غیرمتعادل است. به عبارت دیگر، دمای الکترون‌ها بیش از دمای یونهاست^[8]. در نتیجه، فرکانس پلاسمایی طبق رابطه‌ی (7) محاسبه می‌شود. با جای‌گذاری مقادیر بار و جرم الکترون در رابطه‌ی(7)، رابطه‌ی (8) نتیجه خواهد شد. اگر بخواهیم به طور واضح‌تری توضیح دهیم که تأثیر دامنه و فرکانس سیگنال تحریک در پارامترهای پلاسما چگونه است، می‌توان اینگونه گفت که تغییر در فرکانس سیگنال تحریک پلاسما طبق روابط  (3-5) موجب افزایش تحرک وضعی الکترون‌ها شده و به تبع تغییر فرکانس پلاسمایی را به دنبال خواهد داشت^[9]. و از سوی دیگر، افزایش دامنه ولتاژ سیگنال تحریک پلاسما، موجب افزایش نرخ الکترون‌های تحریک‌شده و به تبع سبب افزایش فرکانس برخورد می‌شود^[3]. طبق رابطه‌ی (6) اگر فرکانس موج تابیده‌شده به سطح پلاسما از فرکانس پلاسمایی بیشتر باشد، یعنی ω > ω_pe در این حالت ثابت انتشار (ϒ) در رابطه (9) موهومی خالص شده و پلاسما برای موج مانند یک محیط شفاف نمود پیدا کرده و موج از آن عبور می‌کند. حال اگر فرکانس موج تابیده شده به سطح پلاسما از فرکانس پلاسمایی کمتر باشد، یعنی ω < ω_pe در این حالت، ثابت انتشار حقیقی شده موج از داخل پلاسما  عبور نکرده و پلاسما مانند یک فلز عمل می‌کند^[3].

 

3- شبیه‌سازی آنتن پلاسمایی

درابتدا، به منظور امکان‌سنجی کارکرد مناسب آنتن پلاسمایی به شبیه‌سازی آن با نرم‌افزار CST پرداخته شد. این نرم‌افزار که یکی از نرم‌افزارهای قدرتمند در حوزه شبیه‌ستازی آنتن و مایکروویو می‌باشد، توانایی شبیه‌سازی محیط‌های پاشنده و با خواص ویژه از جمله پلاسما را دارا است. مدلی که در این نرم‌افزار برای شبیه‌سازی پلاسما به کار برده شده، مدل Drude نام دارد. این مدل به منظور ایجاد ساختار پلاسما به دو پارامتر اصلی پلاسما، یعنی فرکانس برخورد و فرکانس پلاسمایی نیاز دارد. شکل‌های (1) و (2) طرح شبیه‌سازی آنتن پلاسما را نمایش می‌دهد.

.

.

.

اطلاعات پارامترهای فیزیکی آنتن، از جمله طول آنتن، ضخامت شیشه‌ی تیوب، ارتفاع کوپلر، ابعاد صفحه زمین، در جدول (1) آمده است. لازم به ذکر است که مقادیر این پارامترها بر اساس مقادیر واقعی لامپ U‌شکل فلوئورسنت 18 وات با عنوان تجاری FPL تعریف شده‌اند.

.

.

در ادامه، با محاسبه‌ی این دو پارامتر با بهره‌گیری از روابط فوق‌الذکر و در مقادیر فرکانسی تحریک مختلف، مقدار فرکانس پلاسمایی را سه مقدار 10⁹×35 هرتز و 10⁹×40 هرتز و 10⁹×46 هرتز و فرکانس برخورد را در هر سه حالت 10⁷×5 هرتز در نظر می‌گیریم. این مقادیر به صورت آزمون و خطا و در بهترین حالت نتایج شبیه‌سازی انتخاب شده است و به دلیل پیچیدگی محیط پلاسما و تفاوت نوع تحریک در حالت واقعی به طور دقیق توسط روابط فوق‌الذکر قابل اندازه‌گیری نیست. شکل (3) پارامتر پراکندگی را برای فرکانس‌های پلاسمایی مختلف نمایش می‌دهد.

.

.

همان طورکه مشاهده می‌شود، آنتن در باند UHF دارای چندین فرکانس رزونانس می‌باشد که با تغییر فرکانس پلاسمایی (ω_pe) مقادیر فرکانس‌های تشدید به سمت فرکانس‌های بالاتر شیفت پیدا می‌کنند، از طرفی با افزایش فرکانس پلاسمایی تطبیق در فرکانس‌های تشدید کاهش می‌یابد که این امر با افزایش فرکانس برخورد (v_e) قابل جبران می‌باشد. در عمل، فرکانس برخورد با افزایش دامنه‌ی ولتاژ اعمالی تحریک پلاسما، افزایش می‌یابد [3]. برای مثال، هنگامی که فرکانس پلاسمایی را برابر با 10⁹×40 در نظر گرفتیم، آنتن پلاسمایی، دارای 4 فرکانس رزونانس 412، 572، 801 و 906 مگاهرتز می‌باشد. الگوی صفحه E و H به همراه الگوی تشعشعی میدان دور آنتن در شکل (4) آورده شده‌اند. در ادامه به بررسی تجهیز آزمایشگاهی و نحوه تغییر پارامترهای پلاسما به منظور تغییر و بهبود پارامترهای آنتن پلاسمایی پرداخته شده است.

.

.

4- پیاده‌سازی آنتن پلاسمایی و مدارات تحریک

در این بخش با توجه به نتایج شبیه‌سازی، به ساخت و طراحی آنتن پلاسمایی و مهم‌ترین بخش آن، یعنی مدار تحریک، پرداخته شده است. برای پیاده‌سازی ساختار تیوب پلاسما، از لامپ‌های FPL به شکل U متداول در بازار با توان 18 وات استفاده شده است که دارای طول مؤثر 5/18سانتی‌متر می‌باشند. از آنجا که آنتن طراحی‌شده تک‌قطبی بوده و احتیاج به صفحه زمین دارد، از یک صفحه‌ی آلومینیومی به ضخامت 1 میلی‌متر و ابعاد 10×10 سانتی‌متر به عنوان صفحه‌ی زمین استفاده شده است. همچنین، تمامی مجموعه درون یک جعبه جاسازی شده است. در شکل (5) می‌توان شماتیک کلی از تجهیز آزمایشگاهی را مشاهده نمود. شکل (6) نمای واقعی از آنتن پلاسمایی را نمایش می‌دهد. البته قابل ذکر است که اندازه‌گیری پارامترهای مدل "درود"، یعنی فرکانس پلاسمایی و فرکانس برخورد در حالت واقعی و بدون دسترسی به پلاسمای داخل تیوب (توسط پروب لانگمویر Langmuir Probe) ممکن نیست. از همین بابت، مقدار دقیق پارامترهای مذکور در تحریک‌های گوناگون متفاوت بوده و تا کنون روش مدون و شفافی برای اندازه‌گیری یا محاسبه آن‌ها ارایه نشده است. از همین رو، در این مقاله نیز مقدار دقیقی را نمی‌توان برای آن‌ها محاسبه نمود و صرفاً پارامترهای آنتن مد نظر قرار می‌گیرد.

.

.

.

1.4- مدارات تحریک و یونیزاسیون پلاسما

از آنجا که تغییر پارامترهای پلاسما به منظور تغییر و بهبود پارامترهای آنتن وابسته به مدارات تحریک می‌باشد و نتایج پژوهش نیز حول همین موضوع است، به طراحی مدار تحریک با چندین قابلیت پرداخت شد. مدار شکل (7) به وسیله‌ی مدار مولتی‌ویبراتور آستابل درونی قابلیت تولید پالس از فرکانس 500 هرتز تا 40 کیلوهرتز را دارا می‌باشد. اما از آنجا که ما قصد آزمایش جریان تحریک با شکل موج‌های مختلف، محدوده فرکانسی وسیع‌تر و در عین حال تغییر ولتاژ و جریان تحریک را داریم، از فانکشن ژنراتور بهره می‌گیریم. با استفاده از کلیدهای تعبیه شده روی جعبه‌ی آنتن، توانایی تغییر حالت مدار تحریک از اعمال شکل موج تحریک داخلی (مولتی ویبراتور آستابل) به شکل موج تحریک خارجی (فانکشن ژنراتور) را خواهیم داشت. ترانزیستور استفاده‌شده نقش بافر را با هدف تأمین جریان تحریک بیش‌تر، ایفا می‌کند.

.

.

برای اعمال شکل موج‌های تحریک خارجی، تنظیم فرکانس و دامنه موج از دستگاه فانکشن ژنراتور بهره گرفته شده است. این مدار نسبت به ولتاژ تغذیه و دامنه شکل موج اعمالی، توانایی تولید ولتاژ خروجی از 500 تا 4000 ولت را دارا است. مقدار جریان خروجی نیز بسته به مقادیر ورودی در حد 10 تا 500 میلی‌آمپر می‌باشد.

.

2,4 - کوپلر سیگنال

از آنجا که دسترسی به پلاسمای درون تیوب برای ارسال و یا دریافت سیگنال‌های رادیویی، همانند آنتن‌های فلزی به طورمستقیم وجود ندارد، ناچار به استفاده از یک کوپلر سیگنال هستیم. این کوپلر تشکیل شده از یک نوار رسانای مسی به ضخامت 1/0 میلی‌متر و عرض 1 سانتی‌متر می‌باشد، که در فاصله‌ی1 سانتی‌متری از پایه‌ی لامپ فلوئورسنت به دور یکی از بازوهای لامپ پیچیده شده است. اتصال مغزی کانکتور SMA به این کوپلر و بدنه‌ی آن به صفحه‌ی زمین متصل شده است. شکل (8) نمایی از یک تست آزمایشگاهی و نحوه اتصالات کوپلر سیگنال و پایانه‌های تحریک می‌باشد.

.

.

5 – آزمایش آنتن پلاسمایی

به منظورآزمایش آنتن پلاسمایی با شکل موج‌ها و فرکانس تحریک‌های مختلف و بررسی اثر آن بر پارامترهای پلاسما و مقایسه‌ی آن با نتایج شبیه‌سازی، از یک دستگاه فانکشن ژنراتور ساخت شرکت EZ-Digital با مدل FG-7005C و به منظور اندازه‌گیری پارامترهای آنتن پلاسمایی از یک دستگاه تحلیلگر برداری شبکه (VNA) قابل حمل ساخت شرکت Agilent با مدل N9912A استفاده شد. پس از اعمال تحریک به لامپ و ثابت نگاه داشتن ولتاژ و جریان ورودی به ماژول و همچنین دامنه‌ی شکل موج، تحریک اعمالی خارجی، پارامتر S₁₁ اندازه‌گیری و نتایج آن ثبت گردید (شکل9).

.

.

شکل (10) نمونه از اندازه‌گیری پارامتر S₁₁ با استفاده از دستگاه VNA را نشان می‌دهد. در ادامه، به بررسی نتایج حاصل از اندازه‌گیری و تغییرشکل موج تحریک اعمالی و فرکانس تحریک پرداخته شده است.

.

.

1,5-  نتایج آزمایش

در ابتدا به بررسی تحریک AC (مربعی، سینوسی و مثلثی) می‌پردازیم. پس از انجام اتصالات و کالیبراسیون دستگاه VNA، با ثابت نگاه داشتن دامنه‌ی موج اعمالی، به تغییرعرض پالس‌ها و اندازه‌گیری گام به گام اثر عرض پالس تحریک بر پارامترهای آنتن پلاسمایی پرداختیم. نتایج کلی را در جدول (2) می‌توان مشاهده نمود.

.

.

به علت اشغال فضای زیاد نتایج در جدول، برخی از مقادیر میانی حذف گردیده‌اند. در ادامه، بدون ایجاد تغییر در اتصالات تحریک و اندازه‌گیری، شکل موج تحریک اعمالی به مدار تحریک را به سینوسی تغییر داده و مجدداً شروع به افزایش گام به گام فرکانس کردیم. نتایج کلی را در جدول (3) می‌توانید مشاهده نمایید. عمال تحریک با موج مثلثی نیز درست مانند حالت تحریک با موج سینوسی انجام شد. نتایج کلی را در جدول (4) می‌توان مشاهده نمود.

.

.

در تحریک AC موج مربعی، فرکانس‌های تحریک زیر 6 کیلوهرتز سبب بالا رفتن دمای ترانزیستور مدار تحریک و تلفات گرمایی بسیار می‌شود. علاوه بر آن، فرکانس‌های تحریک زیر 10 کیلوهرتز سبب نوسانی‌شدن پارامتر شده و شکاف‌های فرکانسی بسیاری را به وجود می‌آورد. با فرکانس تحریک 78/23 کیلوهرتز و در فرکانس رزونانس 12/881 مگاهرتز کم‌ترین نوسان و بهترین تطبیق اندازه‌گیری شد. به منظور داشتن بهترین پهنای باند و نوسانات کم در طیف، فرکانس تحریک 15 کیلوهرتز اندازه‌گیری شد. با بالاتر رفتن فرکانس تحریک از مرز 30 کیلوهرتز، نوسان نمودار S₁₁ کم و تطبیق بهبود (کاهش تلفات برگشتی) می‌یافت. علت تغییر پهنای باند آنتن پلاسمایی در واقع همان تغییر فرکانس پلاسمایی می‌باشد که توسط افزایش و کاهش فرکانس سیگنال تحریک پلاسما ایجاد می‌گرددکه پیشتر نیز بدان اشاره شد. در نمودار شکل (11) می‌توان روند تغییرات پهنای باند در تقابل با فرکانس تحریک را مشاهده نمود.

.

.

در تحریک موج سینوسی، فرکانس‌های تحریک زیر 12 کیلوهرتز سبب بالا رفتن دمای ترانزیستور مدار تحریک و تلفات گرمایی بسیار می‌شود. در این حالت، بهترین فرکانس تحریکی که در آن آنتن در پهنای باند مورد نظر، تطبیق مناسبی داشت، فرکانس 20 کیلوهرتز اندازه‌گیری شد. با زیادشدن فرکانس جریان تحریک از مرز 20 کیلوهرتز، تطبیق بهترشده و افزایش تلفات برگشتی مشاهده شد.

تحریک موج مثلثی، تقریباً شبیه تحریک با موج سینوسی بود، با این تفاوت که دارای نمودار پارامتر S₁₁ نوسانی‌تر و تطبیق نامناسب‌تر می‌باشد. در فرکانس‌های تحریک زیر10 کیلوهرتز، ترانزیستور مدار تحریک به شدت داغ شده و تلفات گرمایی بسیار داشتیم. ولتاژ تحریک نیز برابر با ولتاژ مؤثر موج ورودی از فانکشن ژنراتور بود که برابر با 10 ولت می‌باشد. در این حالت، بهترین فرکانس تحریکی که در آن آنتن در پهنای باند مورد نظر، تطبیق مناسبی داشت، فرکانس 15 کیلوهرتز اندازه‌گیری شد. در نمودار شکل (12) می‌توانید نمونه‌ای از پارامترهای S₁₁ اندازه‌گیری شده در فرکانس‌های تحریک مختلف را مشاهده نمایید. در شکل (13) فرکانس تحریک تثبیت و شکل موج‌های مختلف برای جریان تحریک اعمال شده است.

.

.

طبق آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌ها در شکل (12)، با افزایش ولتاژ تغذیه مدار تحریک و یا دامنه‌ی شکل موج اعمالی، فرکانس‌های تشدید آنتن پلاسمایی جا به جا نشده و تنها تطبیق آن‌ها بهبود می‌یابند، اما با تغییرفرکانس شکل موج اعمالی، پهنای باند آنتن و فرکانس‌های تشدید تغییر می‌یابند. در نتیجه، برای بهبود تطبیق آنتن باید ولتاژ و جریان اعمالی را افزایش داد (که خود موجب تغییر پارامتر فرکانس برخورد می‌شود) و برای جابجایی فرکانس‌های رزونانس و تغییر پهنای باند آنتن باید فرکانس موج تحریک اعمالی (به تبع تغییر پارامتر فرکانس پلاسمایی) را تغییردهیم. از طرفی، همان طور که در شکل (13) مشهود است، پهنای باند و فرکانس‌های رزونانس آنتن با شکل موج‌های تحریک پالسی و مثلثی، بر یکدیگرمنطبق هستند و تنها در تحریک با شکل موج سینوسی تطبیق آنتن نسبت به تحریک با شکل موج مثلثی بهبود یافته. اما تحریک با شکل موج پالسی (مربعی) نه تنها موج بهبود تطبیق شده، بلکه پهنای باند و فرکانس‌های رزونانس آنتن را به سمت فرکانس‌های بالاتر شیفت داده است. البته، همان طورکه قابل مشاهده است، نتایج شبیه‌سازی اندکی با نتایج عملی موافق نیستند. علل این موضوع را می‌توان چنین برشمرد:

• نوع تحریک جدید استفاده شده و فرکانس‌های متفاوت تحریک پلاسما،
• ناتوانی در اندازه‌گیری پارامترهای پلاسما در حالت واقعی و
• ایده‌آل بودن محیط شبیه‌سازی.

از طرفی، همان گونه که پیش‌تر نیز اشاره شد، پلاسما محیط پیچیده‌ای (غیرخطی و پاشنده) بوده و تطابق نتایج شبیه‌سازی و عملی برای آن کار دشواری است. به طور مثال، ریپل‌های موجود در پارامتر اندازه‌گیری شده در شکل‌های (12) و (13) به دلیل متناوب بودن سیگنال تحریک پلاسما می‌باشد که عملاً ایجاد چنین چیزی با استفاده از مدل "درود" در نرم‌افزار شبیه‌سازی غیرممکن است.

.

6- نتیجه‌گیری

درطی مقاله مراحل کامل طراحی یک آنتن پلاسمایی پی‌گیری شد که عبارت‌اند از: شبیه‌سازی با نرم‌افزار CST، پیاده‌سازی آنتن پلاسمایی، مدارات تحریک، طراحی کوپلینگ و در نهایت آزمایش آنتن پلاسمایی که نتایج آن ارایه گردید. تمرکز اصلی این مقاله، سیستم یونیزاسیون و آزمایش تحریک پلاسما با فرکانس و شکل موج‌های مختلف و تأثیرآن‌ها بر پارامترهای آنتن پلاسمایی بود. همان گونه که مطرح شد، پلاسما دارای دو پارامتر اصلی تحت عنوان، «فرکانس برخورد» و «فرکانس پلاسمایی»می‌باشد که با تغییر آن‌ها خواص ماده‌ی پلاسما و به تبع آن بدون تغییر در ساختار فیزیکی، پارامترهای آنتن پلاسمایی تغییر می‌کند. طبق نتایج به دست آمده، تغییر این دو پارامتر وابسته به تغییرفرکانس جریان تحریک پلاسما و مقدار ولتاژ و جریان تحریک اعمال شده است. با افزایش مقدار ولتاژ و جریان تحریک، مقدار تلفات برگشتی کاهش یافته و تطبیق آنتن بهبود می‌یابد، از طرفی با افزایش فرکانس، جریان تحریک پلاسما، پهنای باند و فرکانس‌های رزونانس آنتن به سمت فرکانس‌های بالاتر تغییر پیدا می‌کنند. مزیت دیگر این نوع تحریک، کاهش مصرف توان می‌باشد. تغییر فرکانس جریان تحریک و به تبع آن فرکانس پلاسمایی مزایایی همچون کاهش سطح مقطع راداری آنتن (RCS) و پنهان‌سازی آن دارد که به عنوان حوزه‌ای مهم در مباحث راداری و جنگ الکترونیک می‌باشد.

.

7- مراجع

[1] T.J. Dwyer, J.R. Greig, D.P. Murphy, J.M. Perin, R.E. Pechacek,and M. Raileigh, “On the Feasibility of using an Atmospheric Discharge Plasma as an RF Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 32, pp.141–146, 1984.

[2] H.Ja’afar, M.T. Ali, H.M.Zali, N.A.Halili, “Analysis and Design betweenPlasma Antenna and Monopole Antenna,” IEEE International Symposium on Telecommunication Technologies (ISTT 2012), Kuala Lumpur, Malaysia, 27-28 November 2012.

[3] T. Anderson, “Plasma Antennas,”Artech House-1 edition,2011.

[4] T. Anderson,“Plasma Frequency Selective Surfaces,” 2014 IEEE Antennasand Propagation Society International Symposium , pp. 2096-2097, 2014.

[5] M.A. Liebermanand A.J. Lichtenberg, “Principles of Plasma Discharges and Materials Processing,”New York, Wiley, 1994.

[6] Norris, UsPatent No. 5594456, “Gas Tube RF Antenna,” 1997.

[7] F. Sadeghikia, M.T. Noghani, andM.R. Simard, “Experimental study on thesurface wave driven plasma antenna,”AEU-International Journal of Electronics and Communications,vol. 70, no. 5, pp. 652-656, 2016.

[8] A. Zhu, “Characteristics of AC-biased Plasma Antenna and Plasma Antenna Excited by Surface Wave,” Journal ElectromagneticAnalytical and Application, vol. 4, no. 7, pp. 279–284, 2012.

[9] C. D. Lorrain and P.Brityei, “Electromagnetic Fields andWaves,”USA 2ndedition,John Wiley& Sons, 1976.

[10] W. Xiao-PoandSh. Jia-Ming, “Scattering by Two Parallel Plasma Cylinders,”IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT), Shenzhen, China, 2012.

.

.

نویسندگان:

مجیدتوحیدلو¹، سیدمحمد هاشمی^2*، فاطمه صادقی‌کیا³

1- کارشناسی  2- استادیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی،3- استادیار، پژوهشگاه هوافضا

.

.

مطالب مرتبط:

طراحی و ساخت یک آنتن پلاسمایی در باند VHF

بُرد یک دستگاه رادار چقدر است؟

مقدمه ای بر فن‌آوری آنتن پلاسمایی (آموزش ویدیویی به انگلیسی)

Study and design of reconfigurable antennas using plasma medium

Novel Transmitter Designs for Magnetic Resonance Imaging

Scientific American Article

ساخت یک فرستنده‌ی پرقدرت با مگنترون برای باند 13 سانتی‌متر

.

.

این مقاله با معرفی و پیشنهاد خواننده‌ی محترم، سرکار خانم محدثه، در «اتصال کوتاه» با اندکی حک و اصلاح بازنشر شد

.

.

منبع:

این مقاله در صفحات 13 تا 39 شماره دوم سال هفتم (پاییز و زمستان 1398) نشریه علمی «رادار» منتشر شده است

.

.