.

.

چکیده

در سال‌های اخیر آنتن‌های پلاسمایی به عنوان یک تکنولوژی جدید و کارآمد برای جایگزینی آنتن‌های فلزی همراه با کارآیی بیشتر، طراحی و ساخته شده‌اند. در حالت پایدار، آنتن‌های پلاسمایی با تقریب نزدیکی همان الگوی تشعشعی را خواهند داد که نمونه‌ی آنتن‌های فلزی مشابه آن‌ها با همان شکل در اختیار می‌گذارند. اما با این قابلیت ویژه که با تغییر پارامترهای ماد‌ه‌ی پلاسما می‌توان فرکانس کاری آن را بدون تغییر در طول آنتن تغییر داد. به دلیل پیچیده بودن محیط پلاسما، اکثر این طراحی‌ها تنها بر اساس آزمایش‌های عملی انجام می‌گیرد. در این مقاله برای اولین بار فرآیندی قدم به قدم برای طراحی آنتن پلاسمایی بیان، و بر اساس آن محیط پلاسما و آنتن پلاسمایی شبیه‌سازی شده‌اند. همچنین، طرح بهبود یافته‌ای برای کوپلر آنتن پلاسمایی آورده شده است که علاوه بر انتقال و دریافت سیگنال توسط کوپلر درونی، به علت وجود پوسته‌ی بیرونی آن، هیچ گونه تداخل الکترومغناطیسی با بیرون نخواهد داشت. بر اساس روند طراحیِ بیان شده، شبیه‌سازی آنتن پلاسمایی صورت گرفته و با توجه به عملکرد اولیه‌ی قابل قبول آن در باند VHF، طرح ساخته و پیاده‌سازی عملی گشته و سپس در باند مربوطه تست گردیده است. اندازه‌گیری به دست‌آمده با نتایج،  شبیه‌سازی شده مطابقت نزدیکی داشته و به کاهش تلفات برگشتی آنتن در رزونانس‌های آن منجر شده است.

.

1. مقدمه

در سال 1879 فیزیکدان انگلیسی «سر ویلیام کروکس»، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیه‌ی الکتریکی، پیشنهاد کرد که گازهای یونیزه حالت چهارم ماده هستند[1]. پلاسما گاز شبه‌خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر، می‌توان گفت که واژه‌ی پلاسما به «گاز یونیزه شده‌ای» اطلاق می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یون‌های مثبت تبدیل شده باشند. اغلب گفته می‌شود که 99% ماد‌ه‌ی موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسیته‌داری که اتم‌هایش به یون‌های مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشند. گازهایی که تا حد زیادی یونیزه می‌شوند، رساناهای خوبی برای الکتریسیته هستند[2]. علاوه بر آن، حرکت ذرات باردار گازها هم به نوبه خود می توانند باعث تشعشع میدان الکترومغناطیسی گردند.

ایجاد یک محیط پلاسمایی از راه‌های متعددی ممکن خواهد بود، اما دو روش در این زمینه بسیار مرسوم و کاربردی هستند. اولین و مرسوم‌ترین راه، تخلیه تابناک پلاسما[1] نام دارد. در این روش پلاسمای غیرحرارتی[2] بوسیله‌ی اعمال ولتاژ DC یا اعمال میدان الکتریکی فرکانس پایین RF (کمتر از 100 کیلوهرتز) به فضای خالی بین دو الکترود فلزی ایجاد می‌شود. معمول‌ترین کاربرد این روش در ایجاد پلاسما در لامپ‌های فلورسنت است. روش دوم، حرارت‌دهی با موج[3]  نام دارد. در این روش از امواج RF استفاده می‌شود اما بوسیله‌ی هر دو ابزار الکترواستاتیک و الکترومغناطیس حرارت‌دهی می شود. مثال‌هایی از این روش عبارتند از دشارژ مارپیچی[4]، تشدید الکترونی سیکلوترون[5] و تشدید یونی سیکلوترون[6] [1]. این روش معمولاً نیاز به یک میدان مغناطیسی هم‌مرکز برای انتشار موج دارد.

معیار استاندارد IEEE آنتن را به عنوان وسیله‌ای برای تشعشع یا دریافت امواج رادیویی تعریف کرده است. در سال 1919، آقای هتینگر پیشنهاد داد که گازهای یونیزه (پلاسما) می‌توانند برای دریافت و تشعشع سیگنال بی‌سیم استفاده شوند[3]. آنتن پلاسمایی از یک محفظه‌ی شامل گاز تشکیل شده که با دادن انرژی، گاز موجود در محفظه به پلاسما تبدیل می‌شود[2]. تراکم و چگالی زیاد الکترون‌ها در پلاسما، آن را به یک هادی مناسب برای جریان الکتریسیته تبدیل کرده و پلاسما می‌تواند از خود رفتاری مشابه یک فلز نشان دهد. همان طور که برای فلز، الکترون آزاد نقش عامل تشعشع‌کننده را دارد، در محیط پلاسمایی این نقش را الکترون‌های آزاد شده از یون‌های مثبت ایفا می‌کنند. با این توصیف از سال 1993 پروژه‌های متعددی روی آنتن‌های پلاسمایی توسط تیم‌های مختلف صورت گرفته است[2].

اولین طرح مفهومی[7] در خصوص آنتن‌های پلاسمایی در سال 1997 با ثبت اختراعی با عنوان "آنتن RF با لوله گازی" آغاز گردید[4]. در سال 2002 طرحی با نام آنتن پلاسمایی به ثبت رسید که در آن طرحی جامع با تغذیه با روش امواج سطحی آورده شد[5]. مقالات در زمینه آنتن پلاسمایی از سال 2004 با بررسی ویژگی‌های فیزیکی این آنتن‌ها آغاز گردید[6]. طراحی و آزمایش‌های عملی روی طرح آنتن پلاسمایی با ساخت طرح اولیه‌ای از این آنتن شروع شد و نتایج قابل توجهی روی ویژگی‌های این آنتن به دست آمد[7]. هم‌چنین مقالاتی درباره‌ی نحوه‌ی تغذیه‌ی آنتن پلاسمایی مطرح شد[10،9،8]. مقالاتی هم با تکیه بر ویژگی‌های ماده‌ی پلاسما، مانند طرح آیینه‌ی پلاسمایی که همانند یک رفلکتور عمل می‌کرد، تحقیقات روش‌های عددی بر روی سطح مقطع راداری پلاسما، آنالیزهایی به روش‌های عددی الکترومغناطیس، امپدانس متقابل این آنتن‌ها و پراکندگی از یک آنتن پلاسمایی به چاپ رسیدند[11-17]. سپس مقالاتی در رابطه با این آنتن‌ها داده شد که درباره قابلیت پیکربندی دوباره این آنتن‌ها و آنتن تک‌قطبی پلاسمایی صحبت کرده اند[18،19،20].

از جمله برتری‌های آنتن پلاسمایی نسبت به آنتن فلزی می‌توان به بهبود حساسیت و «جهت‌دارندگی»[8]، امپدانس ورودی قابل کنترل، قابلیت پنهان‌سازی[9]، داشتن درجه آزادی و بیم هدایت شونده، سطح مقطع راداری کم‌تر و نویز حرارتی پایین‌تر اشاره کرد[2]. اما به دلیل پیچیده بودن محیط پلاسما، اکثر این طراحی‌ها بدون تئوری مدون و تنها بر اساس آزمایش‌های عملی انجام گرفته است.

نتایج این طراحی‌ها هم با انجام تست‌های آزمایشگاهی نتیجه‌گیری شده‌ و تاییدی بر اساس شبیه‌سازی‌ها انجام نگرفته است. در این مقاله، برای اولین بار تئوری مدونی برای درک بهتر محیط پیچیده‌ی پلاسما و فرآیندی برای طراحی آنتن پلاسمایی بیان شده و بر اساس آن محیط پلاسما و آنتن پلاسمایی شبیه سازی شده‌اند. از طرفی، بعد از یونیزه شدن لامپ، به یک کوپلرِ RF  برای انتقال یا دریافت امواج الکترومغناطیسی نیاز داریم[2 و 7]. ما در این مقاله طرح جدیدی برای کوپلر این آنتن ها اریه دادیم که علاوه بر انتقال و دریافت سیگنال به توسط کوپلر درونی، هیچ گونه تداخل الکترومغناطیسی (EMI) علت وجود پوسته بیرونی نخواهد داشت.

در ادامه: در بخش 2 با تئوری و پارامترهای پلاسما آشنا می‌شویم و با توجه به پیچیده بودن این محیط، باید روند مشخصی برای طراحی ماده‌ی پلاسمای درون آنتن پلاسمایی شکل داد که به این موضوع پرداخته شده است. در بخش 3 طراحی مفهومی آنتن پلاسمایی، بخش 4 طراحی قدم به قدم آنتن پلاسمایی و در بخش 5 نتایج شبیه‌سازی آنتن پلاسمایی به همراه اثرات تغییر پارامترهای این ماده مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش 6 به طور مفصل پیاده‌سازی آنتن به همراه نحوه ساخت کوپلر و پایه تشریح شده و در نهایت نتایج اندازه‌گیری‌ها آورده شده است.

.

2. تئوری پایه و پارامترهای پلاسما

محیط پلاسما از لحاظ خواص الکترومغناطیسی غیرهمگن، غیرخطی و پاشنده[11] به حساب می‌آید. پارامترهای μ ، σ و ε ، به ترتیب نفوذپذیری مغناطیسی، رسانایی الکتریکی و گذردهی محیط در آن بر حسب فرکانس و عوامل دیگر می‌توانند متغیر باشند و از پلاسما یک محیط ویژه بسازند. در نتیجه، برای هر فرکانس از موج تابیده‌شده و در هر غلظت از یونیزاسیون، یک واکنش خاص در پلاسما روی می‌دهد[21].

امواج الکترومغناطیسی با تابش بر پلاسما، جذب، پراکنده و یا عبور داده می‌شوند. با تغییر پارامترهای اصلی در پلاسما مثل غلظت حامل الکترون و نرخ برخورد الکترون، بخش قابل توجهی از موج می‌تواند در محیط جذب، پراکنده و یا عبور داده شود[17،2]. از خاصیت جذب امواج الکترومغناطیسی پلاسما در بازه‌ی وسیعی از فرکانس برای کاربردهای رادارگریزی استفاده می‌شود[7].

.

استفاده از خاصیت جذب امواج الکترومغناطیسی پلاسما برای کاربردهای رادارگریزی

.

که در آن:

.

فرکانس پلاسما

.

در رابطه (1) wpفرکانس پلاسمایی، w  فرکانس کاری و u فرکانس برخورد الکترون‌ها[10] است. باید توجه داشت که فرکانس پلاسما با فرکانس کاری تفاوت دارد و شخصی که در این حوضه کار می‌کند نباید این دو را یک‌سان فرض کند. فرکانس پلاسما طبق رابطه‌ی (2) با جذر تعداد الکترون موجود در پلاسما[11] (ne) رابطه مستقیم دارد. در این رابطه، e بار الکترون، m  جرم الکترون، و e0  قابلیت گذردهی در خلا است. اما فرکانس کاری ما بسته به کاربرد ما متغیر خواهد بود. هنگامی که wp < w  باشد، ثابت انتشار (g)  موهومی خالص می‌شود (رابطه (3)) و این به این معناست که انعکاسی از محیط پلاسمایی نخواهیم داشت و موج از داخل خود محیط پلاسمایی عبور خواهدکرد، در حالی که اگر  <wp > w باشد، ثابت انتشار حقیقی می‌شود و این به این معناست موج از داخل محیط پلاسمایی عبور نخواهدکرد و محیط پلاسما مشابه فلز عمل می‌کند[2].

.

ثابت انتشار در پلاسما می تواند حقیقی یا موهومی خالص باشد

.

در اکثر مقالات فرکانس برخورد برای لامپ‌های فلورسنت بین یک مگاهرتز تا هزار مگاهرتز اندازه‌گیری شده است[21]. اما برای تعیین فرکانس پلاسمایی، طبق رابطه (2) نیاز به دانستن تعداد الکترون موجود در پلاسما  خواهیم داشت که از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید[22]:

.

برای تعیین فرکانس پلاسمایی باید تعداد الکترون موجود در پلاسما را بدانیم

.

در این رابطه J چگالی جریان، k «ثابت بولتزمن» و Te دمای الکترون است. رابطه نهایی برای فرکانس برخورد نیز به صورت زیر خواهد بود:

.

فرکانس برخورد در پلاسما را در این رابطه بدست می آمورند

.

3.  طراحی مفهومی آنتن پلاسمایی

3-1. محفظه‌ی پلاسمایی

اولین گام در طراحی آنتن پلاسمایی انتخاب یک محفظه‌ی پلاسمایی است. مرسوم‌ترین محفظه‌ی پلاسمایی لامپ‌های فلورسنت و نئون می‌باشند. برای طرح‌های اجرایی به طور عمده از لامپ‌های فلورسنت به دلیل هزینه‌ی پایین، راه‌اندازی و یونیزاسیون آسان، طول عمر بالا و مزایای دیگر استفاده می‌شود.

.

3-2. کوپلر

نکته دوم این که برای انتقال و دریافت سیگنال در این آنتن‌ها نیاز به یک کوپلر می‌باشد. این کوپلر باید انتقال و دریافت سیگنال را بدون تداخل و انعکاس انجام دهد و طوری طراحی شود که به لامپ آسیبی وارد نسازد. این ابزار برای شبیه‌سازی طرح اولیه‌ی آنتن پلاسمایی کافی است که در بخش بعد به آن پرداخته شده است.

.

3-3. راه اندازی

نکته سوم این که آنتن پلاسمایی برای راه‌اندازی ابتدا باید یونیزه شود تا عمل کند، پس نیاز به یک سیستم یونیزاسیون پدیدار می‌شود.

برای یونیزه کردن آنتن راه‌های مختلفی وجود دارد. ساده‌ترین راه، استفاده از یک« واریاک» (اتوترانسفورماتور) و یک ترانسفورماتور است. هم‌چنین، این آنتن‌ها معمولاً نیاز به یک پایه برای نگهداری آنتن و سیستم دریافت و انتقال سیگنال خواهند داشت که به طور کامل در بخش 5 توضیح داده شده است.  شکل 1 نمونه‌ی یک طرح مفهومی آنتن پلاسمایی را نشان می‌دهد.

.

نمونه ای از یک طرح مفهومی آنتن پلاسمایی

.

4. طراحی قدم به قدم آنتن پلاسمایی

اولین گام در طراحی آنتن پلاسمایی انتخاب محفظه پلاسمایی است. ساده‌ترین نوع محفظه پلاسمایی لامپ‌های فلورسنت‌اند. تحلیل ماده‌ی پلاسمای درون لامپ‌های پلاسمایی با مشخص کردن دو پارامتر اصلی این ماده یعنی فرکانس پلاسمایی و فرکانس برخورد ساده خواهد شد. برای به دست آوردن فرکانس پلاسمایی طبق رابطه (2) نیاز به پارامتر N یعنی چگالی الکترون خواهیم داشت که چگالی الکترون از رابطه (4) قابل محاسبه است. در این رابطه J جریان سطحی است.

یک لامپ فلورسنت T8 با توان 20 وات را در نظر می‌گیریم. با اعمال ولتاژ و داشتن توان لامپ طبق روابط (5) و (6) مقدار جریان سطحی به دست خواهد آمد.

.

تعیین مقدار جریان سطحی با داشتن ولتاژ و توان لامپ پلاسما

.

تنها پارامتر مجهول در این رابطه Te می‌باشد. با توجه به مقاله آقای  Ka Hong Loo و همکاران چاپ شده در سال 2004[22]  این پارامتر برای لامپ‌های فلورسنت به صورت نموداری برحسب جریان به دست آمده است. به این ترتیب، به راحتی می‌توان فرکانس پلاسمایی را به دست آورد. فرکانس برخورد نیز از رابطه (5) قابل محاسبه بوده و مقدار آن برای لامپ‌های فلورسنت به طور عمومی بین یک مگاهرتز تا یک گیگاهرتز اندازه‌گیری شده است[22].

حال با توجه به داشتن این دو پارامتر اصلی، می‌توان ماده‌ی پلاسما را تعریف کرد. با تغییر این پارامترها می‌توان نتایجی را مبنی بر رفتار حدودی آنتن به دست آورد که در بخش بعدی به طور مفصل به آن پرداخته خواهد شد.

افزون بر این، این آنتن‌ها نیاز به یک کوپلر برای انتقال یا دریافت سیگنال، بدون تداخل الکترومغناطیسی، خواهند داشت. برای لامپ‌های فلورسنت طرح کوپلر استوانه‌ای به علت وجود پوسته‌ی محافظ بیرونی، که نقش «زمین» را ایفا می کند، طرحی بدون تداخل الکترومغناطیسی و قابل پیاده‌سازی خواهد بود. شکل 2 تصویری کامل از طرح بالا را نمایش می‌دهد. اطلاعات طرح این آنتن در جدول 1 آمده است.

.

مقطع آنتن پلاسمایی و کوپلر استوانه ای و جزییات آنها

.

جزییات آنتن پلاسمای شبیه سازی شده

.

5.  نتایج شبیه سازی

5-1. شبیه سازی ماده‌ی پلاسما

همان طور که گفته شد، پلاسما محیطی پاشنده و دارای پارامترهای پیچیده است، پس شبیه‌سازی این محیط اولین و مهم‌ترین گام در شبیه‌سازی آنتن پلاسمایی است. نرم‌افزار CTS Microwave Studio Suite نرم‌افزاری قوی در حوزه‌ی آنتن و شبیه‌سازی محیط‌های پیچیده است که برای کار شبیه‌سازی انتخاب شده است. برای شبیه‌سازی محیط پلاسمایی در این نرم‌افزار از مدلی به نام مدل درود[12] استفاده می‌کنیم. دو پارامتری که این مدل برای شبیه‌سازی نیاز دارد، فرکانس پلاسمایی و فرکانس برخورد الکترون‌هاست که نحوه‌ی محاسبه‌ی آن‌ها در بخش قبلی ذکر شد.

برای شبیه‌سازی طرح نهایی، با توجه به جریان اعمالی و رابطه (5)، مقدار چگالی الکترون 109×6/6  به دست می‌آید. در نتیجه، مقدار فرکانس پلاسمایی از رابطه‌ی (2) برابر Hz108×46 خواهد شد. هم‌چنین، مقدار فرکانس برخورد برای لامپ فلورسنت Hz107×5  در نظر گرفته شده است.

در شکل 3 نمودار پارامتر پراکندگی[13] S11 این آنتن برحسب دسی‌بل در گام فرکانسی صفر تا 500 مگاهرتز رسم شده است.  این نمودار نتیجه‌ی حل‌کننده‌ی حوزه زمان[14] برنامه‌ی شبیه‌سازی Studio CST Microwave است. بر طبق این شکل، آنتن در فرکانس‌های 95 مگاهرتز و 242 مگاهرتز رزونانس دارد که بیان‌گر عملکرد خوب آنتن در باند VHF است.

الگوی تشعشعی[15] آنتن در این دو رزونانس نیز مشابه یکدیگر  بوده و در شکل 4 آورده شده است. این الگو شامل الگوهای « صفحه‌یE [16]» و «صفحه‌ی H [17] » است.

برای تایید کار شبیه‌سازی باید طرح پیاده‌سازی و تست شود که در بخش 6 به طور مفصل بیان شده است.

.

پارامتر اس 11 آنتن پلاسمایی شبیه سازی شده و الگوی تشعشی آن

.

بررسی تغییر فرکانس برخورد و فرکانس پلاسمایی روی پارامتر اس 11 آنتن

.

5-2.  اثر پارامترهای پلاسما

با مرجع قراردادن طرح شبیه‌سازی شده خود در بخش قبلی، ابتدا پارامتر فرکانس پلاسمایی (wp) جاروب[18] می‌شود. مقدار فرکانس پلاسمایی مرجع Hz108×46  می‌باشد. در چهار مرحله این مقدار کم و زیاد شده تا نتایج روی پارامتر  S11 بررسی شود: دو مرحله کم‌تر از مقدار مرجع و دو مرحله بالاتر از آن. نتایج در شکل 5 آورده شده است.

همان طور که در شکل مشهود است، با کم شدن مقدار فرکانس پلاسمایی، فرکانس‌های رزونانس مرجع به سمت چپ، و با زیاد شدن آن این فرکانس‌ها به سمت راست حرکت می‌کنند. هم‌چنین، هیچ فرکانس رزونانس جدیدی متولد نشده است، فقط اندازه‌ی پارامتر  S11 تغییر یافته است.

حال پارامتر دوم، یعنی فرکانس برخورد، تغییر داده می‌شود. با توجه به طرح مرجع خود، این بار در سه مرحله مقدار فرکانس برخورد تغییر داده شده است تا نتایج پارامتر  S11 بررسی شود: دو مرحله پایین‌تر از فرکانس برخورد و یک مرحله بالاتر از آن. نتایج در شکل 6 قابل مشاهده است.

همان طور که در شکل 6 مشهود است، فرکانس‌های رزونانس تغییری نیافتند. اما نکته‌ی جالب، تغییر اندازه‌ی پارامتر  S11 روی فرکانس‌های رزونانس است. در نتیجه، روی همین آنتن ساده می‌توان با تغییر جریان ورودی که منجر به تغییر چگالی الکترون و در نتیجه فرکانس پلاسمایی و فرکانسِ برخورد می‌شود، رزونانس‌ها را جابجا کرد یا  اندازه‌ی پارامتر S11 آن‌ها را تغییر داد که این کار در آنتن‌های فلزی تنها با تغییر طول میسر است. یعنی بدون تغییر و دست‌کاری در ساختار فیزیکی آنتن می‌توان عملکردهای متمایزی از آنتن پلاسمایی گرفت.

به این ویژگی« قابلیت پیکربندی دوباره[19]» نیز می‌گویند. حال، برای تایید کارهای خود باید طرح شبیه‌سازی شده، پیاده‌سازی شود که در بخش بعد به آن پرداخته شده است.

.

6. پیاده‌سازی آنتن پلاسمایی

با توجه به شبیه‌سازی‌های انجام شده در قسمت قبل، حال می‌توان اقدام به ساخت این آنتن با اندازه‌های شبیه‌سازی شده کرد. همان طور که در بخش قبل گفته شد، از یک لامپ فلورسنت 59 سانتیمتری با توان 20 وات برای ساخت استفاده شده است. علاوه بر این لامپ، ابزار دیگری نیز برای ساخت احتیاج است که به ترتیب زیر توضیح داده می‌شود. مراحل دریافت و انتقال سیگنال توسط آنتن پلاسمایی ساخته شده به تشریح در زیر آمده است.

.

6-1. یونیزاسیون

اولین گام برای انتقال یا دریافت سیگنال، یونیزه کردن لامپ فلورسنت است. برای این کار از دستگاهی به نام واریاک[20] (اتوترانس) 220 ولتی با توان 0/2 KVA استفاده شده است. این واریاک 200 ولت‌آمپری دارای ورودی 220 ولت  AC و قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی بین صفر تا 300 ولت است (شکل 7).

.

شکل ظاهری یک واریاک یا اتوترانسفورماتور

.

خروجی این واریاک برای تست روی 300 ولت تنظیم و به یک ترانس راه انداز لامپ فلورسنت با استارت 24 وات متصل شده است. سپس خروجی این ترانس به دو سر لامپ فلورسنت و به الکترودهای آن متصل شده و با تنظیم ولتاژ خروجی واریاک، لامپ همان طور که در شکل 8 نشان داده شده است، یونیزه می‌شود.

برای جلوگیری از آشفتگی سیم‌ها، ایمنی بیشتر و هم چنین استحکام آنتن، با لوله‌های آب از جنس پلی کربنات پایه‌ای به شکل F طراحی شده که در شکل 9 قابل مشاهده است.

.

یونیزاسیون آنتن پلاسمایی

.

طرح آنتن پلاسمایی

.

جزییات کوپلر استوانه ای ساخته شده از آلومینیوم

.

6-2. تغذیه آنتن پلاسمایی

حال که آنتن پلاسمایی یونیزه شد، برای دریافت و ارسال سیگنال، آنتن نیاز به یک تغذیه مناسب دارد. بر طبق شبیه سازی، یک کوپلر استوانه‌ای به ارتفاع کوپلر 4/7 سانتی‌متر با شعاع 3/3 سانتی‌متر و ضخامت 3 میلیمتر از جنس آلومینیوم مطابق شکل 10 ساخته شده است. برای تغذیه آنتن یک پورت SMA بین استوانه‌ی بیرونی و داخلی لحیم شده است.

.

6-3. تست آنتن پلاسمایی

بعد از یونیزاسیون و تغذیه‌ی آنتن پلاسمایی، همه چیز برای تست آنتن e پلاسمایی آماده است. تست این آنتن با دستگاه  PNA Microwav Network Analyzer 10MHz-67GHz (Agilent E8361C) انجام شده است. باید توجه داشت که به علت خطا در اندازه‌گیری‌ها و تداخل الکترومغناطیسی، مقداری شیفت فرکانسی در فرکانس‌های رزونانس خواهیم داشت. شکل 11 نتیجه‌ی نهایی مقایسه‌ی مقدار اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی را نشان می‌دهد. همان طور که انتظار می‌رفت، مقداری شیفت در فرکانس‌های رزونانس مشاهده می‌شود که ناشی از سیستم اندازه‌گیری، کابل‌ها، خطای ساخت و تاثیرات غیرایده‌آل بودن آن‌ها می‌باشد. به طور کلی، آن چه که از نتایج برمی‌آید، رزونانس‌های آنتن در فرکانس‌های مورد نظر و کاهش تلفات بازگشتی آن می‌باشد که اولین قدم و شرط لازم از جانب آنتن برای پیاده‌سازی یک سیستم مخابراتی مطمئن می‌باشد. افزون بر آن، پارامترهای دیگری چون شدت توان ارسالی/دریافتی و قطبی‌شدگی موج به منظور نایل شدن به یک سیستم با کیفیت بالا، تاثیرگذار می‌باشد.

.

مقایسه ی نتیجه ی مقدارهای انداره گیری شده و شبیه سازی شده

.

مقایسه ی عملی بین نتیجه ی مقدارهای انداره گیری شده و شبیه سازی شده

.

مطلب مهم دریافت سیگنال توسط آنتن پلاسمایی در باند  VHF است که عملکرد مناسب آنتن پلاسمایی در این باند و تطبیق آن با نتایج شبیه‌سازی را نشان می‌دهد. این نکته در شکل 12 نشان داده شده است. تست گیرندگی و دریافت سیگنال در 140 مگاهرتز انجام گرفته و بازه‌ی فرکانسی دستگاه بین 50 تا 150 مگاهرتز تنظیم شده است. در این شکل A واریاک ، B ترانس 24 وات، C الکترودهای لامپ فلورسنت و  D کوپلر سیم پیچی با یک پورت SMA برای دریافت سیگنال نشان داده شده است.

.

7. نتیجه‌گیری

روند طراحی و شبیه‌سازی قدم به قدم آنتن پلاسمایی به همراه کوپلر منحصر به فرد در نرم افزار CST انجام گرفت و نتایج تغییر پارامترها و شبیه‌سازی نهایی آن بدست آمد. طرح آنتن پیاده سازی شده و نتایج اندازه‌گیری با شبیه‌سازی در باند VHF کاملا مطابقت دارد. در طراحی آنتن پلاسمایی می‌توان با تغییر دو پارامتر اصلی ماده‌ی پلاسما یعنی فرکانس پلاسمایی و فرکانس برخورد، به ترتیب فرکانس رزونانس و اندازه‌ی S11 را تغییر داد. در عمل، با تغییر جریان اعمالی می‌توان عملکرد آنتن را بدون دست‌کاری ساختار آنتن، تغییر داد که این کار در آنتن‌های فلزی با تغییر ساختار همراه است.

ساخت این آنتن‌ها نیازمند یک کوپلر مناسب است تا اثرات تداخل الکترومغناطیسی در آن دیده نشود. کوپلر استوانه‌ای طراحی شده در این مقاله علاوه بر تحقق ساختن این اصل، قابلیت پیاده‌سازی راحت‌تری نیز دارد. استفاده از آنتن‌های پلاسمایی به صورت آرایه‌ای نیز مزیت بالایی را در جنگ الکترونیک حاصل می‌آورد که به عنوان سرفصلی برای ادامه توسط این گروه تحقیقاتی ارایه خواهد گشت.

.

.

8. مراجع

[1] Outerbridge, A. E., Jr., "A Fourth State of Matter", Journal of the Franklin Institute of the State of Pennsylvania, vol. 81, 1881.

 

[2] Anderson, T., “Plasma Antennas”. Artech House, 2011

 

[3] Hettinger, J., Us Patent No. 1309031, “Aerial Conductor for Wireless Signaling and other Purposes”, 1919.

 

[4] Norris, Us Patent No. 5594456, “Gas Tube RF Antenna”, 1997.

 

[5] Harris, Us Patent No. 6492951, “Plasma Antenna”, 2002. [6] Rayner, J. P., Whichello, A. Ph., and Cheetham, A. D., "Physical Characteristics of Plasma Antennas", IEEE Transactions On Plasma Science, vol. 32, no. 1, Feb. 2004.

 

[7] Alexeff, I., Anderson, T., Parameswaran, S., Pradeep, E. P., Hulloli, J., and Hulloli, P., "Experimental and Theoretical Results with Plasma Antennas", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 34, no. 2, Apr. 2006.

 

[8] Chung, M., Chen, W., Y. Yu and Z. Y. "Properties of Dc-Biased Plasma Antenna", International IEEE Symposium, 21-24 Apr. 2008, Nanjing, China.

 

[9] Zhu, A., Chen, Z., Lv. J., Liu. J., "Characteristics of AC Biased Plasma Antenna excited by Surface Wave", Journal Of Electromagnetic Analysis And Applications, Vol. 4, pp. 279-284, 2012.

 

[10] Russo, P., Primiani, V. M., Cerri, G., De Leo, R., Vecchioni, E., “Experimental Characterization of a Surfaguide Fed Plasma Antenna” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 59, pp. 425-433, Feb. 2011.

 

[11] Mathew, J., Mege, R. A., Gregor, J. A. , Murphy, D. P., Pechacek, R. E., Fernsle, R. F. , and Manheimer, W. M., "Electronically Steerable Plasma Mirror", IEEE International Symposium, 15-18 Oct. 1996, VA, US.

 

[12] Yu, Z., Zbang, Z., Zhou, L., Hu, W., "Numerical Research on the RCS of Plasma", 6th IEEE International Symposium of Antennas, Propagation and EM Theory, 2003, Beijing, China.

 

[13] Yan1, M., Shao, K. R., Hu, X.W., Guo, Y., Zhu, J. , and Lavers, J. D., "Z-Transform-Based FDTD Analysis of Perfectly Conducting Cylinder Covered with Unmagnetized Plasma", IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 43, No. 6, June 2007.

 

[14] Luo, F. and Hu, B.J., "FDTD Analysis for Radiated Performance of a Cylinder Plasma Antenna", 8th International Symposium Antennas, Propagation and EM Theory, 2008, Kunming, China.

 

[15] Sh, X., Li and Hu, B.J., "FDTD Analysis of a Magneto-Plasma Antenna with Uniform or Nonuniform Distribution", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 9, 2010.

 

[16] Yin, B., Yang, F., Wang, B. , H. Hao, "Mutual Impedance of Plasma Antennas", 8th International Symposium Antennas, Propagation and EM Theory, 2011, Wuhan, Chin

 

[17] W. Xiao-Po, Sh. Jia-Ming, "Scattering by Two Parallel Plasma Cylinders", IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), 2012, Shenzhen, China.

 

[18] R. Kumar, and D. Bora, "A Reconfigurable Plasma Antenna", Journal of Applied Physics, 2010.

 

[19] L. Wei, Q. Jinghui, L. Shu, S. Ying, "Analysis and Design of Plasma Monopole Antenna", 6th International Conference on Communications and Networking (ICCN), 2011, China.

 

[20] H. Ja’afar, M.T. Ali, N.A Halili, H.M. Zali, and A. N Dagang, "Analysis and Design between Plasma Antenna and Monopole Antenna", IEEE International Symposium Telecommunication Technologies (ISTT), 2012, Kuala Lumpur, Indonesia.

 

[21] W. Jiayin, Sh. Jiaming, W. Jiachun, and X. Bo. "Study of the Radiation Pattern of the Unipole Plasma Antenna". IEEE International Symposium on Antennas, propagation, and EM Theory, 2006, Guilin, China.

 

[22] K.H. Loo, G. J. Moss, R. C. Tozer, D. A. Stone, M. Jinno, and R. Devonshire, "A Dynamic Collisional-Radiative Model of a Low-Pressure Approach to Modeling Fluorescent Lamps for Circuit Simulations". IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 19, No.4, 2004

.

.

پژوهشگران و نویسندگان:

پیام درویش1 ، بیژن ذاکری2، امین گرجی3

1- کارشناسی ارشد  2- استادیار  3-کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

.

.

منبع:

مجله علمی-پژوهشی «رادار»

سال دوم، شماره زمستان 1393

.

.

مطالب مرتبط:

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

Plasma Antenna for MRI

.

.

پانویس‌ها:

[1] Glow Discharge Plasma

[2] Non-Thermal

[3] Wave Heated Plasma

[4] Helicon Discharge

[5] Electron Cyclotron Resonance (ECR)

[6] Ion Cyclotron Resonance(ICR)

[7] Conceptual Design

[8] Directivity

[9] Stealth

[10] Collision Frequency

[11] Electron Density

[12] Drude Model

[13] Scattering Parameter

[14] Time-Domain Solver

[15] Radiation Pattern

[16] E Plane

[17] H Plane

[18] Sweep

[19] Reconfigurability

[20] Variac

.

.