این است که پاسخ فرکانسی ساختاری با این اجزاء با تغییر زاویه تابش، تغییر چندانی نداشته باشد. همچنین، جداسازی باند^[۸]، گذر سریع بین دو باند است. با توجه به توضیحات مفصلی که در [۱] داده شده است، برای کاربردهایی با پهنای باند بزرگ، عناصر حلقوی به دلیل پایدار بودن در برابر زاویه تابش و کوچک بودن ابعادشان بر حسب طول موج مناسب­ترین و عناصر گروه سوم (صفحه­ای­ها) نامناسب­ترین هستند.

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۲-۱-۱-۲ ضریب هدایت اجزاء
وقتی یک موج الکترومغناطیسی به سطح انتخابگر فرکانس می­تابد جریان­های الکتریکی روی سطح اجزای
هادی القا می­شوند. این جریان­های القا شده باعث تشعشع دوباره امواج الکترومغناطیسی از سطح اجزای هادی می­ شود. سطوح انتخابگر فرکانس بسته به شکل اجزای بکار رفته در ساختارشان، می­توانند به صورت سلف و خازن ذخیره کننده انرژی در یک مدار الکتریکی مدل شوند.
اگر اجزای هادی در ساختار دارای تلفات باشند، عملکرد سطح انتخابگر فرکانس تحت تاثیر قرار می­گیرد. همانطوری که در شکل ۲-۴ نشان داده شده است، برای سطح انتخابگر فرکانسی با اجزای حلقوی مربعی، رسانایی جزء هادی با یک مقاومت در مدار معادل مدل می­ شود. هر چه مقدار این مقاومت افزایش یابد، تضعیف در فرکانس تشدید کاهش می­یابد تا جایی که سطح انتخابگر فرکانس خصوصیات انتخاب فرکانسی خود را از دست می­دهد. بنابراین انتخاب مواد با رسانایی متفاوت، منجر به سطوح انتخابگر فرکانس متفاوتی می‌شود.
۲-۱-۱-۳ زیر لایه دی الکتریک
دی الکتریک و صفحه حاوی اجزاء هادی به دو صورت در یک ساختار قرار می­گیرند: (الف) سطح انتخابگر فرکانس بین لایه­ های دی الکتریک قرار داده شود و (ب) زیر لایه دی الکتریک در یک طرف سطح انتخابگر فرکانس قرار داده شود (شکل ۲-۵). مقدار خازن در مدار معادل سطوح انتخابگر فرکانس با ثابت دی الکتریک زیر لایه ­ها تغییر می­ کند، در نتیجه فرکانس تشدید F_r تحت تاثیر قرار می­گیرد. برای هر دو حالت (الف و ب)، فرکانس تشدید با ضریب کاهش می­یابد که ثابت دی الکتریک موثر است. اگر ضخامت لایه­ های دی الکتریک بیشتر از ۰۵/۰ طول موج الکتریکی محیط باشد، برای حالت (الف) برابر با و برای حالت (ب) برابر با است [۱]. اگر ضخامت زیرلایه کمتر از ۰۵/۰ طول موج الکتریکی محیط شود، تابعی غیرخطی از ضخامت زیرلایه می­ شود که این باعث حساسیت F_r به ضخامت زیرلایه می­گردد.
شکل ۲-۴ تاثیر مقاومت بر عملکرد سطح انتخابگر فرکانس با اجزای حلقوی مربعی، Z0 امپدانس مشخصه خط انتقال است [۲]
شکل ۲-۵ سطح انتخابگر فرکانس (الف) در داخل و (ب) روی لایه دی الکتریک [۲]
۲-۱-۱-۴ زاویه تابش موج مسطح
وقتی موجی به طور مایل به یک سطح انتخابگر فرکانس با نوارهای هادی‌ای که به صورت متناوب با W از هم جدا شده اند، می تابد (شکل ۲-۶). فاصله موثر بین هر دو نوار متوالی (و همینطور پهنای هر نوار) با ضریب cosθ کاهش می یابد [۲]. ابعاد موثر جزء با این تابش، مایل به نظر می­رسند و از این رو جریان القایی روی هر نوار نیز متفاوت از زمانی است که موج به طور عمود به سطح می­تابد، در نتیجه پاسخ سطح انتخابگر فرکانس تغییر می­ کند. این تغییر باعث می شود که مقدار سلف و خازن در مدار معادل تابعی از زاویه تابش شود. بنابراین فرکانس تشدید تابعی از θ می شود.
شکل ۲-۶ فاصله طراحی شده بین اجزا با یک سیگنال تابشی مایل [۲]
۲-۱-۲ جلوگیری از لوب ساینده
اگر یک موج مسطح یکنواخت با زاویه η به سطح یک ساختار متناوب یک بعدی با دوره تناوب D_x تابیده شود، جریان­­هایی روی سطح عناصر هادی القا می­ شود. در یک آرایه بی­نهایت، دامنه جریان هر عنصر یکسان است در حالی که تاخیر فازی معادل با sinη D_x β در هر عنصر نسبت به عنصر مجاورش ایجاد می­گردد. این جریان­ها سبب تشعشع میدان­های پراکندگی در جهت جلو (انتقال) و پشت (انعکاس) ساختار می­شوند. اگر فاصله بین عناصر کم باشد، تاخیر فاز از یک عنصر به عنصر دیگر بسیار کم است. بنابراین تشعشع میدانهای همه عناصر در یک جهت می­باشند. اگر فاصله بین عناصر زیاد باشد، میدان­ها ممکن است در جهات مشخص دیگری مثل _gη مطابق شکل ۲-۷ نیز منتشر شوند که این امواج لوب­های ساینده نامیده می­شوند. با در نظر گرفتن لوب ساینده، اختلاف فاز هر عنصر نسبت به عنصر مجاورش به اندازه (_gη sin+ sinη)D_x β می­ شود که در این رابطه =β است که طول موج الکتریکی محیط می­باشد. اگر این اختلاف فاز برابر با ضریب صحیحی از π۲ شود، لوب ساینده منتشر می­ شود که در این حالت زاویه لوب ساینده برابر است با:
(۲-۱)
که در این رابطه c سرعت نور و F فرکانس موج تابشی است. بنابراین زاویه لوب ساینده به دوره تناوب و زاویه تابش وابسته است. در نتیجه برای جلوگیری از تشکیل لوب ساینده دوره تناوب را کوچکتر از نصف طول موج انتخاب می­کنیم [۱، ۳].
شکل ۲-۷ انتشار لوب ساینده در جهت _gη [۱]
۲-۲ تحریک سطوح انتخابگر فرکانس
هر آرایه متناوب را می­توان به دو روش تحریک کرد: با یک موج مسطح یکنواخت ، همانطوری که در شکل ۲-۸-الف (آرایه غیر فعال) نشان داده شده است و یا با مولدهای متصل شده به هر جزء در ساختار، بصورتی که در شکل ۲-۸-ب (آرایه فعال) نشان داده شده است. در مورد اخیر، بدلیل متناوب بودن ساختار، مولدهای ولتاژ وصل شده به هر جزء باید دامنه یکسان و تغییر فاز خطی در طول آرایه داشته باشند.
در آرایه­های غیر فعال، بخشی از موج تابشی در جهت مستقیم منتقل می شود () و بخشی نیز منعکس می شود (). ضریب انعکاس(Γ) و ضریب انتقال (τ) اینگونه تعریف می شوند [۱]:
(۲-۲)
(۲-۳)
۲-۳ آرایه های مکمل
قبل از اینکه به بحث آرایه­های مکمل بپردازیم، ساختارهای دیگری را معرفی می­کنیم. در این ساختارها به جای استفاده از آرایه­ای با اجزاء دوقطبی با جریان الکتریکی، می­توان از آرایه­ای با اجزاء شکاف با جریان مغناطیسی استفاده کرد. همانطور که قبلا اشاره شد، این نوع از آرایه­ها نیز می توانند به دو صورت فعال و غیر فعال تحریک شوند. تفاوت اساسی بین حالت­های دوقطبی و شکاف این است که در حالت اول جریان­های الکتریکی روی سیم­-
شکل ۲-۸ ساختارهای متناوب هادی­ها با (الف ) حالت غیرفعال، (ب) حالت فعال [۱]
های دوقطبی تحریک می­شوند در صورتی که در حالت شکاف در تئوری ما، جریانهای مغناطیسی را تحریک می­کنیم ولی جریان­های مغناطیسی در عمل وجود ندارند. بنابراین به جای جریان مغناطیسی از رابطه­ای که معادل با این جریان­ها است، استفاده می­کنیم:
(۲-۴) × =
در رابطه بالا، شدت میدان الکتریکی روی شکاف­ها و بردار واحد عمود بر سطح ساختار است. اگر میدان الکتریکی در دوقطبی و میدان مغناطیسی در شکاف را با هم مقایسه کنیم، خواهیم دید که این دو حالت کاملا شبیه به هم و مکمل‌ هم هستند.
حال به بحث آرایه های مکمل می پردازیم. آرایه های مکمل، آرایه­هایی با اجزاء دوقطبی و شکاف با شکل­هایی شبیه به هم هستند که اگر این دو آرایه را روی هم قرار دهیم تشکیل یک صفحه هادی کامل می­ دهند. نمونه ­ای از این آرایه­ها، در شکل ۲-۱ نشان داده شده است. اگر صفحه هادی نازک و ساختار بدون زیر لایه دی الکتریک باشد، ضریب انتقال یک ساختار برابر ضریب انعکاس ساختار دیگر می­ شود [۱]. این، یک نمونه ساده از قضیه بابینت^[۹] است.
طراح برای اینکه از آرایه­های مکمل استفاده کند اول از همه باید به این نکته توجه کند که صفحه هادی باید یک هادی کامل با ضخامت خیلی نازک، معمولا کمتر از یک ده­هزارم طول موج، باشد. اگر صفحه هادی ضخیم­تر باشد، پهنای باند آرایه دوقطبی بزرگتر و پهنای باند آرایه شکاف کوچکتر خواهد شد [۱]. اگر یک لایه نازک دی الکتریک به ساختار اضافه شود، فرکانس تشدید برای هر دو آرایه دوقطبی و شکاف پایین­تر خواهد آمد، اما برای یک دی الکتریک ضخیم­تر از یک چهارم طول موج، دو آرایه رفتار کاملا متفاوتی از خود نشان خواهند داد.
۲-۴ چگونگی تشکیل منحنی تشدید
برای اینکه ما به یک منحنی تشدید با قله تخت و شیب بیشتر دسترسی پیدا کنیم دو روش وجود دارد:
استفاده از دو یا چند ساختار متناوب و بدون لایه دی الکتریک که پشت سر هم قرار داده شده اند.
استفاده از لایه دی الکتریکی که بین ساختارهای متناوب قرار داده شده است [۱].
۲-۴-۱ سطوح متناوب پیاپی بدون دی الکتریک
این ساختار با آرایه­هایی از شکاف در شکل ۲-۹ نشان داده شده است. در منحنی انتقال مشاهده می­ شود که استفاده از دو صفحه متناوب باعث شده، پاسخ فرکانسی دارای قله تخت­تر و شیب بیشتری شود.
۲-۴-۲ یک سطح متناوب با لایه های دی­الکتریک
نمونه‌ای از این ساختار در شکل ۲-۱۰ نشان داده شده است. این ساختار صفحه متناوبی است که بین دو لایه دی الکتریک با ضخامت و ثابت دی الکتریک یکسان قرار داده شده است. پهنای باند پاسخ فرکانسی این ساختار نسبت به ساختار بدون لایه دی الکتریک پهن­تر است ولی پاسخ فرکانسی نسبت به حالت قبل قله تخت نخواهد داشت. بنابراین طراح باید مصالحه­ای بین تخت بودن و پهن بودن پاسخ انجام دهد.
شکل ۲-۹ ساختار متناوب پیاپی [۱]
شکل ۲-۱۰ ساختار صفحه متناوب با دو لایه دی الکتریک و منحنی انتقال این ساختار [۱]
۲-۵ کاربردهای سطوح انتخابگر فرکانس
سطوح انتخابگر فرکانس کاربردهای گسترده و متنوعی در نواحی متفاوت فرکانسی دارند. برای نمونه در ناحیه مایکروویو برای طراحی ردوم^[۱۰] ها از این سطوح استفاده می­ کنند. این سطوح می­توانند برای یک باند میان گذر امواج را از خود عبور دهند و در خارج این باند کاملا به صورت یک منعکس کننده رفتار کنند. در محدوده فرکانس­های بالای مادون قرمز^[۱۱] این سطوح متناوب به عنوان قطبی کننده^[۱۲]، جدا کننده پرتو^[۱۳] به کار می­رود. یک قطبی کننده از یک شبکه پراش ساخته شده که میدان­های با قطبش موازی به شبکه را باز می­تاباند و میدان­های با قطبش عمودی را منتقل می­ کند. این قطعه در فرکانس­های مادون قرمز نزدیک ^[۱۴] به عنوان سطوح انتخابگر خورشیدی برای جمع آوری انرژی خورشیدی به کار می­رود [۴].
۲-۵-۱ کاهش تداخلات الکترومغناطیسی
امروزه برای کم کردن تداخل امواج الکترومغناطیسی بین محیط داخل و محیط خارج از عایق­های الکترومغناطیسی استفاده می­ شود. این عایق­ها برای مکان­هایی که انتقال نور از محیط بیرون به محیط داخل وجود ندارد، به صورت ورقه‌های فلزی در فرکانس‌های پایین (فرکانس­های رادیویی) و به صورت ورقه­هایی از جنس فریت در فرکانس­های بالا (فرکانس­های مایکرویو) مورد استفاده قرار گرفته­اند. عملکرد این نوع عایق­ها برای محیط­هایی مثل ساختمان­ها، که دارای پنجره­هایی از جنس شیشه هستند و انتقال نور از محیط بیرون از طریق این پنجره­ها وجود دارد، مناسب نیست. بنابراین برای کاهش تداخل امواج الکترومغناطیسی با در نظر گرفتن انتقال نور از محیط بیرون، باید از فیلتر استفاده شود. عایق­های الکترومغناطیسی کاربردهای زیادی دارند از جمله این کاربردها، حفاظت محیط­های زندگی از تشعشعات ایستگاههای رادیویی محیط بیرون وکاهش تداخلات متقابل بین وسایل الکترونیکی را می­توان نام برد.
عایق تداخل الکترومغناطیسی^[۱۵] باید به شکل یک فیلتر انتخابگر فرکانس عمل کند تا هر گونه ارتباط بین محیط محافظت شده و بیرون را حذف کند. شکل ۲-۱۱ تضعیف حاصل از دیوارهایی با جنس­های متفاوت در باند فرکانسی

شکل ۲-۱۱ تضعیف دیواربا ضخامت ۳۵ سانتی متر، با انواع متفاوت
مواد : سیمان، آجر، سنگ، در مقایسه با شیشه به ضخامت ۱ سانتی متر [۵]
بین GHz5/0 و GHz6 را نشان می­دهد. همانطور که در شکل مشاهده می­ شود، تضعیف حاصل از دیواری از جنس شیشه نسبت به دیوارهای دیگر کمتر است. بنابراین دیوارهای ساختمان تا حد مناسبی تشعشعات را تضعیف می­ کنند ولی وجود پنجره­هایی از جنس شیشه درساختمان، این تشعشعات را به خوبی تضعیف نمی­کند. بنابراین باید از عایق الکترومغناطیسی انتخابگر فرکانس در مکان­هایی که شیشه وجود دارد، استفاده شود. در سال­های اخیر، برای کاهش تداخلات شبکه ­های مخابراتی بی­سیم از سطوح انتخابگر فرکانس خازنی به عنوان فیلتر میان­نگذر استفاده شده است [۵].