پایان نامه برق (مخابرات-میدان): تحلیل و شبیه‌سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس‌های تراهرتز

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق گرایش برق-مخابرات

با عنوان :تحلیل و شبیه‌سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس‌های تراهرتز

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

پایان‌نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق مخابرات (گرایش میدان)

 

عنوان پایان‌نامه:

تحلیل و شبیه‌سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس‌های تراهرتز

Analysis and Simulation of Metamaterial Reflectarray Antenna at Terahertz Frequencies

 

 

استاد راهنما:

دکتر علیرضا یاحقی

 

آذر ماه 1393

 

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

 

تحلیل و شبیه سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس تراهرتز

 

به کوشش

سیده سپیده هاشمی

در سال‌های اخیر آنتن آرایه انعکاسی میکرواستریپ توجه زیادی را به خود جلب کرده و توسط بسیاری از محققان مورد مطالعه قرار گرفته است. به این دلیل که این آنتن ویژگی‌های برجسته آنتن آرایه و آنتن بازتابنده را ترکیب کرده است. ویژگی‌هایی مثل سطح مسطح، وزن کم و هزینه ساخت پایین، آنتن‌های آرایه انعکاسی میکرواستریپ را جایگزین خوبی برای آنتن‌های قدیمی انعکاس‌دهنده سهموی در کاربردهای راداری و سیستم ماهواره کرده است. اشکال آنتن‌های آرایه انعکاسی پهنای باند باریک است، که این پهنای باند باریک ناشی از طبیعت باند باریک رویه‌های میکرواستریپی و تفاوت شعاعی تاخیر فاز بین منبع تغذیه و عناصر در آرایه است.

طراحی آنتن‌های آرایه انعکاسی عمدتاً براساس منحنی فاز انعکاسی است. این منحنی نشان‌دهنده رابطه یک به یک فازها با پارامترهای هندسی عناصر است که فاز انعکاسی عناصر را کنترل می‌کند. تعداد زیادی عناصر رزونانسی برای بدست آوردن تغییرات فاز انعکاسی مطلوب به کار برده شده‌اند.

در این پایان‌نامه نیز، روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی برای طراحی عناصری که دارای منحنی فاز خطی و همچنین تلفات پایین باشند استفاده شده است. با ترکیب روش بهینه‌سازی و نرم‌افزارهای تجاری شکل مناسب هر سلول بدست آمد. در این ساختار بهینه‌شده، پهنای باند آنتن به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

 

واژگان کلیدی: آنتن آرایه انعکاسی، الگوریتم تپه‌نوردی تصادفی

 

                                           فهرست مطالب

عنوان                                                                                 صفحه

فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………..2

  • آنتن آرایه انعکاسی……………………………………………………………….2
  • فراماده……………………………………………………………………………..4

1-2-1- محدوده تراهرتز و فرامواد تراهرتز……………………………………5

1-2-2- سطوح فرکانس گزین…………………………………………………..8

  • الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی………………………………………………9
  • پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش……………………………………..10

 

فصل دوم: آنتن‌های آرایه انعکاسی………………………………………………….14

  • مقدمه‌ای بر آنتن‌های آرایه انعکاسی……………………………………………14
  • معرفی آنتن آرایه انعکاسی………………………………………………………14
  • مزایای آنتن آرایه انعکاسی………………………………………………………16
  • نقطه ضعف‌ آنتن آرایه انعکاسی…………………………………………………18

2-4-1- محدودیت پهنای باند عناصر……………………………………..18

2-4-2- محدودیت پهنای باند با تاخیر فاز شعاعی تفاضلی…………….18

  • تکنیک‌های آنالیز آنتن…………………………………………………………..20
  • بررسی تکنیک‌‌های آنالیز………………………………………………………..24

 

فصل سوم: الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی…………………………28

  • مقدمه و معرفی روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی………………………….………………..28
  • الگوریتم تپه‌نوردی…………………………………………..……………………….…..31
  • فلوچارت تپه‌نوردی………………………………………………………………………..32

 

 

فصل چهارم: روش‌های افزایش پهنای باند و خطی شدن نمودار تغییرات فاز………………………………………………………………………………………………….34

  • محدودیت پهنای باند توسط عناصر آرایه انعکاسی……………………………………34
  • عناصر شیفت‌دهنده فاز پهن‌باند………………………………………………….…….38
  • رویه‌های تزویج روزنه‌ای…………………………………………………………………38
  • رویه‌های انباشته با ابعاد متغیر………………………………………………………….43
  • عناصر آرایه انعکاسی دیگر برای بهبود پهنای باند…………………………………….47

فصل پنجم: معرفی ساختار و روش انجام تحقیق و نتایج………………………………51

  • اصول طراحی……………………………………………………………………………..51
  • رویه و ویژگی‌هایش………………………………………..…………………………….52
  • طراحی و شبیه‌سازی آرایه انعکاسی…………………………………………………….56
  • افزایش پهنای باند عنصر آرایه انعکاسی با استفاده از روش چندلایه کردن…………59
  • طراحی سطوح فرکانس گزین برای هر یک از عناصر…………………………………60
  • نتایج………………………………………………………………………………………..64
    • رویه‌های با ابعاد متغیر………………………………………………………………64
    • رویه‌های با ابعاد یکسان……………………………………………………………..69

فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات…………………………………………..73

  • نتیجه‌گیری………………………………………………………………………………..74
  • پیشنهاد برای کارهای آتی……………………………………………………………….75

 

فهرست منابع………………………………………………………………………………76

 

 

 

 

 

فهرست شکل‌ها

عنوان                                                                                 صفحه

شکل ‏1‑1- آنتن آرایه انعکاسی 4

شکل ‏1‑2- باند تراهرتز و نواحی همسایه‌ آن. باند تراهرتز تقریبا بین فرکانس 1/0 تا 10 تراهرتز تعریف       می‌شود، قسمت‌های بالایی و پایینی آن به ترتیب با نواحی متداول EHF مایکرویو (موج میلیمتری) و فروسرخ هم‌پوشانی دارد. 5

شکل ‏1‑3- چند سلول فراماده تراهرتز 7

شکل ‏2‑1- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسی 14

شکل ‏2‑2- عناصر مختلف بکار برده شده در آنتن‌های آرایه آنعکاسی. (a) رویه‌های یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر. (b) دوقطبی با ابعاد متغیر یا حلقه. (c) رویه‌هایی با ابعاد متغیر. (d) رویه‌های با خطوط تاخیر فاز بطول یکسان با چرخش با زاویه‌های مختلف 15

شکل ‏2‑3- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیر 15

شکل ‏2‑4- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی 19

شکل ‏2‑5- هندسه آنتن آرایه انعکاسی چاپی 22

شکل ‏2‑6- عناصر تغییر فاز در آرایه انعکاسی چاپی. (a) رویه‌های مستطیلی با استاب‌های متصل. (b) رویه‌های مستطیلی با سایز متغیر 23

شکل ‏3‑1- فلوچارت تپه‌نوردی 32

شکل ‏4‑1- پاسخ فاز برای رویه‌های با استاب متصل. (a) عنصر. (b) فاز برای تابش عمود بر حسب طول استاب (t=1.59 mm , =3.2) 36

شکل ‏4‑2- تغییر فاز در تابش عمود برای یک آرایه متناوب از رویه‌های مربعی روی یک زیرلایه زمین‌شده بر حسب ضلع رویه در سه فرکانس = =14mm, t=1mm, =1.05 )) 36

شکل ‏4‑3- نمای جانبی آرایه انعکاسی قرار گرفته بر روی یک انعکاس‌دهنده سهموی 37

شکل ‏4‑4- عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای. (a) نمای گسترده (b) تاخیر فاز بر حسب طول خط 39

شکل ‏4‑5- نمودار تاخیر فاز بر حسب طول خط عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای شبیه‌سازی شده 40

شکل ‏4‑6- سلول واحد بر اساس خط تاخیر تزویج روزنه‌ای U شکل 40

شکل ‏4‑7- نمودار فاز بر اساس طول دو قطبی برای حالت U شکل 41

شکل ‏4‑8- نمودارهای بدست آمده از شبیه‌سازی برای حالت ‌U شکل 42

شکل ‏4‑9- عنصر آرایه انعکاسی دو لایه با رویه‌های با ابعاد متغیر. (a) سلول متناوب، (b)تغییر فاز بر حسب ضلع رویه (( , , , , ….. 44

شکل ‏4‑10- نتیجه مقاله 45

شکل ‏4‑11- نتیجه شبیه‌سازی 45

شکل ‏4‑12- نتیجه شبیه‌سازی 46

شکل ‏4‑13- نتیجه مقاله 46

شکل ‏4‑14- نتیجه شبیه‌سازی 47

شکل ‏5‑1- سلول واحد برای آرایه انعکاسی با µm140a= وmµ15 h=. بعد پچ l در محدوده 10میکرومتر تا 136 میکرومتر برای پوشش یک چرخه تقریبا کامل از پاسخ فاز متفاوت است. 55

شکل ‏5‑2-ضریب بازتاب شبیه‌سازی شده برای آرایه‌های رویه نامحدود یکنواخت دوبعدی. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه (a) و دامنه انعکاس برحسب دسی‌بل (b) در فرکانسTHz 1به عنوان تابعی از اندازه رویه. شش نقطه روی منحنی فاز با زیرلایه با ضخامت 15میکرومتر اندازه‌ی انتخاب شده رویه‌ها را برای تعریف یک زیرآرایه که یک چرخه تغییرات فاز کامل را طی می‌کند، نشان می دهد. ناهمواری در منحنی اندازه و فاز به دلیل محدودیت در دقت عددی است. 55

شکل ‏5‑3- نمودار دامنه سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 56

شکل ‏5‑4- نمودار فاز سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 56

شکل ‏5‑5- اصول عملکرد آنتن طراحی شده. توزیع فاز باعث انحراف موج مسطح تابشی بطور عمودی به سمت زاویه از پیش تعیین شده θ می شود . در اینجا، aنشان دهنده فاصله ی میان نقاط مرکز از دو عنصر مجاوراست، و (i= 0،1،2،3،4،5) تغییر فاز معرفی شده توسط عنصر مربوطه را نشان می دهد. 57

شکل ‏5‑6- میدان پراکنده آرایه انعکاسی در قطبش TM و TE در فرکانس THz1. (a) توزیع میدان برای قطبش TM. (b) توزیع میدان با همان ساختار و جهت تابش در(a) اما برای قطبش TE. موج تابشی با °21=θ نسبت خط عمود . برای قطبش TM، میدان E در صفحه yz هستند، و برای قطبش TE، میدان E به صورت موازی با محور x است. (c) ساختار یک زیر آرایه ساخته شده از 6 عناصر پچ به تصویر کشیده در مقیاس همان (a) و (b). 59

شکل ‏5‑7- توزیع میدان بازتابش شده از سطح یک تناوب از آرایه شبیه‌سازی شده در مد TM در فرکانس THz1 با زاویه تابش°21=θ 59

شکل ‏5‑8- ضریب انعکاس شبیه‌سازی شده برای آرایه‌ای از بی‌نهایت رویه. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه در THz1 به عنوان تابعی از طول رویه زیرین 60

شکل ‏5‑9- نمونه‌ای از نسبت دادن کد دودویی برای ایجاد ساختار 62

شکل ‏5‑10- نمودار فاز بر حسب طول رویه‌ها برای مقادیر مورد انتظار 66

شکل ‏5‑11- نمودار فاز بدست آمده از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه 67

شکل ‏5‑12- نمودار دامنه انعکاسی بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه 68

شکل ‏5‑13- شکل‌های سطوح فرکانس گزین بدست آمده از روش رویه‌های متغیر 69

شکل ‏5‑14- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت 70

شکل ‏5‑15- نمودار دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت 71

شکل ‏5‑16- نمودار فاز و دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای تابع شایستگی بند (ه) 72

شکل ‏5‑17- شکل رویه‌های بدست آمده از بهینه‌سازی برای تابع شایستگی بند (ه) 73

شکل ‏5‑18- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول در فرکانس‌های مختلف. 74

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                 صفحه

جدول ‏5‑1-مقادیر مورد انتظار برای طراحی سطوح فرکانس گزین با ابعاد متغیر 65

جدول ‏5‑2- کدهای بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی برای هر سلول 66

جدول ‏5‑3- مقادیر فاز بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت 67

جدول ‏5‑4- مقادیر دامنه انعکاسی بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت 68

جدول ‏5‑5- مقادیر فاز بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت 70

جدول ‏5‑6- مقادیر دامنه بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت 71

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل نخست:
مقدمه

 

فصل 1- مقدمه

امروزه با پیشرفت بیشتر ارتباطات، بشر توانسته است که از طیف الکترومغناطیسی که خارج از محدوده نور مرئی است، برای ارتباطات بی‌سیم استفاده کند. آنتن‌ها به عنوان ساختاری جهت ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیس ساخته شدند. طراحی آنتن در چند دهه‌‌ی اخیر پیشرفت‌های زیادی کرده است. بدلیل افزایش محبوبیت سیستم‌های ارتباطی راه دور و ادوات بی‌سیم سیار، توسعه طراحی انواع آنتن‌های بدیع، تداوم یافت. از رادیوهای قدیمی و سیستم‌های پخش تلویزیونی تا سیستم‌های ماهواره‌ای پیشرفته و شبکه‌های محلی بی‌سیم، مخابرات بی‌سیم به قسمتی جدایی‌ناپذیر از زندگی روزانه مردم تبدیل شد. آنتن‌ها بزرگترین نقش را در پیشرفت دستگاه‌های مخابرات بی‌سیم جدید اعم از تلفن‌های همراه تا هدایتگرهای GPS قابل حمل، و ازکارت‌های شبکه‌ بی‌سیم لبتاپ‌ها تا گیرنده‌های ماهواره‌های تلویزیونی بازی می‌کنند. یک دسته از ملزومات طراحی، از جمله ابعاد کوچک، پهنای باند عریض، و ویژگی‌های متعدد دیگری، باعث به چالش کشیدن محققان آنتن و توسعه آنتن‌های جدید شده است.

 

1-1- آنتن آرایه انعکاسی

در بسیاری از کاربردهای مایکروویوی، یک آنتن جهتی که پرتو اصلی آن در راستای خاصی جهت‌گیری شده مورد نیاز است. برای رسیدن به چنین ویژگی‌هایی یک تحریک[1] روزنه‌ای با فاز جلورونده مورد نیاز است. دو راه اصلی برای انجام این کار، منعکس کننده‌ها[2] و آرایه‌ها می‌باشد.

در آنتن‌های منعکس‌کننده، برای ایجاد فاز مناسب در روزنه‌ها[3]، از تفاوت مکانی جایگیری روزنه‌ها استفاده می‌شود، در حالی که در آنتن آرایه‌‌ای از‌ عناصر متمایز تغذیه شده با فاز جلورونده استفاده می‌شود. آنتن‌های منعکس‌کننده پهنای باند بزرگ و تلفات کمی دارند. نقطه ضعف اصلی منعکس‌کننده‌ها محدودیت هندسی در طراحی است. منعکس‌کننده سهموی که معروف‌ترین انعکاس‌دهنده می‌باشد، نیز میزان قطبش متقاطع[4] بالایی دارد.

فناوری آنتن چاپی افق‌های جدیدی برای آنتن‌های فضایی باز کرده است. آنتن‌های آرایه مایکرواستریپ دارای اندازه‌ای کوچک، هزینه ساخت پایین و وزن کم هستند و قطبش متقاطع پایینی دارند و هندسه مسطح این آنتن‌ها اجازه می‌دهد تا برای استقرار در فضا مناسب باشند. علاوه بر این آرایه‌های مایکرواستریپ قابلیت دستیابی به سرعت بالا در اسکن الکترونیکی را دارا می‌باشند. با این حال، نقطه ضعف عمده آنتن چاپی پهنای باند کوچک و تلفات نسبتا بزرگ است. با وجود نقطه ضعف مورد اشاره، طراحی آنتن‌ها برای رسیدن به پرتو اسکن شده با بهره بالا، با چالش مواجه می‌شود [1]. بنابراین ترکیب ویژگی‌های انعکاس‌دهنده‌ها و آرایه‌ها می‌تواند مفید باشد.

آنتن‌های آرایه انعکاسی[5]، از آرایه‌ای از عناصر انعکاس‌دهنده‌ تشکیل شده‌ است که با وجود برخورداری از سطحی بدون انحنا، هر عنصر در آرایه طوری طراحی می‌شود که تغییر فاز مناسب را در موج انعکاسی نسبت به موج تابشی ایجاد کند تا در نهایت یک سطح هم‌فاز مسطح در جهت مطلوب شکل گیرد. عناصر انعکاس‌دهنده رایج در این نوع آنتن‌ها، رویه‌ها[6] هستند که روی یک لایه دی‌الکتریک زمین شده در سطح انعکاس‌دهنده جای می‌گیرند [2].

آنتن‌های گین بالا برای ساخت شبکه‌های بی‌سیم و یا سیستم‌های تصویربرداری مورد نیاز است. همچنین آنتن‌های آرایه انعکاسی تراهرتز با تلفات پایین مزایای جالبی در تنظیم تابش تراهرتز دارند.

شکل ‏1‑1- آنتن آرایه انعکاسی

 

 

1-2- فراماده

فراماده‌ها[7] مواد مصنوعی ساخته دست بشر هستند. فراماده ماده‌ای با خواص ویژه می‌باشد که عملکرد آن‌ هم ناشی از ساختار سلول‌ها و هم ناشی از ترکیبات شیمیایی آن است. به عبارت دیگر می‌توان گفت که آنها مواد مصنوعی هستند که طوری طراحی می‌شوند که خواصی را داشته باشند که ممکن است این خواص در طبیعت یافت نشوند. فرامواد از مواد معمولی میکروسکوپی مختلفی مانند فلزات و یا پلاستیک، و معمولاً به صورت پریودیک ایجاد می‌شوند. بیشتر فرامواد برای کاربردهای مربوط به الکترومغناطیس و اپتیک مانند هدایتگرهای پرتو، مدولاتورها، فیلترها، لنزها، و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. با بکارگیری فراماده در ساخت آنتن‌ها، با توجه به خصوصیات فراماده، بسیاری از ویژگی‌های مطلوب آنتن از جمله کاهش ابعاد آن، بهبود عملکرد انعکاسی و عملکرد چندباندی آن‌ میسر می شود. [3]

[1] illumination

[2] Reflectors

[3] apertures

[4] Cross polarization

[5] Reflectarray antenna

[6] patches

[7] metamaterials

***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود است

تعداد صفحه :113

قیمت : چهارده هزار تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود به شما نشان داده می شود

و به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09124404335        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید