تحلیل و شبیه‌سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس‌های تراهرتز

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
بخش مخابرات و الکترونیک
پایان‌نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق مخابرات (گرایش میدان)
عنوان پایان‌نامه:
FORMTEXT تحلیل و شبیه‌سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس‌های تراهرتز
Analysis and Simulation of Metamaterial Reflectarray Antenna at Terahertz Frequencies
به کوشش
FORMTEXT سیده سپیده هاشمیاستاد راهنما:
دکتر علیرضا یاحقی
آذر ماه 1393
به نام خدا

به نام خدا
اظهارنامه
اینجانب REF نویسنده h سیده سپیده هاشمی(9130467) دانشجوی رشتهی مهندسی برق مخابرات گرایش میدان دانشکدهی مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه شیراز اظهار می‌کنم که این پایان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهایی که از منابع دیگران استفاده کرده‌ام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آن را نوشته‌ام. همچنین اظهار می‌کنم که تحقیق و موضوع پایان‌نامه‌ام تکراری نیست و تعهد می‌نمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آیین نامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.
نام و نام خانوادگی: REF نویسنده h سیده سپیده هاشمی
تاریخ و امضاء: 05/09/93

-1022985-1061085
به پاس تعبیر عظیم و انسانی‌شان از کلمه ایثار و از خودگذشتگی  به پاس عاطفه سرشار و گرمای امیدبخش وجودشان که در این سردترین روزگاران بهترین پشتیبان است 
به پاس قلب‌های بزرگشان که فریاد‌رس است و سرگردانی و ترس در پناهشان به شجاعت می‌گراید
 و به پاس محبت‌های بی‌دریغشان که هرگز فروکش نمی‌کند
 این مجموعه را به
پدر و مادرم مقدس‌ترین واژه‌ها در لغت‌نامه دلم
خواهر و برادرانم همراهان همیشگی و پشتوانه‌های زندگیم
تقدیم می‌کنم.
سپاسگزاری
اکنون که این پایان‌نامه به پایان رسیده است بر خود لازم می‌دانم تا از زحمات بی‌دریغ استاد بزرگوارم جناب آقای دکتر علیرضا یاحقی، که از آغاز تا پایان کار با راهنمایی‌های ارزشمند خود زمینه ساز پیشرفت پایان‌نامه شدند و با حوصله و درایت مسائل مربوط به این رساله را حل نموده و امکانات موردنیاز این پروژه را در اختیار اینجانب قرار دادند، نهایت سپاس و قدردانی را داشته باشم.
همچنین از اساتید بزرگوار، جناب آقای دکتر فرزاد مهاجری و دکتر عباس علی‌قنبری که به عنوان اساتید مشاور و داور در این پژوهش بنده را همراهی کردند سپاسگزارم.
و از همه‌ی دوستانی که در طول انجام این پایان نامه همراه و راهنمای من بودند از جمله خانم دکتر بصیری کمال تشکر را دارم.
چکیده
REF عنوان * MERGEFORMAT تحلیل و شبیه سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس تراهرتز
به کوشش
REF نویسنده h * MERGEFORMAT 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
TOC h z c “شکل” شکل ‏11- آنتن آرایه انعکاسی PAGEREF _Toc406797768 h 4شکل ‏12- 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. PAGEREF _Toc406797769 h 5شکل ‏13- چند سلول فراماده تراهرتز PAGEREF _Toc406797770 h 7شکل ‏21- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسی PAGEREF _Toc406797771 h 14شکل ‏22- 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 PAGEREF _Toc406797772 h 15شکل ‏23- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیر PAGEREF _Toc406797773 h 15شکل ‏24- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی PAGEREF _Toc406797774 h 19شکل ‏25- هندسه آنتن آرایه انعکاسی چاپی PAGEREF _Toc406797775 h 22شکل ‏26- عناصر تغییر فاز در آرایه انعکاسی چاپی. (a) رویه‌های مستطیلی با استاب‌های متصل. (b) رویه‌های مستطیلی با سایز متغیر PAGEREF _Toc406797776 h 23شکل ‏31- فلوچارت تپه‌نوردی PAGEREF _Toc406797777 h 32شکل ‏41- پاسخ فاز برای رویه‌های با استاب متصل. (a) عنصر. (b) فاز برای تابش عمود بر حسب طول استاب (t=1.59 mm , =3.2) PAGEREF _Toc406797778 h 36شکل ‏42- 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 )) PAGEREF _Toc406797779 h 36شکل ‏43- نمای جانبی آرایه انعکاسی قرار گرفته بر روی یک انعکاس‌دهنده سهموی PAGEREF _Toc406797780 h 37شکل ‏44- عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای. (a) نمای گسترده (b) تاخیر فاز بر حسب طول خط PAGEREF _Toc406797781 h 39شکل ‏45- نمودار تاخیر فاز بر حسب طول خط عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای شبیه‌سازی شده PAGEREF _Toc406797782 h 40شکل ‏46- سلول واحد بر اساس خط تاخیر تزویج روزنه‌ای U شکل PAGEREF _Toc406797783 h 40شکل ‏47- نمودار فاز بر اساس طول دو قطبی برای حالت U شکل PAGEREF _Toc406797784 h 41شکل ‏48- نمودارهای بدست آمده از شبیه‌سازی برای حالت ‌U شکل PAGEREF _Toc406797785 h 42شکل ‏49- عنصر آرایه انعکاسی دو لایه با رویه‌های با ابعاد متغیر. (a) سلول متناوب، (b)تغییر فاز بر حسب ضلع رویه ((,,,, PAGEREF _Toc406797786 h 44شکل ‏410- نتیجه مقاله PAGEREF _Toc406797787 h 45شکل ‏411- نتیجه شبیه‌سازی PAGEREF _Toc406797788 h 45شکل ‏412- نتیجه شبیه‌سازی PAGEREF _Toc406797789 h 46شکل ‏413- نتیجه مقاله PAGEREF _Toc406797790 h 46شکل ‏414- نتیجه شبیه‌سازی PAGEREF _Toc406797791 h 47شکل ‏51- 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. PAGEREF _Toc406797792 h 55شکل ‏52-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. PAGEREF _Toc406797793 h 55شکل ‏53- نمودار دامنه سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 PAGEREF _Toc406797794 h 56شکل ‏54- نمودار فاز سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 PAGEREF _Toc406797795 h 56شکل ‏55- 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. PAGEREF _Toc406797796 h 57شکل ‏56- 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.

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *