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. (c) ساختار یک زیر آرایه ساخته شده از 6 عناصر پچ به تصویر کشیده در مقیاس همان (a) و (b). PAGEREF _Toc406797797 \h 59شکل ‏57- توزیع میدان بازتابش شده از سطح یک تناوب از آرایه شبیه‌سازی شده در مد TM در فرکانس THz1 با زاویه تابش°21=θ PAGEREF _Toc406797798 \h 59شکل ‏58- ضریب انعکاس شبیه‌سازی شده برای آرایه‌ای از بی‌نهایت رویه. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه در THz1 به عنوان تابعی از طول رویه زیرین PAGEREF _Toc406797799 \h 60شکل ‏59- نمونه‌ای از نسبت دادن کد دودویی برای ایجاد ساختار PAGEREF _Toc406797800 \h 62شکل ‏510- نمودار فاز بر حسب طول رویه‌ها برای مقادیر مورد انتظار PAGEREF _Toc406797801 \h 66شکل ‏511- نمودار فاز بدست آمده از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه PAGEREF _Toc406797802 \h 67شکل ‏512- نمودار دامنه انعکاسی بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه PAGEREF _Toc406797803 \h 68شکل ‏513- شکل‌های سطوح فرکانس گزین بدست آمده از روش رویه‌های متغیر PAGEREF _Toc406797804 \h 69شکل ‏514- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc406797805 \h 70شکل ‏515- نمودار دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc406797806 \h 71شکل ‏516- نمودار فاز و دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای تابع شایستگی بند (ه) PAGEREF _Toc406797807 \h 72شکل ‏517- شکل رویه‌های بدست آمده از بهینه‌سا

زی برای تابع شایستگی بند (ه) PAGEREF _Toc406797808 \h 73شکل ‏518- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول در فرکانس‌های مختلف. PAGEREF _Toc406797809 \h 74
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
TOC \h \z \c “جدول” جدول ‏51-مقادیر مورد انتظار برای طراحی سطوح فرکانس گزین با ابعاد متغیر PAGEREF _Toc405933704 \h 65جدول ‏52- کدهای بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی برای هر سلول PAGEREF _Toc405933705 \h 66جدول ‏53- مقادیر فاز بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت PAGEREF _Toc405933706 \h 67جدول ‏54- مقادیر دامنه انعکاسی بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت PAGEREF _Toc405933707 \h 68جدول ‏55- مقادیر فاز بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc405933708 \h 70جدول ‏56- مقادیر دامنه بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc405933709 \h 71
TOC \h \z \t “shu- پیوست با حروف انگلیسی,1”

فصل نخست:مقدمه
مقدمهامروزه 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 روزنه‌ای با فاز جلورونده مورد نیاز است. دو راه اصلی برای انجام این کار، منعکس کننده‌ها و آرایه‌ها می‌باشد.
در آنتن‌های منعکس‌کننده، برای ایجاد فاز مناسب در روزنه‌ها، 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 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، 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 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 STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 1- آنتن آرایه انعکاسی1-2- فراماده
فراماده‌ها 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]
1-2-1- محدوده تراهرتز و فرامواد تراهرتز
فراماده‌های تراهرتز یک دسته جدیدی از ترکیب‌ مواد مصنوعی در حال پیشرفت هستند که در فرکانس‌های تراهرتز عمل می‌کنند. محدوده فرکانس تراهرتز استفاده شده در پژوهش مواد معمولا از 1/0 تا 10 تراهرتز تعریف می‌شود.
این پهنای باند نیز به دلیل اینکه به طرز محسوسی مورد استفاده قرارگرفته است، به عنوان محدوده تراهرتز شناخته شده است. امواج تراهرتز امواج الکترومغناطیسیی با فرکانس‌های بالاتر از مایکروویو اما پایین‌تر از اشعه مادون قرمز و نور مرئی می‌باشند. این ویژگی‌ به معنای آن است که اثر دادن تابش تراهرتز بر قطعات و دستگاه‌های الکترونیکی معمولی سخت است. با این حال، طول موج تراهرتز، یا محدوده فرکانسی تراهرتز، به نظر می‌رسد برای کنترل امنیتی، تصویربرداری پزشکی، سیستم های ارتباطات بی‌سیم، ارزیابی غیرمخرب، و شناسایی مواد شیمیایی، و همچنین نجوم زیرمیلیمتری مفید باشد. در نهایت، به عنوان یک اشعه غیریونیزه خطرات ذاتی در غربالگری اشعهX را ندارد.

شکل STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ شکل \* ARABIC \s 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.(Withawat Withayachumnankul, Derek Abbott, “Metamaterials in the Terahertz Regime”, IEEE photonics journal, Volume 1, Number 2, August 2009.)بسیاری از ویژگی‌های مفروض را می‌توان در فرکانس تراهرتز یافت. این تابش غیریونیزه است و از این رو برای کاربردهایی که بدن انسان در معرض تابش قرار می‌گیرد، به عنوان مثال، تشخیص‌های پزشکی و یا امنیتی مطلوب است. تعداد زیادی از مواد الگوهای جذبی منحصر به فردی را در پاسخ به امواج تراهرتز، مطابق با حالت‌های مولکولی چرخشی- ارتعاشی از خود نشان می‌دهند. این طیف جذبی توجه را به شناسایی ماده معطوف می‌کند. مواد ناقطبی، خشک، و غیرفلزی، مانند پارچه، چوب، مقوا و پلاستیک، نسبت به این تابش شفاف هستند. از این رو، به عنوان مثال، سلاح پنهان زیر لباس و یا محصولات موجود در بسته‌ها می‌تواند از طریق یک حسگر تراهرتز دیده شود. با وجود این، کاربردهای تراهرتز تا حد زیادی آزمایشگاهی باقی مانده است، و در انتظار عملکرد بهبود یافته در زمینه های تولید، کنترل، و تشخیص است. اساساً، قطعات تراهرتز بیشتری برای کاربردهای طیف تراهرتز مورد نیاز است.
کاربردهای تراهرتز بیشتر توسط پیشرفت‌های انجام شده در زمینه فرامواد تکمیل شده است. طیف تراهرتز یک عرصه جذاب برای تحقیقات فراماده با توجه به اینکه مواد به طور طبیعی پاسخ‌های مغناطیسی یا الکتریکی قویی در فرکانس 1 تا 3 تراهرتز ندارند، به وجود آورده است. مواد مغناطیسی معمولی تشدید‌هایی در فرکانس پایین‌تر از محدوده گیگاهرتز دارند، در حالی که فلزات دارای تشدیدهایی در فرکانس‌های فراتر از اواسط مادون قرمز با توجه به مدهای فونونی هستند. فرامواد، برخلاف مواد طبیعی، می‌توانند بطور مصنوعی طراحی شوند تا رفتار تشدیدی قوی در فرکانس‌های تراهرتز داشته باشند. بنابراین، فاصله تراهرتز نه تنها طیفی را تعریف می‌کند که به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است، بلکه منطقه‌ای است که در آن پاسخ‌های الکترومغناطیسی بیشتر مواد طبیعی کاهش پیدا می‌کند. این پاسخ‌های ضعیف می‌تواند به عنوان یکی دیگر از عوامل در نظر گرفته شود که مانع پیشرفت تحقیقات تراهرتز تا کنون شده است. فرامواد بدلیل خصوصیات قابل تنظیم، می‌تواند ارتباط ناپیدا را تکمیل کند و تبدیل به ابزاری تطبیق‌پذیر‌ برای تحقیق و توسعه آینده تراهرتز شوند. در نهایت، انتظار می‌رود فرامواد باعث توسعه دستگاه‌های تراهرتزی شوند تا عملکرد آن‌ها بهبود پیدا کند، و یا دستگاه‌هایی ایجاد شوند که با مواد معمولی امکان‌پذیر نیستند.
واضح است که فرامواد می‌توانند بخوبی تکنولوژی تراهرتز را بجلو حرکت دهند. تکنولوژی تراهرتز می‌تواند درک ما را از تعامل خوب بین فرامواد و امواج الکترومغناطیسی به طور کلی بهبود بخشد. در رژیم فرکانس‌های فراتر از باند تراهرتز، ساخت فرامواد با فن‌آوری‌های حال حاضر می‌تواند بسیار چالش برانگیز باشد. از سوی دیگر‌، آزمایشگاه‌های ساخت IC معمول می‌توانند نمونه‌های اولیه فرامواد تراهرتز مسطح را به راحتی تحقق ببخشند. اطلاعات قابل حصول از فرامواد تراهرتز می‌تواند برای مطالعه فرامواد نوری مفید باشد، به این دلیل که تابش تراهرتز رفتارهای شبه نوری را حفظ می‌کند. علاوه بر این، سیستم‌های اندازه‌گیری تراهرتز، به ویژه طیف‌سنجی حوزه زمان تراهرتز(THz –TDS) ، انعطاف پذیری زیادی دارند که در دیگر روش های طیف سنجی امکان‌پذیر نیست. تشخیص دامنه و فاز پهن‌باند همراه با پیکربندی انعطاف پذیر این سیستم اجازه می‌دهد که خواص فرامواد بطور کامل مشخص شود. به این دلایل، محدوده فرکانس تراهرتز برای اثبات تجربی نمونه‌های اولیه فرامواد بسیار جذاب است ]4 .[

شکل STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 3- چند سلول فراماده تراهرتزWithawat Withayachumnankul, Derek Abbott, “Metamaterials in the Terahertz Regime”, IEEE photonics journal, Volume 1, Number 2, August 2009.می‌توان گفت سطوح فرکانس گزین یا فراسطح‌ها (متامتریال‌ها در محدوده تراهرتز) نیز زیرمجموعه‌ای از فرامواد هستند.
1-2-2- سطوح فرکانس گزین
سطوح فرکانس گزین از اوایل دهه 1960 به شدت مورد مطالعه قرار گرفت، اگرچه در سال 1919 مارکونی چنین ساختارهای متناوبی را به ثبت رسانده بود. در واقع سطوح فرکانس گزین (FSSها) بیش از چهار دهه موضوع تحقیقات برای کاربردهای گسترده‌شان مثل مایکروویو فضایی و فیلترهای نوری شده‌اند. سطوح فرکانس گزین معمولاً از رویه‌های فلزی قرارگرفته بصورت پریودیک با هندسه دلخواه و یا هندسه مکملش بصورت عناصر روزنه‌ای مشابه با رویه‌ها درون یک صفحه فلزی ساخته شده است. این سطوح در همسایگی تشدیدهای عناصر برای رویه‌ها و روزنه‌ها به ترتیب بازتاب و یا انتقال کاملی را از خود نشان می‌دهند. مهمترین گام در فرایند طراحی سطوح فرکانس گزین مطلوب، انتخاب مناسب عناصر تشکیل‌دهنده آرایه و تعیین مناسب دوره تناوب ساختار است. نوع و هندسه عنصر، پارامترهای زیرلایه، وجود یا عدم وجود رولایه‌ها، و فاصله بین عناصر، کل پاسخ فرکانسی ساختار از قبیل پهنای باند، تابع انتقال، و وابستگی آن به زاویه تابش و قطبش موج الکترومغناطیس تابشی را تعیین می‌کند.
یکی از ویژگی‌های مشترک روش‌های سنتی طراحی سطوح فرکانس گزین این است که اندازه عناصر رزونانسی و فاصله‌شان با نیم طول موج در فرکانس کاری قابل مقایسه است. در عمل سطوح فرکانس گزین ابعاد محدود دارند. به منظور بدست آوردن پاسخ فرکانسی مطلوب، سطح محدود باید شامل تعداد زیادی از عناصر تشکیل‌دهنده باشد و توسط یک جبهه فاز مسطح تحریک شود. برای برخی از کاربردها، مانند ریدوم‌های آنتن در فرکانس‌های پایین‌تر، سطوح فرکانس گزین با ابعاد الکتریکی نسبتاً کوچک که حساسیت کمتری نسبت به زاویه تابش دارند و می‌توانند با جبهه فاز غیرمسطح عمل کنند، بسیار مطلوب است. به تازگی، یک نوع جدید از سطوح فرکانس گزین با عناصر کوچک طراحی شده است. این نوع از سطوح فرکانس گزین از آرایه‌ پریودیکی از رویه‌های زیرطول‌موجی چاپ شده بر روی یک طرف زیرلایه دی‌الکتریک و شبکه القایی چاپ شده در طرف دیگر همان زیرلایه تشکیل شده است ]5 .[
1-3- الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی
تپه‌نوردی تصادفی یک روش بهینه‌سازی است که متعلق به گروهی از الگوریتم‌های جستجوی محلی است. اساساً این بدان معنی است که این الگوریتم از یک جواب به جواب دیگر در فضای جستجو حرکت می‌کند تا جواب بهینه یافت شود. این الگوریتم تلاش دارد تابع شایستگی (دقت) را با مقایسه مکرر دو جواب به حداکثر برساند. این الگوریتم بهترین جواب را قبول می‌کند و با مقایسه جلو می‌رود (به عنوان مثال، بیشتر به سمت بالای تپه حرکت می‌کند). این تکرار تا زمانی که هیچ جواب بهتری در هر دو طرف جواب در حال حاضر وجود نداشته باشد ادامه پیدا می‌کند (می‌توان گفت به اوج واقعی می‌رسد).
چندین روش برای پیاده‌سازی الگوریتم تپه‌نوردی تصادفی وجود دارد. اولین و اساسی‌ترین فرم، تپه‌نوردی ساده است. در این روش، اول نزدیک‌ترین گره برای ارزیابی انتخاب می‌شود. نوع دوم شدیدترین تپه‌نوردی صعودی نامیده می شود. در روش شدیدترین تپه‌نوردی صعودی، تمام جانشینان با هم مقایسه و نزدیک‌ترین آن‌ها به جواب انتخاب می‌شود. مدل‌های دیگری نیز وجود دارند که تپه‌نوردی صعود بعدی و تپه‌نوردی مونت کارلو دمای صفر نامیده می‌شوند ]6 .[
1-4- پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش
مفهوم آنتن آرایه انعکاسی در ابتدا با فناوری موجبر در سال 1960 معرفی گردید ]7 .[ در سال‌های 1970 یک آنتن آرایه انعکاسی با استفاده از 4 بازوی مارپیچ با دیودهای سویچینگ در مرکز برای رسیدن به یک سیستم تغییر فاز دو بیت برای پلاریزاسیون دایروی طراحی شد ]8 .[با معرفی آنتن‌های میکرواستریپ تکنولوژی ترکیب آنتن‌های آرایه انعکاسی و تششع کننده‌های میکرواستریپی بررسی شد. اولین ترکیب عناصر میکرواستریپی با آنتن آرایه انعکاسی در سال 1978 انجام شد ]9 .[در همان سال، اولین تلاش برای آنالیز عناصر آرایه انعکاسی میکرواستریپ با استفاده از روش آرایه بینهایت انجام شد ]10 .[اما تا یک دهه‌ی بعد هیچ توسعه‌ای برای آنتن‌های آرایه میکرواستریپی صورت نگرفت. از آن زمان آنتن‌های آرایه انعکاسی مایکرواستریپ به آرامی به عنوان نسل جدید آنتن‌های گین بالا ظهور کردند.
تا کنون، تعداد کمی آنتن آرایه انعکاسی برای تابش تراهرتز، در حدود 1THz و بالاتر ساخته شده است. برخی پیاده سازی‌های آرایه‌های فازی تراهرتز مانند آرایه آنتن‌های فوتوهادی با 64 الکترود ]11 [و آرایه آنتن پچ 4×4 برای برقراری مخابرات تراهرتز در محیط داخلی صورت گرفته است ]12 .[آنتن اول به نویز الکتریکی حساس است، و پیچیدگی طراحی می‌تواند یک محدودیت بالقوه در این آنتن باشد. آنتن دوم زمانی که تعداد عناصر آرایه بزرگ باشد تلفات بالایی دارد. علاوه بر این، در]13 [یک منبع الکترونوری تراهرتز بر اساس اصل آرایه فازی طراحی شده‌ است. به تازگی، روشی مشابه برای جهت‌دهی پرتو تراهرتز در یک آنتن فوتوهادی با استفاده از تداخل دو پرتوی پمپ بکار گرفته شده است ]14 .[آرایه های فازی تراهرتز قابل تنظیم به عنوان جزئی از ارتباطات تراهرتز، در ]15 [ارائه شده اند. این آرایه‌ها از عناصری که می‌توانند برای پراکندگی و تمرکز امواج سطحی به صورت پویا تنظیم شوند تشکیل شده‌اند. در ]16 [ یک روش جایگزین برای اسکن پرتو تراهرتز طراحی شده است. در این روش ساختاری به شکل گوه که با کریستال مایع پر شده مورد استفاده قرار گرفته است تا مسیر پرتو انتقال را با استفاده از بایاسDC تغییر دهد.
در مقاله ]17 [ از دی‌الکتریک برای طراحی آنتن آرایه انعکاسی استفاده شده است، که راه حل مناسب کم تلفی برای آنتن‌های تراهرتز با بهره بالا خوانده شده است. در فرکانس 1/0 تراهرتز سطح لوب فرعی این آنتن پایین‌تر از dB 18- است و بهره‌ای برابر با dB9/22 دارد.
در مقاله ]18 [آنتنی با رویه‌ای از جنس گرافن برای داشتن بیمی ثابت طراحی شده است. ساختار یکتای گرافن باعث به وجود آمدن هدایت سطحی مختلطی در فرکانس‌های تراهرتز می‌شود، که باعث کاهش شدیدی در ابعاد آنتن و عملکرد آرایه‌ای خوبی می‌شود. این آنتن در فرکانس THz3/1 طراحی شده است و پهنای باند و پلاریزاسیون متقاطع خوب و تلفات زیادی دارد.
همچنین اخیراً یک آنتن آرایه انعکاسی در THz1 طراحی شده است که وابسته به پلاریزاسیون است و قابلیت جدا کردن بیم‌ها و بازتاب آن‌ها در جهت‌های متفاوت دارد. عناصر انعکاسی آن از دو دسته دوقطبی‌های نواری متعامد تشکیل شده است. این دوقطبی‌ها بصورت شبکه‌های مثلثی متقاطع چیده شده‌اند. با تغییر طول و عرض دوقطبی‌ها تغییر فاز محلی وابسته به پلاریزاسیون ایجاد شده است. این آنتن دارای بازدهی بالای 60% و خلوص پلاریزاسیونی حداقل dB27- داراست. ]19 [
در فصل دوم آنتن‌های آرایه انعکاسی معرفی می‌شوند و تکنیک‌های تحلیل آن‌ها بررسی می‌شود.
در فصل سوم روش الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی بحث می‌شود.
در فصل چهارم تکنیک‌های افزایش پهنای باند این آنتن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فصل پنجم یک نوع آنتن آرایه انعکاسی معرفی و نتایج شبیه سازی و بهینه سازی آن ارائه می‌شود.

فصل دوم:آنتن‌های آرایه انعکاسی
آنتن‌های آرایه انعکاسی
2-1- معرفی آنتن آرایه انعکاسی
همانطور که در شکل2-1 نشان داده شده است، آنتن آرایه انعکاسی ]20 [ آنتنی است که از یک سطح بازتاب صاف و یا منحنی‌وار و یک آنتن تغذیه تشکیل شده است. در سطح منعکس‌کننده تعداد زیادی عناصر تششع‌کننده (به عنوان مثال، موجبرهای انتها باز، رویه‌های مایکرواستریپ چاپ شده، دوقطبی، و یا حلقه) بدون هیچ گونه خطوط انتقال تقسیم توان وجود دارد. آنتن تغذیه بطور شعاعی این عناصر منعکس‌کننده آرایه‌ای را تحریک می‌کند که این عناصر طوری طراحی شده‌اند که میدان تابش را با فاز الکتریکی که برای تشکیل یک جبهه فاز مسطح در فاصله میدان دور مورد نیاز است بازتابش و پراکنده کنند. به عبارت دیگر، این عناصر با فازهای از قبل تعیین شده استفاده می‌شوند تا فازهای مرتبط با طول‌های مسیر مختلف از تغذیه تحریک کننده (S1، S2، … ،SN در شکل 2-1) را جبران کنند. این عملیات به استفاده از یک بازتابنده سهموی که با بهره‌گیری از انحنای منحصر به فردش برای بازتاب و تشکیل یک جبهه فاز مسطح زمانی که تغذیه در نقطه کانونی آن قرار می‌گیرد شبیه است. به این ترتیب، اصطلاح “بازتابنده تخت” گاهی اوقات برای توصیف آنتن آرایه انعکاسی که از هر دو تکنولوژی بازتابنده و آرایه بهره‌گیری می‌کند استفاده می‌شود. همانطور که در شکل2-2 نشان داده شده است، انتخاب‌های متعددی برای عناصر آنتن آرایه انعکاسی برای رسیدن به جبهه فاز مسطح وجود دارد. یکی از آنها استفاده از رویه‌های مایکرواستریپ یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر است [21] به طوری که این عناصر می‌توانند تاخیر فاز را در طول مسیرهای مختلف از منبع تحریک جبران کنند. یکی دیگر از روش‌ها‌ استفاده از رویه‌هایی با اندازه متغیر، دو قطبی‌ها، و یا حلقه‌ها است [22,23,24] به طوری که عناصر می‌توانند امپدانس‌های پراکندگی مختلف و بنابراین فازهای مختلفی برای جبران تاخیر مسیر تغذیه مختلف داشته باشند. در روش سوم، تنها برای پلاریزاسیون دایروی، آنتن آرایه انعکاسی عناصر پلاریزاسیون دایروی یکسانی با چرخش‌های زاویه‌ای متفاوت برای جبران طول‌های متفاوت مسیر تغذیه دارد ]25[.

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 1- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسیJ. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 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 مختلفJ. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 3- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیرJ. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))
2-2- مزایای آنتن آرایه انعکاسی
آنتن آرایه انعکاسی شبیه به یک بازتابنده سهموی است که برای یک روزنه بسیار بزرگ، می‌توان با آن به بازده بسیار خوب (بالای 50 درصد) دستیابی پیدا کرد، زیرا هیچ تقسیم کننده توانی مورد نیاز نیست و در نتیجه تلفات مقاومتی بسیار کمی ایجاد می‌کند. از طرف دیگر، بسیار شبیه به یک آنتن آرایه‌ای، آنتن آرایه انعکاسی می‌تواند طوری طراحی شود که پرتو اصلی خود را در زاویه بزرگی (> 50 درجه) نسبت به جهت برودساید منحرف کند. شیفت دهنده‌های فاز الکترونیکی کم تلف را می‌توان در عناصر اسکن‌کننده پرتو الکترونیکی با زاویه بزرگ گنجانید [26]. با استفاده از قابلیت پوییدن پرتو آنتن آرایه انعکاسی، شبکه پیچیده تشکیل‌ پرتو با تلف بالا و ماژول‌های تقویت کننده انتقال / دریافت (T / R) پرهزینه یک آرایه فاز معمولی، دیگر مورد نیاز نیست.
یکی از مزایای قابل توجه آرایه انعکاسی چاپی این است که زمانی که یک آنتن فضاپیما با روزنه بزرگ (به عنوان مثال، به اندازه 10متر) نیاز به یک مکانیزم استقرار دارد، ساختار مسطح آنتن آرایه انعکاسی اجازه می‌دهد یک مکانیزم بسیار ساده‌تر و قابل اعتمادتر در مقایسه با آن که برای سطح مضاعف خمیده یک بازتابنده سهموی مورد نیاز است، داشته باشد. علاوه بر این، می‌توان یک سیستم غیرمسطح با یک روزنه آرایه انعکاسی بزرگ مسطح را با یک مکانیزم مستقرساز استفاده کرد تا یک آنتن غیرمسطح ایجاد شود. سطح صاف انعکاسی آنتن آرایه انعکاسی نیز برای نصب بر روی ساختار مسطح موجود بدون اضافه کردن مقدار قابل توجهی وزن و حجم به ساختار کلی سیستم استفاده می‌شود. آنتن آرایه انعکاسی با صدها یا هزاران عنصر، که به شکل یک آنتن مایکرواستریپ چاپی است، می‌تواند با فرایند قلم‌زنی شیمیایی ساده و هزینه ساخت کم، به ویژه هنگامی که در مقادیر زیاد تولید می‌شود، ساخته شود.
یکی دیگر از ویژگی‌های اصلی این آنتن آن است که با تعداد زیادی از عناصر در آنتن آرایه انعکاسی که دارای قابلیت تنظیم فاز عنصر هستند، با استفاده از روش سنتز فاز می‌توان به شکل پرتو کانتور بسیار دقیقی دستیابی پیدا کرد [27]. مشابه انعکاس‌دهنده سهموی، قابلیت چند پرتویی را همچنین می‌توان با قرار دادن عناصر تغذیه‌ای متعدد در منطقه کانونی آنتن به دست آورد. فناوری آنتن آرایه انعکاسی می‌تواند در سراسر طیف مایکروویو و همچنین در فرکانس‌های موج میلی‌متری استفاده شود.
2-3- نقطه ضعف‌ آنتن آرایه انعکاسی
علاوه بر تمام قابلیت‌هایی که قبلا گفته شد، یک نقطه ضعف متمایز در ارتباط با آنتن آرایه انعکاسی وجود دارد. این نقطه ضعف ویژگی ذاتی پهنای باند باریکش است، که به طور کلی بسته به طراحی عنصر، اندازه روزنه، فاصله کانونی، و غیره نمی‌تواند بیشتر از ده درصد باشد. عملکرد پهنای باند آنتن آرایه انعکاسی [28] هیچ شباهتی به یک آنتن بازتابنده سهموی ندارد، که در آن از لحاظ تئوری پهنای باند بی‌نهایت وجود دارد. برای آنتن آرایه انعکاسی مایکرواستریپ چاپی، پهنای باند با دو عامل محدود می‌شود. یکی باریک بودن پهنای باند عناصر رویه مایکرواستریپی در سطح آنتن آرایه انعکاسی و دیگری تاخیر فاز شعاعی تفاضلی.
2-3-1- محدودیت پهنای باند عناصر
عنصر رویه مایکرواستریپ عموماً دارای پهنای باند حدود 3 تا 5 درصد است. برای رسیدن به پهنای باند بیشتر برای یک آرایه مایکرواستریپ معمولی، روش‌هایی مانند استفاده از زیرلایه ضخیم ، روی هم چیدن رویه‌های متعدد [29]، و استفاده از عناصر چرخشی بکار گرفته می‌شود. با اعمال این روش‌ها می‌توان به ‌پهنای باند بالاتر از 15درصد دست یافت.
2-3-2- محدودیت پهنای باند با تاخیر فاز شعاعی تفاضلی
عامل محدود کننده دوم پهنای باند آنتن آرایه انعکاسی، تاخیر فاز شعاعی تفاضلی، می‌تواند به بهترین نحو با اشاره به شکل2-4 توضیح داده شود، که در آن تاخیر فاز شعاعی تفاضلی، ΔS، اختلاف فاز بین این دو مسیر S1 و S2 از منبع به عناصر آنتن آرایه انعکاسی است. این ΔS می‌تواند مضربی از طول موج (λ) در فرکانس‌ کاری مرکزی باشد. این تاًخیر فاز می‌تواند به صورت λ (N + d) ΔS = بیان شود که در آن N یک عدد صحیح و d کسری از طول موج فضای آزاد λ است. در مکان هر عنصر، d توسط یک تاخیر فاز مناسب با طراحی عنصر آنتن آرایه انعکاسی جبران می‌شود (با اندازه رویه متغیر، طول خط تاخیر فاز متغیر، و غیره به دست می‌آید). وقتی فرکانس تغییر می‌کند، عامل λ (N + d) به (λ + Δλ) (N + d) تبدیل می‌شود. از آنجا که طراحی و فاز جبران شده برای هر عنصر برای فرکانس مرکزی ثابت است، یک خطای تغییر فرکانس در مقابل فاز بازتاب شده رخ خواهد داد. میزان تغییر فاز در هر مسیر، زمانی که با یک مسیر مرجع مقایسه می‌شود، با توجه به شکل 2-4 مسیر S1 ، برابر است با Δλ (N + d) که می‌تواند بخش قابل توجهی از طول موج و یا 360 درجه باشد.
شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 4- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی J. Huang and J. Encinar, “Reflectarray Antenna” (Wiley-IEEE Press, 2008)))
برای کاهش مقدار خطای تغییر فرکانسی، عدد صحیح N باید کاهش یابد. چندین روش برای کاهش N وجود دارد. یکی طراحی آنتن آرایه انعکاسی با نسبت طول فاصله کانونی به قطر بزرگتر (f/D) است و در نتیجه تفاوت بین مسیر S1 و S2 به حداقل می‌رسد. راه دوم این است که از استفاده از آنتن آرایه انعکاسی با قطر الکتریکی بزرگ خودداری کرد. روش سوم برای کاهش خطای گردش فرکانسی، استفاده از خطوط تاخیر زمانی و یا خطوط تاخیر زمانی جزئی به جای تاخیرهای فاز است. به عبارت دیگر، در هنگام استفاده از روش خط تأخیر فاز (و نه روش اندازه پچ متغیر)، به جای استفاده از dΔλ برای طول خط تاخیر، Δλ (N + d) می‌تواند برای خط تاخیر استفاده شود.
روش دیگر برای افزایش پهنای باند استفاده از یک آنتن آرایه انعکاسی منحنی‌وار مقعر با سطوح مسطح قطعه‌ای، به جای سطح آنتن آرایه انعکاسی مسطح کامل است. این آنتن آرایه انعکاسی قطعه‌ای مسطح دارای مزایایی بیش از یک بازتابنده سهموی منحنی‌وار است: پرتو آن قادر به اسکن شدن به زاویه‌های بزرگی با شیفت‌دهنده فاز داخل هر یک از عناصر است، و برای یک آنتن گسترش یافته فضایی، سطوح صاف رویه‌ای در برخی از موارد به راحتی به یک حجم کوچکتر تبدیل می‌شوند.
2-4- تکنیک‌های آنالیز آنتن
یک آنتن آرایه انعکاسی چاپی از یک آرایه مسطح از عناصر تششعی چاپی تشکیل شده است که تغییر فاز مشخصی را ایجاد می‌کند و زمانی که توسط یک تغذیه تحریک می‌شود، یک پرتو شکل داده شده یا تنظیم شده را ایجاد می‌کند (شکل2-5). اصول کاری را می‌توان با توجه به آنتن آرایه انعکاسی در مد انتقالی با آنتن شیپوری در حالت آفست و یا بدون آفست، و با فرض اینکه عناصر آنتن آرایه انعکاسی در منطقه میدان دور از آنتن شیپوری هستند، توضیح داد. در این حالت، تابش میدان الکترومغناطیسی بر هر یک از عناصر آنتن آرایه انعکاسی در یک زاویه‌ خاص می‌تواند به صورت محلی، مطابق انتشار یک موج کروی، به صورت یک موج صفحه‌ای با یک فاز متناسب با فاصله از مرکز فاز منبع تغذیه شیپوری به هر یک از عناصر در نظر گرفته شود. به منظور تبدیل موج کروی تابش شده توسط آنتن شیپوری به پرتو متمرکز ، میدان باید از هر عنصر با تغییر فاز مناسب منعکس شود. این تغییر فاز ، همان‌طور که از تئوری آرایه فازی کلاسیک مشخص است، به طور مستقل برای هر عنصر برای تولید یک توزیع فاز پیش‌رونده از میدان منعکس شده بر روی سطح مسطح تنظیم می‌شود و یک پرتو باریک را در یک جهت مشخص تولید می‌کند. به همین ترتیب، بیم‌های منحنی‌وار‌ را می‌توان با ایجاد توزیع فاز مناسب، که تنها با روش سنتز فاز بدست می‌آید، تولید کرد. تغییر فاز لازم در هر یک از عناصر توسط تغییر یکی از پارامترهای هندسی در عنصر آنتن آرایه انعکاسی به دست می‌آید. اولین پیاده‌سازی تنظیم فاز در رویه‌های مایکرواستریپ مستطیل شکل شامل بخش‌های خط انتقال با طول‌های مختلف متصل به عناصر چاپی است [30] (شکل2-6(الف)). در این روش، تاخیر فاز موج منعکس شده با طول استاب‌ها متناسب است. با این حال، استاب‌ها زمانی که خم می‌شوند تولید تلفات و تابش کاذب می‌کنند. مفاهیم دیگری برای جبران تاخیر فاز آنتن‌های آرایه انعکاسی مایکرواستریپ توسعه یافته‌اند، از جمله تنظیم طول رزونانسی در دوقطبی‌ها، دوقطبی‌های بعلاوه‌ای شکل، و یا رویه‌های مستطیل شکل [31]، رویه‌های تزویج روزنه با استاب‌ها [32]، و روزنه‌هایی با طول‌های مختلف بر روی یک صفحه فلزی [33].
در اصل، این پیاده‌سازی‌ها برای هر نوع قطبش از جمله خطی دوگانه یا قطبش دایروی با تنظیم تغییر فاز دو مولفه متعامد میدان الکتریکی منعکس شده معتبر است. برای قطبش دایروی مفاهیم دیگر، از جمله عناصر با زاویه چرخش متغیر [36]، و آنتن آرایه انعکاسی نوع فاز مارپیچ بر اساس تشدیدگرهای شکاف حلقه‌ای باردار [35] مطرح شده است.
مفهوم کنترل فاز با تغییر ابعاد عناصر تشدیدی، همان‌طور که در شکل 2-6(ب) نشان داده شده است، نسبت به استاب‌های با طول‌های مختلف متصل به رویه‌های تششعی تولید تلفات پراکندگی و سطح قطبش متقاطع کمتر می‌کند[31]. با این حال، محدوده حداکثر تغییرات فاز را می‌توان در حدود 330 درجه به دست آورد و تغییر فاز در مقابل طول به دلیل رفتار باند باریک رویه‌های مایکرواستریپ،



قیمت: 11200 تومان

Leave a Reply

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