طراحی و بهینه سازی فیلتر میان نگذر دوبانده مایکروویو با سطوح انتخابگر فرکانس

-390081648551
233934092710
دانشکده مهندسی- گروه برق
پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق-مخابرات
طراحی و بهینه سازی فیلتر میان نگذر دوبانده مایکروویو با سطوح انتخابگر فرکانس
معصومه خلیل زاده
استاد راهنما
دکتر میرصالحی
تیر 1391
سپاس پروردگاری،
که پر کرد وجودم را از بودنش
و
ولایتی که با آن مسیر شدنش را طی کنم.
سپاس رئوف آل احمد
را که چه نیکو زنگارهای قلبم را با تابش الطاف خداوندگارم ، زدود.
حال از ایشان میخواهم که بر این حقیر منت نهاده
و بار دیگر کشکول گدایی ام را آکنده از الطافشان کنند.
سپاس پدر و مادرم را
که در این مسیر ، چه نیکو ربوبیت به ودیعه گزاردهی پروردگارم را
در وجود حقیری چون من، رشد دادند.
قدر می نهم تلاش بی دریغ استاد ارجمندم آقای دکتر میرصاحی ،
که توشهای فراتر از اجرای این طرح پژوهشی را برای اینجانب فراهم آوردند .
و همچنین از دیگر اساتید بزرگوارم
آقای دکتر عطاری ، آقای دکتر شکوه صارمی و آقای دکتر نشاطی
که در عرصه تحصیل مرا یاری نمودند، کمال تشکر را دارم.
سپاس دوستانم را که
کوله بار معرفت و تجربه شان، بر آستان قلبم آرام جای گرفت…
چکیده
در این پروژه طراحی فیلتر دو بانده مایکروویو با دو ساختار متفاوت با سطوح انتخابگر فرکانس بررسی و معایب و مزایای این دو ساختار بیان شده است. در ساختار اول از دو لایه سطح انتخابگر فرکانس با عنصر حلقه دایروی و در ساختار دوم از یک لایه سطح انتخابگر فرکانس با دو عنصر حلقه دایروی ادغام شده، استفاده شده است. در بخش اصلی پروژه طراحی یک فیلتر دوبانده میاننگذر مایکروویو با ساختار نوع دوم در باند فرکانسی GHz 7 – 3 برای کاربردهایی مثل عایقهای تداخل الکترومغناطیس انجام شده و نشان داده شده است که پاسخ فرکانسی فیلتر طراحی شده نسبت به تغییرات زاویه تابش و قطبش موج تابشی پایدار است. از ویژگیهای این فیلتر کم حجم بودن و مقرون به صرفه بودن آن میباشد. چون فرمول دقیقی برای بدست آوردن مشخصات مناسب این فیلترها وجود ندارد، تاثیر پارامترهای یک سلول واحد از هر کدام از فیلترها به وسیله نرمافزار CST بررسی شد. این پارامترها شامل دوره تناوب ساختار (p)، شعاع متوسط حلقه دایروی (r) و ضخامت حلقه دایروی (w) میباشند. از شبیهسازیهای انجام شده، نتایج زیر حاصل شد:
مهمترین عامل برای تغییر پهنای باند فیلتر، تغییر w است.
حساسیت فرکانس تشدید فیلتر به پارامترهای r و p نسبت به w بیشتر است.
تاثیر پارامتر r در تغییر فرکانس تشدید ناشی از زوایای تابش صفر و 60 درجه، بیشتر از پارامترهای دیگر (r وw) است.
کلمات کلیدی: سطوح انتخابگر فرکانس، فیلتر دوبانده، فیلتر میاننگذر مایکروویو، تئوری فلوکه
فهرست مطالب
فصل اول-مقدمه 1
فصل دوم-سطوح انتخابگر فرکانس 4
TOC \o “1-4” \h \z \u 2-1 معرفی سطوح انتخابگر فرکانس52-1-1 چگونگی کنترل پاسخ فرکانسی سطوح انتخابگر فرکانس62-1-1-1 شکل سطوح انتخابگر فرکانس62-1-1-2 ضریب هدایت اجزاء72-1-1-3 زیر لایه دی الکتریک82-1-1-4 زاویه تابش موج مسطح92-1-2 جلوگیری از لوب ساینده102-2 تحریک سطوح انتخابگر فرکانس112-3 آرایه های مکمل112-4 چگونگی تشکیل منحنی تشدید122-4-1 سطوح متناوب پیاپی بدون دی الکتریک 132-4-2 یک سطح متناوب با لایه های دیالکتریک132-5 کاربردهای سطوح انتخابگر فرکانس142-5-1 کاهش تداخلات الکترومغناطیسی142-5-2 فیلترهای چند بانده152-5-2-1 استفاده از چند سطح انتخابگر فرکانسی پیدرپی162-5-2-2 استفاده گروهی از عناصر در یک سلول واحد172-5-2-3 استفاده از چند عنصر ادغام شده در هم182-5-2-4 استفاده از اجزاء مشدد حلقوی مربعی19فصل سوم-تئوری پایهای ساختارهای متناوب فضایی 22
3-1 سری فلوکه و توابع مدی فلوکه233-2 مودهای قابل انتشار ومیرا شونده فلوکه26فصل چهارم-طراحی فیلتر یک بانده مایکروویو 31
4-1 طراحی فیلتر میان نگذر برای کاربردهای باند مایکروویو 324-1-1 شکل جزء354-1-1-1 تاثیر ابعاد عنصر374-1-1-1-1 پارامترهای تعیین کننده ابعاد عنصر394-1-2 تاثیر دی الکتریک 49فصل پنجم-طراحی فیلتر دو بانده مایکروویو 53
5-1 استفاده از دولایه سطح انتخابگر فرکانس پی درپی555-2 استفاده از یک لایه سطح انتخابگر فرکانس با دو عنصر ادغام شده[27]58فصل ششم-نتیجهگیری و پیشنهادها 62
6-1 نتیجه گیری636-2 پیشنهادها64مراجع 66

فهرست شکلها
شکل 2-1 ساختارهای سطح انتخابگر فرکانس: (الف) آرایهای از تکهها، (ب) آرایهای از پنجرهها [1] 5
شکل 2-2 چهار نوع فیلتر سطح انتخابگر فرکانس . مواد هادی با رنگ سیاه نشان داده شده اند [2] 6
شکل 2-3 انواع اجزاء [1] 7
شکل 2-4 تاثیر مقاومت بر عملکرد سطح انتخابگر فرکانس با اجزای حلقوی مربعی… 8
شکل 2-5 سطح انتخابگر فرکانس (الف) در داخل و (ب) روی لایه دی الکتریک [2] 9 شکل 2-6 فاصله طراحی شده بین اجزا با یک سیگنال تابشی مایل [2] 9
شکل 2-7 انتشار لوب ساینده در جهت gη [1] 10
شکل 2-8 ساختارهای متناوب هادیها با (الف ) حالت غیرفعال، (ب) حالت فعال [1] 11
شکل 2-9 ساختار متناوب پیاپی [1] 13
شکل 2-10 ساختار صفحه متناوب با دو لایه دی الکتریک و منحنی انتقال این ساختار [1] 13
شکل 2-11 تضعیف دیواربا ضخامت 35 سانتی متر، با انواع متفاوت مواد : سیمان، آجر… 15
شکل 2-12 الف) نمای بالای سلول واحد، ب) نمای سه بعدی سلول واحد[7] 16
شکل 2-13 نتایج شبیه سازی و اندازهگیری فیلتر دوبانده[7] 17
شکل2-14 ساختار فیلتر سطح انتخابگر فرکانس با عناصر چند گانه[5] 17
شکل 2-15 نتایج شبیه سازی فیلتر دوبانده با یک گروه از عناصر در یک سلول واحد[5] 18
شکل 2-16 الف) شکل سلول واحد، ب) مدار معادل سلول واحد[13] 19
شکل2-17 پاسخ فرکانسی فیلتر سه بانده[13] 19
شکل 2-18 ساختار مشدد حلقوی مربعی [18] 20
شکل2-19 ساختار فیلتر دوبانده با استفاده از عنصر مشدد حلقوی مربعی[19] 20
شکل 2-20 نتایج شبیه سازی فیلتر دوبانده با استفاده از عناصر مشددهای حلقوی مربعی[19] 21 شکل 3-1 یک ارایه مسطتیلی با تناوب های a و b ]20[ 23
شکل 3-2 تابش یک موج تخت به سطح یک آرایه متناوب [20] 27
شکل 3-3 مکان هندسی مود‌های منتشر شونده [20] 29
شکل41 نمای سلول واحد در شبیه سازی با مودهای فلوکه 33
شکل42 دو مود پورت فلوکه[ 21] 34
شکل 4-3 نمای سلول واحد در شبیه سازی درون موجبری 34
شکل 4-4 ابعاد اجزاء حلقه دایروی 36
شکل 4-5 پاسخ فرکانسی FSS1 با 1= rε و °60 تا °0= θ برای دو قطبش TE و TM 37
شکل 4-6 پاسخ فرکانسی FSS2 با 1= rε و °60 تا °0= θ برای دو قطبش TE و TM 38
شکل 4-7 تغییرات پهنای باند ( dB20) با افزایش دوره تناوب ساختار (p) 40
شکل 4-8 تغییرات فرکانس تشدید با افزایش دوره تناوب ساختار (p) در تابش عمودی (°.=θ) 40
شکل 4-9 میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TE به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا 60 درجه… 41
شکل 4-10 میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TM به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا 60 درجه… 41
شکل 4-11 تاثیر تغییر پارامتر p (با ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها) بر پاسخ فرکانسی FSS2 با 1= rε … 42
شکل 4-12 تغییرات پهنای باند ( dB20) با تغییر شعاع متوسط حلقه دایروی (r) 43
شکل 4-13 تغییرات فرکانس تشدید با تغییر شعاع متوسط حلقه دایروی (r) 43
شکل 4-14 میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TE به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا 60 درجه … 44
شکل 4-15 میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TM به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا 60 درجه… 44
شکل 4-16 تاثیر تغییر پارامتر r (با ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها) بر پاسخ فرکانسی FSS2 با 1r=ε… 45
شکل 4-17 تغییرات پهنای باند ( dB20) با تغییر ضخامت حلقه دایروی (w) 46
شکل 4-18 تغییرات فرکانس تشدید با تغییر ضخامت حلقه دایروی (w) 46
شکل 4-19 میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TE به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا 60 درجه… 47
شکل 4-20 میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TM به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا 60 درجه… 47
شکل 4-21 تاثیر تغییر پارامتر w (با ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها) بر پاسخ فرکانسی FSS2 با 1= rε … 48
شکل 4-22 تاثیر دی الکتریک بدون تلقات بر پاسخ فرکانسی الف) FSS1 و ب) FSS2 49
شکل 4-23 تاثیر دی الکتریک تلفاتی بر پاسخ فرکانسی الف) FSS1 و ب) FSS2 50
شکل 4-24 پاسخ فرکانسی FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده در دو طرف ساختار 51
شکل 4-25 پاسخ فرکانسی FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده در یک طرف ساختار 51
شکل 4-26 پاسخ فرکانسی FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده دردو طرف ساختار 52
شکل 4-27 پاسخ فرکانسی شبیه سازی شده برای FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده در یک … 52
شکل4-28 تغییرات ثابت دی الکتریک موثر FSS2 بر حسب ضخامت زیرلایه 53
شکل 5-1 نمای یک سلول واحد از ساختار فیلتر دوبانده با دولایه سطح انتخابگر فرکانس 56
شکل 5-2 پاسخ فرکانسی فیلتر دوبانده با 38/3= rε و °60 تا °0= θ برای دو قطبش TE و TM 57
شکل 5-3 نمای یک سلول واحد از ساختار فیلتر دوبانده با یک لایه سطح انتخابگر فرکانس با دو … 58
شکل 5-4 تلفات تغبیه فیلتر دوبانده با سلول واحد نشان داده شده در شکل 5-3 … 59
شکل 5-5 تلفات تغبیه فیلتر دوبانده با تغییر ابعاد سلول واحد نشان داده شده در شکل 5-3 … 60
فهرست جدولها
جدول شماره 2-1 عملکرد سطح انتخابگر فرکانس ها با اشکال متفاوت (یک سطح انتخابگر فرکانس… 7
جدول 4-1 ابعاد عنصر حلقه دایروی و فرکانسهای تشدید دو سطح انتخایگر فرکانس با تابش عمود 36
جدول 4-2 تغییرات فرکانس تشدید (Fr) و پهنای باند (BW) در زاویه تابش عمود، تغییرات… 39
جدول 4-3 تغییرات فرکانس تشدید (Fr) و پهنای باند (BW) در زاویه تابش عمود، تغییرات… 42
جدول 4-4 تغییرات فرکانس تشدید (Fr) و پهنای باند (BW) در زاویه تابش عمود، تغییرات… 45
جدول 4-5 تغییر ثابت دی الکتریک موثر با ضخامت زیرلایه برایFSS2 53
جدول 5-1 ابعاد عنصر حلقه دایروی و فرکانسهای تشدید دو سطح انتخایگر فرکانس در تابش عمود 56
جدول 5-2 تغییر ابعاد سلول واحد فیلتر دوبانده برای رسیدن به فرکانسهای تشدید مد نظر … 60
فهرست اختصارات
Frequency Selective Surface FSS
Computer Simulation Technology CST
Finite Integration Technique FIT
Finite Difference Time Domain FDTD
Finite element method FEM
High Frequency Structure Simulator HFSS
Split-Ring Resonator SRR
Bandwidth BW
فصل اول
مقدمه

سطوح انتخابگر فرکانس ساختارهای متناوب مسطحی هستند که معمولا از تکه‌های هم اندازه یا پنجره‌هایی از جنس هادی که به صورت متناوب در یک یا دو بعد تکرار می‌شوند، تشکیل شده‌اند. قدیمیترین مرجع در مورد سطوح متناوب به ثبت اختراع مارکونی و فرانکلین در سال 1919 برای ساخت انعکاس دهنده سهموی برمیگردد. بررسی ساختارهای متناوب تا سال 1960 که در آن زمان توانایی این ساختارها در کاربردهای نظامی کشف شد، پیگیری نشد. از سال 1960 به بعد، سطوح انتخابگر فرکانس به طور گستردهای در زمینه طراحی آنتنها، رادار، فیلترهای فضایی، قطبیکننده، ردوم و غیره مورد استفاده قرار گرفت. در بیشتر کاربردها، مثل مخابرات ماهوارهای سطوح انتخابگر فرکانسی برای طراحی آنتنهای بازتابنده دوگانه استفاده میشوند. ساخت چنین ساختارهایی در طول موجهای مایکروویو و در طراحی آنتن ها ساده است ولی در طول موج های مادون قرمز و نوری به این علت که اندازه اجزاء به کار رفته در ساختار باید در حد میکرومتر و حتی کوچکتر باشد، مشکل است و نیاز به روشهای لیتوگرافی پیشرفته دارد[1].
سطوح انتخابگر فرکانس بسته به شکل اجزاء به کار رفته در ساختار و زیرلایه، دارای پاسخ‌های فرکانسی متفاوتی میباشند. این سطوح به صورت فیلترهای الکترومغناطیسیای عمل میکنند که پاسخ فرکانسی آنها علاوه بر فرکانس به زاویه تابش و قطبش موج تابشی بستگی دارد. وقتی یک موج الکترومغناطیسی به این سطوح برخورد میکند در یک طیف فرکانسی موج را عبور میدهند و در طیف فرکانسی دیگر موج را منعکس میکنند؛ بنابراین میتوان آنها را به عنوان فیلترهای بالا گذر، پایین گذر، میان گذر و میان نگذر طراحی کرد.
در این پایاننامه در فصل 2 شرح مختصری در مورد سطوح انتخابگر فرکانس و عوامل موثر در طراحی این ساختارها داده میشود و در ادامه این فصل کاربردهای این ساختارها در بازههای مختلف فرکانسی بررسی میشوند. یکی از این کاربردها، طراحی فیلترهای چندبانده مایکروویو است که در این فصل ساختارهای متفاوتی که در سالهای گذشته پیشنهاد شده، بررسی میشود. در فصل 3 تئوری پایهای ساختارهای متناوب فضایی بررسی میشود. در فصل 4 فیلترهای یک بانده مایکروویو طراحی شده و با نرمافزار CST شبیهسازیهای مربوطه انجام میشود. در این فصل پارامترهای مهم برای رسیدن به مشخصات مطلوب فیلتر یک بانده میاننگذر بررسی شده است. در فصل 5 دو روش برای طراحی فیلتر میاننگذر دوبانده تحلیل و بررسی شده و نتایج طراحی با بیان معایب و مزایا آورده شده است و سرانجام در فصل 6 نتایج و پیشنهادها برای ادامه پروژه ارائه



قیمت: 11200 تومان

Leave a Reply

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