طراحی و شبیه سازی آنتن¬ فرکتالی کوچک شده

موسسه غیرانتفاعی پویش قم
طراحی و شبیه سازی آنتن فرکتالی کوچک شده
پایاننامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مخابرات
گرایش سیستم
استاد راهنما :
دکتر جواد قالیبافان
نگارش :
امین فتحالهی
شهریور 1393
تقدیم به همسر مهربانم
قدردانی
با سپاس از آفریدگار مهربان، که اسباب نگارش این پایاننامه به قدرت او فراهم آمد. در اینجا بر خود میدانم که از زحمات دلسوزانه استاد ارجمند، جناب آقای دکتر جواد قالیبافان کمال تشکر و قدردانی را داشته باشم.
چکیده
امروزه از هندسههای فرکتالی در علوم زیادی استفاده میشود. بدون شک یکی از شاخههایی که هندسههای فرکتالی در آنها تاثیر زیادی گذاشته است الکترومغناطیس و انتشار امواج است. وجود خواص ذاتی هندسههای فرکتالی، باعث ایجاد ویژگیهای مناسبی در تشعشعکنندهها، منعکسکنندهها و آنتنها میگردد که باعث میگردد این ادوات عملکرد بهتری را در محیط داشته باشند. در این پایاننامه بررسی ساختارهای فرکتالی جهت طراحی و شبیهسازی آنتن با ابعاد کوچک مورد بررسی قرار میگیرد.
در ابتدا مروری بر هندسه فرکتالی خواهیم داشت سپس با چند نمونه از ساختارهای فرکتالی بهبود یافته با ابعاد کوچک شده شامل ساختارهای حلقوی، سه بعدی درختی و هیلبرتی و آنتنهای مایکرواستریپ آشنا می شویم اگر چه طراحی و ساخت این آنتن ها با مشکلات زیادی همراه می باشد، اما در بعضی از کاربردها که نیاز به آنتن با ابعاد بسیار کوچک می باشد استفاده از این نوع آنتن ها پیشنهاد می شود که به طور جامع به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
در انتهای به منظور طراحی آنتن با مشخصات فوق در این پایان نامه دو نوع آنتن معرفی گردیده است.اولین ساختار یک آنتن مایکرواستریپ مربعی ساده با فرکانس3 تا GHZ5 با تغذیه پروب می باشد که نتایج شبیه سازی برای این آنتن ارائه شده است. دومین ساختار یک آنتن مایکرو استریپ با ابعاد کوچک شده می باشد که روند طراحی آن بر یک الگوی تکرار شونده استوار است نتایج شبیه سازی و اندازه گیری این آنتن نیز ارائه شده است.
کلمات کلیدی : آنتنهای فرکتالی، آنتن مایکرواستریپ
فهرست مطالب
عنوان صفحه
TOC o “1-3” h z u فصل اول : معرفی هندسه فرکتالی و خواص آن1-1 مقدمه PAGEREF _Toc397247514 h 21-2 روش ممان PAGEREF _Toc397247517 h 51-3 روش های ساخت PAGEREF _Toc397247518 h 6فصل دوم : آشنایی با ساختارهای فرکتالی بهبود یافته با ابعاد کوچک2-1 مقدمه PAGEREF _Toc397247524 h 102-2 کوچک سازی آنتن مایکرو استریپ با استفاده از ساختارهای فرکتالی PAGEREF _Toc397247525 h 102-3 آنتن فرکتال حلقوی PAGEREF _Toc397247526 h 102-3-1 آنتن فرکتال حلقوی کخ PAGEREF _Toc397247528 h 112-3-2 آنتن فرکتال حلقوی مینکوسکی PAGEREF _Toc397247533 h 162-4 آنتن های سه بعدی درختی PAGEREF _Toc397247540 h 212-4-1 مولد ساختار فرکتالی درختی PAGEREF _Toc397247541 h 212-4-2 مولد ساختار فرکتالی درختی با زاویه متغیر PAGEREF _Toc397247547 h 252-4-3 ساختارهای فرکتالی درختی مرکب PAGEREF _Toc397247551 h 262-4-4 آنتن های درختی با شاخه مرکزی PAGEREF _Toc397247555 h 282-4-5 آنتن درختی تک قطبی با بارگزاری راکتیو PAGEREF _Toc397247559 h 292-5- آنتن های سه بعدی هیلبرت PAGEREF _Toc397247569 h 342-5-1 ساختارهای هیلبرت سه بعدی معمولی PAGEREF _Toc397247570 h 352-5-1-1 آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در فضای آزاد PAGEREF _Toc397247571 h 352-5-1-2 آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در داخل استوانه دی الکتریک PAGEREF _Toc397247575 h 372-5-2 آنتن هیلبرت سه بعدی معکوس PAGEREF _Toc397247577 h 38فصل سوم : آنتن های مایکرو استریپ3-1 مقدمه PAGEREF _Toc397247583 h 413-2 تعریف آنتن های مایکرو استریپ PAGEREF _Toc397247584 h 413-3 ویژگی های آنتن های مایکرو استریپ PAGEREF _Toc397247586 h 433-4 اصول اساسی عملکرد آنتن های مایکرواستریپ PAGEREF _Toc397247588 h 443-5 میدان های تشعشعی PAGEREF _Toc397247589 h 463-6 روش های تغذیه در آنتن های مایکرواستریپ PAGEREF _Toc397247590 h 463-6-1 تغذیه پروب کواکسیال PAGEREF _Toc397247591 h 463-6-2 تغذیه بروش خط مایکرو استریپی PAGEREF _Toc397247593 h 473-6-3 تغذیه با کوپلینگ از روزنه PAGEREF _Toc397247595 h 483-6-4- تغذیه با استفاده از کوپلینگ الکترومغناطیسی مجاورتی PAGEREF _Toc397247597 h 493-7 آنتن های مایکرواستریپ مجتمع PAGEREF _Toc397247599 h 513-8 روش های کاهش ابعاد آنتن مایکرواستریپ PAGEREF _Toc397247600 h 523-8-1 استفاده از اتصال کوتاه برای زیر لایه های نازک PAGEREF _Toc397247601 h 523-8-2 شکاف گذاری در صفحه ی تشعشعی آنتن PAGEREF _Toc397247603 h 523-8-3 شکاف گذاری در صفحه زمین PAGEREF _Toc397247605 h 533-8-4 استفاده از آنتن L شکل معکوس (PIL) PAGEREF _Toc397247607 h 543-8-6 استفاده از بارگذاری دی الکتریک PAGEREF _Toc397247610 h 56فصل چهارم : 4-1 مقدمه PAGEREF _Toc397247612 h 584-2 طراحی و شبیه سازی آنتن مایکرو استریپ ساده برای کاربرد 5 گیگاه هرتز PAGEREF _Toc397247613 h 584-2-1 پارامترهای طراحی آنتن PAGEREF _Toc397247615 h 594-3 طراحی و شبیهسازی آنتن مایکرواستریپ کوچک شده PAGEREF _Toc397247616 h 604-3-1 پارامترهای طراحی آنتن PAGEREF _Toc397247618 h 604-3-2 کاهش ابعاد آنتن PAGEREF _Toc397247619 h 604-3-2 تحلیل آنتن PAGEREF _Toc397247621 h 614-4 نتایج شبیه سازی PAGEREF _Toc397247622 h 62فصل پنجم : نتایج و پیشنهادات5-1 نتیجه گیری PAGEREF _Toc397247633 h 675-2 پیشنهادات PAGEREF _Toc397247634 h 67منابع PAGEREF _Toc397247635 h 68
فهرست جداول
عنوان صفحه
TOC o “1-3” h z u
جدول (1-1) : تأثیر دی الکتریک زیرلایه بر روی خواص تشعشعی آنتن PAGEREF _Toc397247519 h 6جدول (2-1) : سمت گرایی و سطح مؤثر آنتن های فرکتالی مینکوسکی با درجات تکرار و عرض های فرورفتگی مختلف [10] PAGEREF _Toc397247537 h 19جدول (2-2) : پارامترهای طراحی آنتن درختی 4 شاخه ای PAGEREF _Toc397247543 h 22جدول (2-3) : پارامترهای طراحی آنتن درختی 6 شاخه ای و 8 شاخه ای PAGEREF _Toc397247544 h 23جدول (2-4) : پارامترهای طراحی برای آنتن 4 شاخه ای در تکرار سوم PAGEREF _Toc397247549 h 25جدول (2-5) : پارامترهای طراحی براثی آنتن درختی 8 شاخه ای مرکب PAGEREF _Toc397247553 h 27جدول (2-6) : پارامترهای طراحی آنتن 4 شاخه ای درختی، با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی PAGEREF _Toc397247556 h 28جدول (2-7) : پارامترهای طراحی آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده، در دو حالت دوبانده و سه بانده PAGEREF _Toc397247561 h 31جدول (2-8) : پارامترهای طراحی آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری PAGEREF _Toc397247565 h 33
فهرست اشکال
عنوان صفحه
TOC o “1-3” h z u شکل (1-1) : چند نمونه ساختار فرکتالی PAGEREF _Toc397247515 h 2شکل (1-2) : دسته بندی کلی آنتن های فرکتالی PAGEREF _Toc397247516 h 4شکل (1-3) : آنتن فرکتالی نیمه حلقوی بر روی صفحه زمین بزرگ PAGEREF _Toc397247520 h 7شکل (1-4) : تغذیه هم صفحه برای یک آنتن حلقوی PAGEREF _Toc397247521 h 7شکل (2-1) : دو نمونه از ساختارهای فرکتالی حلقوی، فرکتالی مینکوسکی و فرکتالی کخ [10] PAGEREF _Toc397247527 h 11شکل (2-2) : روند تولید حلقه فرکتالی کخ برای چهار تکرار اول و عملگر کخ [10] PAGEREF _Toc397247529 h 12شکل (2-3) : مقایسه حلقه فرکتالی کخ در تکرار چهارم با حلقه دایروی [10] PAGEREF _Toc397247530 h 13شکل (2-4) : امپدانس ورودی برای دو آنتن حلقوی کخ و آنتن حلقوی دایره ای [10] PAGEREF _Toc397247531 h 14شکل (2-5) : پترن تشعشعی برای آنتن حلقوی کخ و آنتن حلقوی دایروی [10] PAGEREF _Toc397247532 h 15شکل (2-6) : روند تولید حلقه فرکتالی مینکوسکی برای چهار تکرار اول و عملگر مینکوسکی [10] PAGEREF _Toc397247534 h 17شکل (2-7) : تغییرات فاکتور مقیاس برای تکرارها و عرض فرورفتگی های مختلف آنتن مینکوسکی [10] PAGEREF _Toc397247535 h 18شکل (2-8) : پترن تشعشعی آنتن فرکتالی مینکوسکی با درجات تکرار و عرض های فرورفتگی مختلف [10] PAGEREF _Toc397247536 h 19شکل (2-9) : آنتن های حلقوی فرکتالی مینکوسکی و حلقوی مربعی در حضور صفحه زمین [10] PAGEREF _Toc397247538 h 20شکل (2-10) : آنتن های حلقوی فرکتالی مینکوسکی و حلقوی مربعی با تغذیه هم صفحه [10] PAGEREF _Toc397247539 h 20شکل (2-11) : چهار تکرار اول برای آنتن های درختی 4 شاخه ای PAGEREF _Toc397247542 h 22شکل (2-12) : مقایسه پارامتر S11 برای آنتن های 4 شاخه ای، 6 شاخه ای و 8 شاخه ای PAGEREF _Toc397247545 h 24شکل (2-13) : پترن تشعشعی برای آنتن های درختی 4، 6 و 8 شاخه ای PAGEREF _Toc397247546 h 24شکل (2-14) : آنتن 4 شاخه ای در تکرار سوم، برای چند زاویه بین شاخه ای متغیر PAGEREF _Toc397247548 h 25شکل (2-15) : نسبت موج ایستان برای آنتن 4 شاخهای برای تکرارهای دوم و سوم برای زوایای بین شاخهای مختلف PAGEREF _Toc397247550 h 26شکل (2-16) : آنتن درختی 8 شاخه ای مرکب، برای سه تکرار اول PAGEREF _Toc397247552 h 27شکل (2-17) : نتایج حاصل از شبیه سازی برابر پارامتر S11 آنتن 8 شاخه ای مرکب PAGEREF _Toc397247554 h 28شکل (2-18) : آنتن های درختی 4 شاخه ای با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی PAGEREF _Toc397247557 h 29شکل (2-19) : نتایج حاصل از شبیه سازی برای پارامتر S11 آنتن 4 شاخه ای با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی PAGEREF _Toc397247558 h 29شکل (2-20) : آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده، در دو حالت دو بانده و سه بانده PAGEREF _Toc397247560 h 31شکل (2-21) : پارامتر S11 آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده PAGEREF _Toc397247562 h 32شکل (2-22) : پترن تشعشعی آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده PAGEREF _Toc397247563 h 32شکل (2-23) : ساختار آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری PAGEREF _Toc397247564 h 33شکل (2-24) : پارامتر S11 آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری PAGEREF _Toc397247566 h 33شکل (2-25) : شبکه تطبیق برای آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری PAGEREF _Toc397247567 h 34شکل (2-26) : پترن تشعشعی برای آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری PAGEREF _Toc397247568 h 34شکل (2-27) : آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در سه تکرار اول PAGEREF _Toc397247572 h 36شکل (2-28) : پارامتر S11 برای آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در سه تکرار اول PAGEREF _Toc397247573 h 36شکل (2-29) : پترن تشعشعی برای آنتن هیلبرت معمولی در فرکانس GHz5، برای تکرار اول (a) و برای تکرار دوم (b) و برای تکرار سوم (c) PAGEREF _Toc397247574 h 37شکل (2-30) : پارامتر S11 برای آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در تکرار سوم در فضای آزاد و محیط دی الکتریک PAGEREF _Toc397247576 h 38شکل (2-31) : آنتن هیلبرت سه بعدی معکوس در سه تکرار اول PAGEREF _Toc397247578 h 39شکل (2-32) : پارامتر S11 برای آنتن هیلبرت سه بعدی معکوس در سه تکرار اول PAGEREF _Toc397247579 h 39شکل (2-33) : پترن تشعشعی برای آنتن هیلبرت معکوس در فرکانس GHz5، برای تکرار اول (a)، تکرار دوم (b) و تکرار سوم (c) PAGEREF _Toc397247580 h 39شکل (3-1) : ساختار آنتن مایکرواستریپ PAGEREF _Toc397247585 h 42شکل (3-2) : اشکال هندسی شناخته شده قابل استفاده در طراحی آنتن پچ مایکرواستریپ PAGEREF _Toc397247587 h 44شکل (3-3) : تغذیه آنتن پچ میکرواستریپ بروش پروب کواکسیال PAGEREF _Toc397247592 h 47شکل (3-4) : تغذیه بهروش اتصال مستقیم خط کواکسیال PAGEREF _Toc397247594 h 47شکل (3-5) : نمونهای از آنتن با تغذیه کوپلاژ روزنهای PAGEREF _Toc397247596 h 49شکل (3-6). ساختار تغذیه کوپلینگ مجاورتی (الف) نمای جانبی (ب) نمای بالایی PAGEREF _Toc397247598 h 50شکل (3-7): نمونه هایی از اعمال اتصال کوتاه بر روی آنتن های با زیر لایۀ نازک برای کوچک سازی آنتن در (a) آنتن مستطیلی (b) آنتن دایره ای و (c) آنتن مثلثی PAGEREF _Toc397247602 h 52شکل (3-8) : هندسه ی یک نمونه از آنتن مایکرو استریپ با سطح تشعشعی تصحیح شده PAGEREF _Toc397247604 h 533-8-3 شکاف گذاری در صفحه زمین PAGEREF _Toc397247605 h 53شکل (3-9) : هندسه ی یک آنتن مستطیلی مایکرو استرویپ کوچک شده با صفحه ی زمین تصحیح شده PAGEREF _Toc397247606 h 543-8-4 استفاده از آنتن L شکل معکوس (PIL) PAGEREF _Toc397247607 h 54شکل (3-10) : نمای هندسی یک آنتن PIL PAGEREF _Toc397247608 h 55شکل (3-11) : نمای هندسی آنتن U شکل معکوس با تغذیه ی کوپل روزنه H PAGEREF _Toc397247609 h 55شکل (4-1). ساختار آنتن میکرواستریپ برای کاربرد 5 گیگاهرتز PAGEREF _Toc397247614 h 59شکل (4-2). ساختار آنتن کوچک شده PAGEREF _Toc397247617 h 60شکل (4-3) : ساختار دو آنتن PAGEREF _Toc397247620 h 61شکل (4-4). تلفات بازگشتی برای آنتن مایکرواستریپ مربعی PAGEREF _Toc397247623 h 62شکل (4-5).

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 *