تماس و مشورت با مدرس دوره : 09153516772

چکیده:

در این پایان نامه در فصل دوم به صورت کامل به توصیف روش های تحلیل آنتن میکرواستریپ اعم از مدل خط انتقال ، مدل حفره و تکنیک قطعه قطعه سازی خواهیم پرداخت و سعی کردیم که به تحلیل پچ مستطیلی با این روش ها بپردازیم. در ادامه به فعال کردن مود های مختلف در این ساختار ها به تفکیک نوع مود آنها خواهیم پرداخت و در آخر به بررسی تاثیر هر یک از این مود ها فعال شده در پارامتر های آنتن پچ مستطیلی خواهیم پرداخت.

در فصل سوم با کمک مدل های طراحی ارائه شده در فصل دوم ، به طراحی یک پچ مستطیلی ساده می پردازیم و با شبیه سازی به وسیله نرم افزار Hfss در ادامه نشان دادیم که با آرایه سری از پچ مستطیلی با اندازه های مختلف و در نظر گرفتن مود های فعال در هر یک از پچ ها به صورت مستقل و نزدیک کردن این فرکانس های تشدید(با تغیییر اندازه های پچ) در یک بازه فرکانسی مناسب به هم می توانیم به پهنای باند قابل قبولی دست پیدا کنیم.

 نشان دادیم با چهار عنصر تشعشعی پچ مستطیلی که به صورت آرایه سری قرار گرفتند توانستیم به پهنای باند امپدانسی در حدود 32% در فرکانس مرکزی 8 گیگا هرتز دست پیدا کنیم.

در فصل چهارم به علت اینکه شباهت زیاد بین آنتن های میکرواستریپ به موجبر های پر شده از دی الکتریک است و همچنین با توجه به آنکه آرایه سری از پچ های مستطیلی که در فصل سوم به آن اشاره شد را می توان به صورت یک موجبر دارای ناپیوستگی فرض نماییم و برای اینکه بتوانیم مود های فعال که دارای دامنه مناسبی بودند را در ساختار آرایه ای پچ مستطیلی بیابیم با استفاده از مدل حفره و روش مودال و همچنین روش قطعه قطعه سازی به ارائه روشی پیشنهادی برای تحلیل این نوع آنتن های آرایه سری با عناصر متقارن می پردازیم.

توانستیم میدان های زیر پچ را که متشکل از مود های مختلف بودند با استفاده از این روش محاسبه نماییم و نشان دادیم که در این آنتن سری به علت نوع قرار گرفتن پچ ها و همچنین اندازه متفاوت هر یک از عناصر تشعشعی بعضی از مود ها دارای دامنه بزگتری نسبت به بقیه مودها هستند و در ادامه نشان دادیم که این مود های که دارای دامنه بزرگتری هستند از نظر فرکانسی نیز در محدوده پهنای باند ما قرار می گیرند که نشان می دهد که در این آرایه سری به همین علت است که به پهنای باند مورد نظر دست پیدا نمودیم.

یعنی با استفاده از این روش می توانیم وقوع مود های مختلف را در یک ساختار پیچیده که دارای ناپیوستگی های زیادی است پیش بینی نماییم. نتایج میدان های بدست آمده در زیر پچ را با نتایج بدست آمده در فصل سوم (که نرم افزار Hfss است) تقریبا مشابه بودند.

فهرست:

 

فصل اول

1-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………….2

1-2 تاریخچه…………………………………………………………………………………………………………………………2

1-3 مراحل انجام پایان نامه…………………………………………………………………………………………………….8

 

فصل دوم : مروری بر آنتن های میکرواستریپ پهن باند و تحلیل آن

2-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………..10

2-2 مدل خط انتقال]12[……………………………………………………………………………………………………….11

2-2-1 اثر میدان پخش شده کناری……………………………………………………………………………………….12

2-2-2 طول موثر، فرکانس تشدید و پهنای موثر…………………………………………………………………….14

2-2-3 روابط طراحی…………………………………………………………………………………………………………..15

2-2-4 ضریب هدایت و مقاومت ورودی…………………………………………………………………………………16

2-3 مدل حفره]12[……………………………………………………………………………………………………………20

2-3-1 مکانیسم کار مدل حفره…………………………………………………………………………………………….21

2-3-2 پیکربندی میدانها(مود)-TM …………………………………………………………………………………. 23

2-3-3 میدانهای دور تشعشعی…………………………………………………………………………………………25

2-3-4 محاسبه میدانهای ناشی از جریانهای تشعشعی………………………………………………………….28

2-3-5 محاسبه میدانهای ناشی از جریانهای غیر تشعشعی…………………………………………………….32

2-4 تکنیک قطعه قطعه سازی و مدل حفره]11[……………………………………………………………………….32

2-5 نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………….37

 

فصل سوم : طراحی آنتن آرایه مستطیلی پهن باند با تحریک مودی

3-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………..39

3-2 مروری بر آنالیز آرایه های تک بعدی ودو بعدی ………………………………………………………………40

3-2-1 آرایه ای با دو المان …………………………………………………………………………………………………40

3-2-2 آرایه خطی با n المان و دامنه و فاصله های یکنواخت………………………………………………….42

3-2-3 آرایه صفحه ای………………………………………………………………………………………………………..43

3-3 طراحی آنتن های میکرواستریپ مستطیلی ساختار پیشنهادی……………………………………….45

3-3-1 طراحی آرایه میکرواستریپ 2 عنصری مستطیلی………………………………………………………52

3-3-2 طراحی آرایه میکرواستریپ 3 عنصری مستطیلی……………………………………………………..55

3-3-3 طراحی آرایه میکرواستریپ 4 عنصری مستطیلی………………………………………………………56

3-4 نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………….63

فصل چهارم : روش تحلیل مودال با استفاده از مدل حفره

4-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….66

4-2 روش مودال در موجبر ها……………………………………………………………………………………………….67

4-3 محاسبه تابع گرین برای پچ مستطیلی میکرواستریپ …………………………………………………….70

4-4 فرضیات مدل حفره برای تحلیل آرایه سری……………………………………………………………………71

4-4-1 فرضیات روش مودال در تحلیل آرایه سری………………………………………………………………….72

4-5 محاسبه روابط مورد نیاز از روش مودال و حفره برای آرایه میکرواستریپ…………………………73

4-5-1 انتخاب میدان مناسب برای تحریک …………………………………………………………………………..74

4-5-2 انتخاب تابع گرین مناسب ………………………………………………………………………………………..75

4-5-3 محاسبه میدان ها ……………………………………………………………………………………………………76

4-5-4 اندازه میدان مود های مختلف…………………………………………………………………………………….76

4-5-5 مقایسه اندازه و شکل میدان های بدست آمده با شبیه سازی در Hfss…… ………………….83

4-5-5-1 فرکانس 77/6 ، 83/6 و 15/7 گیگا هرتز………………………………………………………………84

4-5-5-2 فرکانس 33/9، 32/9 و31/9 گیگا هرتز……………………………………………………………….85

4-6 نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………86

 

فصل پنجم : جمع بندی و پیشنهاد

5-1 جمع بندی …………………………………………………………………………………………………………………..89

5-2 پیشنهاد………………………………………………………………………………………………………………………91

مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………….92

Abstract……………………………………………………………………………………………………………………………96

 

 

 

فهرست اشکال

شکل 2-1 خط میکرواستریپ ، میدان های آن و ثابت دی الکتریک موثر]12[………………………………..13

شکل 2-2 ثابت دی الکتریک موثر در فرکانس ها و زیر لایه های مختلف]12[………………………………..13

2-3 ساختمان و طول موثر پچ میکرواستریپ مستطیلی]12[………………………………………………………..14

شکل 2-4 مدل مداری آنتن میکرواستریپ]12[……………………………………………………………………………16

شکل 2-5 مدل تغذیه تو رفته میکرواستریپ]12[…………………………………………………………………………20

شکل 2-6 نمایش بار ها و جریان ها در مدل حفره]12[…………………………………………………………………21

شکل 2-7 آنتن فرستنده و مدار معادل آن]12[…………………………………………………………………………..22

شکل 2-8 پیکر بندی میدان ها(مدها)برای پچ مستطیلی]12[……………………………………………………..25

شکل 2-9 شیارهای تشعشی پچ مستطیلی و معادل چگالی جریان مغناطیسی]12[………………………..26

شکل 2-10 نمایش جریان های مغناطیسی و الکتریکی در دیواره پچ]12[………………………………………27

شکل 2-11 شکل میدان دور در صفحه E پچ مستطیلی]12[…………………………………………………………..30

شکل 2-12 شکل میدان دور در صفحه H پچ مستطیلی]12[…………………………………………………………31

شکل 2-13 ساختار یک آنتن پچ دلخواه]29[………………………………………………………………………………33

شکل 3-1 نمایش آرایه 2 عنصری در راستای محور z ]12[…………………………………………………………….41

شکل 3-2 نمایش میدان دور و نمودار فاز مربوط به n عنصر با منبع مشابه]12[……………………………..42

شکل3-3 آرایه صفحه ای: آرایه در یک صفحه مستطیلی]12[……………………………………………………..44

شکل 3-4 پارامتر S11 برای پچ اول …………………………………………………………………………………………..47

شکل 3-5 میدان الکتریکیTM01 پچ اولیه با فرکانس تشدید 1/6 گیگا هرتز………………………………48

شکل 3-6 میدان الکتریکیTM20 پچ اولیه با فرکانس تشدید 95/8 گیگا هرتز…………………………….48

شکل3-7 آرایه پچ میکرواستریپ طراحی شده در فرکانس GHz6……………………………………………..51

شکل3-8 آرایه پچ میکرواستریپ طراحی شده در فرکانس GHz6………………………………………………51

شکل 3-9 پارامتر S11 آرایه 2 عنصری……………………………………………………………………………………….52

شکل 3-10 شکل میدان تشعشعی در فرکانس 8 گیگا هرتز…………………………………………………………53

شکل 3-11 شکل میدان تشعشعی در فرکانس 7/7 گیگا هرتز……………………………………………………..54

شکل 3-12 شکل میدان تشعشعی در فرکانس 9 گیگا هرتز…………………………………………………………54

شکل 3-13 میدان های E_(θ ),E_φ CO, و CR در آنتن سری با دو عنصر در فرکانس 7/7 گیگا هرتز…55

شکل 3-14 شکل S11 در آرایه سری با سه عنصری ……………………………………………………………………56

شکل 3-15 نمای از آنتن آرایه طراحی شده در Hfss …………………………………………………………………..57

شکل3-16 پارامتر S شبیه سازی و اندازه گیری شده پچ میکرواستریپ با 4 عنصر تشعشعی ……….58

شکل 3-17 شکل میدان تشعشعی در فرکانس 7 گیگا هرتز آنتن 4 عنصره…………………………………..59

شکل 3-18 شکل میدان تشعشعی در فرکانس 8 گیگا هرتز آنتن 4 عنصره…………………………………..59

شکل 3-19 شکل میدان تشعشعی در فرکانس 9 گیگا هرتز آنتن 4 عنصره…………………………………..60

شکل 3-20 میدانE_φ در φ=0 و φ=90 در فرکانس 7 گیگا هرتز………………………………………….61

شکل 3-21 میدانE_θ در φ=0 و φ=90 در فرکانس 7 گیگا هرتز ………………………………………..61

شکل 3-22 میدانE_θ در φ=0 و φ=90 در فرکانس 7 گیگا هرتز ……………………………………….62

شکل 3-23 میدانE_θ در φ=0 و φ=90 در فرکانس 8 گیگا هرتز ……………………………………….62

شکل 3-24 میدانE_θ در φ=0 و φ=90 در فرکانس 9 گیگا هرتز ……………………………………….63

شکل 4-1 نمایش باز شدگی موجبر ها در جهت x وy ]30[…………………………………………………………..67

شکل 4-2 موجبری با 2 ناپیوستگی]31[……………………………………………………………………………………..69

شکل 4-3 پچ مستطیلی میکرواستریپ]12[………………………………………………………………………………..71

شکل 4-4 ساختار آرایه ای مورد تحلیل……………………………………………………………………………………..75

شکل 4-5 نمایش میدان در مود TM_01 و فرکانس 7/6 گیگا هرتز در عنصر اول……………………………79

شکل 4-6 نمایش میدان در مود TM_11 و فرکانس 2/8گیگا هرتز در عنصر اول…………………………….79

شکل 4-7 نمایش میدان ها در مود TM_20 (a) TM_11 (b) TM_01 (c) در عنصر سوم………80

شکل 4-8 نمایش میدان ها در مود TM_01 (a) TM_20 (b) در عنصر پنجم……………………………….81

شکل 4-9 نمایش میدان ها در مود TM_20 (a) TM_11 (b) TM_01 (c) در عنصرهفتم……………82

شکل 4-10 نمایش میدان در مود TM _01 در Hfss………………………………………………………………………..84

شکل 4-11 نمایش میدان در مود TM _01 در متلب……………………………………………………………………….85

شکل 4-12 نمایش میدان در مود TM _20 در Hfss……………………………………………………………………….85

شکل 4-13 نمایش میدان در مود TM _01 در متلب………………………………………………………………………86

 

 

 

فهرست جداول

جدول (3-1) فرکانس ها و مود های فعال در پچ اول آرایه……………………………………………………………47

جدول (3-2) فرکانس و مود ها در پچ 2 و3………………………………………………………………………………….50

جدول (4-1) دامنه میدان های ایجاد شده در عنصر صفر به ازای n های مختلف……………………………77

جدول (4-2) دامنه و فرکانس نرمالایز شده میدان های ایجاد شده در عنصریک……………………………78

جدول (4-3) فرکانس مود و دامنه های قابل قبول در تمامی پچ های تشعشعی…………………………….83

جدول 4-4 اندازه های واقعی دامنه میدان ها در پچ ها………………………………………………………………..84

 

 

۱ – ۲ مقدمه

امروزه آنتن های میکرو استریپ به علت قیمت پایین، ساخت آسان، قابلیت استفاده در مدارهای مجتمع و نصب آسان آن بر روی سازه ها جزء یکی از پر کاربرد ترین آنتن ها هستند. ولی از مشکلات اساسی این آنتن باریک بودن باند عبور و پایین بودن بهره آن است.

برای این منظور راهکارهای مختلفی مورد استفاده قرار گرفته است تا پهنای باند آن را گسترش دهند. رایج ترین تکنیک استفاده از زیر لایه های ضخیم تر است. همچنین یکی کردن بارهای پراکنده در آنتن های تک لایه توسط افزایش مواد تلفاتی بالا یا عناصر مقاومتی سبب افزایش پهنای باند در ازای کاهش بهره آنتن می شود.

یکی از مشهور ترین روش ها استفاده از ساختارهای چند لایه ای که شامل چندین عناصر تشعشعی پارازیتی است تا امپدانس پهنای باند آنتن های میکرواستریپ را افزایش دهد

شكاف U شکلی که به وسیله پروب L شکل تغذیه می شود در  با پهنای باندی تا %۴۴٫۴ است. اخیرا یک تغذیه پروب برای آنتن های میکرواستریپ خیلی پهن باند با پهنای باندی در حدود ۵۴ در پیشنهاد شده است. استفاده از دو لایه پچ بدون افزایش سطح در  به یک پهنای باندی در حدود ۵۶۸ بدست آمده است

امروزه راهکار های زیادی برای تحلیل آنتن های پچ میکرواستریپی ارائه شده است. این روش های تحلیلی شامل مدل خط انتقال  و مدل حفره می باشد . از عمومی ترین تکنیک های عددی می توان از روش گشتاور و روش المان محدود  نام برد.

 

مدل حفره به دلیل عمومیت آن برای ساختار های مختلف نسبت به روش تحلیلی مدل خط انتقال بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و اغلب با توجه به اینکه نتایج بدست آمده در روشهای عددی در مقایسه با آزمایش عملی نتایج قابل قبول تری را ارائه می نمایند ولی برای توجیه رفتار آنتن در اغلب موارد ناتوان است یعنی اگر بتوانیم مدل حفره تعمیم یافته ای ارائه نماییم که به تحلیل اغلب ساختار ها بپردازد بسیار راحتتر قادر به توجیه رفتار آنتن مورد نظر خواهیم بود .

مثلا در مدل حفره در آنتن مستطیلی با توجه به میدانهای بدست آمده در زیر پچ می توانیم به راحتی میدانهای بیرون زده کناری (که باعث تشعشع خواهند شد) را مشاهده نماییم و با توجه به جهت این میدان های نسبت به هم نوع میدان دور مشخص خواهد شد که در نتیجه مود های که باعث یک بیم مخروطی و غیره می شوند مشخص خواهد شد و همچنین این مدل در طراحی های بسیار قابل استفاده خواهد بود.

آنتن های میکرو استریپ شبیه حفره ای پر از دی الکتریک است و فرکانس اصلی خود را به صورت تشدید نشان می دهند. میدان نرمالايز شده در داخل دی الکتریک (بین پچ و زمین) می تواند رفتاری بسیار شبیه حفره تشدید داشته باشد در صورتی که در بالا و پایین آن یک هادی و در اطراف آن دیوار مغناطیسی (شبیه مدار باز) فرض کنیم.

این یک مدل تقریبی است که اصولا به یک مقاومت ورودی که از صفر تا یک مقدار متناهی در فرکانس تشدید می شود و هیچ توانی را تشعشع نمی کند بنابراین می توانیم میدان واقعی را تقریبا نزدیک به میدانهای بگیریم که این مدل ارائه می کنند .

محاسبه پترن، ادمیتانس ورودی و فرکانس تشدید و مقایسه آن با مقادیر اندازه گیری شده راهی مناسب است برای اینکه نشان دهیم که نزدیکی قابل قبولی بین این نتایج وجود دارد و بسیار شبیه روش آشفتگی که در آنالیز موجیر، حفره ها و تشعشع کننده بسیار موفق بوده است.

در مدل های دیگری با استفاده از تفکیک کردن یک آنتن با ساختار دلخواه به چند المان مشخص (که تحلیل مدل حفره آنها مشخص باشد) و تعریف پورت های برای یکپارچگی دوباره این المانها به ارائه مدل حفره تعمیم یافته ای برای تحلیل تمامی ساختار های دلخواه پرداخته اند.

 

جمع بندی

در این پایان نامه در ابتدا به مرور آنتن های پهن باند که در صنایع مخابرات و دفاعی کاربرد بسزایی دارند پرداختیم و در ادامه به روش های و مدل های مختلف که تا کنون برای آنتن های میکرواستریپ ارائه شده بود پرداختیم.

 از جمله این مدل ها مدل خط انتقال و مدل حفره بود و روشهای مانند روش قطعه قطعه سازی بود و در ادامه به طراحی یک آرایه سری پهن باند با توجه به مود های مرتبه بالاتر هر یک از عناصر تشعشعی آن پرداختیم و نشان دادیم که برای بدست آوردن یک پهنای باند بیشتر از ۲۰٪ می توانیم از روش آرایه سری از المان های متقارن استفاده نماییم به همین منظور در ابتدا به طراحی یک آرایه دو المانی پرداختیم البته اندازه پچ ها را جوری انتخاب نمودیم که فرکانس های مود های TM01 و TM11 و TM20 پچ ها به هم نزدیک باشد و در نتیجه به پهنای باندی در حدود ۲۰٪ دست پیدا کردیم.

در ادامه با اضافه نمودن پچ سومی به این آرایه این پهنای باند را تا ٪۲۳ افزایش دادیم و نشان دادیم می توان با استفاده از این آرایه به پهنای باند بیشتری نیز دست یافت برای این منظور آرایه ای سری با چهار پچ مستطیلی را طراحی نمودیم که در فرکانس مرکزی ۸ گیگا هرتز دارای پهنای باندی در حدود ۳۳% بود و مشاهده نمودیم هر یک از این افزایش پهنای باند در هر مرحله به علت اظافه شدن یک و یا چند فرکانس تشدید است که در هر المان فعال می شود که برای این منظور فعال نمودن مود های مرتبه بالاتر) باید اندازه هر پیچ و یا محل قرار گیری تغذیه به هر پچ را تغییر دهیم.

در نتیجه در این ساختار آرایه اندازه پچ ها با هم متفاوت اند و برای اینکه دامنه مود مورد نظر دارای اندازه s11 قابل قبولی باشد فاصله بین هر پچ را به صورت بهینه محاسبه نمودیم. در فصل چهارم در ابتدا به بررسی روش مودال در موجبر های دارای ناپیوستگی پرداختیم و مشاهده نمودیم که با این روش می توانیم دامنه مود های مختلف که در اثر ناپیوستگی در یک ساختار موجبری

ایجاد می شود را محاسبه نماییم در مرحله بعد نشان دادیم که از این روش می توانیم برای تحلیل موجير هایی که دارای چند ناپیوستگی در هر مرحله هستند استفاده نماییم و برای این منظور از مود های بدست آمده در هر مرحله به شرط دارا بودن بالاترین دامنه به عنوان تحریک (یا همان مود منتشره) در مرحله بعد ناپیوستگی استفاده نمودیم و در نتیجه اندازه میدان ها در مود های مختلف در این موجیر بدست می آمد.

در ادامه به علت آنکه می شود با در نظر گرفتن فرضیات مدل حفره آنتن میکرواستریپ را به صورت یک موجیر پر شده از دی الکتریک در نظر گرفت به تحليل آنتن های میکرواستریپ پرداختیم زیرا معتقد بودیم که با استفاده از روش مودال و نشان دادن مود های فعال هر پچ می توانیم یک دید فیزیکی از این ساختار بیابیم و در ادامه نشان دادیم که می توانیم با استفاده از روش مودال دامنه تمامی مود های که می تواند در یک پچ یا آرایه ای از پچ های مستطیلی وجود داشته باشند را محاسبه نماییم و برای آنکه بشود یک پهنای باند مناسبی از ساختار آرایه خود بگیریم نشان دادیم که هر یک از بچ ها باید در چه فرکانس هایی تشدید نمایند و مود مربوط به هر فرکانس را محاسبه نمودیم.

و با نوشتن برنامه متلب مربوط به این ساختار ارایه اندازه میدان های ایجاد شده در هر بچ را محاسبه نمودیم و با نرمالايز نمودن میدان هر مود در هر پچ میدان های تشعشعی را نشان دادیم و با میدان های بدست آمده با فصل سوم مقایسه نمودیم.

از مقایسه این میدان ها دریافتیم که با تقریب خوبی می توانیم از مدل حفره و روش مودال برای تحلیل آنتن های میکرواستریپ که دارای ساختار های پیچیده ای هد تند استفاده نمود. هر چند نرم افزار های قوی امروزی تمامی این میدان ها را می توانند به روش عددی محاسبه نمایند ولی در این روش از خود روابط مربوط به الکترو مغناطیس استفاده نمودیم و بدون هیچ تقریب عددی به محاسبه میدان پرداختیم و در هر مرحله می توانیم معادله میدان مورد نظر را به صورت یک فرمول ریاضی و نه یک ماتریس عددی نشان دهیم.

با این روش تحلیل پیشنهادی نشان دادیم که همواره می توانیم در یک آنتن سری با استفاده از المان های متقارن به یک پهنای باند قابل قبولی برسیم اگر هر یک از این المان ها را در مود مناسبی تحریک نماییم و نشان دادیم که با توجه به اینکه بدانیم که از چه مود های در یک پچ استفاده نماییم میتوانیم به کاربرد های دیگری از قبیل چند بانده کردن و غیره دست یابیم.

‌————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

رایگان – خرید

————————————————————————————————————————————–