عنوان :  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

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
چکیده
امروزه از هندسه­های فرکتالی در علوم زیادی بهره گیری می­گردد. بدون شک یکی از شاخه­هایی که هندسه­های فرکتالی در آنها تاثیر زیادی گذاشته می باشد الکترومغناطیس و انتشار امواج می باشد. 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 مطالعه ساختارهای فرکتالی جهت طراحی و شبیه­سازی آنتن با ابعاد کوچک مورد مطالعه قرار می­گیرد.
در آغاز 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 معضلات زیادی همراه می باشد، اما در بعضی از کاربردها که نیاز به آنتن با ابعاد بسیار کوچک می باشد بهره گیری از این نوع آنتن ها پیشنهاد می گردد که به گونه جامع به مطالعه آنها خواهیم پرداخت.
در انتهای به مقصود طراحی آنتن با مشخصات فوق در این پایان نامه دو نوع آنتن معرفی گردیده می باشد.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 می باشد. دومین ساختار یک آنتن مایکرو استریپ با ابعاد کوچک شده می باشد که طریقه طراحی آن بر یک الگوی تکرار شونده استوار می باشد نتایج شبیه سازی و اندازه گیری این آنتن نیز ارائه شده می باشد.
کلمات کلیدی : آنتن­های فرکتالی[1]، آنتن مایکرواستریپ[2]
 
فهرست مطالب
عنوان           صفحه
فصل اول :  معرفی هندسه فرکتالی و خواص آن
1-1 مقدمه. 2
1-2 روش ممان. 5
1-3 روش های ساخت… 6
فصل دوم :  آشنایی با ساختارهای فرکتالی بهبود یافته با ابعاد کوچک
2-1 مقدمه. 10
2-2 کوچک سازی آنتن مایکرو استریپ با بهره گیری از ساختارهای فرکتالی.. 10
2-3 آنتن فرکتال حلقوی.. 10
2-3-1 آنتن فرکتال حلقوی کخ.. 11
2-3-2 آنتن فرکتال حلقوی مینکوسکی.. 16
2-4 آنتن های سه بعدی درختی.. 21
2-4-1 مولد ساختار فرکتالی درختی.. 21
2-4-2 مولد ساختار فرکتالی درختی با زاویه متغیر. 25
2-4-3 ساختارهای فرکتالی درختی مرکب… 26
2-4-4 آنتن های درختی با شاخه مرکزی.. 28
2-4-5 آنتن درختی تک قطبی با بارگزاری راکتیو. 29
2-5- آنتن های سه بعدی هیلبرت… 34
2-5-1 ساختارهای هیلبرت سه بعدی معمولی.. 35
2-5-1-1 آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در فضای آزاد. 35
2-5-1-2 آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در داخل استوانه دی الکتریک… 37
2-5-2 آنتن هیلبرت سه بعدی معکوس…. 38
فصل سوم : آنتن های مایکرو استریپ
3-1  مقدمه. 41
3-2 تعریف آنتن های مایکرو استریپ… 41
3-3  ویژگی های آنتن های مایکرو استریپ… 43
3-4  اصول اساسی عملکرد آنتن های مایکرواستریپ… 44
3-5 میدان های تشعشعی.. 46
3-6 روش های تغذیه در آنتن های مایکرواستریپ… 46
3-6-1 تغذیه پروب کواکسیال. 46
3-6-2 تغذیه بروش خط مایکرو استریپی.. 47
3-6-3 تغذیه با کوپلینگ از روزنه. 48
3-6-4- تغذیه با بهره گیری از کوپلینگ الکترومغناطیسی مجاورتی.. 49
3-7  آنتن های مایکرواستریپ مجتمع. 51
3-8 روش های کاهش ابعاد آنتن مایکرواستریپ… 52
3-8-1 بهره گیری از اتصال کوتاه برای زیر لایه های نازک… 52
3-8-2 شکاف گذاری در صفحه ی تشعشعی آنتن.. 52
3-8-3 شکاف گذاری در صفحه زمین.. 53
3-8-4 بهره گیری از آنتن L شکل معکوس  (PIL) 54
3-8-6 بهره گیری از بارگذاری دی الکتریک… 56
فصل چهارم :
4-1 مقدمه. 58
4-2 طراحی و شبیه سازی آنتن مایکرو استریپ ساده برای کاربرد 5 گیگاه هرتز. 58
4-2-1 پارامترهای طراحی آنتن.. 59
4-3 طراحی و شبیهسازی آنتن مایکرواستریپ کوچک شده 60
4-3-1 پارامترهای طراحی آنتن.. 60
4-3-2 کاهش ابعاد آنتن.. 60
4-3-2 تحلیل آنتن.. 61
4-4 نتایج شبیه سازی.. 62
فصل پنجم : نتایج و پیشنهادات
5-1 نتیجه گیری.. 67
5-2 پیشنهادات… 67
منابع. 68

مقدمه
به گونه کلی با نظاره طبیعت اطراف با بعضی از هندسه­های خودمتشابهی برخورد می­کنیم که از آنها می­توان به هندسه های فرکتالی دانست. برای مثال، می توان به ساختار فرکتالی شاخه درختان، چشم انداز واقعی طبیعت غروب های خورشید، زمین های ناهموار، موج های روی دریاچه، خط ساحل، توپوگرافی بستر دریا و گیاهان و کوه ها اشکال مختلف ابرها تصریح نمود.
اولین بار ساختارهای فرکتالی توسط بنویت مندلبرت[1] در سال 1975 معرفی شدند، که این ساختارها دارای اشکالی بودند، که هر بخش از آنها ویژگی های کل ساختار را در یک مقیاس کوچکتر دارا بود. این تعریف یک خاصیت مهم این ساختارها را معرفی می نمود، که آن وجود طول نامحدود در حجم محدودی از این ساختارها بود. شکل (1-1) چند نمونه از ساختارهای فرکتالی ساده در طبیعت پیرامون ما را نشان می دهد، که مربوط به ساقه کاج، درخت و چشم انداز طبیعت  می باشد. همان گونه که در شکل های زیر نظاره می کنید هر قسمت از این ساختارها از نظر خواص هندسی، همانند کل ساختار می باشند.
شکل (1-1) : چند نمونه ساختار فرکتالی
امروزه از هندسه­های فرکتالی در علوم زیادی بهره گیری می­گردد. بدون شک یکی از شاخه­هایی که هندسه فرکتالی در آنها تأثیر زیادی گذاشته می باشد، الکترومغناطیس و انتشار امواج می باشد. وجود خواص ذاتی هندسه­های فرکتالی، باعث ایجاد ویژگی­های مناسبی در تشعشع­کننده­ها، منعکس­کننده ها و آنتن­ها می­گردد که باعث می­گردد این ادوات عملکرد بهتری را در محیط داشته باشند.
در این پایان­نامه انواع ساختارهای فرکتالی به عنوان یک آنتن مطالعه می­شوند و خواص انتشاری این ساختارها به صورت مجزا مورد مطالعه قرار می­گیرد. به گونه کلی ساختارهای فرکتالی زیادی را می­توان جهت طراحی آنتن به کار برد.
در اینجا ما تمامی این ساختارها را در چند دسته کلی تقسیم می­کنیم و خواص هر دسته را به صورت کامل اظهار می کنیم. ساختارهای فرکتالی که معمولاً در طراحی آنتن ها مورد بهره گیری قرار می­گیرند به صورت قطعی[2] می­باشند. به بیانی دیگر کلیه ساختارهای فرکتالی که در اینجا مورد مطالعه قرار می­گیرند خاصیت تصادفی نداشته و از یک ارتباط جبری پیروی می­کنند. به طوری که جهت ایجاد هر شکل فرکتالی می­توان از یک روش تکرارشونده مشخص بهره گیری نمود: نکته دیگر که در بهره گیری از هندسه فرکتالی جهت طراحی آنتن بایستی در نظر گرفت، طریقه تکرار هندسه فرکتالی پس از چندین تکرار می­باشد. با در نظر داشتن اینکه در ساختارهای فرکتالی یک طریقه جبری به صورت تکرارشونده جهت انجام یک شکل فرکتالی بهره گیری می­گردد، بایستی توجه داشت که با در نظر داشتن محدودیت­های موجود در ساخت آنتن، نمی­توان تعداد تکرارها را از یک حد معینی افزایش داد. نقطه قطع تکرارها در ساختارهای مختلف فرکتالی، متفاوت می­باشد و نمی­توان قانون کلی برای آن اظهار نمود. بایستی توجه داشت که خواص آنتن­های فرکتالی با افزایش تعداد تکرارهای ساختار از یک حد معین، دیگر تغییر چندانی نکرده و خواص به حالت مشخصی همگرا می­شوند.
به گونه کلی آنتن های فرکتالی با بهره گیری از روش ممان[3] مطالعه می شوند. در این فصل کلیه نتایج براساس شبیه سازی با بهره گیری از روش ممان اظهار گردیده می باشد.
شکل (1-2)، دسته بندی کلی آنتن های فرکتالی را نشان می دهد. آنتن های فرکتالی به سه ساختار کلی، آنتن های حلقوی، آنتن های دوقطبی و آنتن های فرکتالی چندبانده تقسیم بندی شده اند. آنتن های فرکتالی دوقطبی، آنتن های سیمی می باشند که در این شکل فقط یک بازوی آن نشان داده شده می باشد، و بازوی دیگر به صورت قرینه این بازو نسبت به منبع تغذیه می باشد. مانند مزایای آنتن­های فرکتالی دوقطبی در حالت کلی، کم شدن ارتفاع آنتن در مقایسه با آنتن دوقطبی معمولی، برای مقدار امپدانس ورودی ثابت می­باشد. ساختارهای دوقطبی که در شکل زیر به آنها تصریح شده می باشد، ساختار درختی[4] و ساختار کخ[5] می­باشند. دسته دوم آنتن­های فرکتالی، آنتن­های حلقوی می­باشند که بهره گیری از ساختارفرکتالی در این آنتن­ها سبب کاهش ابعاد آنتن و افزایش امپدانس ورودی می­گردد.
شکل (1-2) : دسته بندی کلی آنتن های فرکتالی
دسته سوم آنتن­های فرکتالی که از نظر کاربرد و تنوع نسبت به دو دسته قبلی معروفیت بیشتری دارند، آنتن­های فرکتالی چندبانده می­باشند. در این آنتن­ها وجود چندین بخش یکسان در مقیاس­های مختلف سبب می گردد که آنتن در چندین باند فرکانسی مختلف، عملکرد یکسانی از لحاظ تشعشعی داشته باشد. به این آنتن­ها اصطلاحاً آنتن های خودمتشابه[6] می­گویند. شکل فوق یک نمونه از این آنتن­ها را که به آنتن­های سرپینسکی[7] معروف هستند، نشان می­دهد.
برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص ساختارهای فرکتالی مختلف می توان به مراجع [1] و [2] مراجعه نمود. همچنین در خصوص کاربرد ساختارهای فرکتالی در آنتن­ها می­توان به مرجع [3] مراجعه نمود. همچنین در مرجع [4] می­توان مروری بر مقالات چاپ شده در خصوص آنتن­های فرکتالی داشت. در مراجع فوق، آنتن­های فرکتالی در دو حالت تک المانی و آرایه­ای مورد مطالعه قرار گرفته می باشد.
1-2 روش ممان
به گونه کلی برای تحلیل سیستم­های تشعشعی و آنتن­ها نیاز به ابزارهای شبیه­سازی نیرومندی  می­باشد، که از آن جمله می­توان به روش ممان تصریح نمود. در این قسمت مروری بر روش ممان جهت تحلیل آنتن های فرکتالی خواهیم داشت. روش ممان در واقع یک تکنیک عددی جهت حل معادلات انتگرالی حاکم بر آنتن می باشد که این معادلات انتگرالی از توزیع جریان بر روی بدنه آنتن به دست می آیند. در واقع معادلات انتگرالی که با بهره گیری از روش ممان حل می شوند، معادلات میدان الکتریکی می باشند. که این معادلات با فرض شرایط مرزی برای هادی الکتریکی کامل به دست می آیند. پس در این روش جریان ها از طریق شرط مماسی میدان الکتریکی بر روی سطح آنتن به دست می آیند، یعنی :
که در عبارت فوق میدان برخوردی، بیانگر میدان در حالت عدم وجود هادی الکتریکی       می باشد. و میدان های پراکندگی نیز ناشی از جریان های القایی بر روی سطح آنتن می باشند. حال با بهره گیری از اصل هم ارزی و فرض جریان بر روی هادی به صورت زیر :
می توان معادلات انتگرالی حاکم بر آنتن را به دست آورد. توجه داشته باشید که  در عبارت فوق، توابع پایه شناخته شده ای می باشند، که مجموعه آنها خاصیت متعامد بودن و کامل بودن[8] را امتناع می کنند.
1-3 روش های ساخت
طراحی و ساخت آنتن های فرکتالی همانند آنتن های پچ مایکرواستریپی می­باشند. یعنی از چاپ هادی بر روی لایه ای دی الکتریک به دست می­آیند. از آنجا که هر چه ضریب دی الکتریک زیرلایه کوچکتر باشد تلفات زیرلایه کمتر بوده و آنتن دارای خواص تشعشعی بهتری می باشد. پس یکی از بهترین زیرلایه­ها هوا می­باشد. اما در اقدام ساخت آنتن­های فرکتالی با زیرلایه­ای از هوا بسیار دشوار می باشد. پس معمولاً آنتن­ها را بر روی لایه­ای از دی الکتریک می­سازند. تأثیر ضخامت دی الکتریک و ضریب دی الکتریک بر خواص تشعشعی آنتن قابل مطالعه می باشد. که نتایج این مطالعه در جدول (1-1) آمده می باشد.
جدول (1-1) : تأثیر دی الکتریک زیرلایه بر روی خواص تشعشعی آنتن

پارامترهای زیرلایه پهنای باند تلفات بازده تشعشعی
افزایش کاهش افزایش کاهش
افزایش ضخامت دی الکتریک افزایش افزایش کاهش

در طراحی و ساخت آنتن های فرکتالی دوقطبی و حلقوی با در نظر داشتن انتخاب صحیح تغذیه از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. برای مثال بهره گیری از بالن[9] در این آنتن ها به مقصود ایجاد تغذیه مناسب ضروری می باشد.
مانند تکنیک­های متداول جهت تغذیه آنتن­های دوقطبی، بهره گیری از آنتن­های تک قطبی در حضور صفحه زمین به دست می­آید. روش مشابهی نیز برای آنتن­های حلقوی هست به طوری که نیمی از حلقه بر روی دی الکتریک چاپ شده و سپس بر روی صفحه زمین مطابق شکل (1-3) قرار می­گیرد.
شکل (1-3) : آنتن فرکتالی نیمه حلقوی بر روی صفحه زمین بزرگ
در این حالت همان گونه که در شکل فوق ملاحظه می کنید، یک طرف حلقه توسط کابل هم محور[10] تغذیه می گردد و طرف دیگر زمین می گردد. از آنجا که حلقه در حالت تشدید بایستی جریانی برابر با صفر در محل اتصال خود با زمین داشته باشد، پس اتصال زمین تأثیر بسیار کمی در نقطه انتهایی حلقه در حالت تشدید دارد. توزیع جریان در این حالت بنا بر نظریه تصویر، نیاز به صفحه زمین بزرگ می باشد. که این خود مشکلاتی را از جهت ساخت آنتن ایجاد می کند. برای رفع این مشکل معمولاً در ساخت آنتن های حلقوی از روش تغذیه هم صفحه[11] CPS بهره گیری می گردد.
در این روش از کل حلقه به جای نیمی از آن بهره گیری می گردد و در واقع تغذیه هم صفحه به صورت یک بالن اقدام می کند. در واقع تغذیه هم صفحه از دو خط انتقال با 180 درجه اختلاف فاز نسبت به هم تشکیل شده می باشد. به همین مقصود در این روش از دو خط مایکرواستریپی و خط تأخیر، جهت تغذیه خطوط هم صفحه با 180 درجه اختلاف فاز بهره گیری می گردد. این روش در شکل (1-4) نشان داده شده می باشد.
شکل (1-4) : تغذیه هم صفحه برای یک آنتن حلقوی
همان گونه که در شکل فوق نظاره می کنید، اولین قسمت شامل یک خط انتقال مایکرواستریپی و یک خط تأخیری می باشد. که در واقع این قسمت به عنوان تغذیه ای برای بخش CPS می باشد. همان گونه که در این شکل مشخص می باشد، صفحه زمین تنها بر زیر بخش مایکرواستریپی قرار دارد. به تعبیری دیگر بخش CPS نیازی به صفحه زمین ندارد.
از آنجا که در روش فوق آنتن حلقوی تنها بر روی لایه ای از دی الکتریک (بدون صفحه زمین) قرار دارد، پس این امر باعث کند کردن امواج الکترومغناطیسی شده و موجب می گردد که آنتن از لحاظ الکتریکی بزرگتر به نظر برسد. با فرض اینکه ضریب دی الکتریک مؤثر زیر آنتن، میانگین ضریب دی الکتریک فضای آزاد و ضریب دی الکتریک زیرلایه باشد، آنگاه می توان طول موج مؤثر امواج الکترومغناطیسی را به صورت زیر محاسبه نمود.
در تمامی تحلیل های فوق از تأثیر امواج سطحی صرف نظر شده می باشد. در حالی که تأثیر این امواج را می توان از طریق کاهش  و ضخامت دی الکتریک، کاهش داد.

تعداد صفحه : 82
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد رشته برق قدرت: تعیین ظرفیت های استاتیکی و دینامیکی خطوط انتقال

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

دسته‌ها: مهندسی برق