عنوان : واکاوی و شبیه سازی تقویت کننده یک طبقه مایکروویوی سیگنال کوچک با بهره گیری از روش FDTD

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“

مهندسی برق مخابرات (گرایش میدان و امواج)

عنوان :

واکاوی و شبیه سازی تقویت کننده یک طبقه مایکروویوی سیگنال کوچک با بهره گیری از روش FDTD

استاد راهنما :

دکتر منوچهر کامیاب حصاری

استاد مشاور :

دکتر فرخ حجت کاشانی

بهمن 1385

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 :
فهرست مطالب
 
چکیده…………………………………………………………………………………………………………. 1
 
فصل اول : معرفی روش FDTD
 
-1-1 تاریخچه تکنیک FDTD  در معادلات ماکسول………………………………………………… 6
 
-2-1 مشخصه FDTD و تکنیک های حوزه زمان شبکه مکانی مربوطه 7…… …………………………..
 
FDTD -3-1 در یک بعد………………………………………………………………………………….. 8
 
-4-1 پایداری در روش 14…………………………………………………………….. FDTD
-5-1 تعیین اندازه سلول…………………………………………………………………………………… 14
 
-6-1 شبیه سازی در سه بعد به روش FDTD در فضای آزاد……………………………………… 15
 
-7-1 خواص الکترومغناطیسی در مرز بین دو سلول…………………………………………………. 17
 
-8-1 لایه تطبیق کامل 18…………………………………………………………………………….. PML
 
فصل دوم : مدل کردن عناصر فشرده پسیو و اکتیو با بهره گیری از روش FDTD
 
-1-2 عناصر فشرده خطی…………………………………………………………………………………. 27
 
-1-1-2 مقاومت……………………………………………………………………………………………… 29
 
-2-1-2 منبع ولتاژ مقاومتی………………………………………………………………………………. 30
 
-3-1-2 خازن………………………………………………………………………………………………… 32
 
-4-1-2 سلف…………………………………………………………………………………………………. 32
 
-5-1-2 سیم یا اتصال………………………………………………………………………………………. 33
 
-2-2 مدل کردن عنصر فشرده در بیش از یک سلول………………………………………………… 33
 
-3-2 مدل کردن عناصر اکتیو…………………………………………………………………………….. 37
 
-4-2 روش FDTD بسط یافته…………………………………………………………………………… 39
 
-5-2 مدل گلوبال……………………………………………………………………………………………. 41
 
-6-2 روش منبع جریان معادل 48…………………………………………………….. …………………………..
 
-1-6-2 فرمول بندی روش منبع جریان معادل……………………………………………………….. 49
 
-2-6-2 دستگاه های اکتیو خطی……………………………………………………………………….. 53
 
-3-6-2 دستگاه اکتیو غیر خطی………………………………………………………………………… 56
 
فصل سوم : تقویت کننده مایکروویوی
 
-1-3عناصر مداری مایکروویو……………………………………………………………………………… 61
 
-1-1-3 مدارات عنصر فشرده…………………………………………………………………………….. 61
 
-2-1-3 مدارات خط توزیع شده…………………………………………………………………………. 61
 
-2-3 تطبیق شبکه های مایکروویو 61……………………………………………….. …………………………..
 
-3-3 تقویت کننده های مایکروویو………………………………………………………………………. 61
 
-1-3-3 تقویت کننده های مایکروویوی از نظر ساختار……………………………………………… 62
 
-2-3-3 تقویت کننده های مایکروویوی از نظر ساختار مداری…………………………………….. 62
 
-3-3-3تقویت کننده های مایکروویوی از نظر عملکرد………………………………………………. 62
 
-4-3 تقویت کننده یک طبقه مایکروویوی……………………………………………………………… 65
 
-5-3 مدل سیگنال کوچک 67………………………………………………………………….. MESFET
 
-1-5-3اندوکتانس های پارازیتیک 67………………………………………………… …………………………..
 
-2-5-3 مقاومت های پارازیتیک………………………………………………………………………….. 68
 
-3-5-3خازن های درونی…………………………………………………………………………………… 68
 
-4-5-3مقاومت با ر69………………………………………………………………………………………. Ri
 
-5-5-3ضریب هدایت متقابل……………………………………………………………………………… 69
 
-6-5-3زمان گذر…………………………………………………………………………………………….. 69
 
-7-5-3مقاومت خروجی…………………………………………………………………………………… .70
 
فصل چهارم : طراحی و شبیه سازی تقویت کننده
 
-1-4 طراحی تقویت کننده سیگنال کوچک…………………………………………………………… 73
 
-1-1-4 شبکه تطبیق خروجی…………………………………………………………………………… 76
 
-2-1-4 شبکه تطبیق ورودی…………………………………………………………………………….. 77
 
-2-4 مشخصات خط مایکرواستریپ 78………………………………………………. …………………………..
 
-3-4 مشخصات شبکه FDTD در شبیه سازی……………………………………………………….. 80
 
-4-4 مدل سازی عنصر فعال……………………………………………………………………………… 80
 
-1-4-4 مدل منبع جریان…………………………………………………………………………………. 85
 
-2-4-4 مدل منبع ولتاژ……………………………………………………………………………………. 89
 
-5-4 محاسبه پارامترهای 92……………………………………………………………………………….. S
 
-6-4 پروسه شبیه سازی…………………………………………………………………………………… 94
 
نتیجه…………………………………………………………………………………………………………… 100
 
پیوست…………………………………………………………………………………………………………. 101
 
منابع و ماخذ………………………………………………………………………………………………… . 102
 
چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………… 106
 
فهرست شکل ها
 
:1-1 یک در میان قرار گرفتن میـدان های E و H از نظر زمـانی و مکانی در فرمـــول بندی
 
10……………………………………………………………………………………………………….. FDTD
 
:2-1 سلول 15……………………………………………………………………………………………… yee
 
:1-2 منبع ولتاژ مقاومتی که در جهت z مثبت قرار گرفته می باشد…………………………………. 31
 
:2-2 مدار مربوط به عنصر فشرده که در چندین سلول yee واقع شده می باشد………………….. ..35
 
:3-2 مدل کردن ترانزیستور در شبکه 41………………………………………………………… FDTD
 
:4-2 دید فوقانی نیمی از ساختار 45…………………………………………………. GaAs MESFET
 
:5-2 تقویت کننده ترانزیستور GaAs و شبکه تطبیق……………………………………………….. 46
 
:6-2 شبکه تطبیق ورودی………………………………………………………………………….. 47
:7-2 کوپلینگ در 47……………………………………………………………………. GaAs MESFET
 
:8-2 شبکه تطبیق خروجی 47………………………………………………………… …………………………..
 
:9-2 صفحه اکتیو ABCD در انتهای خط مایکرواستریپ……………………………………………. 50
 
:10-2 نمایش مدار معادل لبه های سلول (i, j) در شبکه 51………………………………… FDTD
 
:11-2 شبکه اکتیو و ختم شدگی آن به جریان دستگاه……………………………………………. 52
 
:12-2 مدار معادل سلول 52………………………………………………………………………… FDTD
 
:1-3 عملکرد سیگنال کوچک تقویت کننده 64……………………………………. …………………………..
 
:2-3 عملکرد سیگنال بزرگ تقویت کننده…………………………………………………………….. 64
 
:3-3 نمای کلی تقویت کننده یک طبقه……………………………………………………………… ..65
 
:4-3 تقویت کننده در این پایان نامه……………………………………………………………………. 66
 
:5-3 مدل 16 عنصری سیگنال کوچک 70………………………………………………….. MESFET
 
:6-3 ناحیه تخلیه زیر گیت……………………………………………………………………………….. 71
 
:1-4 تقویـت کننده مایکــروویوی شبیه سازی شـده در این پایان نامـه با استفـاده از
 
MESFET مایکروویوی 77………………………………………………………………………….. js8851
 
:2-4 مقادیر S اندازه گیری شده با بهره گیری از نرم افزار مایکروویو آفیس………………………… 78
 
:3-4 خط مایکرواستریپ 79……………………………………………………………. …………………………..
 
:4-4 (الف) قرار گرفتن منابع معادل جریان در روش معادل نرتن. (ب) مدار معادل فرم انتگرالی
 
قانون آمپر 81……………………………………………………………………………… …………………………..
 
:5-4 (ج) قرار گرفتن منـابع ولتاژ معادل در روش معـادل تونن. (د) مدار معـادل فرم انتگرالی
 
قانون فاراد…………………………………………………………………………………………………….. 82
 
:6-4 پارامترهای S به دست آمده حاصل از شبیه سازی 85……………………… …………………………..
 
:7-4 مدل منبع جریان معادل……………………………………………………………………………. 86
 
:8-4 منبع ولتاژ معادل…………………………………………………………………………………….. 89
 
:9-4 پارامترهای S به دست آمده با بهره گیری از روش منبع ولتاژ معادل………………………….. 96
 
:10-4 پارامترهای S به دست آمده با بهره گیری از روش منبع جریان معادل……………………… 97
 
:11-4 پارامترهای S حاصل شده از شبیه سازی در حوزه فرکانس با بهره گیری از 98……… MWO
 
چکیده                                                                                                                              ١
 
چکیده:
 
 
در این پایان نامه از روش FDTD جهت شبیه سازی و واکاوی یک تقویت کننده مایکروویوی در فرکانس
 
10GHz، بهره گیری شده می باشد.  این تقویت کننده شامل منبع AC ، مدارات تطبیق ورودی و خروجی و
 
 
یک MESFET مایکروویوی JS8851 به عنوان دستگاه اکتیو می باشد.  روش منابع جریان و منابع ولتاژ
 
 
معادل جهت مدل کردن عنصر فعال به کار رفته اند و با در نظر داشتن مدل سیگنال کوچک MESFET و
 
 
معادلات حالت مربوطه، شبیه سازی تمام موج با بهره گیری از روش FDTD انجام می گردد و میدان های
 
 
الکتریکی و مغناطیسی در صفحات فعال به روز می شوند.  در نهایت پارامترهای اسکترینگ تقویت کننده
 
 
با بهره گیری از تبدیل فوریه پاسخ زمانی به دست می آیند.  نتایج حاصل از شبیه سازی با دو روش معادل
 
 
ولتاژ و جریان با یکدیگر مقایسه شده اند.  از آن جایی که این دو روش دوگان یکدیگرند توافق خوبی با
 
 
یکدیگر دارند.  این نتایج با نتایج به دست آمده از روش فرکانسی با نرم افزار مایکروویوآفیس نیز مقایسه
 
 
شده اند.
 
مقدمه
 
روش های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی هستند.  از این رو می توان
 
 
به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزه زمان به عنوان مهم ترین این روش
 
 
ها تصریح نمود.  روش عددی FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون
 
 
نیاز به حل ماتریس های بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش
 
 
های ذکر گردیده از مزایایی برخوردار می باشد.  همچنین با بهره گیری از این روش می توان با یک بار اجرای
 
 
برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت مطالعه را در باند وسیعی در اختیار داشت.
 
فصل اول :
 
معرفی روش FDTD
 
فصل اول: معرفی روش FDTD
مقدمه:
 
روش های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی هستند. از این رو می توان
 
 
به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزه زمان به عنوان مهم ترین این روش
 
ها تصریح نمود. روش عددی 1 FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون
 
نیاز به حل ماتریس های بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش
 
 
های ذکر گردیده از مزایایی برخوردار می باشد. همچنین با بهره گیری از این روش می توان با یک بار اجرای
 
 
برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت مطالعه را در باند وسیعی در اختیار داشت. به گونه کلی می توان با
 
 
یک بار اجرای برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت مطالعه را در اختیار داشت. به گونه کلی می توان به
 
 
مزایای این روش نسبت به سایر روش های عددی اینچنین تصریح نمود.
 
 
١- این روش نیاز به حل معادلات انتگرالی ندارد و مسائل پیچیده بدون نیاز به معکوس سازی
 
 
ماتریس های بزرگ قابل حل هستند.
 
 
٢- این روش برای بهره گیری در ساختارهای پیچیده، غیر همگن هادی یا دی الکتریک ساده می باشد،
 
 
زیرا مقادیر ε، μ و σ در هر نقطه از شبکه قابل تعریف می باشد.
 
٣- نتایج حوزه فرکانس با بهره گیری از نتایج حوزه زمان بسیار ساده تر از روش معکوس گیری از
 
 
ماتریس به دست می آیند. پس نتایج باند وسیع فرکانسی به راحتی محاسبه می شوند.
 
 
۴- این روش موجب بهره گیری از حافظه به صورت ترتیبی می گردد.
 
 
اما این روش دارای معایبی نیز هست که عبارتند از:
 
 
١- مش بندی اجسام پیچیده دشوار می باشد.
 
 
٢- از آن جایی که شبکه به شکل چهار گوش می باشد، مسائل با سطوح منحنی را در بر نمی گیرد و
 
 
در مدل سازی آن با این روش با خطا مواجه خواهیم گردید.
 
 
٣- در الگوریتم های تفاضل محدود، مقادیر میدان ها فقط در گره های شبکه مشخص می باشد.
 
 
۴- برای دست یابی به دقت بالا در محاسبات، نیاز به اجرای برنامه در تعداد گام زمانی زیاد می باشد که
 
 
سبب کندتر شدن اجرای برنامه می گردد.
 
 
چند دلیل افزایش علاقه مندی به بهره گیری از FDTD و روش های حل محاسباتی مربوطه اش برای
 
 
معادلات ماکسول هست.
 
 
FDTD -1  از جبر غیر خطی بهره گیری می کند. با یک محاسبه کاملاً ساده، FDTD از معضلات جبر
 
 
خطی که اندازه معادله انتگرالی حوزه فرکانس و مدل های الکترومغناطیسی عنصر محدود را به کمتر
 
 
از 106 میدان نامشخص الکترومغناطیسی محدود می کند؛ اجتناب می کند. مدل های FDTD با 109
 
 
میدان ناشناخته، اجرا می شوند.
 
FDTD -2 دقیق و عملی می باشد. منابع خطا در محاسبات FDTD به خوبی شناخته شده اند و این
 
 
خطاها می توانند محدود شوند به گونه ای که مدل های دقیقی را برای انواع مسائل عکس العمل موج
 
 
الکترومغناطیسی فراهم کنند.
 
 
FDTD -3 طبیعتاً رفتار ضربه ای دارد. تکنیک حوزه زمان باعث می گردد تا FDTD به گونه مستقیم
 
 
پاسخ ضربه یک سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه کند. پس شبیه سازی FDTD می تواند شکل
 
 
موج های زمانی بسیار پهن باند یا پاسخ های پایدار سینوسی را در هر فرکانسی در طیف تحریک فراهم
 
 
کند.
 
 
FDTD -4 طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با بهره گیری از تکنیک حوزه زمان، FDTD پاسخ غیر خطی یک
 
 
سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه می کند.
 
 
FDTD -5 یک روش سیستماتیک می باشد. با FDTD می توان به جای بهره گیری از معادلات انتگرالی
 
 
پیچیده از تولید مش برای مشخص کردن مدل یک ساختار جدید بهره گیری نمود. به عنوان مثال FDTD
 
 
نیازی به محاسبه توابع گرین مربوط به ساختار مورد نظر ندارد.
 
 
-6 ظرفیت حافظه کامپیوتر به سرعت در حال افزایش می باشد. در حالی که این روش به گونه مثبت تمام
 
 
تکنیک های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد، این از مزیت های روش FDTD می باشد که گسسته سازی
 
 
مکانی را روی یک حجم انجام می دهد، پس نیاز به RAM بسیار زیادی دارد.
 
-7 توانایی مصور سازی کامپیوترها به سرعت در حال افزایش می باشد. در حالی که این روش به گونه مثبت
 
 
تمام تکنیک های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد. این از مزیت های روش FDTD می باشد که آرایه گام
 
 
های زمانی از مقادیر میدان را برای بهره گیری در ویدئو های رنگی برای نمایش حرکت میدان مناسب می
 
 
سازد.
 
-1-1 تاریخچه تکنیکFDTD  در معادلات ماکسول
 
 
جدول زیر بعضی از نشریات اصلی در این زمینه لیست شده اند که با مقاله Yee آغاز شده می باشد.
 
 
بخشی از تاریخچه تکنیک FDTD برای معادلات ماکسول:
 
 
Yee :1966 اساس تکنیک عددی FDTD را برای حل معادلات کرل ماکسول در حوزه زمان و بر روی
 
 
شبکه مکانی مطرح نمود.
 
 
Taflove :1975 و Brodwin ملاک پایداری عددی را برای الگوریتم Yee و اولین روش FDTD حالت
 
 
پایدار سینوسی را از موج الکترومغناطیسی 2 و 3 بعدی در ساختار ماده را تشکیل دادند.
 
 
Holland :1977 و Kunz و Lee الگوریتم Yeeرا در مسائل EMP به کار بردند.
 
 
1891:    Mur شرط مرزی جذب ABC مرتبه اول و دوم را برای شبکه Yeeبه کار برد.
 
 
Choi : 1986 و Hoeffer شبیه سازی FDTD از ساختارهای موجبری را ارائه دادند.
 
Sullivan :1988  اولین مدل FDTD سه بعدی از جذب موج الکترومغناطیسی توسط بدن بشر را
 
 
ارائه داد.
 
 
:1988 مدل FDTD یک مایکرواستریپ توسط Zhing ارائه گردید.
 
 
:1990-91 مدل FDTD از پرمیتیویتی دی الکتریک وابسته به فرکانس توسط Kashiva و Luebbers
 
 
و Joseph ارائه گردید.
 
 
:1992 مدل FDTD از عناصر مداری الکترونیکی فشرده در دو بعد به وسیله Sui اظهار گردید.
 
Berenger :1994 شرط مرزی جذب 1 PML را برای شبکه های FDTD دو بعدی مطرح نمود که به
 
وسیله Katz به سه بعد و توسط Re uter به پایانه های موجبری تفرقی منجر گردید.
 
 
Schneider :1999 و Wagner واکاوی جامعی از پراکندگی شبکه FDTD مربوط به عدد موج مختلط را
 
 
اظهار نمود.
(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)
تعداد صفحه : 137
قیمت : چهارده هزار تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد برق قدرت: مدلسازی و شبیه سازی توربین بادی مجهز به DFIG و STATCOM

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