پایان نامه طراحی و شبیه سازی آنتن فرکتالی کوچک شده
فهرست محتوا
چکیده
امروزه از هندسههای فرکتالی در علوم زیادی استفاده میشود. بدون شک یکی از شاخههایی که هندسههای فرکتالی در آنها تأثیر 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 میشویم اگر چه طراحی و ساخت این آنتنها با مشکلات زیادی همراه میباشد، اما در بعضی از کاربردها که نیاز به آنتن با ابعاد بسیار کوچک میباشد استفاده از این نوع آنتنها پیشنهاد میشود 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 فرکانس 3 تا GHZ5 با تغذیه پروب میباشد که نتایج شبیه سازی برای این آنتن ارائه شده است. دومین ساختار یک آنتن مایکرو استریپ با ابعاد کوچک شده میباشد 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[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 استفاده 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 استفاده از کوپلینگ الکترومغناطیسی مجاورتی.. 49
- 3-7 آنتن های مایکرواستریپ مجتمع. 51
- 3-8 روش های کاهش ابعاد آنتن مایکرواستریپ… 52
- 3-8-1 استفاده 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 استفاده از آنتن L شکل معکوس (PIL) 54
- 3-8-6 استفاده 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
فصل اول
معرفی هندسه فرکتالی و خواص آن
1-1 مقدمه
به طور کلی با مشاهده طبیعت اطراف با بعضی از هندسههای خودمتشابهی برخورد میکنیم که از آنها میتوان به هندسههای فرکتالی یاد کرد. برای مثال، میتوان به ساختار فرکتالی شاخه درختان، چشم انداز واقعی طبیعت غروبهای خورشید، زمینهای ناهموار، موجهای روی دریاچه، خط ساحل، توپوگرافی بستر دریا و گیاهان و کوهها اشکال مختلف ابرها اشاره کرد.
اولین بار ساختارهای فرکتالی توسط بنویت مندلبرت[3] در سال 1975 معرفی شدند، که این ساختارها دارای اشکالی بودند، که هر بخش از آنها ویژگیهای کل ساختار را در یک مقیاس کوچکتر دارا بود. این تعریف یک خاصیت مهم این ساختارها را معرفی میکرد، 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 میدهد، که مربوط به ساقه کاج، درخت و چشم انداز طبیعت میباشد. همان طور که در شکلهای زیر مشاهده میکنید هر قسمت از این ساختارها از نظر خواص هندسی، همانند کل ساختار میباشند.
امروزه از هندسههای فرکتالی در علوم زیادی استفاده میشود. بدون شک یکی از شاخههایی که هندسه فرکتالی در آنها تأثیر 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 میشود این ادوات عملکرد بهتری را در محیط داشته باشند.
در این پایاننامه انواع ساختارهای فرکتالی به عنوان یک آنتن بررسی میشوند و خواص انتشاری این ساختارها به صورت مجزا مورد بررسی قرار میگیرد. به طور 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 تفصیل بیان میکنیم. ساختارهای فرکتالی که معمولاً در طراحی آنتنها مورد استفاده قرار میگیرند به صورت قطعی[4] میباشند. به عبارت دیگر کلیه ساختارهای فرکتالی که در اینجا مورد بررسی قرار میگیرند خاصیت تصادفی نداشته و از یک رابطه جبری پیروی میکنند. به طوری که جهت ایجاد هر شکل فرکتالی میتوان از یک روش تکرارشونده مشخص استفاده کرد: نکته دیگر که در استفاده از هندسه فرکتالی جهت طراحی آنتن باید در نظر گرفت، روند تکرار هندسه فرکتالی پس از چندین تکرار میباشد. با توجه به اینکه در ساختارهای فرکتالی یک روند جبری به صورت تکرارشونده جهت انجام یک شکل فرکتالی استفاده میشود، باید توجه داشت که با توجه به 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 بیان نمود. باید 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 طور کلی آنتنهای فرکتالی با استفاده از روش ممان[5] بررسی میشوند. در این فصل کلیه نتایج براساس شبیه سازی با استفاده از روش ممان بیان گردیده است.
شکل (1-2)، دسته بندی کلی آنتنهای فرکتالی را نشان میدهد. آنتنهای فرکتالی به سه ساختار کلی، آنتنهای حلقوی، آنتنهای دوقطبی و آنتنهای فرکتالی چندبانده تقسیم بندی شدهاند. آنتنهای فرکتالی دوقطبی، آنتنهای سیمی میباشند که در این شکل فقط یک بازوی آن نشان داده شده است، و بازوی دیگر به صورت قرینه این بازو نسبت به منبع تغذیه میباشد. از جمله 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 اشاره شده است، ساختار درختی[6] و ساختار کخ[7] میباشند. دسته دوم آنتنهای فرکتالی، آنتنهای حلقوی میباشند که استفاده از ساختارفرکتالی در این آنتنها سبب کاهش ابعاد آنتن و افزایش امپدانس ورودی میگردد.
فصل دوم
آشنایی با ساختارهای فرکتالی بهبود یافته با ابعاد کوچک
در این فصل هدف بررسی استفاده از ساختارهای فرکتالی جهت کوچک کردن ابعاد آنتن میباشد اما لازم است به منظور درک بهتر ابتدا مروری مختصر بر روند تولید حلقههای فرکتالی در آنت های فرکتال داشته باشیم.
در این فصل ساختارهای فرکتالی حلقوی، دوقطبی و سه بعدی به طور مجزا مورد بررسی قرار میگیرند. در فصل سوم و چهارم با آنتن مایکرواستریپ، طراحی و شبیه سازی این آنتن با ذکر نتایج و مقایسه با کارهای انجام شده خواهیم پرداخت.
2-2 کوچک سازی آنتن مایکرو استریپ با استفاده از ساختارهای فرکتالی
به طور کلی به کارگیری ساختارهای فرکتالی در طراحی آنتنها نه تنها باعث کوچک شدن ابعاد آنتن و بهبود امپدانس ورودی آنتن میگردد بلکه با استفاده از بعضی از ساختارهای فرکتالی آنتنها این قابلیت را پیدا میکنند که در چندین باند فرکانسی عمل کنند. پس یکی از مزیتهای اساسی استفاده از هندسه فرکتالی در آنتنها قابلیت حداقل کردن ابعاد آنتن و افزایش نسبت سطح مؤثر آنتن به سطح واقعی آن میگردد. ساختارهای فرکتالی دارای یک روند تکرارشونده میباشند لذا میتوان در یک حجم محدود به سطح و یا طول بسیار زیاد دست پیدا کنند که این خواص ذاتی هندسههای فرکتالی باعث ایجاد ویژگیهای مناسبی در تشعشع کنندهها، منعکس کنندهها و آنتنها میگردد که سبب میشود این ادوات عملکرد بهتری را در محیط انتشاری داشته باشند در این خصوص میتوان به ساختارهای فرکتالی همچون درختی، هیلبرت، مینکوسکی و کخ اشاره کرد.
به طور کلی آنتنهای حلقوی برای رسیدن به امپدانس ورودی مناسب به منظور تطبیق بهتر با سیستم تغذیه، نیاز به سطح مقطع بزرگ میباشند. یا به عبارتی دیگر آنتنهای حلقوی ساده با سطح مقطع کوچک، دارای امپدانس ورودی کمی میباشند که این مشکلات زیادی را برای فراهم کردن شرایط تطبیق آنتن ایجاد میکند.
معمولاً از ساختارهای فرکتالی حلقوی جهت غلبه بر این مشکل استفاده میکنند. شکل (2-1) دو نمونه از ساختارهای فرکتالی حلقوی را نشان میدهد.
شکل (2-1): دو نمونه از ساختارهای فرکتالی حلقوی، فرکتالی مینکوسکی و فرکتالی کخ [10]
در شکل (2-1)، از دو ساختار فرکتالی حلقوی مینکوسکی[8] و کخ[9] استفاده شده است. مهمترین خاصیت هندسههای فرکتالی ذکر شده این است که در یک حجم محدود میتوان به محیطی با طول نامحدود رسید. وجود این خاصیت در این ساختارها سبب میگردد تا آنتنهایی که از هندسههای فرکتالی فوق استفاده میکنند، دارای خواص تشعشعی بهتری باشند. برای مثال با افزایش طول آنتن میتوان امپدانس ورودی حلقه را افزایش داد. این افزایش امپدانس ورودی، به آنتن کمک میکند تا بتواند بهتر با خط تغذیه ورودی تطبیق گردد.
در ادامه هر دو ساختار شکل (2-1) به طور جداگانه مورد بررسی قرار میگیرند.
اولین آنتن فرکتالی حلقوی را که مورد بررسی قرار میدهیم، آنتن حلقوی کخ میباشد. برای طراحی آنتن فرکتالی کخ، همانند شکل (2-2) عمل میکنیم. همانگونه که در این شکل نشان داده شده است، حلقه اولیه در روند تولید ساختار کخ، یک مثلث میباشد. در مرحله بعدی هر کدام از اضلاع این مثلث با یک یک عملگر[10] جایگزین میشود. در زیر شکل (2-2) جایگزینی یک ضلع با عملگر کخ نشان داده شده است. شکل (2-2) چهار تکرار اول در روند تولید ساختار کخ را نشان میدهد.
شکل (2-2): روند تولید حلقه فرکتالی کخ برای چهار تکرار اول و عملگر کخ [10]
با توجه به اینکه عملگر کخ، طول هر ضلع را به اندازه مقدار اولیهاش افزایش میدهد، لذا در هر تکرار، طول محیط کل حلقه به اندازه محیطش، افزایش مییابد.
در طراحی آنتنهای فرکتالی حلقوی کخ معمولاً از چند تکرار اول حلقه استفاده میشود که در اینجا چهار تکرار اول حلقه فرکتالی کخ در نظر گرفته شده است، و نتایج آن با آنتن دایرهای مقایسه گردیده است. شکل (2-3) ابعاد این دو ساختار را با هم نشان میدهد. همان طور که در این شکل مشاهده میکنید، به ازای تمامی تکرارها همواره حلقه فرکتالی کخ در داخل حلقه دایرهای محاط میباشد. لذا سطح اشغالی حلقه دایروی همواره بزرگتر از سطح اشغالی توسط حلقه فرکتالی کخ میباشد. برای مثال سطح حلقه فرکتالی اشغال شده در تکرار چهارم به صورت زیر میباشد.
[1] Ferectal antenna
[2] Maikro esterip antenna
[3] Mandelbrot
[4] Deterministic
[5] Moment Method
[6] Tree structure
[7] Koch fractal
[8] Minkowski Fractal Loop
[9] Koch fractal Loop
[10] Generator
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.