طراحی، شبیه سازی و ساخت یک آنتن میکرواستریپی جدید با قابلیت کنترل چند باند فرکانسی :پایان نامه ارشد برق مخابرات

پایان نامه ای که به شما همراهان صمیمی فروشگاه دیجی لود معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته  برق مخابرات و با عنوان طراحی، شبیه سازی و ساخت یک آنتن میکرواستریپی جدید با قابلیت کنترل چند باند فرکانسی در 106 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب مهندسی برق قرار گیرد.

چکیده طراحی، شبیه سازی و ساخت یک آنتن میکرواستریپی جدید با قابلیت کنترل چند باند فرکانسی :

در این پایان­نامه، یک آنتن میکرواستریپی پچ با تغییراتی بسیار موثر در صفحه زمین و بخش تشعشعی آن جهت افزایش کارآیی، ایجاد حالات متنوع از پاسخ فرکانسی و امکان کنترل این حالات  مورد مطالعه قرار می­گیرد. تغییرات اعمال شده بر روی این آنتن باعث ایجاد یک ساختار جدید از آنتن­های میکرواستریپی شده که فرمتی شبیه آنتن پچ میکرواستریپی و عملکردی شبه تک قطبی دارد. طراحی ساختار ارائه شده در بخش اول از یک آنتن پچ میکرواستریپی شروع شده است. ابعاد آنتن برابر 34 ×20 میلی­مترمربع می­باشد. برای دستیابی به نتایج مطلوب، صفحه زمین و پچ تشعشعی به طور قابل توجه تغییر یافته­اند. این تغییرات در مرحله اول شامل اعمال یک جفت اسلات  Uشکل بر روی صفحه زمین است. برای نخستین بار، یک جفت از شکاف­های  Uشکل مقابل به هم (قائده آنها روبروی هم) در صفحه زمین قرار گرفته­اند. این شکاف­ها نقش یک رزونانس کننده موثر را بازی می­کنند که با توجه به موقعیت و ابعاد آنها، فرکانس رزونانس تعیین می­گردد. سپس یک اسلات با شکل ترکیبی بر روی پچ تشعشعی ایجاد می­گردد. شبیه سازی پارامتری بر روی پارامترهای تاثیر گذار جهت بهینه کردن عملکرد، مورد بررسی قرار گرفته است. با در نظر گرفتن این اصلاحات، دو باند وسیع، 98/3 -38/1 گیگا هرتز و 2/6 – 15/5 گیگا هرتز پوشش داده شده اند. در بخش دوم طراحی آنتن، یک اسلات بسیار کوچک در قسمت خاصی از صفحه زمین اضافه شده است. این اسلات نقش سوئیچ را در آنتن ایفا می­کند، لذا پاسخ های فرکانسی مختلف مانند حالت­های تک باندی یا چند باندی و همچنین باند باریک و یا باند پهن در کل باند فرکانسی 6-5/1 گیگاهرتز قابل دستیابی می­باشند. در این بخش نیز مکان اسلات برای عملکرد بهتر، بررسی و بهینه شده است.

آنتن­ های میکرواستریپ، تعريف و ساختار آن

تعریف آنتن­ میکرواستریپ

مفهوم تشعشع کننده­های میکرواستریپ برای اولین بار توسط Deschamps در اواخر سال 1953 مطرح و اولین آنتن عملی درسال1970ساخته شد. از آن زمان به بعد تحقیقات وسیعی روی آنتن­های میکرواستریپ مختلف انجام شد. یک آنتن میکرواستریپ در ساده ترین نوع پیکربندی، همانطور که در شکل1-1 نشان داده شده است، شامل یک عایق با ثابت دی الکتریک کمتر از 10 ( ) است که در یک طرف آن، صفحه زمین و در طرف دیگر آن، صفحه تشعشعی قرارگرفته است. جنس صفحه هادی تشعشعی عموما از طلا و مس می باشد. این هادی شکل های متفاوتی می­تواند داشته باشد ولی معمولا شکل­هایی مورد استفاده قرار می­گیرند که انتظار می­رود عملکرد مناسبی داشته باشند و بتوان آن­ها را به راحتی مورد تحلیل قرار داد. انواع مختلف عایق­ها، ثابت دی الکتریک و تانژانت تلفات متفاوتی دارند. به طور ایده­ال در مبحث آنتن، ثابت دی الکتریک عایق برای افزایش میدان­های پراکندگی و تشعشع کننده باید کمتر از 5/2 باشد [1].

مزايا و معايب آنتن­هاي ميكرواستريپ

آنتن­های میکرواستریپ مزایای متعددی نسبت به آنتن­های مرسوم مایکروویو دارند که باعث به کارگیری آن­ها در رنج وسیع فرکانسی از 100مگاهرتز تا 100گیگا هرتز شده است که بعضی از این مزایا عبارتند از : 

1) داشتن وزن و حجم كم و ساختار صفحه اي با ضخامت كم

2) امكان ساخت بصورت خیلی ارزان برای تولید انبوه

3) سادگي ساخت يكپارچه با MIC ها روي يك زيرلايه

4) امكان داشتن پلاريزاسيون خطي و يا دايروي با روش­های تغذیه آسان

5) امكان طراحي براي حالت دو فركانسي و دو پلاريزاسيون

6) خطوط تغذیه و شبکه های تطبیق بطور همزمان با ساختار آنتن ساخته می­شود.

آنتن­هاي میكرو استريپ با وجود داشتن اين مزايا دارای معايبي بصورت زير هستند:

1) پهناي باند باريك و مسائل مرتبط با خطاي ساخت

2) بهره كمتر

3) تلفات اهمی زیاد در ساختار تغذیه آرایه ها

4) تشعشع به صورت نیم صفحه

5) داشتن ساختار پیچیده تغذیه برای آرایه ها

6) داشتن خلوص پلاريزاسيون[1] ضعيف

7) تشعشعات فرعی از تغذیه و نقاط اتصال

8) تحریک موج­های سطحی

9) قابليت­هاي مديريت توان ضعيف

آنتن­هاي ميكرواستريپ پهناي باند باريكي در حد 1 تا 5 درصد در حالت عادي دارند كه معيار محدود كننده عمده براي كاربردهاي اين آنتن­ها مي­باشد. بيشترين تلاش محققين در اين مقوله صرف افزايش پهناي باند اين آنتن­ها شده است و پهناي باندهايي تا 70 درصد بدست آمده است [2] و [3].

فهرست مطالب تحقیق شبیه سازی و ساخت یک آنتن میکرواستریپی

فصل اول   آنتن­های میکرواستریپ، تعريف و ساختار آن  

• تعریف آنتن میکرواستریپ  1
• انواع آنتن­های میکرواستریپ  2
  • آنتن­های پچ میکرواستریپ  3
  • آنتن­های دوقطبی میکرواستریپ 4
  • آنتن­های اسلات میکرواستریپ 4
  • آنتن­های میکرواستریپ موج رونده 5
• کاربردهای آنتن­های میکرواستریپ 7
• انواع روش­هاي تغذيه آنتن­هاي ميكرواستريپ 8
  • خط میکرواستریپ 8
  • پروب کواکسیال 9
  • تزویج مجاورتی  10
  • تزویج روزنه ای 12
  • تغذیه موجبری 13
• روش­های تحلیل آنتن میکرواستریپ  13
  • مدل خط انتقال 14
• اثرات لبه­اي 14
• تاثیر طول موثر در فرکانس رزونانس 16
• طراحی آنتن میکرواستریپ 17
  • مدل محفظه 18

• آرایش ميدان­ها (مدها)-  19
• چگالي جريانهاي معادل  23
  • پارامترهاي مهم در بررسي عملكرد آنتن هاي ميكرواستريپي 27
    • پهناي باند فركانسي (امپدانسي)  27
    • پترن تشعشعي 28
    • سمت­گرايي و بهره  28
    • امپدانس ورودی درآنتن میکرواستریپ 29
  • افزايش پهناي باند آنتنهاي ميكرواستريپ 30

فصل دوم     معرفی آنتن­های اسلات میکرواستریپ و تک قطبی چاپی

• آنتن اسلات 33

• معرفی آنتن اسلات 33
• روش­های تغذیه­ی آنتن­های اسلات میکرواستریپ 34
• طراحی آنتن اسلات تغذیه شده با خط میکرواستریپ  36
• روش­های پهن باند کردن آنتن­های اسلات میکرو استریپ 36
• معرفی انواع آنتن­های اسلات میکرواستریپ 37
• آنتن اسلات حلقه مربعی 37
• آنتن اسلات حلقوی دایروی 38
• آنتن اسلات باریک شونده 39
  • آنتن تک قطبی 40
• معرفی و ساختار آنتن تک قطبی 40
• روش­هاي افزايش پهناي باند آنتن­هاي تك­قطبي چاپي 43
• روش­هاي بهبود مشخصات تشعشعي آنتن­هاي تك­قطبي چاپي 47
  • نتیجه گیری  50

    فصل سوم    انواع آنتن­های ترکیبی تک ­قطبی-­ شکافدار(Monopole – Slot  Antenna)

• مقدمه  52
• آنتن نوع اول 53

• ساختار اول: شکاف مستطیلی 53
• ساختار دوم: شکاف L شکل با سه حالت مختلف برای تغذیه 54
• ساختار سوم: شکاف T شکل با خط تغذیه افقی 57
• ساختار چهارم: دو شکافL با دو تغذیه ترکیبی عمودی- مورب 58
  • آنتن نوع دوم  58
  • آنتن نوع سوم  61
  • نتیجه گیری  67

    فصل چهارم آنتن میکرواستریپ شبه تك­قطبي با دو باند وسیع و قابلیت کنترل پاسخ فرکانسی 

• چکیده 68
• مقدمه  69
• طراحی آنتن و مطالعه پارامتری  70

4-3-1    طراحی ونتایج عملی آنتن میکرواستریپ شبه تك­قطبي با دو باند وسیع 70

4-3-2   طراحی و نتایج عملی آنتن­ میکرواستریپ شبه تك­قطبي با دو باند وسیع و قابلیت کنترل پاسخ فرکانسی

 82

    فصل  پنجم     نتیجه گیری کلی و پیشنهادات برای مطالعات آتی

4-4     نتیجه گیری کلی 85

4-5     پیشنهادات برای مطالعات آتی 86

مراجع    87

فهرست اشکال

فصل اول    آنتن­های میکرواستریپ، تعريف و ساختار آن

شکل 1- 1   پیکربندی آنتن میکرو استریپ ساده 1

شکل 1-2    اشكال مختلف براي پچ ميكرواستريپ  3

شکل 1-3     آنتن دوقطبی با تغذيه مجاورتي 4

شکل 1-4    چند نمونه از ساختارهاي آنتن اسلات (شكاف دار) ميكرواستريپي 5

شکل 1-5    انواع آنتن هاي ميكرواستريپي موج رونده 6

شکل 1-6    تغذیه به روش خط میکرو استریپ به فرم لبه و مدار معادل آن 9

شکل 1-7    تغذیه به روش خط میکرو استریپ از طریق شکاف و مدار معادل آن 9

شکل 1-8    آنتن با تغذیه به روش کابل کواکسیال: (الف) شماي آنتن.(ب) مدارمعادل تغذيه  10

شکل 1-9    آنتن با تغذيه كوپلاژالكترومغناطيسي: (الف) شماي آنتن. (ب) مدارمعادل تغذيه 11

شکل 1-10    آنتن با تغذيه روزنه­ای: (الف) شماي آنتن. (ب) مدارمعادل تغذيه 12

شکل 1-11    آنتن با تغذیه به روش موجبری 13

شکل 1-12   خط مايكرواستريپ و خطوط ميدان الكتريكي مربوط به آن 15

شکل 1-13   ثابت دي الكتريك موثر بر اساس فركانس براي زيرلايه­هاي متداول 16

شکل 1-14   طول فيزيكي و موثر آنتن مايكرواستريپ مستطيلي 16

شکل 1-15   توزيع بار و تشكيل چگالي جريان روي پچ مايكرواستريپ 18

شکل 1-16    هندسه آنتن پچ مايكرواستريپ مستطيلي 20

شکل 1-17    هندسه آنتن پچ مايكرواستريپ مستطيلي 23

شکل 1-18   چگالي جريان معادل در چهار طرف آنتن پچ به همراه و بدون زمين مسطح 24

شکل 1-19    شيارهاي تشعشعي در آنتن مايكرواستريپ مستطيلي و چگاليهاي جريان مغناطيسي معادل………26

شکل 1-20   پترن متداول در صفحات E وH  مربوط به هر يك از شيارهاي تشعشعي و مجموع هر دوي آن­ها.26

شکل 1-21    چگالي جريان روي شيارهاي غير تشعشع كننده در آنتن مايكرواستريپ مستطيلي 27

شکل 1-22    منحني تغييرات رزيستانس و راكتانس يك آنتن ميكرواستريپ برحسب فركانس 29

شکل1-23  اثر تغيير در ضخامت و ثابت دي الكتريك روي پهناي باند امپدانسي VSWR<2و كارايي تشعشعي.32

فصل دوم     معرفی آنتن­های اسلات میکرواستریپ و تک قطبی چاپی

شکل2-1    توزیع میدان روی اسلات  34

شکل2-2    آنتن اسلات با تغذيه خط میکرواستریپ: (الف) شماي آنتن و روش انتهای اتصال کوتاه.(ب) روش انتهای اتصال  باز 35

شکل2-3    روش­های کاهش مقاومت تشعشعی دیده شده توسط تغذيه خط میکرواستریپ 35

شکل2-4    پارامترهای مهم در طراحی آنتن اسلات.  36

شکل2-5    آنتن اسلات حلقه مربعی 37

شکل2-6    آنتن اسلات حلقه مربعی با نمودار منحنی تلفات برگشتی حاصل از پارامترهای بهینه آنتن…………..38

شکل2-7    آنتن اسلات حلقه مربعی فرکتالی به صورت شبه جزیره ای و منحنی تلفات برگشتی آن……………..38

شکل2-8    آنتن اسلات حلقوی.  39

شکل2-9    آنتن اسلات باریک شونده.  40

شکل2-10    انواع آنتهای باریک شونده.(  الف) Vivaldi(ب) LTSA( ج) CWSA  40

شکل2-11    ساختار آنتن تك­قطبي چاپي ميكرواستريپي با پارامترهاي تعريف كننده آن 41

شکل2-12   آنتن تك قطبي چاپي با پهناي باند افزايش يافته با استفاده از شكاف­هايي در پچ تشعشعي وصفحه زمين  44

شکل2-13    نمودار S₁₁  براي مقادير مختلف L₁ ( = 1 W₁میلی­متر)  45

شکل2-14    نمودار S₁₁  براي مقادير مختلف L₂ ( = 6 W₂ میلی­متر)  46

شکل2-15    نمودار S₁₁  براي مقادير مختلف W₂ ( = 1  L₂ میلی­متر)  47

شکل2-16    آنتن تك ­قطبي چاپي با تغذيه سه شاخه­اي 49

شکل2-17    نتايج اندازه­گيري و آناليز رايانه­اي پارامتر VSWR براي آنتن تك­قطبي ارائه شده در[27 49

شکل2-18  پترن­هاي تشعشعي اندازه­گيري شده در H-plane براي آنتن تك قطبي ارائه شده در[27]، براي فركانس­هاي: الف) 3 گيگا هرتز، ب) 7 گيگا هرتز، ج) 11 گيگا هرتز و د) 15 گيگا هرتز  50

فصل سوم   انواع آنتن­های ترکیبی تک ­قطبی-­شکافدار (Monopole – Slot  Antenna)

شکل3-1   آنتن تک قطبی- شکافدار با شکاف مستطیلی روی برد FR4: (الف) ساختار آنتن و (ب) نمودار تلفات برگشتی آن  53

شکل3-2   نمودار تلفات برگشتی آنتن تک قطبی-شکافدار با شکاف مستطیلی روی زیرلایه با ثابت دی الکتریکی برابر با 5/2 و تلفاتی بسیار پایین  54

شکل3-3    ساختار آنتن شکافدار با شکاف L شکل و سه حالت مختلف برای خط تغذیه میکرواستریپی…………55

شکل3-4    پارامتر تلفات برگشتی برای سه حالت مختلف شکل 3-3 56

شکل3-5  پارامتر تلفات برگشتی برای شکل 3-3-الف با زیرلایه­ای با ثابت دی الکتریک 5/2و تلفات ناچیز   56

شکل3-6   آنتن شکافدار با شکاف T شکل و خط تغذیه افقی: الف) ساختار آنتن. ب) نمودار تلفات برگشتی برای زیرلایه FR4 و ج) نمودار تلفات برگشتی برای زیرلایه با ثابت دی الکتریک 5/2 و تلفات پایین 57

شکل3-7    آنتن شکافدار با دو شکاف L شکل و یک زوج خط تغذیه ترکیبی عمودی-مورب 58

شکل3-8   آنتن ترکیبی تک قطبی-شکافدار مرجع [30]: الف) ساختار آنتن (نمایش از بالا). ب) ساختار آنتن (نمایش از کنار آنتن) و ج) ابعاد و موقعیت قرارگیری دو شکاف مستطیلی و L شکل روی صفحه زمین آنتن. ….59

شکل3-9    نمودار تلفات برگشتی آنتن در شکل 3-8 با ابعاد مشخص شده در آن شکل برای حالات اندازه گیری و شبیه سازی.  60

شکل3-10   نمودار تلفات برگشتی آنتن شکل 3-8 و مقایسه آن با حالاتی که فقط هریک از شکاف ها در یک زمان وجود دارند.  61

شکل3-11   ساختار آنتن پیشنهادی نوع سوم 62

شکل3-12    تلفات بازگشتی آنتن  در شکل 3-11 62

شکل3-13    تلفات بازگشتی در سه حالت مختلف(بدون زائده T شکل)  63

شکل3-14   توزیع میدان الکتریکی در داخل شکاف(بدون زائده T شکل)در : (الف) فرکانس تشدید اصلی شکاف  کوچکتر:1620مگاهرتز.(ب) فرکانس تشدید ناشی از اتصال کوتاه کاذب:2200مگاهرتز(نمای پشت آنتن).………..64

شکل3- 15   جریان سطحی روی زمین آ نتن در باندهای: (الف) .GSM900(ب) .DCS(ج)  PCS 64

شکل3-16    نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف صفحه زمین 65

شکل3-17    نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف شکاف پایینی 65

شکل3-18    نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف شکاف بالایی 66

شکل3-19    نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای عرض های مختلف شکاف پایینی 66

شکل3-20    نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای عرض های مختف شکاف بالایی 67

   فصل چهارم  آنتن میکرواستریپ شبه تك­قطبي با دو باند وسیع و قابلیت کنترل پاسخ فرکانسی 

شکل4-1   آنتن پچ مایکرو استریپی اولیه ارائه شده 70

شکل4-2   نمودارVSWR آنتن  پچ میکرو استریپی اولیه ارائه شده 71

شکل4-3    ایجاد دو اسلات  Uشکل در صفحه زمین آنتن میکرواستریپی اولیه ارائه شده 71

شکل4-4    نمودار VSWR برای آنتن با دو اسلات U شکل در صفحه زمین و پچ مستطیلی به ازای مقادیر مختلف H_S و 9.5D_S= میلی متر  72

شکل4-5    نمودار VSWR برای آنتن با دو اسلات U شکل در صفحه زمین  و پچ مستطیلی به ازای مقادیر مختلف  D_Sو 25/9= H_S میلی متر 73

شکل4-6    نمودار VSWR برای  مکان­های مختلف دو اسلات U شکل در صفحه زمین  و پچ مستطیلی………73

شکل4-7   نمودار VSWR برای آنتن با دو اسلات U شکل در صفحه زمین  و پچ مستطیلی براساس پارامترهای جدول 4-1 74

شکل4-8   نمایش توزیع جریانهای سطحی برای آنتن با دو اسلات U شکل در صفحه زمین و پچ مستطیلی براساس پارامترهای جدول 4-1 در فرکانس­های الف: 6/1گیگاهرتز، ب: 32/4گیگاهرتز و ج: 1/6 گیگاهرتز………75

شکل4-9    نحوه تغییر شکل پچ تشعشعی از حالت مستطیلی به حالت حلقوی 75

شکل4-10   نمودار VSWR برای آنتن با دو اسلات U شکل در صفحه زمین و پچ حلقوی براساس پارامترهای جدول4-1 76

شکل4-11    اضافه کردن استاب T شکل به پچ تشعشعی حلقوی 76

شکل4-12    نمودار VSWR برای آنتن  برای تغییزات L_H 77

شکل4-13    نمودار VSWR برای آنتن  برای تغیییرات d_x 77

شکل4-14   نمودار VSWR برای تغییرات مکان بازوهای عمودی در سمت چپ اسلات­های U شکل در صفحه زمین 78

شکل4-15    آنتن شبه مونوپول میکرواستریپی با دو باند فرکانسی وسیع 78

شکل4-16    نمودار VSWR برای آنتن شبه مونوپول میکرواستریپ با دو باند فرکانسی وسیع.  79

شکل4-17  توزیع جریان­های سطحی برای آنتن شبه مونوپول میکرواستریپ با دو باند فرکانس وسیع در سه فرکانس(الف) 5/3 گیگاهرتز، (ب) 25/5 گیگاهرتز و (ج) 85/5 گیگاهرتز 79

شکل4-18    نمونه ساخته شده آنتن شبه مونوپول میکرواستریپ با دو باند فرکانسی وسیع.  80

شکل4-19   نمودار VSWR  بدست آمده از نتایج شبیه سازی و اندازه گیری آنتن شبه مونوپول میکرواستریپ با دو باند فرکانس وسیع 80

شکل4-20    پترن­هاي تشعشعي صفحهH- وصفحه-E آنتن ارائه شده در شكل4-11در الف) 5/2، ب) 25/5، گيگا­­هرتز.  81

شکل4-21    اضافه شدن اسلات باریک در روی صفخه زمین جهت کنترل پاسخ فرکانسی.   82

شکل4-22    نمودار VSWR  برای آنتن براساس تغییرات پارامتر P_S 82

شکل4-23    نتایج بدست آمده برای مکان­های مختلف P_S 83

شکل4-24    نمودار VSWR  برای آنتن به ازای 8= P_S میلی­متر 83

شکل4-25  نمونه ساخته شده آنتن شبه مونوپول میکرواستریپ تک بانده وسیع و قابل کنترل توسط اسلات (switch در شکل).  84

شکل4-26   پترن­هاي تشعشعي شبیه ­سازی شده صفحهH- برای سه آنتن (پچ ساده- تک بانده وسیع- دو باند وسیع) ارائه شده در فرکانس­­های الف) 75/3، ب) 85/5، گيگا هرتز.  84

فهرست جدول­ها

جدول1-1    مقایسه ی مشخصات سه نمونه از آنتنهای مایکرواستریپ 7

جدول1-2    کاربردهای آنتن­های میکرواستریپ 7

جدول2-1    مقایسه خواص تشعشعی اسلات و پچ 33

جدول2- 2    تعيين عرض خط تغذيه ميكرواستريپي با زير لايه هايي از جنس و ضخامت مختلف 42

جدول4-1    پارامترهاي ثابت در ساختار آنتن تك قطبي ارائه شده.  70

جدول4-2    مقادیر بهینه پارامترهاي موثر در  طراحی اسلات­های U شکل در صفحه زمین 74

جدول4-3    بازده تشعشعی و مازیمم گین قابل قبول بدست آمده از شبیه سازی آنتن  اول ارائه شده 81

جدول4-4    بازده تشعشعی و ماکزیمم گین قابل قبول بدست آمده از شبیه سازی آنتن دوم ارائه شده 83

راهنمای خرید و دانلود فایل

برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.

بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.

در صورت بروز  هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما  پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا شکایت شما مورد بررسی قرار گیرد.

برای دانلود فایل روی دکمه خرید و دانلود  کلیک نمایید.