تحلیل و شبیه سازی آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس تراهرتز
 
به کوشش
سیده سپیده هاشمی
در سال‌های اخیر آنتن آرایه انعکاسی میکرواستریپ توجه زیادی را به خود جلب کرده و توسط بسیاری از محققان مورد مطالعه قرار گرفته است. به این دلیل که این آنتن ویژگی‌های برجسته آنتن آرایه و آنتن بازتابنده را ترکیب کرده است. ویژگی‌هایی مثل سطح مسطح، وزن کم و هزینه ساخت پایین، آنتن‌های آرایه انعکاسی میکرواستریپ را جایگزین خوبی برای آنتن‌های قدیمی انعکاس‌دهنده سهموی در کاربردهای راداری و سیستم ماهواره کرده است. اشکال آنتن‌های آرایه انعکاسی پهنای باند باریک است، که این پهنای باند باریک ناشی از طبیعت باند باریک رویه‌های میکرواستریپی و تفاوت شعاعی تاخیر فاز بین منبع تغذیه و عناصر در آرایه است.
طراحی آنتن‌های آرایه انعکاسی عمدتاً براساس منحنی فاز انعکاسی است. این منحنی نشان‌دهنده رابطه یک به یک فازها با پارامترهای هندسی عناصر است که فاز انعکاسی عناصر را کنترل می‌کند. تعداد زیادی عناصر رزونانسی برای بدست آوردن تغییرات فاز انعکاسی مطلوب به کار برده شده‌اند.
در این پایان‌نامه نیز، روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی برای طراحی عناصری که دارای منحنی فاز خطی و همچنین تلفات پایین باشند استفاده شده است. با ترکیب روش بهینه‌سازی و نرم‌افزارهای تجاری شکل مناسب هر سلول بدست آمد. در این ساختار بهینه‌شده، پهنای باند آنتن به طور قابل توجهی بهبود یافته است.
 
واژگان کلیدی: آنتن آرایه انعکاسی، الگوریتم تپه‌نوردی تصادفی
 
                                           فهرست مطالب
عنوان                                                                                 صفحه
فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………..2

آنتن آرایه انعکاسی……………………………………………………………….2
فراماده……………………………………………………………………………..4
1-2-1- محدوده تراهرتز و فرامواد تراهرتز……………………………………5
1-2-2- سطوح فرکانس گزین…………………………………………………..8

الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی………………………………………………9
پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش……………………………………..10
 
فصل دوم: آنتن‌های آرایه انعکاسی………………………………………………….14

مقدمه‌ای بر آنتن‌های آرایه انعکاسی……………………………………………14
معرفی آنتن آرایه انعکاسی………………………………………………………14
مزایای آنتن آرایه انعکاسی………………………………………………………16
نقطه ضعف‌ آنتن آرایه انعکاسی…………………………………………………18
2-4-1- محدودیت پهنای باند عناصر……………………………………..18
2-4-2- محدودیت پهنای باند با تاخیر فاز شعاعی تفاضلی…………….18

تکنیک‌های آنالیز آنتن…………………………………………………………..20
بررسی تکنیک‌‌های آنالیز………………………………………………………..24
 
فصل سوم: الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی…………………………‌28

مقدمه و معرفی روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی………………………….………………..28
الگوریتم تپه‌نوردی…………………………………………..……………………….…..31
فلوچارت تپه‌نوردی………………………………………………………………………..32
 
 
فصل چهارم: روش‌های افزایش پهنای باند و خطی شدن نمودار تغییرات فاز………………………………………………………………………………………………….34

محدودیت پهنای باند توسط عناصر آرایه انعکاسی……………………………………34
عناصر شیفت‌دهنده فاز پهن‌باند………………………………………………….…….38
رویه‌های تزویج روزنه‌ای…………………………………………………………………38
رویه‌های انباشته با ابعاد متغیر………………………………………………………….43
عناصر آرایه انعکاسی دیگر برای بهبود پهنای باند…………………………………….47
فصل پنجم: معرفی ساختار و روش انجام تحقیق و نتایج………………………………51

اصول طراحی……………………………………………………………………………..51
رویه و ویژگی‌هایش………………………………………..…………………………….52
طراحی و شبیه‌سازی آرایه انعکاسی…………………………………………………….56
افزایش پهنای باند عنصر آرایه انعکاسی با استفاده از روش چندلایه کردن…………59
طراحی سطوح فرکانس گزین برای هر یک از عناصر…………………………………60
نتایج………………………………………………………………………………………..64رویه‌های با ابعاد متغیر………………………………………………………………64
رویه‌های با ابعاد یکسان……………………………………………………………..69
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات…………………………………………..73

نتیجه‌گیری………………………………………………………………………………..74
پیشنهاد برای کارهای آتی……………………………………………………………….75
 
فهرست منابع………………………………………………………………………………76
 
 
 
 
 
فهرست شکل‌ها
عنوان                                                                                 صفحه
شکل ‏1‑1- آنتن آرایه انعکاسی 4
شکل ‏1‑2- باند تراهرتز و نواحی همسایه‌ آن. باند تراهرتز تقریبا بین فرکانس 1/0 تا 10 تراهرتز تعریف       می‌شود، قسمت‌های بالایی و پایینی آن به ترتیب با نواحی متداول EHF مایکرویو (موج میلیمتری) و فروسرخ هم‌پوشانی دارد. 5
شکل ‏1‑3- چند سلول فراماده تراهرتز 7
شکل ‏2‑1- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسی 14
شکل ‏2‑2- عناصر مختلف بکار برده شده در آنتن‌های آرایه آنعکاسی. (a) رویه‌های یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر. (b) دوقطبی با ابعاد متغیر یا حلقه. © رویه‌هایی با ابعاد متغیر. (d) رویه‌های با خطوط تاخیر فاز بطول یکسان با چرخش با زاویه‌های مختلف 15
شکل ‏2‑3- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیر 15
شکل ‏2‑4- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی 19
شکل ‏2‑5- هندسه آنتن آرایه انعکاسی چاپی 22
شکل ‏2‑6- عناصر تغییر فاز در آرایه انعکاسی چاپی. (a) رویه‌های مستطیلی با استاب‌های متصل. (b) رویه‌های مستطیلی با سایز متغیر 23
شکل ‏3‑1- فلوچارت تپه‌نوردی 32
شکل ‏4‑1- پاسخ فاز برای رویه‌های با استاب متصل. (a) عنصر. (b) فاز برای تابش عمود بر حسب طول استاب (t=1.59 mm , =3.2) 36
شکل ‏4‑2- تغییر فاز در تابش عمود برای یک آرایه متناوب از رویه‌های مربعی روی یک زیرلایه زمین‌شده بر حسب ضلع رویه در سه فرکانس = =14mm, t=1mm, =1.05 )) 36
شکل ‏4‑3- نمای جانبی آرایه انعکاسی قرار گرفته بر روی یک انعکاس‌دهنده سهموی 37
شکل ‏4‑4- عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای. (a) نمای گسترده (b) تاخیر فاز بر حسب طول خط 39
شکل ‏4‑5- نمودار تاخیر فاز بر حسب طول خط عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای شبیه‌سازی شده 40
شکل ‏4‑6- سلول واحد بر اساس خط تاخیر تزویج روزنه‌ای U شکل 40
شکل ‏4‑7- نمودار فاز بر اساس طول دو قطبی برای حالت U شکل 41
شکل ‏4‑8- نمودارهای بدست آمده از شبیه‌سازی برای حالت ‌U شکل 42
شکل ‏4‑9- عنصر آرایه انعکاسی دو لایه با رویه‌های با ابعاد متغیر. (a) سلول متناوب، (b)تغییر فاز بر حسب ضلع رویه (( , , , , ….. 44
شکل ‏4‑10- نتیجه مقاله 45
شکل ‏4‑11- نتیجه شبیه‌سازی 45
شکل ‏4‑12- نتیجه شبیه‌سازی 46
شکل ‏4‑13- نتیجه مقاله 46
شکل ‏4‑14- نتیجه شبیه‌سازی 47
شکل ‏5‑1- سلول واحد برای آرایه انعکاسی با µm140a= وmµ15 h=. بعد پچ l در محدوده 10میکرومتر تا 136 میکرومتر برای پوشش یک چرخه تقریبا کامل از پاسخ فاز متفاوت است. 55
شکل ‏5‑2-ضریب بازتاب شبیه‌سازی شده برای آرایه‌های رویه نامحدود یکنواخت دوبعدی. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه (a) و دامنه انعکاس برحسب دسی‌بل (b) در فرکانسTHz 1به عنوان تابعی از اندازه رویه. شش نقطه روی منحنی فاز با زیرلایه با ضخامت 15میکرومتر اندازه‌ی انتخاب شده رویه‌ها را برای تعریف یک زیرآرایه که یک چرخه تغییرات فاز کامل را طی می‌کند، نشان می دهد. ناهمواری در منحنی اندازه و فاز به دلیل محدودیت در دقت عددی است. 55
شکل ‏5‑3- نمودار دامنه سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 56
شکل ‏5‑4- نمودار فاز سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 56
شکل ‏5‑5- اصول عملکرد آنتن طراحی شده. توزیع فاز باعث انحراف موج مسطح تابشی بطور عمودی به سمت زاویه از پیش تعیین شده θ می شود . در اینجا، aنشان دهنده فاصله ی میان نقاط مرکز از دو عنصر مجاوراست، و (i= 0،1،2،3،4،5) تغییر فاز معرفی شده توسط عنصر مربوطه را نشان می دهد. 57
شکل ‏5‑6- میدان پراکنده آرایه انعکاسی در قطبش TM و TE در فرکانس THz1. (a) توزیع میدان برای قطبش TM. (b) توزیع میدان با همان ساختار و جهت تابش در(a) اما برای قطبش TE. موج تابشی با °21=θ نسبت خط عمود . برای قطبش TM، میدان E در صفحه yz هستند، و برای قطبش TE، میدان E به صورت موازی با محور x است. © ساختار یک زیر آرایه ساخته شده از 6 عناصر پچ به تصویر کشیده در مقیاس همان (a) و (b). 59
شکل ‏5‑7- توزیع میدان بازتابش شده از سطح یک تناوب از آرایه شبیه‌سازی شده در مد TM در فرکانس THz1 با زاویه تابش°21=θ 59
شکل ‏5‑8- ضریب انعکاس شبیه‌سازی شده برای آرایه‌ای از بی‌نهایت رویه. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه در THz1 به عنوان تابعی از طول رویه زیرین 60
شکل ‏5‑9- نمونه‌ای از نسبت دادن کد دودویی برای ایجاد ساختار 62
شکل ‏5‑10- نمودار فاز بر حسب طول رویه‌ها برای مقادیر مورد انتظار 66
شکل ‏5‑11- نمودار فاز بدست آمده از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه 67
شکل ‏5‑12- نمودار دامنه انعکاسی بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه 68
شکل ‏5‑13- شکل‌های سطوح فرکانس گزین بدست آمده از روش رویه‌های متغیر 69
شکل ‏5‑14- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت 70
شکل ‏5‑15- نمودار دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت 71
شکل ‏5‑16- نمودار فاز و دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای تابع شایستگی بند (ه) 72
شکل ‏5‑17- شکل رویه‌های بدست آمده از بهینه‌سازی برای تابع شایستگی بند (ه) 73
شکل ‏5‑18- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول در فرکانس‌های مختلف. 74
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول‌ها
عنوان                                                                                 صفحه
جدول ‏5‑1-مقادیر مورد انتظار برای طراحی سطوح فرکانس گزین با ابعاد متغیر 65
جدول ‏5‑2- کدهای بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی برای هر سلول 66
جدول ‏5‑3- مقادیر فاز بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت 67
جدول ‏5‑4- مقادیر دامنه انعکاسی بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت 68
جدول ‏5‑5- مقادیر فاز بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت 70
جدول ‏5‑6- مقادیر دامنه بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت 71
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل نخست:
مقدمه
 

فصل 1- مقدمه
امروزه با پیشرفت بیشتر ارتباطات، بشر توانسته است که از طیف الکترومغناطیسی که خارج از محدوده نور مرئی است، برای ارتباطات بی‌سیم استفاده کند. آنتن‌ها به عنوان ساختاری جهت ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیس ساخته شدند. طراحی آنتن در چند دهه‌‌ی اخیر پیشرفت‌های زیادی کرده است. بدلیل افزایش محبوبیت سیستم‌های ارتباطی راه دور و ادوات بی‌سیم سیار، توسعه طراحی انواع آنتن‌های بدیع، تداوم یافت. از رادیوهای قدیمی و سیستم‌های پخش تلویزیونی تا سیستم‌های ماهواره‌ای پیشرفته و شبکه‌های محلی بی‌سیم، مخابرات بی‌سیم به قسمتی جدایی‌ناپذیر از زندگی روزانه مردم تبدیل شد. آنتن‌ها بزرگترین نقش را در پیشرفت دستگاه‌های مخابرات بی‌سیم جدید اعم از تلفن‌های همراه تا هدایتگرهای GPS قابل حمل، و ازکارت‌های شبکه‌ بی‌سیم لبتاپ‌ها تا گیرنده‌های ماهواره‌های تلویزیونی بازی می‌کنند. یک دسته از ملزومات طراحی، از جمله ابعاد کوچک، پهنای باند عریض، و ویژگی‌های متعدد دیگری، باعث به چالش کشیدن محققان آنتن و توسعه آنتن‌های جدید شده است.
 
1-1- آنتن آرایه انعکاسی
در بسیاری از کاربردهای مایکروویوی، یک آنتن جهتی که پرتو اصلی آن در راستای خاصی جهت‌گیری شده مورد نیاز است. برای رسیدن به چنین ویژگی‌هایی یک تحریک[1] روزنه‌ای با فاز جلورونده مورد نیاز است. دو راه اصلی برای انجام این کار، منعکس کننده‌ها[2] و آرایه‌ها می‌باشد.
در آنتن‌های منعکس‌کننده، برای ایجاد فاز مناسب در روزنه‌ها[3]، از تفاوت مکانی جایگیری روزنه‌ها استفاده می‌شود، در حالی که در آنتن آرایه‌‌ای از‌ عناصر متمایز تغذیه شده با فاز جلورونده