%34تخفیف

دانلود پروژه:بررسی کاربرد فرامواد در آنتن های موجبری

تعداد 128 صفحه فایل word قابل ویرایش

Site: www.filenaab.ir

دانشكده فني و مهندسي

دوره‌ي كارشناسي ارشد مهندسي برق-مخابرات

بررسی کاربرد فرامواد در آنتن های موجبری

چكيده

فرامواد[1] ساختارهایي هستند که رفتار الکترومغناطيسي آنها در مواد طبيعي مشاهده نمي­شود. به دلیل خواص این ساختارها در دهۀ اخیر تمرکز زیادی در حوزۀ الکترومغناطیس بر روی این ساختارها شده است. با استفاده از همین ویژگی ها، در این پایان نامه چند کاربرد جدید برای این ساختار در ساختارهای موجبری و آنتنی ارائه شده است. استفاده ازESRRs[2]  در ساختارها موجبری SIW[3] باعث انتشار امواج در زیر فرکانس قطع آن گردید. باند عبوری که در ناحیۀ انتشار خود عرضی کمتر از نصف طول موج فرکانس قطع و در نتیجه کوچک سازی آن ساختار را در پی داشته است. استفاده از این چیدمان تشدید کننده های تعبیه شده، اولین بار در این پایان نامه ارائه شد و انتشار برای انواع تشدید کننده ها با فرکانس تشدید مختلف در آن به صورت تئوری ارائه گشته است. تلفات عبوری پایین در ناحیۀ گذر زیر فرکانس قطع و یا ناحیۀ قطع بسیار تیز در بالای فرکانس قطع که می تواند کاربردی فیلتری به آن ببخشد از جمله مزیت های این ساختار پیشنهاد شده می باشد. این ساختار می تواند به عنوان نامزدی برای طراحی ابزارهای مایکروویوی فشردۀ انتخاب شود.

طراحی زیرلایۀ مهندسی شده مغناطیسی-الکتریکی نوینی نیز در این پایان نامه بررسی شده است. ضخامت این زیرلایۀ مغناطیسی پیشنهاد شده می تواند به همان ضخامت دی الکتریک مهمان محدود شود، بنابراین دیگر مشکلات غیر هم صفحه شدن ساختار و ملاحظات ناشی از کنار هم قرار دادن تیغه های شامل تشدید کننده ها را نخواهد داشت. برای مقایسه چند نوع زیرلایۀ معادل برای نشان دادن اثبات درستی استخراج پارامترهای سازندگی زیرلایۀ و تاثیر وابستگی زیرلایه به فرکانس و تلفات بررسی  شده است. در آخر برای نشان دادن درستی تحلیل ها و بررسی های این ساختارها، یک نمونه از هر کدام ساخته شده و اندازه گیری های انجام شده مطابقت خوبی با نتایج شبیه سازی داشته است. استفاده از تکنولوژی مداری های مایکروویوی چند لایه می تواند امکان تحقق ساختارهای تشدیدی تعبیه شدۀ پیچیده تری را محقق می کند.

كليد واژه: فرامواد، پارامترهای سازندگی[4]، تشدید کننده های تعبیه شده در زیرلایه، کوچک سازی SIW، زیرلایۀ مغناطیسی-الکتریکی، کوچک سازی آنتن مایکرو استریپ.

[1] Metamaterial (MTM)

[2] Embedded Split Ring Resonator

[3] Substrate integrated Waveguide

[4] Constitutive Parameters

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                           صفحه

فهرست جدول‌ها ‌د

فهرست شكل‌‌ها ‌ه

فصل 1-    معرفي فرامواد. 10

1-1-    مقدمه    10

1-2-    تاريخچه    11

1-3-    معرفي ساختارهاي با گذردهي الكتريكي  و يا نفوذپذيري مغناطيسي  منفي.. 12

1-3-1-     معرفي ساختارهاي با گذردهي الكتريكي منفي.. 13

1-3-2-     معرفي ساختارهاي با نفوذپذيري مغناطيسي منفي.. 14

1-3-3-     ساختارهاي با گذردهي الكتريكي و نفوذپذيري مغناطيسي منفي.. 15

1-4-    خواص ساختارهای فراماده 17

1-4-1-     قانون اسنل در فرامواد. 18

1-4-2-     شرط آنتروپي (شرط انرژي) 20

1-4-3-     اثر داپلر در فرامواد. 20

1-4-4-     تشعشع واويلوف_سرنكوف.. 21

1-4-5-     شرايط مرزی در سطوح فرامواد. 22

فصل 2-   تحقق عملي و کاربردهاي فراماده. 24

2-1-    مقدمه    24

2-2-    سيم نازک (فراماده با گذردهي الکتريکي منفي ENG) 24

2-3-    رزوناتور با حلقه شکافدار يا SRR (فراماده با نفوذپذيري منفي: MNG) 26

2-4-    فراماده DNG متشکل از TW و SRR.. 28

2-5-    الگوريتم استخراج پارامترهاي محيطي.. 29

فصل 3-   موجبر مجتمع شده در زيرلايه ی دی الکتريکی.. 32

3-1-    مقدمه    32

3-2-    خواص موجبرهای مجتمع شده در زيرلايه. 36

3-3-    مدل سازی SIW… 39

3-4-    کوچک سازی موجبر مستطيلی با استفاده از فراماده 44

3-5-    طراحی و مدل سازی SIW کوچک شده توسط فرامواد با μ منفی.. 51

3-6-    ساختار SIW بارگذاری شده ESRR.. 58

3-6-1-      ماده ای با ضريب گذردهی و تراوايی مثبت… 66

3-6-2-      ماده ای با ضريب گذردهی و تراوايی منفی.. 67

3-6-3-      ماده ای با ضريب گذردهی مثبت و تراوايی عرضی منفی.. 68

3-7-    بارگذاری SIW با ESRR های با فرکانس تشديد متفاوت… 68

3-7-1-     بارگذاری SIW با ESSR با فرکانس تشديد کمتر از فرکانس قطع.. 71

3-7-2-     بارگذاری SIW با ESSR با فرکانس تشديد بيشتر از فرکانس قطع.. 73

3-7-3-     بارگذاری SIW با ESSR با فرکانس تشديد نزديک به فرکانس قطع.. 73

3-8-    ساخت و اندازه گيری.. 74

3-9-    نتيجه گيری.. 76

فصل 4-   کوچک سازی آنتن مايکرواستريپ با استفاده از زيرلايه ی مغناطيسی مصنوعی فشرده شده  78

4-1-    مقدمه    78

4-2-    زير لايه فريتی.. 79

4-3-    فوايد مواد مغناطيسی.. 81

4-4-    آنتن مايکرو استريپ… 82

4-5-    زير لايه مغناطيسی-دی الکتريک…. 84

4-6-    زيرلايه ی مغناطيسی-دی الکتريکی تعبيه شده در زيرلايه. 91

4-7-    آنتن مايکرواستريپ مستطيلی با زيرلايه ی مغناطيسی فشرده شده 99

4-8-    اندازه گيری و ساخت… 105

4-9-    نتيجه گيری.. 107

مقالات مستخرج از پایان نامه. 108

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                                                           صفحه

جدول ‏5‑1: مشخصات 4 زیرلایه [13]. 34

جدول ‏6‑1: ابعاد تشدید کننده های استفاده شده در [39]. 47

جدول ‏7‑1: ابعاد آنتن با زیرلایۀ مغناطیسی و زیرلایۀ دی الکتریکی FR4 [59]. 87

جدول ‏7‑2: مشخصات آنتنی با پچ مربعی به طول 0.077λ بر روی زیرلایۀ مغناطیسی در فرکانس 250MHz. 90

جدول ‏7‑3: مشخصات زیرلایه های معرفی شده 104

فهرست شكل‌‌ها

عنوان                                                                                                                           صفحه

شکل ‏2‑1: جهت بردارهاي شدت ميدان الكتريكي، شدت ميدان مغناطيسي، بردار پوينتينگ و بردار موج در محيط هاي راستگرد و چپگرد. 12

شکل ‏2‑2: نمودار چگونگي انتشار موج الکترومعناطیسی در محیط هایی با ضریب گذردهی مغناطیسی و الکتریکی مختلف [5]. 13

شکل ‏2‑3: ساختارهاي ارائه شده توسط پندري، ساختار با سيم هاي موازي [5]. 14

شکل ‏2‑4: آرایه ای از حلقه هاي شكافدار، ساختارهاي ارائه شده توسط پندري برای دست یابی به ضریب گذردهی مغناطیسی منفی [5]. 15

شکل ‏2‑5: ساختار ارائه شده توسط اسميت براي دستيابي به يك ماده چپگرد [4]. 16

شکل ‏2‑6: ساختار پيشنهادي پندري براي منفي شدن نفوذپذيري مغناطیسی  در سه بعد [6]. 16

شکل ‏3‑1: بررسی تفاوت برخورد در سطح جدایی دو محیط با دستی یکسان و یا متفاوت [5]. 19

شکل ‏3‑2: بررسی اثر داپلر_تصویر سمت راست مربوط به محیط وسلاگو است [5]. 21

شکل ‏3‑3:  پديده واويلوف_سرنكوف در محيط عادي ومحیطی با ضريب شكست منفی [1]. 22

شکل ‏3‑4: شرایط مرزی میان دو سطح دست چپی و دست راستی [1]. 23

شکل ‏4‑1: (الف) آرایه ای از سيمهاي نازک رسانا (ب) واحد سلولي (پ) گذردهي االکتريکي موثر نسبي آرایه (εreff) 25

شکل ‏4‑2: (الف) آرایه هاي از SRR (ب) واحد سلولي: فرم يک بعدي (بالا)، فرم دوبعدي (پائين) (ج) گذردهي االکتريکي موثر نسبيآرایه (εreff) 27

شکل ‏4‑3: (الف) فراماده با واحد سلولي متشکل از سيم نازک و SRR (ب) واحد سلولي: فرم يک بعدي (بالا)، فرم دوبعدي (پائين) [9]. 28

شکل ‏4‑4: اندازه گیری پارامترهای پراکندگی در ساختار (الف) تیغۀ همگن در یک بعد، (ب) تیغۀ غیر همگن غیر متقارن در یک بعد و (ج) تیغۀ غیر همگن متقارن در یک بعد. 30

شکل ‏5‑1: منحنی تغییرات تلف خطوط مایکرواستریپ ساخته شده روی عایق های گوناگون. 33

شکل ‏5‑2: ساختار یک نمونه موجبر با دیواره های ستونی. 35

شکل ‏5‑3: توزیع جریان مود غالب، TE10، در یک موجبر مستطیلی [17]. 38

شکل ‏5‑4: ساختار SIW به همراه جزیات بررسی ها تئوری.. 39

شکل ‏5‑5: (الف) : نسبت عرض SIW به عرض موجبر معادل برحسب قطر ویا ها و … 42

شکل ‏6‑1: موجبر بارگذاری شده با SRR به همراه سلول واحد سازندۀ آن.. 47

شکل ‏6‑2: سلول واحد تشدید کننده های داخل موجبر، (الف) تشدید کنندۀ حلقوی، (ب) تشدید کنندۀ دو قطبی [39]. 47

شکل ‏6‑3: (الف) نمودار انتشار در موجبر پر شده با تشدید کننده های حلقوی. (ب) نمودار انتشار در موجبر پر شده با تشدید کننده های دوقطبی [39]. 48

شکل ‏6‑5:  (الف) یک آرایه با 9 المان تشدید کنندۀ حلقوی داخل موجبر. (ب) تشدید کنندۀ حلقوی و (ج) تشدید کنندۀ دوقطبی به همراه تحریک آنها از طریق خط کواکسیال [39]. 49

شکل ‏6‑6: نتایج اندازه گیری موجبر پر شده با تشدید کننده های حلقوی. 50

شکل ‏6‑7: نتایج اندازه گیری موجبر پر شده با 230 تشدید کنندۀ دوقطبی. 50

شکل ‏6‑8: حلقۀ شکاف دار تعبیه شده در زیر لایۀ دی الکتریکی.. 52

شکل ‏6‑9: (الف) شرایط مرزی مناسب برای تابش موج صفحه ای به سلول واحد ساختار پیشنهادی [38]. (ب) مد میدان الکتریکی برای شرایط مرزی سلول واحد. 53

شکل ‏6‑10: (الف) قطبش میدان الکتریکی، (ب) قطبش میدان مغناطیسی در موج صفحه ای تابیده شده به سلول واحد سازندۀ لایۀ مصنوعی مغناطیسی. 53

شکل ‏6‑11: (الف) ضریب موج بازگشتی و موج عبوری از سلول واحد (ب)، به همراه مقدار فاز آنها. 54

شکل ‏6‑12: محاسبۀ ضریب شکست و امپدانس موثر سلول واحد ارائه شده با استفاده از پارامترهای پراکندگی. 55

شکل ‏6‑13: محاسبۀ ضریب تراوایی مغناطیسی و گذردهی الکتریکی با استفاده از ضریب شکست و امپدانس موثر سلول واحد ارائه شده با استفاده از پارامترهای پراکندگی. 56

شکل ‏6‑14: مدار معادل ESSR. مقادیر المان ها برای سلول واحد شکل ‏6‑8. 57

شکل ‏6‑15: پاسخ فرکانسی مدار معادل (خط چین) و سلول واحد. 58

شکل ‏6‑16: سلول واحد SIW بارگذاری شده با ESSR (مقیاس حلقه به ساختار SIW باتوجه به ابعاد دده شده در بخش قبل برای وضوح بیشتر یکی نمی باشد). 59

شکل ‏6‑17: SIW بار گذاری شده با تشدید کننده های تعبیه شده در زیرلایه [38]. 59

شکل ‏6‑19: (الف) سلول سازندۀ SIW بار گذاری شده با ESRR. (ب) موجبر مستطیلی معادل با SIW. 60

شکل ‏6‑20: (الف) اعمال تئوری تصویر بر روی سلول واحد سازندۀ SIW بارگذاری شده با ESSR. (ب) تعریف مسئله به صورت دو صفحۀ موازی موجبری. 62

شکل ‏6‑21: توزیع میدان ها در ساختار معادل باید از معادلات ماکسول در محیط بدون منبع تبعیت کند. 63

شکل ‏6‑22: تاثیر پر کردن موجبر با مواد مختلف در انتشار امواج در آن. 67

شکل ‏6‑23: ضریب تراوایی مغناطیسی به صورت مختلط برای ESSR هایی با طول حلقۀ متفاوت [38]. 70

شکل ‏6‑24: پاسخ انتشار امواج عبوری در SIW بار گذاری شده با ESRR های با فرکانس تشدید متفاوت. پاسخ انتشار امواج برای حالت بدون بارگذاری برای مقایسه آورده شده است [38]. 71

شکل ‏6‑25: فاز عبوری در خط انتقال پیش رونده و پس رونده. 72

شکل ‏6‑26: فاز سیگنال عبوری در باند گذر زیر فرکانس قطع در دو طول فیزیکی متفاوت [38]. 73

شکل ‏6‑27: (الف) نمونۀ ساخت SIW بارگذاری شده با ESSR. (ب) نتایج اندازه گیری. 75

شکل ‏6‑28:نتایج حاصل از اندازه گیری توسط Network analyzer (الف) S11، (ب) S12. 76

شکل ‏7‑1: اندازه گیری ضریب تراوایی مغناطیسی و تانژانت تلفات فریت کبالت هگزا فریت… 81

شکل ‏7‑2: آنتن مایکرواستریپ با تغذیۀ از لبه. توزیع میدان های التریکی (بردارهایی در جهت z) و توزیع میدان ها مغناطیسی (بردارهای برون سو و عمود بر سطح صفحه). 83

شکل ‏7‑3: تشدید کننده های استفاده شده برای تحقق زیر لایۀ مغناطیسی، از راست به چپ: تشدید کنندۀ امگا، تشدید کنندۀ مربعی و حلقۀ شکاف دار [57]. 84

شکل ‏7‑4: ساختار سلول سازندۀ حلقۀ حلزونی ارائه شده در [59]. ابعاد به میلی متر هستند و زیرلایۀ استفاده شده FR4 است. 85

شکل ‏7‑5: (الف) مقادیر موثر پارامترهای سازندگی در نزدیکی فرکانس تشدید(2.48 GHz) . (اب) مقدار تانژانت تلفات [59]. 86

شکل ‏7‑6: (الف) شماتیک زیرلایه مغناطیسی به همراه آنتن پچ مستطیلی روی آن. (ب) نمونۀ ساخته شده از آنتن با زیرلایۀ مغناطیسی [59]. 87

شکل ‏7‑7: ضریب تلفات بازگشتی آنتن با زیرلایۀ مغناطیسی و زیرلایۀ دی الکتریکی [59]. 88

شکل ‏7‑8: (الف) سلول واحد سازندۀ زیرلایۀ مغناطیسی پیشنهاد شده در [60]. 89

شکل ‏7‑9: آنتن با زیرلایۀ مغناطیسی، هر ردیف شامل 12 حلقه می باشد [60]. 90

شکل ‏7‑10: (الف) ردیفی از حلقه های شکاف دار که ساختار سلونوئیدی را تشکیل می دهد. (ب) زیرلایۀ مغناطیسی تشکیل شده از ساختار سلونوئیدی که زیر یک پچ مستطیلی قرار گرفته است. 92

شکل ‏7‑11: سلول واحد زیرلایۀ مغناطیسی پیشنهاد شده. 94

شکل ‏7‑12: سلول سازندۀ فرازیرلایه، به همراه شرایط مرزی روی آن برای تابش موج صفحه ای با قطبش مناسب [62]. 95

شکل ‏7‑13: (الف) قطبش میدان الکتریکی، (ب) قطبش میدان مغناطیسی در موج صفحه ای تابیده شده به سلول واحد سازندۀ لایۀ مصنوعی مغناطیسی. 95

شکل ‏7‑14: (الف) ضریب موج بازگشتی و موج عبوری از سلول واحد، (ب) به همراه مقدار فاز آنها. 96

شکل ‏7‑15: محاسبۀ ضریب شکست و امپدانس موثر سلول واحد ارائه شده با استفاده از پارامترهای پراکندگی. 97

شکل ‏7‑16: محاسبۀ ضریب تراوایی مغناطیسی و گذردهی الکتریکی با استفاده از ضریب شکست و امپدانس موثر سلول واحد ارائه شده با استفاده از پارامترهای پراکندگی. 98

شکل ‏7‑17: ضریب گذردهی الکتریکی و تراوایی مغناطیسی به همراه مقدار حاصل ضریب آنها. مجموع تلفات نیز نشان داده شده است [62]. 99

شکل ‏7‑18: آنتن ماکرواستریپ با پچ مستطیلی و تغذیه از لبه. قطبش میدان های الکترومغناطیسی در این آنتن نشان داده شد است. 100

شکل ‏7‑19: ساختار زیرلایۀ پیشنهاد شده در آنتن مایکرواستریپی. 102

شکل ‏7‑20:تلفات بازگشتی آنتن هایی با زیرلایه های معرفی شده [62]. 103

شکل ‏7‑21: نمونۀ آنتن ساخته شده با زیرلایۀ مهندسی مغناطیسی؛ بارگذاری پچ آنتن با تشدید کننده هایی پیشنهاد شده که به صورت جدا در کنار آنتن به نمایش در آمده انجام شده است. 106

شکل ‏7‑22: (الف) الگوی تشعشعی آنتن در صفحۀ E-Plane، (ب) الگوی تشعشعی آنتن در صفحۀ H-Plane، (ج) تلفات بازگتشی آنتن. اندازه گیری ها با خط پر نشان داده شده است. 107

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo