محیط داشته باشند.
در این پایان نامه 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 می کنیم. ساختارهای فرکتالی که معمولاً در طراحی آنتن ها مورد استفاده قرار می­گیرند به صورت قطعی[۲] می­باشند. به عبارت دیگر کلیه ساختارهای فرکتالی که در اینجا مورد بررسی قرار می­گیرند خاصیت تصادفی نداشته و از یک رابطه جبری پیروی می­ کنند. 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 می­ شود، باید توجه داشت که با توجه به محدودیت­های موجود در ساخت آنتن، نمی­ توان تعداد تکرارها را از یک حد معینی افزایش داد. نقطه قطع تکرارها در ساختارهای مختلف فرکتالی، متفاوت می­باشد و نمی­ توان 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.
دانلود پایان نامه - مقاله - پروژه
به طور کلی آنتن های فرکتالی با بهره گرفتن از روش ممان[۳] بررسی می شوند. در این فصل کلیه نتایج براساس شبیه سازی با بهره گرفتن از روش ممان بیان گردیده است.
شکل (۱-۲)، دسته بندی کلی آنتن های فرکتالی را نشان می دهد. آنتن های فرکتالی به سه ساختار کلی، آنتن های حلقوی، آنتن های دوقطبی و آنتن های فرکتالی چندبانده تقسیم بندی شده اند. آنتن های فرکتالی دوقطبی، آنتن های سیمی می باشند که در این شکل فقط یک بازوی آن نشان داده شده است، و بازوی دیگر به صورت قرینه این بازو نسبت به منبع تغذیه می باشد. 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[۴] و ساختار کخ[۵] می­باشند. دسته دوم آنتن­های فرکتالی، آنتن­های حلقوی می­باشند که استفاده از ساختار فرکتالی در این آنتن­ها سبب کاهش ابعاد آنتن و افزایش امپدانس ورودی می­گردد.

شکل ۱-۲ : دسته بندی کلی آنتن های فرکتالی
دسته سوم آنتن­های فرکتالی که از نظر کاربرد و تنوع نسبت به دو دسته قبلی معروفیت بیشتری دارند، آنتن­های فرکتالی چندبانده می­باشند. در این آنتن­ها وجود چندین بخش یکسان در مقیاس­های مختلف سبب می شود که آنتن در چندین باند فرکانسی مختلف، عملکرد یکسانی از لحاظ تشعشعی داشته باشد. به این آنتن­ها اصطلاحاً آنتن های خودمتشابه[۶] می­گویند. شکل فوق یک نمونه از این آنتن­ها را که به آنتن­های سرپینسکی[۷] معروف هستند، نشان می­دهد.
برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص ساختارهای فرکتالی مختلف می توان به مراجع [۱] و [۲] مراجعه کرد. همچنین در خصوص کاربرد ساختارهای فرکتالی در آنتن­ها می­توان به مرجع [۳] مراجعه کرد. همچنین در مرجع [۴] می­توان مروری بر مقالات چاپ شده در خصوص آنتن­های فرکتالی داشت. در مراجع فوق، آنتن­های فرکتالی در دو حالت تک المانی و آرایه­ای مورد بررسی قرار گرفته است.
۱-۲- روش تحلیل
به طور کلی برای تحلیل سیستم­های تشعشعی و آنتن­ها نیاز به ابزارهای شبیه­سازی نیرومندی می­باشد، که از آن جمله می­توان به روش ممان اشاره کرد. در این قسمت مروری بر روش ممان جهت تحلیل آنتن­های فرکتالی خواهیم داشت. روش ممان در واقع یک تکنیک عددی جهت حل معادلات انتگرالی حاکم بر آنتن می باشد که این معادلات انتگرالی از توزیع جریان بر روی بدنه آنتن به دست می­آیند. در واقع معادلات انتگرالی که با بهره گرفتن از روش ممان حل می­شوند، معادلات میدان الکتریکی می­باشند. که این معادلات با فرض شرایط مرزی برای هادی الکتریکی کامل به دست می­آیند. لذا در این روش جریان­ها از طریق شرط مماسی میدان الکتریکی بر روی سطح آنتن به دست می آیند، یعنی :
که در عبارت فوق میدان برخوردی، بیانگر میدان در حالت عدم وجود هادی الکتریکی می باشد. و میدان های پراکندگی نیز ناشی از جریان های القایی بر روی سطح آنتن می باشند. حال با بهره گرفتن از اصل هم ارزی و فرض جریان بر روی هادی به صورت زیر :
می توان معادلات انتگرالی حاکم بر آنتن را به دست آورد. توجه داشته باشید که در عبارت فوق، توابع پایه شناخته شده ای می باشند، که مجموعه آنها خاصیت متعامد بودن و کامل بودن[۸] را امتناع می کنند.
فصل دوم
۲-۱- مقدمه
در این فصل هدف بررسی بعضی از ساختارهای بهبود یافته آنتن­های فرکتالی چند بانده می­باشد. این فصل را با معروفترین آنتن فرکتالی چند بانده، یعنی آنتن سرپینسکی [۹](SG- MSA) شروع می­کنیم.
امروزه با افزایش کاربرد آنتن­های فرکتالی چند بانده، با پهنای باند زیاد در سیستم­های مخابرات سیار و سایر سیستم­های مخابراتی مانند RFID[10]، روش­های متنوعی جهت افزایش پهنای باند و بهبود خواص چندبانده این آنتن­ها معرفی شده است. از جمله این روش­ها می­توان به پشته­سازی کردن[۱۱] آنتن­های فرکتالی، ایجاد اختلال در صفحه زمین، تغییر مقیاس آنتن در تکرارهای مختلف، ایجاد اتصالات بین پیچ و صفحه زمین در مکان­های مشخص، استفاده از ساختارهای سرپینسکی دایره­ای و چندین روش دیگر اشاره کرد که در ادامه این فصل مورد بررسی قرار می­گیرند.
۲-۲- آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق[۱۲]
یکی از روش­هایی که به منظور بهبود خواص تشعشعی مانند پترن و تطبیق ورودی، برای آنتن­های سرپینسکی معرفی شده است، استفاده از آنتن­های سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق می­باشد. ساختار کلی آنتن سرپینسکی مرتبه دوم که توسط روش فوق بهبود یافته است، در شکل (۲-۱) نشان داده شده است.
شکل ۲-۱ : ساختار کلی آنتن سرپینسکی مرتبه دوم، بهبودیافته با بازوهای تطبیق [۱]
در ادامه ضمن بررسی خواص این ساختار، نتایج شبیه­سازی این ساختار نرم IE3D بیان می­گردد. نوع زیرلایه­ای که در این ساختار مورد استفاده قرار گرفته است، PTFE[13] می­باشد که دارای ۶/۲ و ۰۰۱۸/۰ ضخامت ۱٫۲ می­باشد. در این ساختار تغذیه از نوع کابل هم­محور واقع در مرکز ساختار می­باشد. محل تغذیه با F مشخص شده است. در این ساختار امپدانس ورودی دیده شده از محل تغذیه، توسط دو پارامتر که به ترتیب عرض هر بازو و زاویه انحراف بین دو بازو می­باشد، قابل کنترل می­باشد.
۲-۲-۱- خواص تشعشی و امپدانس ورودی
شکل (۲-۲) امپدانس ورودی آتش نشان نشان داده شده در شکل (۲-۱) را برای مدهای مختلف نشان می­دهد. در این شکل قسمت ()، امپدانس ورودی دیده شده از محل تغذیه را برای مد غالب و سایر مدهای مرتبه بالاتر، برحسب تغییرات زاویه انحرراف بین دو بازوی تغذیه نشان می­دهد. همان­طور که در این شکل می­بینید، امپدانس مد غالب این ساختار نسبت به تغییرات زاویه انحراف، بسیار حساس می­باشد و این در حالی است که برای اولین و دومین مد مرتبه بالا، تغییرات زاویه انحراف اثر چندانی بر امپدانس این مدها ندارد.
شکل (۲-۲-) نیز تغییرات امپدانس ورودی را برای مدهای مختلف برحسب تغییرات عرض بازوی تغذیه نشان می­دهد. در این شکل زاویه انحراف بین دو بازو برابر با ۲۰۸ درجه می­باشد. نتایج شکل (۲-۲-) نشان می­دهد که تغییرات در عرض بازوها اثر چندانی بر امپدانس ورودی مد غالب نداشته و این در صورتی است که برای اولین و دومین مد مرتبه بالا، این تغییرات باعث تغییر زیادی در امپدانس ورودی برای این مدها می­ شود.
با توجه به توضیحات فوق به راحتی قابل استنباط است که برای تغییر امپدانس ورودی برای مد غالب در آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوی تطبیق، می­توان از تغییر زاویه بین دو بازو استفاده کرد. و برای تغییر امپدانس ورودی برای اولین و دومین مدهای مرتبه بالا در آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوی تطبیق، می­توان از تغییر عرض بازوها استفاده کرد. پس یکی از مزایای استفاده از آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوی تطبیق، امکان ایجاد تطبیق امپدانس برای تمامی باندهای رزنانسی می­باشد. در ادامه به بررسی تأثیر تغییرات بر روی امپدانس ورودی، فرکانس­های رزنانس و پترن تشعشی آنتن می­پردازیم.
شکل ۲-۲ : امپدانس ورودی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق ()
شکل (۲-۳) تلفات بازگشتی را برای این آنتن نشان می­دهد. همانطور که در این شکل ملاحظه می­کنید، توان بازگشتی برای سه زوج نشان داده شده است. در اینجا زاویه انحراف به نحوی انتخاب شده است که مد غالب از نظر امپدانسی کاملاً تطبیق باشد. همان­طور که شکل (۲-۳) نشان می­دهد با افزایش بر روی فرکانس رزنانس مد غالب کاهش، و فرکانس رزنانس اولین مرتبه بالا افزایش می­یابد. تغییرات بر روی فرکانس رزنانس دومین مرتبه بالا تقریباً بی­تأثیر می­باشد. البته نکته دیگر این است که با کاهش پهنای باند سومین مد مرتبه بالا افزایش می­یابد. با توجه به این توضیحات برای تغییر نسبت فرکانس­های رزنانس برای یک آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق، می­توان از تغییر اندازه­ های استفاده کرد، که این خاصیت به طراح اجازه می­دهد تا بتواند بسته به کاربرد، فرکانس­های رزنانس این آنتن چندبانده را انتخاب کند.
شکل ۲-۳ : تلفات بازگشتی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق
۲-۲-۲- پترن تشعشعی
در این بخش به بررسی پترن تشعشعی آنتن فوق برای مدهای مختلف می­پردازیم. قبل از بررسی این بخش باید به این نکته توجه داشت که در آنتن چندبانده، مطلوب آن است که پترن تشعشعی در فرکانس رزنانس تمامی باندها یکسان باشد. ولی در اغلب موارد رسیدن به این حالت با بهره گرفتن از تنها یک ساختار امکان پذیر نمی ­باشد.
شکل (۲-۴) پترن تشعشعی را برای دومین مد مرتبه بالا به ازای تغییرات نشان می­دهد، همان­طور که در این شکل ملاحظه می­کنید پترن تشعشعی برای این مد نسبت به تغییرات ثابت باقی می­ماند. لذا به منظور ساده سازی ساختار، را برابر با صفر درنظر می­گیریم. پترن تشعشعی تمامی مدهای آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق، در شکل (۳-۵) نشان داده شده است. توجه کنید در شکل (۲-۵) پترن­ها به ازای رسم شدند.
شکل ۲-۴ : پترن تشعشعی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق، برای دومین مرتبه بالا
همان­گونه که در شکل (۲-۵-) مشاهد می­کنید برای مد غالب، پترن تشعشعی یک گلبرگ اصلی دارد و پلاریزاسیون ناخواسته[۱۴]، در این مد به کمتر از ۲۰- کاهش یافته است. از طرفی دیگر نتایج اندازه گیری نشان می­دهد که با تغییرات در گستره ( ۶/۹ تا ۲/۷ = و ۲/۴ تا ۰ =)، پترن تشعشعی مد غالب تغییر نمی­کند. همچنین در این گستره بهره مد غالب بین ۲/۶ تا ۵ تغییر می­ کند.
در خصوص اولین مد مرتبه بالا، که در شکل (۳-۵-) نشان داده شده است، پترن تشعشعی دارای تنها گلبرگ نبوده و این در حالی است که برای دومین مد مرتبه بالا که در شکل (۳-۵-) نشان داده شده است. پترن یک گلبرگ دارد.
شکل ۲-۵ : پترن تشعشعی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق
تغییرات در گستره ( ۶/۹ تا ۲/۷ =)، تنها باعث فشرده شدن پترن و در نتیجه افزایش بهره آنتن در گستره( /۹ تا ۱/۸) می­گردد.
با توجه به نتایج بدست آمده برای تطبیق امپدانس و پترن تشعشعی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق، نتیجه می­ شود که از این آنتن­ها چندبانده استفاده کرد. برای کنترل فرکانس رزنانس باندهای مختلف می­توان به عنوان یک آنتن چندبانده استفاده کرد. برای کنترل فرکانس رزنانس باندهای مختلف می­توان از تغییر مقادیر استفاده کرد، جهت تطبیق امپدانس، در مدهای مرتبه بالا از تغییرات عرض بازوهای تطبیق و برای مد غالب از تغییر زاویه انحراف، استفاده می­ شود. در این آنتن، پترن تشعشعی برای مد غالب و دومین مد مرتبه بالا به صورت تک گلبرگ می­باشد و این درحالی است که پترن تشعشعی برای اولین مد مرتبه بالا دارای یک گلبرگ می­باشد. این ویژگی تنها عیب آنتن سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق می­باشد. برای رفع این مشکل از ساختارهای دیگری می­توان استفاده کرد که در ادامه مورد بررسی قرار می­گیرند.
۲-۳- آنتن سرپینسکی بهبود یافته با مثلث داخلی[۱۵]
همان طور که در بخش قبل توضیح داده شد، یکی از مشکلات آنتن­های سرپینسکی بهبود یافته با بازوهای تطبیق، عدم یکسان بودن پترن تشعشعی در تمامی مدهای انتشاری بود. برای رفع این مشکل از ساختارهای بهبود یافته با یک مثلث داخلی استفاده می­ شود. شکل (۲-۶) ساختار کلی این آنتن را در تکرار اول نشان می­دهد. در این بخش در ابتدا به بررسی خواص این آنتن در تکرار اول می­پردازیم و سپس ساختار مرتبه دوم این آنتن را معرفی می­کنیم. در انتهای این بخش دو آنتن سرپینسکی بهبود یافته، با مثلث داخلی و بازوهای تطبیق را از نظر خواص تشعشعی و خصوصاً پترن تشعشعی، با هم مقایسه می­کنیم.
۲-۳-۱- آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه اول با مثلث داخلی
ساختار کلی این آنتن در شکل (۲-۶) نشان داده شده است. تفاوت اصلی این ساختار با یک آنتن سرپینسکی ساده در وجود یک مثلث با ابعاد کوچکتر، در داخل فضای خالی یک آنتن سرپینسکی می­باشد. هدف استفاده از این روش، ایجاد یک پترن تشعشی با یک گلبرگ برای اولین مرتبه بالا می­باشد. در این ساختار برابر با ۴/۲۰ می­باشد که این مقدار به منظور ایجاد یک فرکانس رزنانس در فرکانس ۵ انتخاب شده است. پارامترهای دیگر این ساختار و می­باشند که مقادیر آنها در این نمونه به ترتیب برابر با ۹/۹ و ۹ می­باشند. در این ساختار تطبیق امپدانس برای مدهای مختلف از طریق انتخاب مناسب پارامترهای بدست می ­آید.
شکل ۲-۶ : آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه اول با مثلث داخلی
شکل (۲-۷) تلفات بازگشتی اندازه ­گیری شده را برای این ساختار نشان می­دهد. رزنانس­های اصلی این ساختار در دو فرکانس در نزدیکی ۴ و ۱۱ قرار دارند. البته رزنانس بسیار ضعیف دیگری هم در فرکانس ۱۴ داریم.
شکل ۲-۷ : تلفات بازگشتی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه اول با مثلث داخلی
شکل (۲-۸) پترن تشعشی را برای این آنتن در سه فرکانس رزنانس فوق نشان می­دهد. در مد غالب پترن تشعشعی دارای یک گلبرگ می­باشد که البته این ویژگی در مورد اولین مد مرتبه بالا نیز وجود دارد. با توجه به شکل (۲-۸) پترن تشعشعی برای دومین مد مرتبه بالا، دارای تنها یک گلبرگ اصلی نمی ­باشد، بلکه برای پترن صفحه دو صفر در زوایای ۳۰ وجود دارند. گین آنتن برای هر کدام از مدها به ترتیب برابر با ۹/۶، ۸، ۴/۸ می­باشد.
شکل ۲-۸ : پترن تشعشعی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه اول با مثلث داخلی
۲-۳-۲- آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه دوم با مثلث داخلی
ساختار کلی آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه دوم با مثلث داخلی، در شکل (۲-۹) نشان داده شده است. در طراحی این آنتن از یک ساختار فرکتالی سرپینسکی مرتبه دوم استفاده شده است. مزیت اصلی این ساختار این است که، وجود پترن تشعشعی با یک گلبرگ را برای اولین و دومین مد مرتبه بالا تضمین می­ کند. پارامترهای طراحی این آنتن تماماً به منظور ایجاد تطبیق مناسب در تمامی فرکانس­های رزنانس، با بهره گرفتن از نتایج شبیه سازی انتخاب شدند که نتایج آن در انتهای شکل (۲-۹) آمده است.
شکل ۲-۹ : آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه دوم با مثلث داخلی
شکل­های (۲-۱۰) و (۲-۱۱)، نتایج شبیه­سازی و اندازه ­گیری را برای توان بازگشتی و پترن تشعشعی ساختار شکل (۲-۹) نشان می­ دهند. با توجه به نتایج بدست آمده، آنتن فوق دارای خواص چندبانده بسیار مناسبی می­باشد.
پترن تشعشعی برای این آنتن در مد غالب و مدهای مرتبه بالا دارای گلبرگ اصلی می­باشد. لذا این آنتن دیگر عیب ساختار سرپینسکی بهبود یافته مرتبه دوم با بازوهای تطبیق را ندارد. در این حالت بهره تشعشعی اندازه ­گیری شده برای مد غالب و مدهای مرتبه بالا به ترتیب برابر با ۵/۵، ۵/۶ و ۷ می­باشد.
با توجه به نتایج شکل (۲-۱۰)، در فرکانس­های نزدیک ۸ یک فرکانس رزونانس ضعیف دیگری نیز وجود دارد. که نتایج اندازه ­گیری برای پترن در این فرکانس، وجود پترن تشعشعی با یک گلبرگ را برای این فرکانس نشان می­دهد. لذا بسته به کاربرد می­توان از این آنتن به عنوان آنتن چهار بانده نیز استفاده کرد. در ادامه این بخش به بررسی روش­های کنترل فرکانس برای آنتن سرپینسکی بهبودیافته مرتبه دوم با مثلث داخلی، می­پردازیم.
شکل ۲-۱۰ : تلفات بازگشتی برای آنتن سرپینسکی بهبود یافته مرتبه دوم با مثلث داخلی

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...