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 تراهرتز5
1-2-2- سطوح فرکانس گزین.8

الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی9
پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش10
 
فصل دوم: آنتن‌های آرایه انعکاسی14

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 عناصر18
2-4-2- محدودیت پهنای باند با تاخیر فاز شعاعی تفاضلی18

تکنیک‌های آنالیز آنتن20
بررسی تکنیک‌‌های آنالیز.24
 
فصل سوم: الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی‌28

مقدمه و معرفی روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی.28
الگوریتم تپه‌نوردی.31
فلوچارت تپه‌نوردی.32
 
 
فصل چهارم: روش‌های افزایش پهنای باند و خطی شدن نمودار تغییرات فاز34

محدودیت پهنای باند توسط عناصر آرایه انعکاسی34
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 نتایج51

اصول طراحی.51
رویه و ویژگی‌هایش.52
طراحی و شبیه‌سازی آرایه انعکاسی.56
افزایش پهنای باند عنصر آرایه انعکاسی با بهره گرفتن از روش چندلایه کردن59
طراحی سطوح فرکانس گزین برای هر یک از عناصر.60
نتایج.64رویه‌های با ابعاد متغیر64
رویه‌های با ابعاد یکسان.69
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات73

نتیجه‌گیری74
پیشنهاد برای کارهای آتی.75
 
فهرست منابع76
 
 
 
 
 
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 بهره گرفتن 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