25421

طراحي و سنتز آنتن هاي موج نشتي بر پايه گرافن

دكترا

برق مخابرات

1400

11/7/1400

دكتر همايون عريضي

برق

در اين رساله طراحي و سنتز آنتن هاي موج نشتي تك بعدي و دو بعدي بر مبناي گرافن ارائه شده است. در فصل 1 امواج پلاسمونيكي و كاربرد گرافن در توليد اين امواج در باند تراهرتز توضيح داده شده است. در فصل 2 مروري بر آنتن هاي موج نشتي شده است و كاربرد سطوح مدوله شده سينوسي در آنتن هاي موج نشتي پريوديك ارائه شده است. در فصل 3 آنتن هاي مورد استفاده در باند تراهرتز بررسي شده است و كاربرد گرافن در اين آنتن ها بررسي گرديده است. در اين فصل به طور كامل آنتن هاي موج نشتي تك بعدي و دو بعدي بر مبناي گرافن مطالعه شده است و مزاياي و معايب هر كدام از اين آنتن ها بررسي گرديده شده است. در فصل 4 ، طراحي و سنتز 3 نمونه آنتن موج نشتي تك بعدي ارائه شده است. در اين فصل نشان داده شده است كه تلفات بالاي گرافن منجر به ثابت تضعيف بالا در ساختارهاي صفحه اي گرديده و بنابراين بازده تشعشعي و سمت گرايي آنتن هاي موج نشتي صفحه اي محدود مي گردد. در اين فصل به منظور كاهش تلفات گرافن كه منجر به افزايش بازده تشعشعي و سمت گرايي آنتن هاي موج نشتي گرافني مي گردد ، آنتن هاي موج نشتي بر مبناي موجبر استوانه اي پيشنهاد شده است و 2 نمونه آنتن بر مبناي اين ساختار پيشنهاد شده است. در فصل 5 يك نمونه آنتن هاي موج نشتي 2 بعدي طراحي و سنتز شده است. در اين فصل سلول پچ گرافني مكمل براي طراحي اين آنتن پيشنهاد گرديده است و نشان داده اين سلول واحد نسبت به سلول پچ معمول گرافني داراي مزاياي قابل ملاحظه اي از لحاظ سادگي باياس ، حمايت از امواج پلازمونيكي ، ضريب كيفيت بالاتر مي باشد و پس از آن بر مبناي تثوري هولوگرافيك يك آنتن موج نشتي 2 بعدي طراحي شده است. در فصل 6 نيز طراحي يك سلول واحد جديد براي ساختارهاي انعكاسي پيشنهاد شده كه نسبت به سلول هاي رايج محدوده فاز برگشتي بيشتري را پوشش مي دهد و نشان داده ايم اين سلول مي تواند به طور مستقل با تغيير ابعاد فيزيكي و يا تغيير پتانسيل شيميايي گرافن 360 درجه فاز برگشتي مورد نياز را پوشش دهد و سپس براساس اين سلول يك آنتن آرايه اي انعكاسي با قابليت توليد بيم هاي OAM طراحي نموده ايم.

1400/07/26

Analysis and Synthesis of Leaky Wave Antennas based on Graphene

1/1/1900 12:00:00 AM

In this thesis, the concept, analysis and synthesis of 1D and 2D graphene leaky wave antenna (LWA) at terahertz band are presented. First, it is shown that the fundamental limitation of devices based on the planar graphene waveguide (PGW) is their low quality factor (resulting from the high attenuation constant due to the graphene losses). High attenuation constant limits the radiation efficiency and beam-width of LWAs. Then two novel 1D LWAs are proposed based on the cylindrical graphene waveguide (CGW). The proposed structure has overcome the fundamental limitations of the planar LWA characteristics, such as radiation efficiency and beam-width. The designed antenna in comparison with planar leaky wave antenna has significantly improved radiation efficiency by 20% to 50%. Next, the analysis and synthesis of 2D graphene LWA is studied. The analysis and equivalent circuit of complementary graphene patch (CGP) cell are presented for the first time. The graphene patch (GP) cell, which is commonly used in the design of terahertz metasurfaces (specially antennas), suffers from several challenges, such as additional lines for DC connecting cells and their effects on the radiation patterns, the limited range of structure for supporting TM surface plasmonic polariton (SPP) waves, the low confinement and quality factor of structure and impractically small synthesized dimensions. It is shown that the proposed CGP structure overcomes all these challenges. Then a novel 2D leaky wave antenna based on CGP unit cell is designed using the holographic antenna theory. The proposed structure is realized by a single bias voltage applied to the graphene sheet. Consequently, the radiation direction can be easily swept by tuning this bias voltage. Next, for the first time, the concept, analysis and equivalent circuit of Phoenix Graphene Patch (PGP) unit cell is presented. It is shown that a full 360o phase range can be realized by this unit cell unlike the common Graphene Patch (GP) unit cell by only changing separately the physical or electrical parameters. Then a reflectarray antenna based on PGP cell is designed. The required phases are easily realized only by changing the element dimensions of cell. Finally, a programmable vortex beam reflectarray is proposed whereby the required phases are realized only by the chemical potential of graphene sheet. The structure is discretized to five sections in the radial direction and eight sections in the azimuth direction. In comparison to other structures, the proposed design can easily generate different vortex beams in real-time by changing the biasing voltages of these sections.

Leaky Wave Antenna , Cylindrical Graphene Waveguide , Surface Plasmonic Polariton