21817

21817

تحليل، طراحي و شبيه سازي آنتن هاي تنظيم پذير در هدايت پترن بر اساس فرامواد

دكتري تخصصي

مخابرات - ميدان

1398/10/10

دكتر فرخ حجت كاشاني

دكتر جواد قاليبافان

برق

امروزه در سيستم¬هاي مخابراتي پيشرفته به منظور افزايش كارايي، از آنتن¬هاي تنظيم پذير با قابليت جاروب الگوي تابشي استفاده مي¬شود. از جمله اين سيستم¬ها مي¬توان به انواع سيستم¬هاي راداري با قابليت چرخش الكترونيكي پرتو و يا آنتن¬هاي هوشمند اشاره كرد. از جمله چالش¬هاي اساسي پيشرو در طراحي آنتن با قابليت جاروب الگوي تابشي، محدود بودن زاويه چرخش پرتو آنتن در يك بازه مشخص مي¬باشد. علاوه بر اين در اغلب آنتن¬هاي مرسوم در اين حوزه، چرخش پرتو آنتن توسط تغيير فركانس و در محدوده زاويه¬اي مثبت (0 تا 90 درجه) رخ مي¬دهد. هدف اصلي از ارائه اين پايان نامه، معرفي آنتني با قابليت چرخش پرتو در محدوده زواياي مثبت و منفي مي¬باشد. ايده اصلي به كار گرفته شده براي رسيدن به اين هدف، طراحي آنتن نشتي مبتني بر ساختارهاي خط انتقال مركب چپ-گرد و راست-گرد (CRLH) مي باشد. بايد توجه داشت كه ساختارهاي CRLH بدليل داشتن ثابت فاز مثبت و منفي در محدوده هاي فركانسي مشخص، قادر به تحقق آنتن هاي نشتي با قابليت چرخش پرتو در زواياي مثبت و منفي مي باشند. نكته حائز اهميت ديگر در طراحي آنتن هاي نشتي پيشنهادي، استفاده از مواد مغناطيسي باياس شده جهت طراحي خطوط CRLH استفاده شده در اين آنتن ها مي باشد. استفاده از مواد مغناطيسي از دو جنبه مورد توجه بوده است. اول اينكه استفاده از مواد مغناطيسي باياس شده در ساختار آنتن هاي پيشنهادي باعث ايجاد قابليت چرخش پرتو در يك فركانس ثابت مي شود. به عبارت ديگر باياس ماده مغناطيسي در ساختارهاي پيشنهادي مي تواند اهرمي براي تنظيم زاويه پرتو آنتن به صورت مستقل از فركانس باشد. دوم اينكه مواد مغناطيسي در ساختارهاي مختلف، داراي نواحي فركانسي مشخصي هستند كه در اين نواحي نفوذپذيري موثر ساختار كميتي منفي مي باشد. اين ويژگي خود مي تواند در تحقق خطوط CRLH مورد نياز در اين پايان نامه موثر باشد. رفتار تشعشعي تمامي آنتن هاي نشتي پيشنهادي در اين پايان نامه به كمك روش هاي تئوري تحليل شده اند و نمودار پاشندگي آنها استخراج شده است و در نهايت، نتايج بدست آمده به كمك شبيه سازي توسط روش هاي عددي مورد تاييد قرار گرفته است. آنتن¬هاي پيشنهادي در اين پايان¬نامه خود به دو دسته تقسيم مي¬شوند. دسته اول كه در آن¬ها از فريت فقط بعنوان عنصر تنظيم¬پذير استفاده مي¬شود شامل آنتن موج نشتي تنظيم پذير مبتني بر موجبر كاملا پر شده با فريت با ويژگي حساسيت زياد چرخش پترن نسبت به تغييرات باياس و آنتن موج نشتي تنظيم¬پذير مبتني بر موجبر جزئي پر شده با فريت با ويژگي راندمان تشعشعي بالا مي¬باشد. دسته دوم كه در آن از فريت هم بعنوان عنصر تنظم¬پذير و هم بعنوان عامل خاصيت چپ گردي استفاده مي¬شود شامل آنتن موج نشتي تنظيم¬پذير مبتني بر پاسخ CRLH ساختار مغناطيسي با نفوذپذيري موثر منفي مي¬باشد. هر سه نوع اين آنتن¬ها در باند C كار مي¬كنند.

1398/12/16

Analysis, Design, and Simulation of the Tunable Antenna at Beam Steering Based on Metamaterials

12/30/2020 12:00:00 AM

In advanced telecommunication systems, tunable antennas with the capability of beam steering are used to increase efficiency. These systems include the types of radar with the capability of electronic beam steering or smart antennas. One of the major drawbacks in the design of an antenna with the capability of beam steering is the limitation of the range of rotation angle. Also, most conventional antennas can be scanned the space just by a frequency change in the positive angular range (0 to 90 degrees). The main purpose of this thesis is to introduce an antenna with the capability of rotating the beam in the range of positive and negative angles. The main idea used to achieve this goal is to design a leaky-wave antenna based on a balanced composite right/left-handed (CRLH) transmission line structures. It should be noted that the CRLH structures due to the positive and negative phase constants in the specified frequency ranges are capable to build a full-space backfire-to-endfire scanning leaky-wave antenna. Another important point in the design of the proposed leaky wave antennas is the use of biased magnetic materials to design the CRLH lines used in these proposed antennas. The use of magnetic materials has been an interest in two aspects. First, the magnetic materials in the various structures have distinct frequency ranges, in which the effective permeability of the structure is negative. This feature can be effective in realizing the CRLH lines required in this thesis. Second, the use of biased magnetic materials in the proposed antenna enables beam steering at a fixed frequency. In other words, the bias of the magnetic material in the proposed structures can be a lever to adjust beam angle independent of frequency. Radiation behavior of all proposed leaky wave antennas has been analyzed theoretically and their dispersion diagrams have been extracted. Finally, the theoretical results have been validated by simulated results based on numerical methods. The proposed antennas in this thesis are divided into two categories. The first class in which ferrite is used only as an adjustable element includes a fully loaded ferrite-based adjustable waveguide-based leakage antenna with high sensitivity to bias rotation and bias-modifiable leaky antenna. It is based on a partial waveguide filled with ferrite with high radiative efficiency. The second class, in which ferrite is used as both an adjustable element and as a left-turn property, includes a CRLH-responsive, magnetic-structure-adjustable leakage antenna with an effective negative permeability structure. All three types of antennas work in the C band.