23048

طراحي الگوريتم بهينه سازي سه گانه به منظور بهبود عملكرد سطوح الكترومغناطيسي

كارشناسي ارشد

مخابرات ميدان و موج

1399/8/18

دكتر محمد سليماني

دكتر وحيد نيري

برق

استفاده از روش‌‌هاي بهينه‌‌سازي به‌‌منظور طراحي ابزارهايي كارآمد و در طيف گسترده اي از كاربردها، امري ضروري و اجتنابناپذير است. درواقع، در دنياي امروز، بهينه‌‌سازي صرفا يك راه حل ثانويه نيست، بلكه بعنوان يك ابزار اساسي براي بسياري از طراحان در حوزه نوري و مايكروويو و به‌‌منظور بهبود عملكرد ادوات الكترومغناطيسي مطرح مي‌‌شود. استفاده از تغييرات گام‌‌به‌‌گام (جاروب كردن ) متغيرهاي طراحي، از اولين اقداماتي است كه طراح يك ساختار براي بهبود عملكرد آن انجام مي‌‌دهد كه درواقع بعنوان يك روش تنظيم دستي درنظر‌‌گرفته مي‌‌شود. اگرچه اين روش مي‌‌تواند محدوده‌‌ي مناسب براي تغيير پارامترها و نيز روند تغييرات عملكرد را در بهينه‌‌سازي مشخص كند، اما بعنوان روشي براي بهينه‌‌سازي يك ساختار، به شدت ناكارآمد است. اين ناكارآمدي زماني تشديد مي‌‌شود كه صفحه‌‌ي پاسخ (صفحه‌‌اي كه متغيرهاي ورودي را روي اهداف خروجي مي‌‌نگارد) بيش از يك بعد داشته باشد، چندين هدف در نظر گرفته شود و يا قيدهاي غيرخطي روي متغيرهاي ورودي اعمال گردد. چرا كه انسان اساسا داراي ظرفيت استدلال فضايي مشخصي است كه توانايي تفكر چند بعدي او را محدود مي‌‌سازد. اما كامپيوترها براي بررسي مسايل پيچيده بهينه‌‌سازي و نيز حل رياضيات چندبعدي مناسب‌‌ترين ابزارها هستند. اگرچه، درنهايت، توانايي اين ابزارها نيز با ميزان پيچيدگي مسايل و نيز توان الگوريتم انتخابي محدود مي‌‌شود. متاسرفيس‌‌ها كه اغلب به جهت ضخامت الكتريكي نسبتا ناچيز خود بعنوان حالتي دوبعدي از ساختارهاي عموما حجيم متامتريالي شناخته مي‌‌شوند، نقش بسيار مهمي در طراحي بسياري از ادوات الكترومغناطيسي چون آنتن‌‌ها، فيلترهاي الكترومغناطيسي و بسياري كاربردهاي ديگر دارند. اين ساختارها مي‌‌توانند به جهت المان‌‌هاي تشكيل دهنده، فعال يا غيرفعال و از ديدگاه الكترومغناطيسي و در بازه فركانسي موردنظر، شفاف يا غير شفاف باشند. چنين ساختارهايي همچنين ممكن است در حالت تماما عبوري يا تماما بازتابي و يا ساختاري واحد با رفتار عبوري و بازتابي همزمان و براي بازه‌‌هاي مختلف فركانسي، رفتار كنند. اين صفحات الكترومغناطيسي كه بصورت يك تا چندلايه و بااستفاده از زيرلايه‌‌هاي متفاوت طراحي مي‌‌شوند، به سبب عملكرد و رفتارهاي متنوع و متفاوتي كه در برابر تابش انواع مختلف امواج ورودي الكترومغناطيسي از خود نشان مي‌‌دهند، مي‌‌توانند براي ايجاد تغييرات در ساختارهاي معمولا گرانقيمت از پيش طراحي شده استفاده شوند و يا بعنوان جانشيني كم هزينه و كارآمد براي ساختارهاي حجيم متامتريالي باشند. با توجه به نقش مهم وايا هاي فلزي در طراحي و بهبود عملكرد بسياري از سطوح الكترومغناطيسي، استفاده از يك الگوريتم بهينه‌‌سازي سه‌‌گانه به منظور يافتن تعداد و مكان بهينه براي واياهاي فلزي همزمان با ايجاد الگويي فلزي بر روي سطح بستر دي‌‌الكتريك، اهميت زيادي پيدا مي‌‌كند. در اين تحقيق از يك الگوريتم بهينه‌‌سازي PSO سه‌‌گانه به منظور معرفي يك روش طراحي كاملا خودكار براي ايجاد ساختارها و فراسطوح متنوعي چون فيلترهاي FSS و صفحات پلارايزر و ساير كاربردهاي وابسته به رفتار فاز موج عبوري و يا بازتابي كه سه پارامتر مختلف براي طراحي را دارند استفاده شده است.

1399/10/27

Design of a ternary optimization algorithm to enhance the function of electromagnetic surfaces

11/8/2020 12:00:00 AM

In this thesis a fully automated approach for the designing of via-assisted electromagnetic metasurfaces is introduced. To this aim, a ternary version of PSO algorithm is employed to find out the best metallic pattern and via hole positions, simultaneously. Local optimization methods are not able to find out the optimum answer without an acceptable initial design. These initial values are not always available for many applications. Furthermore, the local optimization answer is too likely not to be the best possible case. Hence, the main purpose of the proposed approach is to design a ternary topology with a desired performance independent of any design initialization. This method can be utilized for near all 2.5D metasurfaces and other electromagnetic structures using via holes in their topologies. To verify the proposed concept, the approach is then applied to two different applications including a frequency selective surface (FSS) and a single-layer reflective linear-to-circular polarizer to achieve a minimum resonance frequency and a wide axial ratio (AR) bandwidth, respectively. The obtained results represent a bandstop surface with a unit cell dimension of about 0.0637λ_0 and a reflective linear to circular polarizer with a -3dB fractional bandwidth of about 78%, both randomly initialized. Thus, the significant placement of metalized pixels and via holes reconfirmed the capability of the proposed automatic design method to design diverse 2.5D metasurfaces automatically with or without an acceptable initial design.

بهينه‌‌سازي سه‌‌گانه‌‌ , متاسرفيس , پلاريزاسيون

Ternary optimization , linear to circular polarizer , frequency selective surfaces , miniaturization , design approach