27248

طراحي و شبيه سازي يك آنتن آرايه اي لنز برمبناي متاسرفيس گراديان فاز

كارشناسي ارشد

مهندسي برق-مخابرات-ميدان و موج

1398

1401/07/26

محمد سليماني

برق

امروزه فناوري آنتن‌هاي بهره بالا علاوه بر كاربردهاي مخابرات راه دور، با افزايش تقاضا براي سرعت بالا و ظرفيت كانال وسيع در سيستم‌هاي ارتباطات سيار مدرن به ويژه در فركانس‌هاي كاري نسل پنجم ارتباطات سيار به‌ سرعت توسعه يافته‌اند. آنتن‌هاي موجبر، ارائه‌هاي‌ آنتن مايكرواستريپ و آنتن‌هاي لنز سه بعدي برخي از رايج‌ترين آنتن‌هاي بهره بالا هستند. آنتن‌هاي مبتني بر موجبر پرحجم هستند و براي كوچك‌سازي و ادغام مناسب نيستند. ارائه‌هاي آنتن مايكرواستريپ، آنتن‌هاي با بهره بالا براي كوچك‌سازي و يكپارچه‌سازي ايده‌آل هستند، اما با افزايش فركانس كاري با مشكل شديد تلفات دي‌الكتريك روبرو هستند و همچنين براي كاربردهاي توان بالا مناسب نيستند. علاوه براين، بيشتر آنتن‌هاي لنز كروي دي‌الكتريك سه‌بعدي حجم زيادي دارند و به‌سختي مي‌توان به يكپارچگي در سطح سيستم دست يافت. اخيرا محققان راهي ساده و آسان براي داشتن يك آنتن بهره بالا مسطح دو‌بعدي كارآمد برمبناي فراسطوح گراديان فاز پيدا كرده‌اند. اين آنتن‌ها به‌دليل داشتن مزايايي چون بهره بالا، سادگي و كم هزينه بودن توجه فراواني را به خود جلب كرده‌اند. اين آنتن‌ها از دو بخش شامل تغذيه و فراسطح تشكيل شده‌اند. تغذيه يك آنتن مايكرواستريپ با بهره حدود 6-7 دسي‌بل مي‌باشد. اصلي‌ترين بخش در طراحي فراسطح براي كاربردهاي گوناگون، طراحي سلول واحد است. بعد از طراحي كارامد سلول واحد مي‌توان از آن در كاربردهاي متفاوت از جمله طراحي آنتن لنز استفاده كرد. طراحي‌هاي سنتي و مرسوم سلول واحد كه براساس تغييرات گام‌به‌گام (جاروب كردن ) متغيرهاي طراحي و يا به‌كارگيري تكنيك‌هاي بهينه‌سازي مي‌باشند، داراي معايبي هم‌چون زمان‌بر‌بودن و در بعضي موارد پيچيدگي محاسباتي هستند. به‌علاوه با تغيير تقاضا، به‌عنوان مثال انتقالي يا انعكاسي بودن فراسطح و يا تغيير فركانس كاري، طراحي بايد مجدد انجام شود كه اين عملي طولاني و ناكارآمد مي‌باشد. در اين پژوهش به دنبال استفاده از روش‌هاي نوين طراحي سلول واحدهاي فراسطح با هدف پاسخ‌گويي به نيازمندي‌هاي امروز دنياي مخابرات هستيم. اخيرا استفاده از بستر هوش مصنوعي در مواقعي كه طراحي بر اساس روش‌هاي متداول بهينه‌سازي دچار پيچيدگي مي‌شود، به‌عنوان يك راه حل مناسب توسط محققان پيشنهاد شده است. لذا اساس كار در اين فرآيند استفاده از طراحي خودكار سلول واحد و به‌كارگيري بستر هوش مصنوعي جهت كاربردهاي متنوع فراسطوح در دو حالت انتقالي و انعكاسي در فركانس‌هاي مختلف (از 12 تا 18 گيگاهرتز) مي‌باشد. در همين راستا، در اين پايان‌نامه از روش طراحي خودكار سلول واحد با استفاده از تكنيك يادگيري ماشين يك فراسطح چندبيتي چند كاربردي با توانايي كاركرد در چندين فركانس كاري ارائه مي‌شود. پس از طراحي فراسطح، چندين آنتن بهره بالا برمبناي فراسطح گراديان فاز در حالت‌هاي انتقالي و انعكاسي در فركانس‌هاي مختلف طراحي و شبيه‌سازي مي‌شود. در انتها نيز يك نمونه از آنتن‌هاي لنز بهره بالا شبيه‌سازي شده در 14 گيگاهرتز ساخته و پارامترهاي مربوط به آن اندازه‌گيري شده است.

1401/08/08

Design and Simulation of lens array antenna based on the Phase gradient metasurface

4/19/2024 12:00:00 AM

Today, high-gain antenna technology, in addition to long-distance telecommunication applications, has been rapidly developed with the increasing demand for high speed and wide channel capacity in modern mobile communication systems, especially in the working frequencies of the fifth generation of mobile communication. Waveguide antennas, microstrip antenna arrays, and 3D lens antennas are some of the most common high-gain antennas. Waveguide-based antennas are bulky and not suitable for miniaturization and integration. Microstrip antenna offerings are high-gain antennas ideal for miniaturization and integration, but they suffer from severe dielectric loss as the operating frequency increases and are also not suitable for high-power applications. In addition, most of the 3D dielectric spherical lens antennas have a large volume and it is difficult to achieve system-level integration. Recently, researchers have found a simple and easy way to have an efficient 2D planar high gain antenna based on phase gradient hypersurfaces. These antennas have attracted a lot of attention due to their advantages such as high gain, simplicity and low cost. These antennas are composed of two parts including feed and supersurface. Feeding a microstrip antenna with a gain of about 6-7 dB. The most important part in the design of metasurfaces for various applications is the design of the unit cell. After the effective design of the unit cell, it can be used in different applications, including the design of the lens antenna. Traditional and conventional designs of unit cells, which are based on step-by-step changes (sweeping) of design variables or using optimization techniques, have disadvantages such as time-consuming and in some cases computational complexity. In addition, with the change of demand, for example transmissive or reflective surface or change of working frequency, the design must be redone, which is a long and inefficient process. In this research, we are looking to use new methods of cell design of ultra-surface units with the aim of responding to the needs of today's telecommunication world. Recently, the use of artificial intelligence platform has been suggested by researchers as a suitable solution when the design based on common optimization methods becomes complicated. Therefore, the basis of the work in this process is the use of automatic design of the unit cell and the use of artificial intelligence platform for various applications of ultra-surfaces in two transmission and reflection modes at different frequencies (from 12 to 18 GHz). In this regard, in this thesis, the method of automatic design of unit cell using machine learning technique of a multi-bit multi-functional hypersurface with the ability to work in several working frequencies is presented. After designing the metasurface, several high gain antennas are designed and simulated based on the phase gradient metasurface in transmission and reflection modes at different frequencies. At the end, a sample of simulated high gain lens antennas at 14 GHz has been built and its parameters have been measured.

فراسطح , يادگيري عميق , طراحي خودكار , آنتن لنز

metasurface , deep , Automatic design , lens antenna

Mahdi Soltani

Mohammad Soleimani