به طور کلی طراحی آنتن­های سرپینسکی کوتاه شده بسیار شبیه آنتن­های شکل وارونه می­باشند. شکل (۲-۵۳) ساختار یک آنتن فرکتالی سرپینسکی کوتاه شده را نشان می­دهد، که در این ساختار آنتن به صورت عمود بر صفحه زمین قرار دارد. آنتن سرپینسکی مورد استفاده در این ساختار از درجه چهارم می­باشد. به طورکلی استفاده از اتصالات کوتاه در این آنتن علاوه بر اینکه باعث فشرده شدن آنتن می­گردد، منجر به بهبود خواص تشعشعی این آنتن نیز می­ شود.
آنتن طراحی شده در شکل (۲-۵۳) دارای طولی برابر با ۴۰ می­باشد. ارتفاع از سطح زمین برای این آنتن نیز برابر با ۵/۰ می­باشد. دی­الکتریک استفاده شده در این نوع آنتن از نوع FR4 می­باشد، که با مشخصات آن در بخش­های قبل آشنا شدیم. صفحه زمین این آنتن نیز به صورت یک صفحه مربعی با اندازه اضلاع ۱۵ می­باشد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۲-۵۳ : آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی [۹]
در ادامه به بررسی نتایج اندازه ­گیری برای آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی، با پارامترهای طراحی بالا می­پردازیم. شکل (۲-۵۴) نتایج حاصل از اندازه ­گیری تلفات را برای آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی، برای حالت­های مختلف نشان می­دهد. همان­طور که در این شکل مشاهده می­کنید، فرکانس­های رزنانس در این ساختار نیز دارای خواص متناوب لگاریتمی می­باشد. نکته قابل توجه دیگر در خصوص این آنتن، تغییرات تند در امپدانس ورودی می­باشد. علت این ویژگی، (ضریب کیفیت) بالای این ساختار در مقایسه با آنتن سرپینسکی معمولی می­باشد، که در نتیجه کاهش سطح تشعشعی این آنتن، بدست می ­آید. از آنجا که پراب تغذیه دارای یک خاصیت سلفی زیاد برای فرکانس­های بالا می­باشد، لذا به منظور تطبیق در فرکانس­های بالا انتخاب سیستم تغذیه مناسب از اهمیت خاصی در این آنتن­ها برخوردار است. همان­طور که در شکل (۳-۵۴) مشاهده می­کنید./ فرکانس­های رزنانس اندازه ­گیری شده برای این آنتن برابر است با ۷۷/۱ و ۴۳/۳ و ۷۳/۶ و ۲/۱۲٫ که به ترتیب برای این آنتن به تأثیر پراب تغذیه در فرکانس­های بالا برمی­گردد.
نکته قابل توجه برای این آنتن خواص تطبیق در اولین باند رزنانسی می­باشد. علت ویژگی را می­توان با توجه به توزیع جریان توضیح داد. در آنتن سرپینسکی کوتاه شده بدلیل برش عرضی آنتن، با پیدیه انعکاس از لبه­ها در باند اول فرکانسی مواجه هستیم، که این باعث خراب شدن خواص تشعشعی از جمله امپدانس ورودی برای اولین باند رزنانسی می­ شود. برای از بین بردن این جریان در لبه­ها از اتصالات کوتاه بین پچ و زمین در محل لبه آنتن استفاده می­ شود. شکل (۲-۵۳) این اتصال کوتاه را نشان می­دهد. با توجه به مقایسه­ ای که در شکل (۲-۵۴) برای تلفات بازگشتی این آنتن در حضور اتصال کوتاه نشان داده شده است. به راحتی مشاهده می­کنید که با حضور اتصال کوتاه تلفات بازگشتی برای این آنتن در اولین باند به شدت بهبود یافته است. علاوه بر این، استفاده از اتصال کوتاه باعث ایجاد یک جابجایی فرکانسی نیز می­گردد. برای مثال در ساختار این آنتن، فرکانس رزنانس باند اول از ۰۵/۱ به ۷۷/۱ جابه­جا می­ شود. نکته قابل توجه دیگر عدم تأثیر اتصال کوتاه برای باندهای رزنانسی دوم و سوم می­باشد. شکل (۲-۵۵) میدان­های شیبه­سازی شده برای آنتن سرپینسکی اتصال کوتاه شده، را نشان می­دهد.
شکل (۲-۵۶) پترن تشعشعی اندازه ­گیری شده را برای این آنتن در هر چهار باند رزنانسی نشان می­دهد. همان­طور که در این شکل مشاهده می­کنید، به دلیل ساختار غیر متقارن این آنتن، پترن تشعشعی دارای گلبرگ­های اصلی غیر متقارن می­باشد.
شکل ۲-۵۴ : تلفات بازگشتی، آنتن سرپینسکی ساده (a)، آنتن سرپینسکی نصف شده (b)، آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی با © و آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی با (d) [9]
شکل ۲-۵۵ : توزیع میدان برای آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی [۹]
شکل ۲-۵۶ : پترن تشعشعی آنتن سرپینسکی کوتاه شده عمودی [۹]
۲-۱۱-۲- آنتن فرکتالی سرپینسکی کوتاه شده صفحه­ای
شکل (۲-۵۷-) یک نمونه آنتن فرکتالی سرپینسکی کوتاه شده صفحه­ای را نشان می­دهد. تفاوت اصلی این ساختار با آنتن نشان داده شده در بخش قبل در این است که در این آنتن صفحه زمین با صفحه آنتن موازی می­باشد. پارامترهای طراحی در این آنتن مانند طول پچ، نوع دی­الکتریک زیرلایه، همانند آنتن بخش قبل می­باشد. تنها تفاوت این آنتن با آنتن بخش قبل در ارتفاع از سطح زمین می­باشد که در این آنتن برابر با ۱۴ می­باشد.
نتایج حاصل از اندازه ­گیری برای این آنتن در شکل (۲-۵۸) نشان داده شده است. همان­طور که در این شکل مشاهده می­کنید، فرکانس­های رزنانس برای ساختار صفحه­ای برابر با ۵۲/۱ و ۲۳/۳ و ۴۹/۵ و ۹ می­باشد. علت تفاوت ناچیزی که در فرکانس­های رزنانس این ساختار با ساختار عمودی در بخش قبل، وجود دارد. بدلیل تفاوت این دو ساختار در ارتفاع از سطح زمین می­باشد. شبیه­سازی میدان این ساختار، نتایج مشابهی با شکل (۲-۵۵) را نشان می­دهد. پترن تشعشعی برای این ساختار نیز در شکل (۲-۵۹) نشان داده شده است.
۲-۱۱-۳- آنتن صفحه­ای پارانی[۲۸]
نمونه دیگری از انتن­های فرکتالی که به منظور ایجاد خواص چندبانده مورد استفاده قرار می­گیرند، آنتن­های پارانی می­باشند. در این آنتن­ها همانند بخش قبل می­توان با بهره گرفتن از اتصالت کوتاه خواص تشعشعی را بهبود داد. ساختار کلی این آنتن پارانی صفحه­ای در شکل (۲-۵۷-) نشان داده شده است. نتایج اندازه ­گیری شده برای تلفات بازگشتی، این آنتن به همراه ساختار عمودی متناظر با آن در شکل (۲-۶۰) نشان داده شده است. با توجه به این شکل، به راحتی قابل مشاهده می­باشد که ساختار عمودی این آنتن دارای تطبیق امپدانس بهتری نسبت به ساختار صفحه­ای آن می­باشد.
در ادامه با یک نمونه کاربرد اتصالات کوتاه در آنتن پارانی عمودی، به منظور بهبود پهنای باند این آنتن آشنا می­شویم. در آنتن پارانی عمودی همانند آنتن سرپینسکی کوتاه شده، بدلیل انقطاع جریان در لبه­های آنتن، خواص تشعشعی این آنتن خراب می­ شود که برای رفع این مشکل از اتصالات کوتاه برای انتقال جریان به زمین در لبه­های آنتن استفاده می­ شود. شکل (۲-۶۱) ساختار کلی آنتن پارانی عمودی را نشان می­دهد که در این آنتن از دو اتصال کوتاه به منظور انتقال جریان از لبه­های آنتن به زمین، استفاده شده است.
شکل ۲-۵۷ : آنتن فرکتالی سرپینسکی کوتاه شده صفحه­ای (a) و آنتن صفحه­ای پارانی (b) [9]
شکل ۲-۵۸ : تلفات بازگشتی برای سرپینسکی کوتاه شده صفحه­ای، حاصل از اندازه ­گیری ()، حاصل از شبیه سازی (b) و تلفات بازگشتی برای آنتن فرکتالی سرپینسکی کوتاه شده عمودی ©[9]
شکل ۲-۵۹ : پترن تشعشعی اندازه ­گیری شده برای آنتن فرکتالی سرپینسکی کوتاه شده صفحه­ای [۹]
اتصال کوتاه دوم در آنتن پارانی عمودی باعث تولید یک مد اضافی می­ شود، که مسیر جریان این مد به صورت خط پر در شکل (۲-۶۱) نشان داده شده است. این مد اضافی که دارای فرکانس رزنانسی بسیار نزدیک به اولین مد ساختار پارانی عمودی می­باشد، باعث افزایش پهنای باند فرکانسی در آنتن پارانی می­ شود. این ویژگی را می­توان در نتایج به دست آمده برای آنتن پارانی اتصال کوتاه شده، در شکل (۲-۶۲) مشاهده کرد. نتایج اندازه ­گیری، افزایش پهنای باند ۳۰% را برای اولین باند فرکانسی نشان می­دهد. با تغییر محل اتصال دوم در آنتن پارانی در شکل (۲-۶۱)، می­توان فرکانس رزنانس مد جدید را جابه­جا کرد و از طریق پهنای باند را برای اولین مد کنترل نمود.
همان­گونه که در بخش­های قبل نیز بیان شد، بدلیل ناچیز بودن جریان در محل اتصالات کوتاه برای مدهای دوم و سوم، حضور اتصالات کوتاه، تأثیری بر مدهای دوم و سوم ندارد. پترن تشعشعی برای سه باند اول آنتن پارانی عمودی در شکل (۲-۶۳) نشان داده شده است. با توجه به نتایج بدست آمده برای آنتن پارانی با دو اتصال کوتاه، به دلیل افزایش پهنای باند این آنتن در اولین باند، از این آنتن می­توان برای پوشش باندهای استفاده کرد.
شکل ۲-۶۰ : تلفات بازگشتی برای آنتن صفحه­ای پارانی، حاصل از اندازه ­گیری ()، حاصل از شبیه­سازی (b) و تلفات بازگشتی برای آنتن عمودی پارانی ©[9]
شکل ۲-۶۱ : ساختار کلی آنتن عمودی پارانی [۹]
شکل ۲-۶۲ : تلفات بازگشتی برای آنتن پارانی اتصال کوتاه شده [۹]
شکل ۲-۶۳ : پترن تشعشعی برای آنتن پارانی عمودی با دو اتصال کوتاه، برای میدان (به صورت خط پر) و میدان (به صورت خط­چین) [۹]
در این فصل با چند نمونه از آنتن­های بهبود یافته چند بانده آشنا شدیم. به طور کلی هدف از تمامی تغییراتی که در ساختارهای فرکتالی ساده داده شد، ایجاد خواص تشعشعی بهتر مانند پهنای باند بیشتر برای باندهای مختلف، ایجاد پترنی یکسان برای تمامی باندها و در نهایت کاهش تلفات بازگشتی در فرکانس رزونانس مختلف می­باشد.
امروزه مطالعات زیادی به منظور بهبود بیشتر خواص فوق در آنتن­های فرکتالی انجام می­­­گیرد. که در اغلب این مطالعات هدف ارائه ساختار فرکتالی مناسب برای کاربردهای مخابرات سیار می­باشد.
در ادامه این سمینار با چند نمونه از ساختارهای فرکتالی سه بعدی آشنا می­شویم. مزیت اصلی استفاده از این ساختارها کاهش شدید ابعاد آنتن، در مقایسه با ساختارهای فرکتالی دو بعدی می­باشد.
فصل سوم
۳-۱- مقدمه
به طور کلی با مشاهده طبیعت اطراف با بعضی از هندسه­های خود متشابهی برخورد می­کنیم، که از آنها می­توان به هندسه­های فرکتالی یاد کرد. برای مثال می­توان به ساختار فرکتالی شاخه درختان و اشکال مختلف ابرها اشاره کرد. اولین بار ساختارهای فرکتالی توسط مندلبرت[۲۹] در سال ۱۹۷۵ معرفی شدند، که این ساختار دارای اشکالی بودند، که هر بخشی از انها ویژگی­های کل ساختار را در یک مقیاس کوچکتر دارابود. این تعریف یک خاصیت مهم این ساختارها را معرفی می­کرد، که آن وجود خاصیت خودتشابهی در این ساختارها می­باشد. امروزه از هندسه­های فرکتالی در علوم زیادی استفاده می­ شود. بدون شک یکی از شاخه­هایی که هندسه­های فرکتالی در آنها تأثیر زیادی گذاشته است، الکترومغناطیس و انتشار امواج است. وجود خواص ذاتی هندسه­های فرکتالی، باعث ایجاد ویژگی­های مناسبی در تشعشع کننده­ها و آنتن­ها می­کردد که سبب می­ شود این ادوات عملکرد بهتری را در محیط انتشاری داشته باشند. به طور کلی استفاده از ساختارهای فرکتالی در آنتن­ها باعث ایجاد خواص زیر می­ شود:
۱- کوچک کردن ابعاد آنتن
۲- ایجاد خواص چند بانده
۳-۲- بررسی خاصیت چندبانده بودن ساختار فرکتالی مربعی
همان­طور که در قبل اشاره شد، ساختار فرکتالی مربعی علاوه بر کوچک سازی آنتن، باعث چندبانده شدن آنتن می­گردد. در واقع ساختار فرمتالی مربعب ام دارای قسمت جدا از هم می­باشد، که هر کدام به صورت مستقل (با فرض صرف نظر کردن از کوپلینگ متقابل بین قسمت­ های مختلف) رزنانس می­ کنند و باعث ایجاد یک آنتن چندبانده می­گردند. درواقع آنتن فرکتالی مربعی در تکرار ام دارای رزنانس اصلی می­باشد. البته باید دقت داشت که علاوه بر این رزنانس­ها، رزنانس­های دیگری ناشی از مدهای مرتبه بالاتر نیز وجود دارند. برای مثال، آنتن فرکتال مربعی در تکرار اول دارای دو فرکانس اصلی ناشی از مربع داخلی و حلقه مربعی بیرونی می­باشد و همچنین دارای یک فرکانس مرتبه بالا ناشی از رزنانس دوم حلقه مربعی بیرونی است. منحنی معرف تلفات بازگشتی برای آنتن فرکتالی مربعی در تکرار اول به همراه توزیع جریان برای هر سه مد رزنانسی در شکل (۳-۱) نشان داده شده است.
(الف) تلفات بازگشتی برای آنتن فرکتالی مربعی در تکرار اول
(ب) توزیع جریان بر روی تشعشع کننده آنتن فرکتالی مربعی اول؛ (۱) مد رزنانس اول، (۲) مد مرتبه بالا، (۳) مد رزنانس دوم
شکل ۳-۱ : تلفات بازگشتی و توزیع جریان برای آنتن فرکتالی مربعی در تکرار اول
با توجه به توزیع جریان­های داده شده در شکل (۳-۱)، می­توان مقادیر تقریبی فرکانس­های رزنانس را برای آنتن فرکتالی در تکرار اول توسط روابط زیر محاسبه کرد:
در روابط فوق به ترتیب معرف طول متوسط مسیر جریان برای مد رزنانسی اول و دوم می­باشند، که به صورت تقریبی از روابط زیر بدست می­آیند:
از طرفی دیگر در روابط (۳-۱) و (۳-۲)، ضریب دی­الکتریک مؤثر زیرلایه بوده که توسط رابطه زیر محاسبه می­گردد:
در این رابطه برابر عرض پچ مربعی () بوده و و نیز به ترتیب ارتفاع و ضریب دی­الکتریک زیرلایه­ای است که پچ تشعشعی بر روی آن قرار دارد.
با توجه به نتایج داده شده در شکل (۳-۱)؛ جهت حذف مدهای مرتبه بالا و تطبیق مناسب در مدهای تشعشعی اصلی، استفاده از ساختار تغذیه مناسب در آنتن فرکتالی مربعی، از اهمیت فراوانی برخوردار است. به طور کلی روش­های متعددی جها تغذیه آنتن­های مایکرواستریپ وجود دارند که از آن جمله می­توان به روش تغذیه با کابل هم­محور، تغذیه با خط مایکرو استریپ، تغذیه با بهره گرفتن از کوپلینگ از طریق روزنه[۳۰]و تغذیه با بهره گرفتن از تزویج الکترومغناطیسی اشاره کرد.
۳-۳- آنتن فرکتالی چندبانده
از جمله ساختارهای فرکتالی دیگری که در طراحی آنتن­ها مورد استفاده قرار می­گیرند، ساختارهای فرکتالی خود متشابه می­باشند. وجود خاصیت خود متشابه بودن این ساختارها باعث ایجاد خواص چند بانده در آنتن­های منتجه می­گردد. در این ساختارها با توجه به درجه تکرار الگوریتم فرکتالی، تعداد عملکرد آنتن مشخص می­گردد. در شکل (۲-۲) با دو نمونه از ساختارهای فرکتالی چندبانده می­شویم.
(الف) ساختار فرکتالی سرپینسکی در چهار تکرار اول [۱۰]
(ب) ساختار فرکتالی خود متشابه مربعی در سه تکرار اول [۱۲]
شکل (۳-۲) دو نمونه از ساختارهای فرکتالی چندبانده
امروزه با افزایش کاربرد آنتن­های فرکتالی چندبانده در سیستم­های مخابرات سیار و سیار سیستم­های مخابراتی مانند ، روش­های متنوعی جهت افزایش پهنای باند و بهبود خواص چندبانده این آنتن­ها معرفی شده است. از جمله این روش­ها می­توان به پشته سازی کردن­­[۳۱] آنتن­های فرکتالی، ایجاد اختلال در صفحه زمین، تغییر مقیاس آنتن در تکرارهای مختلف، ایجاد اتصالات بین پچ و صفحه زمین در مکان­های مشخص، استفاده از ساختارهای سرپینسکی دایره­ای و چندین روش دیگر اشاره کرد که علاقه­مندان برای کسب اطلاعات بیشتر می­توانند به مرجع [۹] رجوع کنند.
در تمامی ساختارهای فرکتالی چندبانده فوق، پلاریزاسیون از نوع خطی می­باشد. به منظور بهره­مندی از خواص پلاریزاسیون دایروی، که در فصل قبل به آنها اشاره شد و همچنین استفاده از خواص چندبانده ساختارهای فرکتالی، در این پروژه ساختار فرکتالی جدیدی با نام ساختار فرکتالی مربعی، معرفی می­گردد که در ادامه ضمن بررسی این ساختار با خواص تشعشعی آن آشنا می­شویم.
۳-۴- ساختار فرکتالی مربعی
در این بخش هدف معرفی ساختار فرکتالی مربعی، ارائه شده در این پروژه می­باشد. به طور کلی در این پروژه، به منظور ایجاد آنتن دوبانده در باندهای ۴۵/۲ و ۸/۵، ساختار فرکتالی جدیدی معرفی می­گردد. ساختار این فرکتال مربعی در شکل (۳-۳) نشان داده شده است. این ساختار فرکتالی در واقع از یک سری حلقه­های مربعی تودرتو تشکیل شده است. استفاده از این حلقه­های تودرتو باعث می­گردد تا آنتن منتجه علاوه بر خاصیت چندبانده بودن دارای ابعاد کوچکتری در مقایسه با یک پچ مربعی ساده باشد. عملگر[۳۲] تولید این ساختار فرکتالی نیز در شکل (۳-۳- ب) نشان داده شده است. همان طور که در قبل اشاره شد، دو مزیت اصلی این ساختار ایجاد خاصیت چندبانده شدن در آنتن و همچنین کاهش ابعاد آنتن در مقایسه با یک آنتن مربعی ساده می­باشد. در ادامه به بررسی کاهش ابعاد آنتن فرکتالی در مقایسه با آنتن مربعی ساده می­پردازیم.
(الف) آنتن فرکتالی مربعی در دو تکرار اول
(ب) مولد تولید آنتن فرکتالی مربعی

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت