چکیده تحلیل و شبیه سازي آنتن آرایه انعکاسی متامتریال در فرکانس تراهرتزدر سال‌های اخیر آنتن آرایه انعکاسی میکرواستریپ توجه زیادی را به خود جلب کرده و توسط بسیاری از محققان مورد مطالعه قرار گرفته است. به این دلیل که این آنتن ویژگی‌های برجسته آنتن آرایه و آنتن بازتابنده را ترکیب کرده است. ویژگی‌هایی مثل سطح مسطح، وزن کم و هزینه ساخت پایین، آنتن‌های آرایه انعکاسی میکرواستریپ را جایگزین خوبی برای آنتن‌های قدیمی انعکاس‌دهنده سهموی در کاربردهای راداری و سیستم ماهواره کرده است. اشکال آنتن‌های آرایه انعکاسی پهنای باند باریک است، که این پهنای باند باریک ناشی از طبیعت باند باریک رویه‌های میکرواستریپی و تفاوت شعاعی تاخیر فاز بین منبع تغذیه و عناصر در آرایه است.طراحی آنتن‌های آرایه انعکاسی عمدتاً براساس منحنی فاز انعکاسی است. این منحنی نشان‌دهنده رابطه یک به یک فازها با پارامترهای هندسی عناصر است که فاز انعکاسی عناصر را کنترل می‌کند. تعداد زیادی عناصر رزونانسی برای بدست آوردن تغییرات فاز انعکاسی مطلوب به کار برده شده‌اند.در این پایان‌نامه نیز، روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی برای طراحی عناصری که دارای منحنی فاز خطی و همچنین تلفات پایین باشند استفاده شده است. با ترکیب روش بهینه‌سازی و نرم‌افزارهای تجاری شکل مناسب هر سلول بدست آمد. در این ساختار بهینه‌شده، پهنای باند آنتن به طور قابل توجهی بهبود یافته است. واژگان کلیدی: آنتن آرایه انعکاسی، الگوریتم تپه‌نوردیتصادفی فهرست مطالبعنوان صفحهفصل اول: مقدمه.........................................................................................21-1- آنتن آرایه انعکاسی.........................................................................21-2-فراماده.........................................................................................41-2-1- محدوده تراهرتز و فرامواد تراهرتز..........................................51-2-2- سطوح فرکانس گزین...........................................................81-3- الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی......................................................91-4- پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش............................................10 فصل دوم: آنتن‌های آرایه انعکاسی..........................................................142-1- مقدمه‌ای بر آنتن‌های آرایه انعکاسی...................................................142-2- معرفی آنتن آرایه انعکاسی...............................................................142-3- مزایای آنتن آرایه انعکاسی...............................................................162-4- نقطه ضعف آنتن آرایه انعکاسی.........................................................182-4-1- محدودیت پهنای باند عناصر............................................182-4-2- محدودیت پهنای باند با تاخیر فاز شعاعی تفاضلی................182-5- تکنیکهای آنالیز آنتن....................................................................202-6- بررسی تکنیکهای آنالیز.................................................................24 فصل سوم: الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی..............................283-1- مقدمه و معرفی روش بهینه‌سازی تپه‌نوردی...................................................283-2- الگوریتم تپه‌نوردی...................................................................................313-3- فلوچارت تپه‌نوردی...................................................................................32 فصل چهارم:روش‌های افزایش پهنای باند و خطی شدن نمودار تغییرات فاز.................344-1- محدودیت پهنای باند توسط عناصر آرایه انعکاسی..........................................344-2- عناصر شیفت‌دهنده فاز پهن‌باند.................................................................384-3- رویه‌های تزویج روزنه‌ای...........................................................................384-4- رویه‌های انباشته با ابعاد متغیر...................................................................434-5- عناصر آرایه انعکاسی دیگر برای بهبود پهنای باند...........................................47فصل پنجم: معرفی ساختار و روش انجام تحقیق و نتایج....................................515-1- اصول طراحی.........................................................................................515-2- رویه و ویژگی‌هایش.................................................................................525-3- طراحی و شبیه‌سازی آرایه انعکاسی.............................................................565-4- افزایش پهنای باند عنصر آرایه انعکاسی با استفاده از روش چندلایه کردن............595-5- طراحی سطوح فرکانس گزین برای هر یک از عناصر.......................................605-6-نتایج.....................................................................................................645-6-1- رویه‌های با ابعاد متغیر........................................................................645-6-2- رویه‌های با ابعاد یکسان.......................................................................69فصلششم: نتيجه‌گيريوپيشنهادات..................................................736-1-نتیجه‌گیری............................................................................................746-2- پیشنهاد برای کارهای آتی.........................................................................75 فهرست منابع..........................................................................................76 فهرست شکلهاعنوان صفحهشکل 1‑1- آنتن آرایه انعکاسی4شکل 1‑2- باند تراهرتز و نواحی همسایه آن. باند تراهرتز تقریبا بین فرکانس 1/0 تا 10 تراهرتز تعریف می‌شود، قسمت‌های بالایی و پایینی آن به ترتیب با نواحی متداول EHF مایکرویو (موج میلیمتری) و فروسرخ هم‌پوشانی دارد.5شکل 1‑3- چند سلول فراماده تراهرتز7شکل 2‑1- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسی14شکل 2‑2- عناصر مختلف بکار برده شده در آنتن‌های آرایه آنعکاسی. (a) رویه‌های یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر. (b) دوقطبی با ابعاد متغیر یا حلقه. (c) رویه‌هایی با ابعاد متغیر. (d) رویه‌های با خطوط تاخیر فاز بطول یکسان با چرخش با زاویه‌های مختلف15شکل 2‑3- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیر15شکل 2‑4- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی19شکل 2‑5- هندسه آنتن آرایه انعکاسی چاپی22شکل 2‑6- عناصر تغییر فاز در آرایه انعکاسی چاپی. (a) رویه‌های مستطیلی با استاب‌های متصل. (b) رویه‌های مستطیلی با سایز متغیر23شکل 3‑1- فلوچارت تپه‌نوردی32شکل 4‑1- پاسخ فاز برای رویه‌های با استاب متصل. (a) عنصر. (b)فاز برای تابش عمود بر حسب طول استاب (t=1.59 mm , =3.2)36شکل 4‑2- تغییر فاز در تابش عمود برای یک آرایه متناوب از رویه‌های مربعی روی یک زیرلایه زمین‌شده بر حسب ضلع رویه در سه فرکانس ==14mm, t=1mm, =1.05 ))36شکل 4‑3- نمای جانبی آرایه انعکاسی قرار گرفته بر روی یک انعکاس‌دهنده سهموی37شکل 4‑4- عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای. (a)نمای گسترده (b) تاخیر فاز بر حسب طول خط39شکل 4‑5- نمودار تاخیر فاز بر حسب طول خط عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای شبیه‌سازی شده40شکل 4‑6- سلول واحد بر اساس خط تاخیر تزویج روزنه‌ای U شکل40شکل 4‑7- نمودار فاز بر اساس طول دو قطبی برای حالت U شکل41شکل 4‑8- نمودارهای بدست آمده از شبیه‌سازی برای حالت U شکل42شکل 4‑9- عنصر آرایه انعکاسی دو لایه با رویه‌های با ابعاد متغیر. (a)سلول متناوب، (b)تغییر فاز بر حسب ضلع رویه ((,,,,..... 44شکل 4‑10- نتیجه مقاله45شکل 4‑11- نتیجه شبیه‌سازی45شکل 4‑12- نتیجه شبیه‌سازی46شکل 4‑13- نتیجه مقاله46شکل 4‑14- نتیجه شبیه‌سازی47شکل 5‑1- سلول واحد برای آرایه انعکاسی با µm140a= وmµ15 h=. بعد پچ l در محدوده 10میکرومتر تا 136میکرومتر برای پوشش یک چرخه تقریبا کامل از پاسخ فاز متفاوت است.55شکل 5‑2-ضریببازتابشبیه‌سازی شدهبرایآرایه‌های رویه نامحدود یکنواخت دوبعدی.پاسخ فازانعکاسیبر حسب درجه(a) ودامنهانعکاسبرحسبدسی‌بل(b)در فرکانسTHz 1به عنوان تابعی ازاندازهرویه.شش نقطه روی منحنیفاز با زیرلایهبا ضخامت15میکرومتراندازه‌یانتخاب شده رویه‌ها را برای تعریف یکزیرآرایه کهیک چرخه تغییرات فاز کامل را طی می‌کند، نشان می دهد. ناهمواریدر منحنیاندازه وفازبه دلیلمحدودیت دردقت عددی است.55شکل 5‑3- نمودار دامنه سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm1556شکل 5‑4- نمودار فاز سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm1556شکل 5‑5- اصول عملکرد آنتن طراحی شده. توزیع فاز باعث انحراف موج مسطح تابشی بطور عمودی به سمت زاویه از پیش تعیین شده θ می شود . در اینجا، aنشان دهنده فاصله ی میان نقاط مرکز از دو عنصر مجاوراست، و (i= 0،1،2،3،4،5) تغییر فاز معرفی شده توسط عنصر مربوطه را نشان می دهد.57شکل 5‑6- میدان پراکنده آرایه انعکاسی در قطبش TM و TE در فرکانس THz1. (a) توزیع میدان برای قطبش TM. (b) توزیع میدان با همان ساختار و جهت تابش در(a) اما برای قطبش TE. موج تابشی با °21=θ نسبت خط عمود . برای قطبش TM، میدان E در صفحه yz هستند، و برای قطبش TE، میدان E به صورت موازی با محور x است. (c) ساختار یک زیر آرایه ساخته شده از 6 عناصر پچ به تصویر کشیده در مقیاس همان (a) و (b).59شکل 5‑7- توزیع میدان بازتابش شده از سطح یک تناوب از آرایه شبیه‌سازی شده در مد TM در فرکانس THz1 با زاویه تابش°21=θ59شکل 5‑8- ضریب انعکاس شبیه‌سازی شده برای آرایهای از بی‌نهایت رویه. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه در THz1 به عنوان تابعی از طول رویه زیرین60شکل 5‑9- نمونه‌ای از نسبت دادن کد دودویی برای ایجاد ساختار62شکل 5‑10- نمودار فاز بر حسب طول رویه‌ها برای مقادیر مورد انتظار66شکل 5‑11- نمودار فاز بدست آمده از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه67شکل 5‑12- نمودار دامنه انعکاسی بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه68شکل 5‑13- شکل‌های سطوح فرکانس گزین بدست آمده از روش رویه‌های متغیر69شکل 5‑14- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت70شکل 5‑15- نمودار دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت71شکل 5‑16- نمودار فاز و دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای تابع شایستگی بند (ه)72شکل 5‑17- شکل رویه‌های بدست آمده از بهینه‌سازی برای تابع شایستگی بند (ه)73شکل 5‑18- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول در فرکانس‌های مختلف.74 فهرست جدولهاعنوان صفحهجدول 5‑1-مقادیر مورد انتظار برای طراحی سطوح فرکانس گزین با ابعاد متغیر65جدول 5‑2- کدهای بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی برای هر سلول66جدول 5‑3- مقادیر فاز بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت67جدول 5‑4- مقادیر دامنه انعکاسی بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت68جدول 5‑5- مقادیر فاز بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت70جدول 5‑6- مقادیر دامنه بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت71 فصل نخست: مقدمهامروزه با پیشرفت بیشتر ارتباطات، بشر توانسته است که از طیف الکترومغناطیسی که خارج از محدوده نور مرئی است، برای ارتباطات بی‌سیم استفاده کند. آنتن‌ها به عنوان ساختاری جهت ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیس ساخته شدند. طراحی آنتن در چند دهه‌‌ی اخیر پیشرفت‌های زیادی کرده است. بدلیل افزایش محبوبیت سیستم‌های ارتباطی راه دور و ادوات بی‌سیم سیار، توسعه طراحی انواع آنتن‌های بدیع، تداوم یافت. از رادیوهای قدیمی و سیستم‌های پخش تلویزیونی تا سیستم‌های ماهواره‌ای پیشرفته و شبکه‌های محلی بی‌سیم، مخابرات بی‌سیم به قسمتی جدایی‌ناپذیر از زندگی روزانه مردم تبدیل شد. آنتن‌ها بزرگترین نقش را در پیشرفت دستگاه‌های مخابرات بی‌سیم جدید اعم از تلفن‌های همراه تا هدایتگرهای GPS قابل حمل، و ازکارت‌های شبکه بی‌سیم لبتاپ‌ها تا گیرنده‌های ماهواره‌های تلویزیونی بازی می‌کنند. یک دسته از ملزومات طراحی، از جمله ابعاد کوچک، پهنای باند عریض، و ویژگی‌های متعدد دیگری، باعث به چالش کشیدن محققان آنتن و توسعه آنتن‌های جدید شده است. 1-1- آنتن آرایه انعکاسیدر بسیاری از کاربردهای مایکروویوی، یک آنتن جهتی که پرتو اصلی آن در راستای خاصی جهت‌گیری شده مورد نیاز است.برای رسیدن به چنین ویژگی‌هایی یک تحریک[1] روزنه‌ای با فاز جلورونده مورد نیاز است. دو راه اصلی برای انجام این کار، منعکس کننده‌ها[2] و آرایه‌ها می‌باشد.در آنتن‌های منعکس‌کننده، برای ایجاد فاز مناسب در روزنه‌ها[3]، از تفاوت مکانی جایگیری روزنه‌ها استفاده می‌شود، در حالی که در آنتن آرایهای از عناصر متمایز تغذیه شده با فاز جلورونده استفاده می‌شود.آنتن‌های منعکس‌کننده پهنای باند بزرگ و تلفات کمی دارند. نقطه ضعف اصلی منعکس‌کننده‌ها محدودیت هندسی در طراحی است. منعکس‌کننده سهموی که معروف‌ترین انعکاس‌دهنده می‌باشد، نیز میزان قطبش متقاطع[4] بالایی دارد.فناوری آنتن چاپی افق‌های جدیدی برای آنتن‌های فضایی باز کرده است. آنتن‌های آرایه مایکرواستریپ دارای اندازه‌ای کوچک، هزینه ساخت پایین و وزن کم هستند و قطبش متقاطع پایینی دارند و هندسه مسطح این آنتن‌ها اجازه می‌دهد تا برای استقرار در فضا مناسب باشند. علاوه بر این آرایه‌های مایکرواستریپ قابلیت دستیابی به سرعت بالا در اسکن الکترونیکی را دارا می‌باشند. با این حال، نقطه ضعف عمده آنتن چاپی پهنای باند کوچک و تلفات نسبتا بزرگ است. با وجود نقطه ضعف مورد اشاره، طراحی آنتن‌ها برای رسیدن به پرتو اسکن شده با بهره بالا، با چالش مواجه می‌شود [1]. بنابراین ترکیب ویژگی‌های انعکاس‌دهنده‌ها و آرایه‌ها می‌تواند مفید باشد.آنتن‌هاي آرايه انعكاسي[5]، از آرايه‌اي از عناصر انعكاس‌دهنده تشكيل شده است كه با وجود برخورداري از سطحي بدون انحنا، هر عنصر در آرايه طوري طراحي مي‌شود كه تغيير فاز مناسب را در موج انعكاسي نسبت به موج تابشي ايجاد كند تا در نهايت یک سطح هم‌فاز مسطح در جهت مطلوب شكل گيرد. عناصر انعكاس‌دهنده رايج در اين نوع آنتن‌ها، رویه‌ها[6] هستند که روی یک لایه دی‌الکتریک زمین شده در سطح انعكاس‌دهنده جاي مي‌گيرند [2].آنتن‌های گین بالا برای ساخت شبکه‌های بی‌سیم و یا سیستم‌های تصویربرداری مورد نیاز است.همچنین آنتن‌های آرایه انعکاسی تراهرتز با تلفات پایینمزایای جالبی در تنظیم تابش تراهرتز دارند. [1]illumination[2] Reflectors[3] apertures[4]Cross polarization[5]Reflectarray antenna[6] patches