فایل - دانلود پژوهش

متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینیدطراحی و شبیه‌سازی آرایه انعکاسی…………………………………………………….56
افزایش پهنای باند عنصر آرایه انعکاسی با استفاده از روش چندلایه کردن…………59
طراحی سطوح فرکانس گزین برای هر یک از عناصر…………………………………60
نتایج………………………………………………………………………………………..64
رویه‌های با ابعاد متغیر………………………………………………………………64
رویه‌های با ابعاد یکسان……………………………………………………………..69
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات…………………………………………..73
نتیجه‌گیری………………………………………………………………………………..74
پیشنهاد برای کارهای آتی……………………………………………………………….75
فهرست منابع………………………………………………………………………………76

فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
TOC \h \z \c “شکل” شکل ‏11- آنتن آرایه انعکاسی PAGEREF _Toc406797768 \h 4شکل ‏12- 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. PAGEREF _Toc406797769 \h 5شکل ‏13- چند سلول فراماده تراهرتز PAGEREF _Toc406797770 \h 7شکل ‏21- پیکربندی آنتن آرایه انعکاسی PAGEREF _Toc406797771 \h 14شکل ‏22- 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 مختلف PAGEREF _Toc406797772 \h 15شکل ‏23- آرایه انعکاسی با استفاده از عناصر رویه چاپی با خطوط تأخیر با طول متغیر PAGEREF _Toc406797773 \h 15شکل ‏24- تاخیر فاز شعاعی تفاضلی آرایه انعکاسی PAGEREF _Toc406797774 \h 19شکل ‏25- هندسه آنتن آرایه انعکاسی چاپی PAGEREF _Toc406797775 \h 22شکل ‏26- عناصر تغییر فاز در آرایه انعکاسی چاپی. (a) رویه‌های مستطیلی با استاب‌های متصل. (b) رویه‌های مستطیلی با سایز متغیر PAGEREF _Toc406797776 \h 23شکل ‏31- فلوچارت تپه‌نوردی PAGEREF _Toc406797777 \h 32شکل ‏41- پاسخ فاز برای رویه‌های با استاب متصل. (a) عنصر. (b) فاز برای تابش عمود بر حسب طول استاب (t=1.59 mm , =3.2) PAGEREF _Toc406797778 \h 36شکل ‏42- 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 )) PAGEREF _Toc406797779 \h 36شکل ‏43- نمای جانبی آرایه انعکاسی قرار گرفته بر روی یک انعکاس‌دهنده سهموی PAGEREF _Toc406797780 \h 37شکل ‏44- عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای. (a) نمای گسترده (b) تاخیر فاز بر حسب طول خط PAGEREF _Toc406797781 \h 39شکل ‏45- نمودار تاخیر فاز بر حسب طول خط عنصر آرایه انعکاسی تزویج روزنه‌ای شبیه‌سازی شده PAGEREF _Toc406797782 \h 40شکل ‏46- سلول واحد بر اساس خط تاخیر تزویج روزنه‌ای U شکل PAGEREF _Toc406797783 \h 40شکل ‏47- نمودار فاز بر اساس طول دو قطبی برای حالت U شکل PAGEREF _Toc406797784 \h 41شکل ‏48- نمودارهای بدست آمده از شبیه‌سازی برای حالت ‌U شکل PAGEREF _Toc406797785 \h 42شکل ‏49- عنصر آرایه انعکاسی دو لایه با رویه‌های با ابعاد متغیر. (a) سلول متناوب، (b)تغییر فاز بر حسب ضلع رویه ((,,,, PAGEREF _Toc406797786 \h 44شکل ‏410- نتیجه مقاله PAGEREF _Toc406797787 \h 45شکل ‏411- نتیجه شبیه‌سازی PAGEREF _Toc406797788 \h 45شکل ‏412- نتیجه شبیه‌سازی PAGEREF _Toc406797789 \h 46شکل ‏413- نتیجه مقاله PAGEREF _Toc406797790 \h 46شکل ‏414- نتیجه شبیه‌سازی PAGEREF _Toc406797791 \h 47شکل ‏51- سلول واحد برای آرایه انعکاسی با µm140a= وmµ15 h=. بعد پچ l در محدوده 10میکرومتر تا 136 میکرومتر برای پوشش یک چرخه تقریبا کامل از پاسخ فاز متفاوت است. PAGEREF _Toc406797792 \h 55شکل ‏52-ضریب بازتاب شبیه‌سازی شده برای آرایه‌های رویه نامحدود یکنواخت دوبعدی. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه (a) و دامنه انعکاس برحسب دسی‌بل (b) در فرکانسTHz 1به عنوان تابعی از اندازه رویه. شش نقطه روی منحنی فاز با زیرلایه با ضخامت 15میکرومتر اندازه‌ی انتخاب شده رویه‌ها را برای تعریف یک زیرآرایه که یک چرخه تغییرات فاز کامل را طی می‌کند، نشان می دهد. ناهمواری در منحنی اندازه و فاز به دلیل محدودیت در دقت عددی است. PAGEREF _Toc406797793 \h 55شکل ‏53- نمودار دامنه سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 PAGEREF _Toc406797794 \h 56شکل ‏54- نمودار فاز سلول شبیه‌سازی شده بر حسب طول رویه در فرکانس THz1 برای زیرلایه به ضخامت µm15 PAGEREF _Toc406797795 \h 56شکل ‏55- 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. PAGEREF _Toc406797796 \h 57شکل ‏56- 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). PAGEREF _Toc406797797 \h 59شکل ‏57- توزیع میدان بازتابش شده از سطح یک تناوب از آرایه شبیه‌سازی شده در مد TM در فرکانس THz1 با زاویه تابش°21=θ PAGEREF _Toc406797798 \h 59شکل ‏58- ضریب انعکاس شبیه‌سازی شده برای آرایه‌ای از بی‌نهایت رویه. پاسخ فاز انعکاسی بر حسب درجه در THz1 به عنوان تابعی از طول رویه زیرین PAGEREF _Toc406797799 \h 60شکل ‏59- نمونه‌ای از نسبت دادن کد دودویی برای ایجاد ساختار PAGEREF _Toc406797800 \h 62شکل ‏510- نمودار فاز بر حسب طول رویه‌ها برای مقادیر مورد انتظار PAGEREF _Toc406797801 \h 66شکل ‏511- نمودار فاز بدست آمده از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه PAGEREF _Toc406797802 \h 67شکل ‏512- نمودار دامنه انعکاسی بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی بر حسب طول رویه PAGEREF _Toc406797803 \h 68شکل ‏513- شکل‌های سطوح فرکانس گزین بدست آمده از روش رویه‌های متغیر PAGEREF _Toc406797804 \h 69شکل ‏514- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc406797805 \h 70شکل ‏515- نمودار دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای توابع شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc406797806 \h 71شکل ‏516- نمودار فاز و دامنه انعکاسی بر حسب شماره سلول برای تابع شایستگی بند (ه) PAGEREF _Toc406797807 \h 72شکل ‏517- شکل رویه‌های بدست آمده از بهینه‌سا

زی برای تابع شایستگی بند (ه) PAGEREF _Toc406797808 \h 73شکل ‏518- نمودار فاز انعکاسی بر حسب شماره سلول در فرکانس‌های مختلف. PAGEREF _Toc406797809 \h 74
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
TOC \h \z \c “جدول” جدول ‏51-مقادیر مورد انتظار برای طراحی سطوح فرکانس گزین با ابعاد متغیر PAGEREF _Toc405933704 \h 65جدول ‏52- کدهای بدست آمده حاصل از بهینه‌سازی برای هر سلول PAGEREF _Toc405933705 \h 66جدول ‏53- مقادیر فاز بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت PAGEREF _Toc405933706 \h 67جدول ‏54- مقادیر دامنه انعکاسی بدست آمده برای رویه‌های با طول متفاوت PAGEREF _Toc405933707 \h 68جدول ‏55- مقادیر فاز بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc405933708 \h 70جدول ‏56- مقادیر دامنه بدست آمده برای هر سلول با استفاده از تابع‌های شایستگی متفاوت PAGEREF _Toc405933709 \h 71
TOC \h \z \t “shu- پیوست با حروف انگلیسی,1”

فصل نخست:مقدمه
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 انعکاسی
در 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 روزنه‌ای با فاز جلورونده مورد نیاز است. دو راه اصلی برای انجام این کار، منعکس کننده‌ها و آرایه‌ها می‌باشد.
در آنتن‌های منعکس‌کننده، برای ایجاد فاز مناسب در روزنه‌ها، 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 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.
--------------------------------------------------- نکته مهم : هنگام انتقال متون از فایل ورد به داخل سایت بعضی از فرمول ها و اشکال (تصاویر) درج نمی شود یا به هم ریخته می شود یا به صورت کد نمایش داده می شود ولی در سایت می توانید فایل اصلی را با فرمت ورد به صورت کاملا خوانا خریداری کنید: سایت مرجع پایان نامه ها (خرید و دانلود با امکان دانلود رایگان نمونه ها) : elmyar.net --------------------------------------------------- آنتن‌های آرایه انعکاسی، از آرایه‌ای از عناصر انعکاس‌دهنده‌ تشکیل شده‌ است که با وجود برخورداری از سطحی بدون انحنا، هر عنصر در آرایه طوری طراحی می‌شود که تغییر فاز مناسب را در موج انعکاسی نسبت به موج تابشی ایجاد کند تا در نهایت یک سطح هم‌فاز مسطح در جهت مطلوب شکل گیرد. عناصر انعکاس‌دهنده رایج در این نوع آنتن‌ها، رویه‌ها هستند که روی یک لایه دی‌الکتریک زمین شده در سطح انعکاس‌دهنده جای می‌گیرند [2].
آنتن‌های گین بالا برای ساخت شبکه‌های بی‌سیم و یا سیستم‌های تصویربرداری مورد نیاز است. همچنین آنتن‌های آرایه انعکاسی تراهرتز با تلفات پایین مزایای جالبی در تنظیم تابش تراهرتز دارند.

شکل STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 1- آنتن آرایه انعکاسی1-2- فراماده
فراماده‌ها مواد مصنوعی ساخته دست بشر هستند. فراماده ماده‌ای با خواص ویژه می‌باشد که عملکرد آن‌ هم ناشی از ساختار سلول‌ها و هم ناشی از ترکیبات شیمیایی آن است. به عبارت دیگر می‌توان گفت که آنها مواد مصنوعی هستند که طوری طراحی می‌شوند که خواصی را داشته باشند که ممکن است این خواص در طبیعت یافت نشوند. فرامواد از مواد معمولی میکروسکوپی مختلفی مانند فلزات و یا پلاستیک، و معمولاً به صورت پریودیک ایجاد می‌شوند. بیشتر فرامواد برای کاربردهای مربوط به الکترومغناطیس و اپتیک مانند هدایتگرهای پرتو، مدولاتورها، فیلترها، لنزها، و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. با بکارگیری فراماده در ساخت آنتن‌ها، با توجه به خصوصیات فراماده، بسیاری از ویژگی‌های مطلوب آنتن از جمله کاهش ابعاد آن، بهبود عملکرد انعکاسی و عملکرد چندباندی آن‌ میسر می شود. [3]
1-2-1- محدوده تراهرتز و فرامواد تراهرتز
فراماده‌های تراهرتز یک دسته جدیدی از ترکیب‌ مواد مصنوعی در حال پیشرفت هستند که در فرکانس‌های تراهرتز عمل می‌کنند. محدوده فرکانس تراهرتز استفاده شده در پژوهش مواد معمولا از 1/0 تا 10 تراهرتز تعریف می‌شود.
این پهنای باند نیز به دلیل اینکه به طرز محسوسی مورد استفاده قرارگرفته است، به عنوان محدوده تراهرتز شناخته شده است. امواج تراهرتز امواج الکترومغناطیسیی با فرکانس‌های بالاتر از مایکروویو اما پایین‌تر از اشعه مادون قرمز و نور مرئی می‌باشند. این ویژگی‌ به معنای آن است که اثر دادن تابش تراهرتز بر قطعات و دستگاه‌های الکترونیکی معمولی سخت است. با این حال، طول موج تراهرتز، یا محدوده فرکانسی تراهرتز، به نظر می‌رسد برای کنترل امنیتی، تصویربرداری پزشکی، سیستم های ارتباطات بی‌سیم، ارزیابی غیرمخرب، و شناسایی مواد شیمیایی، و همچنین نجوم زیرمیلیمتری مفید باشد. در نهایت، به عنوان یک اشعه غیریونیزه خطرات ذاتی در غربالگری اشعهX را ندارد.

شکل STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ شکل \* ARABIC \s 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.(Withawat Withayachumnankul, Derek Abbott, “Metamaterials in the Terahertz Regime”, IEEE photonics journal, Volume 1, Number 2, August 2009.)بسیاری از ویژگی‌های مفروض را می‌توان در فرکانس تراهرتز یافت. این تابش غیریونیزه است و از این رو برای کاربردهایی که بدن انسان در معرض تابش قرار می‌گیرد، به عنوان مثال، تشخیص‌های پزشکی و یا امنیتی مطلوب است. تعداد زیادی از مواد الگوهای جذبی منحصر به فردی را در پاسخ به امواج تراهرتز، مطابق با حالت‌های مولکولی چرخشی- ارتعاشی از خود نشان می‌دهند. این طیف جذبی توجه را به شناسایی ماده معطوف می‌کند. مواد ناقطبی، خشک، و غیرفلزی، مانند پارچه، چوب، مقوا و پلاستیک، نسبت به این تابش شفاف هستند. از این رو، به عنوان مثال، سلاح پنهان زیر لباس و یا محصولات موجود در بسته‌ها می‌تواند از طریق یک حسگر تراهرتز دیده شود. با وجود این، کاربردهای تراهرتز تا حد زیادی آزمایشگاهی باقی مانده است، و در انتظار عملکرد بهبود یافته در زمینه های تولید، کنترل، و تشخیص است. اساساً، قطعات تراهرتز بیشتری برای کاربردهای طیف تراهرتز مورد نیاز است.
کاربردهای تراهرتز بیشتر توسط پیشرفت‌های انجام شده در زمینه فرامواد تکمیل شده است. طیف تراهرتز یک عرصه جذاب برای تحقیقات فراماده با توجه به اینکه مواد به طور طبیعی پاسخ‌های مغناطیسی یا الکتریکی قویی در فرکانس 1 تا 3 تراهرتز ندارند، به وجود آورده است. مواد مغناطیسی معمولی تشدید‌هایی در فرکانس پایین‌تر از محدوده گیگاهرتز دارند، در حالی که فلزات دارای تشدیدهایی در فرکانس‌های فراتر از اواسط مادون قرمز با توجه به مدهای فونونی هستند. فرامواد، برخلاف مواد طبیعی، می‌توانند بطور مصنوعی طراحی شوند تا رفتار تشدیدی قوی در فرکانس‌های تراهرتز داشته باشند. بنابراین، فاصله تراهرتز نه تنها طیفی را تعریف می‌کند که به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است، بلکه منطقه‌ای است که در آن پاسخ‌های الکترومغناطیسی بیشتر مواد طبیعی کاهش پیدا می‌کند. این پاسخ‌های ضعیف می‌تواند به عنوان یکی دیگر از عوامل در نظر گرفته شود که مانع پیشرفت تحقیقات تراهرتز تا کنون شده است. فرامواد بدلیل خصوصیات قابل تنظیم، می‌تواند ارتباط ناپیدا را تکمیل کند و تبدیل به ابزاری تطبیق‌پذیر‌ برای تحقیق و توسعه آینده تراهرتز شوند. در نهایت، انتظار می‌رود فرامواد باعث توسعه دستگاه‌های تراهرتزی شوند تا عملکرد آن‌ها بهبود پیدا کند، و یا دستگاه‌هایی ایجاد شوند که با مواد معمولی امکان‌پذیر نیستند.
واضح است که فرامواد می‌توانند بخوبی تکنولوژی تراهرتز را بجلو حرکت دهند. تکنولوژی تراهرتز می‌تواند درک ما را از تعامل خوب بین فرامواد و امواج الکترومغناطیسی به طور کلی بهبود بخشد. در رژیم فرکانس‌های فراتر از باند تراهرتز، ساخت فرامواد با فن‌آوری‌های حال حاضر می‌تواند بسیار چالش برانگیز باشد. از سوی دیگر‌، آزمایشگاه‌های ساخت IC معمول می‌توانند نمونه‌های اولیه فرامواد تراهرتز مسطح را به راحتی تحقق ببخشند. اطلاعات قابل حصول از فرامواد تراهرتز می‌تواند برای مطالعه فرامواد نوری مفید باشد، به این دلیل که تابش تراهرتز رفتارهای شبه نوری را حفظ می‌کند. علاوه بر این، سیستم‌های اندازه‌گیری تراهرتز، به ویژه طیف‌سنجی حوزه زمان تراهرتز(THz –TDS) ، انعطاف پذیری زیادی دارند که در دیگر روش های طیف سنجی امکان‌پذیر نیست. تشخیص دامنه و فاز پهن‌باند همراه با پیکربندی انعطاف پذیر این سیستم اجازه می‌دهد که خواص فرامواد بطور کامل مشخص شود. به این دلایل، محدوده فرکانس تراهرتز برای اثبات تجربی نمونه‌های اولیه فرامواد بسیار جذاب است ]4 .[

شکل STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 3- چند سلول فراماده تراهرتزWithawat Withayachumnankul, Derek Abbott, “Metamaterials in the Terahertz Regime”, IEEE photonics journal, Volume 1, Number 2, August 2009.می‌توان گفت سطوح فرکانس گزین یا فراسطح‌ها (متامتریال‌ها در محدوده تراهرتز) نیز زیرمجموعه‌ای از فرامواد هستند.
1-2-2- سطوح فرکانس گزین
سطوح فرکانس گزین از اوایل دهه 1960 به شدت مورد مطالعه قرار گرفت، اگرچه در سال 1919 مارکونی چنین ساختارهای متناوبی را به ثبت رسانده بود. در واقع سطوح فرکانس گزین (FSSها) بیش از چهار دهه موضوع تحقیقات برای کاربردهای گسترده‌شان مثل مایکروویو فضایی و فیلترهای نوری شده‌اند. سطوح فرکانس گزین معمولاً از رویه‌های فلزی قرارگرفته بصورت پریودیک با هندسه دلخواه و یا هندسه مکملش بصورت عناصر روزنه‌ای مشابه با رویه‌ها درون یک صفحه فلزی ساخته شده است. این سطوح در همسایگی تشدیدهای عناصر برای رویه‌ها و روزنه‌ها به ترتیب بازتاب و یا انتقال کاملی را از خود نشان می‌دهند. مهمترین گام در فرایند طراحی سطوح فرکانس گزین مطلوب، انتخاب مناسب عناصر تشکیل‌دهنده آرایه و تعیین مناسب دوره تناوب ساختار است. نوع و هندسه عنصر، پارامترهای زیرلایه، وجود یا عدم وجود رولایه‌ها، و فاصله بین عناصر، کل پاسخ فرکانسی ساختار از قبیل پهنای باند، تابع انتقال، و وابستگی آن به زاویه تابش و قطبش موج الکترومغناطیس تابشی را تعیین می‌کند.
یکی از ویژگی‌های مشترک روش‌های سنتی طراحی سطوح فرکانس گزین این است که اندازه عناصر رزونانسی و فاصله‌شان با نیم طول موج در فرکانس کاری قابل مقایسه است. در عمل سطوح فرکانس گزین ابعاد محدود دارند. به منظور بدست آوردن پاسخ فرکانسی مطلوب، سطح محدود باید شامل تعداد زیادی از عناصر تشکیل‌دهنده باشد و توسط یک جبهه فاز مسطح تحریک شود. برای برخی از کاربردها، مانند ریدوم‌های آنتن در فرکانس‌های پایین‌تر، سطوح فرکانس گزین با ابعاد الکتریکی نسبتاً کوچک که حساسیت کمتری نسبت به زاویه تابش دارند و می‌توانند با جبهه فاز غیرمسطح عمل کنند، بسیار مطلوب است. به تازگی، یک نوع جدید از سطوح فرکانس گزین با عناصر کوچک طراحی شده است. این نوع از سطوح فرکانس گزین از آرایه‌ پریودیکی از رویه‌های زیرطول‌موجی چاپ شده بر روی یک طرف زیرلایه دی‌الکتریک و شبکه القایی چاپ شده در طرف دیگر همان زیرلایه تشکیل شده است ]5 .[
1-3- الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی تصادفی
تپه‌نوردی تصادفی یک روش بهینه‌سازی است که متعلق به گروهی از الگوریتم‌های جستجوی محلی است. اساساً این بدان معنی است که این الگوریتم از یک جواب به جواب دیگر در فضای جستجو حرکت می‌کند تا جواب بهینه یافت شود. این الگوریتم تلاش دارد تابع شایستگی (دقت) را با مقایسه مکرر دو جواب به حداکثر برساند. این الگوریتم بهترین جواب را قبول می‌کند و با مقایسه جلو می‌رود (به عنوان مثال، بیشتر به سمت بالای تپه حرکت می‌کند). این تکرار تا زمانی که هیچ جواب بهتری در هر دو طرف جواب در حال حاضر وجود نداشته باشد ادامه پیدا می‌کند (می‌توان گفت به اوج واقعی می‌رسد).
چندین روش برای پیاده‌سازی الگوریتم تپه‌نوردی تصادفی وجود دارد. اولین و اساسی‌ترین فرم، تپه‌نوردی ساده است. در این روش، اول نزدیک‌ترین گره برای ارزیابی انتخاب می‌شود. نوع دوم شدیدترین تپه‌نوردی صعودی نامیده می شود. در روش شدیدترین تپه‌نوردی صعودی، تمام جانشینان با هم مقایسه و نزدیک‌ترین آن‌ها به جواب انتخاب می‌شود. مدل‌های دیگری نیز وجود دارند که تپه‌نوردی صعود بعدی و تپه‌نوردی مونت کارلو دمای صفر نامیده می‌شوند ]6 .[
1-4- پژوهش‌های پیشین و اهداف پژوهش
مفهوم آنتن آرایه انعکاسی در ابتدا با فناوری موجبر در سال 1960 معرفی گردید ]7 .[ در سال‌های 1970 یک آنتن آرایه انعکاسی با استفاده از 4 بازوی مارپیچ با دیودهای سویچینگ در مرکز برای رسیدن به یک سیستم تغییر فاز دو بیت برای پلاریزاسیون دایروی طراحی شد ]8 .[با معرفی آنتن‌های میکرواستریپ تکنولوژی ترکیب آنتن‌های آرایه انعکاسی و تششع کننده‌های میکرواستریپی بررسی شد. اولین ترکیب عناصر میکرواستریپی با آنتن آرایه انعکاسی در سال 1978 انجام شد ]9 .[در همان سال، اولین تلاش برای آنالیز عناصر آرایه انعکاسی میکرواستریپ با استفاده از روش آرایه بینهایت انجام شد ]10 .[اما تا یک دهه‌ی بعد هیچ توسعه‌ای برای آنتن‌های آرایه میکرواستریپی صورت نگرفت. از آن زمان آنتن‌های آرایه انعکاسی مایکرواستریپ به آرامی به عنوان نسل جدید آنتن‌های گین بالا ظهور کردند.
تا کنون، تعداد کمی آنتن آرایه انعکاسی برای تابش تراهرتز، در حدود 1THz و بالاتر ساخته شده است. برخی پیاده سازی‌های آرایه‌های فازی تراهرتز مانند آرایه آنتن‌های فوتوهادی با 64 الکترود ]11 [و آرایه آنتن پچ 4×4 برای برقراری مخابرات تراهرتز در محیط داخلی صورت گرفته است ]12 .[آنتن اول به نویز الکتریکی حساس است، و پیچیدگی طراحی می‌تواند یک محدودیت بالقوه در این آنتن باشد. آنتن دوم زمانی که تعداد عناصر آرایه بزرگ باشد تلفات بالایی دارد. علاوه بر این، در]13 [یک منبع الکترونوری تراهرتز بر اساس اصل آرایه فازی طراحی شده‌ است. به تازگی، روشی مشابه برای جهت‌دهی پرتو تراهرتز در یک آنتن فوتوهادی با استفاده از تداخل دو پرتوی پمپ بکار گرفته شده است ]14 .[آرایه های فازی تراهرتز قابل تنظیم به عنوان جزئی از ارتباطات تراهرتز، در ]15 [ارائه شده اند. این آرایه‌ها از عناصری که می‌توانند برای پراکندگی و تمرکز امواج سطحی به صورت پویا تنظیم شوند تشکیل شده‌اند. در ]16 [ یک روش جایگزین برای اسکن پرتو تراهرتز طراحی شده است. در این روش ساختاری به شکل گوه که با کریستال مایع پر شده مورد استفاده قرار گرفته است تا مسیر پرتو انتقال را با استفاده از بایاسDC تغییر دهد.
در مقاله ]17 [ از دی‌الکتریک برای طراحی آنتن آرایه انعکاسی استفاده شده است، که راه حل مناسب کم تلفی برای آنتن‌های تراهرتز با بهره بالا خوانده شده است. در فرکانس 1/0 تراهرتز سطح لوب فرعی این آنتن پایین‌تر از dB 18- است و بهره‌ای برابر با dB9/22 دارد.
در مقاله ]18 [آنتنی با رویه‌ای از جنس گرافن برای داشتن بیمی ثابت طراحی شده است. ساختار یکتای گرافن باعث به وجود آمدن هدایت سطحی مختلطی در فرکانس‌های تراهرتز می‌شود، که باعث کاهش شدیدی در ابعاد آنتن و عملکرد آرایه‌ای خوبی می‌شود. این آنتن در فرکانس THz3/1 طراحی شده است و پهنای باند و پلاریزاسیون متقاطع خوب و تلفات زیادی دارد.
همچنین اخیراً یک آنتن آرایه انعکاسی در THz1 طراحی شده است که وابسته به پلاریزاسیون است و قابلیت جدا کردن بیم‌ها و بازتاب آن‌ها در جهت‌های متفاوت دارد. عناصر انعکاسی آن از دو دسته دوقطبی‌های نواری متعامد تشکیل شده است. این دوقطبی‌ها بصورت شبکه‌های مثلثی متقاطع چیده شده‌اند. با تغییر طول و عرض دوقطبی‌ها تغییر فاز محلی وابسته به پلاریزاسیون ایجاد شده است. این آنتن دارای بازدهی بالای 60% و خلوص پلاریزاسیونی حداقل dB27- داراست. ]19 [
در فصل دوم آنتن‌های آرایه انعکاسی معرفی می‌شوند و تکنیک‌های تحلیل آن‌ها بررسی می‌شود.
در فصل سوم روش الگوریتم بهینه‌سازی تپه‌نوردی بحث می‌شود.
در فصل چهارم تکنیک‌های افزایش پهنای باند این آنتن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فصل پنجم یک نوع آنتن آرایه انعکاسی معرفی و نتایج شبیه سازی و بهینه سازی آن ارائه می‌شود.

فصل دوم:آنتن‌های آرایه انعکاسی
آنتن‌های آرایه انعکاسی
2-1- معرفی آنتن آرایه انعکاسی
همانطور که در شکل2-1 نشان داده شده است، آنتن آرایه انعکاسی ]20 [ آنتنی است که از یک سطح بازتاب صاف و یا منحنی‌وار و یک آنتن تغذیه تشکیل شده است. در سطح منعکس‌کننده تعداد زیادی عناصر تششع‌کننده (به عنوان مثال، موجبرهای انتها باز، رویه‌های مایکرواستریپ چاپ شده، دوقطبی، و یا حلقه) بدون هیچ گونه خطوط انتقال تقسیم توان وجود دارد. آنتن تغذیه بطور شعاعی این عناصر منعکس‌کننده آرایه‌ای را تحریک می‌کند که این عناصر طوری طراحی شده‌اند که میدان تابش را با فاز الکتریکی که برای تشکیل یک جبهه فاز مسطح در فاصله میدان دور مورد نیاز است بازتابش و پراکنده کنند. به عبارت دیگر، این عناصر با فازهای از قبل تعیین شده استفاده می‌شوند تا فازهای مرتبط با طول‌های مسیر مختلف از تغذیه تحریک کننده (S1، S2، … ،SN در شکل 2-1) را جبران کنند. این عملیات به استفاده از یک بازتابنده سهموی که با بهره‌گیری از انحنای منحصر به فردش برای بازتاب و تشکیل یک جبهه فاز مسطح زمانی که تغذیه در نقطه کانونی آن قرار می‌گیرد شبیه است. به این ترتیب، اصطلاح “بازتابنده تخت” گاهی اوقات برای توصیف آنتن آرایه انعکاسی که از هر دو تکنولوژی بازتابنده و آرایه بهره‌گیری می‌کند استفاده می‌شود. همانطور که در شکل2-2 نشان داده شده است، انتخاب‌های متعددی برای عناصر آنتن آرایه انعکاسی برای رسیدن به جبهه فاز مسطح وجود دارد. یکی از آنها استفاده از رویه‌های مایکرواستریپ یکسان با خطوط تاخیر فاز با طول متغیر است [21] به طوری که این عناصر می‌توانند تاخیر فاز را در طول مسیرهای مختلف از منبع تحریک جبران کنند. یکی دیگر از روش‌ها‌ استفاده از رویه‌هایی با اندازه متغیر، دو قطبی‌ها، و یا حلقه‌ها است [22,23,24] به طوری که عناصر می‌توانند امپدانس‌های پراکندگی مختلف و بنابراین فازهای مختلفی برای جبران تاخیر مسیر تغذیه مختلف داشته باشند. در روش سوم، تنها برای پلاریزاسیون دایروی، آنتن آرایه انعکاسی عناصر پلاریزاسیون دایروی یکسانی با چرخش‌های زاویه‌ای متفاوت برای جبران طول‌های متفاوت مسیر تغذیه دارد ]25[.