با توجه به گسترش ابزارهای بی سیم همچون گوشی های موبایل، دستگاه های موقعیت سنج، استفاده لپ تاپ در کاربردهای بی سیم و غیره، لزوم استفاده از آنتن هایی که بتوانند باندهای استاندارد مختلفی را پوشش دهند، بیش از پیش احساس می شود. استفاده از آنتن هایی با قابلیت پوشش دو یا تعداد بیشتری باند فرکانسی، به دلیل عدم استفاده از چند آنتن مجزا سبب کاهش هزینه ها می گردد. از سوی دیگر، استفاده از آنتن هایی که برای پیاده سازی فضای کمتری را اشغال کنند، ضرورت یافته است. آنتن های مسطح با توجه به ساختار ساده ی که دارند و همچنین دارا بودن پتانسیل پوشش چندین باند فرکانسی wwan مورد توجه قرار گرفته اند. در این پایان نامه آنتن های مسطح به سه دسته آنتن های میکرواستریپ، آنتن های مسطح f معکوس (pifa) و آنتن های تک قطبی مسطح تقسیم بندی شده اند. در هریک از این گروه ها، ساختاری جدید با خصوصیت دو یا چند بانده پیشنهاد شده است. در فصل یک ابتدا کارهای انجام گرفته در زمینه آنتن های میکرواستریپ چند فرکانسی، ساختار آنتن pifa و ایده های مربوط به بهینه کردن این نوع آنتن ها (پهن باند کردن و فشرده سازی) به اختصار مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم، مروری بر کارهای انجام شده در زمینه های آنتن های تک قطبی مسطح چند بانده صورت گرفته است. در فصل سوم، ساختار جدیدی برای آنتن میکرواستریپ دو فرکانسی مثلثی پیشنهاد شده است. سپس ساختار جدیدی با ارایه شکاف در صفحه زمین برای پهن باند کردن آنتن pifa پیشنهاد شده و بطور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. فصل چهارم به بررسی دو آنتن تک قطبی مسطح جدید با خصوصیات چندبانده اختصاص دارد. در فصل پنجم به نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهایی برای ادامه کار در زمینه آنتن های مسطح چند بانده خواهیم پرداخت.

یکی از موضوعاتی که در الکترومغناطیس مطرح می شود، «سازگاری الکترومغناطیسی» است که بررسی آن در مدارات الکترونیکی دارای اهمیت زیادی است. از طرفی در سال های اخیر با رشد روزافزون سیستم های مخابرات دیجیتال، و نیاز به طراحی ساختارهایی که بتوانند بستر مناسبی برای پیاده سازی این سیستم ها باشند، بررسی سازگاری الکترومغناطیسی امری اجتناب ناپذیر شده است. یکی از موانعی که برای پیاده سازی مدارات با فرکانس بالا وجود دارد، نویز کلیدزنی است که در مدارات الکترونیکی فرکانس بالا منتشر و از آن ها تشعشع می کند. این نویز از طرفی باعث اختلال در عملکرد سیگنال رسانی توسط خطوط سیگنال شده و از طرفی باعث تشعشع از مدار و عدم سازگاری الکترومغناطیسی می شود. در چند دهه ی گذشته روش های مختلفی برای حذف این نویز پیشنهاد شده است. این روش ها که هر کدام دارای مزایا و معایبی هستند، در کاهش یا جلوگیری از انتشار نویز توفیق چندانی نداشته اند. با ظهور ساختارهای دارای شکاف باند الکترومغناطیسی و کاربرد آن ها در مدارات الکترونیکی برای حذف نویز کلیدزنی، برخی از معایب روش های پیشین برطرف شده اند. در این پایان نامه به بررسی ساختارهای دارای شکاف باند الکترومغناطیسی برای حذف نویز کلیدزنی می پردازیم. چندین نوع از ساختارهای مسطح و ساختارهای قارچ مانند معرفی می شوند. شکل های مختلفی از این ساختارها معرفی شده، روش های تحلیلی و محاسباتی برای این ساختارها بررسی می شوند، و هم چنین مدل های ارائه شده ارزیابی و تحلیل می شوند. برای بهبود عملکرد این ساختارها، طرح های جدیدی نیز ارائه شده اند که با بررسی در حوزه ی فرکانس و حوزه ی زمان نشان داده شده است، عملکرد مناسبی دارند.

یکی از موضوعات مهم در زمینه امواج الکترومغناطیسی، بررسی کاربرد این امواج در درمان های گرمایی است. از گرما درمانی می توان در درمان سرطان استفاده کرد. تحقیقات نشان داده است که دماهای بالا قابلیت آسیب و کشتن سلولهای سرطانی را بالا می برد، درحالی که آسیب کمی به بافتهای سالم می رساند. افزایش درجه حرارت همچنین باعث افزایش میزان جذب و تأثیر داروهای شیمی درمانی می شود. گرما درمانی به صورت موضعی، بخشی و تمام بدن اعمال می شود. در این پایان نامه، تمرکز بر روشهای گرما درمانی موضعی بوده است. در این پایان نامه، آنتنی با تطبیق مناسب در فرکانس کار طراحی می شود به نحوی که نسبت به آنتن مشابه، از شدت تهاجمی بودن پایین تری برخوردار است. همچنین، آنتنی با توزیع الگوی نرخ جذب ویژه امواج الکترو مغناطیسی کروی شکل طراحی می شود تا به دلیل همخوانی این شکل توزیع با شکل تقریبی تومورها آسیب کمتری به بافتهای سالم برساند. آنتن دیگری نیز به منظور انعقاد درمانی طراحی می شود که از تمرکز توان بالایی برخوردار است. با حل معادله انتقال حرارت و به دست آوردن کانتور دمای 60 درجه، شکل بافت انعقادی برای این آنتن مشخص می شود. از مزایای این آنتن می توان به عدم حساسیت آن نسبت به عمق ورود به داخل بافت اشاره کرد. برای آنتن طراحی شده با توزیع الگوی نرخ جذب ویژه کروی شکل، معادله انتقال حرارت در بافت زنده حل شده و اثر نرخ جریان خون و نیز چگونگی کاهش دمای نقاط بسیار گرم بررسی می شود. برای کنترل بهتر دما از روش اعمال توان توسط سیگنال دندان اره ای استفاده شده است. همچنین به منظور دستیابی به توزیع نرخ جذب ویژه مطلوب آرایه های 2 و 4 تایی از این آنتن ها نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.

موضوع رساله حاضر، کاربرد ساختارهای فرامواد مبتنی بر خط انتقال در طراحی و ساخت آنتن ها با تمرکز بر روی آنتن های تشدیدی است. پژوهش های انجام شده در این رساله را می توان در سه حوزه طبقه بندی نمود. حوزه اول شامل بررسی عملکرد دو-باندی در ساختارهای فرامواد مبتنی بر خط انتقال به صورت تئوری می باشد. یکی از ویژگی های پرکاربرد خطوط انتقال راستگرد/چپگرد ترکیبی، امکان دستیابی به عملکرد دو-باندی با استفاده از آن هاست. نتیجه پژوهش انجام شده در حوزه اول، ارائه روابط جدید و دقیقی برای طراحی ساختار راستگرد/چپگرد ترکیبیِ دو-باندی است. حوزه دوم پژوهش که بخش عمده ای از رساله را شامل می شود به تحقق تشدیدکننده های مرتبه صفر با استفاده از فرامواد مبتنی بر خط انتقال و کاربرد آن ها در طراحی آنتن اختصاص دارد. در این بخش از پژوهش نخست یک نوع آنتن فشرده تشدید مرتبه صفر با استفاده از خط انتقال نفوذپذیری منفی طراحی، تحلیل و ساخته شده است. در ادامه نیز یک ساختار اصلاح شده برای سلول واحد خط انتقال گذردهی منفی ارائه می شود. استفاده از این سلول برای پیاده سازی آنتن تشدید مرتبه صفر، باعث ایجاد الگوی تشعشعی بردساید می شود. علاوه بر این، سلول واحد اصلاح شده دارای ابعاد کوچکتری در مقایسه با ابعاد سلول های متداول است. براساس این ساختار دو آنتن تشدید مرتبه صفر گذردهی منفی با الگوی تشعشعی بردساید طراحی و ساخته شده است. آنتن اول تک سلولی و دارای ابعاد کوچک بوده و آنتن دوم نه سلولی و دارای بهره بالا است. در پژوهشی دیگر از حوزه مرتبط با تشدیدکننده های مرتبه صفر، دو نوع آنتن تشدیدی دو-باندی با ساختار مبتنی بر خط انتقال گذردهی منفی، تحلیل، طراحی و ساخته شده است. آنتن اول دارای عملکرد دو-مودی و آنتن دوم دارای عملکرد دو-قطبشی است. پژوهش آخرِ ارائه شده در زمینه تشدیدکننده های مرتبه صفر، در رابطه با تحقق یک آنتن فشرده و پهن باند است. به طور کلی بسیاری از آنتن های فشرده مبتنی بر فرامواد دارای پهنای باند باریکی هستند. این مشکل، استفاده از چنین آنتن هایی را در برخی از کاربردها محدود می کند. در این پژوهش با استفاده از خط انتقال گذردهی منفی با ساختار خط نواریِ هم صفحه، یک آنتن فشرده تشدید مرتبه صفر مبتنی بر فراماده با پهنای باند بهبود یافته ارائه می شود. در حوزه سوم از پژوهش های انجام شده در این رساله، تحلیل موجبرهای مجتمع شده در زیرلایه با استفاده از تئوری فرامواد و کاربرد آن ها در طراحی آنتن مورد بررسی قرار گرفته است. با دقت در ساختار موجبر مجتمع شده در زیرلایه ملاحظه می شود که این ساختار مشابه یک خط انتقال گذردهی منفی است. در پژوهش انجام شده، از یک تشدیدکننده مدار-باز با ساختار موجبر مجتمع شده در زیرلایه برای طراحی و ساخت دو آنتن جدید استفاده شده است. این آنتن ها با استفاده از دو رویکرد متفاوت، شامل تئوری موجبرها و همچنین تئوری فرامواد مبتنی بر خط انتقال، مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته اند.

نور کند به دلیل قابلیتهای آن در حوزه‎های اپتیک غیر خطی، حافظه های نوری و سوئیچینگ نوری در دهه اخیر مورد توجه محققان بوده است. یکی از روشهای مناسب برای ایجاد نور کند، استفاده از موجبرهای بلور فوتونی است. در این روش محدودیتهایی همچون پاشندگی و تلفات انتقالی وجود دارد که در صورت غلبه بر آنها می‎توان نور کند را در پهنای باند مناسب و به منظور پیاده سازی در نور مجتمع فراهم آورد. در این رساله به بررسی انتشار نور کند در ساختار یک موجبر بلور فوتونی، روشهای کنترل پاشندگی، افزایش پهنای باند و کاهش تلفات تزویج می‎پردازیم. این موجبر بلور فوتونی از طریق حذف یک ردیف از سوراخهای هوا در شبکه مثلثی یک تیغه بلور فوتونی بوجود می‎آید. تیغه بلور فوتونی به صورت یک لایه سیلیکون با ارتفاع nm283 بر روی زیر لایه سیلیکا با ضخامت ?m2، ثابت شبکه nm380 و شعاع سوراخهای nm115 است. در این ساختار پاشندگی مود موجبری زوج (شبه te) تغییر داده می‎شود تا به یک موجبر نور کند بدون پاشندگی و پهن باند، که به آن "موجبر بلور فوتونی مهندسی شده" می‎گوییم، دست یابیم. معیار حاصلضرب شاخص گروه در پهنای باند برای این موجبر نسبت به نتایج تحقیقات پیشین ارتقاء یافته است. بعد از دست یابی به نور کند بدون پاشندگی در یک پهنای باند مناسب، یک تزویج کننده برای افزایش بازده تزویج از موجبر نواری به موجبر بلور فوتونی مهندسی شده در بازه فرکانسی بدون پاشندگی پیشنهاد میکنیم. در ادامه به منظور استفاده از قابلیتهای نور کند در ساختار یک سوئیچ ماخ-زندر نوری، انتقال نور کند از اتصال y و دو زانو را بررسی و یک شکافنده نوری طراحی می‎کنیم که در آن میانگین انتقال توان در بازه نور کند به 82% ارتقاء می‎یابد. در نهایت یک سوئیچ نوری ماخ-زندر با استفاده از این شکافنده نوری طراحی می‎شود تا سوئیچینگ یک پالس نوری و مزایای نور کند در آن مشاهده و ارزیابی شود.

تکنولوژی موجبر معمولی که در سیستمهای موج میلیمتری بکار می رود از لحاظ ارزان بودن در تولید انبوه مناسب نیست و همچنین نیاز به تنظیمات و اتصالات پس از تولید دارد. علاوه بر این از موجبر نمی توان برای کاهش وزن و حجم کمک گرفت. از طرفی استفاده از خطوط انتقال مسطح مانند خطوط ریزنواری یا موجبر هم صفحه بدلیل تلفات بالا و تشعشع مناسب نمی­ باشد. موجبر مجتمع شده در زیرلایه (siw) که از دو ردیف از میله های هادی تعبیه شده در داخل زیرلایه تشکیل شده است، از طرفی مانند خط ریزنواری کم حجم، سبک، دارای ساخت آسان، انعطاف پذیر و کم هزینه و از طرفی مانند موجبرهای کلاسیک دارای محفظه پوششی کامل، تلفات پایین، ضریب کیفیت بالا و قابلیت حمل توان بالاست. در این رساله فیلترهای siw مورد بررسی قرار گرفته و روش هایی برای کم کردن حجم ساختار فیلتر پیشنهاد شده اند.

از آنجا که منعکس کننده های گوشه ای دارای سطح مقطع راداری بزرگی هستند، کاربردهای مهمی از قبیل استفاده به عنوان هشدار دهنده راهنما برای رادار و همچنین استفاده به عنوان هدف برای تنظیم کار رادار، پیدا کرده اند. در همه این کاربردها امواج راداری لزوماً از یک زاویه مشخص به منعکس کننده نمی تابند لذا لازم است الگوی تغییرات سطح مقطع راداری این منعکس کننده ها تا حد زیادی هموار باشد. ما در این پایان نامه ضمن تحلیل کامل این منعکس کننده ها، طرح هایی برای هموارتر کردن الگوی تغییرات سطح مقطع راداری آنها ارائه داده ایم. ما نشان دادیم که طرح های ارائه شده برای هر دو قطبش عمودی و افقی نسبت به منعکس کننده های گوشه ای معمولی برتری دارند. علاوه براین ما قطبش موج پراکنده شده از منعکس کننده های گوشه ای معمولی و طرح های ارائه شده در این پایان نامه را بررسی کردیم. نتایج حاصله نشان می دهد که از دیدگاه قطبش موج پراکنده شده، رفتار منعکس کننده های ارائه شده در این پایان نامه با رفتار منعکس کننده های گوشه ای معمولی تفاوت چندانی ندارد که این یک نتیجه مطلوب است زیرا نشان می دهد که طرح های ارائه شده در این پایان نامه، رفتار منعکس کننده های گوشه ای را از یک دیدگاه (هموار بودن الگوی تغییرات سطح مقطع راداری) بهبود می بخشند بدون اینکه خللی در رفتار این منعکس کننده ها از دیدگاه دیگر (قطبش موج پراکنده شده) ایجاد کنند.

از زمانی که قانون fcc، مبنی بر اختصاص پهنای باند ghz1/3 تا ghz6/10 برای استفاده تجاری از تکنولوژی فراپهن باند در سال 2002 میلادی اعلام شد، تلاش های زیادی برای طراحی آنتن های فراپهن باند انجام شده است. یک آنتن فراپهن باند خوب باید بتواند تمام پهنای باندی را که fcc به سیستم های فراپهن باند اختصاص داده پوشش دهد و همزمان پارامترهای تشعشعی ثابتی روی تمام پهنای باند ذکر شده داشته باشد. یکی دیگر از مواردی که در طراحی آنتن های فراپهن باند حتما باید رعایت شود پاسخ خوب آنتن در حوزه زمان است. هدف از این پروژه تحلیل، طراحی و ساخت آنتن فراپهن باند مسطح با مشخصات بهبود یافته است. برای این منظور ابتدا روشی برای فشرده سازی ابعاد آنتن های فراپهن باند ارائه شده و با استفاده از همین روش دو نمونه آنتن فراپهن باند فشرده طراحی و ساخته شده اند. در ادامه به منظور ایجاد حذف باند در این آنتن ها دو ساختار پیشنهاد شده و نشان داده شده است که با استفاده از ایجاد شکاف در صفحه زمین می توان باند فرکانسی wlan را به صورت موثرتری نسبت به ساختارهای مشابه حذف کرد. همچنین دو نمونه آنتن فراپهن باند فشرده با قابلیت حذف موثر هر یک از زیر باند های wlan نیز ارائه شده اند که در آن ها از ساختار های رزوناتوری به عنوان فیلتر میان نگذر استفاده شده است. با توجه به مزیت استفاده از آنتن های فراپهن باند در شبکه های بی سیم نزدیک بدن انسان، آنتن فراپهن باند و فشرده ای نیز برای این منظور طراحی شده و رفتار آن در مجاورت بدن انسان مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین روشی برای جبران کاهش گین آنتن در نزدیکی بدن انسان ارائه شده است. با توجه به این که آنتن های فراپهن باند باید در حوزه زمان نیز تحلیل شوند از نرم افزار cst که قابلیت تحلیل در حوزه زمان را داراست برای تحلیل و طراحی این آنتن ها استفاده می شود.