چکیده به دلیل رشد روزافزون ارتباطات بی سیم، تقاضا برای دستگاه های موبایل با قابلیت عملکرد در چندین استاندارد مختلف رادیویی و برای کاربرد های مختلف به طور روزافزونی در حال گسترش می باشد. به عبارت دیگر، سیستم های بی سیم امروزی در حال تبدیل به سیستم های با قابلیت عملکرد چند منظوره می باشند. در این بین آنتن های تغییرپذیر که دارای مشخصات اساسی قابل کنترل مانند فرکانس کاری، پهنای باند امپدانسی، پترن تشعشعی و پلاریزاسیون می باشند یک گزینه مناسب برای استفاده در سیستم های بی سیم چند رادیویی به شمار می روند. علاوه بر این، رادیوی شناختی که از طرف fcc به عنوان آینده مخابرات بی سیم مطرح شده است نیازمند یک آنتن ارتباطی تغییرپذیر فرکانسی می باشد. مسائل یاد شده منجر به تحقیقات فراوان در زمینه این آنتن ها به منظور استفاده بهینه از طیف الکترومغناطیسی گردیده است. در این پایان نامه، یک آنتن تک قطبی تغییرپذیر فرکانسی که دارای قابلیت سوئیچینگ بین پنج حالت کاری مختلف می باشد ارائه می گردد. این پنج حالت شامل یک حالت فراپهن باند، سه حالت تک باندی و یک حالت کاری دو باندی می باشد. تغییرپذیری فرکانسی آنتن ارائه شده با استفاده از یک ساختار زمین بریده شده (ناقص) که دارای قابلیت سوئیچینگ می باشد محقق گردیده است. آنتن طراحی شده دارای ساختار ساده و ابعاد فشرده 40 × 40 میلی متر مربع می باشد. آنتن ارائه شده که اکثر باندهای فرکانسی کاری بالای 2 گیگا هرتز را پوشش می دهد می تواند در سیستم های بی سیم چند منظوره مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این آنتن معرفی شده که دارای توانایی عملکرد همزمان به صورت های فراپهن باند و باند باریک می باشد دارای پتانسیل خوبی برای استفاده در رادیوی شناختی می باشد.

در سال 2002 رنج فرکانسی 1/3 تا 6/10 گیگاهرتز توسط fcc به سیستم های uwb اختصاص یافت. در ارتباطات باند وسیع، آنتن ها دارای سایز کوچک، سرعت انتقال دیتای بالا، پهنای باند وسیع، توان مصرفی کم و پترن تشعشعی همه جهته (جهت دهی کم)، تاخیر گروهی ناچیز، بهره پایدار و پاسخ فاز خطی هستند که در رادار، ردیابی، شبکه های سنسور و دستگاه های تشخیص سرطان سینه کاربرد دارد. در میان آنتن های مسطح باند گسترده و چندبانده آنتن های تک قطبی به دلیل انعطاف پذیری بالای طراحی کاندید بسیار مناسبی برای سیستم های بی سیم محسوب می شوند. با استفاده از آنتن های تک قطبی می توان به دلخواه به پهنای باند گسترده و یا دو یا چند بانده دست یافت. در عین حال پترن تشعشعی آنها مطلوب بوده و سبک، ارزان و به راحتی قابل ساخت می باشند. تا به امروز انواع مختلفی از آنتن های تک قطبی در فرم ساده و ترکیبی ارائه و طراحی شده و مطالعات بیشتر در این زمینه ادامه دارد. در این پایان نامه پس از بررسی و مطالع? روش های گذشته برای بهبود عملکرد آنتن های تک قطبی، ابتدا آنتن جدید تک قطبی ساده با پچ بیضوی ارائه شده و به نحوی بهینه سازی شده است که بتواند باند فرکانسی uwb را پوشش دهد. در این ساختار با ایجاد تغذیه trident-shape می توان پهنای باند آنتن را افزایش داد. در ادامه برای حذف باند متداخل از باند فرکانسی اصلی، دو شکاف بیضوی شکل با زاویه متغییر در ساختار آنتن ایجاد شده است. آنتن پیشنهادی روی زیرلایه fr4 با ابعاد 20*21*1 mm3 قرارگرفته و به نحوی بهینه سازی شده که بتواند پهنای باند از 8/2 تا 15.5 گیگاهرتز را پوشش داده و باند متداخل از 1/5 تا 8/5 گیگاهرتز را حذف کند.

در این پایان نامه سه فیلتر پایین گذر با استفاده از ساختارهای زمین ناقص برای کاربردهای فراپهن باند طراحی شده است. در فیلترهای پایین گذر با ساختار زمین ناقص متداول، برای افزایش پهنای باند از پشت سر هم قرار دادن چند شیار استفاده می کنند که این امر منجر به بزرگ شدن ابعاد فیلتر می-شود. در فیلترهای اول و دوم از یک ساختار زمین ناقص جدید برای داشتن پهنای باند نگذر بزرگ استفاده شده است. برای کاهش ابعاد فیزیکی فیلترهای پایین گذر پیشنهادی و همچنین کاهش عرض باند آن، از استاب های مدار باز t شکل در خط انتقال مایکرواستریپ استفاده شده است تا مشخصه ی امپدانس ورودی را تغییر دهد. فیلترهای طراحی شده با توجه به ساختار زمین ناقصی که در آن ها قرار داده شده از قابلیت تنظیم پذیری برخوردار است. بدین شکل که تنها با تغییر مشخصات فیزیکی شیارهای معرفی شده و بدون تغییر دیگر پارامترهای ساختاری فیلتر، به سادگی می توان فرکانس قطع فیلتر را تنظیم کرد. اندازه ی کوچک و تنظیم پذیری فیلترهای پیشنهادی و همچنین طراحی های ساده-ی آن ها، از ویژگی های اصلی این فیلترها می باشد. برای بررسی بیشتر و مقایسه بین عملکرد عملی فیلتر با نتایج شبیه سازی، یک نمونه اولیه از یکی از این فیلترها ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج حاصل از اندازه گیری این فیلتر ساخته شده مطابقت خوبی را با نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که تصدیق کننده ی صحت طراحی این فیلترهاست.

در این پایان نامه یک طراحی جدید برای فیلتر پایین گذر با استفاده از ساختارهای زمین ناقص معرفی شده است. در کارهای قبلی با استفاده از dgs به صورت متناوب فیلترهای پایین گذر طراحی می شد. در ساختارهای متناوب فیلتر پایین گذر توسط الگوهای متداول طراحی مثل باترورث، چبی شف و ... طراحی می شدند سپس با استفاده از مدار معادل ساختارهای زمین ناقص از dgs ها برای تحقق مدارات سلفی وخازنی استفاده می شد. در ساختارهای متناوب برای افزایش تیزی فیلتر باید تعداد المان های فیلتر را افزایش داد. با افزایش تعداد المان های فیلتر تلفات درونی و سایز فیزیکی فیلتر افزایش می یابد که مطلوب نیست. در روش پیشنهادی ابتدا قسمت فوقانی (روی) فیلتر با الگوهای رایج (مانند چبی شف) طراحی می شود. برای تحقق طراحی در قسمت فوقانی از روش امپدانس پله ای استفاده شده است. پس از طراحی قسمت فوقانی از dgs های مختلف در زمین ساختار استفاده شده است که هر یک از این dgs ها دارای یک قطب تضعیف می باشد. با تنظیم ابعاد این dgs ها محل قطب های فرکانسی قابل کنترل خواهد بود. سپس پارامترهای مطلوب فیلتر مانند تیزی حول فرکانس قطع و باند گپ وسیع با استفاده از ساختارهای زمین ناقص قابل حصول خواهد بود. در نهایت فیلتر پایین گذر طراحی شده ساخت و تست گردید که نتایج عملی انطباق خوبی با نتایج شبیه سازی داشت. پس از معرفی فیلتر پایین گذر، در ادامه یک ساختار جدید زمین ناقص معرفی گردید. با استفاده از ساختار جدید یک باند گپ با فاکتور q بالا حاصل شد. این ساختار قابلیت رزونانس در دو فرکانس را دارد.در ادامه این پایان نامه یک فیلتر میان گذر uwb جدید معرفی گردید. فیلتر پیشنهادی دارای باند نگذر وسیع و تلفات درونی کم می باشد. ابعاد این فیلتر در مقایسه با کارهای مشابه کوچک تر است. پارامترهایی مانند تیزی حول فرکانس های قطع و تلفات درونی برای فیلتر میان گذر پهن باند مورد طراحی، با استفاده از ساختار زمین ناقص بهبود داده شد.

به دلیل رشد روزافزون مخابرات سیار و ارتباطات بی سیم، تقاضا برای آنتن های سبک و قابل حمل با قابلیت عملکرد در استانداردهای مختلف رادیویی برای کاربردهای مختلف به طور روز افزونی در حال گسترش است. در سیستم های ارتباطی، ممکن است نیاز باشد که از چندین استاندارد مختلف برای عملکردهای مستقل استفاده شود. به همین جهت برای اجتناب از کاربرد آنتن های مختلف در یک سیستم لازم است آنتن هایی طراحی شود که قابلیت کار در دو یا چند استاندارد مختلف را داشته باشند. آنتن های قابل کنترل با استفاده از سوئیچ هایی در ساختار خود، قابلیت کار در دو یا چند استاندارد مختلف را دارند. این آنتن ها باید قابلیت کنترل حداقل یکی از پارامترهای فرکانس، پهنای باند، پترن یا پلاریزاسیون را داشته باشند. از این رو امروزه تحقیقات فراوانی برای دستیابی به آنتن های قابل کنترل انجام می شود. در این پایان نامه، یک آنتن میکرواستریپ ارائه می شود که قابلیت کنترل پلاریزاسیون در فرکانس ثابت 4/2 گیگاهرتز را دارد. با استفاده از دو عدد دیود پین در ساختار آنتن و کنترل این دیودها با استفاده از مدار بایاس dc می توان پلاریزاسیون آنتن را بین دو حالت پلاریزاسیون دایروی راستگرد و پلاریزاسیون دایروی چپگرد سوئیچ کرد. آنتن با استفاده از خط تغذیه موجبر نیم صفحه (cpw) تغذیه می شود و کل آنتن بر روی یک رویه ار زیرلایه ی دی الکتریک پیاده سازی شده است. در این آنتن از زیرلایه ی ارزان قیمت fr4 با ثابت 4/4 و ضخامت 1 میلی متر استفاده شده است و ابعاد کلی آنتن 75×70 میلی متر می باشد.

در این پایان نامه دو ساختار متامتریال سه بعدی در فرکانس های تراهرتز طراحی شده و سپس پارامترهای الکترومغناطیسی آن ها استخراج گشته است. از آنجا که ساختارهای سه بعدی دارای ضخامت موثر بیشتری می باشند و امکان خطا در استخراج پارامترهای آن ها از طریق تئوری محیط موثر، با فرض ساختار به عنوان یک محیط همگن وجود دارد، فرایندی بر مبنای اصل علیت برای بازیابی مقادیر دقیق پارامترهای الکترومغناطیسی، مورد استفاده قرار گرفته است. صحت فرایند به کار گرفته شده با بازیابی ضریب شکست دقیق یک مکعب پلی آمید همگن به دست آمده است. ساختارهای متامتریالی سه بعدی پیشنهادی می توانند در فرکانس های تراهرتز از خود ضریب شکست منفی نشان دهند. در بخش بعدی پایان نامه به طراحی، آنالیز، ساخت و تست یک جاذب متامتریالی پرداخته شده است. برای طراحی این جاذب از یک ساختار چلیپایی استفاده شده است. جاذب متامتریالی پیشنهادی دارای دو باند جذب موج الکترومغناطیسی می-باشد و مکانیسم آن بر اساس تئوری تداخل بررسی، محاسبه و شرح داده شده است. نمودار های نرخ جذب بر اساس شبیه سازی ، محاسبات عددی و اندازه گیری تجربی بر یک دیگر منطبق می باشند. در بخش پایانی به طراحی یک آنتن متامتریالی تک قطبی با عملکرد چند باندی پرداخته شده است. آنتن پیشنهاد شده دارای یک پچ با ساختار پیچ خورده است که با یک سلول واحد متامتریالی crlh بار شده است. بار متامتریالی می تواند به طور موثری تطبیق امپدانس آنتن پیشنهادی را بهبود ببخشد. همچنین آنتن پیشنهادی دارای ابعاد کوچکی در مقایسه با طول موج کوچکترین فرکانس رزونانس آنتن است. این آنتن دارای پترن جهت داری می باشد که بسته به باند فرکانسی، در سه جهت اصلی مختلف تشعشع می نماید و همچنین دارای مقادیر بهره و مقادیر بازدهی بالایی می باشد. یک نمونه ی عملی از آنتن متامتریالی پیشنهادی ساخته و تست شده است. نتایج حاصل از اندازه گیری با شبیه سازی ها از تطابق مطلوبی برخوردار است. در این پایان نامه تمامی شبیه سازی های کامپیوتری با استفاده از نرم افزار cst، تمامی محاسبات عددی با استفاده از matlab و تمامی اندازه گیری های تجربی در آزمایشگاه آنتن و مایکروویو شمال غرب کشور در دانشگاه ارومیه انجام پذیرفته است.

طراحی و شبیه سازی یک شیفت دهنده فاز میکرو الکترومکانیکی 6 بیتی در باند x مورد بررسی قرار گرفته است. در طراحی این شیفت دهنده ساختار به نسبت جدیدی را با ادغام دو ساختار dmtl و switched-line ارایه داده¬ایم. با توجه به نتایج شبیه سازی، میانگین return loss و insertion loss برای تمامی 64 حالت شیفت فاز در فرکانس ghz 7/9 به ترتیب برابر db 22- و db 06/0- است. همچنین در این فرکانس مقدار موثر خطای فاز برابر 3/2 درجه است. با توجه به میانگین تلفات db 6/0برای تمامی حالات شیفت فاز، عملکرد این شیفت دهنده برابر db/bit 1/0 بدست می¬آید. از ویژگی¬های شیفت دهنده فاز پیشنهادی می¬توان به استفاده از پل¬های خازنی فلز-هوا-فلز اشاره نمود که موجب کاهش تلفات انتقال می¬گردد. همچنین فرآیند ساخت پیشنهادی برای این شیفت دهنده بر خلاف شیفت دهنده dmtl نیاز به لایه سیلیکان نایتراید ندارد که موجب سادگی و کاهش مراحل ماسک گذاری و لیتوگرافی به پنج مرحله می¬گردد. با استفاده از روابط ریاضی اثبات کرده¬ایم که نسبت فرکانس قطع به فرکانس کاری برای این شیفت دهنده فاز برابر 20 است که این نسبت مستقل از پارامتر¬های طراحی همچون فاصله بین پل¬های خازنی است. ابعاد این شیفت دهنده 6 بیتی برابر ?mm?^2 134 است.