نوسان سازهای کاتد مجازی به نسل جدیدی از لامپهای مایکروویو گفته می شود که قادرند پالسهای مایکروویوی در سطح توان چندین گیگاوات و محدوده فرکانسی 5/0 تا 20 گیگاهرتز تولید کنند. عملکرد آنها بر این پایه استوار است که، با تزریق یک پرتو الکترونی با چگالی جریان بالا به درون یک موجبر یا محفظه تشدید، پدیده ای بنام کاتد مجازی درون موجبر یا محفظه شکل می گیرد که دارای شرایط ناپایداراست. نوسان سازهای کاتد مجازی از این ویژگی ناپایداری استفاده کرده و انرژی پرتو الکترونی را به انرژی مایکروویو تبدیل می کنند. در ابتدا، تاریخچه و تحول این لامپها مورد مطالعه قرارمی گیرد، سپس، انواع این لامپها و نحوه عملکرد هر یک تشریح می شود. از بین لامپهای کاتد مجازی، ویرکیتور هم محور که دارای راندمان بالاتری نسبت به بقیه لامپها می باشد انتخاب و روابط حاکم بر آن مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. برای تحلیل بیشتر این لامپها یک کد الکترومغناطیسی بر مبنای fdtd ارایه شده است که این کد ذرات باردار را نیز در محاسبات خود وارد می کند و به محاسبه برهم کنش الکترونها و میدانهای الکترومغناطیسی می پردازد. نقش مکان وسرعت الکترونها در معادلات کرل ماکسول گنجانده شده است و همچنین تاثیر میدانهای الکترومغناطیسی بر روی الکترونها نیز طبق روابط نیروی لورنتز اعمال شده است که به این روش حل در اصطلاح pic-fdtd گفته می شود. در فصل آخر با استفاده از شبیه سازی، پارامترهای موثر بر عملکرد لامپ مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است و با استفاده از آن پیشنهاداتی برای افزایش راندمان لامپ ارایه شده است.

تفاضل محدود حوزه زمان از روشهایی است که به وسیله آن می توان به بررسی مسایل الکترومغناطیسی پرداخت. یکی از عللی که باعث می شود تا به سمت روش های عددی در الکترومغناطیس برویم آن است که در بعضی مسایل ساختار مساله به گونه ای است که با روش های ریاضی متداول و با حل مستقیم معادلات ماکسول، رسیدن به جواب غیر ممکن می شود. بدین منظور برای حل این مسایل باید تقریب هایی را در نظر گرفت تا مساله قابل حل باشد. در این صورت دیگر جواب بدست آمده دارای دقت خوبی نبوده و با مقدار حقیقی فاصله زیادی دارد. اگر بخواهیم جوا ب هایی با دقت بالا داشته باشیم ناگزیر به استفاده از روش های عددی در الکترومغناطیس هستیم. بدین ترتیب با تبدیل معادلات انتگرالی و دیفرانسیل به معادلات تفاضلی، می توان مسایل پیچیده ای را که تا کنون قابل حل نبودند را حل کرد. یکی از کاربرهای روش های عددی بررسی آنتن ها و پارامترهای تشعشعی آنها می باشد. برای این منظور باید به نحوی میدان های راه دور یک آنتن را محاسبه و سپس با استفاده از این داده ها به بررسی پارامترهای آنتن پرداخت. تبدیل میدان نزدیک به دور را می توان با استفاده از جریان های معادل میدان های اسکتر شده الکتریکی و مغناطیسی از منبع بر روی یک سطح فرضی بدست آورد. این امر با استفاده از روش ترکیبی تفاضل محدود حوزه زمان و فرکانس قابل انجام است. بدین منظور میدان های ناحیه نزدیک با استفاده از روش تفاضل محدود حوزه زمان محاسبه می شود و پس از محاسبه این میدان ها در حوزه زمان، با استفاده از تبدیل میدان نزدیک به میدان دور در حوزه فرکانس، میدان های ناحیه دور محاسبه می شوند. این روش دقت روش حوزه فرکانس در میدان نزدیک و سرعت تبدیل میدان نزدیک به دور را با هم ترکیب می کند. در این پروژه به بررسی آرایه های خطی دو و چهارتایی و آرایه های دایروی چهار، شش و دوازده تایی پرداخته شد و نتایج آنها با روش آنالیتیک مقایسه شد. آنچه به عنوان ادامه کار پیشنهاد می شود این است که چند آرایه دایروی هم مرکز و یا آرایه های بیضو مورد بررسی قرار گیرند.

با توجه به گسترش انواع فرستندهای فرکانس بالا، امروزه تحقیقات وسیعی در جهت ساخت سیستم های شناسایی متنوع انجام می پذیرد. کارکدهای اصلی یک سیستم شناسایی، آشکارسازی و تفکیک سیگنال های فرستندهای مختلف می باشد. اطلاع از وجود فرستندها و همچنین نوع سیگنال ارسالی آنها به ویژه در مورد فرستندهای پالسی، اطلاعات بسیار حیاتی می باشند. فرستنده های پالسی عمدتا در رادارها کاربرد دارند و به همین سبب از نظر استراتژیک، شناسایی و تفکیک فرستندهای پالسی منجر به شناسایی و تفکیک رادارهای موجود در منطقه می گردد. با توجه به تنوع فرکانسی این گونه فرستنده ها، لزما سیستم های گیرنده باید در طیف فرکانسی وسیعی قابلیت فعالیت داشته باشند. به همین جهت در این پایان نامه طراحی و ساخت یک سیستم گیرنده تشخیص سیگنال باند وسیع انجام گرفت. برای درک بهتر سیستم های رادار، لازم است ابتدا با سیگنال های راداری و همچنین مشخصات این سیگنال ها، آشنایی پیدا کرد. لذا در این پایان نامه علاوه بر مطالعه سیستم های راداری، انواع سیگنال های راداری، پارامترهای مختلف سیگنال های راداری و روش های آشکارسازی این پارامترها مورد بررسی قرار گرفت. به علاوه برای درک بهتر از سیستم های راداری، یک نرم افزار شبیه ساز پالس های راداری نوشته شد. پالس راداری تولید شده توسط این شبیه ساز می تواند به برنامه شبیه ساز واحد استخراج پارامترهای پالس داده شود تا پالس به طور کامل بازشناسی شود. در نهایت، نتایج اندازه گیری به دست آمده از ساخت سیستم در انتهای پایان نامه همراه با نمودارهای تولید شده آورده شده است.

آنتن های فعال یکپارچه آنتن هایی هستند که در آنها اجزای فعال به صورت مستقیم با ساختار آنتن مجتمع شده اند و خاصیت مورد نظر را به دست می دهند. در چنین ساختارهایی آنتن مایکرواستریپ همزمان به عنوان بار (در ورودی و یا خروجی، بسته به نوع عملکرد مدار) و همچنین تشعشع کننده رفتار می کند. یکی از مزایای چنین آنتن هایی نسبت به آنتن های عادی، کاهش قابل ملاحظه تلفات است. از مزایای دیگر می توان به کاهش حجم و ابعاد مجموعه ، قابلیت اطمینان بیشتر و هزینه های کمتر ساخت اشاره نمود. استفاده از ساختارهای متناوب جهت کنترل و تاثیر گذاری مطلوب بر امواج الکترومغناطیسی از دیرباز مرسوم بوده است. شبکه های متناوب در کاربردهای آنتنی به کریستالهای فتونی معروفند. کریستالهای فتونی به دسته ای از ساختارهای متناوب فلزی، عایقی و یا ترکیبی از این دو گفته می شود که با تناوب مشخص در حوزه مکان با الگوی یک بعدی، دو بعدی یا سه بعدی تکرار شده و در برخی باندهای فرکانسی، در یک یا چند جهت از خود باندهای ممنوعه (bandgap) نشان می دهند. در این پروژه برای اولین بار با بکارگیری ساختارهای کریستال فتونی در آنتن فعال مجتمع توانستیم بطور همزمن پارامترهای مختلف قسمت فعال مداری از جمله هارمونیک های فرعی و اندازه مدار فعال و همچنین پارامترهای قسمت آنتنی مانند سطح هارمونیک های دوم و سوم و ابعاد آنتن و بهره را بهبود ببخشیم. در این پروژه دو آنتن فعال مجتمع بهبود یافته در دو حالت گیرندگی و فرستندگی طراحی، شبیه سازی و ساخته شد. در مرحله اول یک آنتن فعال در فرکانس کاری 3ghz و در حالت گیرندگی طراحی و ساخته شد. از آنجا که آنتن فعال بصورت مجتمع طراحی شده است، شبکه تطبیق ورودی تقویت کننده حذف شده و بجای آن آنتن طراحی شده با امپدانسی برابر با امپدانس ورودی این شبکه تطبیق طراحی و جایگزین شد. بهینه سازیهای مختلفی بر روی این آنتن مجتمع انجام شده است. در قسمت دوم پروژه آنتن فعال دیگری را برای کار در فرکانس 10ghz و در حالت فرستندگی طراحی کردیم. در قسمت فعال از یک تقویت کننده متقارن باند x استفاده شد. با استفاده از ساختار زمین ناقص در شبکه تطبیق خروجی این تقویت کننده، سطح هارمونیک دوم و سوم را به ترتیب به اندازه 11db و 7db کاهش داده و حجم مدار نیز تا حد 20? کاهش پیدا کرده است. با استفاده از یک آرایه 2 در 2 کریستال فتونی مربعی شکل و یک ساختار زمین ناقص، بهینه سازی بر روی پچ انجام شد که شامل کاهش اندازه حدود 15? و افزایش بهره می باشد.

مسأله ردیابیِ اهداف مانوری در بسیاری از زمینه های نظامی و تجاری، مسأله ای حایز اهمیت است و در کاربردهای گوناگون به طور گسترده مطرح می گردد. اولین مسأله مطرح در ردیابی، مدلسازی حرکت هدف است. حرکت بسیاری از اهداف، دارای تغییرات شدید و ناگهانی است که به صورت ناپیوستگی و پرش در بردار حالت آنها ظاهر می شود. در این پایان نامه مدلسازی حرکت های مانوری با استفاده از فرآیندهای تصادفی پرشی مد نظر قرار گرفته است. بدین ترتیب تغییرات ناگهانی که در نتیجه آنها عمل ردیابی دشوار می گردد نیز پوشش داده شده و فیلتری که بر اساس این مدل طراحی می گردد عملکرد بهتری خواهد داشت. پس از انتخاب مدل، باید فیلتری طراحی شود که با داشتن نمونه های نویزی از فرآیند پرشی، مقدار آن را در هر لحظه تخمین بزند. در اینجا با شرایط غیرگوسی روبرو هستیم، بنابراین فیلتر کالمن پاسخ مناسب نمی-دهد. برای ردیابی این سیگنالها دو نمونه از فیلترهای مبتنی بر smc که گروهی از فیلترهای غیرخطی برای ردیابی در شرایط غیرگوسی هستند پیاده سازی شده است. همچنین با توجه به این که فرآیندهای پرشی، فرآیندهای غیرایستا هستند و به دلیل وجود ناپیوستگی ها، مسأله مشتق ناپذیری نیز در آنها مطرح می شود، استفاده از تبدیل موجک که تبدیلی multi-resolution است در تخمین این فرآیندها مفید به نظر می رسد. رویکردی که در این پایان نامه برای اولین بار بررسی می شود، ردیابی سیگنال در حوزه زمان-مقیاس است. به این منظور الگوریتمی برای ردیابی ضرایب موجک گسسته سیگنال به جای مقدار آن در حوزه زمان پیاده سازی و با نتایج روشهای قبلی مقایسه شده است.

هدف این پایان نامه محاسبه نظری حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق-پهنای باند آنتن های مایکرواستریپ بر اساس قضیه های تطبیق امپدانس باند وسیع بد-فانو و یولا می باشد. از آنجا که قضیه های بد-فانو و یولا به مدار معادل فشرده آنتن های مایکرواستریپ اعمال می شود، در این پروژه نخست روش های محاسبه مدار معادل فشرده آنتن های مایکرواستریپ تشریح می شود. بعد از معرفی مدار معادل باند باریک چند آنتن مایکرواستریپ نمونه ای، روش محاسبه نظری حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق-پهنای باند با استفاده از قضیه بد-فانو بررسی شده و سپس حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق-پهنای باند مد برای چند آنتن مایکرواستریپ نمونه ای محاسبه می شود. برای مدار معادل فشرده باند وسیع این نوع آنتن ها، توپولوژی انتخاب شده، نتیجه اعمال تکنیک بسط مدال به آنتن های مایکرواستریپ مستطیلی با زیرلایه نازک و ضریب دی الکتریک بالا می باشد. در این پایان نامه روش نوینی به منظور محاسبه مقدار اولیه المانهای مدار معادل باند وسیع آنتن های مایکرواستریپ ارایه شده و مقدار نهایی این المانها نیز از روشهای بهینه سازی بدست می آید. در ادامه، با بهره گیری از قضیه تطبیق امپدانس باند وسیع یولا و مدار معادل فشرده باند وسیع، حداکثر حاصلضرب اتلاف بازگشتی-پهنای باند چند آنتن مایکرواستریپ نمونه ای محاسبه می شود. روشهای محاسبه نظری حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق- پهنای باند در نهایت به یک سیستم معادلات غیر خطی می رسد که پس از بهینه سازی و حل این سیستم حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق-پهنای باند بدست می آید. آگاهی از حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق- پهنای باند در طراحی آنتن های مایکرواستریپ با پهنای وسیع و همچنین طراحی شبکه های تطبیق امپدانس اهمیت دارد. محاسبه نظری حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق-پهنای باند آنتن های مایکرواستریپ e-شکل که پهنای باند وسیع یا کارکرد دو-باندی دارد نشان می دهد که ایجاد اسلات های موازی روی یک آنتن مایکرواستریپ مستطیلی حداکثر حاصلضرب ضریب تطبیق-پهنای باند آن را کاهش می دهد.

مالتی پلکس تقسیم فرکانسی متعامد یا همان ofdm تکنیکی برای استفاده در سیستمهای ارسال زمینی ویدئویی دیجیتال dvb-t و خیلی کاربردهای مدرن دیگر باشد انگیزه اصلی استفاده از ofdmمقاومت این سیستم در کانالهای چند مسیره و نویز ایمپالسی می باشد بعلت کاهش نرخ بیت مربوط به هر ساب کریز نسبت به نرخ بیت اصلی دوره زمانی سمبل افزایش می یابد سمبلهای طولانی تر ofdmباعث کاهش و تضعیف نویز ایمپالسی می شود چرا که انرژی نویز ایمپالسی بطور همزمان و یکنواخت میان ساب کریرهای ofdmارسال شده پخش و گسترش می یابد این مزیت وقتی انرژی نویز ایمپالسی از یک حد threshold مشخص تجاوز کند به یک عیب بزرگ تبدیل می شود تکنیک های مختلفی جهت کاهش اثرات نویز ایمپالسی وجود دارد که از آن جمله می توان به الگوریتم پردازش سیگنال کدینگ interleaving و clipping اشاره کرد در انجام این پروژه سعی خواهد شد تا با مدل کردن مناسب سیگنال نویز ایمپالسی و کانال از یکسو تخمین دقیق خطای اعمالی از سوی دیگر شرایط مناسب را جهت واقعی کردن نتایج بدست آده فراهم نمود الگوریتم و روشی کاربردی جهت حذف کردن نویز ایمپالسی راارئه گردید الگوریتم بکار رفته در پروژه نیز بگونه ای خواهد بود تا با تغییرات آماری کانال نیز مطابقت داشته باشد در روش های معمول برای کاهش یا جذف نویز ایمپالسی عملیات در حوزه زمان قبل از دیمدولاسیون ofdmدر گیرنده صورت می گیرند و اکوالایز کردن کانال جبران کنیم روش را بر روی سیستم dvb-??t امتحان کرده و بهره و کارایی روش توسط شبیه ساز بررسی و مقایسه می شود

محاسبه ی سطح مقطع راداری یک جسم بسیار پیچیده است، چرا که تابع پیچیده ای از فرکانس و زاویه ی تابش موج ارسالی و نوع قطبش آن ، جنس ماده و ابعاد آن و همچنین زاویه ی مشاهده می باشد. از طرفی، کاهش سطح مقطع راداری یک جسم، از اهیمت ویژه ای در امور نظامی برخوردار است، که متامتریالها به دلیل داشتن ویژگی های منحصر به فرد خود، نقش مهمی را در این نمایش ایفا میکنند. متامتریالها مواد مصنوعی مهندسی میباشند که میتوانند گذردهی مغناطیسی و (یا) گذردهی الکتریکی منفی داشته باشند. از جمله ویژگی های منحصر به فرد متامتریالها، میتوان به داشتن ضریب شکست منفی اشاره نمود. ویکتور وسلاگو و دکتر اسمیت از نخستین کسانی هستند که به طور علمی و عملی به تحقق و ایجاد متامتریال دست یافتند. امروز از متامتریالها به واسطه ی ویژگی های منحصر به فردشان در ساخت شیلدها و جاذب های راداری استفاده های زیادی میگردد. به طور کلی ساختارهای اهداف را میتوان به سه دسته ی مسطح ، استوانه ای و کروی تقسیم نمود. مقالات و پروژه های زیادی در جهت بررسی ساختارهای مسطح صورت گرفته است و از جمله دست آوردهای این مقالات میتوان به این موضوع اشاره نمود که مواد معمولی برای ایجاد بازتاب صفر از یک ساختار مسطح کافی نیستند و نیاز به متامتریالها مبرم است. ازطرفی ساختارهای پوشش متامتریالی چند لایه موجب افزایش پهنای باند میگردند. ساختار استوانه ای به دلیل پیچیده تر بودن ، در مقایسه با ساختار مسطح کمتر مورد نوجه قرار گرفته است. این ساختار نسبت به ساختار مسطح پیچیده تر و نسبت به ساختار کروی راحت تر است و در محدوده ی دانش ماست. به همین دلیل در این پروژه ساختار استوانه ای مد نظر ما قرار گرفته است. اما ساختار کروی که به ندرت بررسی شده است، بسیار پیچیده تر وفراتر از دانش ماست و در مقالات نیز کمتر مورد توجه قرار گرفته است. دو راهکاری که در این پروژه برای در امان ماندن جسم از دید رادار استفاده شده است، ایجاد شفافیت و ایجاد ماکزیمم پراکندگی میباشند. هدف از ایجاد شفافیت، صفر کردن ضریب بازتاب موج تابشی به جسم می باشد که با این کار، از طریق از بین بردن امواج انعکاسی به سمت رادار، توانایی رادار از کشف هدف از بین خواهد رفت واما ایجاد ماکزیمم پراکندگی به منظور افزایش پراکندگی موج انعکاسی از جسم می باشد، که بااین کار موج انعکاسی در زوایای مختلفی پخش خواهد شد و از این طریق رادار در کشف هدف گیج می شود و به این ترتیب جسم از دید رادار در امان خواهد ماند. در فصل اول به معرفی متامتریالها از زمان طرح تئوری ایجاد تا زمان ساخت آنها و همچینین بیان ویژگیهای منحصر به فردشان پرداخته خواهد شد. سپس در فصل دوم، بررسی برخورد امواج الکترومغناطیسی با ساختار های مختلف مسطح ، استوانه ای و کروی و مقالات و بررسی های انجام شده در این زمینه ها، ارائه خواهد شد. در ادامه در فصل سوم به بررسی برخورد امواج الکترومغناطیسی با یک استوانه ی هادی کامل پوشیده شده با دولایه متامتریال پرداخته خواهد شد و شرایط لازم برای داشتن شفافیت و ماکزیمم پراکندگی ارائه می شود. همچنین از طریق نرم افزارهای متلب و کامسول (که یک نرم افزار تمام موج میباشد)، درستی نتایج حاصل از تئوریات ارائه شده در این فصل بررسی خواهد شد. ودر نهایت دست آوردهای این پایان نامه و همچینین پیشنهادات کاری آینده در ادامه ی این پروژه بیان میگردد.در نهایت نیز در قسمت پیوست ها مراحل اثبات تئوریات و فرمول بندی ها به طور مبسوط ارائه می گردند.