امروزه آنتن های ریزنواری به دلیل مزایای بی شماری مانند حجم کم، هزینه ساخت پایین، قابلیت مجتمع سازی با مدارات مایکروویوی، طراحی آسان و غیره مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته اند. در بسیاری از تحقیقات انجام شده محققان سعی کرده اند تا با استفاده از تکنیک های خاصی به بهینه سازی این دسته از آنتن ها بپردازند. در این راستا، فنون بهینه سازی بسیاری مانند الگوریتم ژنتیک ga، روش بهینه سازی تجمع ذرات (pso) و…، در مسائل مهندسی بکارگرفته شده اند. در این پروژه برای بهینه سازی آنتن های ریزنواری به طور خاص به الگوریتم تاگوچی، اشاره شده است که در مقایسه با روشهای دیگر، روش تاگوچی روشی ساده تر بوده و در رسیدن به پاسخ های بهینه بسیار موثر است. الگوریتم تاگوچی، روشی است بر پایه مفهوم آرایه های متعامد که روشی سیستماتیک و موثر را در انتخاب پارامترهای طراحی پیشنهاد می دهد. در این پروژه، با هدف کاهش پیچیدگی محاسبات و زمان بهینه سازی، ابتدا با استفاده از یک سیستم استنتاج فازی-عصبی وفقی (anfis) که با داده های بدست آمده از hfss آموزش داده می شود، مشخصه خاصی از آنتن به صورت تابعی از پارامترهای فیزیکی آن تخمین زده می شود. سپس فرآیند بهینه سازی با تعریف یک تابع هدف مناسب و اعمال الگوریتم تاگوچی به آن، انجام می شود. روش پیشنهادی به منظور بدست آوردن، پارامترهای فیزیکی بهینه دو آنتن ریزنواری فراپهن باند cpw با قابلیت حذف باند با استفاده از یک فیلتر میان نگذر و یک آنتن ریزنواری پچ در جهت بیشینه کردن پهنای باند استفاده شده است. نتایج بدست آمده نشان دهنده بازده مناسب و توانمندی روش پیشنهادی است.

در این پژوهش، به روش های معکوس در الکترومغناطیس پرداخته شده است. درحل مسائل معکوس، هدف بدست آوردن مشخصات داخلی یک سیستم فیزیکی برمبنای رفتار یا رفتارهای خارجی آن سیستم می باشد. درحقیقت این تعریف عکس تعریف مسائل مستقیم است. یکی از کاربردهای پر اهمیت حل اینگونه مسائل، توموگرافی یا پرتونگاری تصویری مایکروویوی می باشد. در توموگرافی مایکروویوی هدف، یافتن تصویری داخلی از جسم مورد بررسی، توسط اندازه گیری های مایکروویوی در خارج از حجم مذکور است. تمرکز این پژوهش، بر روی الگوریتم های معکوسی می باشد که قادر به حل مسئله پراکندگی معکوس الکترومغناطیسی مرتبط با mwt هستند. در اینگونه مسائل با دو خصوصیت از مسائل معکوس روبرو می شویم: یکی غیرخطی بودن مسئله و دوم بد-وضعیت بودن آن. پس از انجام مروری کلی بر روی برخی فرمولاسیون های ممکن برای حل مسئله بهینه سازی غیر خطی، جزئیات الگوریتم معکوس گوس-نیوتن، که یکی از این روش هاست، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. سپس، تکنیک های رگولاسیون متفاوتی برای این الگوریتم بررسی و طبقه بندی می گردند. پس از آن، روش نوینی برای فرمول بندی معکوس منبع کنتراست، در حل مسئله تصویر برداری مایکروویو، تحت عنوان الگوریتم csi بررسی می گردد. در این مقوله، چند الگوریتم مشابه در این خانواده مورد بحث و مقایسه قرار می گیرند که در نهایت با بررسی الگوریتم های حاصل و مقایسه نتایج بدست آمده در این پژوهش با پژوهش های مشابه در این زمینه، بهبود در سرعت همگرایی الگوریتم های معکوس و نیز دقت بالاتری را شاهد هستیم.

سیستم های مخابراتی جدید به آنتن هایی با پهنای باند بیشتر، باندهای فرکانسی متنوع و اندازه کوچک تر از معمول نیاز دارند. امروزه اندازه سیستم های مخابراتی به تدریج کوچک تر می شود در حالی که کارایی آن ها افزایش می یابد. اندازه آنتن در مقایسه با طول موج پارامتری است که بر روی خواص تششعی آن تأثیرگذار می باشد. برای داشتن تششعی کارآمد و موثر به آنتنی با اندازه 2/? و یا بیشتر احتیاج است. کاهش دادن اندازه آنتن باعث بدتر کردن خواص تششعی از جمله پهنای باند، بهره و کارایی آن می شود. به علاوه رشد سریع فناوری بی سیم توجهات زیادی را به سوی آنتن های چند بانده جلب کرده است. یکی از جدیدترین روش های چند بانده کردن، استفاده از هندسه های فرکتال در ساختار آنتن می باشد. علاوه بر این مزیت اصلی، استفاده از هندسه های فرکتالی در طراحی آنتن، باعث کوچک تر شدن اندازه آن نسبت به حالت معمولی و برای یک فرکانس مشخص می شود. در این پروژه از یک شکل فرکتالی جدید که از نیم دایره های تو در تو تشکیل شده برای چند بانده کردن و نیز کوچک تر کردن آنتن ریزنواری نیم دایره ای استفاده شده است. هندسه فرکتالی معرفی شده دارای ویژگی کوچک سازی به میزان 91/22 درصد نسبت به نیم دایره معمولی می باشد.به منظور ایجاد تطبیق در هر دو باند تشدید از روش تغذیه با تزویج مغناطیسی مجاورتی استفاده کرده ایم. برای قابل استفاده بودن این آنتن در سیستم rfid باید پلاریزاسیون دایروی در هر دو باند کاری وجود داشته باشد. در این پروژه، با روش ایجاد اختلال در صفحه پچ و استفاده از یک تغذیه،پلاریزاسیون دایروی محقق شده است. آنتن ارائه شده در این پایان نامه، دارای دو فرکانس تشدید در دو فرکانس کاری سیستم های rfid بوده و در این دو فرکانس دارای پلاریزاسیون دایروی نیز می باشد. تمام شبیه سازی ها با نرم افزار hfssانجام شده و نتایج حاصل از تحلیل ها ارائه شده اند.

ساختارهای ebg ساختارهای متناوبی می باشند که توانایی جلوگیری از انتشار امواج در یک یا چند جهت، در یک باند فرکانسی خاص را دارند. به دلیل وجود همین ویژگی، کاربردهای این ساختارها در آنتن ها، فیلترها و دیگر ادوات مایکروویوی بسیار وسیع می باشد. هدف از انجام این پایان نامه استفاده از ساختارهای ebg جدید، جهت کاهش تزویج متقابل بین عناصر آنتن ریزنواری آرایه ای است. هر چه المان واحد ساختار ebg دارای اندازه ی کوچکتری باشد، تعداد دفعات تکرار این واحدها در بین عناصر آنتن آرایه ای را می توان افزایش داد و بنابراین تزویج متقابل بین عناصر آنتن بیش تر کاهش می یابد. در این پایان نامه برای تعیین باند ممنوعه ی فرکانسی یک ساختار ebg، ابتدا یک المان واحد آن با استفاده از روش fdtd تحلیل شده است. مزیت استفاده از روش fdtd در این است که می توان با یک بار تحلیل، پهنای باند وسیعی از فرکانس را شبیه سازی نمود و در نتیجه زمان اجرای برنامه را به صورت چشمگیری کاهش داد. سپس با استفاده از ایده ی ایجاد شکاف مربعی در ساختارebg مورد بحث و بهینه سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک سعی شده است تا این ساختار تا حد ممکن کوچک شود. با بهینه سازی انجام شده، اندازه ساختار ebg به اندازه 7/16% کاهش یافته و علاوه بر آن، پهنای باند نسبی ساختار از 67/2% به 66/13% افزایش یافته است. در نهایت برای بررسی کاهش تزویج متقابل بین عناصر آنتن آرایه ای، یک آرایه ی دو عنصری از پچ ریزنواری، یک بار به همراه ساختار ebg معمولی و یک بار به همراه ساختار ebg کوچک شده پیشنهادی، با استفاده از نرم افزار hfss ansoft تحلیل شده و نتایج با آرایه بدون ساختار ebg نیز مقایسه شده است. شبیه سازی ها نشان می دهند با به کار بردن یک لایه ساختار ebg معمولی، تزویج متقابل بین دو المان آرایه به اندازه ی2.59db کاهش می یابد در حالی که با به کار بردن دو لایه ساختار ebg کوچک شده، تزویج متقابل به اندازه-ی4.59db کاهش می یابد.

در سال های اخیر، گسترش سریع سیستم های مخابراتی در فرکانس های مایکروویو، طراحی و پیاده سازی سیستم های فرستنده و گیرنده با ابعاد کوچک و کارایی بالا را ضروری نموده و در نتیجه تقاضا برای ادوات و قطعات مایکروویو جدید مانند فیلترها و آنتن ها افزایش یافته است. خطوط ریزنواری با ساختار زمین اختلال یافته (dgs) کاربردهای بسیاری در مدارهای فرکانس بالا و مدارهای مجتمع مایکروویو دارند. این ساختارهای جدید را می توان در طراحی مدارهای مسطح مایکروویو و برای کوچک سازی آن ها به کاربرد. این ساختارها که به صورت متناوب و یا غیر متناوب بر روی سطح زمین خط ریزنواری ایجاد می شوند، پارامترهای خط انتقال را تغییر داده و پاسخ فرکانسی آن را کنترل می کنند. علاوه بر آن، این ساختارها با یک مدار ساده تشدید مدل شده و در نتیجه، به دست آوردن پارامترهای آن ها ساده است. در این پایان نامه، ابتدا ساختارهای زمین اختلال یافته معرفی و ویژگی آن ها بیان شده است. سپس مدارهای معادل این ساختارها معرفی شده و سیر تکامل و کاربردهای این ساختارها مورد بررسی قرار می گیرد. سپس یک ساختار زمین اختلال یافته جدید معرفی و تحلیل می شود. در ادامه به بررسی پارامتری ساختار زمین اختلال یافته پیشنهادی پرداخته و تأثیر آن بر روی پاسخ فرکانسی ساختار بررسی می شود. در انتها، چگونگی استفاده از ساختار زمین اختلال یافته پیشنهادی در طراحی و بهبود عملکرد چند نمونه از ادوات مایکروویو، مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. از جمله این موارد می توان به طراحی دو فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع های ghz58/4 و ghz3 با دو روش طراحی متفاوت، کاهش و حذف هارمونیک های دوم و سوم یک آنتن ریزنواری با فرکانس تشعشع ghz9/0 و کاهش تزویج متقابل بین دو عنصر یک آنتن آرایه ای مسطح با فرکانس ghz2/9 اشاره نمود. هر یک از ساختارهای طراحی شده بالا با ساختار زمین اختلال یافته دمبلی شکل مربعی نیز طراحی و باهم مقایسه شده است. در نهایت، پاسخ فرکانسی فیلتر پایین گذر طراحی شده با فرکانس قطع ghz3 با نتایج به دست آمده از نمونه ساخته شده، مقایسه شده است. نتایج اندازه گیری شده، نتایج حاصل از شبیه سازی و تحلیل تمام موج را بخوبی تایید می کنند.

امروزه محدوده فرکانسی امواج تراهرتز توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است. یکی از مزایای امواج تراهرتز که سبب شده است فناوری تراهرتز در مخابرات پیشرفت گسترده ای داشته باشد، انتشار امواج تراهرتز در فضای آزاد با تلفات پراکندگی کم است. به علت افزایش تلفات عایقی در خطوط انتقال موجبری در محدوده فرکانسی امواج زیر میلیمتری، معمولاً از موجبرهای توخالی در این باند استفاده میشود؛ ولی ساخت اینگونه موجبرها به دلیل ابعاد میکرومتری و بسیار کوچکی که دارند مشکل است. میکروماشینکاری در فرآیند ساخت میتواند به حل این مشکل کمک کند، اما در فرکانسهای بالای 500 گیگاهرتز موجبرها بسیار کوچک هستند. از این رو استفاده از روشهای ماشینکاری معمولی برای ساخت آنها، بسیار مشکل بوده و هزینه زیادی دارد. برای غلبه بر این مشکلات، تحقق موجبرهای مبتنی بر ساختارهای ebg به عنوان یک جایگزین کم هزینه و کم تلف مطرح شده است. در این پایان نامه طراحی یک تزویج کننده جهتی بر مبنای ساختار ebg با دو پست فلزی بر اساس فناوری mems انجام شده است. همچنین یک تزویج کننده هایبرید 90 درجه با چهار پست فلزی با استفاده از دو روش پیشنهادی طراحی شده است. در نهایت تزویج کننده هایبرید 180 درجه مبتنی بر موجبرهای دایروی طراحی شده است. در ساختار این تزویج کننده نیز چهار پست فلزی استفاده شده است تا تزویج در خروجی¬ها کنترل شود. تمام تزویج کننده های طراحی شده با یک، دو و سه ردیف ساختار ebg شبیه سازی شده اند. شبیه سازی تزویج کننده ها با دو و سه ردیف ساختار ebg به نتایج خوبی از قبیل تلفات بازگشتی خیلی کم در ورودی، ایزولاسیون مناسب و تقسیم توان مطلوب در خروجی ها منجر شده است. نتایج بررسیهای انجام شده نشان میدهد که یک ردیف از ساختار ebg نمیتواند باند ممنوعه الکترومغناطیس را در محدوده فرکانسی مورد نظر به درستی ایجاد کند و استفاده از دو ردیف ساختار ebg میتواند بهترین جایگزین برای دیواره های کناری موجبرهای ساده باشد.

امروزه در زمینه های گوناگونی از جمله کاربردهای رادیویی، پزشکی، عکس برداری مایکروویوی و نجوم از آنتن های فرا پهن باند (uwb) استفاده می شود. آنتن های ویوالدی به دلیل بهره قابل قبول، پهنای باند وسیع، سطح مقطع عرضی کوچک و ساخت راحت و ارزان یکی از مناسب ترین گزینه ها برای کاربردهای uwb می باشند. یکی از چالش های پیش رو در این آنتن ها، به خصوص در کاربردهای پزشکی که اخیراً بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته، نیاز به باریک بودن پرتو اصلی آنتن و بهره بالا است. در زمینه پزشکی، از جمله تصویربرداری و پیدا نمودن مکان تومورها و از بین بردن تومورها به روش هایپرترمیا، به دلیل نوع بافت بدن (در قسمت سر، پوست و جمجمه و در سایر نقاط بافت چربی و پوست) تمرکز پرتو آنتن در یک منطقه محدود، امری اجتناب ناپذیر است. این ویژگی در کاربردهای دیگر مانند تصویربرداری از میان دیوار (through the wall imaging) نیز امری لازم و مفید است. یکی از روش های کارآمد برای افزایش بهره آنتن های ویوالدی، شکل دهی زیرلایه آنتن است. این عمل علاوه بر متمرکز نمودن انرژی آنتن و بالا بردن بهره، کجی پرتو اصلی را نیز بهبود می بخشد. شکل دهی زیرلایه نقش لنز را در آنتن ایفا می کند. لنز هم می تواند به طور کامل در جلوی آنتن و هم می تواند در دهانه تشعشعی آن قرار گیرد. در این پایان نامه، دو نوع جدید از این شکل دهی زیرلایه در دهانه تشعشعی آنتن ویوالدی آنتی پودال ارائه شده است. لنزهای پیشنهادی از جنس عایق بوده و لبه های آن به صورت منحنی نمایی می باشد. علاوه بر این، انتهای بازوهای فلزی آنتن که در قسمت بالا و پایین زیرلایه قرار گرفته اند، برای بهبود پهنای باند، به صورت نیم بیضی شکل دهی شده است. آنتن های پیشنهادی به وسیله نرم افزارهای hfss و cst شبیه سازی، تحلیل و طراحی شده است. نتایج نشان می دهند که آنتن پیشنهادی در محدوده فرکانسی 2-12 گیگاهرتزدارای ضریب انعکاس کمتر از 10- دسی بل می باشد. همچنین در این بازه، بهره آنتن تا 3 دسی بل از آنتن ویوالدی آنتی پودال مرسوم بیشتر است. علاوه براین، فرکانس قطع پایین آنتن نیز 59% کاهش داشته است. آنتن های پیشنهادی ساخته شده و نتایج اندازه گیری با نتایج شبیه سازی مقایسه شده اند. نتایج اندازه گیری شده با دقت خوبی نتایج حاصل از شبیه سازی را تایید می کنند. در انتها نیز چندین آرایه فرا پهن باند از جمله آرایه صفحه e و h متشکل از آنتن پیشنهادی طراحی و خصوصیات تشعشعی آنها مورد بررسی قرار گرفته است.

فیلترهای فراپهن باند یکی از اجزای مهم و ضروری مدارهای مایکروویوی فراپهن باند بوده و تا کنون ساختارهای متنوع و روش های گوناگونی برای طراحی و تحقق آن ها ارائه شده است. در این پایان نامه، یک فیلتر میان گذر ریزنواری فراپهن باند با تلفات عبوری کم و حذف خارج از باند وسیع تحلیل، طراحی و ارائه شده است. این فیلتر از ترکیب یک فیلتر بالاگذر و یک فیلتر پایین گذر به منظور دست یابی به مشخصه ی فرکانسی فراپهن باند و همچنین حذف هارمونیک های مراتب بالاتر فیلتر بالاگذر در یک باند وسیع، تشکیل شده است. علاوه بر این، فیلتر ارائه شده دارای دو باند حذف تیز با تضعیف بیش ازdb20در فرکانس ghz7/5 و 1/8، واقع در باند عبور فیلتر، نیز می باشد. برای تحقق باندهای حذف مذکور، از یک تشدیدکننده ی امپدانس پله ای تزویج شده به خط ریزنواری فیلتر و یک قطعه ی فرعی مدار باز تعبیه شده در خط ریزنواری استفاده شده است. فیلتر ارائه شده توسط نرم افزار hfssشبیه سازی و به صورت پارامتری تحلیل شده است. فیلتر طراحی شده ی نهایی با پارامترهای بهینه، دارای پهنای باند ghz (83/10 – 55/2)، باند حذف وسیع، شیب تیز مشخصه ی انتقال از باند حذف به باند عبور و بالعکس و همچنین ابعاد فیزیکی mm (5/27 ×82/11×813/0) می باشد. فیلتر پیشنهادی، ساخته شده و پارامترهای آن اندازه گیری شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی با دقت خوبی نتایج اندازه گیری را تایید می کنند.

پژوهش حاضر، آنتن های ریزنواری محفظه پشتی و راهکارهای کوچک سازی و بهبود بهره و پهنای باند این آنتن ها را بررسی می کند. پس از مرور پیشینه ای از ساختارهای siw و آنتن های ریزنواری محفظه پشتی siw، با استفاده از تحریک مدهای tm330 و tm560 در یک محفظه تشدید مستطیلی و ایجاد شکاف های مستطیل شکل روی بدنه آن، به ترتیب آرایه های 5 و 15 عنصری از آنتن های شکافی محفظه پشتی طراحی شده و با استفاده از ساختارهای siw پیاده سازی شده اند. همچنین تأثیر پین های اتصال کوتاه در حذف تشدید ناخواسته در این آنتن ها بررسی شده است. در انتها با استفاده از شکاف های i شکل پهنای باند آنتن آرایه شکافی محفظه پشتی 15 عنصری به میزان 6 برابر افزایش داده شده است. همچنین با استفاده از محفظه تشدید siw بهره یک آنتن پچ حلقوی به میزان db2 افزایش داده شده است. سپس سه آرایه خطی چهار عنصری با تحریک یکنواخت از آنتن های ریزنواری، پیچ حلقوی، پیچ حلقوی با محفظه تشدید فلزی و پیچ حلقوی با محفظه تشدید مبتنی بر ساختار siw طراحی شده است. در ادامه، برای کاهش فاصله بین عناصر آرایه، دیواره های محفظه های مجاور، ادغام شده و یک دیواره مشترک بین دو محفظه مجاور قرار داده شده است.

استفاده از شکاف ایجاد شده روی بدنه ی موجبر مستطیلی به عنوان یک عنصر تشعشع کننده و کاربرد آن در ساخت آنتن های آرایه ای بسیار رایج و متداول است. تاکنون شکاف های متعددی روی دیواره های پهن و باریک موجبر مستطیلی مورد تحقیق و بررسی قرارگرفته اند. در مواردی که لازم است قطبش آنتن شکافی موجبری در امتداد محور موجبر باشد و یا اینکه در طراحی آرایه های صفحه ای لازم باشد فاصله بین شکاف ها را کوچکتر یا مساوی نصف طول موج امواج منتشر شونده در موجبر در نظر بگیریم، بناچار شکافها باید روی دیواره ی باریک موجبر قرار بگیرند. ساده ترین و رایجترین شکافی که در دیواره ی باریک موجبر مستطیلی مورد استفاده قرار می گیرد، شکاف مستطیلی مورب است که به آن شکاف لبه ای نیز می گویند. طول تشدید شکاف لبه ای معمولاً بیش از پهنای دیواره ی باریک موجبر بوده و بریدگی شکاف به دیواره های پهن موجبر نیز امتداد می یابد. این مسأله سبب می شود که ساخت یکپارچه آرایه های صفحه ای دچار مشکل شود. بعلاوه، با عبور مولفه ی میدان عرضی از فاصله بین موجبرها در آرایه صفحه ای، لوب عقبی آرایه بشدت افزایش می یابد. در رساله ی حاضر، با مرور بر کارهای انجام شده در این زمینه، یک شکاف نیمدایره ای مورب در دیواره ی باریک موجبر مستطیلی معرفی و با استفاده از روش تمام موج تحلیل شده است. ابتدا فرض شده است که ضخامت دیواره ی موجبر صفر باشد. معادله ی انتگرالی که از اعمال شرط پیوستگی مولفه های مماسی میدان مغناطیسی در محل شکاف به دست می آید، با به کارگیری روش ممان (mom) حل شده و در نهایت، توزیع میدان الکتریکی مجهول در دهانه ی شکاف محاسبه شده است. سپس اثر ضخامت دیواره ی موجبر با استفاده از روش stub waveguide، لحاظ شده و تحلیل اولیه، تعمیم یافته است. نتایج نشان می دهند که شکاف نیمدایره ای مورب در دیواره ی باریک موجبر مستطیلی را می توان توسط یک مدار ساده شامل ادمیتانس موازی در خط انتقال، مدل سازی نمود. پس از استخراج روابط لازم، مشخصات تشعشعی شکاف از قبیل پارامترهای ماتریس پراکندگی، ادمیتانس معادل شکاف، طول تشدید و کنداکتانس تشدید شکاف بر حسب زاویه ی چرخش شکاف و همچنین پرتوهای تشعشعی در صفحات اصلی e و h محاسبه و ارائه شده اند. ویژگی اصلی شکاف نیمدایره ای مورب این است که درحالت تشدید، به طور کامل در دیواره ی باریک موجبر مستطیلی قرار می گیرد. بعلاوه، شکاف نیمدایره ای مورب در مقایسه با شکاف لبه ای دارای کنداکتانس بیشتر و قطبش متعامد (cross-pol) کمتر است. برای اطمینان از درستی نتایج و تحلیل ارائه شده، نتایج محاسباتی با نتایج حاصل از تحلیل توسط نرم افزار ansoft-hfss10، مقایسه شده اند. علاوه بر این، پس از ساخت نمونه ی آزمایشگاهی و انجام اندازه گیری های لازم، ، نتایج تجربی نیز جهت مقایسه با سایر نتایج، ارائه شده اند.