رفتار میدان الکترومغناطیسی در یک محیط، توسط معادلات ماکسول و شرایط مرزی تعیین می شود. بنابراین با ایجاد شرایط مرزی مناسب می توان رفتار میدان را کنترل نمود. پرکاربردترین شرط مرزی، شرط رسانای الکتریکی کامل (pec) است که در فرکانس های مایکروویو، می توان از رساناهای خوب برای ایجاد آن استفاده کرد. شرط مرزی مفید دیگر، شرط رسانای مغناطیسی کامل (pmc) است. هر چند رسانای مغناطیسی وجود ندارد ولی رسانای مغناطیسی مصنوعی (amc) می تواند فرکانس های معینی رفتار pmc از خود نشان دهد. با استفاده از ساختارهای تناوبی مسطح می توان یک amc را پیاده سازی نمود و همچنین این سطوح را می توان به گونه ای طراحی نمود که امواج سطحی را هدایت نکنند. از سطوح amc برای بهبود تطبیق امپدانس ورودی، بهبود پترن تشعشی، کاهش تشعشع در پشت آنتن و افزایش بهره در آنتن های کوچک استفاده شده است. از amc برای پیاده سازی موجبر شبه tem و ساخت پوشش هایی برای کاهش سطح مقطع راداری اجسام نیز استفاده شده است. متاسفانه یک ساختار amc تنها در بازه ی فرکانسی باریکی (پهنای باند amc) مانند pmc رفتار می کند. به همین دلیل تلاش های بسیاری برای افزایش پهنای باند amc انجام شده است. اگر یک سطح amc در باند بازتاب هم فاز خود امواج سطحی را نیز حذف کند، می تواند بسیار مفید باشد. به همین علت تلاش هایی برای یافتن ارتباط بین باند بازتابش هم فاز و باند توقف امواج سطحی نیز انجام شده است. در این پایان نامه ابتدا ویژگی های اساسی بازتابش از سطوح amc نشان داده می شوند. سپس بر اساس این ویژگی ها، یک «حد بالا» برای پهنای باند amc پیشنهاد می شود و درستی آن برای ساختارهای مختلف بررسی می شود. این حد بالا پیش بینی خوبی از حداکثر پهنای باند قابل دست یابی را به دست می دهد. در ادامه اثر پارامترهای ساختاری amc بر فرکانس بازتاب هم فاز آن نیز به صورت کیفی و توسط یک مدل عمومی مورد بررسی قرار می گیرد. برای یافتن ارتباط بین فاز بازتابش و باند توقف امواج سطحی، ابتدا سطح amc با یک امپدانس سطحی مناسب جایگزین می شود. سپس با توجه به روابط حاکم بر بازتابش و هدایت امواج سطحی، برای یک امپدانس سطحی معین، ارتباط بین فاز بازتابش و باند توقف امواج سطحی تبیین می گردد. همچنین روشی برای به دست آوردن معادله ی پاشندگی امواج سطحی از روی اطلاعات بازتابش تشریح خواهد شد.

انتشار امواج الکترومغناطیسی در محیطهای پاشنده از موضوعاتی است که از ابتدای قرن بیستم، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. یکی از نتایج قابل توجه بررسی این محیط ها، سرعت انتشار انرژی و مقایسه ی آن با سرعت های گروه و فاز در این محیط است. چگونگی انتشار امواج در محیط پاشنده بصورت تحلیلی و به طور تجربی نیز بررسی شده و نتایج بسیار جالبی بهمراه داشته است. به این گونه که فارغ از نوع تحریک در نقطه ی صفر، حالت گذرای ثابتی وجود دارد که از لحاظ شکل موج هیچ ارتباطی به سیگنال اصلی ندارد و تنها به پارامترهای محیط وابسته است. تمامی بررسی های که پیش از این انجام شده به صورت تحلیلی تقریبی بوده است، در این پایان نامه حالت های گذرای انتشار سیگنال با روش fdtd شبیه سازی می گردد و به ازای تغییر پارامترهای محیط لورنتس میدان انتشار یافته در این محیط را بدست آورده و تغییرات میدان انتشاری را بررسی شده است. این بررسی شامل تعیین فرکانس لحظه ای با استفاده از روش ویگنر- ویل می باشد. این سیگنال های پیشرو دارای خواص بسیار جالبی نیز می باشند که از جمله ی آن می توان به تلفات بسیار کم آن نسبت به سیگنال اصلی اشاره کرد. با توجه به این نکته در محیط های دیبای مانند آب، خاک و محیط های پاشنده ی دیگر براحتی می توان از این پیشرو به منظور مخابرات زیر آب و آشکارسازی های زیر زمین استفاده کرد. که برای نمونه می توان به استفاده از پیشروها به جای سونار در آشکار سازی ها اشاره نمود و کاربرد دیگر آن، گرمایش اجسام است که بدلیل تلفات کم می تواند بصورت یکنواخت کل جسم تحت تابش را گرم نماید. در صورتی که در مدل های کنونی گرمایش از طریق تابش تنها محدود به لایه های بالایی می شود و لایه-های زیرین تنها از طریق همرفت و رسانش گرم می شوند.

در چند دهه اخیر آنتن های آرایه فازی با قابلیت تغییر جهت پرتو کاربرد های گسترده ای داشته اند. یکی از مسائل مهم در طراحی آنتن های آرایه فازی، وجود زاویه های کور در محدوده اسکن آرایه است که حداکثر زاویه اسکن آرایه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. در زاویه کور، ضریب انعکاس آرایه نزدیک به یک شده و تمامی توان ورودی آرایه، به طبقات قبلی فرستنده(در آنتن فرستنده) باز می گردد که در این صورت امکان آسیب دیدن جدی برای طبقات قبلی وجود خواهد داشت. در آنتن گیرنده نیز به طور مشابه در این زاویه توانی در گیرنده دریافت نمی شود. این پدیده برای آنتن های آرایه فازی با عناصر مختلف به صورت گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. دلیل بروز این پدیده را می توان تزویج بین مد های تشعشع کننده آرایه با مد های منتشر شونده در ساختار های هدایت کننده موج در آرایه ( همچون پوشش عایقی آرایه با عناصر موجبری و لایه عایق آرایه های مسطح) در یک زاویه خاص دانست. در این زاویه تمام توان ورودی آرایه در داخل ساختار هدایت کننده موج منتشر می شود. در این پایان نامه به بررسی تفصیلی دلایل بروز این پدیده در آرایه آنتن با عناصر پچ میکرواستریپی و روش های تعیین زاویه کورآرایه خواهیم پرداخت. در ادامه با معرفی ساختار های متناوب دارای باند ممنوعه، به بررسی ویژگی های آن ها خواهیم پرداخت و کاربرد آنها در بر طرف کردن کوری آرایه را معرفی خواهیم نمود

با گسترش فناوری های موج میلی متری و مایکروویو و ورود و توسعه آن به زندگی روزمره جوامع، مساله اقتصادی بودن سیستم های مخابراتی ضمن حفظ کیفیت و با قابلیت تولید انبوه برای مصارف تجاری، برای طراحان این سیستم ها اهمیت فوق العاده ای یافت. فناوری جدید و موفقی به نام مدارهای مجتمع زیرلایه ای(sic) بدین منظور معرفی شده است که بهره مندی از مزایای هر دو دسته ساختارهای مسطح و موجبری را فراهم می سازد. از جمله ساختار های sic، می توان به رزوناتور های siw اشاره کرد. استفاده از این رزوناتور ها در ادواتی نظیر فیلترهای مایکروویو برای طراحی فیلتر با کیفیت بالا ضمن رعایت جنبه های تجاری موضوع، مساله قابل توجهی است. از همین رو بررسی هرچه دقیق تر این ساختار برای درک بهتر عملکرد آن و نیز طراحی های دقیق تر.....

امروزه لیزرهای نیمه هادی گسیل کننده عمود بر سطح کاواک بدلیل مزایای ذاتیشان نسبت به لیزرهای لبه ای بسیار مورد توجه می باشند. قابلیت آرایه پذیری دوبعدی، قابلیت تست بر روی تراشه، اندازه ی کوچک، سرعت بالا و هزینه ی کم آن را برای کاربرد در سیستم های مخابرات نوری دوربرد و نزدیک برد جذاب کرده است. اما متاسفانه مشکل وابستگی شدید به دما، توان نوری خروجی پایین، تحریک مدهای عرضی مرتبه ی بالاتر و غیره از مشکلات استفاده از وکسل می باشد. به دلیل اینکه در کاربردهای مخابرات نوری دور برد به لیزر های تک مد توان بالا نیاز است، در این تحقیق یک ساختار جدید با استفاده از دو روزنه ی اکسید با اندازه ها و موقعیت های متفاوت پیشنهاد می گردد که با انتخاب مناسب پارامترها و محل لایه های اکسید می توان توان خروجی را برای حالت تک مود بیشینه نموده و افزایش داد. در این ساختار همچنین از لایه ی کاشت یونی نیز استفاده شده که نشان داده می شود که با بهینه کردن قطر روزنه ی آن می توان عناصر پارازیتی وکسل را کمینه کرده و در نتیجه سرعت مدولاسیون را افزایش داد. در این پایان نامه نحوه ی طراحی و آنالیز انواع ساختار های وکسل بررسی می شود و مزایا و معایب ساختارهای مختلف ارائه می گردد. یکی دیگر از مشکلات استفاده از وکسل ها عدم وجود یک مدل جامع، کارآمد و دقیق و در عین حال در سطح مدار می باشد. مدل های موجود یا دقت لازم را ندارند و یا آنقدر پیچیده و زمانبر هستند که برای شبیه سازی در سطح مدار مناسب نمی باشند. در این راستا مدلی کاملتر ارائه می گردد تا علاوه بر پدیده هایی مانند خودگرم شدگی، سوزش حفره ی فضایی و غیره که توسط نویسندگان مختلف مدل شده اند اثرات انتقال حامل، لنزینگ گرمایی، خود کانونی و غیره را در نظر بگیرد و راه حل هایی برای از بین بردن آثار نامطلوب پیشنهاد می گردد. لنزینگ گرمایی و خودکانونی باعث تغییر پروفایل مدهای عرضی و عملکرد مولتی مود عرضی می شود و همچنین در کوپلینگ بین فیبر نوری و لیزر از اهمیت بالایی برخوردار است. تا آنجا که ما اطلاع داریم، در مدل هایی که قبلاً ارائه شده است این پدیده تابحال در مدل مداری وکسل در نظر گرفته نشده است. در این تحقیق این پدیده ها نیز به مدل اضافه شده و اثر آن مورد بررسی قرار گرفته است. مدل بر اساس معادلات نرخ می باشد که برای شبیه سازی در سطح مدار بسیار مناسب می باشد. رفتار استاتیک و دینامیک وکسل بررسی شده و پدیده های مرتبط بحث می گردد. پاسخ مدولاسیون مدهای عرضی وکسل بررسی شده و راه حلی برای کمینه کردن اثرات نامطلوب مانند سوزش حفره ی فضایی ارائه می گردد. سپس مدل پیشنهادی همراه با یک مدل پارازیتی کامل به صورت یک قطعه در شبیه ساز hspice پیاده سازی می گردد تا بتواند بصورت کاربردی در طراحی مدارها مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از مدل سطح مدار اثر شکل جریان درایو بر عملکرد وکسل بررسی شده و با بهینه کردن شکل جریان، راه حلی برای بهینه کردن دیاگرام چشمی خروجی پیشنهاد می گردد. در پایان اثر انواع فیلترهای پایین گذر بر جریان درایو و توان خروجی نوری وکسل بررسی شده و نشان داده می شود که با بهینه کردن پهنای باند هر فیلتر می توان عملکرد وکسل را بهبود داد.

موجبر مجتمع زیرلایه ای(siw) یک نوع جدید از ساختارهای هدایت کننده ی موج است که می تواند در مدارهای مجتمع مایکروویو و موج میلیمتری به کار برده شود که تا حدودی هم مزایای موجبر مستطیلی را دارد و هم بسیاری از معایب آن را ندارد. qی بالا، ساخت آسان و کم هزینه، حجم، وزن و سطح مقطع کم، قابلیت تولید انبوه، قابلیت ارتباط با مدارهای صفحه ای و غیر صفحه ای از جمله مزایای آن است. به همین دلیل در سالهای اخیر با استقبال گسترده ای مواجه شده است و انواع مختلف قطعات مانند فیلترها، کوپلرها، مشدّدها و غیره با آن ساخته شده اند. در این پایان نامه طرّاحی یک کوپلر پهن-باند 20db بر مبنای siw با روش های مختلف شامل چبی شف و دوجمله ای و همچنین مدل کردن کوپلر با الگوهای فیلتر پایین گذر پخش شده در خطّ انتقال و استفاده از ضرایب چبی شف برای این الگوها انجام شده است. اساس کار تئوری تزویج bethe برای روزنه های کوچک می باشد که بعدها برای انواع روزنه ها با اندازه های بزرگتر بسط داده شده است. نوع روزنه ها نیز در طرّاحی های ما شامل دایره ای، مستطیلی و مربّعی می باشد. همچنین یک کوپلر نوع ریبلت-سعد نیز با یک روش ساده طرّاحی و شبیه سازی شده است. نتایج خیلی خوبی از شبیه سازی ها به دست آمده است. در اکثر شبیه سازی ها دایرکتیویته بیشتر از 20db روی باند x و فرکانس های کمی بالاتر دیده می شود. در نهایت نیز پی می بریم که صافترین تزویج به ترتیب متعلّق به کوپلرهای ریبلت-سعد، روزنه-دایره ای، روزنه-مربّعی و روزنه-مستطیلی و بیشترین ایزولاسیون به ترتیب مربوط به نوع روزنه-دایره ای، روزنه-مستطیلی، روزنه-مربّعی و ریبلت-سعد است.

در این پایان نامه به کاربرد روش وارون زمانی در سنجش و تصویربرداری مایکروویو پرداخته شده است. استفاده از این تقارن بنیادی فیزیک منجر به کاربردهای بسیاری در آکوستیک و اخیراً در الکترومغناطیس شده است. وارون زمانی با توجه به تغییر ناپذیری معادله موج تحت وارون شدن زمان، با بهره گیری از سیگنال های بازارسال سبب بهبود تمرکز و تصویربرداری می شود. این ویژگی به این دلیل است که سیگنال های بازارسال به صورت backward در همان محیط منتشر شده وهمه پدیده های پراکندگی و بازتاب انتشار مستقیم را به صورت معکوس تجربه می کنند و در محل منبع اولیه متمرکز می شوند. پس از آزمایش های موفق وارون زمانی در آکوستیک، انگیزه زیادی برای استفاده از وارون زمانی در امواج الکترومغناطیسی پدید آمد. کاربردهای بسیاری توسط گروه های مختلف برای وارون زمانی امواج الکترومغناطیسی گزارش شده است که از آن جمله می توان به سنجش زیرسطحی، تست های غیر مخرب، کاربردهای پزشکی و درمانی و تصویربرداری اشاره کرد. در این پایان نامه تمرکز ما بر استفاده از تکنیک وارون زمانی در امواج الکترومغناطیسی پهن باند برای حل تصویربرداری از پشت دیوار بوده است. ابتدا مبانی نظری وارون زمانی امواج الکترومغناطیسی بررسی شده است. سپس به کمک تحلیل های عددی نتایج روابط نظری نمایش داده شده است. با تشکیل ماتریس پراکندگی چندایستگاهی و تحلیل آن، تمرکز انتخابی روی پراکنده سازها میسر شد. با توجه به رابطه بین مقادیر تکین ماتریس پراکندگی چندایستگاهی و شدت پراکندگی از پراکنده سازهای مختلف، مطالعه گسترده ای روی مقادیر تکین بدست آمده از اهداف مختلف برای بررسی ویژگی هر کدام انجام شد. از این طریق می توان اهداف هادی، دی الکتریک بی تلف و باتلف و همچنین اهداف ناهمگن را دسته بندی کرد. در اختیار داشتن مشخصات دیوار و تابع گرین محیط پس زمینه نقش بسیار مهمی در آشکارسازی و تصویربرداری از اهداف پنهان پشت دیوار دارد. به کمک مطالعه مقادیر تکین بدست آمده از دیوارهای آجری و بلوک بتونی و با فرض در اختیار بودن مشخصات ساختاری، ضخامت این دیوارها را می توان مشخص کرد. با استفاده از این اطلاعات می توان با حذف کلاتر دیوار، سیگنال پراکنده شده از هدف را آشکارسازی کرد.

مدارهای نوری توانایی انتقال اطلاعات با سرعتی بسیار بیشتر از مدارهای الکترونیکی معمولی را دارا می باشند. با این وجود، به علت وجود پدیده حد تفرق نور در مدارات و دستگاه های نوری، کوچک سازی و مجتمع سازی آن ها با مشکل جدی روبه رو شده است. یک راه حل برای رفع این مشکل، بکارگیری سیستم های پلاسمونیکی به منظور هدایت سیگنال ها در فرکانس های نوری می باشد. ادوات پلاسمونیکی در حالت کلی از عایق ها و فلزات نادر، که سطح مشترکشان توانایی محدود کردن امواج پلاسمون پلاریتون سطحی را دارا می باشند، تشکیل شده است. این امواج به دلیل ماهیت سطحی بودن خود، فارغ از اثر حد تفرق در موجبرهای نوری معمولی می باشند. موجبرها و دستگاه های پلاسمونیکی از گزینه های اصلی دستیابی به نسل بعدی مدارهای مجتمع نوری با فشردگی قابل توجه نسبت نمونه مشابه الکترونیکی خود، می باشند. تا به امروز انواع مختلفی از موجبرهای پلاسمونیکی با قابلیت دستیابی به مدارهای مجتمع نوری بسیار فشرده ارئه شده است، که در میان آن ها، موجبرهای پلاسمونیک هایبرید به دلیل دو مشخصه خوبی که به طور همزمان در ساختار خود دارند، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند، یعنی، طول انتشار بلند و تحدیدشدگی مودی به طور عالی. در این پایان نامه ، نوع جدیدی از موجبرهای پلاسمونیکی هایبرید ارائه می شود، و به صورت تحلیلی و شبیه سازی عددی مورد بررسی قرار می گیرد. در موجبر پیشنهادی، از یک موجبر دی الکتریک معمولی که بر روی قرص soi قرار دارد، استفاده شده است. همچنین ا ز یک لایه فلزی بر روی قسمت سیلیکنی این موجبر به منظور بهره مندی از امواج پلاسمون پلاریتون سطحی ایجاد شده در سطح آن نیز استفاده شده است. همان گونه که در نتایج نیز آمده است، موجبر پیشنهادی توانایی تحدید کردن نور درفاصله هوایی مابین دو موجبر را تا حد 0.006 حد پدیده تفرق نور و نیز طول انتشاری در رنج میلی متر به طور همزمان را دارا می باشد. در این پایان نامه، همچنین میزان دقیق بودن فرآیند ساخت موجبر ارائه شده، مورد بررسی قرار می گیرد و مشخص می شود که موجبر طراحی شده به رغم خصوصیات عالی خود، حساسیت زیادی به ناهمواری های ایجاد شده در هنگام ساخت را ندارد. در نهایت نیز بر مبنای موجبر پیشنهاد شده، یک نمونه کارآمد از کوپلرهای جهتی ارائه و بر اساس طول کوپلینگ و ضریب کوپلاژ مورد بررسی قرار می گیرد.

سابقه تحقیقات و پیشرفت های علمی در زمینه فرکانس بالا نشان می دهد که ساختارهای هدایت کننده موج، نقش موثری در تکامل و نوآوری سیستم ها و مدارات مایکروویوی دارند. لزوم طراحی و ساخت زیر سیستم های مخابراتی و دستگاه های مورد استفاده در فرکانس های مایکروویو باعث می شوند تا شناخت صحیح،آنالیز و سنتز دقیق زیر سیستم ها از اهمیت بسیاری برخوردار باشند. یکی از ادوات غیرفعال پرکاربرد از این المان های مایکروویو، کوپلر (تزویج گر) می باشد. طراحی و ساخت کم هزینه و در عین حال ساده این ابزار اهمیت خاص خود را دارد. بنابراین باید انتخاب نوع کوپلر با توجه به امکانات ساخت بهینه باشد. تزویج گرها برای تقسیم و ترکیب سیگنالهای مایکروویو و نمونه برداری از آنها مورد استفاده قرار می گیرند. ساختار معمول برای یک تزویج گر شامل دو خط انتقال با چند مکانیزم برای تزویج بین آنها است . بنابراین طراحی و ساخت این ابزار اهمیت خود را دارد. در این تحقیق به طراحی کوپلر خط شاخه ای 3db هیبرید °90، مبتنی بر تئوری کوپلرها پرداخته می شود. یک کوپلر 3db هیبرید °90 در فرکانس 4ghz با کوپلینگ 3db طراحی و شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که کوپلر پیشنهادی دارای پهنای باند وسیع و افت عبوری کم، تغییرات کمتر کوپلینگ نسبت به فرکانس و ایزولاسیون مناسب در تمامی پهنای باند می باشد. برای حصول اطمینان از نتایج به دست آمده، کوپلر ساخته و آزمایش شده است. مقایسه نتایج شبیه سازی و اندازه گیری کوپلر ساخته شده سازگاری بالایی در بیشتر فرکانس ها از خود نشان می دهد.

نیاز روز افزون به پهنای باند بیشتر باعث شده است تا تحقیقات وسیعی در زمینه مخابرات نوری صورت گیرد چرا که مخابرات نوری قادر به فراهم سازی پهنای باند بسیار زیادی می باشد. سیستم های مخابرات نوری از لحاظ کانالی که نور در آن منتشر می شود به دو دسته ی هدایت شده (مخابرات فیبر نوری) و هدایت نشده (مخابرات نوری در فضای آزاد) تقسیم می شوند. از مزیت های این سیستم ها می توان به سرعت بالا، هزینه ی مقرون به صرفه ی پیاده سازی، عدم نیاز به مجوز طیف، مخابرات امن، وزن سبک و مصونیت در برابر تداخل های الکترومغناطیسی اشاره کرد. بزرگترین مشکل در تکنولوژی مخابرات نوری در فضای آزاد از کانال انتشارآن ناشی می شود. کانال اتمسفر ناپایدار بوده و ویژگی های آن با تغییر زمان در طول روز، فصل ها و شرایط آب و هوایی تغییر می کند. سیستم های مخابرات فیبر نوری مشکل انتشار در کانال ناپایدار را نداشته اما برای داشتن کارایی بالا، باید کوپلینگ مناسبی بین منبع نوری و فیبر در طرف فرستنده و فیبر و آشکارساز نوری در طرف گیرنده ایجاد شود. در این سیستم ها برای ایجاد کوپلینگ مناسب در طرف فرستنده و گیرنده، میز نوری سیلیکونی مورد استفاده قرار می گیرد. در این پایان نامه، ضمن معرفی کامل سیستم مخابرات فیبر نوری و میز نوری سیلیکونی، یک میز نوری سیلیکونی 6×8×0.5 mm3 شامل 4 شیار v شکل در طرف فرستنده جهت کوپلینگ موازی بین فیبرهای چند مود و آرایه ی چهارتایی لیزر نوع vcsel و همچنین 4 شیار v شکل در طرف گیرنده جهت کوپلینگ موازی بین فیبرهای چند مود وآرایه ی دیود نوری نوع pin طراحی و ساخته شده است. برای بررسی چنین سیستم های نوری دو روش انتشار موج و ردیابی پرتو مورد استفاده قرار می گیرد. باید دقت داشت که روش انتشار موج دقیق تر و پیچیده تر از روش ردیابی پرتو می باشد. از آنجایی که ابعاد فیبر نوری چند مود در برابر طول موج vcsel بسیار بزرگتر می باشد نتایج شبیه سازی با ردیابی پرتو نیز می تواند دقیق باشد. بنابراین با استفاده از روش ردیابی پرتو، سیستم طراحی شده شبیه سازی شده است و میزان کوپلینگ نوری بین vcsel و فیبر در طرف فرستنده و فیبر و دیود نوری در طرف گیرنده با در نظر گرفتن میزان تلرانس های طولی و عرضی و زاویه ای، چرخش فیبر و زاویه ی سر فیبر در هر دو طرف محاسبه شده است و مراحل طراحی و پیاده سازی میز نوری به طور مفصل توضیح داده شده است. در نهایت نیز نتایج حاصل از داده های شبیه سازی شده با نتایج واقعی مورد مقایسه قرار گرفته است.

در این پایان نامه به کاربرد روش وارون زمانی در سنجش و تصویربرداری مایکروویو پرداخته شده است. استفاده از این تقارن بنیادی فیزیک منجر به کاربردهای بسیاری در آکوستیک و اخیراً در الکترومغناطیس شده است. وارون زمانی با توجه به تغییر ناپذیری معادله موج تحت وارون شدن زمان، با بهره گیری از سیگنال های بازارسال سبب بهبود تمرکز و تصویربرداری می شود. این ویژگی به این دلیل است که سیگنال های بازارسال به صورت backward در همان محیط منتشر شده وهمه پدیده های پراکندگی و بازتاب انتشار مستقیم را به صورت معکوس تجربه می کنند و در محل منبع اولیه متمرکز می شوند. پس از آزمایش های موفق وارون زمانی در آکوستیک، انگیزه زیادی برای استفاده از وارون زمانی در امواج الکترومغناطیسی پدید آمد. کاربردهای بسیاری توسط گروه های مختلف برای وارون زمانی امواج الکترومغناطیسی گزارش شده است که از آن جمله می توان به سنجش زیرسطحی، تست های غیر مخرب، کاربردهای پزشکی و درمانی و تصویربرداری اشاره کرد. ابتدا مبانی نظری وارون زمانی امواج الکترومغناطیسی بررسی شده است. سپس به کمک تحلیل های عددی نتایج روابط نظری نمایش داده شده است. با تشکیل ماتریس پراکندگی چندایستگاهی و تحلیل آن، تمرکز انتخابی روی پراکنده سازها میسر شد. در اختیار داشتن مشخصات دیوار و تابع گرین محیط پس زمینه نقش بسیار مهمی در آشکارسازی و تصویربرداری از اهداف پنهان پشت دیوار دارد. تکنیک های مختلفی از جمله dort وmusic برای استخراج اطلاعات از موج های پراکنده شده و مکان یابی جسم ها در محیط وجود دارند. در روش dort امکان تمرکز بر روی یک پراکنده کننده خاص وجود دارد و لی در روش music این امکان وجود ندارد حال آنکه در روش music دقت مکان یابی بسیار بالاتر از روش dort می باشد. مشکل روش dort وmusic استفاده از تعداد فرستنده های زیاد برای تصویربرداری می باشد، که در اینجا از روش تجزیه سیگنال ها به مولفه های مستقل، ica ، استفاده شد و تنها با یک آنتن فرستنده و یک آرایه گیرنده مکان یابی اجسام همراه با عمل انتخاب تمرکز بر روی آنها مقدر ساخته شد.

در دهه اخیر، نیمه هادی ganبه دلیل گاف انرژی و رسانندگی گرمایی بزرگ تر نسبت به نیمه هادی gaas ، در کاربردهای توان بالا مورد توجه قرارگرفته است. به دلیل همین ویژگی ها، ganاین قابلیت را دارد که در دماها و ولتاژهای بالا نیز کار کند. علاوه بر این سرعت اشباع الکترون در ganنیز نسبت به gaasبیشتر بوده و به همین دلیل، این نیمه هادی برای کاربردهای فرکانس بالا نیز مناسب می باشد. در ترانزیستورهای hemt با فناوری gan که اولین نوع آن ها در سال1993ساخته شد، از پیوند دو نیمه هادی gan وalganکه دارای گاف انرژی متفاوت هستند، استفاده می شود. دلیل این کار تشکیل یک لایه آزاد الکترون در کانال ترانزیستور می باشد. برای طراحی یک تقویت کننده سیگنال بزرگ با استفاده از ترانزیستور gan hemt، نیاز به یک مدل سیگنال بزرگ مناسب برای این ترانزیستور که به خوبی رفتار آن را توجیه کند، می باشد. بر خلاف ویژگی های عالی تکنولوژی ترانزیستورهایalgan/gan hemts، یکی از مشکلات اصلی این ترانزیستورها، کاهش جریان درین به دلیل وجود ناخالصی ها در ناحیه اکتیو می باشد. این ناخالصی ها، می توانند مقدار کافی از الکترون ها را به دام انداخته و همچنین آزاد کنند که این امر باعث تغییر مشخصه (ولتاژ- جریان) ترانزیستور می شود و به دلیل کاربرد این ترانزیستورها در توان های بالا، توان مصرفی آن ها نیز بالا می باشد و همین موضوع باعث بالا رفتن دمای درونی این ترانزیستورها می شود. با افزایش دما، سرعت رانش و تحرک الکترون ها کاهش یافته و در نتیجه جریان درین و توان خروجی ترانزیستور، کاهش می یابد. در این پایان نامه، مدل سازی سیگنال بزرگ یک ترانزیستور gan hemt، با استفاده از مدل سازی تجربی انجام شده است. اولین قدم در مدل سازی سیگنال بزرگ، مدل سازی سیگنال کوچک می باشد. مدل سیگنال کوچک ترانزیستور را می توان به دو قسمت پارازیتی و غیر پارازیتی تقسیم کرد. برای محاسبه المان های غیر پارازیتی ترانزیستور باید ابتدا المان های پارازیتی را محاسبه کرد. در این پایان نامه،با استفاده از نتایج اندازه گیری و روابط ریاضی در فرکانس های پایین، المان های پارازیتی ترانزیستور محاسبه شده اند. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که روش به کار رفته در محاسبه المان های پارازیتی، دارای نتایج قابل قبولی است. این روش نسبت به روش های بهینه سازی، نیاز به وقت کمتری داشته و از پیچیدگی کمتری نیز برخوردار است. در قسمت مدل سازی سیگنال بزرگ ترانزیستور، با توجه به اطلاعات سیگنال کوچک ترانزیستور برای مدل سازی تغییرات بعضی از المان های غیر پارازیتی با ولتاژ، توابع تجربی مناسب تعریف شده است و همچنین تأثیرات ناخالصی های ناحیه اکتیو و افزایش دما نیز بررسی شده است. مسئله دیگر در مدل سازی سیگنال بزرگ ترانزیستورهای gan hemts مدل کردن شکست پیوند گیت- درین و بایاس مستقیم پیوند گیت – سورس به دلیل ولتاژهای بالا می باشد که این مسئله، در مدل سیگنال بزرگ پیشنهادی لحاظ شده است. در این پایان نامه، برای مدل سازی غیرخطی جریان درین- سورس با توجه به تغییرات هدایت انتقالی در ترانزیستورهایgan hemts و کارهای قبلی انجام گرفته در این زمینه، یک تابع تجربی مناسب تعریف شده است و در پایان نتایج مدل سازی غیرخطی جریان درین- سورس با نتایج اندازه گیری مقایسه شده و نتایج شبیه سازی نشان می دهد که تابع تجربی تعریف شده می تواند به طور تقریبی رفتار غیرخطی جریان درین- سورس را توجیه کند.

مسئله پراکندگی معکوس،در حالت کلی شامل بازسازی جسم نا معلوم چه از لحاظ شکل و چه از لحاظ جنس است.تصویر برداری از اجسام مجهول،مکان یابی از جمله کاربردهایی است که با استفاده از میدان های پراکنده شده و معادلات ماکسول انجام می پذیرد.روش های حل پراکندگی معکوس شامل دو دسته کمی و کیفی است.روش های کمی که در آن اساس روش بر بهینه سازی و بهبود دادن جواب مسئله به سوی یک مقدار با کمترین خطاست، دارای دقت بیشتری نسبت به روش های کمی می باشد.از طرفی در آن یک سری فرآیندهای تکرار وجود دارد که باعث کمتر شدن سرعت محاسباتی می شود.اما روش های کیفی که موضوع بحث این پایان نامه می باشد،بعنوان یک مسئله معکوس در ریاضیات با معادلات مشتقات جزئی مطرح می شود.از مزیت های این روش نسبت به روش کمی آن است که سرعت بالاتری دارد و در عین حال به اطلاعات اولیه کمتری نیز نیاز دارد.با این وجود دقت کمتری نسبت به روش های کمی دارد.روش نمونه برداری خطی بعنوان یکی از روش های کیفی حل پراکندگی معکوس در الکترو مغناطیس،که در سالهای اخیر بشدت مورد توجه دانشمندانی که در حوزه میدان ها و امواج کار می کنند قرار گرفته است ،در این پروژه بررسی شده است.اساس آن بر پایه حل یک معادله انتگرالی خطی است که در آن دیگر نیازی به تقریب های ضعیف از جمله تقریب بورن یا بورن معوج شده نمی باشد.در این پروژه پس از بررسی و تحلیل خود روش نمونه برداری خطی از لحاظ ریاضی،از آن به عنوان ابزاری برای بازسازی شکل پراکنده ساز مجهول استفاده می کنیم.پارامتر های مختلف تاثیر گذار در کیفیت بازسازی اشکال،از جمله تعداد آنتنهای فرستنده گیرنده،فرکانس،عوامل خارجی از جمله نویز را بررسی می کنیم.در مهمترین قسمت کار به بررسی و مقایسه پلاریزاسیون موج تابشی در کیفیت بازسازی اجسام عایق و هادی می پردازیم،تکنیکی جدید را برای بهبود عملکرد بازسازی بر اساس فرکانس و پلاریزاسیون که محور اصلی بحث است ارائه می دهیم.همچنین از بعضی قابلیت های دیگر روش نمونه برداری خطی از جمله توانایی بازسازی چند پراکنده ساز در شرایط مناسب صحبت خواهیم کرد.

تقویت کننده های قدرت پهن باند مایکروویو یکی از قسمت های بسیار مهم سیستم های دفاعی و مخابراتی است. توان و بازدهی بالا، پهن باند، مشخصه خطی عالی، نویز پایین و طول عمر از مهم ترین مسائل در طراحی تقویت کننده ها به شمار می رود. قطعات حالت جامد و لامپ های خلأ برای فراهم نمودن این مشخصات دارای محدودیت هایی هستند. با استفاده از ترکیب فضایی توان می توان بر این محدودیت ها غلبه کرد. ترکیب فضایی بر خلاف ترکیب متداول مداری که دارای محدودیت های بازدهی، پهنای باند و انتقال حرارت می باشد، روشی برای ترکیب همدوس توان چندین قطعه حالت جامد با استفاده از فضای آزاد در درون یک ساختار موج بری می باشد. در فصل اول این پروژه ابتدا به بیان کاربردهای فناوری مایکروویو و موج میلی متری در زمینه های تجاری و نیز نظامی می پردازیم و سپس ویژگی های قطعات حالت جامد و لامپ های خلأ و نیز نواحی کاری آن ها را مورد بررسی قرار می دهیم و در نهایت به بررسی انواع روش های ترکیب توان و مشخصات آن ها خواهیم پرداخت. در فصل دوم تعریف ها و پارامترهایی که در ترکیب کننده های توان برای ارزیابی به کار می روند ارایه خواهد شد و سپس در فصل سوم ابتدا به تحلیلی کلی درباره ترکیب کننده های توان می پردازیم و طراحی های مختلف ترکیب کننده های توان مایکروویو ازگونه ی موج بری و با توان بالا را مورد بررسی قرار می دهیم، و بعد از آن به بررسی و مراحل نحوه ساخت بهترین ترکیب کننده از نظر پهنای باند می پردازیم و در نهایت در فصل چهارم جمع بندی و نتیجه گیری می نماییم.

آنتن های میکرواستریپ به دلیل داشتن ویژگی هایی از قبیل فشردگی ساختار،وزن کم،قیمت ارزان،سادگی نصب برای سطوح مختلف وقابلیت یکپارچه سازی با مدارهای چاپی امروزه بسیار پرکاربرد است.در کنار این مزایا عیب هایی از قبیل پهنای باند کم،بهره پایین برای این نوع آنتن وجود دارد که یکی از دلایل اصلی آن انتشار موج سطحی در ساختار است. راه حل مختلفی برای کاهش تاثیر موج سطحی وجود دارد.یکی از این راه ها ایجاد ساختار باند توقف در اطراف آنتن برای حذف امواج سطحی است.در این ساختارها با استفاده از معادله پاشندگی یک باند توقف بدست می آید که به پارمترهای ساختار بستگی دارد.در این باند ساختار مانع از انتشار امواج سطحی و باعث بهبود عملکرد آنتن می شوند.تاکنون انواع مختلفی از ساختارهای باند توقف با اشکال مختلف برای حذف امواج سطحی در باندهای فرکانسی مختلف پیشنهاد وطراحی شده است.در این پایان نامه ساختار باند توقف جدیدی ارائه می شود وبه صورت تحلیلی وشبیه سازی عددی مورد بررسی قرار می گیرد.در ساختار پیشنهادی از دوطبقه لایه عایقی تشکیل شده است که ساختار باند توقف در طبقه بالا قرار گرفته است.ابعاد آن طوری طراحی شده است که موج سطحی در طبقه بالا محبوس وحذف می شود ومقداری کمی آن وارد لایه پایین شود وچون ارتفاع لایه پایین ناچیز است در نتیجه می توان از اثر موج سحی وارد شده به آن صرف نظر کرد.پهنای باند قطع به واسطه اینکه پارامترهای ساختار باند توقف در اختیار ماست ووابستگی به ساختار اصلی آنتن ندارد یکی از مزیت های این ساختار است و در واقع با تغییر پارامترهای ساختار قابل انتقال به فرکانس مطلوب که سازگاری با ساختار آنتن داشته باشد می باشد ودر نهایت یک آنتن با پلاریزاسیون دایروی طراحی شده است.در این پایان نامه پارامترهای اصلی آنتن از قبیل پهنای باند وبهره و تراز گلبرگ کناری آنتن مورد بررسی قرار می گیرد

آنتن های تراهرتز فوتو رسانا از متداول ترین ادوات در سیستم های تراهرتز هستند. در این ادوات روش مورد استفاده برای تولید و آشکارسازی امواج تراهرتز عبارتست از تحریک کردن یک آنتن فوتو رسانا با پالس های اپتیکی فوق العاده کوتاه که ساختار آنتن روی یک زیربنا از جنس فوتورسانا قرار می گیرد و الکترودهای آن بوسیله یک ولتاژ جریان مستقیم تغذیه می شوند. پالس های لیزر حامل های باردار را در زیربنا که روی آنتن فلزی رفت و برگشت می کنند به حرکت در آورده تا ضمن تولید جریان الکتریکی، یک سیگنال را در باند تراهرتز تشعشع یا آشکارسازی کنند. بنابراین تحلیل یک آنتن فوتو رسانا نیازمند حل همزمان معادلات فیزیک نیمه هادی و معادلات ماکسول می باشد. در این پایان نامه ابتدا به معرفی منابع مختلف تولید امواج تراهرتز و مزایا و معایب و قابلیت¬های آن ها پرداخته شده سپس آنتن¬های فوتورسانا مورد بررسی قرار گرفته که بیشترین میزان کاربرد را در تولید امواج تراهرتز دارند. با انجام تحلیل ها و همچنین شبیه¬سازی¬های مختلف عوامل موثر در بهبود عملکرد آن ها شناسایی و چگونگی عملکرد بهتر آن¬ها بیان شده است. برای طراحی مناسب و قابل اطمینان، تحلیل و طراحی و مدل سازی این آنتن ها به شیوه ای دقیق و بدون هرگونه تقریب معمول صورت گرفته است. به دلیل نحوه کارکرد این آنتن ها و همچنین داشتن دقت بالا در طراحی آن ها، در این پایان¬نامه از دو ابزار شبیه سازی مختلف برای مدل سازی آن ها استفاده شده است. از نرم افزار الکترونیک نوری بمنظور یافتن دقیق شدت اپتیکی جذب شده و نرخ تولید اپتیکی حامل ها درون زیربنا از طریق حل یک مساله پراکندگی نوری استفاده می شود. سپس معادلات حاکم بر انتقال حامل باردار درون زیربنا حل می شوند تا جریان فوتوالکتریک تراهرتز با درنظر گرفتن پارامترهای ماده بصورت واقع گرایانه بدست آید. از طریق نرم افزار الکترومغناطیسی تمام موج و با استفاده از جریان فوتوالکتریک محاسبه شده توسط نرم افزار الکترونیک نوری، پارامترهای آنتن و توان تراهرتز تشعشع شده بدست می آیند. در طی روش شبیه سازی ارائه شده اثر پارامترهای آنتن تراهرتز روی جریان فوتوالکتریک تراهرتز برای ناحیه فعال با ساختارهای هندسی مختلف مورد بررسی قرار گرفته اند.

اگرچه مدارهای مجتمع فوتونیکی در مقایسه با مدارهای الکترونیکی سرعت بالاتری ارائه می دهند، امّا یکی از دغدغه های اساسی در این مدارها، کوچک سازی آنها در مقایسه با مدارهای الکترونیکی است. علم پلاسمونیک با محدود کردن نور در ابعاد با مقیاس های کسر طول موج، کمک های فراوانی در این حوزه برای کوچک سازی این مدارها کرده است. در این میان موجبرهای پلاسمونیکی که در واقع نقش خطوط انتقال را در این حوزه بازی می کنند بسیار مورد توجه هستند. این نوع موجبرها خود انواع مختلفی دارند ولی زیربنای عملکرد همه ی آنها همان تحریک مودهای پلاسمون پلاریتون سطحی (spp) در مرز بین فلز و عایق است. از دیدگاهی دیگر، در سیستم های نوری مبتنی بر فیبر به عنوان خط انتقال، کارکرد و مشخّصات کاربردی بسیاری از سیستم ها بستگی به قطبش نور عبوری از درون فیبر دارد. از این رو مدیریت قطبش در سیستم های فیبر نوری، ژیروسکوپ های اپتیکی و سنسورهای تداخل سنجی برای جلوگیری از محو شدگی سیگنال و ایجاد خطا، ضروری است. برای حصول دقّت بالا در اندازه گیری ها، داشتن نور تنها با یک قطبش، امری گریزناپذیر است. همچنین داشتن قطبی کن های فیبر نوری با نسبت امحای نور بالا برای آنالیز و فیلتر کردن در سیستم های مخابرات نوری لازم است. در این پایان نامه یک موجبر جدید از نوع هایبرید با قابلیّت های خوبی از جمله طول انتشار بالا (در حدود 40 mm) و سازگاری با مدارات cmos ارائه می شود. سازوکار و مبنای تئوری آن بحث شده و نتایج شبیه سازی آن مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این، با بهره گیری از موجبر پلاسمونیکی ارائه شده و خواص مُدهای پلاسمونیکی منتشر شده در آن، دو ساختار متفاوت قطبی کُنی که هردو عملکرد خوبی در بحث جدا کردن امواج te و tm در فیبر دارند، ارائه می شود (جداسازی مدها تا حد ضریب امحای 33db). در نهایت این ساختارها شبیه سازی شده و نتایج شبیه سازی آن مورد بحث و مقایسه قرار می گیرد. شبیه سازی های انجام شده در این گزارش با نرم افزار comsol multi-physics انجام گرفته است.

پیشرفت سریع و روبه رشد در ارائه دستگاه¬هایی که در ابعاد کوچک و قابل حمل قادر به تبادل اطلاعات، ارسال صوت، تصویر واتصال به شبکه جهانی اینترنت می¬باشند و نیز کاربرد روز افزون آن¬ها تمرکز برای طراحی آنتن¬هایی با اندازه کوچک که قادر به عملکرد در چند باند فرکانسی می¬باشند را افزایش داده است. آنتن f معکوس مسطح در حقیقت حاصل یکی از انواع روش -هایی است که برای کاهش اندازه در آنتن¬های میکرواستریپ استفاده می¬شود و آن¬ها را از ساختار¬های تشدید¬کننده با ابعاد 2/λ به ساختار¬هایی با ابعاد 4/λ تبدیل می¬کند. ساختار ساده و سهولت ساخت نیز بر مزیت کاهش اندازه این آنتن¬ها اضافه شده و آن¬ها را به طور وسیعی در تمام دستگاه¬هایی که در ابعاد کوچک وظایف خود را به صورت بی¬سیم انجام می¬دهند کاربردی ساخته است. در این پایان¬ نامه ایده¬ای نو برای طراحی یک آنتن f معکوس مسطح ارائه شده است که قادر به عملکرد در چهار باند فرکانسی 1/2، 2/4،3/7 و 5/8 گیگا هرتز می¬باشد.آنتن در چهار باند فرکانس کاری¬اش قطبش خطی دارد و پاسخگوی الزامات باند¬های فرکانسی بی¬سیم می¬باشد. ساختار آنتن از یک پچ u شکل که بر روی زیر¬لایه ro3003 قرار گرفته است و دو لبه اتصال کوتاه، که پچ را به صفحه زمین آنتن کوتاه می¬کند، تشکیل شده است. در ساختار زمین آنتن یک شکاف مستطیلی شکل برای بهبود پترن تشعشعی آنتن در فرکانس ghz2/4 و افزایش پهنای باند ایجاد شده است. سپس با توجه به ملاحظات ساخت آنتن جنس زیر¬لایه آنتن از ro3003 به duroid 5880 تغییر پیدا کرده است. در این حالت فرکانس¬های تشدید آنتن در 1/1، 2/42، 3/64 و 5/1 گیگاهرتز قرار می¬گیرند.

تحقیق برای شناسایی و تصویر‏ برداری از اجسام و بافت‏ های زنده بدون تخریب یا تهاجم با استفاده از امواج الکترومغناطیسی سابقه طولانی در علوم، مهندسی و پزشکی دارد. مشاهده اندام و بافت‏ های داخلی و شناسایی توده‏ های بدخیم از جمله آمال بشریت بوده که با شناخت اشعه ایکس در اوایل قرن ‎20‎ محقق شده است. در دو دهه اخیر طیف امواج مایکروویو برای تصویر‏ برداری وشناسایی، مورد توجه قرار گرفته است. عمق نفوذ و بُرد امواج مایکروویو نسبت به امواج با فرکانس بالا، اثرات نامطلوب استفاده از فرکانس‏ های بالا نظیر اشعه ایکس بر موجودات زنده، از جمله علل تمایل به استفاده از امواج مایکروویو در تصویر‏ برداری است. در این بین بجز موانعی که بر سر اندازه‏ گیری میدان پراکنده شده ناشی از نمونه وجود دارد، همواره در فرایند بازیابی با سه چالش روبرو هستیم. با توجه به اینکه تصویر‏ برداری مایکروویو توسط یک مسئله معکوس مدل می شود، غیرخطی و بدخیم بودن مسئله مشکل عمده این فرایندخواهد بود. علاوه بر این پیچیدگی پراکنده‏ ساز و زمینه منجر به تولید مجهولات زباد می‏ شود. از یک طرف مشاهدات محدود و حجم بالای مجهولات و از طرف دیگر بدخیمی مسله ، منجر به تشدید مشکلات می‏ شود. با توجه به موانع ذکر شده، در این رساله دو روش جدید برای بازیابی موقعیت، ریخت ظاهری و ساختار درونی پراکنده‏ ساز به کمک میدان پراکنده شده فاصله نزدیک ارائه شده است. روش نمونه‏ برداری خطی به عنوان یک روش کیفی، موقعیت و ریخت ظاهری پراکنده‏ ساز را در قالب یک تابع مشخصه تار عرضه می‏ کند. حال آنکه این روش فاقد یک الگوریتم خودکار برای استخراج شکل ظاهری پراکنده‏ ساز است. در این رساله برای تحقق یک فرایند خودکار از ترکیب روش نمونه‏ برداری خطی و روش مجموعه تراز استفاده شده است. در عمل غالبا پراکنده ساز تحت تاثیر یک محیط ناهمگن با محمل کراندار است. این نوع مدل در تصویر‏ برداری پزشکی یا تصویر‏ برداری از اهداف مخفی پشت دیوار استفاده می‏ شود. تابع گرین زمینه از ملزومات روش های کیفی در مواجهه با چنین مسائل کاربردی است. محدود بودن محمل زمینه این امکان را فراهم می‏ کند تا تابع گرین زمینه به صورت عددی محاسبه شود. روش مجموعه تراز از جمله روش‏ های تکرار در بازیابی موقعیت و ریخت ظاهری پراکنده ساز به حساب می‏ آید. توانایی این روش در شناسایی لبه اجسام یکپارچه و یا مرکب کاملا زبانزد است. اما این روش در شناسایی مشخصات فیزیکی از جمله هدایت الکتریکی و گذردهی الکتریکی عاجز است به عبارت دیگر چنین پارامترهایی جز اطلاعات مقدماتی روش مجموعه تراز است. در این رساله روش مجموعه تراز بگونه‏ ای اصلاح شده است که به صورت همزمان موقعیت، شکل و مشخصات فیزیکی هدف شناسایی شود.