طراحی و بهینه سازی آرایه آنتن های فراپهن باند با نگرش در حوزه زمان
چکیده
چون پالس های فوق کوتاه مورد استفاده در مخابرات فراپهن باند فاقد موج حامل هستند، اندازه گیری شباهت میان شکل موج دریافتی با یک شکل موج مرجع در حوزه ی زمان روش مناسبی برای استخراج سیگنال و تمیز آن از اغتشاش محسوب می شود. بنابراین پاسخ زمانی اجزای سیستم های فراپهن باند باید تا حد امکان بدون اعوجاج باشد. در این میان، آنتن بعنوان مهم ترین بخش آنالوگ، بیشترین نقش را در ایجاد اعوجاج داشته و از این رو طراحی آنتنی بدون اعوجاج از ملزومات بسیاری از سیستم های فراپهن باند است. در این رساله، سه عنصر آنتنی (آنتن تک قطبی با تغذیه میکرواستریپ، آنتن تک قطبی با تغذیه موجبر هم صفحه و آنتن ویوالدی) و یک آرایه خطی از آنتن های ویوالدی طراحی و بهینه-سازی می شوند. با توجه به اینکه برای آنتن فراپهن باند هم مشخصات زمانی و هم مشخصات متداول فرکانسی مانند تلف بازگشتی و قطبش متقاطع باید در سطح مطلوبی قرار داشته باشند، طراحی چنین آنتنی یک مساله ی چندهدفی خواهد بود. در مورد مسایل ساده تر مانند دو آنتن تک قطبی بهینه شده در قسمت اول، می توان با استفاده از تکنیک وزن دهی چند هدف را به یک هدف کاهش داده و در نتیجه از الگوریتم های تک هدفی متداول استفاده کرد. اما در مورد مسایل پیچیده تر، عدم وزن دهی مناسب و تمرکز بر هر کدام از این اهداف می تواند سایر اهداف را دچار چالش کند. به همین سبب استفاده از الگوریتم چندهدفی برای بهینه سازی اجتناب ناپذیر است تا هیچ هدفی قربانی اهداف دیگر نشود. فرآیند بهینه سازی آنتن تک قطبی با تغذیه ی موجبر هم صفحه از الگوریتم ژنتیک و الگوریتم جستجوی الگو بصورت توام بهره می برد. در سایر موارد که بدلیل پیچیدگی مساله در آنها سرعت همگرایی از اهمیت بیشتری برخوردار است، بهینه سازی گروهی ذرات مورد استفاده واقع می-شود. با توجه به نامناسب بودن شکل ابتدایی این الگوریتم برای کاربردهای عملی، انجام اصلاحاتی بر روی آن گریزناپذیر خواهد بود. پس از انتخاب الگوریتم بهینه سازی، نوبت به انتخاب روش مناسبی برای شبیه سازی آنتن (محاسبه ی تابع هزینه) می رسد. به دلیل اینکه بهینه سازی پاسخ زمانی یکی از اهداف اصلی در این پژوهش محسوب می شود، استفاده از روش های عددی حوزه ی زمان بسیار مناسب است. به همین علت نرم افزار cst چون از حوزه ی زمان استفاده کرده و از طرفی قابلیت ارتباط با نرم افزار matlab را نیز دارد بهترین گزینه برای شبیه سازی خواهد بود. نتایج شبیه سازی و اندازه گیری حاکی از آن است که تنها با تغییر شکل می توان تا حد زیادی مشخصه های زمانی و فرکانسی عنصر های آنتنی را بهبود بخشید. همچنین به علت استفاده از الگوریتم بهینه سازی چندهدفی، هیچ هدفی قربانی اهداف دیگر نشده و در نتیجه مصالحه بین اهداف مختلف برقرار می شود. بطوری که در مورد آرایه بجای یک جواب منفرد، یک دسته جواب که بهترین مصالحه (جبهه ی پَرِتو) بین دو پارامتر متعارض پهنای پرتو و سطح گلبرگ فرعی برای الگوهای تابشی حوزه ی زمان آرایه هستند، بدست می آید. در فرآیند بهینه سازی آرایه اثر تزویج متقابل بین عنصر ها در نظر گرفته نمی شود. اما چون یک دسته جواب در اختیار طراح است، می توان حداقل فاصله ی لازم برای داشتن ایزولاسیون مطلوب بین عنصرها را بصورت یک قید اضافی به جبهه ی پرتو اعمال کرده و در نهایت آرایه ای با الگوی تابشی مورد نظر و کمترین تزویج متقابل را انتخاب کرد.