بررسی و شبیه سازی انتشار امواج الکترومغناطیسی درون موجبرهای مستطیلی حاوی فریت بایاس شده

توضیحات

بررسی و شبیه سازی انتشار امواج الکترومغناطیسی درون موجبرهای مستطیلی حاوی فریت بایاس شدهفرمت فایل:PDF تعداد صفحه:284 چکیده : موجبرهای امواج الکترومغناطیسی از قطعات اساسی و پرکاربرد در خطوط انتقال و سیستم های مخابراتی محسوب می شوند. اصول کار این قطعات به گونه ای است که با کمترین میزان تضعیف و پاشیدگی در سیگنال الکترومغناطیسی انتقالی، حداکثر راندمان نسبت به سایر خطوط انتقال را به خود اختصاص دهند. در میان طیف وسیع قطعات موجبری، موجبرهای حاوی قطعات فریتی نقش مهمی در ایجاد تغییرات مورد نیاز در ساختار و پارامترهای موج الکترومغناطیسی انتقالی را عهده دار می باشد که از آن جمله می توان به تغییر مدهای منتشر شده و ایجاد هارمونیک های مختلف موج الکترومغناطیسی انتقالی اشاره نمود که از عمده کاربردهای این تکنیک می توان به مدارات مایکروویو غیرخطی، رادارها و مولدهای هارمونیک های زمانی اشاره نمود. در این تحقیق پرطرفدار ترین تکنیک تحلیل و شبیه سازی نرم افزایش انتشار امواج الکترومغناطیسی براساس حل معادله موج در محیط انتشار مورد استفاده قرار گرفته و نتایج به دست آمده با سایر روش های شبیه سازی موجود تطبیق شده است. روش شبیه سازی بکار گرفته شده بر پایه حل معادلات با روش تفاضل محدود در حوزه زمان استوار بوده و الگوریتم به دست آمده قابل پیاده سازی در تمامی محیط های برنامه نویسی می باشد. شبیه سازی و بررسی انتظار امواج الکترومغناطیسی در درون و سطح قطعات مایکروویو یکی از مراحل مهم و اساسی در طراحی و پیاده سازی این قطعات به حساب می آید به گونه ای که هزینه بالای طراحی و بهینه سازی قطعات مایکروویو با توجه به پیچیدگی های خاص ساخت آنها تا حد قابل توجهی کاهش یافته است. از میان روش های گوناگون تحلیل و شبیه سازی، روش های نرم افزاری نقش اساسی در این مرحله ایفا می کنند. یکی از پر طرفدارترین روش های موجود در زمینه شبیه سازی نرم افزاری استفاده از حل معادلات تفاضلی محدود در حوزه زمان جهت بررسی معادله انتشار امواج الکترومغناطیسی در درون و سطح قطعات مایکروویو می باشد. در تحقیق انجام گرفته یک قطعه موجب باند مایکرویو در حالت اولیه توخالی و سپس پرشده از فریت مورد شبیه سازی قرار گرفته شده است. سعی بر آن بوده که با استفاده از روش تحلیل تفاضل محدود در حوزه زمان محیط داخلی موجبر با دقت بسیار بیشتر از نرم افزارهای تحلیل که هسته اصلی پردازش آنها مبتنی بر همین روش می باشد، مورد شبیه سازی قرار گیرد. با استفاده از نتایج حاصله با تغییر سطح مقطع موجبر امکان انتشار مدهای مختلف امواج الکترومغناطیسی، فرکانس قطع موجبر، پارامترهای تضعیف، ثابت انتشار امواج در موجبرهای توخالی و پس از اضافه شدن محیط فریتی به موجبر اثر محیط غیرخطی، چرخش فارادی، پیدایش مدهای جدید، تغییر ثابت انتشار و در نهایت پارامترهای انتقال و انعکاس از سطوح دو محیط مورد شبیه سازی و تحلیل قرار گرفته است. مبنای شبیه سازی موجبر با سطح مقطع چهار ضعلی انتخاب گردید اگرچه الگوریتم های تهیه شده در این تحقیق علاوه بر دستگاه مختصات قائم در بر گیرنده روابط دستگاه های مختصات استوانه ای و کروی نیز بوده و به راحتی می توان تمامی ساختارهای دارای شکل منظم و نامنظم را مورد شبیه سازی قرار داد. کلیه نتایج بدست آمده دارای دقتی بیش از حد انتظار بوده که حاصل بررسی دقیق شرایط مرزی محیط شبیه سازی می باشد. این نتایج در انتها با نتایج حاصله از سایر روش های تحلیل نرم افزاری و همچنین شبیه سازی انجام گرفته با یکی از قدرتمندترین نرم افزارهای موجود در طراحی قطعات الکترومغناطیسی مقایسه شده است. در این پایان نامه در ابتدا به بررسی اجمالی قطعات موجبری مایکروویو و خصوصیات آنها و همچنین شرایط لازم جهت انتشار مدهای مختلف امواج الکترومغناطیسی در آنها پرداخته شده است در ادامه به معرفی دقیق روش تحلیل نرم افزای تفاضل محدود در حوزه زمان، ارائه الگوریتم های مناسب جهت شبیه سازی محیط محاسباتی، بررسی محیط های فریتی و نحوه انتشار امواج الکترومغناطیسی در داخل آنها و در نهایت شبیه سازی موجبرهای حاوی فریت و ارائه یک روش کاملا منحصر به فرد در نحوه شبیه سازی انتشار امواج در حوزه فرکانسی ارائه شده است در خاتمه تحقیق نیز کلیه نتایج حاصله از شبیه سازی با نتایج موجود از سایر روش های بررسی و شبیه سازی مورد تحلیل و تطبیق قرار گرفته است. فصل اول: کلیات موجبرهای امواج الکترومغناطیسی 1-1- مقدمه: قسمتی از طیف الکترومغناطیسی که بین 1000 تا 100/000 مگاهرتز قرار می گیرد به عنوان ناحیه مایکروویو استفاده می شود و کلمه ریزموج برای مشخص کردن امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالای 1000 مگاهرتز به جهت کوچکی طول موج فیزیکی آنها برای نام گذاری به کار می رود. انرژی موجود در امواج مایکروویو دارای تمایز محسوسی نسبت به سایر امواج الکترومغناطیسی بوده و با توجه به بسیاری از خصوصیات این دسته امواج از جمله جهت پذیری مناسب جهت استفاده در آنتن های کوچک و فرستنده های رادیویی توان پایین کاربرد فراوان دارد و در هر دو حوزه نظامی و غیرنظامی استفاده از این امواج رشد چشمگیری داشته است. خصوصیات منحصر بفرد این امواج باعث شده تا در طراحی تجهیزات ناوبری بر روی کشتی ها و هواپیماها و به صورت کلی در مکان هایی که فضا و وزن جزء پارامترهای مهم در طراحی به حساب می آیند، بسیار مورد توجه قرار گیرند. شایان ذکر است امواج الکترومغناطیسی در فرکانس های باند مایکروویو مشکلات خاص خود را در فازهای تولید انتقال و طراحی مدار دارا می باشند که در فرکانس های پایین تر با آن کمتر مواجه می شویم. همچنین متذکر می شویم تئوری قراردادی مدار که پایه و اساس روابط ولتاژ و جریان در مدار می باشد در طیف فرکانسی مایکروویو قابل بسط نبوده و به جای آن از تئوری مایکروویو و روابط و قوانین حاکم بر میدان های الکترومغناطیسی همانند قوانین ماکسول استفاده می شود. 2-1- تئوری موجبرهای الکترومغناطیسی: به طور کلی استفاده از زوج سیم جهت برقراری خط انتقال مطابق با تئوری مدارهای الکتریکی جهت انتقال امواج الکترو مغناطیسی در باند فرکانسی مایکروویو امری بیهوده می باشد. این امر بدان دلیل می باشد که خطوط میدان های الکترو مغناطیسی در جهت های مختلف محدود نشده اند و به راحتی انرژی امواج از طریق تشعشع در تمام جهات منتشر شده و عملا موج الکترومغناطیسی در مسیر اصلی انتشار مورد نظر که همان زوج سیم است میرا خواهد شد. کابل کواکسیال یا همان خطوط انتقال متعادل به مراتب مفیدتر از حالت قبل می باشد زیرا میدان ها در داخل حفظ این خط انتقال محدود شده اند اما همچنان میزان تضعیف موج الکترومغناطیسی بسیار بالاست. در نهایت با توجه به بحث تئوری خطوط انتقال موجبرهای الکترومغناطیسی موثرترین روش جهت انتقال امواج الکترومغناطیسی می باشند. موجبرها اساسا خط انتقال متعادل بدون هادی مرکزی بوده که از مواد هادی و به شکل های مستطیلی، دایروی، بیضوی و… ساخته می شوند. و...