متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی برق

گرایش :مخابرات

عنوان : آنالیز و شبیه سازي تقویت کننده یک طبقه مایکروویوي سیگنال کوچک با استفاده از روش FDTD

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه براي دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“

مهندسی برق مخابرات (گرایش میدان و امواج)

عنوان :

آنالیز و شبیه سازي تقویت کننده یک طبقه مایکروویوي سیگنال کوچک با استفاده از روش FDTD

استاد راهنما :

دکتر منوچهر کامیاب حصاري

استاد مشاور :

دکتر فرخ حجت کاشانی

بهمن 1385

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

فهرست مطالب

 

چکیده…………………………………………………………………………………………………………. 1

 

فصل اول : معرفی روش FDTD

 

-1-1 تاریخچه تکنیک FDTD  در معادلات ماکسول………………………………………………… 6

 

-2-1 مشخصه FDTD و تکنیک هاي حوزة زمان شبکه مکانی مربوطه 7…… …………………………..

 

FDTD -3-1 در یک بعد………………………………………………………………………………….. 8

 

-4-1 پایداري در روش 14…………………………………………………………….. FDTD

-5-1 تعیین اندازه سلول…………………………………………………………………………………… 14

 

-6-1 شبیه سازي در سه بعد به روش FDTD در فضاي آزاد……………………………………… 15

 

-7-1 خواص الکترومغناطیسی در مرز بین دو سلول…………………………………………………. 17

 

-8-1 لایه تطبیق کامل 18…………………………………………………………………………….. PML

 

فصل دوم : مدل کردن عناصر فشرده پسیو و اکتیو با استفاده از روش FDTD

 

-1-2 عناصر فشردة خطی…………………………………………………………………………………. 27

 

-1-1-2 مقاومت……………………………………………………………………………………………… 29

 

-2-1-2 منبع ولتاژ مقاومتی………………………………………………………………………………. 30

 

-3-1-2 خازن………………………………………………………………………………………………… 32

 

-4-1-2 سلف…………………………………………………………………………………………………. 32

 

-5-1-2 سیم یا اتصال………………………………………………………………………………………. 33

 

-2-2 مدل کردن عنصر فشرده در بیش از یک سلول………………………………………………… 33

 

-3-2 مدل کردن عناصر اکتیو…………………………………………………………………………….. 37

 

-4-2 روش FDTD بسط یافته…………………………………………………………………………… 39

 

-5-2 مدل گلوبال……………………………………………………………………………………………. 41

 

-6-2 روش منبع جریان معادل 48…………………………………………………….. …………………………..

 

-1-6-2 فرمول بندي روش منبع جریان معادل……………………………………………………….. 49

 

-2-6-2 دستگاه هاي اکتیو خطی……………………………………………………………………….. 53

 

-3-6-2 دستگاه اکتیو غیر خطی………………………………………………………………………… 56

 

فصل سوم : تقویت کننده مایکروویوي

 

-1-3عناصر مداري مایکروویو……………………………………………………………………………… 61

 

-1-1-3 مدارات عنصر فشرده…………………………………………………………………………….. 61

 

-2-1-3 مدارات خط توزیع شده…………………………………………………………………………. 61

 

-2-3 تطبیق شبکه هاي مایکروویو 61……………………………………………….. …………………………..

 

-3-3 تقویت کننده هاي مایکروویو………………………………………………………………………. 61

 

-1-3-3 تقویت کننده هاي مایکروویوي از نظر ساختار……………………………………………… 62

 

-2-3-3 تقویت کننده هاي مایکروویوي از نظر ساختار مداري…………………………………….. 62

 

-3-3-3تقویت کننده هاي مایکروویوي از نظر عملکرد………………………………………………. 62

 

-4-3 تقویت کننده یک طبقه مایکروویوي……………………………………………………………… 65

 

-5-3 مدل سیگنال کوچک 67………………………………………………………………….. MESFET

 

-1-5-3اندوکتانس هاي پارازیتیک 67………………………………………………… …………………………..

 

-2-5-3 مقاومت هاي پارازیتیک………………………………………………………………………….. 68

 

-3-5-3خازن هاي درونی…………………………………………………………………………………… 68

 

-4-5-3مقاومت با ر69………………………………………………………………………………………. Ri

 

-5-5-3ضریب هدایت متقابل……………………………………………………………………………… 69

 

-6-5-3زمان گذر…………………………………………………………………………………………….. 69

 

-7-5-3مقاومت خروجی…………………………………………………………………………………… .70

 

فصل چهارم : طراحی و شبیه سازي تقویت کننده

 

-1-4 طراحی تقویت کننده سیگنال کوچک…………………………………………………………… 73

 

-1-1-4 شبکه تطبیق خروجی…………………………………………………………………………… 76

 

-2-1-4 شبکه تطبیق ورودي…………………………………………………………………………….. 77

 

-2-4 مشخصات خط مایکرواستریپ 78………………………………………………. …………………………..

 

-3-4 مشخصات شبکه FDTD در شبیه سازي……………………………………………………….. 80

 

-4-4 مدل سازي عنصر فعال……………………………………………………………………………… 80

 

-1-4-4 مدل منبع جریان…………………………………………………………………………………. 85

 

-2-4-4 مدل منبع ولتاژ……………………………………………………………………………………. 89

 

-5-4 محاسبه پارامترهاي 92……………………………………………………………………………….. S

 

-6-4 پروسه شبیه سازي…………………………………………………………………………………… 94

 

نتیجه…………………………………………………………………………………………………………… 100

 

پیوست…………………………………………………………………………………………………………. 101

 

منابع و ماخذ………………………………………………………………………………………………… . 102

 

چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………… 106

 

فهرست شکل ها

 

:1-1 یک در میان قرار گرفتن میـدان هاي E و H از نظر زمـانی و مکانی در فرمـــول بندي

 

10……………………………………………………………………………………………………….. FDTD

 

:2-1 سلول 15……………………………………………………………………………………………… yee

 

:1-2 منبع ولتاژ مقاومتی که در جهت z مثبت قرار گرفته است…………………………………. 31

 

:2-2 مدار مربوط به عنصر فشرده که در چندین سلول yee واقع شده است………………….. ..35

 

:3-2 مدل کردن ترانزیستور در شبکه 41………………………………………………………… FDTD

 

:4-2 دید فوقانی نیمی از ساختار 45…………………………………………………. GaAs MESFET

 

:5-2 تقویت کننده ترانزیستور GaAs و شبکه تطبیق……………………………………………….. 46

 

:6-2 شبکه تطبیق ورودي………………………………………………………………………….. 47

:7-2 کوپلینگ در 47……………………………………………………………………. GaAs MESFET

 

:8-2 شبکه تطبیق خروجی 47………………………………………………………… …………………………..

 

:9-2 صفحه اکتیو ABCD در انتهاي خط مایکرواستریپ……………………………………………. 50

 

:10-2 نمایش مدار معادل لبه هاي سلول (i, j) در شبکه 51………………………………… FDTD

 

:11-2 شبکه اکتیو و ختم شدگی آن به جریان دستگاه……………………………………………. 52

 

:12-2 مدار معادل سلول 52………………………………………………………………………… FDTD

 

:1-3 عملکرد سیگنال کوچک تقویت کننده 64……………………………………. …………………………..

 

:2-3 عملکرد سیگنال بزرگ تقویت کننده…………………………………………………………….. 64

 

:3-3 نماي کلی تقویت کننده یک طبقه……………………………………………………………… ..65

 

:4-3 تقویت کننده در این پایان نامه……………………………………………………………………. 66

 

:5-3 مدل 16 عنصري سیگنال کوچک 70………………………………………………….. MESFET

 

:6-3 ناحیه تخلیه زیر گیت……………………………………………………………………………….. 71

 

:1-4 تقویـت کننده مایکــروویوي شبیه سازي شـده در این پایان نامـه با استفـاده از

 

MESFET مایکروویوي 77………………………………………………………………………….. js8851

 

:2-4 مقادیر S اندازه گیري شده با استفاده از نرم افزار مایکروویو آفیس………………………… 78

 

:3-4 خط مایکرواستریپ 79……………………………………………………………. …………………………..

 

:4-4 (الف) قرار گرفتن منابع معادل جریان در روش معادل نرتن. (ب) مدار معادل فرم انتگرالی

 

قانون آمپر 81……………………………………………………………………………… …………………………..

 

:5-4 (ج) قرار گرفتن منـابع ولتاژ معادل در روش معـادل تونن. (د) مدار معـادل فرم انتگرالی

 

قانون فاراد…………………………………………………………………………………………………….. 82

 

:6-4 پارامترهاي S به دست آمده حاصل از شبیه سازي 85……………………… …………………………..

 

:7-4 مدل منبع جریان معادل……………………………………………………………………………. 86

 

:8-4 منبع ولتاژ معادل…………………………………………………………………………………….. 89

 

:9-4 پارامترهاي S به دست آمده با استفاده از روش منبع ولتاژ معادل………………………….. 96

 

:10-4 پارامترهاي S به دست آمده با استفاده از روش منبع جریان معادل……………………… 97

 

:11-4 پارامترهاي S حاصل شده از شبیه سازي در حوزه فرکانس با استفاده از 98……… MWO

 

چکیده                                                                                                                              ١

 

چکیده:

 

 

در این پایان نامه از روش FDTD جهت شبیه سازي و آنالیز یک تقویت کننده مایکروویوي در فرکانس

 

10GHz، استفاده شده است.  این تقویت کننده شامل منبع AC ، مدارات تطبیق ورودي و خروجی و

 

 

یک MESFET مایکروویوي JS8851 به عنوان دستگاه اکتیو می باشد.  روش منابع جریان و منابع ولتاژ

 

 

معادل جهت مدل کردن عنصر فعال به کار رفته اند و با توجه به مدل سیگنال کوچک MESFET و

 

 

معادلات حالت مربوطه، شبیه سازي تمام موج با استفاده از روش FDTD انجام می شود و میدان هاي

 

 

الکتریکی و مغناطیسی در صفحات فعال به روز می شوند.  در نهایت پارامترهاي اسکترینگ تقویت کننده

 

 

با استفاده از تبدیل فوریه پاسخ زمانی به دست می آیند.  نتایج حاصل از شبیه سازي با دو روش معادل

 

 

ولتاژ و جریان با یکدیگر مقایسه شده اند.  از آن جایی که این دو روش دوگان یکدیگرند توافق خوبی با

 

 

یکدیگر دارند.  این نتایج با نتایج به دست آمده از روش فرکانسی با نرم افزار مایکروویوآفیس نیز مقایسه

 

 

شده اند.

 

مقدمه

 

روش هاي عددي ابزاري بسیار مفید در شبیه سازي مسائل الکترومغناطیسی هستند.  از این رو می توان

 

 

به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزة زمان به عنوان مهم ترین این روش

 

 

ها اشاره کرد.  روش عددي FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازي انواع شکل هاي پیچیده، بدون

 

 

نیاز به حل ماتریس هاي بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش

 

 

هاي ذکر شده از مزایایی برخوردار است.  همچنین با استفاده از این روش می توان با یک بار اجراي

 

 

برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در باند وسیعی در اختیار داشت.

 

فصل اول :

 

معرفی روش FDTD

 

فصل اول: معرفی روش FDTD

مقدمه:

 

روش هاي عددي ابزاري بسیار مفید در شبیه سازي مسائل الکترومغناطیسی هستند. از این رو می توان

 

 

به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزة زمان به عنوان مهم ترین این روش

 

ها اشاره کرد. روش عددي 1 FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازي انواع شکل هاي پیچیده، بدون

 

نیاز به حل ماتریس هاي بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش

 

 

هاي ذکر شده از مزایایی برخوردار است. همچنین با استفاده از این روش می توان با یک بار اجراي

 

 

برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در باند وسیعی در اختیار داشت. به طور کلی می توان با

 

 

یک بار اجراي برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در اختیار داشت. به طور کلی می توان به

 

 

مزایاي این روش نسبت به سایر روش هاي عددي اینچنین اشاره کرد.

 

 

١- این روش نیاز به حل معادلات انتگرالی ندارد و مسائل پیچیده بدون نیاز به معکوس سازي

 

 

ماتریس هاي بزرگ قابل حل هستند.

 

 

٢- این روش براي استفاده در ساختارهاي پیچیده، غیر همگن هادي یا دي الکتریک ساده است،

 

 

زیرا مقادیر ε، μ و σ در هر نقطه از شبکه قابل تعریف است.

 

٣- نتایج حوزه فرکانس با استفاده از نتایج حوزه زمان بسیار ساده تر از روش معکوس گیري از

 

 

ماتریس به دست می آیند. بنابراین نتایج باند وسیع فرکانسی به راحتی محاسبه می شوند.

 

 

٤- این روش موجب استفاده از حافظه به صورت ترتیبی می شود.

 

 

اما این روش داراي معایبی نیز هست که عبارتند از:

 

 

١- مش بندي اجسام پیچیده دشوار است.

 

 

٢- از آن جایی که شبکه به شکل چهار گوش است، مسائل با سطوح منحنی را در بر نمی گیرد و

 

 

در مدل سازي آن با این روش با خطا مواجه خواهیم شد.

 

 

٣- در الگوریتم هاي تفاضل محدود، مقادیر میدان ها فقط در گره هاي شبکه مشخص است.

 

 

٤- براي دست یابی به دقت بالا در محاسبات، نیاز به اجراي برنامه در تعداد گام زمانی زیاد است که

 

 

سبب کندتر شدن اجراي برنامه می شود.

 

 

چند دلیل افزایش علاقه مندي به استفاده از FDTD و روش هاي حل محاسباتی مربوطه اش براي

 

 

معادلات ماکسول وجود دارد.

 

 

FDTD -1  از جبر غیر خطی استفاده می کند. با یک محاسبه کاملاً ساده، FDTD از مشکلات جبر

 

 

خطی که اندازة معادله انتگرالی حوزة فرکانس و مدل هاي الکترومغناطیسی عنصر محدود را به کمتر

 

 

از 106 میدان نامشخص الکترومغناطیسی محدود می کند؛ اجتناب می کند. مدل هاي FDTD با 109

 

 

میدان ناشناخته، اجرا می شوند.

 

FDTD -2 دقیق و عملی می باشد. منابع خطا در محاسبات FDTD به خوبی شناخته شده اند و این

 

 

خطاها می توانند محدود شوند به گونه اي که مدل هاي دقیقی را براي انواع مسائل عکس العمل موج

 

 

الکترومغناطیسی فراهم کنند.

 

 

FDTD -3 طبیعتاً رفتار ضربه اي دارد. تکنیک حوزة زمان باعث می شود تا FDTD به طور مستقیم

 

 

پاسخ ضربه یک سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه کند. بنابراین شبیه سازي FDTD می تواند شکل

 

 

موج هاي زمانی بسیار پهن باند یا پاسخ هاي پایدار سینوسی را در هر فرکانسی در طیف تحریک فراهم

 

 

کند.

 

 

FDTD -4 طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با استفاده از تکنیک حوزة زمان، FDTD پاسخ غیر خطی یک

 

 

سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه می کند.

 

 

FDTD -5 یک روش سیستماتیک می باشد. با FDTD می توان به جاي استفاده از معادلات انتگرالی

 

 

پیچیده از تولید مش براي مشخص کردن مدل یک ساختار جدید استفاده نمود. به عنوان مثال FDTD

 

 

نیازي به محاسبه توابع گرین مربوط به ساختار مورد نظر ندارد.

 

 

-6 ظرفیت حافظه کامپیوتر به سرعت در حال افزایش است. در حالی که این روش به طور مثبت تمام

 

 

تکنیک هاي عددي را تحت تاثیر قرار می دهد، این از مزیت هاي روش FDTD است که گسسته سازي

 

 

مکانی را روي یک حجم انجام می دهد، بنابراین نیاز به RAM بسیار زیادي دارد.

 

-7 توانایی مصور سازي کامپیوترها به سرعت در حال افزایش است. در حالی که این روش به طور مثبت

 

 

تمام تکنیک هاي عددي را تحت تاثیر قرار می دهد. این از مزیت هاي روش FDTD است که آرایه گام

 

 

هاي زمانی از مقادیر میدان را براي استفاده در ویدئو هاي رنگی براي نمایش حرکت میدان مناسب می

 

 

سازد.

 

-1-1 تاریخچه تکنیکFDTD  در معادلات ماکسول

 

 

جدول زیر بعضی از نشریات اصلی در این زمینه لیست شده اند که با مقاله Yee آغاز شده است.

 

 

بخشی از تاریخچه تکنیک FDTD براي معادلات ماکسول:

 

 

Yee :1966 اساس تکنیک عددي FDTD را براي حل معادلات کرل ماکسول در حوزة زمان و بر روي

 

 

شبکه مکانی مطرح کرد.

 

 

Taflove :1975 و Brodwin ملاك پایداري عددي را براي الگوریتم Yee و اولین روش FDTD حالت

 

 

پایدار سینوسی را از موج الکترومغناطیسی 2 و 3 بعدي در ساختار ماده را تشکیل دادند.

 

 

Holland :1977 و Kunz و Lee الگوریتم Yeeرا در مسائل EMP به کار بردند.

 

 

1891:    Mur شرط مرزي جذب ABC مرتبه اول و دوم را براي شبکه Yeeبه کار برد.

 

 

Choi : 1986 و Hoeffer شبیه سازي FDTD از ساختارهاي موجبري را ارائه دادند.

 

Sullivan :1988  اولین مدل FDTD سه بعدي از جذب موج الکترومغناطیسی توسط بدن انسان را

 

 

ارائه داد.

 

 

:1988 مدل FDTD یک مایکرواستریپ توسط Zhing ارائه شد.

 

 

:1990-91 مدل FDTD از پرمیتیویتی دي الکتریک وابسته به فرکانس توسط Kashiva و Luebbers

 

 

و Joseph ارائه شد.

 

 

:1992 مدل FDTD از عناصر مداري الکترونیکی فشرده در دو بعد به وسیله Sui بیان شد.

 

Berenger :1994 شرط مرزي جذب 1 PML را براي شبکه هاي FDTD دو بعدي مطرح کرد که به

 

وسیله Katz به سه بعد و توسط Re uter به پایانه هاي موجبري تفرقی منجر شد.

 

 

Schneider :1999 و Wagner آنالیز جامعی از پراکندگی شبکه FDTD مربوط به عدد موج مختلط را

 

 

بیان نمود.

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

تعداد صفحه : 137

قیمت : چهارده هزار تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ———- (فقط پیامک)        [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

*********  ********* *********

دسته بندی : مهندسی برق