متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی برق

گرایش :مخابرات

عنوان : آنالیز و شبیه سازی تقویت کننده یک طبقه مایکروویوی سیگنال کوچک با بهره گرفتن از روش FDTD

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب دانشکده تحصیلات تکمیلی

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

مهندسی برق مخابرات (گرایش میدان و امواج)

عنوان :

آنالیز و شبیه سازی تقویت کننده یک طبقه مایکروویوی سیگنال کوچک با بهره گرفتن از روش FDTD

استاد راهنما :

دکتر منوچهر کامیاب حصاری

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 های حوزة زمان شبکه مکانی مربوطه 7…… …………………………..

 

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

 

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

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

 

-6-1 شبیه سازی در سه بعد به روش FDTD در فضای 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 بهره گرفتن 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 بندی روش منبع جریان معادل……………………………………………………….. 49

 

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

 

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

 

فصل سوم : تقویت کننده مایکروویوی

 

-1-3عناصر مداری مایکروویو……………………………………………………………………………… 61

 

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

 

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

 

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

 

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

 

-1-3-3 تقویت کننده های مایکروویوی از نظر ساختار……………………………………………… 62

 

-2-3-3 تقویت کننده های مایکروویوی از نظر ساختار مداری…………………………………….. 62

 

-3-3-3تقویت کننده های مایکروویوی از نظر عملکرد………………………………………………. 62

 

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

 

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

 

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

 

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

 

-3-5-3خازن های 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 سازی تقویت کننده

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

-4-4 مدل سازی عنصر فعال……………………………………………………………………………… 80

 

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

 

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

 

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

 

-6-4 پروسه شبیه سازی…………………………………………………………………………………… 94

 

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

 

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

 

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

 

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

 

فهرست شکل ها

 

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

 

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 ورودی………………………………………………………………………….. 47

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

 

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

 

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

 

:10-2 نمایش مدار معادل لبه های 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 نمای کلی تقویت کننده یک طبقه……………………………………………………………… ..65

 

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

 

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

 

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

 

:1-4 تقویـت کننده مایکــروویوی شبیه سازی شـده در این پایان نامـه با استفـاده از

 

MESFET مایکروویوی 77………………………………………………………………………….. js8851

 

:2-4 مقادیر S اندازه گیری شده با بهره گرفتن 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 پارامترهای S به دست آمده حاصل از شبیه سازی 85……………………… …………………………..

 

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

 

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

 

:9-4 پارامترهای S به دست آمده با بهره گرفتن از روش منبع ولتاژ معادل………………………….. 96

 

:10-4 پارامترهای S به دست آمده با بهره گرفتن از روش منبع جریان معادل……………………… 97

 

:11-4 پارامترهای S حاصل شده از شبیه سازی در حوزه فرکانس با بهره گرفتن از 98……… MWO

 

چکیده                                                                                                                              ١

 

چکیده:

 

 

در این پایان نامه از روش FDTD جهت شبیه سازی و آنالیز یک تقویت کننده مایکروویوی در فرکانس

 

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

 

 

یک MESFET مایکروویوی 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 سازی تمام موج با بهره گرفتن از روش FDTD انجام می شود و میدان های

 

 

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

 

 

با بهره گرفتن از تبدیل فوریه پاسخ زمانی به دست می آیند.  نتایج حاصل از شبیه سازی 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 های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی 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 عددی FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون

 

 

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

 

 

های ذکر شده از مزایایی برخوردار است.  همچنین با بهره گرفتن از این روش می توان با یک بار اجرای

 

 

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 های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی 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 عددی 1 FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون

 

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

 

 

های ذکر شده از مزایایی برخوردار است. همچنین با بهره گرفتن از این روش می توان با یک بار اجرای

 

 

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

 

 

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

 

 

مزایای این روش نسبت به سایر روش های عددی اینچنین اشاره کرد.

 

 

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

 

 

ماتریس های بزرگ قابل حل هستند.

 

 

٢- این روش برای استفاده در ساختارهای پیچیده، غیر همگن هادی یا دی الکتریک ساده است،

 

 

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

 

٣- نتایج حوزه فرکانس با بهره گرفتن از نتایج حوزه زمان بسیار ساده تر از روش معکوس گیری 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 دارای معایبی نیز هست که عبارتند از:

 

 

١- مش بندی 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 سازی آن با این روش با خطا مواجه خواهیم شد.

 

 

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

 

 

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

 

 

سبب کندتر شدن اجرای برنامه می شود.

 

 

چند دلیل افزایش علاقه مندی به استفاده از FDTD و روش های حل محاسباتی مربوطه اش برای

 

 

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 های الکترومغناطیسی عنصر محدود را به کمتر

 

 

از 106 میدان نامشخص الکترومغناطیسی محدود می کند؛ اجتناب می کند. مدل های 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 ای که مدل های دقیقی را برای انواع مسائل عکس العمل موج

 

 

الکترومغناطیسی فراهم کنند.

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

کند.

 

 

FDTD -4 طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با بهره گرفتن 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 جای استفاده از معادلات انتگرالی

 

 

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

 

 

نیازی 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 های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد، این از مزیت های روش FDTD است که گسسته سازی

 

 

مکانی را روی یک حجم انجام می دهد، بنابراین نیاز به RAM بسیار زیادی دارد.

 

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

 

 

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

 

 

های زمانی از مقادیر میدان را برای استفاده در ویدئو های رنگی برای 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 برای معادلات ماکسول:

 

 

Yee :1966 اساس تکنیک عددی FDTD را برای حل معادلات کرل ماکسول در حوزة زمان و بر روی

 

 

شبکه مکانی مطرح کرد.

 

 

Taflove :1975 و Brodwin ملاك پایداری عددی را برای الگوریتم Yee و اولین روش FDTD حالت

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

Choi : 1986 و Hoeffer شبیه سازی FDTD از ساختارهای موجبری را ارائه دادند.

 

Sullivan :1988  اولین مدل FDTD سه بعدی 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 دی الکتریک وابسته به فرکانس توسط Kashiva و Luebbers

 

 

و Joseph ارائه شد.

 

 

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

 

Berenger :1994 شرط مرزی جذب 1 PML را برای شبکه های FDTD دو بعدی مطرح کرد که به

 

وسیله Katz به سه بعد و توسط Re uter به پایانه های موجبری 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 : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

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

پشتیبانی سایت :               asa.goharii@gmail.com

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.

 

در صورتیکه با پرداخت آنلاین مشکلی دارید می توانید مبلغ مربوط به هر فایل را به شماره کارت 6037991199500590 به نام خيريه محک واريز کرده و تصوير پرداختي و عنوان فايل درخواستي را به ایمیل asa.gohari@gmail.com

ارسال کرده تا فايل برایتان ارسال شود.