Skip to main content
SUPERVISOR
Abolghasem Zeidaabadi Nezhad,Amir Borji
ابوالقاسم زیدابادی نژاد (استاد مشاور) امیر برجی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Behrooz Semnani
بهروز سمنانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Physical Limitations in Radiating Structures and Design of Optimum Antennas
A considerable amount of research has been dedicated to the miniaturization of antennas in recent years. Emerging broadband and mobile wireless applications with market pressure for miniaturized communication devices have encouraged the use of electrically small antennas (ESA). Reduction of antenna size and miniaturization of radiating structures gives rise to some unavoidable limitations on their radiation performance. The need for small portable devices has motivated many engineers and scientists to study these fundamental limits. Physical bounds on the bandwidth, realized gain, directivity, gain-bandwidth product, scattered power, and absorption efficiency have been discussed in this thesis. The concept of antenna quality factor relating the antenna realizable bandwidth to the equivalent current distributions induced over the antenna structure plays an important role in this matter. Numerous papers have been published trying to define the minimum possible radiation quality factor of the antenna as a function of its size. Many of these derivations assume a circumscribing sphere and deal only with the fields external to this sphere. As a result, the lower limits tend to be overly optimistic and the actual quality factor of the antenna is usually considerably higher than the lower bound predicted by these theories. In this thesis a general expression for the quality factor of an arbitrary current distribution is derived based on the concept of observable stored energy. The given expression closely predicts the actual impedance bandwidth of the antenna which is derived from its resonance model. In order to design antennas with optimal radiation performance a novel scheme based on the theory of characteristic modes is developed. The new design methodology is applicable to arbitrary topologies and it does not rely on the assumption of a canonical volume such as a sphere enclosing the antenna. The particular definition of characteristic modes, as proposed in this thesis, substantially reduces the number of basis functions required to expand a realizable current distribution over an arbitrary topology. By developing the novel notion of “generalized Chu’s theorem” it has been shown that only a finite number of eigencurrents contribute in radiation and this considerably reduces numerical calculations in the optimization procedure. Furthermore, a general modal technique is established to design spherical antennas with maximum gain-bandwidth product. In addition to the physical limitation of small antennas, a fundamental limitation on the scattering behavior of receiving antennas has been introduced in this thesis for the first time. Specifically, a lower bound on the total power scattered from a lossless and matched receiving antenna, for a given incident wave, is presented. The vector spherical wave expansion is used to describe the scattering and power absorption mechanisms. Scattering is the main reason behind antenna absorption. This poses a fundamental limit on minimization of antenna scattering. In other words, if we are to extract any power from the incident wave, the receiving antenna cannot be completely invisible and scattering is an inevitable consequence of the power capturing process. Finally, a universal limit on the absorption efficiency of arbitrary receiving antennas in terms of their normalized gain is derived which is based on the modal analysis of the scattering process in receiving mode. Key Words Quality factor, Impedance bandwidth, Characteristic modes, Antenna scattering, Absorption efficiency
همگام با فشرده سازی مدارات و ادوات الکترونیکی ، کوچک سازی آنتن ها نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار شده است. کاهش ابعاد آنتن همواره با محدودیت های اجتناب ناپذیری روبرو است که عملکرد تشعشعی آن را تحت تاثیر قرار می دهند. به عنوان مثال با کاهش ابعاد الکتریکی آنتن پهنای باند نسبی آن همواره محدودتر می شود. بنابراین مطالع? این مرزهای فیزیکی و ارائ? روشهایی برای سنتز آنتن هایی که عملکرد آن ها حتی الامکان به مرزهای فیزیکی نزدیک باشد مسئله ای درخور توجه است. در این میان ضریب کیفیت ساختار های تشعشعی به عنوان پل ارتباطی میان رفتار فرکانسی امپدانس ورودی آنتن و توزیع جریان ساختار، ابزاری مهم در مطالع? محدودیت های فیزیکی و سنتز توزیع جریان بهینه می باشد. تاکنون با توجه به تعاریف مورد استفاده برای ضریب کیفیت، بررسی مرزهای فیزیکی منحصر به ساختارهای کروی بوده و در مورد سایر ساختارها با تقریب هایی روبرو است که در بسیاری از موارد این تقریب ها قابل توجه اند. در این پایان نامه پس از استخراج رابطه ای دقیق برای ضریب کیفیت با استفاده از تعبیر مشاهده پذیری انرژی راکتیو، با معرفی مدهای مشخصه، توابع بسط مناسبی برای توزیع جریان ساختار های دلخواه با توپولوژی مشخص ارائه خواهد شد. نشان داده می شود که هرچند این توابع بسط یک مجموع? کامل تشکیل می دهند اما تعداد اندکی در تشعشع سهیم بوده و انتشار سایر مدها بدلیل ضریب کیفیت بالای آنها امکان پذیر نمی باشد. از این رو مسئل? بهینه سازی به یافتن ضرایب بسط تعداد اندکی از مدها تبدیل می گردد. در این پایان نامه همچنین روشهای مدال جدیدی برای سنتز توزیع جریان های کروی به منظور حصول حداکثر حاصلضرب بهره در پهنای باند ارائه شده است. علاوه بر محدودیت های فیزیکی منحصر به آنتن های کوچک ، پراکندگی آنتن های گیرنده تحت تابش موج فرودی نیز در انداره گیری های اپتیکی و بسیاری از کاربردهای دیگر حائز اهمیت است. در این پایان نامه اساسی ترین محدودیت های فیزیکی مرتبط با میزان پراکندگی آنتن ها استخراج شده و با ارائ? رابطه ای برای حد پایین پراکندگی آنتن بر حسب پترن تشعشعی آن، نشان داده می شود که مخفی سازی کامل آنتن ها امکان پذیر نیست. کلمات کلیدی: ضریب کیفیت، انرژی راکتیو، سنتز، مدهای ویژه، پراکندگی، بازدهی جذب

ارتقاء امنیت وب با وف بومی