SUPERVISOR
Reza Safian,Abolghasem Zeidaabadi Nezhad
رضا صفیان (استاد راهنما) ابوالقاسم زیدابادی نژاد (استاد مشاور)
STUDENT
Shirin Nejat
شیرین نجات
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
: The development of high definition audio/video signals and the growing number of communicating devices in homes and small offices have recently increased the demand for high data rate wireless communication in short ranges. The mm-wave frequency band offers a wide bandwidth allowing data rates of up to 5 Gbits/sec. Among various mm-wave frequency bands, the 60 GHz band has special properties, making it more appropriate for wireless communications in short ranges such as WPAN. The most important reason is its overlap with the oxygen absorption resonance range. Due to the strong absorption, as well as the large free space attenuation, the 60 GHz band provides interference-free closely spaced coverage areas. In 60 GHz short range applications, high gain and broadband antennas are necessary. Dielectric rod antennas, acting as end-fired surface-wave antennas or leaky wave antennas, have been known for quite some time. They radiate by converting guided waves of the dielectric rod into free space propagating waves. Despite numerous applications of rod antennas, the existing theoretical design guidelines are oversimplified. Instead, a number of rigorous numerical methods, such as FDTD, FEM and integral equation based methods have been utilized to study the radiation characteristics of dielectric rod antennas. Although these methods are accurate, they are often too complex and computationally intensive and offer little insight into the underlying working mechanism. In this thesis, a semi-analytical method based on local mode theory is presented for analyzing tapered circular and rectangular dielectric rod antennas. In this approach a simple volume integral equation with point matching solution is used to analyze the tapered dielectric rod antenna. However, the method uses the so-called local mode theory to determine the appropriate basis functions for the polarization current distribution in the dielectric region and, after applying the method of moments, utilizes the equivalence principle to calculate the far-field radiation pattern from this current distribution. The method results in a formula for the radiation pattern that needs only simple integrations over the cross section of the antenna. The use of both equivalent volume current distributions with a local mode approximation for the fields in the tapered dielectric region provided a fairly accurate and computationally efficient method for computation of the radiation pattern for tapered circular dielectric rod antennas. This method can be used efficiently for the design and optimization of such antennas. But for tapered rectangular dielectric rod antennas, because of using Marcatili’s method to approximate basis functions for the polarization current distribution, the results are not as accurate. Fundamental radiating mechanism of dielectric rod antennas is discussed and guidelines to achieve maximum gain are given. Furthermore, dielectric loss is calculated and it is shown that, by increasing the permittivity of the dielectric medium, dielectric loss is increased. So as the antenna size increases, the dielectric permittivity should be decreased in order to maintain radiation efficiency. It is shown that by using periodically tapered dielectric rod antennas higher gain and radiation efficiency can be achieved. Keywords: Tapered dielectric rod antennas, millimeter waves, surface wave antennas, local mode theory, volume integral equation, body of revolution.
توسعه سیگنال های صوتی و تصویری با کیفیت بالا و افزایش تعداد وسایل ارتباطی در منازل اخیرا باعث افزایش تقاضا برای مخابرات بیسیم با نرخ تبادل اطلاعات بالا در فواصل نزدیک شده است. فرکانس های موج میلیمتری (30 تا 300 گیگا هرتز) یکی از بهترین گزینه ها برای این منظور می باشد. باند فرکانس موج میلیمتری بعلت پهنای باند وسیع، امکان تبادل اطلاعات تا نرخ 5 گیگا بیت بر ثانیه را فراهم می سازد. بهرحال به علت تلفات سیگنال در فضای آزاد در این رنج فرکانسی، کاربردهای عملی همانند WPAN به فواصل کوتاه محدود شده اند. در میان باندهای متنوع موج میلیمتری، باند فرکانسی 60 گیگا هرتز دارای خواص ویژه ای است که آن را برای مخابرات بیسیم در فواصل نزدیک، مناسب تر می سازد. مهمترین خاصیت آن، همپوشانی آن با رنج جذب رزونانسی اکسیژن است. بعلت خاصیت جذب بالا بعلاوه تضعیف در فضای آزاد، باند 60 گیگا هرتز برای مخابرات بیسیم در فواصل دور کاربرد ندارد. اما خاصیت جذب اکسیژن بعنوان یک مزیت در فواصل کوتاه شناخته می شود، زیرا امکان ایجاد نواحی بدون تداخل و به فاصله نزدیک به هم را فراهم می سازد. در طراحی یک لینک مخابراتی بیسیم، آنتن یکی از اجزاء حیاتی آن بشمار می رود. هنگام طراحی یک آنتن در فرکانس های موج میلیمتری، پارامترهای مختلفی باید در نظر گرفته شود. پارامترهای معمول آنتن نظیر بهره، پهنای باند و بازده، برای هر کاربرد باید خواسته های مشخصی را برآورده سازند. برای کاربردهای فاصله نزدیک در فرکانس 60 گیگا هرتز، آنتن هایی با بهره بالا و پهنای باند وسیع مورد نیاز است.آنتن های میله ای دی الکتریک مدت زمان زیادی است که به عنوان تشعشع کننده های اندفایر موج سطحی، شناخته شده اند. آنها به صورت مبدل امواج هدایت شده به امواج انتشاری فضای آزاد، تشعشع می کنند. این آنتن ها دارای اشکال متنوع و روش های تغذیه گوناگون هستند. میله های با سطح مقطع مستطیلی و دایروی، نسبت به بقیه از معروفیت بیشتری برخوردار می باشند. علیرغم کاربرد وسیع این نوع آنتن ها، روش های تئوری موجود برای طراحی این آنها با ساده سازی های بسیاری همراه هستند. در عوض، روش های عددی پیچیده ای نظیر FDTD، FEM و روش های مبتنی بر معادلات انتگرالی، برای بررسی مشخصات تشعشعی آنتن های میله ای دی الکتریک مورد استفاده قرار گرفته است. هرچند این روش ها دقیق هستند، اما از لحاظ ریاضی بسیار پیچیده بوده و دید اندکی نسبت به ساز و کار تشعشعی این آنتن ها ارائه می دهند. در این پایان نامه، روش های تحلیلی مبتنی بر نظریه مدهای موضعی برای تحلیل آنتن های دی الکتریک تیپر شده با سطح مقطع دایروی و مستطیلی ارائه شده است.در این روش با نوشتن معادلات انتگرالی حجمی ساده ای برای آنتن های دی الکتریک که در آن توابع پایه ای بصورت قرص های نازک در طول آنتن هستند، و حل معادلات انتگرالی بروش ممان، جریان های پلاریزاسیون محاسبه شده و سپس با قرار دادن این جریان ها در فضای آزاد، پترن تشعشعی آنتن محاسبه می شود. سپس به صورت پایه ای به بررسی مکانیزم تشعشعی آنتن های میله ای دی الکتریک پرداخته شده و روشی برای طراحی آنتن جهت دستیابی به حداکثر بهره ارائه شده است. همچنین روش تحلیلی برای محاسبه پترن تشعشعی آنتن های دی اکتریک تیپر شده دایروی با ضریب نسبی دی الکتریک کم که شعاع آنها در محدوده خاصی تغییر می کند، ارائه شده است. کلمات کلیدی: آنتن های میله ای دی الکتریک تیپر شده، امواج میلیمتری، امواج سطحی، نظریه مدهای موضعی، معادلات انتگرالی حجمی، روش BOR