”M.Sc“ پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی برق – مخابرات (گرایش میدان و امواج)

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

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 استفاده 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 استفاده 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 حوزه 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 استفاده 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 

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 حوزه 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 استفاده 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 این چنین اشاره کرد.

1- این روش نیاز به حل معادلات انتگرالی ندارد و مسائل پیچیده بدون نیاز به معکوس سازی ماتریس های بزرگ قابل حل هستند.

2- 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.

3- نتایج حوزه فرکانس با استفاده 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.

4- این روش موجب استفاده از حافظه به صورت ترتیبی می شود. اما این روش دارای معایبی نیز هست که عبارتند از:

1- مش بندی اجسام پیچیده دشوار است.

2- 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.

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

4- 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.

1- FDTD از جبر غیر خطی استفاده می کند. با یک محاسبه کاملاً ساده، FDTD از مشکلات جبر خطی که اندازه معادله انتگرالی حوزه 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.

2- FDTD 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.

3- FDTD طبیعتاً رفتار ضربه ای دارد. تکنیک حوزه 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.

4- FDTD طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با استفاده از تکنیک حوزه زمان، FDTD پاسخ غیر خطی یک سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه می کند.

5- FDTD 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.

تعداد صفحه : 118

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع ارشد مهندسی برق گرایش برق-مخابرات

با عنوان :بررسی روش های آشکارسازی ناهمدوس سیگنال های فرا پهن باند

تعداد صفحات : 115

با ظهور و گسترش سیستم­های مخابراتی با عرض پالس بسیار باریک، پهنای باند بسیار وسیع، محدودیت پهنای باند و سرعت قطعات الکترونیکی موجود، استفاده از بسیاری از ساختار­های آشکار سازی ناهمدوس شناخته شده پیشین با دشواری روبرو است و طراحی گیرنده مناسب در اینگونه سیستم­ها از اهمیت ویژه­ای برخودار است. در حوزه رادیویی، طراحی گیرنده­های ساده و کم مصرف در مخابرات فراپهن باند (UWB) بدون استفاده از مکانیزم­های پیچیده تخمین کانال که عملکرد قابل قبولی داشته باشند بسیار مورد توجه است.

در این پایان نامه ، به بررسی انواع مختلف آشکارسازی ناهمدوس سیگنال­های UWB پرداخته شده است. به منظور بررسی این مسایل، ابتدا به معرفی مدل سیستم UWB پرداخته شده است و سپس مدل کانال­های مورد استفاده در سیستم UWB که براساس دو نوع استاندارد IEEE می­باشد مورد مطالعه قرار گرفته است و نتایج آنها با استفاده از شبیه سازی بررسی شده است. در ادامه، انواع روش­های آشکارسازی ناهمدوس سیگنال­های UWB مورد بررسی قرار گرفته است و به مقایسه و بررسی کارایی آنها با استفاده از شبیه­سازی پرداخته شده است. در بخش بعدی پایان نامه ، ما دو نوع آشکارسازی ناهمدوس چندسمبولی را برای مدولاسیون موقعیت پالس سیگنال­های UWB پیشنهاد دادیم. در این روش، ما از روش GLR برای استخراج آشکارساز ناهمدوس یک بلوک مشاهده شامل سمبول متوالی استفاده کردیم. در این روش ما به هیچ نوع اطلاعاتی از کانال نیاز نداریم. در ادامه، پس از استخراج آشکارساز GLR، به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی آشکارساز، از تکنیک SDR برای پیاده­سازی آن استفاده کردیم. در ادامه با فرض خاصیت تنک بودن کانال، به بهبود تخمین سیگنال دریافتی پرداختیم و با در نظر گرفتن تخمین جدید سیگنال دریافتی، آشکارساز GLR بهبود یافته را استخراج کردیم. سپس به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی آن، از تکنیک SDR برای پیاده­سازی آن استفاده کردیم. نتایج شبیه­سازی، کارایی و عملکرد آشکارسازهای پیشنهادی را نشان می­دهد. همانطور که خواهیم دید، زمانیکه تعداد سمبول­های ارسالی در یک بلوک مشاهده زیاد می­شود کارایی هر دو آشکارساز پیشنهادی به گیرنده Rake ایده ال نزدیک خواهد شد.