پایان نامه ارشد درباره FDTD، سازی، عددی، …………………………..

-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 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 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 استفاده از روش منبع ولتاژ معادل 96

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

:11-4 پارامترهای S حاصل شده از شبیه سازی در حوزه فرکانس با استفاده 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 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 ٢

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

مطلب مشابه :  منابع و ماخذ پایان نامهمنابع انسانی، مدیریت منابع انسانی، شیوه های مدیریت، عملکرد سازمانی

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

فصل اول: معرفی روش FDTD ٣

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 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 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 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.

Finite Difference Time Domain ١

فصل اول: معرفی روش FDTD ۴

٣- 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.

۴- 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.

۴- 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 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.

فصل اول: معرفی روش FDTD ۵

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 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.

FDTD -4 طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با استفاده از تکنیک حوزه 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

مطلب مشابه :  تحقیق رایگان با موضوعفرهنگ نامه، شب امتحان، افراد مبتلا، سلامت روان

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.

فصل اول: معرفی روش FDTD ۶

-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 حوزه زمان و بر روی

شبکه مکانی مطرح کرد.

Taflove :1975 و Brodwin
ملاک 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.

فصل اول: معرفی روش FDTD ٧

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.

-2-1 مشخصه FDTD و تکنیک های حوزه زمان شبکه مکانی مربوطه

FDTD و تکنیک های حوزه زمان شبکه مکانی وابسته به آن روش های حل مستقیم معادلات ماکسول

می باشند. این روش ها بر اساس نمونه برداری از میدان های الکتریکی E و مغناطیسی H در داخل و

اطراف ساختارمورد نظر و در دوره ای از زمان می باشند. نمونه برداری مکانی در ضریبی از طول موج می

Perfectly Match Layer ١

فصل اول: معرفی روش FDTD ٨

باشد که به وسیله کاربر برای نمونه برداری صحیح از بالاترین فرکانس های مکانی میدان نزدیک ایجاد

می شود که این امر در فیزیک مسئله مهم است. معمولاً 20-10 نمونه در هر λ0 نیاز است. نمونه برداری

در زمان به گونه ای انجام می شود تا پایداری عددی الگوریتم تضمین شود.

به طور کلی، FDTD و تکنیک های مربوطه اش شیوه های گام زمانی می باشند که امواج

الکترومغناطیسی پیوسته در یک ناحیه مکانی محدود را به وسیله اطلاعات نمونه برداری شده عددی در

فضای اطلاعاتی کامپیوتر شبیه سازی می کنند. در فضای شبیه سازی نامحدود، ABC 1 ها در صفحات

خارجی شبکه به کار می روند تا تمام امواج از محیط با انعکاس قابل چشم پوشی از منطقه خارج شوند.

FDTD -3-1 در یک بعد

ابتدا برای آشنا شدن با روش FDTD با ساده ترین حالت آغاز می کنیم و انتشار یک پالس را در فضای

آزاد و در یک جهت بررسی می کنیم. معادلات کرل ماکسول در فضای آزاد و در حوزه زمان به صورت

زیر می باشند:

(1-1)
..× H
1

∂E

∂t

ε0

(2-1)
..×E
1


∂H

μ0

∂t

Absorbing Boundary Condition ١

فصل اول: معرفی روش FDTD ٩

E و H بردارهای سه بعدی هستند، یعنی هر یک از دو معادله فوق نمایانگر سه معادله می باشند. ما با

حالت یک بعدی آغاز می کنیم، یعنی فقط مولفه های Ex و H y را در نظر می گیریم. در نتیجه خواهیم

داشت:

(3-1)

∂H

Leave a Comment