تحلیل آنتن پچ ریزنواری و افزایش پهنای باند آن با استفاده از شبکه‌های عصبی و الگوریتم ژنتیک

کد محصول BR85

تعداد صفحات: 105 صفحه فایل WORD

قیمت: 20000 تومان

چکیده
امروزه آنتن‌های ریزنواری به خاطر مزایای بی‌شماری همچون اندازه و حجم کم، هزینه‌ی ساخت پایین، قابلیت مجتمع سازی با مدارات مایکروویوی، طراحی آسان و غیره کاربرد فراوانی در تمام حوزه‌های مخابرات بی‌سیم یافته‌اند. اما این آنتن‌ها معمولاً پهنای باند امپدانسی کمی دارند (حدود 1 تا 3 درصد) و از زمان پیدایش آنها (دهه‌ی 1970 میلادی) تلاش‌های زیادی جهت رفع این نقیصه انجام و روش‌های متعددی پیشنهاد شده است.
جهت افزایش پهنای باند آنتن‌های ریزنواری عموماً از یکی از روش‌های مطالعه‌ی پارامتری یا بهینه‌سازی استفاده می‌شود که روش اول مبتنی بر سعی و خطا، و روش دوم به علت دشواری ارزیابی تابع هدف، پیچیده و زمان‌بر است.
در این پروژه ابتدا با استفاده از قابلیت شبکه‌های عصبی-فازی در تقریب توابع غیرخطی پیچیده، مشخصات یک آنتن تک‌قطبی مسطح با پچ دایره‌ای (شامل تلفات بازگشتی، امپدانس ورودی و الگوی تشعشعی)، به صورت تابعی از پارامترهای آن تخمین زده می‌شود. پس از آن در فرایند بهینه‌سازی با تعریف یک تابع هدف مناسب و بهینه‌سازی آن با الگوریتم ژنتیک مقادیر پارامترهای بهینه‌ی تک‌قطبی‌های مسطح با پچ دایره‌ای، بیضوی و مستطیلی جهت بیشینه نمودن پهنای باند آنها به‌دست می‌آید. مقایسه‌ی مقادیر به دست آمده با این روش و مقادیر متناظر حاصل از تحلیل پارامتری یا بهینه‌سازی‌های متداول در مطالعات پیشین حاکی از دقت روش پیشنهادی است. همچنین این روش در مقایسه با روش تجزیه و تحلیل پارامتری سیستماتیک‌تر و در مقایسه با روش‌های بهینه‌سازی متداول سریع‌تر است.
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه  1
فصل دوم: شبکه‌های عصبی-فازی و الگوریتم‌های ژنتیک 9
2-1- مقدمه  10
2-2- نرون‌های فازی  13
2-3- سیستم‌های استنتاج فازی مبتنی بر شبکه‌های وفقی (ANFIS) 14
2-3-1- مثالی از عملکرد یک ANFIS 16
2-4- الگوریتم‌های ژنتیک (GAs) 19
2-4-1- کلیات  19
2-4-2- کاربردهای الگوریتم‌های ژنتیک 20
2-4-3- واژگان فنی GA 20
2-4-4- عملگرهای ژنتیک  22
2-4-5- مثالی از عملکرد الگوریتم ژنتیک 25
فصل سوم: چگونگی استفاده از ANFIS در تقریب مشخصات آنتن‌های ریزنواری و به کارگیری الگوریتم ژنتیک جهت بهینه‌سازی پارامترهای آن 31
3-1- مقدمه  32
3-2- به‌کارگیری شبکه‌های عصبی (یا عصبی-فازی) جهت تقریب مشخصات آنتن‌های ریزنواری .. 32
3-3- روش‌های مختلف بهینه‌سازی آنتن‌های ریزنواری 34
3-3-1- مثال‌هایی از استخراج تابع هدف به کمک تحلیل عددی 34
3-3-2- مثال‌هایی از روش شبیه‌سازی توأم 40
فصل چهارم: روشی سیستماتیک در طراحی و بهینه‌سازی آنتن‌های ریزنواری فراپهن‌باند با استفاده از شبکه‌های عصبی-فازی و الگوریتم ژنتیک 49
4-1- مقدمه  50
4-2- استخراج مشخصات یک آنتن ریزنواری فراپهن‌باند با پچ دایره‌ای به کمک شبکه‌های عصبی-فازی  50
4-3- بهینه‌سازی پهنای باند آنتن ریزنواری با پچ دایره‌ای به کمک الگوریتم ژنتیک 61
4-4- بهینه‌سازی پهنای باند آنتن ریزنواری با پچ بیضوی به کمک الگوریتم ژنتیک 66
4-5- بهینه‌سازی پهنای باند آنتن ریزنواری با پچ مستطیلی به کمک الگوریتم ژنتیک 71
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادها 81
5-1- نتیجه‌گیری  82
5-2- پیشنهادها  85
5-2-1- استفاده از روش پیشنهادی جهت بهینه‌سازی دیگر مشخصات آنتن‌های ریزنواری 85
5-2-2- تقریب و بهینه‌سازی توأم دو یا چند مشخصه با روش پیشنهادی و تعریف تابع هدف ترکیبی  86
5-2-3- تقریب مشخصات آنتن به کمک شبکه‌های عصبی پویا 88
5-2-4- تقریب مشخصات با در نظر گرفتن ثابت دی‌الکتریک و ضخامت زیرلایه به عنوان پارامترهای ورودی و سپس ثابت نگه داشتن آنها در طول فرایند بهینه‌سازی 89
5-2-5- ایجاد تنوع در داده‌های آموزشی با در نظر گرفتن پارامترهای بیشتر و تحلیل آنتن به‌ازای این پارامترها در محدوده‌های فرکانسی کوچکتر 89
5-2-6- بهینه‌سازی تابع هدف تقریبی با الگوریتم‌های دیگر 90
فهرست شکل‌ها
شکل(1-1): نمایی از یک آنتن ریزنواری[1]. 2
شکل (2-1): مدل اول سیستم‌های عصبی-فازی[19]. 11
شکل (2-2): مدل دوم سیستم‌های عصبی-فازی[19]. 12
شکل (2-3): نمایی از یک شبکه‌ی ANFIS در حالت کلی [20]. 15
شکل (2-4): نمونه‌ای از معماری یک ANFIS [12]. 16
شکل (2-5): تصویر یک کروموزوم به همراه ژن‌هایش[21]. 22
شکل (2-6): انتخاب [21].  23
شکل (2-7): نمونهای از تزویج یک نقطهای [21]. 24
شکل (2-8): نمونه‌هایی از جهش [21]. 24
شکل (2-9): چرخه‌ی Roulette برای این مثال [21]. 27
شکل (2-10): والدین [21].  28
شکل (2-11): فرزندان [21].  28
شکل (3-1): ساختار آنتن بهینه شده در [27]. 36
شکل (3-2): ساختار و دستگاه مختصات آنتن ریزنواری حلقوی [28]. 37
شکل (3-3): نمایی از یک آنتن ریزنواری پوشیده شده با دی‌الکتریک محافظ [5]. 38
شکل (3-4): نمایی از یک آنتن شکاف‌دار [6]. 40
شکل (3-5): ساختار آنتن پیشنهادی در [30]. 41
شکل (3-6): یک سیستم موجبری متشکل از سه موجبر مستطیلی با بخش میانی متغیر [31]. 43
شکل (3-7): منحنی S11 سیستم موجبری شکل (3-6) با و بدون بخش میانی [31]. 44
شکل (3-8): ساختار آنتن بهینه شده در [31]. 45
شکل (3-9): تلفات بازگشتی آنتن نشان داده شده در شکل (3-8) در شرایط طراحی بهینه [31].  45
شکل (3-10): ساختار یک آنتن ریزنواری فراپهن‌باند با تغذیه‌ی موجبر هم‌سطح و شکاف مستطیلی [32].  46
شکل (3-11): مقایسه تلفات بازگشتی آنتن اولیه با آنتن بهینه [32]. 47
شکل (4-1): ساختار یک تک‌قطبی مسطح با پچ دایره‌ای از دو نما [33]. 51
شکل(4-2): نمونه‌ای از آنتن‌های تحلیل شده با HFSS. 53
شکل (4-3): مقایسه‌ی تلفات بازگشتی تقریبی با مقادیر متناظر حاصل از شبیه‌سازی با HFSS (الف) به ازای پارامترهای ردیف 1t (ب) به ازای پارامترهای ردیف 2t از جدول (4-3). 57
شکل (4-4): مقایسه‌ی امپدانس ورودی تقریبی با مقادیر متناظر حاصل از شبیه‌سازی با HFSS (الف) مقدار حقیقی امپدانس به ازای پارامترهای ردیف 3t از جدول (4-3) (ب) مقدار موهومی امپدانس به ازای پارامترهای ردیف 4t از جدول (4-3). 58
شکل (4-5): مقایسه‌ی الگوی تشعشعی تقریبی با مقادیر متناظر حاصل از شبیه‌سازی با HFSS به ازای پارامترهای ردیف 5t از جدول (4-3). 59
شکل (4-6): مقایسه‌ی مقدار دقیق و تقریبی تابع هدف برای پارامترهای ردیف 1t از جدول (4-3). 60
شکل (4-7): مقایسه‌ی تلفات بازگشتی آنتن بهینه شده با روش پیشنهادی و مقادیر متناظر گزارش شده در [33].  64
شکل (4-8): منحنی امپدانس ورودی آنتن مذبور (منحنی آبی بخش حقیقی و منحنی قرمز بخش موهومی).  64
شکل (4-9): الگوی تشعشعی در فرکانس (الف) 3 GHz (ب) 6.6 GHz (ج) 9 GHz. 66
شکل (4-10): ساختار یک تک‌قطبی مسطح با پچ بیضوی از دو نما [29]. 67
شکل(4-11): نمونه‌ای از آنتن تک‌قطبی بیضوی تحلیل شده با HFSS. 68
شکل (4-12): مقایسه‌ی مقدار دقیق و تقریبی تابع هدف برای پارامترهای ردیف 1t از جدول (4-8).  70
شکل (4-13): مقایسه تلفات بازگشتی آنتن بهینه شده با روش پیشنهادی و آنتن معرفی شده در [29].  71
شکل (4-14): نمایی از آنتن تک‌قطبی مسطح با پچ مستطیلی [34]. 72
شکل‌ (4-15): حساسیت پهنای‌باند به عرض پچ [34]. 73
شکل‌ (4-16): حساسیت پهنای‌باند به عرض خط تغذیه [34]. 73
شکل‌ (4-17): حساسیت پهنای‌باند به فاصله‌ی پچ تا سطح زمین [34]. 73
شکل (4-18): مقایسه‌ی مقدار دقیق و تقریبی تابع هدف برای پارامترهای ردیف 1t از جدول (4-13).  77
شکل(4-19): نمونه‌ای از تک‌قطبی مسطح با پچ مستطیلی تحلیل شده با HFSS. 77
شکل (4-20): مقایسه‌ی تلفات بازگشتی آنتن بهینه شده با روش پیشنهادی و مقادیر متناظر گزارش شده در [34].  79
فهرست جدول‌ها
جدول (2-1): چگونگی عملیات انتخاب [21]. 25
جدول (2-2): اشخاص حاضر در استخر جفت‌گیری و چگونگی عمل تزویج [21]. 28
جدول (2-3): جهش [21]. 29
جدول (3-1): مقادیر بهینه‌ی پارامترهای آنتن معرفی شده در [27]. 36
جدول (3-2): پارامترهای بهینه‌ی آنتن معرفی شده در [30]. 42
جدول (3-3): پارامترهای بهینه‌ی موجبر میانی ومحدوده‌ی تغییرات آنها [31]. 44
جدول (3-4): پارامترهای بهینه‌ی آنتن ریزنواری ومحدوده‌ی تغییرات آنها [31]. 45
جدول (3-5): پارامترهای بهینه‌ی آنتن ریزنواری فراپهن‌باند ومحدوده‌ی تغییرات آنها [32]. 47
جدول (4-1): مقادیر پارامترهای آنتن مذبور [33]. 52
جدول (4-2): ویژگی‌های سیستم‌های فازی تقریب زننده‌ی مشخصات آنتن. 54
جدول (4-3): مقادیر داده‌های آموزشی و آزمایشی برای هریک از شبکه‌های معرفی شده در جدول (4-2). 56
جدول (4-4): مقایسه‌ی مقادیر دقیق و تقریبی فرکانس‌های تشدید و پهنای باند آنتنی با پارامترهای ردیف 1t از جدول (4-3). 60
جدول (4-5): مقایسه‌ی مقادیر دقیق و تقریبی فرکانس‌های تشدید و پهنای باند آنتنی با پارامترهای ردیف 2t از جدول (4-3). 60
جدول (4-6): مشخصات الگوریتم ژنتیک اعمالی به تابع هدف تقریبی. 63
جدول (4-7): مقایسه‌ی زمان بهینه‌سازی الگوریتم‌های مختلف. 63
جدول (4-8): مقادیر داده‌های آموزشی و آزمایشی برای سیستم تقریب زن تابع هدف. 68
جدول (4-9): مشخصات سیستم فازی تقریب زننده‌ی تابع هدف. 69
جدول (4-10): مقایسه‌ی مقادیر به‌دست آمده از روش پیشنهادی با مقادیر گزارش شده در [29]. 70
جدول (4-11): پارامترهای بهینه‌ی آنتن تک‌قطبی مسطح با پچ مستطیلی [34]. 72
جدول (4-12): مشخصات سیستم فازی تقریب زننده‌ی تابع هدف. 76
جدول (4-13): مقادیر داده‌های آموزشی و آزمایشی برای سیستم تقریب زن تابع هدف. 76
جدول (4-14): مقایسه‌ی مقادیر به‌دست آمده از روش پیشنهادی با مقادیر گزارش شده در [34]. 78
جدول (4-15): مقایسه‌ی زمان بهینه‌سازی الگوریتم‌های مختلف. 78