بخشی از مقاله
خلاصه
شناسایی با فرکانس رادیویی - Radio frequency identification - یا به اختصار RFID یکی از روشهای رو به رشد در تکنولوژی تشخیص خودکار اشیاء با استفاده از امواج RF می باشد. یکی از مهمترین ویژگی های آنتن های RFID فرکانس کاری آنها است. با توجه به اختلاف موجود در رنج فرکانسی اختصاص داده شده به RFID مطابق جدول ملی تخصیص فرکانس کشورهای مختلف در باند - 860-960MHz - UHF و باند - 2.5GHz - S، در این پروژه طراحی آنتنی با قابلیت عملکرد در طیف وسیعی از فرکانس های فوق که شامل جدول ملی تخصیص فرکانس ایران که توسط سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی ارائه شده است و جمع کثیری از کشور های مختلف می باشد؛ دنبال میگردد.
1 مقدمه
برای انجام این پروژه مراجع متعددی بررسی و مقایسه شده است که از میان آنها تعداد بسیار زیادی مربوط به طراحی آنتن با قابلیت عملکرد در یک رنج فرکانسی خاص در یکی از طیفهای استاندارد معرفی شده است برای نمونه آنتن طراحی شده در مرجع شماره 1 که در یکی از دو باند مورد نظر این پروژه قادر به تامین بخشی از اهداف معرفی شده می باشد ، دارای فرکانس عملیاتی 850-945MHz می باشد.
همچنین از میان آنتن های طراحی شده در مراجع مختلف که توانایی کار در دو باند فرکانسی را دارا می باشند هیچ یک به صورت کامل اهداف پروژه را تامین نمی کنند. برای مثال در بهترین حالت آنتن های طراحی شده در مرجع شماره 2 توانایی کار در در دو رنج فرکانسی2200-2500MHz و 5700-6000MHz می باشد که فقط در یک باند فرکانسی هدف پروژه را تامین میکتد.
همچنین آنتن طراحی شده در مرجع شماره 3 دارای دو رنج فرکانسی 850-950 MHz و 1700-1830MHz می باشد. در مرجع شماره 4 آنتنی طراحی شده است که قادر به کار در فرکانسهای 866-962MHz و 1552-2328MHz می-باشد.آنتن طراحی شده در مرجع شماره 5 نیز برای کار در دو فرکانس عملیاتی 900-960MHz و 1850-1900MHz میباشد.
.2 طراحی آنتن
یکی از معروف ترین نرم افزارهای شبیهسازی برای پیش بیشبینی رفتارهای الکترومغناطیسی ساختارهای مختلف در فرکانس های خیلی بالا نرم افزار قدرتمند Ansys HFSS میباشد. این نرم افزار از پرکاربردترین نرمافزار های مخابرات میدان است و از جمله کاربرد های آن طراحی آنتنها و فیلتر های pasive و شبیه سازی سطح مقطع راداری - RCS - و به دست آوردن توزیع میدانهای الکتریکی و مغناطیسی برای کلیه ساختارها است.
با هدف طراحی آنتن باند پهن با ویژگی عملکرد در دو باند فرکانسی - با تاکید بر مطابقت با قوانین و تقسیم بندی های فرکانسی سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی جمهوری اسلامی ایران - موفق به طراحی و بهینه سازی دو آنتن شدیم که به اختصار به تشریح آنها میپردازیم. آنتن مطابق شکل 1 و با ابعاد مندرج در جدول 1در نرم افزار HFSS طراحی گردید.
هرچه مقدار dB - s - 1,1 - - - فرم لگاریتمی پارامتر پراکندگی - کمتر باشد به این معنا است که انتقال موج بیشتری از آنتن به محیط اتفاق افتاده است، همچنین می دانیم که مقدار این پارامتر در فرکانس عملیاتی آنتن باید کوچکتر یا نهایتا برابر -10 باشد. بر این اساس مشاهده شد که طرح اولیه آنتن در هر دو باند فرکانسی اول - با فرکانس تشدید - 960MHz و دوم - با فرکانس تشدید - 2483.5MHz دارای عملکرد مناسبی می باشد، لیکن به منظور پائین تر شدن هر چه بیشتر پارامتر dB - s - 1,1 - - ، همچنین وسیع تر شدن هرچه بیشتر طیف فرکانس عملیاتی در هر دو فرکانس کاری اقدام به بهینه سازی آنتن کردیم که در بخش بعد به تشریح فرآیند بهینه سازی خواهیم پرداخت.
.3 بهینه سازی
بهینهسازی هنر یافتن بهترین جواب در بین وضعیتهای موجود است. بهینهسازی در طراحی ونگهداری بسیاری از سیستمهای مهندس ، اقتصادی و حتی اجتماعی به منظور مینیمم کردن هزینه لازم و یا ماکزیمم کردن بهره کاربرد دارد. به دلیل کاربرد وسیع بهینهسازی در علوم متفاوت، این مبحث رشد بسیاری کرده است، به طوری که در ریاضیات، مدیریت، صنایع و بسیاری از شاخههای علوم مورد مطالعه و بررس قرار میگیرد .
روشهای متفاوت برای حل مسایل بهینهسازی طراحی و پیاده سازی شده است. هرکدام از این روشها دارای ویژگ-های خاص میباشند و در استفاده از آنها ملزومات و ملاحضاتی وجود دارد.[6]در این پروژه از روش بهینه سازی شبه نیوتن و روش Chamfer استفاده شده است. شبه نیوتن روشهایی هستند که بعنوان روش جایگزین برای پیدا کردن صفر و یا مینیم و ماکزیمم نسبی تابع از آنها استفاده میشود. از این روشها میتوان برای شرایطی که محاسبه ژاکوبین - - Jacobian یا هسیان - - Hessian دشوار باشد بهره برد.
در بهینه سازی، روش های شبه نیوتن - یک مورد خاص از روش های متریک متغیر - الگوریتمی برای پیدا کردن ماکزیمم و مینیمم محلی از توابع هستند. روشهای شبه نیوتن بر اساس روش نیوتن برای پیدا کردن نقطه ثابت یک تابع، که در آن گرادینت 0 است ، فرض می کند که این تابع را می توان به صورت محلی به عنوان یک مربع درجه دوم در اطراف منطقه بهینه تقریب زد و از مشتقات اول و دوم برای یافتن نقطه ثابت استفاده می کند. در ابعاد بالاتر، روش نیوتن از گرادیان استفاده می کند و ماتریس هایسیان از مشتقات دوم تابع به حداقل می رسد.
در روش های شبه نیوتن، نیازی به محاسبه ماتریس هسیان نداریم. Hessian به وسیله تجزیه و تحلیل بردارهای گرادیان متوالی به روز می شود. با توجه به موفقیت آنها، پیاده سازی روش های شبه نیوتن در تقریبا تمام زبان های برنامه نویسی وجود دارد. کتابخانه NAG شامل چند روال برای به حداقل رساندن یا به حداکثر رساندن یک تابع با استفاده از الگوریتم های شبه نیوتنی است. در Toolbox بهینه سازی MATLAB، تابع fminunc با استفاده از روش های Quasi-Newton BFGS - از جمله روش های دیگر - اقدام به بهینه سازی می کند. بسیاری از روش های محدود از جعبه ابزار بهینه سازی که شامل استفاده از BFGS و نوع .L-BFGS از کاربردهای شبه نیوتن در مبادله فایل MATLAB هستند.
.4 نتایج
مشاهده می شود که با اعمال تغییرات مربوط به تیز کردن لبهها و ایجاد شکاف در پچ آنتن به ویژه در باند فرکانسی دوم بهبود قابل توجهی حاصل گردیده است و تابع لگاریتم پارامتر پراکندگی در این طیف فرکانسی کمینه شده است و به بیان دیگر این آنتن بهترین عملکرد را در این طیف فرکانسی از خود بروز می دهید.
