Neda Bathaei

6-4-1 کارایی بالا در کانالهای چند مسیره ................................ ............................................................. 11
5-1 چالشهای تکنولوژی فراپهن باند ................................ UWB ............................................................ 12
1-5-1 انحراف شکل پالس ................................................................ ............................................................ 12
2-5-1 تخمین کانال ................................................................ ....................................................................... 12
3-5-1 تطبیق فرکانس بالا ................................................................ ............................................................ 12
4-5-1 تداخل دستیابی چندگانه ................................ ................................................................................. 13
6-1 UWB در مقایسه با سایر استانداردهای ........................................................................ IEEE 13
7-1 تفاوت بین UWB و طیف گسترده ................................ ....................................................................... 15
1-7-1 رشتهی پیوستهی طیف گسترده ................................................................................ (DSSS) 15
2-7-1 جهش فرکانسی طیف گسترده .................... ................................................................(FHSS) 15
3-7-1 تفاوتهای اساسی بین UWB و طیف گسترده ......................................................................... 15
8-1 روشهای پیاده سازی سیستم فراپهن باند ................................ ............................................................ 16
1-8-1 سیستم ............................................(Code Division Multiple Access) CDMA 16
2-8-1 سیستم .......... (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM 18
.2 فصل دوم: مخلوطکنندههای فرکانسی ..........................................................MIXER 19
1-2 تاریخچه ................................................................ ...................................................................................... 20
2-2 انواع میکسر ................................................................ ................................................................................ 21

و
1-2-2 میکسرهای غیر فعال ................................................................................................ 22 .........................
2-2-2 میکسر گیلبرت ................................................................................................................................... 24
3-2 کاربرد میکسر ............................................................................................................................................. 28
4-2 عملکرد میکسر ........................................................................................................................................... 29
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده .................................................................................................. 29
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ .............................................................................................. 30
.3 فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی فراپهن باند ............................................................ 32
1-3 مقدمه .......................................................................................................................................................... 33
2-3 مدارات توزیع شده ..................................................................................................................................... 34
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی ............................... 35
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده ........................................................................................................... 39
1-4-3 بهرهی تبدیل ...................................................................................................................................... 40
2-4-3 تکنیک تزریق جریان ......................................................................................................................... 40
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی ...................................................................................................................... 42
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده ............................................................................... 44
1-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[18] 1 44
2-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[12] 2 45
3-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[19] 3 45
4-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[20] 4 46
5-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[21] 5 47
6-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[22] 6 48
7-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[23] 7 49
8-5-3 مقایسه ساختار های متفاوت میکسرهای فراپهن باند ................................................................ 51
.4 فصل چهارم: تحلیل اعوجاج و نویز در میکسر فراپهن باند .......................................................... 52
1-4 مقدمه .......................................................................................................................................................... 53
2-4 میکسر یک عنصر غیر خطی .................................................................................................................... 53
3-4 مدل غیر خطی گیرنده ............................................................................................................................. 54
4-4 اثرات اعوجاج در سیستمهای فراپهن باند ............................................................................................. 54
1-4-4 تولید هارمونیک .................................................................................................................................. 55
2-4-4 فشردگی بهره ...................................................................................................................................... 55
3-4-4 اینترمدولاسیون .................................................................................................................................. 56
4-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی دوم .......................................................................................................... 56
ز
5-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی سوم ......................................................................................................... 57
6-4-4 اعوجاج در سیستمهای متوالی ........................................................................................................ 59
7-4-4 مشخصات خطی گیرنده ................................................................................................................... 59
5-4 بررسی نویز میکسر به عنوان یک عنصر غیر خطی .............................................................................. 60
1-5-4 پردازش نویز متغیر با زمان .............................................................................................................. 60
2-5-4 نویز طبقهی راهانداز (طبقهی ................................................................................................(RF 61
3-5-4 نویز طبقهی سوئیچ (طبقهی ................................................................................................(LO 62
4-5-4 نویز طبقهی ..................................................................................................................................IF 63
.5 فصل پنجم: مدار پیشنهادی، طراحی مخلوط کنندهی فرکانسی فراپهن باند توزیع شده .......... 64
1-5 مقدمه .......................................................................................................................................................... 65
2-5 مدل المانهای مورد استفاده ................................................................................................................... 65
3-5 تحلیلگرهای استفاده شده در نرمافزار .....................................................................................ADS 67
1-3-5 تحلیلگر ..............................................................................HARMONIC BALANCE 68
2-3-5 تحلیلگر ............................................................................................................................... LSSP 68
4-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر تک بالانس .............................................................. 69
1-4-5 طراحی میکسر .................................................................................................................................... 69
2-4-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 70
3-4-5 پارامترهای قابل تغییر و طراحی ..................................................................................................... 71
4-4-5 تحلیل و شبیهسازی .......................................................................................................................... 72
5-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر سلول گیلبرت ......................................................... 74
1-5-5 طراحی میکسر .................................................................................................................................... 74
2-5-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 75
3-5-5 تحلیل و شبیهسازی .......................................................................................................................... 76
6-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر گیلبرت و با استفاده از تکنیک پیکینگ سلفی.. 78
1-6-5 تکنیک پیکینگ سلفی ...................................................................................................................... 78
2-6-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 80
3-6-5 طراحی میکسر توزیع شدهی نهایی ................................................................................................ 80
4-6-5 مقادیر المانهای مدار میکسر پس از طراحی .............................................................................. 84
5-6-5 تحلیل و شبیه سازی ......................................................................................................................... 86
7-5 نتیجهگیری و مقایسه ............................................................................................................................... 90
.6 فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات ........................................................................................... 92
1-6 نتیجهگیری ................................................................................................................................................. 93
ح
2-6 پیشنهادات .................................................................................................................................................. 94
.7 فصل هفتم: منابع و ماخذ ................................................................................................................ 95
منابع لاتین ..................................................................................................................................................................... 96
چکیده انگلیسی: ................................................................................................................................................................ 98
ط
فهرست جدول ها:
عنوانشماره صفحه

جدول 1- 1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای 14..[2] IEEE
جدول 1- 3 مقایسهی ساختارهای مختلف میکسرهای فراپهن باند51
جدول 1- 5 مقادیر سلفهای مدار نهایی85
جدول 2- 5 عرض ترانزیستورهای مدار نهایی85
جدول 3- 5 مقادیر پارامترهای DC ترانزیستورهای میکسر توزیع شده نهایی85
جدول 4-5 مقدار نشت پورت های مختلف میکسر پیشنهادی در یکدیگر بعد از مدل سازی اثر عدم تطبیـق ابعـاد
ترانزیستورها، روی ولتاژ آستانه88
جدول 5- 5 مقایسهی سه ساختار به دست آمده طول طراحی90
جدول 6- 5 مشخصات مدار میکسر توزیع شدهی پیشنهادی90
جدول 7- 5 مقایسه میکسر طراحی شده در این پایان نامه با کارهای انجام شدهی قبلی91
ی
فهرست شکلها:
عنوانشماره صفحه

شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند6
شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس 7[3]
شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس8
شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم8
شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس9
شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی 10RF
شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنال های بانـد باریـک
(c) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن11
شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک13
شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند14
شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس .. 16
شکل 11-1 روش دسترسی 16TDMA
شکل 12-1 عملیات کد کردن در 17[5] DS-CDMA
شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم 17DS-CDMA
شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی 18MB-OFDM
شکل 15-1 طیف فرکانسی 18[7] MB-OFDM
شکل 1-2 ساختار گیرنده سوپر هترودین20
شکل 2-2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه21
شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه با 22..CMOS
شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده24
شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه25
شکل 6-2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه26
شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان 27DC
شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده 29[3]
شکل 9-2 میکسر با ساختار تکی31
شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی31
شکل 1-3 بلوک دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی33[11]
شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی34
شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال35
شکل 4-3 میکسر گیلبرت 36CMOS
شکل 5-3 یک میکسر فعال CMOS با تعادل تکی36
ک
شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و 38p1 (t)
شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال40
شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان41
شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل41
شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری43
شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شـبکهی پسـیو اضـافه شـده بـرای ایزولـه کـردن
خازنهای پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف43
شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 441
شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 452
شکل 14-3 مدار میکسر ساختار 463
شکل 15-3 مدار میکسر ساختار 474
شکل 16-3 مدار تطبیق UWB برای سیگنال ورودی 47RF
شکل 17-3 مدار میکسر ساختار 485
شکل 18-3 مدار میکسر ساختار 496
شکل 19-3 مدار میکسر ساختار 507
شکل 1-4 طیف فرکانسی MB-OFDM به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند 53[7]
شکل (a) 2-4 مدار سوئیچ ساده (b) سیستم غیر خطی متغیر با زمان (c) سیستم خطی متغیر با زمان54
شکل 3-4 طیف خروجی سیستم غیرخطی با درجهی دو و سه54
شکل 4-4 نقطه تراکم 561dB
شکل 5-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم غیرخطی درجهی 562
شکل 6-4 نحوهی تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 2 با سیگنال مطلوب 57[7]
شکل 7-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم با خاصیت غیرخطی مرتبهی سوم58
شکل 8-4 تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 3 با سیگنال مطلوب 58[7]
شکل (a) 9-4 دامنهی نقطه تقاطع مرتبهی سوم ورودی (b) نقطه تقاطع مرتبـهی سـوم ورودی و خروجـی بـه
صورت لگاریتمی 59[5] (IIP3,OIP3)
شکل 10-4 میکسر فعال تک بالانس 61CMOS
شکل 11-4 شکل موج 62p1 (t)
شکل 1-5 بلوک دیاگرام مدار توزیع شده (a)خطوط انتقال واقعی (b) پیاده سازی با مدارات LC (خـط انتقـال
مصنوعی)65
شکل 2-5 مدل ترانزیستور 66TSMC
شکل 3-5 مدل مدار معادل برای یک ترانزیستور 66[26] RF nMOS
شکل 4-5 مدل سلف 67TSMC
شکل 5-5 نمای Layout سلف در تراشه67
شکل 6-5 مدار معادل یک سلف استاندارد 67[26]
ل
شکل 7-5 تحلیلگر HARMONIC BALANCE در نرم افزار 68ADS
شکل 8-5 تحلیلگر LSSP در نرم افزار 68ADS
شکل 9-5 ساختار میکسر توزیع شدهی تک بالانس69
شکل 10-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی تک بالانس در نرم افزار 70ADS
شکل 11-5 مدار بایاس طبقهی 70RF
شکل 12-5 مدار بایاس گیت ترانزیستورهای طبقهی 71LO
شکل 13-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 71LO
شکل 14-5 روابط به کار رفته در نرمافزار ADS برای محاسبهی 72IIP3
شکل 15-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس72
شکل 16-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 17-5 نمودار IIP2 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 18-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 19-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس74
شکل 20-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس74
شکل 21-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت75
شکل 22-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی گیلبرت در نرم افزار 75ADS
شکل 23-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت76
شکل 24-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 25-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 26-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 27-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت78
شکل 28-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی79
شکل 29-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی در نرم افزار 79ADS
شکل 30-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 80LO
شکل 31-5 نمودار جریان مصرفی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها81
شکل 32-5 نمودار تطبیق ورودی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها در فرکانس 8210 GHz
شکل 33-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها82
شکل 34-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها83
شکل 35-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات سلفهای پیکینگ در سه فرکانس83
شکل 36-5 بهرهی تبدیل میکسر بر حسب فرکانس و مقادیر مختلف سلفهای پیکینگ84
شکل 37-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات سلفهای پیکینگ در سه فرکانس84
شکل 38-5 نمودارضرایب انعکاس ورودی و خروجی میکسر توزیع شدهی پیشنهادی86
شکل 39-5 نمودار بهره میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی86
شکل 40-5 نمودار نشت پورت LO در 87RF
م
شکل 41-5 نمودار نشت پورت LO در 87IF
شکل 42-5 نمودار نشت پورت RF در 87LO
شکل 43-5 نمودار نشت پورت RF در 88IF
شکل 44-5 عدد نویز میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی88
شکل 45-5 نقطه تقاطع مرتبه سوم ورودی (IIP3) میکسر طراحـی شـده بـا دو سـلول گیلبـرت و بـا تکنیـک
پیکینگ سلفی89
شکل 46-5 نقطه تقاطع مرتبه دوم ورودی (IIP2) میکسـر طراحـی شـده بـا دو سـلول گیلبـرت و بـا تکنیـک
پیکینگ سلفی89
شکل 47-5 نمودار P1dB میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی90
ن
فهرست رابطهها:
عنوانشماره صفحه

رابطهی 81- 1
رابطهی 92- 1
رابطهی 103-1
رابطهی 114-1
رابطهی 125-1
رابطهی 221-2
رابطهی 232-2
رابطهی 233-2
رابطهی 234-2
رابطهی 235-2
رابطهی 256-2
رابطهی 267-2
رابطهی 268-2
رابطهی 279-2
رابطهی 2710-2
رابطهی 2811-2
رابطهی 2912-2
رابطهی 2913-2
رابطهی 2914-2
رابطهی 351-3
رابطهی 362-3
رابطهی 373-3
رابطهی 374-3
رابطهی 375-3
رابطهی 376-3
رابطهی 377-3
رابطهی 378-3
رابطهی 379-3
رابطهی 3710-3
رابطهی 3811-3
س
رابطهی 3812-3
رابطهی 3813-3
رابطهی 3814-3
رابطهی 3915-3
رابطهی 3916-3
رابطهی 4017-3
رابطهی 4018-3
رابطهی 4119-3
رابطهی 4120-3
رابطهی 4221-3
رابطهی 4222-3
رابطهی 4223-3
رابطهی 4224-3
رابطهی 4225-3
رابطهی 4226-3
رابطهی 4327-3
رابطهی 4428-3
رابطهی 541-4
رابطهی 552-4
رابطهی 563-4
رابطهی 564-4
رابطهی 575-4
رابطهی 576-4
رابطهی 577-4
رابطهی 588-4
رابطهی 599-4
رابطهی 5910-4
رابطهی 6011-4
رابطهی 6112-4
رابطهی 6113-4
رابطهی 6114-4
رابطهی 6115-4
رابطهی 6216-4
رابطهی 6217-4
ع
رابطهی 6218-4
رابطهی 6219-4
رابطهی 6220-4
رابطهی 6321-4
رابطهی 6322-4
رابطهی 6323-4
رابطهی 6324-4
رابطهی 6325-4
رابطهی 6326-4
رابطهی 691-5
رابطهی 812-5
رابطهی 853-5
رابطهی 854-5
رابطهی 865-5
ف
چکیده:
رشد سریع تکنولوژی و پیشرفت موفق تجاری مخابرات بی سیم روی زنـدگی روزمـره ی مـا تـاثیر قابل توجهی گذاشته است. امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیستم های ارتباطاتی بیسـیم، دارای اهمیت خاصی میباشد. میکسرها یکی از اجزای اساسـی گیرنـده در مخـابرات بـیسـیم محسـوب میشوند. اجرای میکسرهای پایین آورنده1 در گیرنده ها به لحاظ وجود نویز و تضعیف در سیگنال دریافتی از اهمیت بیشتری برخوردار است.
هدف اصلی این پایان نامه، تحلیل و طراحـی میکسـر بـرای کـاربرد در بانـد فرکانسـی فـراپهن (UWB) و با استفاده از تکنولوژی CMOS می باشد. ابتدا عملکرد یک میکسر توزیع شده بررسی شده، سپس مدار میکسر پیشنهادی توزیع شده، ارایه می گردد. میکسر پیشنهادی دارای بهـره ی تبـدیل 3dB، IIP3 برابر 5/5dBm، عدد نویز 7dB، پهنـای بانـد 3 تـا 10 گیگـاهرتز و تـوان مصـرفی 52 میلـی وات میباشد. میکسر فراپهن باند توزیع شدهی پیشنهادی با استفاده از تکنولوژی CMOS 0/18μm با منبع تغذیه 1/8 ولت طراحی شده است.

1 down conversion
1
مقدمه:
رشد سریع تکنولوژی و گذار از مخابرات آنالوگ به دیجیتال، ترقی سیستم های رادیویی بـه نسـل سوم و چهارم و جانشینی سیستم های سیمی با Wi-Fi و Bluetooth مشـتریان را قـادر مـی سـازد بـه گستره ی عظیمی از اطلاعات از هرجا و هر زمان دسترسی داشته باشند. مخابرات UWB برای اولین بـار در دهــهی 1960 معرفــی شــد و در ســال 2002، FCC1 رنــج فرکانســی 3.1~10.6GHz را بــرای کاربردهای UWB معرفی و توان انتقال آنرا به -41.3dBm محدود کرد، بدین معنا کـه سیسـتمهـای
UWB روی فراهم کردن: توان کم، قیمت کم و عملکرد باند وسیع در مساحت کوتـاه تمرکـز کردنـد. در مقایسه با کاربردهای باند باریک طراحی المانها در سیستمهای UWB بسیار متفاوت و مشکل است.
یکی از بلوکهای مهم در گیرندههای UWB میکسرها هستند کـه بـرای تبـادل اطلاعـات بـین تعداد زیادی کانال مشابه UWB نقش کلیدی دارند. اهمیـت عملکـرد میکسـر بـه عنـوان یـک مبـدل فرکانس، در تامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نـویز مطلـوب اسـت. میکسـر مـیبایسـتی: (1
بهرهی تبدیل بالا، که اثرات نویز در طبقات بعدی را کاهش دهـد، (2 عـددنویز کوچـک، کـه LNA را از داشتن یک بهرهی بالا راحت کند و (3 خطی بودن بالا، که رنج دینامیک گیرنده را بهبود بخشد و سطوح اینترمدولاسیون2 را کاهش دهد. هر کارایی بایستی توسط مصالحه در طراحی میکسر بهدست آید. میکسر سلول گیلبرت با برخی تغییرات در ساختار آن نتایج قابل قبـولی بـرای کـاربرد در سیسـتمهـای UWB
بهدست میدهد.
دستیابی همزمان به بهره ی تبدیل و خطی بودن بـالا کـه افـزایش یکـی باعـث کـاهش دیگـری می گردد یکی از چالش های طراحی میکسر می باشد، در کارهایی کـه تـا کنـون انجـام شـده تمرکـز روی دستیابی یکی از این دو بوده به طوریکه یا میکسری غیر فعال با خطی بودن قابل قبـول و یـا میکسـری فعال با خطی بودن کم ارائه شده است. تطبیق امپدانس در کل رنج فرکانسی 7 گیگا هرتـزی و همچنـین عدد نویز پایین از دیگر پارامترهای مهم طراحی میکسر میباشد.
 اهداف پایان نامه
در این پایان نامه با بررسی میکسرهای فراپهن باند و مقایسهی آنها از نظر ساختار، بهرهی مدار، عدد نویز، تطبیق در ورودی و خروجی و خطی بودن، سـاختار مناسـب بـرای یـک میکسـر فـراپهن بانـد پیشنهاد شده و از لحاظ کارکرد در سیستمهای UWB بررسی گشته است.

Federal Communications Commission inter-modulation

1
2
2
بر خلاف کارهایی که تا کنون در این زمینه صورت گرفته که بر بهبود یکی از پارامترهای بهـره ی تبدیل یا خطی بودن میکسر تاکید شده، در اینجا سعی شـده اسـت تـا ضـمن دسـتیابی بـه هـر دو ایـن پارامترها در اندازههای قابل قبول برای گیرندهها، کل پهنای باند سیستمهای UWB پوشش داده شود.
بر این اساس در فصل اول سیستم های فراپهن باند بطور کامل معرفـی و بررسـی مـی گـردد، در فصل دوم به بررسی انواع میکسر، نحوهی عملکرد و کاربرد آنها پرداختـه شـده، در فصـل سـوم سـاختار میکسرهای توزیع شده، مشخصات و تکنیکهای بهبود کارایی آنها و در فصل چهارم اعوجـاج و نـویز در میکسر بررسی گردیدهاند. در فصل پنجم ساختار میکسر فراپهن باند طراحی شده بـه طـور مفصـل شـرح داده شده است. در فصل ششم نتیجهگیری و پیشنهادات و فصل هفتم نیز منابع و مأخذ مورد استفاده بـه تفکیک درج شدهاند.
3
.1 فصل اول: سیستمهای فراپهن باند (UWB)
4
1-1 تاریخچه تکنولوژی فراپهن باند UWB
در طول دهههای اخیر پیشرفت سریع ارتباطات باعث ایجاد تقاضا برای قطعات بهتـر و ارزانتـر و همچنین تکنولوژیهای پیشرفتهتر شده است. افزایش تقاضا برای انتقال سریع و افزایش نرخ اطلاعـات در عین مصرف کم توان تاثیرات شگرفی را بر تکنولوژی ارتباطات ایجاد کرده است. در هر دو بخش مخابرات بیسیم و سیمی این گرایش منجر به استفادهی هرچه بیشتر از مدولاسیونهایی با استفادهی بهینـهتـر از طیف فرکانسی و یا افزایش پهنای کانالها گشته است. این روشها به همـراه روشهـای مهندسـی بـرای کاهش توان، به منظور تولید تراشه های ارزان و با مصرف توان کم در صنعت استفاده میشود.
افزایش و گسترش استانداردها نه تنها باعث شده که سیستمها با طیفهای شلوغتری از لحاظ فرکانسی روبرو باشند بلکه باعث شده است تا سیستمها به سوی چند استاندارده بودن سوق داده شده و قابلیت انطباق با استانداردهای مختلف را داشته باشند. در حقیقت این پیشرفت تکنولوزی منجر به طراحی و تولید دستگاههایی شده است که قابلیت کارکرد در باندهای وسیعتری را داشته باشند، مانند تکنولوژی فرا پهن باند . (UWB)
تکنولوژی فراپهن باند (UWB) در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفتـه اسـت. مـیتـوان گفت که شروع استفاده از دانش UWB مربوط به انتهای قرن نوزدهم می باشد. اولین سیستم بی سیم که توسط گاگلیرمو مارکونی1 در سال 1987 نمایش داده شد، خصوصیات رادیوی فـراپهن بانـد را دارد. رادیـو ساخته شده توسط مارکونی از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات بهره می گرفت. اولین فرستنده های جرقه ای مارکونی فضای زیادی از طیف (از فرکانس هـای بسـیار پـایین تـا فرکـانس هـای بـالا) را اشـغال می کردند. همچنین این سیستم ها به طور غیراتوماتیک از پردازش زمان اسـتفاده مـی نمودنـد. چـون کـد مورس توسط اپراتورهای انسانی ارسال و دریافت می شد. پس از آن مفهوم UWB مجدداً در دهـه 1960
برای ساخت رادارهای ایمن در برابر تداخل با مصرف توان کم مورد توجه قرار گرفت .[1]
در اوایل پیدایش ، UWB به نامهای Carrier free ، باند پایه یا ضربه رایج بود که در حقیقت متضمن این نکته بود که استراتژی تولید سیگنال نتیجه یک پالس با Rise time بسیار سریع و یـا یـک ضربه میباشد که یک آنتن باند پهن را تحریک میکند. در اوایل سال 2002 میلادی تکنولوژی باند بسیار پهن (UWB) برای کاربردهای تجاری تصویب شد. این تکنولوژی جدید شـیوه ی جدیـدی در ارتباطـات بدون سیم ابداع کرد:"استفاده از حوزه زمان به جای حوزه فرکانس".
تکنولوژی فرا پهن باند (UWB) به شیوهی کاملاً متفاوتی از سایر تکنولوژی ها از بانـد فرکانسـی استفاده میکند. این سیستمها از پالسهای باریک و پـردازش سـیگنال در حـوزهی زمـانی بـرای انتقـال

1 Guglielmo Marconi
5
اطلاعات استفاده میکنند، بدین صورت سیستمهـای فـرا پهـن بانـد (UWB) قادرنـد در بـازهی زمـانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای قدیمیتر منتقل کنند زیرا حجـم انتقـال اطلاعـات در سیســتمهــای مخــابراتی بــه صــورت مســتقیم بــا پهنــای بانــد تخصــیص یافتــه و لگــاریتم SNR (Signal to Noise Ratio) متناسب است. استفاده از یک پهنای بانـد خیلـی وسـیع چنـدین مزیـت دارد: ظرفیت بالا، مخفی بودن، مقاومت در برابر مسدود شدن و همزیستی با سایر سیستم های رادیویی.
پایه و اساس سیستم های نوین فراپهن باند در دهه 80 توسط راس و با کار انجـام شـده در مرکـز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تأکید بر استفاده از UWB بـه عنـوان یـک ابـزار تحلیلـی بـرای کشف خصوصیات شبکه های مایکروویو و خصوصیات ذاتی مـواد بـود. ایـن تکنیـک هـا بـه طـور منطقـی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان های آنتن را انجام دهند. موفقیـتهـای اولیـه باعـث تولیـد سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازهگیری کند.
با افزایش درخواست کاربران برای ظرفیت بالاتر، سرویس های سریعتر و مخابرات بی سیم امن تـر، تکنولوژی های جدید مجبورند جایگاه خود را در طیف فوق العاده شلوغ و امن رادیـویی بیابنـد. بـه دلیـل اینکه هر تکنولوژی رادیویی یک بخش خاص از طیف را اشغال میکند و با معرفی سـرویس هـای جدیـد رادیویی محدودیت دسترسی طیف RF سخت گیرانه تر شده است. در این شرایط تکنولـوژی UWB یـک راه حل نوید بخش برای محدودیت دسترسی به طیف RF با اجازه به سرویس های جدید برای هم زیستی با سیستمهای رادیویی جاری با تداخل حداقل یا بدون تداخل است.
در فوریه ی سال 2002، FCC اولین طراحی و استاندارد مربوط بـه بانـدها و تـوان مجـاز بـرای کاربران UWB را صادر کرد. بدین ترتیب باند فرکانسی 3.1GHz تا 10.6GHz به UWB اختصـاص یافت. در همین زمان FCC مجوزی صادر کرد که حدود و میزان تشعشع عمدی یا سهوی دسـتگاه هـای مخابراتی در باندهای مختلف را مشخص نمود. این تشعشع مجاز در باندهای مورد استفاده، مبنـایی بـرای طراحی دستگاه های UWB شد. با گسترش تحقیقات در این زمینه، IEEE کمیتـه ی مخصوصـی بـرای استاندارد سازی این سیسـتم هـا تحـت عنـوان 802.15.3.x تشـکیل داد. شـکل 1-1 تاریخچـه ی ایـن تکنولوژی را به اختصار نشان میدهد .[2]

شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند
6
در اولین گام FCC توان خروجی سیستم های UWB را به -41.3dBm/MHz محدود کرد، این محدودیت این امکان را برای سیستم های UWB ایجاد میکند که بدون اینکه توان سیگنال خروجی آنها توسط سیستمهای باند باریک مجاور احساس شود از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات خود استفاده کنند. محدودیت هایی که برای توان انتشار این سیستم ها ایجاد شد ، عمدتاً محدودیتهایی بودند که برای حفاظت از سیستم GPS و سایر سیستم های دولتی که در باند فرکانسی 690MHZ~1610MHz کار میکنند مطرح شده بود. همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است این ماسک توان همچنین برای سایر سیستمهای دولتی که عملکرد آنها در فاصلهی 3.1GHz~10.6GHz
یعنی باندی که برای کاربرد داخلی UWB تعریف شده است نیز کاربرد دارد.

شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس [3]
بنا به تعریف FCC پهنای باند -10dB یک سیگنال UWB بزرگتر از %25 فرکانس مرکزی یا بزرگتر از 1.5GHz میباشد. سیستمهای فرا پهـن بانـد بـا عـرض بانـد بـیش از 7GHz در بـازه فرکانسـی
3.1GHz~10.6GHz با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz فعالیت مـیکننـد. هـر کانـال رادیـویی در ایـن سیستمها بسته به فرکانس مرکزی خود میتواند عرض بانـدی بـیش از 500MHz داشـته باشـد. طـرح
انتقال OFDM1 به عنوان اولین کاندیـدا بـرای UWB در مـارچ 2003 در جلسـهی گروهـی IEEE 802.15.3a مطرح شد.

1 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
7
2-1 مفهوم UWB
سیستم های مخابراتی باند باریک متـداول سـیگنال هـای RF مـوج پیوسـته (CW)1 را بـا یـک فرکانس حامل خاص برای ارسال و دریافت اطلاعات مدوله می کنند. یک موج پیوسته یک انرژی سـیگنال تعریف شده در باند فرکانسی بانـد باریـک دارد کـه آن را بـرای آشکارسـازی و نفـوذ خیلـی آسـیب پـذیر میسازد. شکل 3-1 سیگنال باند باریک را در حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد.

شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس
سیستمهای UWB از پالسهای کوتاه بدون حامل (پیکو ثانیه تا نانو ثانیـه ) بـا Duty Cycle خیلی کم (کمتر از (%5 برای انتقال اطلاعات استفاده میکنـد. یـک تعریـف سـاده بـرای Duty Cycle
نسبت زمان حضور پالس به کل زمان انتقال است. (رابطهی (1-1

شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم رابطهی 1-1 T T Duty Cycle T Duty Cycle کم، متوسط توان انتقالی خیلی کمی در سیستمهـای UWB ایجـاب مـیکنـد.
متوسط توان انتقالی یک سیستم UWB در حد میکرو وات است، یعنی هزار بـار کمتـر از تـوان انتقـالی تلفن موبایل. به هر حال پیک یا توان لحظه ای پالس های UWB مستقل می تواند نسبتاً بزرگ باشـد، امـا چون آنها برای یک زمان خیلی کوتاه انتقال می یابند (Ton<1ns) توان متوسط به طـور قابـل ملاحظـه ای کم میشود، در نتیجه ادوات UWB به توان انتقال کم در اثر کنترل روی Duty Cycle نیاز دارند، کـه مستقیماً روی طول عمر باتری در تجهیزات قابل حمل تاثیر دارد.
از آنجایی که فرکانس با زمان نسبت عکس دارد پالس های UWB کوتاه مـدت، انـرژی را روی رنج عریضی از فرکانس ها، از نزدیک DC تا چندین گیگاهرتز با چگالی طیف توان (PSD)2 خیلـی کـم، پخش میکنند. شکل 5-1 پالس UWB را در حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد.

1 Continous Waveform 2 Power Spectral Density
8

شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس
3-1 تعریف سیستم فراپهن باند
به طور کلی به سیستمی فراپهن باند (UWB) اطلاق میگردد که پهنای بانـد مـورد اسـتفادهی آن برای انتقال اطلاعات بیشتر از 500MHz باشد و یا پهنای باند نسبی آن در تمام زمانها بیشـتر از %20
باشد. پهنای باند کسری معیاری برای طبقهبندی سیگنال ها به بانـد باریـک، بانـد پهـن و فـرا پهـن بانـد می باشد و به وسیله ی نسبت پهنای باند در نقاط -10dB به فرکانس مرکزی توسط رابطهی 2-1 تعریـف میشود .[4]
رابطهی 2-1 100% f L fH 100% BW fL 2 fH fC با استفاده از این پهنای باند وسیع، چگالی طیف توان ارسالی این سیستم بسیار پایین اسـت و در نتیجه در مقابل شنود دارای مصونیت بالایی می باشـد. بـه منظـور جلـوگیری از تـاثیر نـامطلوب سیسـتم
UWB بر سیستم هایی که قبلاً در این باند وجود داشته اند، همان طور که قبلاً عنوان شـد FCC ماسـک مربوط به چگالی طیف توان این سیستمها را با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz مشخص نمود.
4-1 مزایای تکنولوژی فراپهن باند UWB
1-4-1 توانایی اشتراک طیف توانی
FCC سطح توان مجاز سیستم هـای UWB را -41.3dBm/MHz برابـر بـا 75nWatt/MHz تعریـف کرده و آنها را در ردهی تشعشعات غیر عمدی گذاشته است، چنین محـدودیت تـوانی بـه سیسـتم هـای
UWB اجازه می دهد که زیر سطح نویز یک گیرنده ی باند باریک نوعی قرار گیرند و سـیگنال UWB را قادر می سازد که با سرویس های رادیویی کنونی بدون تداخل و یا با تداخل حداقل همزیستی داشته باشد.
شکل 6-1 سطح توان مجاز تکنولوژیهای مختلف روی طیف فرکانسیRF را نشان میدهد .[2]
9

شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی RF
2-4-1 ظرفیت بالای کانال
ظرفیت کانال یا میزان تغییرات داده ها، به صورت مینیمم میزان داده هایی که مـی تواننـد در هـر ثانیه روی یک کانال مخابراتی انتقال یابند تعریف می شود. فرمول هارتلی-شنون)1رابطـهی (3-1 ظرفیـت بالای کانال برای سیستم UWB را نشان میدهد .[2]
رابطهی 3-1 1 log C بیشترین ظرفیت کانال می باشد و به صورت خطی با پهنای باند (B) افـزایش مـی یابـد. پـس داشتن چندین گیگا هرتز پهنای باند برای سیگنال های UWB، نرخ انتقال داده ها در حد چند گیگا بیت بر ثانیه می تواند مورد انتظار باشد. در نتیجه ی محدودیت توان اعمال شـده از طـرف FCC بـرای انتقـال داده های UWB، این نرخ بالای انتقال داده فقط در فواصل کوتاه (تا 10 متر) در دسـترس اسـت، و ایـن باعث می شود سیستم های UWB کاندید مناسبی برای کاربردهای بی سـیم فواصـل کوتـاه و نـرخ بـالای اطلاعات مانند شبکه های WPAN باشند.
3-4-1 توانایی کار با SNR پایین
فرمول هارتلی-شنون برای ظرفیت حداکثر همچنین نشان میدهد که ظرفیت کانـال بـه صـورت لگاریتمی به SNR وابسته است، پس سیستم های مخابراتی UWB قابلیت کار در کانال هـای مخـابراتی خشن با SNR پایین را دارند و هنوز ظرفیت کانال بالایی در نتیجه پهنای باند بزرگ خود ارایه میدهند.
4-4-1 احتمال تشخیص و آشکارسازی کم
به دلیل میانگین توان انتقال پایین سیستم های UWB، این سیستم ها مصونیت ذاتی نسبت بـه تشخیص دارند. پالس های UWB در زمان با کدهای منحصر به فرد بـرای هـر جفـت فرسـتنده-گیرنـده

1 Hartley-Shannon
10
مدوله شدهاند. زمان مدولاسـیون پـالس هـای خیلـی باریـک بـه امنیـت انتقـال UWB مـی افزایـد زیـرا آشکارسازی پالسهای پیکو ثانیهای بدون دانستن اینکه چه زمانی میرسند غیر ممکن است.
5-4-1 مقاومت در برابر مسدود شدن
برخلاف طیف فرکانسی باند باریک شناخته شده، طیـف UWB رنـج وسـیعی از فرکـانس هـا از نزدیک DC تا چند گیگا هرتز را پوشش می دهد و بهره ی پردازش بالا برای سـیگنال هـای UWB ارایـه می کند. بهره ی پردازش (PG) یک معیار مقاومت سیستم ها در برابـر مسـدود شـدهگـی اسـت و توسـط رابطهی 4-1 تعریف میشود.
رابطهی 4-1

6-4-1 کارایی بالا در کانالهای چند مسیره
پدیده ی چند مسیره در کانال های مخابرات بی سیم اجتناب ناپذیر است و به علـت انعکـاس هـای چندگانه ی سیگنال انتقالی از سطوح متفاوت مانند ساختمان ها، درخـت هـا و غیـره روی مـی دهـد. خـط مستقیم بین فرستنده و گیرنده LOS و سیگنال های انعکاسی از سطوح NLOS هسـتند (شـکل (7-1،
اثر چند مسیره بر روی سیگنال های باند باریک نسبتاً شدید است که باعث تخریب سـیگنال تـا 40dB بـه خاطر ناهمفازی شکل موج های LOS و NLOS می شود. اما پالس های UWB خیلی کوتاه مدت کمتـر به اثر چند مسیره حساسند زیرا طول پالس های UWB کمتر از نانو ثانیه است و سیگنال بازتابی شـانس خیلی کمی برای برخورد با سیگنال LOS و تخریب آن دارد .[2]

شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند باریک (c) اثر
پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن
11
5-1 چالشهای تکنولوژی فراپهن باند UWB
1-5-1 انحراف شکل پالس
پالس های UWB ضعیف و کم توان با انتقال می تواننـد بـه طـور قابـل تـوجهی تخریـب شـوند، میتوانیم این مطلب را با فرمول انتقال فریس1 (رابطهی (5-1 نشان دهیم.
رابطهی P PG G 4πdf5-1

که Pt و Pr به ترتیب توان های ارسالی و دریافتی، Gt و Gr به ترتیب بهرهی آنتنهای فرستنده و گیرنده، C سرعت نور و f فرکانس است. ملاحظه می شود که تـوان سـیگنال دریـافتی بـا مربـع فرکـانس کاهش می یابد. در سیستم های باند باریک که تغییر در فرکانس کم است، تغییـرات تـوان دریـافتی قابـل صرفه نظر است. اما به دلیل طیف فرکانسی وسیع سیستم های UWB تغییرات توان شدید بـوده و شـکل پالس را خراب می کند، که این امر کارایی گیرنده های UWB، که با پالس های دریافتی بـا یـک قالـب از پیش تعریف شده مثل فیلترهای تطبیق کلاسیک همبستگی دارد را محدود میکند.
2-5-1 تخمین کانال
تخمین کانال یک مبحث اساسی برای طراحی سیستم های مخابرات بی سیم اسـت. انـدازه گیـری همه ی مشخصات کانال مانند تضعیف و تاخیر مسیر انتشار، در میدان غیر ممکن است. اکثر گیرنـده هـای
UWB سیگنال دریافتی را با یک قالب سیگنال از پیش تعریف شده مرتبط میکننـد. اطلاعـات قبلـی از پارامترهای کانال بی سیم برای پیشگویی شکل قالب سیگنال، که سیگنال دریافتی را تطبیق میدهـد لازم است. به هرحال به خاطر پهنای باند زیاد و کاهش انرژی سیگنال، پالس های UWB دسـتخوش اعوجـاج شده، پس تخمین کانال در سیستمهای مخابرات UWB پیچیده است .[2]
3-5-1 تطبیق2 فرکانس بالا
انطباق زمانی یکی از چالش های اساسی در سیستم های مخابرات UWB است. نمونـه بـرداری و انطباق پالس های نانو ثانیه ای یک محدودیت اساسی در طراحی سیستم های UWB اسـت. بـرای نمونـه برداری این پالسهای باریک ADC(Analog-to-Digital converter) خیلـی سـریع در حـد گیگـا هرتز لازم است، به علاوه محدودیت های توان شدید و طول پالس کوتاه کارایی سیستم های UWB را بـه شدت به خطاهای زمانی حساس میکند.

1 Friis 2 Synchronization
12
4-5-1 تداخل دستیابی چندگانه1
در سیستم مخابره ی چند کـاربره یـا دسـتیابی چندگانـه، چنـدین کـاربر اطلاعـات را مسـتقل و همزمان روی یک خط واسط انتقال اشتراکی (مثل هوا در مخابرات بی سیم) می فرستند. در انتهـا یـک یـا چند گیرنده بایستی قادر به جداکردن و آشکارسازی اطلاعـات کاربرهـا از هـم باشـند. تـداخلات از سـایر کاربران با کاربر مورد علاقه تداخل دستیابی چندگانه (MAI) نامیده می شـود کـه یـک فـاکتور محـدود کننده ی ظرفیت کانال و کارایی گیرنده است، به علاوه MAI به همراه نویز غیر قابل پیشـگیری کانـال و تداخل باند باریک می تواند به طور موثری پالسهای کم توان UWB را تنزل دهد و مراحل آشکار سـازی را خیلی سخت کند.
UWB 6-1 در مقایسه با سایر استانداردهای IEEE
شکل 8-1 مقایسه ای بین مخابرات فراپهن باند و باند باریـک در حـوزه هـای زمـان و فرکـانس را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود سیستم های UWB مبتنی بر مدولاسیون پالسـی در زمـان دارای پالس های بسیار باریک می باشـد کـه در حـوزه ی فرکـانس، بانـد فرکانسـی 3-10GHz را اشـغال می کنند در حالیکه سیستم های باند باریک که در زمان دارای شکل موج پیوسته مـی باشـند در حـوزه ی فرکانس، باند فرکانسی بسیار کوچکتری را به خود اختصاص میدهند.

شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک
در جدول 1-1 مقایسه ای بین مخابرات UWB و سایر اسـتانداردهای IEEE از نظـر بیشـترین نرخ داده ها، فاصله ی عملکرد و فرکانس کاری را نشان می دهد. می توان دید که UWB بـه دلیـل پهنـای

1 Multiple-Access Interference
13
باند وسیعی که دارد قابلیت انتقال نرخ بالایی از اطلاعات را در هر ثانیه در مقایسه با سـایر اسـتانداردهای
این جدول دارا میباشد.
جدول 1-1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای [2] IEEE
استاندارد IEEE WLAN Bluetooth WPAN UWB
802.11a 802.11b 802.11g 802.15.1 802.15.3 802.15.3a
فرکانس کاری 5GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 3.1-10.6GHz
بیشترین نرخ داده 54Mbps 11Mbps 54Mbps 1Mbps 55Mbps >100Mbps
حداکثر فاصله 100m 100m 100m 10m 10m 10m
به دلیل پهنای باند وسیع سیستم فراپهن باند، گیرنده های این سیسـتم بایسـتی قابلیـت کـار در محیط های پر تداخل را دارا باشند. در یک محیط کار معمولی سیستم های بی سیم مختلفی در حـال کـار هستند. گیرنده ی فراپهن باند همواره در معرض تـداخل و مسـدود شـده گـی توسـط سـایر سیسـتمهـای مخابراتی بی سیم که در باند فرکانسی 3-10GHz و یـا نزدیـک بـه آن قـرار دارنـد ماننـد Bluetooth، WLAN و غیره همانطور که در شکل 9-1 ملاحظه میشود قرار دارد.

شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند
14
7-1 تفاوت بین UWB و طیف گسترده1
تعداد زیادی از افراد، مخابرات UWB را بـا تکنیـک هـای طیـف گسـترده ی پهـن بانـد اشـتباه می گیرند، هرچند هر دو خاستگاه مخابرات امن نظامی دارند لازم است تا یک تفاوت اساسـی میـان آن دو را روشن کنیم. برای این منظور لازم است تا دو روش متداول تکنیک طیف گسترده را معرفی کنیم.
1-7-1 رشتهی پیوستهی طیف گسترده(DSSS) 2
در DSSS یک کد شبه تصادفی برای گسترده کردن هر بیت از اطلاعـات بـا اسـتفاده از تعـداد زیادی از بیت ها که به مراتب کوچکتر از بیت اصـلی هسـتند اسـتفاده مـی شـود ایـن کـدها پهنـای بانـد اطلاعات را به پهنای باند بزرگتری گسترش میدهند.
2-7-1 جهش فرکانسی طیف گسترده(FHSS) 3
تکنیک FHSS در مفهوم شبیه DSSS است ولی در این روش گسترده کردن انـرژی سـیگنال در حوزهی فرکانس صورت میگیرد و مزایایی از مخابرات پهن باند را ارایه میدهد. به هر حال پهنای بانـد زیاد نتیجهی گسترده کردن اطلاعات مانند تکنیک DSSS نیست.
3-7-1 تفاوتهای اساسی بین UWB و طیف گسترده
هر دو تکنیک DSSS و FHSS منجر به وسیع شدن طیف فرکانس میگردند و مزایایی نسـبت به مخابرات باند باریک مانند چگالی طیف توان کمتر، ناهمپوشانی، تنوع فرکانسی بـرای کـارایی بهتـر در کانال های چند مسیره و مقاومت در برابر مسدود شده گی عمـدی و غیـر عمـدی دارنـد. امـا تفـاوت بـین
UWB و طیف گسترده چیست؟ هرچند هر دو تکنیک UWB و طیف گسترده همان مزایـای گسـترده کردن پهنای باند را دارند، روش دستیابی به پهنای باند بزرگ تفاوت اصلی بین این دو تکنیک است.
در تکنیک های متداول طیف گسترده سیگنال ها موج های سینوسی پیوسته اند که بایک فرکـانس حامل ثابت مدوله شده اند. در مخابرات UWB فرکانس حاملی وجـود نـدارد، پـالس هـای UWB کوتـاه مستقیماً پهنای باند گسترده تولید می کنند. فاکتور اختصاصی دیگر در UWB پهنای باند خیلـی بـزرگ است. در حالیکه تکنیک های طیف گسترده پهنای باند مگاهرتزی عرضه می کنند، UWB چندین گیگـا هرتز پهنای باند دارد. شکل 10-1سیگنال های باند باریک، پهن بانـد و UWB را در حـوزه هـای زمـان و فرکانس نشان میدهد .[2]

1 Spread Spectrum 2 Direct-Sequence Spread Spectrum 3 Frequency-Hopping Spread Spectrum
15

شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس
8-1 روشهای پیاده سازی سیستم فراپهن باند
در حال حاضر دو روش برای پیاده سازی سیستم های فراپهن باند در باندهای اختصاص داده شده توسط FCC وجود دارد که در ادامه پس از معرفـی آنهـا بـه بررسـی نحـوهی بـه کـار گیـری آنهـا در سیستمهای فراپهن باند میپردازیم.
1-8-1 سیستم (Code Division Multiple Access) CDMA
در روش های قبلی مانند FDMA باند فرکانسی موجود به تعداد زیادی کانال تقسیم و هر کـدام به یک کاربر اختصاص می یافت. در روش TDMA همان مقدار باند فرکانسی برای هر کـاربر وجـود دارد ولی در زمان های متفاوت TDMA به تناوب یکی از فرستنده-گیرنـده هـا را بـه مـدت TSL ثانیـه فعـال می کند. کل پریود شامل تمام مقطع های زمانی را قاب (فریم) TF میگویند. در هر TF ثانیه هر کـاربر بـه اندازهی TSL ثانیه به کانال دسترسی دارد. شکل 11-1 این مطلب را نشان میدهد.

شکل 11-1 روش دسترسی TDMA
16
ولی در روش CDMA که برای استفاده ی بهینه تر از باند فرکانسی به کار می رود، سیگنال ها هم می توانند در فرکانس و هم در زمان با هم همپوشانی داشته باشند ولی با استفاده از پیـام هـای متعامـد از تداخل جلوگیری می شود. در شروع ارتباط به هر زوج فرستنده- گیرنـده یـک کـد معـین اختصـاص داده می شود و هر بیت اطلاعات باند پایه قبل از مدولاسیون با آن کد تغییر می کند (شـکل .(12-1 عمـل کـد کردن پهنای باند طیف داده را به اندازه ی تعداد پالس های موجود در کد افزایش می دهد ولی از آنجـا کـه
CDMA امکان می دهد طیف گسترده کاربران روی یک باند فرکانسی بیفتنـد، پـس CDMA ظرفیـت بالقوهی بیشتری نسبت به دو روش قبل دارد.

شکل 12-1 عملیات کد کردن در [5] DS-CDMA1
شکل 13-1 شیوه ی استفاده از باند فرکانسی UWB را توسط سیستم DS-CDMA که یکـی از پرکاربردترین انواع CDMA می باشد و بر مبنای انتشار سیگنال ها از- به کاربران مختلف بـا کـدهـای متفاوت می باشد را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود از دو باند فرکانسی بالا و پـایین اسـتفاده می کند. باند پایین از 3/1GHz تا 5/15GHz را می پوشاند و باند بـالا از 5/825GHz تـا 10/6GHz را در برمی گیرد. به دلیل تداخل با سیسـتم 802.11a از فاصـله ی فرکانسـی 5/15GHz تـا 5/825GHz
استفاده نمیشود.

شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم DS-CDMA

1 Direct -Sequence Code Division Multiple Access
17
2-8-1 سیستم (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM
در سیستمهای چند حاملی قدیمی، پهنای باند به N زیر کانـال نـاهم پوشـان تقسـیم مـیشـد و اطلاعات باند پایه روی هر حامل مدوله می گردید. فاصله ی فرکانسی بین حامل ها کـه بـرای جلـوگیری از تداخل در نظر گرفته می شود سبب از بین رفتن مقداری از پهنای بانـد مـی شـود. در OFDM اطلاعـات ارسالی به تعدادی زیر باند تقسیم شده و پس از محاسبهی عکس تبدیل فوریه اطلاعات روی مجموعـه ای از زیر حامل ها ارسال می گردد و از آنجایی که این حامل ها بر هم عمودند به فاصله ی فرکانسی کمـی نیـاز دارند. خرد کردن سیگنال در زیر باندها مقاومت سیستم در برابر محو سیگنال و از بین رفتن اطلاعـات را افزایش میدهد. در گیرنده با تبدیل فوریه بیتهای هر زیر باند استخراج میگردد.
سیسـتم MB-OFDM1 کـل بانـد فرکانسـی UWB را بـه 4 گـروه و 14 بخـش 528MHz
تقسیم میکند .[6] شکل 14-1 این تقسیم بندی فرکانسی را نشان میدهد.

شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی MB-OFDM
همان طور که در شکل 15-1مشاهده می شود هر باند 528MHz از 128 زیر حامل بـا فاصـله ی فرکانسی 4/125MHz تشکیل میشود.

شکل 15-1 طیف فرکانسی [7] MB-OFDM

1 Multiband OFDM
18
.2 فصل دوم: مخلوطکنندههای فرکانسی
Mixer
19
1-2 تاریخچه
مبدع مخلوط کنندهی فرکانسـی (Frequency Mixer) دانشـمند بـزرگ مخـابرات رادیـویی ادوین آرمسترانگ1 میباشد. قبل از او تلاشهایی برای انتقال مستقیم فرکانس به باند پایه2 صورت گرفتـه بود، اما چون نوسان کنندههای محلی از پایداری (Stability) کافی برخوردار نبودند موفقیت چندانی در برنداشت. ایدهی آرمسـترانگ در اسـتفاده از فرکـانس واسـطه( IF) 3 کـه منجـر بـه طـرح گیرنـده هـای سوپرهترودین شکل 1-2 گردید امروزه در بسیاری از گیرندههای رادیویی مورد استفاده است.

شکل 1- 2 ساختار گیرنده سوپر هترودین
آرمسترانگ با استفاده از واسطهی لامپ خلاء (Vacuum Tube) مخلوطکنندهای سـاخت کـه فرکانس رادیویی RF را به یک فرکانس واسطه IF انتقال مـی داد در ایـن فرکـانس واسـطه، سـیگنال بـا کیفیت خوب، بهرهی زیاد و نویز کم، تقویت شده و در نهایت دمودله میگردید.
تا قبل از سال 1940 کارهای تئوری اندکی بر روی میکسـرها (کـه تـا آن زمـان از نـوع دیـودی بودند) انجام گرفته بود. دیودهای به کار رفته در این میکسرها از کیفیت و دقت پـایینی برخـوردار بودنـد.
در مدت کمتر از ده سال پیشرفت های زیادی در طراحی میکسرها و افزایش کیفیت دیودهـای مـایکروویو انجام گرفته به طوریکه افت تبدیل4 در میکسرهای مایکروویو از 20dB در 1940 بـه 10dB در 1945 بهبود یافت و در 1950 به حول و حوش 6dB رسید. امروزه با پیشرفت هایی که در ایـن زمینـه صـورت گرفته علاوه بر بهبود در افت تبدیل میتوان از بهرهی تبدیل5 میکسرها بهرهمند شد .[8]
امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیسـتمهـای ارتباطـاتی بـدون سـیم، از اهمیـت خاصی برخورداراست. طراحی، ساخت و اندازهگیری مشخصات میکسرهای فرکانس بالا، باند مـایکروویو و باند میلیمتری، جزء تجربه های جدید مدارات مایکروویو بهشمار میآید.

1 Major Edwin Armstrong 2 Base Band 3 Intermediate Frequency 4 Conversion Loss 5 Conversion Gain
20
2-2 انواع میکسر
میکسرهای مایکروویو غیرفعال1 به طور معمول با دیودهای شاتکی صورت می پـذیرد. اسـتفاده از عناصر فعال نظیر ترانزیستورهای اثر میدانی برای ساخت میکسرها می توانـد سـبب بهبـود افـت تبـدیل و حتی ایجاد بهره ی تبدیل گردد. چنین میکسرهایی در مقایسه بـا میکسـرهای غیرفعـال سـاخته شـده بـا دیودهای شاتکی دارای معایبی نیز می باشند از جمله: احتمال ناپایداری و پیچیدگی مـدار میکسـر اشـاره کرد. چنانچه از ناحیه ی مقاومتی ترانزیستور اثر میدانی برای ساخت میکسر استفاده شود علاوه بر اینکـه مدارهای بایاس ساده تر شده احتمال ناپایداری نیز بسیار کاهش می یابد، از طرف دیگر به علت اسـتفاده از خاصیت غیرخطی ضعیف مقاومت کانال ترانزیستور، چنـین میکسـرهایی از مولفـه هـای اینترمدولاسـیون ضعیف توان اشباع 1dB بالا و درنتیجه محدودهی دینامیکی وسیعی برخوردار میباشند .[9]
میکسر، در واقع یک مبدل فرکانس است که در مدارات مخابراتی وظیفهی تبدیل (و یا ترکیـب)
سیگنال از یک فرکانس به فرکانس (های) دیگر را به عهده دارد. اهمیت ایـن عملکـرد در تهیـه و تـامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نویز مطلوب است. بنابراین باید تلف تبدیل کم و سطح نویز پایین سیگنال تولید شده را از مشخصات مطلوب و مورد نظر در طراحی دانست (هرچند تحقق همزمان ایـن دو مهم در طراحی و ساخت میکسر عملاً کار چندان سادهای نمی باشد.) میکسر را می توان یک مـدار سـه دهانه شامل دهانهی پمپ2 و یا همـان نوسـان کننـدهی محلـی (LO)، دهانـهی سـیگنال ورودی RF و
دهانهی سیگنال IF دانست. (شکل (2-2

شکل 2- 2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه
عمل ترکیب سیگنالها را عنصر غیر خطی (مانند دیود ویا ترانزیستور) انجام میدهد. بر همـین اساس میکسرها به دوگروه میکسرهای غیرفعال و فعال تقسیم مـیشـوند. تفـاوت مشخصـات میکسـرها بهطور عمده وابسته به عملکرد عنصر غیرخطی آنهاست. وظیفـه سـیگنال LO کـه معمـولاًدارای تـوان بالاتری نسبت به سیگنال RF است راهاندازی3 عنصر غیرخطی مدار میکسر است تا عملکـرد متغییـر بـا

1 Pasive 2 Pump 3 Driving
21
زمان میکسر را تامین کند. فرکانس سیگنال خروجی IF ترکیبی از هارمونیکهـای سـیگنالهـای RF و LO است که میتوان آنرا بهصورت mfRF+nfLO=fIF نوشت که m و n اعداد صحیح هستند.
1-2-2 میکسرهای غیر فعال
میکسرهای پسیو ساده ترین، شناخته شده ترین و اولین مدارات میکسر هستند. یک ترانسفورماتور و دو دیود، ساده ترین میکسرهای غیر فعال را تشکیل می دهند. ایـن نـوع از میکسـرها دارای ایزولاسـیون خوب بین LO و RF و نیز بین LO و IF می باشند اما سیگنال RF را مستقیماً به خروجی IF می برند. چون سوییچ می تواند با یک MOSFET ساده تحقق یابد میکسر غیر فعال می تواند با مـدارات CMOS
اجرا شود. (شکل ( 3- 2

شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه1 با CMOS
با توجه به دامنهی مثبت و منفی LO سیگنال RF از مسیرهای مختلف بـه پـورت خروجـی IF
می رسد. با تولید سیگنال مخلوط شده ی IF هارمونیک های دیگری نیز در خروجی ظاهر می شوند. در یک طراحی متعادل تمامی هارمونیکهای زوج حذف میشوند.
بهرهی تبدیل
به صورت توان یا ولتاژ خروجی IF تقسیم بر توان یا ولتاژ ورودی RF تعریف میشود.
رابطهی ,1-2یا , AP

,,
خروجی این میکسر پایین آورندهی غیرفعال میتواند توسط رابطهی 2-2 بهدست آید.

1 Double Balanced
22
رابطهی 2-2 . . . رابطهی 3-2

که در روابط بالا gT(t) رسانایی معادل تونن متغییر با زمان دیده شده از سر خروجـی IF ، m(t)
تابع میکس (رابطهی (3-2 و TLO دوره تناوب سیگنال LO است .[10]
در این میکسر درایو بزرگ LO لازم است تـا ترانزیسـتورهای پسـیو بتواننـد متناوبـاً خـاموش و روشن شوند. توان DC بالایی مصرف می کند که این توان در خود میکسر مصرف نمیشـود ولـی مـدارات درایو LO مقدار زیادی توان برای فراهم کردن سویینگ کافی LO مصرف میکنند.
نویز:
چون قبل از میکسر LNA قرار دارد پس عدد نویز (NF) مـورد نیـاز میکسـر خیلـی بیشـتر از
LNA است زیرا عدد نویز LNA با NF کل مستقیماً جمع میشود ولی NF میکسر بـر بهـرهی LNA
تقسیم میشود. (رابطهی ( 4- 2
رابطهی 4-2 1 NFM 1 NFLNA 1 ALNA در یک قطعهی غیر فعال NF به افت توان نزدیک است.
خطی بودن:
خطی بودن یکی از مشخصات اصلی میکسر پایین آورنده است، سیگنال اصـلی و تـداخل هـردو قبل از ورود به میکسر توسط LNA تقویت می شوند. خیلی از تداخل ها بیش از اندازه به سـیگنال اصـلی نزدیک هستند که توسط فیلتر داخل چیپ فیلتر شوند و این تداخل ها می توانند خیلی قوی تر از سـیگنال مطلوب باشند، بنابراین میکسر به خطی بودن خیلی بیشتری از LNA نیاز دارد. همانطور که در رابطهی
5-2 دیده می شود اعوجاج سهیم شده توسط میکسر به انـدازه ی بهـره ی LNA از اعوجـاج سـهیم شـده توسط LNA بزرگتر است.
رابطهی 5-2 ALNA 1 1 IIP3M IIP3LNA IIP3 اگر سوئیچ های میکسر ایده آل باشند هیچ اعوجاجی توسط میکسر تولید نمی شود. به هر حال بـه خاطر مقاومت سوئیچ ها که نه تنها به ولتاژ درایو LO بلکه به ولتاژ ورودی نیز وابستهاند، سـیگنال توسـط سوئیچها دچار اعوجاج میشود.
23
2-2-2 میکسر گیلبرت
این میکسر به جای تبدیل سیگنال RF به ولتاژ، سیگنال RF را به جریان تبدیل می کنـد. یـک ترانزیستور وظیفه ی تبدیل سیگنال RF را به جریان را به عهـده دارد و سـپس یـک جفـت دیفرانسـیلی جریان را به خروجی های IF متمم در هر دوره ی تناوب LO تبدیل مـی کنـد. در ایـن میکسـر چـون بـه سوئینگ بزرگ بین گیت های جفت دیفرانسیلی برای تبدیل جریـان نیـاز نیسـت درایـو LO مـورد نیـاز کاهش قابل ملاحظهای مییابد.
میکسـر گیلبـرت سـاده (شـکل (4-2 نسـبت بـه میکسـر غیـر فعـال ایزولاسـیون بهتـری بـین سیگنال های RF و LO دارد، زیرا هیچ مسیر مستقیمی بین RF و LO وجود ندارد، اما هنوز نشت LO
به پورت IF از طریق خازنهای پارازیتی بین گیت و درین سوئیچها هست.

شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده
شکل 5-2 یک میکسر با تعادل دوگانه در تکنولوژی CMOS را نشان می دهـد. ایـن میکسـر از سه بخش زیر تشکیل شده است:
مبدل ولتاژ به جریان (ترارسانا)
ترانزیستورهای ضرب کننده (سوئیچها)
مبدل جریان به ولتاژ (بار)
این میکسر مشکل فوق را با اتصال سیگنال هـای LO دیفرانسـیلی بـه همـان خروجـی IF حـل کرده است، هر طرف خروجی IF به دو سوئیچ با سیگنالهای LO با 180˚ اختلاف فاز متصل اسـت پـس
24
نشت LO از دو سوئیچ یکدیگر را خنثی می کنند پس تنها میکس سیگنال هـای RF و LO در خروجـی
IF ظاهر میشود.

شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه
بهرهی تبدیل:
بهره ی تبدیل میکسر گیلبرت شامل سه جزء )Asw (2 gm,rf (1بهره یا افـت سـوئیچ هـا) RO (3
(امپدانس خروجی)
رابطهی 6-2 , که در رابطهی Asw 6-2 تـابع شـیب و دامنـهی ولتـاژ درایـو LO و ولتـاژ over drive جفـت
سوئیچ هاست . (Vod,sw ) اگر سیگنال LO موج مربعی باشد و دامنهی آن بیشـتر از Vod,sw باشـد، آنگـاه -3.9dB یا Asw=2/π است، اگر سیگنال LO سینوسی باشد و دامنه ی آن به اندازه ی کـافی بزرگتـر از
Vod,sw باشد آنگاه Asw نزدیک به مقدار آن در مورد موج مربعی اسـت. شـکل 6-2 بهـره ی سـوئیچینگ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه ی نوعی را نمایش می دهد. Asw تابع دامنه ی ولتاژ LO اسـت وقتـی کـه دامنهی ولتاژ LO کوچکتر از ولتاژ over drive است، و مقدار ثابتی کمـی کـوچکتر از 2/π (بـه خـاطر افت پارازیتیک) دارد وقتی که دامنهی ولتاژ LO به اندازهی کافی بزرگ است.
25

شکل 6- 2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه
ولتـاژ over drive ترانزیسـتورهای سـوئیچ بـه جریـان دریـن ترانزیسـتور ورودی RF و ابعـاد ترانزیستورهای سوئیچ وابسته است. Vod,sw می تواند با رابطه ی I-V یک قطعه ی کانال بلند تخمـین زده شود. (رابطهی (7-2
,

رابطهی ,7-2

وقتی کانال ترانزیستورهای سوئیچ به اندازه ی کـافی کوتـاه باشـد معادلـه ی کانـال کوتـاه اعمـال میگردد. (رابطهی (8-2
2 1 2 V , ,
رابطهی 8-2 ρ ρ که در رابطهی 8-2، ρ0 برابر است با:
ρ V ,

به هر حال درایو LO بزرگ می تواند بهره ی سوئیچ Asw بزرگتری فراهم کند. درایو LO خیلـی بزرگ بهره ی تبدیل را کاهش میدهد. هارمونیک بزرگ LO میتوانـد ولتـاژ دریـن ترانزیسـتور ورودی را کاهش دهد و نهایتاً به ناحیهی ترایود هدایت کند.
به جای افزایش درایو LO، کاهش ولتاژ over drive جفت دیفرانسیلی میتواند بهرهی تبـدیل را افزایش دهد. برای این منظور از یک منبع جریان DC که به سورس مشـترک ترانزیسـتورهای سـوئیچ وصل می شود تا بخشی از جریان DC از درین ترانزیستور ورودی را بکشد، استفاده مـی شـود و درنتیجـه
26
ولتاژ over drive کاهش مییابد. تکنیک تزریق جریـان DC در شـکل 7-2 بـا دوایـری بـه دور منـابع جریان مشخص شده است .[10]

شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان DC
نویز:
سه منبع اساسی نویز در میکسر پایین آورنده داریم: (1 نویز تولید شده در ترانزیستور ورودی RF
(2 نویز سوئیچینگ
(3 نویز بارهای خروجی
نویز ترانزیستور ورودی RF شامل دو بخش است: (1 نویز گرمایی درین
رابطهی 9-2 , 8 , i و (2 نویز القایی گیت که تا حدودی به نویز گرمایی درین وابسته است. kTg 3 رابطهی 10-2 4 i , جفت دیفرانسیلی جریان RF را بین دو ترانزیستور با فرکانس LO سوئیچ می کنـد، کـه نـویز را نیز در مسیر سیگنال شرکت می دهد. یکی از سـهم هـای نـویز از افـت سـوئیچ هـا و دیگـری از نـویز روی سیگنال های LO است. نویز در گیت جفت دیفرانسیلی شامل نویز فاز و نویز حرارتـی روی سـیگنالهـای LO و نویز القایی گیت است. وقتی دامنهی LO خیلی بزرگتر از ولتاژ over drive جفـت دیفرانسـیلی باشد ( به این مفهوم که فاصله ای که هر دو ترانزیستور جفت دیفرانسیلی روشنند خیلی کـوچکتر از دوره تناوب LO باشد) هر دو نویز حرارتی LO و نویز القایی گیت شدت خیلی کمتری از نویز فاز LO دارند.
27
خطی بودن
خطی بودن میکسر گیلبرت با gm ترانزیستورهای ورودی RF محدود می شـود. یکـی از راه هـای افزایش خطی بودن میکسر گیلبرت بدون کاهش بهره ی تبدیل آن، افزایش جریان دریـن ترانزیسـتورهای ورودی RF و سپس ربودن جریان DC غیر ضروری از مسیر سیگنال است. (شکل (7-2
ادوات سوئیچ کننده خیلی در اعوجاج خروجی شرکت نمی کنند. میکسر گیلبرت بـه جـای ولتـاژ جریان را سوئیچ میکند، هنگامیکه ولتاژ درایو LO خیلـی بزرگتـر از ولتـاژ over drive باشـد، جفـت دیفرانسیلی جریان را به طور کامل سوئیچ میکند و در نتیجـه بهـرهی تبـدیل روی جریـان ورودی ثابـت است. به هر حال با چنین هدایت ناگهانی جریان، سیگنالهای RF با هارمونیکهای مراتب بلاتـر LO در خروجی میکسر تولید میشوند. فرکانسهای سیگنال خروجی میتواند توسط رابطهی 11-2 بیان گردد.
رابطهی 11-2 : , | | یک فیلتر پایین گذر بعد از میکسـر فرکـانس هـای تولیـد شـده ی بـالاتر از ǀfRF±fLOǀ را حـذف می کند. در یک میکسر گیلبرت با تعدل دوگانه همه ی هارمونیـک هـای زوج هـر دو سـیگنال RF و LO
حذف میشوند.
3-2 کاربرد میکسر
همانطور که گفته شد از میکسرها جهت انتقال فرکانس موج حامل به پایین یعنی از RF به IF
در گیرنده ها استفاده می شود، تا سیگنال حاصله با کیفیت خوب و نویز کم قابل پردازش و تقویـت باشـد.
در این انتقال فرکانسی هیچ تغییری در نوع مدولاسیون موج حامل ایجاد نمی شود، به ایـن معنـی کـه در دامنه، فاز یا انحراف فرکانس لحظه ای موج نباید تغییـری بـه وجـود آیـد. عـلاوه بـر ایـن از میکسـرها در فرستنده ها جهت انتقال فرکانس موج حامل به بالا یعنی از IF به RF استفاده می شـود. بـر ایـن اسـاس میکسرهایی که عمل انتقال فرکانس از بالا به پایین را انجام میدهند (پـایین برنـده(1 و میکسـرهایی کـه فرکانس پایین را به بالا انتقال میدهند (بالا برنده(2 نامیده میشوند.
غیر از پارامترهای تلف (و یا گین) و سطح نویز، حداکثر ایزولاسیون بین دهانههـا و فیلترکـردن مناسب برای انتخاب هارمونیک مـورد نظـر (از بـین هارمونیـکهـای تولیـد شـده) در خروجـی، حـذف سیگنالهای ناخواسته، حذف فرکانس تصویر و تطبیق امپدانسی دهانهها (بهویژه در میکسرهای فعال) از سایر مشخصاتی است که در طراحی میکسر مورد نظر است. نخستین گـام در طراحـی میکسـر، انتخـاب مناسب عنصر غیرخطی برای داشتن عملکرد مناسب در باند فرکانسی مورد نظر است.

1 Down Convert 2 Up Convert
28
بر همین اساس برای طراحی و ساخت میکسر در باند فرکانسی خـاص و بـا مشخصـات مطلـوب، ملاحظات تئوری و عملی زیادی باید در نظرگرفته شوند.
4-2 عملکرد میکسر
هرگاه یک سیگنال سینوسی به ورودی یک مدار خطی اعمال شـود شـکل مـوج خروجـی شـبیه شکل مـوج ورودی خواهـد بـود، ولـی اگـر سـیگنال سینوسـی بـه یـک مـدار غیـر خطـی اعمـال شـود هارمونیک های ورودی در خروجی ظاهر می شوند. حال اگر دو سیگنال بـا فرکـانس هـای f1,f2 بـه ورودی یک مدار غیر خطی اعمال شوند نه تنها هارمونیک های هریک از فرکانس های بلکه هارمونیک های دیگـری به شکل m) mf1+nf2وn اعداد صحیح هستند) در خروجی خواهیم داشت.
مشخصه ی یک مدار غیر خطی را با اسـتفاده از تـوان سـری بـه صـورت رابطـهی 12-2 در نظـر میگیریم:
رابطهی 12-2
با فرض ورودی V=V1+V2 خواهیم داشت:
رابطهی 13-2
از بسط رابطهی 13-2 میتوان نوشت:
رابطهی
14-2 3 3 2 در رابطـهی 14-2، V1m تولیـد کننـدهی فرکـانس mf1 و V2n تولیدکننـدهی فرکـانس nf2 و V1mV2n تولیدکنندهی فرکانسهای mf1+nf2 هستند. با توجـه بـه روابـط بـالا معلـوم اسـت کـه یـک مشخصهی غیرخطی میتواند فرکانس های خیلی زیادی تولید کند، که در تحلیل کلی دو دسـته فرکـانس خواهیم داشت، یکی از هارمونیکهای دو فرکانس اعمال شـده و دیگـری یـک دسـته مجمـوع و تفاضـل هارمونیکهای فرکانسهای اعمال شده است.
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده
به طور کلی میتوان یک میکسر را به عنوان یک ضربکننده در نظرگرفت. (شکل (8-2

شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده [3]
29
در این شکل یک ضربکنندهی ایدهآل با دو ورودی RF و LO دیده میشود شامل یـک Tone
حامل در فرکانس ωRF و یک شکل موج مدوله شدهARF 1 میباشد، ورودی دیگری که بـه دهانـهی LO
اعمال میشود یک سینوسی خالص در فرکانس ωLO است.
با ضرب دو سیگنال سینوسی و تبدیل آن به مجموع دو سینوسی که یکی حاصل جمع و دیگری تفاضل دو فرکانس را میدهد، فرکانس مجموع را فیلتر کرده و فقط سیگنال تفاضـل بـاقی مـیمانـد کـه حاصل مخلوط کردن دو فرکانس میباشد، در واقع سیگنال خارج شده از فیلتر شکل موج ARF است کـه اکنون بر Tone حاصل دو فرکانس ωRF-ωLO سوار میباشد.
اگرچه ضربکنندهی ایدهآل دردسترس نیست اما هر عنصـر غیـر خطـی دارای خاصـیت ضـرب کنندهگی است. عملکرد عناصر غیرخطی از آن جهت با ضربکنندهی ایدهآل متفاوت است که این عناصر هارمونیکهای مختلف RF و LO و ترکیب آنها را تولید کرده و خروجیهایی با این هارمونیکها ایجـاد میکنند، حال اگر ورودی مدوله شده ی RF از ورودی غیر مدوله شدهی LO خیلی کوچکتـر باشـد کـه در عمل چنین نیز هست خروجی میکسر شامل ترم های فرکانسی زیر است:
ωn =ωRF+nωLO
پس در خروجی IF فرکانس ωRF به علاوه ی هارمونیکهای مختلف LO را خواهیم داشـت کـه خروجی دلخواه بهوسیلهی فیلتر در دسترس خواهد بود.
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ
میکسر را میتوان به عنوان یک سوییچ نیز مطرح نمود که با فرکانس LO قطع و وصل میگردد.
شکل 9-2 یک میکسر با ساختار تکی2 را نشان میدهد که به صورت یک سوئیچ مدل شده است.
سیگنال IF حاصلضرب سیگنال RF در شکل موج سوئیچ شدهی S(t) میباشد. در برخی مـوارد ممکـن است شکل موج سوئیچ شده دارای زمان قطع و وصل% 50 3 نباشـد، بـه هرحـال همـهی هارمونیـکهـای فرکانس اصلی به علاوهی یک جـزء DC حاصـل مـیشـود. بنـابراین سـیگنال IF شـامل تعـداد زیـادی هارمونیکهای ناخواسته میباشد که با فیلتر کردن میتوان آنها را جدا ساخت.

1 Modulation Waveform 2 Single ended 3 Duty Cycle
30

شکل 9- 2 میکسر با ساختار تکی
شکل 10-2 نشان دهندهی نوع دیگری از ساختار میکسر است که به آن سـاختار متـوازن تکـی1 گفته میشود، که با استفاده از شکل موج دیگری برای S(t) مدل شدهاست.
در اینجا بهجای قطع و وصل سادهی سیگنال RF قطبهای مثبت و منفی سیگنال بـا فرکـانس سوئیچینگ LO عوض میشوند. مزیت اصلی این حالت حذف ترم DC در شکل موج S(t) اسـت (البتـه به شرط آنکه Duty Cycle، %50 داشته باشیم) و به تبع آن، دیگـر در طیـف خروجـی IF از فرکـانس
RF اثری نخواهد بود، در نتیجه یک ایزولاسیون ذاتی بین دریچههای RF و LO وجـود خواهـد داشـت
.[8]

شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی

1 Single Balanced
31
.3 فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی
فراپهن باند
32
1-3 مقدمه
توپولوژی توزیع شده در ترکیب خطوط انتقال1 در ابتدا توسط گینزتون2 پیشنهاد شد.[11] به علـت عـدم پیشرفت تکنولوژی در طراحی و ساخت مدارت توزیع شده، اسـتفاده از ایـن مـدارات بـرای مـدت زیـادی متوقف شد. این مدارات دوباره در سال 1980 با پروسههای مختلفی شروع شد که از جمله آنها GsAs و
اخیراً تکنولوژی CMOS را میتوان نام برد. شروع دوباره به کارگیری مدارات توزیع شده اساساً ناشـی از قابلیت طراحی خطوط انتقال روی تراشه3 و سلفهای high-Q بود.
شکل 1-3 بلوک دیاگرام کلی شامل خطوط انتقال و طبقات بهره که روی خطوط انتقال توزیـع شـدهانـد، میباشد که هر طبقه میتواند یک ساختار مشخص میکسر در تکنولوژی دوقطبی4 باشـد. خطـوط انتقـال نیز میتوانند مطابق شکل (a)1-3 توسط موجبرهای هم محور یا مطابق شـکل (b) 1-3 توسـط مـدارات
LC تحقق یابند. در این شکل Ci خازنهای پارازیتی ورودی طبقه به اضـافهی همـه خـازنهـای خـارجی میباشد. همچنین Co خازنهای پارازیتی خروجی طبقات به اضافهی همه خازنهای خارجی میباشد.

شکل 1-3 بلوک دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی[11]
یکی از مشخصات بارز مدارات مجتمع این است که خطوط انتقـال روی تراشـه را بـرای افـزایش پهنای باند به کار میگیرند. در حوزهی فرکانس، خازنهای پارازیتی ترانزیستورها که در شـکل 1-3 دیـده می شود، جذب ثابتهای خطوط انتقال میشوند. بنابراین پهنای باند مدار توسـط فرکـانس قطـع خطـوط انتقال تعیین میشود.

1 Transmission Line 2 Ginzton 3 On chip 4 bipolar
33
نکتهی مهم در خصوص توپولوژی توزیع شده در مقایسه با سایر توپولوژیها، توان مصرفی بـالا و سطح اشغالی زیاد آنها است. توان مصرفی و سطح اشغالی با افزایش تعداد طبقات زیاد میشوند. بهتـرین راه، ایجاد مصالحه بین توان مصرفی و حاصلضرب بهره در پهنای باند یعنی 1GBW میباشد.
توان مصرفی مدارات توزیع شده با n طبقه، n برابر توان مصـرفی یـک مـدار یـک طبقـه اسـت.
مدرارت توزیع شده نسبت به مدارات فشرده مصـالحه ی بهتـری بـین تـوان مصـرفی و عـدد نـویز برقـرار میکنند.
2-3 مدارات توزیع شده
در ساختارهای توزیع شده که اخیراً استفاده از آنها در طراحی سیستمهای فـرا پهـن بانـد رشـد چشمگیری داشته است، معمولاً از چند سلول یکسان که بصورت موازی بین دو خط انتقال (بـا امپـدانس ذاتی معادل 50 اهم) ورودی و خروجی قرار گرفتهاند، استفاده می گردد. این خطوط انتقال مجازی کـه در شکل 2-3 ملاحظه می شوند، از مدل T معادل خط انتقال ناشی شده و اساساً دربرگیرندهی تعدادی سلف میباشند که در کنار خازنهای پارازیتیک ترانزیسـتور، تشـکیل خـط انتقـال بـا امپـدانس مـورد نظـر را میدهند .[12]

شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی
یکی از نکات مهم در استفاده از ساختار توزیع شده، در نظر گرفتن اختلاف فاز بین سیگنالهـای رسیده از هر کدام از سلولها با یکدیگر در خروجی میباشد. بدین معنی که اگر سـاختار توزیـع شـده بـا چهار سلول را به صورت شکل 3-3 در نظر بگیریم، آنگـاه مـثلاً سـیگنال ورودی A1 پـس از طـی مسـیر مشترک L1 به ورودی اولین سـلول رسـیده، سـپس بـا طـی مسـیرهای L4, L3, L2 و L5 بـه خروجـی میرسد. از طرف دیگر سیگنال A2 از مسیر دیگر بـا طـی مسـیر L1 وL2 بـه ورودی سـلول 2 رسـیده و سپس با طی مسیرهای L3 ، L4 و L5 به خروجی میرسد که این مساله به همین نحو برای سایر سلولها نیز ادامه دارد. با توجه به این که سلولها کاملاً یکسان میباشند، بنـابراین بایـد اخـتلاف فـاز طـی شـده

1 gain-bandwidth
34
توسط سیگنال عبوری از هر یک سلولها از ورودی تا خروجی تا حد ممکن یکسان باشد که در غیـر ایـن صورت باعث تاثیر منفی سیگنالهای سلولها بر یکدیگر و کاهش بازدهی از مقدار ایدهآل میشود. به این منظور باید مقادیر سلف های موجود در خط انتقال ورودی و خروجی و خـازنهـای پارازیتیـک بـه نحـوی انتخاب شوند که علاوه بر تامین امپدانس 50 اهم برای رسیدن به ضریب انعکاس قابل قبـول در ورودی و خروجی، بتوانند این هماهنگی در اختلاف فاز را نیز میسر سازند .[11]

شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی
در شکل 4-3 یک سلول گیبرت که به طور گسترده به عنوان میکسر مورد استفاده قرار می گیـرد و یک میکسر با تعادل دوگانه1 است مشاهده می شود. تعادل دوگانه به این مفهـوم کـه اگـر فقـط یکـی از سیگنال های ورودی یا LO اعمال شود، خروجی به طور ایـده آل صـفر مـی گـردد. در ایـن تحلیـل فـرض می کنیم که سیگنال خروجی به طور ایده آل هیچ جزئی در فرکانس LO و هارمونیـک هـایش نـدارد، کـه وجود ایزولاسیون بالای پورت به پوررت بین پایانه های ورودی، LO و خروجـی ایـن خواسـته را بـرآورده می کند. سلول گیلبرت شامل طبقهی ترارسانایی یا راهانداز، که یک جفت دیفرانسـیلی اسـت کـه در یـک نقطه کار ثابت بایاس شده است، دو جفت سوئیچ که با سیگنال قوی LO راه می افتند و بارهای مقـاومتی یا مدارات تانک در خروجی است.
رابطهی 1- 3 I I I I IO IO
1 Double Balanced
35

شکل 4-3 میکسر گیلبرت CMOS
نصف سلول گیلبرت خودش یک میکسر تک بالانس است که در شکل 5-3 نمـایش داده شـده و بدین گونه درنظر گرفتن آن، به تحلیل مدار کمک میکند.

شکل 5-3 یک میکسر فعال CMOS با تعادل تکی
هنگامی که ولتاژ ac سیگنال بزرگ به سوئیچ ها اعمال می شـود، بایـاس M1 و M2 ثابـت نیسـت ولی به صورت متناوب با زمان تغییر می کند. وقتی ولتاژ دیفرانسیلی بزرگتر از مقدار مطمـئن Vx، کـه در شکل 6-3 آمده، بین گیت های ترانزیستورها اعمال می شود یکی از آن ها خـاموش مـی شـود، ولـی وقتـی مقدار مطلق ولتاژ لحظه ای VLO کمتر از Vx باشد، جریان طبقه ی راه انداز بین دو قطعه تقسیم می شـود.
میخواهیم جریان درین هر ترانزیستور را برای یک مقدار VLO و جریان بایاس طبقهی راهانداز بدانیم.
رابطهی 2- 3 V k VG V 36 ID 1 θ VGS
در رابطــهی 2-3 کــه رابطــهی جریــان-ولتــاژ ترانزیســتور MOS کانــال کوتــاه مــیباشــد،
θ فــــــــاکتور تنــــــــزل1 قابلیــــــــت حرکــــــــت میــــــــدان نرمــــــــال و k برابــــــــر است .[13]
ترانزیستور M3 را با یک منبع جریان ایده آل مدل می کنیم و فرض می کنیم ترانزیستورهای M1
و M2 در ناحیه ی اشباع باقی مـی ماننـد. در قسـمتی از دوره تنـاوب LO کـه ایـن ترانزیسـتورها روشـن هستند، رفتار سیگنال بزرگ جفت سوئیچها با روابط زیر مدل بیان میشود.
رابطهی 3- 3 I V VGS k V V VGS k و V 1 θ VGS 1 θ VGS IB رابطهی 4- 3 - نرمال میکنیم. GS که جریان و ولتاژ VLO را به صورت رابطهی 5 3 VLO VGS رابطهی -5-3 - θVLO - ULO IB- θ JB و در نتیجه رابطهی 3 3 و رابطهی 4 3 به صورت رابطهی 6 3 و رابطهی 7 3 درkمیآیند. و رابطهی 6- 3 JB U U 1 U U 1 رابطهی 7- 3
هنگامیکه همهی جریان بایاس از M1 میگذرد داریم:
JB 4 2 θ
رابطهی 8- 3 JB JB
gm ترانزیستورها نیاز می شود و می تواند از مشتق I نسبت به V یا در فرم نرمال شده می تواند از مشتق J نسبت به U محاسبه شود. رفتار جفت سوئیچ ها از Vt مستقل است و این به ما اجازه میدهد که gmbs را حذف کنیم. اگر از اثر خازنی صرفه نظر شود جریان خروجی میکسـر تـک بـالانس (شـکل (5-3
تابعی از ولتاژ پیوستهی LO و جریان طبقهی راهانداز است.
رابطهی 9- 3 , I I IO بسط اول تیلور رابطهی 9-3، رابطهی 10-3 را نتیجه میدهد:
رابطهی 10-3 . , , IO که میتوان آنرا به صورت زیر نوشت:

1 Degeneration
37
رابطهی 11-3 . در رابطهی p0(t) 11-3 و p1(t) توابع پریودیک هستند که در شکل 6-3 ملاحظه میشوند.

شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و p1(t)
در ساختار دوبل بالانس با تطبیق خوب تابع p0(t) حذف میشود.
در فاصله زمانی که -Vx<VLO<Vx است هر دو ترانزیستور سوئیچ روشن هسـتند و p0(t) و p1(t) به VLO و IB و مشخصات I-V ترانزیستورها وابستهاند. جریان سیگنال کوچـک در هـر شـاخه بـه وسیلهی تقسیم جریان تعیین میشود و به صورت رابطهی 12-3 دیده میشود .[14]
رابطهی 12-3

مطابق رابطهی 11-3 یک جزء سیگنال is(t) که آن را با x(t) نشان مـی دهـیم، در شـکل مـوج
p1(t) ضرب میشود پس طیف فرکانسی خروجی به صورت رابطهی 13-3 در میآید.
رابطهی 13-3 , که fLO فرکانس LO، p1,n سری فوریه ی p1(t) و X(f) طیف فرکانسی x(t) است. p1(t) فقط مولفههای فرکانسی فرد را دارا میباشد. (p1(t)= -p1(t+TLO/2)) توجه کنیم که ترمهای شـامل n=1
یا n=-1 بهره را معرفی می کنند و در این صورت رابطهی 14-3 بهره ی تبدیل جفت سوئیچ ها به تنهـایی را نشان میدهد.
رابطهی 14-3 , | . | 38
از آنجاییکه x(t)=gm3vin(t) که در آن vin(t) سیگنال ولتاژ ورودی در گیت ترانزیستور M3 و
gm3 ترارسانایی ترانزیستور M3 است، بهره ی تبدیل میکسر تک بالانس در فرم ترارسانایی رابطهی 15-3
است.
رابطهی g .15-3
برای دامنه های بزرگ LO، p1(t) به صورت مـوج مربعـی درمـی آیـد و c بـه 2/π مـیرسـد. در
شرایطی که VO>Vx است یعنی حالتی که برای کارکرد میکسر لازم است و بـا فـرض p1(t) یـک خـط مستقیم رابطهی 16-3 به عنوان تقریب خوبی برای c حاصل میشود .[14]
2 sin ∆
رابطهی 16-3


و برای LO سینوسی داریم: πΔfLO=arcsin(Vx/VO)
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده
میکسر سلول گیلبرت توزیع شده تعداد یکسانی از ایـن میکسـرها مـی باشـد، کـه ترمینـالهـای ورودی و خروجی هر میکسر به نقاط اتصال وسط1 خطوط انتقال مصنوعی وصل شده است. اگر ثابت فـاز خطوط انتقال مصنوعی به درستی طراحی شده باشد خروجی IF هر سلول با سایر اجزاء IF کـه از سـایر سلولها میآیند هم فاز2 خواهد بود. این میکسر به یک بهرهی تبدیل بهتر در طول رنج فرکانسی پهـن در مقایسه با میکسر گیلبرت متداول دست مییابد.
مدارات با خطوط انتقال تاخیر انتشار را فدای پهنای باند سیگنال می کنند، در سیستم هـای بانـد وسیع تاخیر از پهنای باند محدود قابل تحمل تر است زیرا می تواند توسط مدارات پیشبینی تاخیر کالیبره گردد، که استفاده از مدارات توزیع شده در این کاربرد را توجیح مـی کنـد. پهنـای بانـد ایـن مـدارات بـه خصوص در پورت های RF و LO توسط ثابت زمانی RC محدود می شود. در حوزه ی فرکانس، یک منبع محدودیت پهنای باند در مدارات آنالوگ متداول، هنگامیکه فرکانس افزایش مـییابـد افـت در امپـدانس ورودی مدار است. در یک مدار توزیع شده که از شبکهی نردبانی LC بـرای بهبـود پهنـای بانـد اسـتفاده می شود، خازن ورودی ترانزیستور در داخل خطوط انتقال جذب (کشیده) میشود، از اینرو تـا زمـانیکـه فرکانس قطع خطوط انتقال نزدیک شود امپدانس ورودی و پهنای باند تا یک درجهی مطمئن ثابت بـاقی میمانند.
در اثر استفاده از خطوط انتقال مصنوعی بهبود تخت بودن بهره به دست میآید، هرچند طبیعـت مکانیسم اضافه کردن سلف در توپولوژی توزیع شده بهرهی تبدیل میکسر فعال را کاهش میدهد.

tap point in-phase

1
2
39
1-4-3 بهرهی تبدیل
با فرض رفتار سوئیچ جریان ایده آل برای طبقه ی سوئیچ جریان تفاضـلی خروجـی مـی توانـد بـه عنوان نتیجه ی ضرب جریان درین M1 با یک موج مربعی با دامنه ی واحد در نظر گرفته شود. هنگامی که دامنه ی جزء اصلی موج مربعی 4/π برابر دامنه ی موج مربعی است، ترارسـانایی کـل بـه صـورت رابطـهی
17-3 بیان میشود. در این رابطه 2/π به جای 4/π آمـده اسـت زیـرا سـیگنال IF بـین اجـزا مجمـوع و
تفاضل به طور مساوی تقسیم میشود .[15]
2
رابطهی G πg17-3
حال برای میکسر توزیع شده با n سلول بیشترین بهره ی تبدیل به صورت رابطهی 18-3 تعریـف
میشود.
رابطهی 18-3

برای افزایش بهره ی تبدیل می توان تعداد طبقات n، یا ترارسانایی gmRF را افزایش داد که هر دو موجب مصرف توان اضافی می شوند. راه دیگر افزایش ZIF است هنگامی که فرکانس قطع خـط انتقـال IF
) ) حفظ شود. شکل 7-3 مدار معادل خطوط انتقال IF را نشان می دهد که i2 تا
in مدل تاخیری i1 هستند .[11]

شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال
2-4-3 تکنیک تزریق جریان
از رابطهی 18-3 نتیجه می شود که بهره ی تبدیل میکسر گیلبرت قویاً به بارهای مقاومتی وابسته است و برای بهره ی تبدیل بالا، مقاومت بار بزرگ نیاز است. با توجه به شکل 8-3، برای یـک جریـان ISS
مشخص خطی بودن میکسر ناشی از اضافه ولتاژ افت کرده روی RL رو به کاهش میگذارد. با ایجـاد یـک مسیر جریان بای پس IB جریان بایاس از مسیر RL به طور موثری کاهش می یابـد، هنگـامی کـه جریـان
DC کافی برای طبقهی ترارسانایی حفظ میشود.
40

شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان
تزریق جریان با یک مقاومت موازی یا منبع جریان فعال پیاده سازی میشود. برای تقویت بیشـتر ترارسانایی برای بهره ی تبدیل کمکی بدون مصرف جریان اضافی، یـک توپولـوژی تزریـق جریـان بـا یـک طبقه ی ترارسانایی مکمل که در شکل 9-3 ملاحظه می شود به کـار مـی بـریم. در ایـن توپولـوژی جفـت تفاضلی pMOS با ترارسانایی ورودی ترکیب شده اند. با انتخاب نسبت جریـان طبقـات مکمـل ماننـد α بهرهی تبدیل توسط رابطهی 19-3 داده میشود .[12]
αISS L µ C L I SS µ C CG 2 π RL
رابطهی 19-3 W W
شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل
می خواهیم خطی بودن مدار جدید را بررسی کنیم. معادله ی جریان سیگنال کوچک دریـن را بـه صورت رابطهی 20-3 مینویسیم:
رابطهی 20-3
41
و اگر -VOD VGS‐Vt باشد، آنگاه رابطهی 21-3 تا رابطهی 23-3را برای ضرایب g داریم. رابطهی 21 3 kVOD 2 θVOD ∂ID و θVOD 1 ∂VGS رابطهی 22-3 k 1 ∂ ID 1 و θVOD 2!∂VGS رابطهی 23-3 kθ 1 ∂ ID 1 θVOD 3!∂VGS بر اساس روابط بالا اینترمدولاسیونهای مرتبهی دوم و سوم به صورت زیر تعریف میشوند .[16]
رابطهی , ,24- 3

,,
رابطهی , ,25- 3

,,

4

3
از رابطهی 24-3 واضح است که با تکنیک تزریق جریان پیشنهادی بـرای میکسـر IIP2 بزرگتـر به دست می آید. هرچند به هرحال در نتیجه ی استفاده از طبقه ی ترارسانایی pMOS، IIP3 ممکن است کاهش یابد. بنابراین تعامل بین IIP3 و CG برای کارایی بهتر میکسر بایستی به دست آید.
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی1
محدودیت دیگر پهنای باند کاری میکسر بانـد وسـیع خـازن هـای پـارازیتی در گـره ی خروجـی طبقه ی ترارسانایی هستند مخصوصاً وقتی که تکنیک تزریق جریان برای بالا بردن بهره استفاده می شـود.
یک مدل مدار ساده که در شکل (a)10-3 ملاحظه می شود برای تحلیل به کار رفته و تابع رابطهی 26-3
بهدست میآید.
رابطهی 26-3

1

1 Inductive Peaking
42

شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری
برای کم کردن تاثیر قطب فرکانس پایین اضافی در پهنای باند کـاری میکسـر تکنیـک پیکینـگ سری که در اصل برای تقویت کننده های باند وسیع ایجاد شده به کار می رود. شکل (b)10-3 یـک مـدل ساده ی پیکینگ سلفی سری را نشان می دهد. اعمال یک سلف سری Lm بین طبقات ترارسانایی و سوئیچ برای جداکردن خازن های پارازیتی، با وارد کردن یک شبکه ی غیر فعال بـا مشخصـات پهـن بانـد صـورت میگیرد.

شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شبکهی پسیو اضافه شده برای ایزوله کردن خازنهای
پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف
یک شبکه ی دو پورتی غیر فعال می تواند بین اجزاء ترانزیسـتور (R1,C1) و بـار (R2,C2) بـرای افزایش پهنای باند وارد شود(شکل .((b)11-3 اگر GBW1 شکل (a)11- 3 با رابطهی 27-3 بیان شود.
رابطهی 27-3

2

1 Gain-Bandwidth
43
GBW برای شکل (b)11-3 یا (c) که شبکه ی غیـر فعـال اعمـال شـده و در نتیجـه C1 تنهـا خازنی است که در پورت ورودی شبکه روی GBW اثر دارد، بنابراین برای این حالت GBW با رابطهی
28-3 محاسبه میشود .[17]
g
رابطهی GBW28-3
π
ملاحظه میشود که این تکنیک پهنای باند مدار را به طور قابل ملاحظهای افزایش میدهد.
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده
در این قسمت شماتیک مدار چندین ساختار میکسر پهن باند، که از بـه روزتـرین سـاختارها بـه شمار میروند، مرور شده است. در پایان بخش، این ساختارها از لحاظ فرکانس کار، بهـره ی تبـدیل، عـدد نویز و خطی بودن در یک جدول مقایسه شدهاند.
1-5-3 ساختار میکسر [18] 1
شماتیک مدار در شکل 12-3 دیده میشود. در طراحـی ایـن میکسـر از توپولـوژی توزیـع شـده استفاده شده و تعداد طبقات به طور دلخواه چهار انتخاب شده است. هر سلول یـک میکسـر تـک بـالانس است. ترانزیستورهای طبقه ی ترارسانایی (M31-M34) به طور یکسان تطبیق یافتـهانـد. در ایـن میکسـر خطوط انتقال مصنوعی در طول خطوط LO,RF وIF با شبکه ی نردبانی LC تحقق یافتهاند، که سلفها با استفاده از ماپیچهای داخل چیپ اجرا شدهاند و خازنها، خـازنهـای پـارازیتی ترانزیسـتورهای MOS
هستند که به خطوط تاخیر LC متصل شدهاند، امپدانس بار با امپدانس مشخصـه ی خطـوط تـاخیر LC
تطبیق یافتهاند.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 1
44
2-5-3 ساختار میکسر [12] 2
شماتیک مدار در شکل 13-3 دیده میشود. این میکسر با استفاده از توپولوژی توزیع شده ی غیر همسان طراحی شده، با ترکیب کردن طبقات سلف و خطوط انتقال مصنوعی با میکسـر گیلبـرت بهـره ی تبدیل بالا و تخت و نیز پهنای باند وسیع به دست می آید. در این سـاختار تزریـق جریـان بـرای افـزایش بهره ی تبدیل میکسر با تاثیر کمتر بـر خطـی بـودن آن بـه کـار رفتـه اسـت. همچنـین از تکنیـک هـای Degeneration خازنی و پیکینگ سلفی برای تقویت بهره و پهنای باند در فرکانس های بـالاتر اسـتفاده شده است.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 2
3-5-3 ساختار میکسر [19] 3
شماتیک مدار در شکل 14-3 دیده میشود. این میکسر با هسته ی سلول گیلبرت تحقـق یافتـه، سلول گیلبرت به دلیل داشتن ساختار دوبل بالانس که بهره ی تبـدیل بـالا و کـارایی مناسـب را در ابعـاد کوچک برای مجتمع سازی ارایه می دهد، انتخاب شده است. بـرای بهبـود پهنـای بانـد شـبکه ی تطبیـق امپدانس برای کاهش تلفات بازگشت سیگنال، با شبکه ی نردبانی LC که در مدارات توزیع شـده بـه کـار می رود در پورت های RF و LO به کار رفته است. این شبکه با خازن های Cgs ترانزیسـتورهای MOS و
سلف های مارپیچی، برای اجرای خطوط انتقال مصنوعی و دستیابی به پهنای باند بـالا اجـرا شـده و بـرای افزایش بهرهی تبدیل از روش تزریق جریان استفاده شده است.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.
45

شکل 14-3 مدار میکسر ساختار 3
4-5-3 ساختار میکسر [20] 4
شماتیک مدار در شکل 15-3 دیده میشود. هستهی میکسر در ایـن سـاختار بـر اسـاس سـلول گیلبرت طراحی شدهاست. سیگنالهای RF و LO میتوانند بـین 3.1GHz تـا 10.6GHz متغیـر باشـند.
بهدلیل کاهنده بودن میکسر سیگنال خروجی IF خروجی فرکـانس پـایین اسـت((1MHz ~500MHz از روش تزریق جریان بـرای افـزایش خطـی بـودن میکسـر اسـتفاده مـیشـود. دو جریـان DC بـه دریـن ترانزیستورهای طبقهی پایین تزریق شده است. از طرف دیگر نکتهای که در طراحـی منبـع جریـان بایـد مورد توجه قرار گیرد این است که امپدانس خروجی آن بایسـتی بـزرگ باشـد تـا سـیگنال RF را کـه از طبقهی پایین میکسر به سمت ترانزیستورهای بالایی عبور میکند تضعیف نکند، بـرای ایـن منظـور یـک مقاومت سری با ترانزیستور برای افزایش مقاومت خروجی استفاده میشود. برای تطبیق امپـدانس ورودی
RF به 50Ω از مدار متداول شکل 16-3 استفاده میشـود. امپـدانس ورودی ترانزیسـتورهای M1 و M2


بیشتر خازنی است پس Rm در 50Ω است و مقادیر سلفها و خازنها بهینه شدهانـد. بـرای رسـیدن بـه پهنای باند بالا پاسخ فرکانسی بهره بایستی به طور عمدی در فرکانسهای پایینتـر کـاهش یابـد، کـه در نتیجهی آن بهره در تمام طول باند فرکانسی تخت خواهد شد. میتوان برای این منظور در این طراحـی از یک امپدانس جبرانساز در مسیر LO استفاده شده است.

projct-fi

ازهمکاری وکمک شرکت محترم برق منطقه ای استان گیلان، شرکت محترم ایران ترانسفو واساتید محترم پروفسورمحمودرضا حقّی فام و پروفسورحمید لسانی صمیمانه تشکر و قدردانی می نمایم. باشدکه این یادآوری، نمایانگرسپاس بی پایان من نسبت به کمک های بی دریغ آنان به شمار آید.
شهزاد بلال پور
86 / 4 / 23
۴
فهرست مطالب عنوان مطالب شماره صفحه
چکیده 1
مقدمه 2
فصل اول : کلیات 5
( 1 - 1 هدف 6
( 2 - 1 پیشینه تحقیق 7
( 3 - 1 روش کار و تحقیق 11
فصل دوم : رابطه تلفات و افت ولتاژ در تجهیزات با ولتاژکاری و ارائه تابع هزینه 13
.1-2 مقدمه 14
.2-2 تعاریف و ضرایب کاربردی 15
.3-2 اجزاء تلفات و رابطه آنها با سطح ولتاژ 16
.4-2 اجزاء موثر درافت ولتاژ و رابطه آنها با ولتاژ کاری 26
2ـ.5 ارائه توابع هزینه با در نظر گرفتن ضوابط اقتصادی 30
2ـ.6 نتیجه گیری 33
فصل سوم : شبکه های توزیع برق با ولتاژمیانی 34
.1-3 مقدمه 35
.2-3 شبکه نوع اول 36
.1-2-3 بررسی تلفات شبکه نوع اول 37
.2-2-3 بررسی افت ولتاژ شبکه نوع اول 43
.3-3 شبکه نوع دوم 48
.1-3-3 بررسی تلفات شبکه نوع دوم 49
.2-3-3 بررسی افت ولتاژ شبکه نوع دوم 52
.4-3 شبکه نوع سوم 56
.1-4-3 بررسی افت ولتاژ شبکه نوع سوم 58
.2-4-3 بررسی تلفات شبکه نوع سوم 59
.5-3 شبکه نوع چهارم 62
.1-5-3 بررسی افت ولتاژ شبکه نوع چهارم 63
.2-5-3 بررسی تلفات شبکه نوع چهارم 66
.6-3 مقایسه شبکه نوع دوم و سوم 68
.7-3 نتیجه گیری 69
فصل چهارم : تجهیزات سیستم توزیع با ولتاژمیانی 71
.1-4 مقدمه 72
.2-4 تجهیزات سیستم توزیع مرسوم 73
۵
فهرست مطالب عنوان مطالب شماره صفحه
.3-4 تجهیزات سیستم توزیع با ولتاژ میانی 78
.4-4 جداول هزینه سیستم توزیع با ولتاژ میانی و فشار ضعیف 86
.5-4 نتیجه گیری 88
فصل پنجم : انتخاب سطح ولتاژمیانی بهینه 89
5ـ.1 مقدمه 90
5ـ.2 تعریف سطح ولتاژ میانی و بررسی استانداردهای مختلف 91
5ـ.3 بررسی هزینه تجهیزات متأثراز سطح ولتاژ و ارائه جداول و توابع 93
5ـ.4 بررسی تلفات تجهیزات خط متأثر از سطح ولتاژ میانی 100
5ـ.5 انتخاب سطح ولتاژ میانی مناسب برای شبکههای نوع اول ، دوم ، سوم 102
5ـ.6 انتخاب سطح ولتاژ میانی برای شبکه نوع چهارم 106
.7-5 نتیجه گیری 109
فصل ششم : حریم خطوط هوایی شبکه های توزیع با ولتاژ میانی 110
6ـ.1 مقدمه 111
6ـ.2 طبقه بندی سطوح ولتاژ میانی جهت تعیین حریم 112
6ـ.3 تعاریف 112
6ـ.4 حریم خط هوایی از ریل راهآهن 114
6ـ. 5 حریم راهها 114
6ـ.6 حریم خطوط مخابرات و تلفن 115
6ـ.7 حریم خطوط نفت و گاز 116
6ـ. 8 حریم دو خط انتقال با ولتاژ مختلف 116
6ـ.9 فاصله آزاد سیمها از ساختمان و ابنیه 117
.10-6 فواصل مجاز هادیها از یکدیگر 118
.11-6 نتیجه گیری 119
فصل هفتم : انتخاب شبکه نمونه واقعی و پیاده سازی شبکه ولتاژ میانی 120
.1-7 مقدمه 121
.2-7 پیادهسازی شبکه ولتاژ میانی نوع اول روی شبکه نمونه واقعی 122
7ـ.3 شبکه نمونه واقعی برای شبکه ولتاژ میانی نوع دوم 130
7ـ.4 شبکه نمونه واقعی برای شبکه ولتاژ میانی نوع چهارم 133
7ـ. 5 بررسی افت ولتاژروی شبکه های نمونه 136
۶
فهرست مطالب عنوان مطالب شماره صفحه
فصل هشتم : نتیجهگیری و پیشنهادات 139
نتیجهگیری 140
پیشنهادات 142
منابع ومĤخذ 143
فهرست منابع فارسی 144
فهرست منابع لاتین 145
سایتهای اطلاع رسانی 146
چکیده انگلیسی 147
٧
فهرست جدول ها عنوان شماره صفحه
: 1-1 ولتاژهای میانی و فرکانس تغذیه در تعدادی از کشورها 7
: 1-4 لیست تجهیزات سیستم توزیع مرسوم 86
: 2-4 لیست تجهیزات سیستم توزیع با ولتاژمیانی نوع اول 87
: 3-4 لیست تجهیزات شبکه نوع چهارم 88
: 1-5 ولتاژهای نامی سیستم در استانداردIEEE std 141 91
: 2-5 سطوح ولتاژ در رده زیر1kVدر استانداردIEC 38 92
: 3-5 سطوح ولتاژ بین35 kV تا 1kVدر استانداردIEC 38 92
: 4-5 سطوح ولتاژ در استاندارد کانادا 92
: 5-5 تجهیزات خط ولتاژ میانی متأثر از ولتاژ خط باسیم هوایی یا کابل خودنگهدار 99
: 6-5 لیست تجهیزات مربوط به ترانس سه فاز و تکفاز مشترک بین مصرفکنندگان 100
: 7-5 لیست تجهیزات مربوط به ترانس تکفاز نصب در محل مشترکین 100
: 8-5 تلفات مربوط به المانهای متأثرازولتاژ شبکه 101
: 9-5 تلفات وافت ولتاژ درخط با سیم هوایی به طول 1 کیلومتر 103
: 10-5 تلفات وافت ولتاژ درخط با کابل خودنگهدار به طول 1 کیلومتر 104
: 11-5 تلفات وافت ولتاژ در کابل زمینی از پست تا خط به طول 70 متر 104
: 12-5 هزینه احداث خط با سیم هوایی به طول 1 کیلومتربرحسب 104
: 13-5 هزینه احداث خط با کابل خود نگهدار به طول 1 کیلومتر بر حسب 104
: 14-5 هزینه کل ناشی از تلفات و احداث خط با سیم هوایی 105
: 15-5 هزینه کل ناشی از تلفات و احداث خط با کابل خودنگهدار 105
: 16-5 فاصله بین هر هادی با بدنه تیر و اتریه 106
: 17-5 فاصله مجاز عایقی بین هادیهای خط 107
: 1-6 حریم خطوط توزیع وزارت نیرو 113
: 2-6 حریم مربوط به جاده ها وراهها 114
: 3-6 حداقل ارتفاع سیم ( فاصله مجاز قائم هادیها ) از سطح جاده 115
: 4-6 فاصله عمودی دو خط انتقال با ولتاژ مختلف 116
: 5-6 فاصله مجازبین هادیهای خط برای سطوح ولتاژمیانی 118
: 6-6 فاصله مجازهر هادی خط ازبدنه برای سطوح ولتاژمیانی 119
: 1-7 جدول تلفات توان درخط برای نقاط مختلف نصب ترانس در شبکه نوع اول 126
: 2-7 جدول مقایسه تلفات وهزینه برای مکان وظرفیت نهایی ترانسها 127
: 3-7 لیست تجهیزات محذوف از شبکه توزیع فشار ضعیف و هزینه مربوطه 128
: 4-7 لیست تجهیزات و هزینه شبکه ولتاژ میانی 127
: 5-7 هزینه احداث خط برای ولتاژ میانی6/6 kV 130
٨
فهرست جدول ها عنوان شماره صفحه
6-7 : هزینه احداث خط فشار متوسط20kV 131
7-7 : تلفات توان خط, برای نقاط مختلف نصب ترانس شبکه نوع چهارم 135
: 8-7 ارزش آتی هزینه تلفات و احداث برای هر یک از حالات ترانس گذاریC 135
: 9-7 مقایسه درصد افت ولتاژ برای شبکه ولتاژ میانی وفشارضعیف 136
: 10-7 مقایسه درصد افت ولتاژدر شبکه نوع دوم وفشار متوسط20 کیلوولت 137
: 11-7 مقایسه درصد افت ولتاژدرشبکه نوع چهارم برای نصب ترانس تکفازدرمحل مشترکین 137
: 12-7 مقایسه درصدافت ولتاژدرشبکه نوع چهارم برای انشعاب ترانس سه فاز 138
٩
فهرست شکل ها عنوان شماره صفحه
: 1-1 سیستم تکفاز تک سیمه استرالیا 8
: 2-1 سیستم تکفاز تک سیمه برزیلی 9
: 3-1 سیستم توزیع1 kV در نپال 10
: 1-2 انشعاب ترانس سه فاز از خط 23
: 2-2 انشعاب ترانس تکفاز از خط 24
: 3-2 فیدر شعاعی ساده 29
: 1-3 دیاگرام تک خطی شبکه نوع اول 36
: 2-3 دیاگرام تک خطی شبکه نوع اول جهت محاسبه تلفات کل شبکه 37
: 3-3 دیاگرام تک خطی جهت مقایسه تلفات خط فشار میانی وفشارضعیف 38
: 4-3 دیاگرام تک خطی جهت محاسبه افت ولتاژ 44
: 5-3 دیاگرام تک خطی جهت مقایسه افت ولتاژ شبکه ولتاژمیانی و فشارمتوسط 46
: 6-3 دیاگرام تک خطی شبکه نوع دوم 48
: 7-3 دیاگرام تک خطی جهت بررسی تلفات شبکه نوع دوم 49
: 8-3 دیاگرام تک خطی شبکه نوع دوم جهت بررسی افت ولتاژ 52
: 9-3 دیاگرام تک خطی جهت مقایسه شبکه ولتاژمیانی وفشارضعیف 55
: 10-3 شبکه ولتاژ میانی نوع سوم 56
: 11-3 امپدانس از دید اولیه ترانس 58
: 12-3 دیاگرام تک خطی شبکه نوع چهارم 63
: 1-6 فاصله آزاد سیمها از ساختمان و ابنیه 117
: 1-7 شبکه توزیع فشار ضعیف شهرک کشت وصنعت مغان 123
: 2-7 محل اولیه نصب ترانسها در شبکه نمونه برای شبکه نوع اول 125
: 3-7 فیدر خروجی پست20 کیلوولت طاووسیه غرب تهران 132
: 4-7 شبکه نمونه برای شبکه نوع چهارم 133
١٠
چکیده :
در سیستم توزیع ایران ازدو سطح ولتاژ400V و 20kV جهت توزیع انرژی بـرق بـین مـشترکین اسـتفاده می شود. استفاده ازاین دوسطح ولتاژ به تنهایی, باعث گسترش بیشترشبکه 20kV شده وهزینـه احـداث زیادی را تحمیل می کند. از طرفی گسترش شبکه 400V نیزباعث تلفات وافت ولتاژ بیـشتر در سیـستم توزیع معمول می شود.
دراین پروژه سطوح ولتاژاستاندارد مورد تأیید وزارت نیرو بین دوسطح ولتاژ مذکور انتخـاب و سـطوح ولتاژ استاندارد انتخابی به دو رده فشار ضعیف وفشار میانی تقسیم شده اند. با توجـه بـه دو رده ولتـاژی,
برای هرکدام شبکه توزیع متناسب با سطح ولتاژ آن ارائه شده اسـت. کـه شـبکه هـای نـوع اول , دوم و سوم برای رده فشارمیانی وشبکه نوع چهارم برای رده فشار ضعیف درنظرگرفته شده است. که هرکـدام از نظرتلفات وافت ولتاژ با سیستم توزیع معمول مقایسه شـده وروابـط لازم جهـت طراحـی بهینـه شـبکه ولتاژ میانی ارائه شده است. ازبین سطوح ولتاژ استاندارد انتخابی برای هر رده وبرای هرنوع شـبکه ارائـه شده , سطح ولتاژمیانی بهینه ازنظر کمترین مجمـوع ارزش آتـی هزینـه تلفـات واحـداث انتخـاب شـده است. استفاده از سطح ولتاژمیـانی درشـبکه توزیـع فعلـی باعـث کـاهش طـول شـبکه 20kV ونیزتعـداد پستهای زمینی فشارمتوسط خواهد شد. ازطرفی هزینه ناشی ازتلفات نیز بدلیل کاهش طول شـبکه فـشار ضعیف , کاهش می یابد. باتوجه به بررسیهای انجام شده سطح ولتاژ 6/6 kV به عنوان سطح ولتاژ بهینـه برای شبکه های نوع اول , دوم وسوم و سطح ولتاژ 1 kV برای شبکه نوع چهارم انتخاب شده انـد. پـس ازانتخاب این دوسطح ولتاژ, انواع شبکه ولتاژمیانی روی شبکه نمونه واقعـی, پیـاده سـازی شـده ونتـایج لازم بدست آمده است.
١
مقدمه :
در سیستم توزیع معمول , پستهای فوق توزیع از طریق شبکه فشار متوسط20kV پستهای فشار متوسط واقع در سطح منطقه را تغذیه میکنند. این پستهابا تبدیل سـطح ولتـاژ فـشار متوسـط بـه فـشار ضـعیف ، انرژی بـرق را بـا سـطح ولتـاژ قابـل اسـتفاده در اختیـار مـصرفکننـدههـا قـرار مـیدهنـد. در برخـی از مناطق, اغلب در حواشی شهرها و مناطق روستایی مستقیماً از سطح ولتاژ فشار متوسط استفاده شده و در نقاط بار ترانسهای 20 / 0/4 kV تعبیه و مصرفکنندگان تغذیه میشوند.
انتخاب سطح ولتاژ برای یک خط به پارامترهای مختلفی وابسته است که از جمله آنها میتوان بـه طـول فیدر ، قدرت انتقالی ، هزینه احداث ، تلفات ، حریم و غیره اشاره نمود. در صورتی کـه از سـطح ولتـاژ بالاتری استفاده شود ظرفیت آزاد اضافی در خطوط ایجاد خواهد شد. که در اینـصورت هزینـه اضـافی برای احداث ظرفیت آزاد خط پرداخت می شود. از طرفی اگر این سطح ولتاژ نـسبت بـه طـول فیـدر و قدرت انتقالی آن پایین تر از حد استاندارد انتخاب شودتلفات و افـت ولتـاژ بیـشتر و حتـی بـیش از حـد مجاز خواهد بود. که ارزشآتی تلفات احتمالاً بیشتر از هزینه احداث اضافی خواهد بود که باید صـرف احداث خط با سطح ولتاژ بالاتر میشد.
در طراحی سیستم توزیع پس از برآورد بار و تعیین مراکز چگـالی بـار ، عمـل جایـابی پـستهای 20kV
صورت میگیرد. پس از آن از طریق کابل زمینی یا خط هوایی فشارمتوسط این پستها تغذیه می شـوند.
که پس ازتبدیل یکباره سطح ولتاژ فشار متوسط به فشارضعیف انرژی برق دراختیار مصرف کننده گان قرار میگیرد.اما سوالی که اینجا مطرح میشود این است که اگرازیک سطح ولتاژ بین400V و 20 kV
استفاده شودچه اتفاقی میافتد. به عبارتی دیگر بـه جـای اینکـه از فیـدرهای 20kV بـا طـول نـسبتاً زیـاد استفاده شود از یک سطح ولتاژمیانی بین 400V و 20kV اسـتفاده کـرده و بـدین ترتیـب هزینـه شـبکه
20kV و همچنین طول آنرا کاهش داده و این سطح ولتاژ میانی تا نزدیکتـرین نقطـه بـه بارهـای انتهـایی منتقــل شــود در ایــن صــورت منــافع احتمــالی زیــادی خواهــد داشــت. زیــرا پــستهای زمینــی حــذف خواهندشدویاحداقل تعدادآن به نصف کاهش پیدا میکند. ازطرفی طول فیدرهای20kV نیـز کوتـاهتـر خواهندشد. از سوی دیگر چون ازشبکه هوایی فشارضعیف اغلب بـرای توزیـع اسـتفاده مـیشـود وایـن شبکه باشبکه توزیع فشارمیانی بطورمشترک برروی یک تیر احـداث خواهندشـد هزینـه احـداث شـبکه ولتاژمیانی کاهش می یابد. در مناطق خارج شهر یا مناطق روستایی و ویلایی که بارها در فواصـل نـسبتاً طولانی از یکدیگر قرار دارند. در سیستم توزیع فعلی همـانطور کـه در بـالا ذکـر شـد از خطـوط فـشار متوسط 20kV برای توزیع انرژی استفاده میشود.
٢
هزینه احداث خط وپستهای 20kV زیاد وقابل توجه اسـت. مخصوصاًدرپـستهای هـوایی هزینـه تـرانس پست وابسته به سطح ولتاژ آن میباشد. درصورتیکه ازیک سطح ولتاژمیانی مناسب جهت توزیع انـرژی برق استفاده شودقطعاً هزینه احداث کاهش پیدا خواهدکردبا این فرض که خروجی پستهای فوق توزیع دارای چنین سطح ولتاژ میانی باشند. ازطرفی تلفات درخط, درصورتیکه ظرفیـت یاقـدرت توزیـع شـده بزرگ ویا فیدرطولانی باشد نسبت به شبکه فشار متوسط بیشترخواهد بود. در موارد خاص هزینه خط با سطح ولتاژ میانی علاوه بر تلفات بدلیل افزایش سطح مقطع هادی جهت داشتن ولتاژ مجاز دربارانتهـایی وهمچنین قدرت کششی قابل تحمل توسط تیرها وکنسولها هزینـه احـداث آن بیـشتراز هزینـه احـداث شبکـه فشارمتوسط می باشد. بنابراین لـزوم بررسی حالتهای مختلف ضـروریست. در سیستمهای توزیـع انرژی برق ایران مناطق توزیع انرژی را میتوان به دوقسمت تقسیم نمودکه عبارتند از :
مناطق شهری
مناطق روستایی و حومه
با توجه به دو طبقهبندی فوق ، محل و چگالی بارها , هر یک از شبکه های ولتاژ میانی باید برای هـر دو مورد متناسب با آن طراحی شود. که این کار به طور کامل و با جزئیات صورت گرفته و تلفـات و افـت ولتاژ وروابط مربوط به هر کدام جهت طراحی بهینه ارائه شدهانـد. در اسـتفاده از شـبکه ولتـاژ میـانی در مناطق شهری نکته بسیار مهم و اساسی وجود دارد که باید به آن پرداخته شود و آن نحـوه تبـدیل ولتـاژ فشار متوسط20kV به فشار میانی میباشد. در صورتیکه خروجی پستهای فوق توزیع دارای فیـدر ولتـاژ میانی باشد مشکل احداث پست زمینی و هوایی فشار متوسـط بـه فـشارمیانی بـرای فیـدرهای بـا طـول و قدرت انتقالی پایین حل خواهد شد. درصورتیکه طول فیدر طولانی و بارسنگین باشد. طوری که انتقـال آن با سطح ولتاژ میانی مقدور نباشد از سطح ولتاژ فشار متوسط استفاده می شود ودرنقـاط مختلـف نیـاز به پستهای هوایی فشار متوسط به میانی خواهد بود. در احداث پستهای هـوایی محـدودیتهـایی وجـود دارد ازجمله برای پستهای تا 400kVA میتوان به راحتی پست هوایی احداث و بهرهبـرداری نمـود.امـا برای ظرفیتهای500kVA و 630 kVA نیاز به مجوز بوده و احداث این پستها بـا مـشکل اجرایـی همـراه است.[2] این محدودیت در اجرای پـستهای هـوایی باعـث محـدود شـدن طـول فیـدرهای ولتـاژ میـانی خواهد شد. بنابراین در صورتی که ظرفیـت پـست بـالاتر از ایـن مقـدار باشـد یـا بایـد دو پـست هـوایی احداث یا اینکه پست زمینی بررسی شود. اما آنچه بدیهی به نظـر مـیرسـد احـداث پـست زمینـی فـشار متوسط به فشارمیانی و در ادامه احداث پستهای هوایی فشارمیانی به فشار ضـعیف, هزینـه بـیش از پـیش افزایش یافته و ارزش آتی هزینه اضافی را که برای احداث پستها پرداخت می شود بـیش ازارزش آتـی تلفات کاهش یافته خواهد بود. در این پروژهبا توجه به توضیحات ارائه شده در فوق آرایشهای مناسـب
٣
برای خطوط ولتاژ میانی ارائه و همچنین سطح ولتاژ میانی مناسب با در نظـر گـرفتن نـوع منطقـه اعـم از شهری یا روستائی بودن آن انتخاب و روی یک شبکه نمونه واقعی پیادهسازی خواهد شد.
مسئله مهم دیگرحریم خطوط میباشد. شبکه ولتاژ میانی زمانی اقتصادیتر خواهد بود که از خط با سیم هوایی استفاده شود. زیرا در غیر اینصورت باید از کابل خود نگهدار و یا کابل زمینـی اسـتفاده شـودکه این خود در مواردی باعث غیر اقتصادی شدن طرح خواهد شد. بنابراین بررسی حریم خطـوط یکـی از مباحث این پروژه را تشکیل میدهد.
در این پروژه ابتدا به بررسی تلفات و افت ولتاژ در تجهیزات سیستم توزیع و رابطه افـت ولتـاژ و تلفـات آنها با سطح ولتاژکاری و همچنین مقایسه تلفات ترانس سه فاز و تکفاز برای قدرتهای مساوی پرداختـه شده است. سپس در ادامه تابع هزینه و روابط مربوطه جهت محاسبه ارزش آتی هزینـه تلفـات وسـرمایه گذاری ارائه می شوند. درفصل بعد انواع آرایشهای شبکه توزیع با ولتاژ میـانی ارائـه و از نظـر تلفـات و افت ولتاژ مورد بررسی قرار میگیرند. در فصل چهارم تجهیزات مربوط به شبکه ولتاژ میانی بحث شـده و درفصل پنجم انواع استانداردهای بینالمللی در مورد سطوح ولتاژ بررسی و با توجه به انوع آرایشهای خط, سطح ولتاژ میانی مناسب انتخاب شده است. در فصل ششم حریم خطوط برای شـبکه ولتـاژ میـانی تعریف و فواصل هادیها برای خطوط ولتاژمیانی ازیکدیگروتأسیـسات اطـراف آن بررسـی شـده اسـت.
در فصل هفتم شبکه نمونه با توجه به نوع شبکه ولتاژ میانی انتخاب و روی آن پیاده سازی شده و نتـایج بدست آمده بررسی و پیشنهادات لازم ارائه شده است.
۴

فصل اول
کلیات
۵
.1-1 هدف :
همانطوریکه در مقدمه ذکر شد درایـن پـروژه یـک سـطح ولتـاژ میـانی بهینـه انتخـاب و از نظـر فنـی و اقتصادی تأثیر این سطح ولتاژ در سیستم توزیع ارزیابی می شود. بررسی فنی شامل :
تلفات
افت ولتاژ
بررسی اقتصادی شـامل بدسـت آوردن ارزش آتـی تلفـات کـاهش یافتـه احتمـالی و همچنـین هزینـه احداث اضافی برای پیادهسازی شبکه ولتاژ میانی و در نهایت بدست آوردن هزینه فایده میباشد. قبل از انجام پروژه قطعاً نمیتوان اظهار نظرکردکه افت ولتاژ و تلفات کاهش مییابند یا خیر و یا اینکـه هزینـه احداث افزایش خواهد یافت و یا بالعکس. زیرا با اعمال شبکه ولتاژ میانی پستهای زمینـی20kV حـذف خواهند شد. همچنین طول خط فشار متوسط نیز کاهش خواهد یافت. از طرفی یک هزینه اضافی جهت احداث خطوط فشار میانی صرف خواهدشد. بنابراین اظهار نظر در مورد کاهش یا افزایش هزینه قبل از انجام پروژه خالی از اشکال نمیباشد.
در مورد کاهش یا افزایش تلفات و افت ولتاژ در خط نیز همین وضعیت حاکم است. تـرانس بـه عنـوان وسیلهای که تقریباً تلفات قابل توجهی را در سیستم توزیع داشته و افزایش تعداد این دستگاه در سیـستم توزیع نشانه افزایش تلفات می باشد. بنابراین انتخاب محل , ظرفیت و تعـداد تـرانس چـه از نظـر هزینـه وتلفات تعیین کننده خواهد بود. همچنین ترانس بدلیل امپدانس سیمپیچی اولیه و ثانویه آن اگر ظرفیـت و محل آن بطور صحیح انتخاب نشودباعث افت ولتاژ بیش ازحد مجازدرثانویه آن خواهد شد چه برسد به اینکه سطح ولتاژ از طریق خط فشارضعیف و کابل سرویس بدست مشترکین برسد. بنابراین بـا توجـه به مطالب فوق هدف ازانجام این پروژه درگام اول انتخاب مناسبترین و بهینهترین سطح ولتاژ میانی بـا توجه به سیستم توزیع ایران و در گام بعدی بررسی تـأثیر اسـتفاده از ایـن سـطح ولتـاژ میـانی درتلفـات، افت ولتاژ و همچنین ارزش آتی هزینه کاهش یا افزایش یافته تلفات واحداث خط فشار میانی می باشد.
۶
.2-1 پیشینه تحقیق :
سطح ولتاژمیانی درشبکه توزیع برق درکشورهای مختلف ازسالها قبل مورد استفاده قـرار گرفتـه اسـت.
جدول( 1 ـ ( 1 بطور خلاصه سطوح ولتاژ زیر22 kV جهت تغذیه بارها و همچنین فرکانس نامی شـبکه رادرکشورهای مختلف نشان می دهد.[15] در کشور ما نیز این تحقیقات بطـور محـدود و در برخـی از برق منطقهایها انجام شده و مقالاتی نیز در این زمینه ارائه شده است. در ادامه این بخش بـه تعـدادی از تجربیات و تحقیقات کشورها در جهت تغییر سطح ولتاژ موجـود و اسـتفاده از یـک سـطح ولتـاژ میـانی دیگر و همچنین تجربیاتی در جهت تغییر ساختار سیستم توزیع و آرایش جدید شبکه پرداخته میشود.
جدول ( 1 ـ : ( 1 ولتاژهای میانی و فرکانس تغذیه در تعدادی از کشورها
ولتاژتغذیه ( ( kV فرکانس ( ( HZ کشور
13/2 و 6/88 50 آرژانتین
11 و 6/6 و 19/1 50 استرالیا
12/5 و 7/2 و 0/6 60 کانادا
11/2 و 13/8 50 و60 برزیل
10 و 6 و 0/66 50 آلمان
6/6 50 و60 ژاپن
3 و 1 و 11 50 نپال
.1-2-1 تغییر سطح ولتاژ از 10 kV به 17/3 kV در ایرلند[16]
پروژه فوق در جهت تغییر سطح ولتاژ10kV شبکه روستایی به 17/3 kV انجام شده که ظرفیـت سیـستم را بدون هیچگونه تغییری در شبکه 1/73 برابر افزایش میدهد. مناطق روسـتایی در جمهـوری ایرلنـد بـا مساحت70000 کیلومترمربع توسط66000 کیلومترخطـوط هـوایی 10kV تغذیـه مـیشـوند. ایـن شـبکه بصورت سه فاز سه سیمه بوده وتغذیه تکفاز آن دو سیمه (فاز به فـاز) مـیباشـد. سیـستم فـوق از لحـاظ اقتصادی جهت تغذیه مناطق روستایی پراکنده و با بار کم طراحی شده و به مدت 30 سال بدون اشـکال کارکرده است. با افزایش بار مصرفی و تغذیه مصارف بین ( 500 kVA تا ( 1000kVA شـبکه فـوق بـا مشکلاتی چون افت ولتاژ و افزایش تلفـات مواجـه گردیـد. از جملـه راهحلهـایی کـه بـرای ایـن شـبکه پیشنهادگردید تغییر سطح ولتاژ از10kV به17/3 kV بود. بدین ترتیب با افزودن زمین به سیستم سـه فـاز
(چهار سیمه) و با توجه به طراحی شبکه موجود ، تغییری در سطح عایقی ایجاد نخواهدشـد. در سیـستم تکفاز نیز آرایش فاز به فاز بصورت فاز زمین تغییر کـرده تـا هیچگونـه تغییـری در شـبکه تکفـاز ایجـاد
٧
نشود. پس از پیادهسازی این روش, از لحاظ اقتصادی طرح فوق با توجه به افزایش ظرفیت ایجـاد شـده
(1/73) برابر, دارای هزینهای معادل نصف هزینه احداث یک خط10 kVجدید میباشد.
.2-2-1 استفاده از سیستم تکفاز تک سیمه در آفریقای جنوبی[18]
به دلایل زیر برقرسانی با روش تکفاز( تک سیمه )با استفاده ازولتاژمیانی به مناطق با بـارکم و روسـتایی درآفریقای جنوبی مورد توجه و بررسی بوده است :
ضریب استفاده از شبکههای روستایی بین 10% تا 30% میباشد.
مشتریان قادر به بازپرداخت هزینههای توسعه و سرمایهگذاری نیستند.
بدین لحاظ بررسیهای مختلفی درجهت کاهش هزینهها و اسـتفاده مناسـبتـر از شـبکه صـورت گرفتـه است. که ازآن جمله استفاده از سیستم تکفاز و تک سیمه با استفاده ازولتاژمیانی میباشد. ایـن روش بـا توجه به تجربیات کشورهای مختلف ازجمله استرالیا و برزیل دراین زمینه به دو شکل انجام میشود.
الف) سیستم استرالیایی :
در این روش توسط ترانس، شبکه تکفاز تک سیمه از شبکه فشارمتوسط مجزا میگردد. شکل 1) ـ ( 1
نمایـی از سیستم فوق را نشان میدهد.

ترانس مجزاکننده
22kV

220V
ترانس توزیع
شکل ( 1 ـ : ( 1 سیستم تکفازوتک سیمه استرالیایی
از مزایای این سیستم عدم تأثیرشبکه تکفاز روی حفاظت اتصال کوتاه شبکه فشارمتوسط مـیباشـد و از معایب این سیستم میتوان به هزینه ترانس مجزا کننده اشاره نمود.
ب) سیستم برزیلی :
دراین روش که درشکل ( 1 ـ ( 2 نشان داده شـده اسـت ، شـبکه تکفازمـستقیماً بـه شـبکه فـشارمتوسط متصل میشود.
٨

12/7kV

220V
ترانس توزیع
شکل ( 1 ـ : ( 2 سیستم تکفازوتک سیمه برزیلی
عمده مزیت این روش اتصال کم هزینه آن به شبکه سنتی میباشد و عیب عمده آن تأثیر روی حفاظـت اتصال کوتاه زمین و انتقال جریان نامتعادلی بارها به شبکه اصلی میباشد. در منـاطقی کـه از تـراکم بـار بالاتری برخوردار هستند به دلیل اینکه امکـان متعـادلسـازی بـار وجـود دارد از روش برزیلـی اسـتفاده مــیشــود. پــروژههــای ابتــدایی در ســطح ولتــاژ 1kV تکفــاز بــا ( بــار ( 16 kVA و 1/73 kV ســه فــاز با (بار ( 25 kVA با سیستم تک فاز تک سیمه به مرحله اجرا گذاشـته شـد. مطالعـات انجـام شـده نـشان میدهد که استفاده ازاین سیستم در فیدرهای با طول بسیارکم با صرفه اقتصادی همـراه اسـت و سیـستم تکفاز تک سیمه با روش استرالیایی نیز در مسافتهای بیش از 8/5 کیلومتر مناسب است.
.3-2-1 سیستم توزیع ولتاژمیانی در نپال[19]
سیستم توزیع درنپال باسطح ولتاژ میانی1 kV و هادیها ACSR وافت ولتـاژ % 5 طراحـی شـده اسـت.
شکل ( 1 ـ ( 3 نمایی از سیستم توزیع 1kV در نپال را نـشان مـیدهـد. در ایـن سیـستم در بخـشهایی از کابل هوایی ( خودنگهدار ) علیرغم اینکه گران تـر ازهادیهـای هـوایی اسـت اسـتفاده شـده اسـت. از جمله دلایل اینکار میتوان به موارد زیر اشاره نمود :
فاصله عایقی کمتر
دکلهای کوچکتر ( یا حتی استفاده از درختان به جای دکل )
عدم نیاز به مقره
بالا رفتن ایمنی
طراحی و ساخت لوازم جانبی سیستم فوق توسط صنایع محلی
چشم انداز بهتر از دیدگاه توریستی
کاهش دزدی برق از سیستم توزیع
٩

33kV
33 / 1kV
1kV / 220V
1kV / 400V
شکل ( 1 ـ : ( 3 سیستم توزیع 1kV در نپال
با توجه به اینکه در مناطق روستایی میزان بار بسیار کم در حدود 100W برای هر مشترک , بدلیل اینکه عمده مصرف برق جهت روشنایی استفاده میشـود. اسـتفاده از ولتـاژ فـشار ضـعیف حـداکثر تـا شـعاع
2کیلومتر را میتواند تغذیه نماید و لیکن استفاده از سطح ولتاژ میانی 1kV این امکان را میدهد که این محدوده تا شعاع 5کیلومتر افزایش یابد.
مزایای استفاده از این سیستم که قبلاً در نروژ پیاده شده است عبارتست از :
افت ولتاژ پایینتر
استفاده از سیستم سه سیمه به جای چهار سیمه
خریداری اقتصادی ترانسهای ولتاژ بالاتر از لحاظ انـدازه و سـاخت داخلـی تـرانسهـای ولتـاژ میـانی
( این ترانسها با قدرت1kVA ، 2kVA و5 kVA برای تکفاز و10kVA و25kVA برای سه فاز بصورت خشک ساخته میشوند )
کاهش خطرات اتصال کوتاه با کاهش سطح ولتاژ
کاهش دزدی برق از سیستم توزیع
١٠
.3-1 روش کار و تحقیق :
در این پروژه که هدف انتخاب سطح ولتاژمیانی بهینه برای شبکه توزیع ایران وپیاده سازی آن می باشد.
روشی که دراین پروژه برای انجام آن انتخاب شده روش علمی مبتنی بـر واقعیتهـای عملـی موجـود در شبکه توزیع ایران است. به عبارتی ضمن انجام محاسبات علمی شرایط عملـی واجرایـی نیزدرنظرگرفتـه می شود. زیرا زمانی طـرح علمـی قابـل اجـرا مـی باشـد کـه محـدودیتها و شـرایط عملـی واجرایـی در نظرگرفته شود. با توجه به اهداف پروژه مبنی برانتخاب سطح ولتاژ میانی بهینه و همچنین بررسی فنـی و اقتصادی استفاده از ولتاژمیانی , پروژه در چهار مرحله جهت انجام قالب بندی شده است.
در مرحله اول المانها وتجهیزات مختلف سیستم توزیع که در افت ولتاژوتلفـات موثرانـد مـورد بررسـی قرارمی گیرند. اهمیت این مرحله بخاطر استفاده از نتایج حاصـله ازآن بـرای انتخـاب سـطح ولتاژمیـانی بهینه درمرحله سوم وبررسی تلفات وافت ولتاژدر مرحله دوم است. درایـن مرحلـه المانهـایی کـه نقـش اصلی در تلفات و افت ولتاژدرسیستم توزیع دارند مورد بررسی قرار می گیرند که ازآن جمله می تـوان به ترانس اشاره نمود. تلفات خود ترانس واینکه ازترانس سه فـاز ویـا تکفـاز بـا قـدرت معـادل بـاآن در پست استفاده شود و رابطه افت ولتاژ ترانس با سطح ولتاژکاری آن بررسی می شود. درادامه این مرحلـه ارزش آتــی تلفــات وهزینــه احــداث مــورد بررســی قــرار گرفتــه وروابــط مربوطــه ارائــه شــده انــد. ایــن بخش, نقش تعیین کننده ای را درانتخاب سطح ولتاژمیانی وهمچنـین مقایـسه سیـستم توزیـع معمـول بـا سیستم توزیع با استفاده از ولتاژمیانی دارد. دراین مرحله تابع هزینه ای معرفی شده که ازدو مولفه هزینـه تلفات و هزینه احداث تشکیل شده است.
( 1 – 1 )ارزش آتی هزینه تلفات + ارزش آتی هزینه سرمایه گذاری F =
مجموع این دو مولفه در مقایسه دو سیـستم توزیـع مـذکور و انتخـاب سـطح ولتـاژ میـانی تعیـین کننـده خواهد بود. وکمترین مقدار برای تابع فوق , بهینه ترین حالت می باشد. تفاضل تابع هزینه بـرای سیـستم توزیع با ولتاژ میانی و سیستم توزیع مرسوم مقدار هزینه فایده را خواهدداد.
در مرحله دوم بادرنظرگرفتن شرایط فیزیکی مناطق مختلف درایران شبکه های ولتاژمیانی متناسب با آن ارائه می شوند. درادامه, بررسی تلفات و افت ولتاژ برای این شبکه ها انجام شده وبا شبکه توزیع معمول مقایسه و روابط لازم جهت طراحی بهینه شبکه ولتاژ میانی ارائه می شوند.
در مرحله سوم با توجه به نوع شبکه ارائه شده درمرحله دوم, تجهیزات سیستم توزیع با ولتاژمیانی تعیـین می شود. سپس سطح ولتاژمیانی درگام اول از بین سطوح ولتاژ استاندارد ودرگام دوم بـا در نظرگـرفتن چند ظرفیت انتقالی با توجه به شبکه توزیع ایران وطول فیدر1کیلومتری وبااسـتفاده از تـابع هزینـه ارائـه شده درمرحله دوم ونتایج بدست آمده ازمرحله اول انتخاب می شود. در این مرحله با توجـه بـه طـول و
١١
قدرتهای مختلف که بطور مفصل علت انتخاب آنها بحث خواهد شد و با استفاده از تابع هزینـه , سـطح ولتاژی که کمترین هزینه را از نظر مجموع ارزش آتی تلفات وسرمایه گذاری دارد انتخاب می شود.
در مرحله چهارم با توجه به انواع شبکه های ولتاژمیانی ارائـه شـده درمرحلـه دوم , شـبکه نمونـه واقعـی متناسب با آن انتخاب و شبکه ولتاژمیـانی روی آن پیـاده سـازی مـی شـود. درنهایـت شـبکه ولتاژمیـانی طراحی شده با شبکه توزیع مرسوم مقایسه و نتایج حاصله ارائه خواهد شد.
١٢

فصل دوم
رابطه تلفات وافت ولتاژدرتجهیزات سیستم
توزیع باولتاژکاری و ارائه تابع هزینه
١٣
.1-2 مقدمه :
در این فصل ابتدا ضرایب و تعاریف مهم ارائه سپس به بررسی اجزاء مهم تلفات ازقبیل ترانس ، خطوط و ... پرداخته می شود. هدف اصلی از این فصل بررسی تلفات اجزائی که نقش مهمی در تلفـات شـبکه توزیع دارند و اینکه تلفات در آنها تابعی از سطح ولتاژ خط می باشد. چون در فصول آینده نیاز بـه ایـن است که تلفات چه تجهیزاتی با سطح ولتاژ آن رابطه دارد. به همین دلیل نیاز به بررسی آن در این فصل ضروری به نظر می رسد. همچنین با توجه به نیاز برای مقایـسه تلفـات در تـرانس سـه فـاز و تکفـاز ایـن مقایسه انجام می شود. در بخشهای بعدی این فصل افت ولتاژ در ترانس ، خط و اجزائی که افـت ولتـاژ درآنها با سطح ولتاژ کاری متناسـب اسـت بررسـی مـی شـود. ایـن بـه خـاطر وجـود تجهیـزات اضـافی درسیستم توزیع با ولتاژمیانی است. که مهمترین آنها ترانس می باشدکه نقش عمده ای را درافـت ولتـاژ شبکه دارد. درانتهای فصل تابع هزینه با توجه به تلفات و هزینه سرمایه گذاری ارائه شده است. این تـابع جهت انتخاب سطح ولتاژمیانی و همچنین مقایسه شبکه توزیع مرسوم با شـبکه ولتاژمیـانی و نیـز بدسـت آوردن هزینه فایده بکارمی رود.
١۴
.2-2 تعاریف و ضرایب کاربردی :
تعریف تلفات :
آن بخش از انرژی الکتریکی که به کار مفید تبدیل نشود، تلفات نام دارد.
تلفات انرژی :
مقدار متوسط تلفات توان در دوره مورد مطالعه می باشد. که از رابطه زیر به دست می آید :
 T  PLossmax  FLS( 1 - 2) تلفات انرژی
که :
: PLossmax تلفات توان ماکزیمم ( ( kW
: FLs ضریب تلفات
: T دوره زمانی ( ساعت )
ضریب بار :
ضریب بار شاخص دیگری است که بـرای بررسـی مـصارف مـی توانـد مـورد اسـتفاده قـرار گیـرد. در حقیقت این ضریب تابعی است از انرژی و توان انتقالی ،که مقدار آن درهر مصرف کننده ازرابطـه زیـر به دست می آید: [7]
( 2 - 2 ) انرژی در دوره T  ضریب بار (پیک بار) T  رابطه ( 2 - 2) را می توان بصورت رابطه زیر نوشت : ( 3 - 2 ) Pav  ضریب بار P max ضریب تلفات :
شاخص دیگری که در مطالعات بار مورد اسـتفاده قـرار مـی گیـرد ، ضـریب تلفـات مـی باشـد. کـه در حقیقت از نسبت تلفات انرژی دردوره مورد مطالعه به حداکثر تلفات توان ( یا تلفات در بار ماکزیمم )
به دست می آید .[7] این تعریف را می توان بـه صـورت نـسبت تلفـات تـوان متوسـط بـه تلفـات تـوان ماکزیمم بصورت زیر نشان داد :
( 4 - 2 ) av ( P Loss ضریب تلفات max P Loss رابطه ضریب بار و ضریب تلفات :
در حالت کلی همواره برای ضریب تلفات و توان رابطه زیرصدق می کند.[7]
F 2Ld  FLs  FLd( 5 - 2 )
١۵
که :
: FLd ضریب بار
: FLs ضریب تلفات
بر اساس برخی مطالعات تجربی رابطه زیر برای این دو ضریب ارائه شده است .[7]
FLs 0 .3 FLd 0.7F 2Ld( 6 - 2 )
.3-2 اجزاء تلفات و رابطه آنها با سطح ولتاژ :
در این بخش تلفات تجهیزاتی از سیستم توزیع بررسی می شود که نقش عمـده ای را در تلفـات دارنـد.
همچنین رابطه تلفات این تجهیزات با افت ولتاژ مورد بررسی قرار می گیرد.
.1-3-2 تلفات ترانس
تلفات درترانس توزیع شامل دو مؤلفه است :
الف) تلفات مسی :
تلفات مسی یا تلفات ژول که در سیم پیچیهای ترانسفورماتورها ایجاد میگردد ، یکـی از عوامـل اصـلی تلفات در ترانسفورماتورها می باشد. و عملاً درصد عمده ای را به خود اختصاص می دهد. بـا توجـه بـه اینکه این بخش ازتلفات مستقیماً به جریان عبوری از ترانس بستگی دارد. در بی باری مقـدار آن تقریبـاً معادل صفر و در حالتیکه توان عبوری ازآن برابر توان اسمی باشـد مقـدار تلفـات بـارداری نیـز بـه حـد اسمی خود می رسد. در حالت کلی تلفات بارداری در بار دلخـواه S را مـی تـوان بـه صـورت تـابعی از مقادیر اسمی و مطابق رابطه زیر نشان داد.[5]
LL  LL n ( SS ) 2( 7 – 2 )

n
که :
: Sn قدرت اسمی ترانس ( ( kVA
: LL تلفات بارداری ترانس در بار دلخواه ( ( kW
S: بار انتقالی از ترانس ( ( kVA
: LLn تلفات بارداری ترانس در بار نامی ( ( kW
ب) تلفات بی باری :
تلفات بی باری ترانس ناشی از دو مولفه می باشدکه عبارتند از :
جریان مربوط به تلفات هسته
جریان مغناطیس کننده
برآیند این دو جریان, تلفاتی را در ترانس ایجاد می کند که به تلفات بی باری موسوم است. لازم به
١۶
ذکر است که جریان مغناطیس کننده فقط باعث تلفات مسی می شودکه از آن صرفنظر می شود.
تلفات توان درآهن از رابطه زیر به دست می آید: [1]
PFe  K e B 2m f 2  K h Bm 2 fW Kg( 8 - 2 )
که :
: Bm چگالی شار هسته ترانس ( Wb ) m 2 f : فرکانس شبکه ( ( Hz : K e ضریب تلفات فوکو : K h ضریب تلفات هیسترزیس عبارت اول سمت راست رابطه ( ( 8 - 2 مربوط به تلفـات فوکـو و عبـارت دوم آن مربـوط بـه تلفـات هیسترزیس است. این تلفات برای هرترانس چه در طول بی باری و بارداری تـرانس مقـدارثابتی بـوده و در هنگام محاسبه با ضریب تلفات FLS = 1 لحاظ خواهند شد.
ج) مجموع تلفات انرژی در ترانس :
کل تلفات انرژی در ترانس ها در اثر دو عامل تلفات بارداری و بی باری به وجود می آید ، کـه مقـدار آنرا درحالت کلی به صورت زیر می توان نشان داد :
( 9 - 2 ) W Loss  T [ PNL  PFL . K 2 . F Ls ] 2 ) ( 10 - S K  Sn که : : FLs ضریب تلفات
: PFL تلفات مسی ترانس در بار نامی ( ( kW
T: تعداد ساعات مؤثر سالیانه که ترانس تحت اعمال ولتاژ است ( ساعت )
: PNL تلفات بی باری ترانس ( ( kW
: K نسبت بار کشیده شده از ترانس به ظرفیت نامی آن
.2-3-2 رابطه تلفات ترانس با سطح ولتاژ کاری
دراین بخش رابطه تلفات ترانس برای قدرت ثابت با سطح ولتاژ آن بررسی مـی شـود. نتیجـه ای کـه از این بخش حاصل می شود. درانتخاب سطح ولتاژ میانی مورد استفاده قرارمی گیرد.
.1-2-3-2 رابطه تلفات مسی ترانس با سطح ولتاژ
تعداد دورسیم پیچی های اولیه و یـا ثانویـه تـرانس از رابطـه زیرکـه نـسبت ولتاژفـاز بـه ولتـاژ روی هـر حلقه است محاسبه می شود.[1]
( 11 - 2 ) VS TS  Et ١٧
که :
: VS ولتاژ فاز ( ( kV
: Et ولت بر دور هر فاز ( ( kV
: TS تعداد دور فاز
ولت دور یا Et از رابطه ( ( 12 - 2 به دست می آید.[1]
Q( 12 - 2 ) Et  K

که :
: Q قدرت ظاهری ترانس( ( kVA
: K ضریب ثابت
بــا جایگــذاری رابطــه ( ( 12 – 2 در رابطــه ( ( 11 - 2 و همچنــین جــایگزینی ولتــاژ VS فــاز بــا ولتــاژ خط Vm رابطه زیر بدست می آید :
( 13 - 2 ) Vm TS  K 3 Q جریان هر فاز ترانس با رابطه ( ( 14 - 2 معادل است : IS  Q ( 14 - 2 ) 3
3Vm

که :
: Q قدرت ظاهری سه فاز ترانس( ( kVA : Vm ولتاژ خط میانی( ( kV
سطح مقطع سیم پیچی از رابطه نسبت جریان فاز به چگالی جریان سیم بدست می آید.
( 15 - 2 ) IS aS  δ : a S سطح مقطع سیم پیچی(( mm2 : δ چگالی جریان هادی ( A ) mm 2 با جایگذاری رابطه ( ( 14 - 2 در رابطه ( ( 15 - 2 رابطه زیر بدست می آید : ( 16 - 2 ) Q a S  3Vm δ
مقاومت اسمی سیم پیچی ازرابطه زیربدست می آید :
( 17 - 2 ) T S L mts ρ R S a S که : : ρ مقاومت ویژه سیم ( ( Ω mm 2 m ١٨
: TS تعداد دور سیم پیچی
: a S سطح مقطع سیم پیچی ( mm2) : Lmts طول حلقه سیم پیچی ( m)
تلفات مسی سیم پیچی از رابطه ( ( 18 - 2 به دست می آید :
PLoss  3 RS I 2S( 18 -2 )
بــا جایگــذاری روابــط ( ( 17 - 2 و ( ( 14 - 2 در رابطــه ( ( 18 - 2 و پــس از ســاده ســازی رابطــه زیــر بدست می آید :
( 19 - 2 ) Q δLmts PLoss  ρ K همانطوری که از رابطه ( ( 19 - 2 مشاهده می شود تلفات مسی مستقل از سطح ولتاژ خط بوده و تـابعی از ظرفیت آن است.
.2-2-3-2 رابطه تلفات آهن با سطح ولتاژ
تلفات توان آهن ترانس از رابطه زیر به دست می آید :
PFe  Kh fB2m  Ke f 2 B 2mW Kg( 20 - 2 )

رابطه ( ( 20 - 2 تلفات توان درآهن ترانس را نشان می دهد که تابعی از چگالی شـار، فرکـانس و وزن آهن می باشد. از طرفی ولت بر دور هر فاز نیز رابطه ای با فرکانس , چگالی شـار و سـطح مقطـع هـسته داردکه با ثابت فرض کردن E t ولتاژ روی هردور فاز, رابطه زیر برای E t بصورت زیرمی باشد.[1]
( 21 - 2) Et  4.44 fBm A با جایگذاری E t با رابطه ( ( 12 - 2 برای سطح مقطع آهن رابطه زیر بدست می آید : ( 22 - 2 ) K Q A  4.44* f * Bm با بررسی رابطه ( ( 20 - 2 استنباط می شود که تلفات آهن تابعی از فرکانس شـبکه وچگـالی شـار آن است. با فرض فرکانس ثابت شبکه واینکه چگالی شار تابعی از ظرفیت ترانس است سطح مقطـع هـسته نیز تابعی ازظرفیت آن بوده و هیچ وابستگی به سـطح ولتـاژ آن نـدارد. بنـابراین تلفـات آهـن تـرانس بـا ظرفیت ثابت هیچ رابطه ای با سطح ولتاژکـاری آن نـدارد. بـا توجـه بـه مباحـث صـورت گرفتـه معلـوم می شودکه تلفات ترانس فقط تابعی از ظرفیت آن بوده وهیچ رابطه ای با سطح ولتاژ آن ندارد.
.3-3-2 مقایسه تلفات ترانس سه فاز با ترانس تکفاز با قدرت مساوی
با توجه به دو مؤلفه تلفات مسی و آهنی ترانس دراین بخـش نیـز هـر دو مـورد بـرای هـر دو تـرانس بـا ظرفیت مساوی مقایسه و نتیجه گیری خواهد شد.
١٩
.1-3-3-2 مقایسه تلفات مسی برای ترانس سه فاز و تکفاز با قدرت مساوی
تلفات مسی کل سیم پیچ ترانس سه فاز از رابطه زیر به دست می آید :
( 23 - 2 ) 2 2 n1 RS )I P ( 3(RP  ( PCu3ϕ  n2 که : IP : جریان فاز بر حسب ( ( A : RS مقاومت اهمی سیم پیچی ثانویه( ( Ω : RP مقاومت اهمی سیم پیچی اولیه ( ( Ω n1 : نسبت تبدیل ترانس n 2 جریان فاز اولیه ترانس از رابطه زیر بدست می آید ( اتصال ترانس ستاره - ستاره می باشد ) : ( 24 - 2 ) ( Q I P  ( 3Vm : Q قدرت ظاهری ترانس ( ( kVA : Vm ولتاژ خط ( ( kV IP : جریان فاز ترانس ( ( A سطح مقطع سیم پیچی اولیه از رابطه زیر بدست می آید : ( 25 – 2 ) I P aP  δ که : ( A mm 2 : δ چگالی جریان سیم پیچی ( : I P جریان فاز اولیه بر حسب ( ( A مقاومت سیم پیچی فاز از رابطه زیربدست می آید.[1] ρL T ( 26 - 2 ) Pmtp RP  aP بـا جایگــذاری روابــط ( ( 25 - 2 و ( ( 24 - 2 ورابطــه ( ( 11 - 2 در رابطــه( ( 26 - 2 و پــس از ســاده سازی رابطه زیر بدست خواهد آمد :
( 27 - 2 ) V m 3ϕ L mtp ρδ  R P Q 3 K 3ϕ I P : RP مقاومت اهمی سیم پیچی فاز اولیه ( ( Ω ρ : مقاومت ویژه هادی سیم پیچی ( ( Ω mm 2 A m 3ϕ : δ چگالی جریان ( ) mm 2
٢٠
: IP جریان اولیه فاز ( ( A
Q: قدرت سه فاز ( ( kVA
: Lmtp طول حلقه متوسط فاز اولیه ( m) : Vm ولتاژ خط ( kV )
: K3 φ ضریب ثابت ترانس سه فاز
از رابطه ( ( 27 - 2 برای سیم پیچی ثانویه رابطه زیر بدست می آید : ( 28 - 2 )

VLV 3ϕ Lmts ρδ RS Q 3K 3ϕ I S
با جایگذاری روابط ( ( 28 - 2 و ( ( 27 - 2 و ( ( 24 - 2 در رابطـه ( ( 23 - 2 و پـس از سـاده سـازی رابطه زیر بدست می آید :
( 29 - 2 ) ) Q Lmtp3φ L mts3φ ρδ3ϕ( PCu3ϕ K 3ϕ : PCu3 ϕ تلفات مسی ترانس ( ( kW
اگر محاسبات مشابه برای ترانس تکفاز نیز انجام شود تلفات کل مس برای ترانس تکفاز برابر است با :
( 30 - 2 ) ) Q 1φ Lmts 1φ Lmtp ρδ PCu 1ϕ  1ϕ ( K 1ϕ اگر نسبت رابطه( ( 29 - 2 به ( 30 - 2 )محاسبه شود با فرض قدرت یکـسان بـرای هردوتـرانس رابطـه زیر بدست می آید :
( 31 - 2 ) ( 3 ϕ L mts  3 ϕ L mtp )  3 ϕ δ  1 ϕ K  3 ϕ PCu 1 ϕ L mts  1 ϕ L mtp 1 ϕ δ 3 ϕ K 1 ϕ PCu با دقت در رابطه ( ( 31 - 2 با مساوی در نظر گرفتن چگالی جریان سیم پیچـی هـای سـه فـاز و تکفـاز رابطه ( ( 31 - 2 تابعی از نسبت ضریب ثابت ترانس تکفاز به ترانس سه فاز کـه بـستگی بـه سـتونی یـا زرهی بودن ترانس ها داشته و ایـن نـسبت بـرای تـرانس زرهـی کوچکترازیـک وبـرای تـرانس سـتونی بزرگتر یا مساوی یک می باشد. با توجه به اینکه اکثر ترانسفورماتورهای توزیع از نوع ستونی می باشـند بنابراین نسبت ضریب ثابت ترانس تکفاز به ترانس سه فازبزرگتر یا مساوی یک خواهـد بـود. در مـورد نسبت طول متوسط حلقه ها نیز بستگی به نوع سیم پیچی های آن دارد. اما در مجموع حاصلـضرب ایـن دو مقادیرنزدیک عدد 1 بوده و نشان دهنده تساوی تلفات مسی ترانس سه فاز و تکفاز است. با مراجعـه به جداول اطلاعات مربـوط بـه مشخـصات ترانـسهای تکفـاز و سـه فازسـاخت شـرکت ایـران ترانـسفو,
مشاهده می شودکه این تلفات برای هر دو ترانس برای اکثر ظرفیتها با سطح ولتـاژ برابـر، مـساوی بـوده وفقط برای برخی از ظرفیتها تلفات مسی ترانس سه فازبزرگتر از تلفات مسی ترانس تکفاز می باشد.
بنابراین می توان نتیجه گرفت که :
PLoss cu 3 φ ≥ PLoss cu 1φ( 32 - 2 )
٢١
رابطه ( ( 32 - 2 نشان می دهدکه تلفات مس ترانس سه فاز بزرگتر یا مساوی تلفات مس ترانس تکفاز
با ظرفیت مساوی با آن است.
.2-3-3-2 مقایسه تلفات آهن ترانس سه فاز با تلفات آهن ترانس تکفـاز بـا
قدرت مساوی
با مراجعه به رابطه ( ( 20 - 2 این فصل تلفات آهن در تـرانس بـا فرکـانس، چگـالی شـار و وزن هـسته متناسب است. اگر فرکانس برای هر دو ترانس یکسان در نظرگرفته شود و چگـالی شـارنیز متناسـب بـا ظرفیت ترانس انتخاب شود تنها متغیرها سطح مقطع هسته و طول آهـن تـرانس مـی باشـند. بـا توجـه بـه رابطه ( ( 22 - 2 اگر نسبت سطح مقطع هسته ترانس سه فاز به ترانس تکفاز نوشته شود :
( 33 -2 ) 3ϕ K  A 3 ϕ K 1ϕ A 1ϕ با دقت در رابطه ( ( 33 - 2 نسبت ضریب ثابت ترانس سه فاز به ترانس تکفاز بـا توجـه بـه نـوع تـرانس تعیین می شود. این نسبت برای ترانس ستونی, کوچکتر یا مساوی عدد 1 و برای ترانس زرهـی بزرگتـر ازعدد 1است. با توجه به اینکه اکثرترانسفورماتورهای توزیـع ازنـوع سـتونی مـی باشـند بنـابراین سـطح مقطع ترانس سه فاز بایدکوچکتر یا مساوی ترانس تکفاز باشـد. درحالیکـه ایـن نـسبت, بـسته بـه طـراح ترانس دارد و با توجه به بازه موجود برای انتخاب این ضـریب بـرای تـرانس تکفـاز, هـر دو ضـریب را می توان مساوی در نظر گرفته و بیان کرد که سطح مقطع هسته برای ترانس سه فـاز وتکفـاز بـا ظرفیـت مساوی معادل هم اند. با در نظرگرفتن حجم آهن, با توجه به طول آهن بزرگترترانس سـه فازنـسبت بـه تکفاز, حجم آهن در ترانس سه فاز بزرگتر بوده و تلفات آهن ترانس سه فاز بزرگتـر از تـرانس تکفـاز خواهد بود. بنابراین تلفات آهن ترانس سه فاز بزرگتر یا مساوی ترانس تکفاز است.
PLoss Fe 3 φ ≥ PLoss Fe 1φ( 34 - 2 )
با مراجعه به جدول مربوط به مشخصات ترانس سه فـاز و تکفـاز سـاخت شـرکت ایـران ترانـسفو بـرای سطوح ولتاژ مساوی, تلفات آهن برای ظرفیتهای 100 kVA و 10kVAبرای ترانس سـه فـاز بزرگتـر از ترانس تکفاز است. بنابراین تلفات ترانس تکفاز کوچکتر و یا مساوی ترانس سه فـاز هـم قـدرت بـا آن است. اما اختلاف تلفات ترانس سه فاز و تکفاز تقریباً کم بوده و می شـود تلفـات آن دو را یکـسان در نظر گرفت.
.4-3-2 مقایسه تلفات ترانس سه فاز با n ترانس با مجموع ظرفیت معادل آن
بهترین روش برای انجام این مقایسه, از روی جدول مربوط به تلفات ترانس است. با مراجعه بـه جـدول مشخصات ترانس سه فاز وتکفاز ساخت شرکت ایران ترانسفو مشاهده می شودکه تلفات ترانس سه فاز کمتر از تلفات n ترانس تکفاز با مجموع ظرفیت معادل با ظرفیت ترانس سه فازاست.
٢٢
.5-3-2 مقایسه تلفات خط ناشی از بکارگیری ترانس سه فاز و ترانس تکفاز
تلفات درکابل وخط عکس مجذورولتاژخط است. یعنی باافزایش ولتاژ خط به اندازه دوبرابر برای یک
قدرت وطول فیدر ثابت, تلفات آن 1 حالت قبلی خواهد شد. درانشعاب ترانس سه فاز از خط با فـرض
4
متعادل بودن بارهای انشعابی درفازهای ترانس, تلفات خطی با توجه به شکل( 1 - 2 )بدست میآید.

R
S
T
∆/Y

T
Load 3phas
شکل ( : ( 1 - 2 انشعاب ترانس سه فاز از خط
اگر مقاومت هر فازخط معادل و برابر با r باشد، جریان خط با توجه به بار سه فاز برابر با :
( 35 - 2 ) S3φ I L  3Vm که: : S3φ قدرت مصرفی بار سه فاز ( ( kVA : Vm اندازه ولتاژ خط ( ( kV : IL اندازه جریان خط ( ( A
رابطه تلفات برای خط سه فاز برابر است با : ( 36 - 2 )
با جایگذاری رابطه ( ( 35 - 2 در ( ( 36 - 2 رابطه زیر بدست میآید :

2
L

PLoss 3 φ  3 rI
( 37 - 2 ) 2 ( S 3 φ r ( PLoss 3 φ  V m در انشعاب ترانس تکفاز از خط بین فاز و نول تلفات خط با توجه به شکل ( ( 2 - 2 بدست می آید.
٢٣

R

S
T
N
∆/Y

T
Load 1phas
شکل ( : ( 2 - 2 انشعاب ترانس تکفاز از خط
اگر مقاومت سیم نول معادل باسیم فاز وبرابر r باشد. جریان خط با توجه به بارتکفاز, درسـیم فـاز برابـر خواهد بود با :
I L  S( 38 - 2 )
VP
رابطه ( ( 38 - 2 معادل با جریان خط در سیم فاز است که :
: S قدرت مصرفی بار ( ( kVA
: VP ولتاژ فازسمت اولیه ترانس ( ( kV
: IL جریان خط بر حسب ( ( A
جریان سیم نول معادل با مجموع جریان عبوری سایر فازها ازاین سیم است.
( 39 - 2 ) S * ( n ... * V P : Si قدرت مصرفی بار تکفاز ( ( kVA n : VPi ولتاژ فازاولیه ترانس ( ( kV
* S * S I n 2  1 ( * V * V P P 2 1 تلفات در خط شامل تلفات سیم فاز ونول است که بـا اسـتفاده ازروابـط ( ( 38 - 2 و ( ( 39 - 2 رابطـه زیر بدست میآید :
2 n S *K 2 S ( 40 - 2 ) ( K ∑1  PLoss1φ  r( VK* VP رابطه ( ( 40 - 2 تلفات در خط ناشی از انشعاب ترانس تکفاز را نشان می دهد.
: r مقاومت اهمی سیم فاز و نول ( ( Ω
: S قدرت ظاهری هر ترانس ( ( kVA
: VP ولتاژ فازسر ترانس بر حسب ( kV )
: Vk ولتاژ فاز سراولیه ترانس های منشعب ازخط ( kV )
٢۴
با بدست آوردن نسبت رابطه ( ( 37 - 2 به ( ( 40 - 2 رابطه زیر بدست می آید :
2 ( S r ( PLoss 3φ ( 41 - 2 ) Vm  2 * n 2 S PLoss 1φ ( S K ∑  r ( * VP VK K 1 با فرض اینکه VP ولتاژ فاز با فرض عدم تعادل خط باز با V m برابر خط معـادل باشـد. بـا سـاده سـازی رابطه ( ( 41 - 2 رابطه زیر بدست می آید : 3 2 * S k n 3S ∑ r ) 2 r ( PLoss 1φ * ( 42 - 2 ) k V k 1  Vm  2 S r 2 S r PLoss 3φ Vm Vm 2 * S n k k ∑1 PLoss 1φ ( 43 - 2 ) * k V 3 2 S PLoss 3φ Vm
با دقت در رابطه ( ( 43 - 2 مشاهده می شود که تلفات در خط بـا انـشعاب تـرانس تکفـاز, حـداقل سـه
برابرآن در استفاده از ترانس سه فاز است. در صورتیکه ترانس تکفاز بین دو فازخط قرارگیرد با توجـه
به رابطه ( ( 42 - 2 تلفات خط در این حالت برای استفاده از ترانس تکفاز معادل یـا بزرگتـر از تلفـات خط در حالت استفاده از ترانس سه فاز خواهد بود.
P Loss Line 1 φ ≥ PLoss Line 3 φ( 44 - 2 )
.6-3-2 سایر اجزاء تلفات
همانطوریکه دربخشهای قبلی بحث شد اجزائی که بیشترین تلفات رابه خوداختصاص می دهنـداز قبیـل ترانس وخط مورد بررسی قرارگرفتند. دراین بخش سایراجزاء تلفات نیزموردبررسی قرار می گیرند.
- 1 کلیدها :
این نوع تجهیزات جهت قطع و وصل و حفاظت در سیستم توزیع مورد استفاده قرارمی گیرنـد. باتوجـه به اینکه کنتاکت کلیدها ازموادی ساخته می شوندکه قابلیت هدایت بالایی داشته باشـند، بنـابراین افـت ولتاژ و تلفات ناچیزی داشته و می توان ازآنها صرفنظر کرد.
- 2 فیوز :
این المان جهت حفاظت دربرابراتصال کوتاه مورداسـتفاده قرارمـی گیردوباتوجـه بـه تعدادانـدک آنهـا درسیستم توزیع می توان ازتلفات آنهاصرفنظرکرد. تلفات این وسیله برای قدرتهای بـسیاربالازیر100W
می باشد.[3]
٢۵
- 3 ترانسفورماتورهای اندازه گیری :
این تجهیزات در داخل پستهای اصلی و زمینی جهت اندازه گیری بکـار مـی رونـد. بـا توجـه بـه تعـداد اندک آن و همچنین ظرفیت نامی آنهـا کـه در حـدود 60VA اسـت، مـی تـوان از تلفـات آن کـه زیـر
100W می باشد صرفنظر نمود.[3]
- 4 مقره ها و برقگیر :
این تجهیزات جهت نگه داشتن هادیهای خطوط و ایزولاسیون آنهـا از یکـدیگر و یـا حفاظـت خـط در برابر صاعقه به کار می روند. با توجه بـه اینکـه تلفـات در ایـن نـوع تجهیـزات از نـوع خزشـی و نـشتی می باشد، می توان از تلفات مقره و برقگیرها صرفنظر نمود.
- 5 کات اوت :
این وسیله جهت قطع و وصل اولیه ترانس در پستهای هـوایی مـورد اسـتفاده قرارمـی گیـرد. باتوجـه بـه خاصیت هدایت خوب کنتاکتهای آن می توان ازتلفات این وسیله نیزصرفنظر نمود.
.4-2 اجزاء موثر درافت ولتاژ و رابطه آنها با ولتاژ کاری :
.1-4-2 ترانس و رابطه افت ولتاژ آن با ولتاژ کاری
در شبکه های ولتاژ میانی که در فصول آینده مورد بررسی قرار می گیرند، نقش این وسیله درافت ولتاژ قابل توجه است و بخش عمـده ای از افـت ولتـاژ رابـه خوداختـصاص مـی دهـد. درشـبکه بااسـتفاده از ولتاژمیانی, دوترانس، یکی جهـت تبـدیل سـطح ولتـاژ فـشارمتوسط بـه فـشارمیانی و دیگـری درسـمت مشترکین جهت تبدیل ولتاژ میانی به فشار ضعیف بکارمی روند. افت ولتاژ شامل دو مؤلفه است :
افت ولتاژ روی مقاومت سیم پیچی
افت ولتاژ روی راکتانس سیم پیچی
با توجه به اینکه هر کدام از این دو مؤلفه در سـیم پیچـی اولیـه و ثانویـه آن وجـود دارد. بنـابراین بـرای هرسیم پیچی بایدروابط افت ولتاژناشی ازهردومولفه محاسبه شود.
- 1 افت ولتاژ روی مقاومت سیم پیچی :
VR افت ولتاژکل روی مقاومت سیم پیچیهای اولیه و ثانویه ترانس می باشد :
VR  VR p  VRs( 45 - 2 )
: VR P افت ولتاژ روی مقاومت سیم پیچی اولیه ( V )
: VR S افت و لتاژ روی مقاومت سیم پیچی ثانویه ( V )
اگر مقاومت اولیه rP و مقاومت ثانویه آن rS باشد و مقاومت ثانویه با نسبت تبدیل ترانس به اولیه منتقل
شود رابطه ( ( 46 - 2 را می توان نوشت.
٢۶
( 46 - 2 )
که :
: r P مقاومت اولیه ترانس ( ( Ω
: rS مقاومت ثانویه ترانس ( ( Ω
: RP مقاومت کل از دید اولیه ترانس ( ( Ω
: T P نسبت تبدیل ترانس
TS
افت ولتاژ روی مقاومت ترانس برابر با رابطه زیر است : ( 47 - 2 )
مقادیر rP و rS سیم پیچها برابرند با :
( 48 - 2 )
( 49 - 2 )
که :
: δ چگالی جریان هادی سیم پیچی ( A )
2mm

2 p T * rs rp R P Ts VR  RP IP
T P L mtp ρδ  rP I P ρδ T S L mts  rS I S : ρ مقاومت ویژه هادی سیم پیچی ( ( Ωmm2
m
: I P جریان فاز ( A )
: TP تعداد دور اولیه ترانس
: Lmtp طول حلقه متوسط سیم پیچی ( ( m
با جایگذاری روابط ( 48 - 2 )، ( ( 49 - 2 و ( ( 46 - 2 در ( ( 47 - 2 رابطه زیر بدست می آید :
( 50 - 2 ) ( ρδ T P L mtp 2 P T L S ρδ T I P   mtS  V R I p I S T S باساده سازی رابطه ( 50 - 2 ) و جایگذاری مقدار IS با IP و با در نظر گرفتن ضریب تبدیل ( TP ) : T ( 51 - 2 ) Lmts T P L mtp S ρδ V R که مقدار TP یا تعداد دور برابر با رابطه زیر می باشد : V ( 52 - 2 ) p T P  Q K با جایگذاری رابطه ( 52 - 2 ) در ( ( 51 - 2 رابطه زیر بدست می آید : ( 53 - 2 ) ( ( Lmtp ρδ  L mts V R  V P  Q k


٢٧
با دقت در رابطه ( 53 - 2 )استنباط می شود که افت ولتاژ روی مقاومت اهمی ترانس تـابعی از عکـس ظرفیت ترانس است. یعنی با افزایش ظرفیت, افت ولتاژ اهمی کاهش می یابد و تابعی از سطح ولتاژ نیـز می باشد. به این دلیل که با افزایش سطح ولتاژ برای یک قدرت ثابت تعداد دور سـیم پیچـی افـزایش و سطح مقطع آن به خاطر کاهش جریان کاهش می یابد، بنابراین مقاومت افزایش خواهد یافت. افـزایش مقاومت باعث افت ولتاژ بیشتر می شود. تغییرات افت ولتاژ بستگی به پارامترهای اجرایی از جمله طـول متوسط حلقه سیم پیچیهای اولیه و ثانویه نیز دارد.
-2 افت ولتاژ روی راکتانس سیم پیچی :
افت ولتاژ در راکتانس نیز از دو مؤلفه تشکیل شده که عبارتند از :
افت ولتاژ روی راکتانس سیم پیچی اولیه VX P
افت ولتاژ روی راکتانس سیم پیچی ثانویه VXS
VX افت ولتاژ روی راکتانس کل ترانس می باشد :
VX  V x p  Vx s( 54 - 2 )
راکتانس اولیه و ثانویه ترانس از دو رابطه زیر به دست می آید: [1]
p b 55 - 2 ) ) 3 s b 56 - 2 ) ) 3
a L mt  * 2 L c a mt L  2 * L c
* 2 2πfμ  X P 0 T p * 2 2 πfμ  X s 0 T s راکتانس ترانس از دید اولیه آن معادل است با :
p b b L 2 T s a  * * T 2 2πfμ x x X ( 57 - 2 ) mt P 3 L T 0 p s p P c s افت ولتاژ نسبی روی راکتانس کل ترانس برابر با : ( 58 - 2 ) VX  IP X P از طرفی تعداد دور TP سیم پیچی اولیه ترانس برابر است با : VP ( 59 - 2 ) TP  Q K با جایگذاری روابط ( ( 57 - 2 و ( ( 59 - 2 در ( ( 58 - 2 رابطه زیر به دست می آید : b s  b p mt L 2 V p ( 60 - 2 ) a  * * 2πfμ 0 p I V x  3 L Q k c
٢٨
با جایگذاری جریان فاز در رابطه ( ( 60 - 2 رابطه زیر به دست می آید :
bs  b p mt L 2 V p Q ( 61 - 2 ) a  * * 2πfμ  V 3 3V c L 0 k Q p x با ساده سازی رابطه ( ( 61 - 2 رابطه نهایی زیر به دست می آید :
bs  bp mt L 2 ( 62 - 2 ) πfμ0 * Vx  2 *V p 3 a  * Lc 3k با دقت در رابطه ( ( 62 - 2 استنباط می شود که افت ولتاژ روی راکتانس سیم پیچـی تـرانس وابـسته بـه سطح ولتاژ و پارامترهای طراحی ترانس بوده و مستقل از ظرفیت ترانس می باشد.
.2-4-2 خط و رابطه افت ولتاژآن با سطح ولتاژ شبکه
در خطوط سه فاز با بارهای متعادل افت ولتاژ شامل دو مؤلفه است :
افت ولتاژ روی مقاومت اهمی خط
افت ولتاژ روی راکتانس خط

V2 R,X V1

PROJE

در پایان بر خود لازم می دانم از زحمات استاد ارجمند جناب آقای دکتر حدادنیا کـه در طـول اجرای پایان نامه با راهنماییهای بی دریغ خویش راه را بر من هموار کردند، صمیمانه سپاسـگزاری نمایم. همچنین از جناب آقای دکتر طبری، مشاور اینجانب و مـدیر محتـرم گـروه بـرق دانـشکده تحصیلات تکمیلی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، نیز کمال تشکر را دارم.
ه
فهرست مطالب عنوان مطالب شماره صفحه
چکیده 1
مقدمه 2
فصل اول : کلیات 3
(1-1 هدف 4
(2-1پیشینه تحقیق 6
(3-1روش کار و تحقیق 8
فصل دوم : نظریه جریان ترافیک و اصول زمانبندی چراغهای تقاطع 11
(1-2مقدمه 12
(2-2روابط تحلیلی پدیده ترافیک 12
(3-2معرفی پارامترهای ترافیکی 13
(4-2مدلهای احتمالاتی 15
(5-2کنترل چراغ راهنمایی 18
(6-2تحلیل عملکرد تقاطع 19
(7-2چراغهای هوشمند سازگار با ترافیک 22
(8-2کنترل هماهنگ چراغها در شبکه 25
(9-2فازبندی 26
(10-2زمانبندی چراغ 28
(11-2چراغهای پیش زمانبندی شده 30

و
فهرست مطالب
عنوان مطالب شماره صفحه
فصل سوم : کنترل کنندههای فازی – عصبی 32
(1-3مقدمه 33
(2-3سیستم های فازی 33
(3-3شبکه های عصبی RBF 38
(4-3الگوریتم های آموزشی در شبکه عصبی RBF 40
(5-3سیستم های نرو-فازی 44
(6-3شبکه عصبی RBF و کنترل کننده فازی 46
فصل چهارم : الگوریتم آموزشی FHLA 48
(1-4مقدمه 49
(2-4طراحی ساختار شبکه RBF و مقداردهی اولیه به آن 49
(3-4مشخص نمودن تعداد نرونهای لایه RBF 54
(4-4تنظیم پارامترهای شبکه RBF 55
(5-4پروسه تنظیم پارامترهای شبکه 58
(6-4حساسیت الگوریتم FHLA نسبت به الگوهای آموزشی 59
فصل پنجم : اصول پردازش تصویر 61
(1-5مقدمه 62
(2-5مفاهیم اولیه در پردازش تصویر 62
(3-5روشهای استخراج پارامترهای ترافیکی 63
(4-5نظارت مبتنی بر ناحیه ثابت 64

ز
فهرست مطالب
عنوان مطالب شماره صفحه
(5-5 نظارت مبتنی بر ردگیری 66
فصل ششم : شبیهسازی کنترل کننده هوشمند ترافیک 73
(1-6مقدمه 74
(2-6طراحی سیستم کنترلرفازی 77
(3-6پیادهسازی نرم افزاری الگوریتم آموزشی FHLA 79
(4-6مدل سازی تقاطع ایزوله 82
(5-6کنترل کننده پیش زمانبندی شده 83
(6-6پردازش تصویر 84
(7-6نتایج شبیه سازی 88
فصل هفتم : نتیجهگیری و پیشنهادات 101
نتیجهگیری 102
پیشنهادات 103
منابع و ماخذ 104
فهرست منابع فارسی 105
فهرست منابع لاتین 106
چکیده انگلیسی 109

ح
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه
: 1-2 معرفی پارامترهای حاکم بر پدیده ترافیک 13
: 1-4 اندیسهای اعتباری خوشهای 56
: 1-6 پایگاه دانش قوانین فازی 79
: 2-6 میانگین ورود وسایل نقلیه در طی 3 روز متوالی 80
: 3-6 مقادیر تابع هزینه با تغییر تعداد نرونهای لایه میانی 81
: 4-6 خطای نهایی آموزش و تست شبکه عصبی 82
5-6 : نرخ جریان اشباع در هر یک از ورودیهای تقاطع 83
: 6-6 نتایج حاصل از زمان بندی چراغ تقاطع به روش کنترل کلاسیک 84
7-6 : متوسط سطح اشباع در هر یک از ورودیهای تقاطع 89
8-6 : متوسط تاخیر تقاطع با دو روش کنترل چراغ تقاطع 90

ط
فهرست نمودارها
عنوان شماره صفحه
: 1-6 نرخ ورود وسایل نقلیه به تقاطع در24 ساعت 77
: 2-6 منحنی تغییرات تابع هزینه 81
: 3-6 روند آموزش شبکه عصبی 82
: 4-6 مقایسه آمار شمارش دستی و شمارش هوشمند در 15 دقیقه 88
: 5-6 نرخ ورود وسایل نقلیه به تقاطع در 100 مرحله تکرار الگوریتم 91
: 6-6 روند تغییرات چرخه 92
: 7-6 روند تغییرات طول زمان سبز چراغ در هریک از فازها 92
: 8-6 متوسط تاخیر تقاطع در هر مرحله اجرای الگوریتم با دو روش کنترل 93
: 9-6 روند تغییرات تاخیر تقاطع با در نظرگرفتن تغییرات متوسط شار ورودی 94
: 10-6 تغییرات شار ورودی شمالی (کنترلر هوشمند) 95
: 11-6 تغییرات شار ورودی شمالی (کنترلر کلاسیک) 95
: 12-6 تغییرات شار ورودی جنوبی (کنترلر هوشمند) 96
: 13-6 تغییرات شار ورودی جنوبی (کنترلر کلاسیک) 96
: 14-6 تغییرات شار ورودی شرقی (کنترلر هوشمند) 97
: 15-6 تغییرات شار ورودی شرقی (کنترلر کلاسیک) 97
: 16-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شمالی (کنترلر هوشمند) 98
: 17-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شمالی (کنترلر کلاسیک) 98
: 18-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی جنوبی (کنترلر هوشمند) 99
: 19-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی جنوبی (کنترلر کلاسیک) 99
: 20-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شرقی (کنترلر هوشمند) 100
: 21-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شرقی (کنترلر کلاسیک) 100

ی
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
: 1-2 منحنی حجم-ترافیک به صورت تابعی از تراکم 15
: 2-2 بررسی مدل احتمالی ترافیک 16
: 3-2 فرآیند تحلیل تقاطعهای چراغدار 19
: 4-2 ساختار روش کنترل سازگار با ترافیک 23
: 5-2 نحوه عملکرد کنترل کننده سازگار با ترافیک 24
: 6-2 طرح چراغ دوفازه 27
: 7-2 طرح چراغ سه فازه 27
: 8-2 طرح چراغ چهار فازه 28
: 9-2 نمودار تخلیه تقاطع در طول یک فاز چراغ راهنمایی 29
: 1-3 ساختار سیستم کنترل کننده فازی 34
: 2-3 دی فازی ساز مرکز ثقل 36
: 3-3 بلوک دیاگرام کنترل کننده فازی ترافیک 37
: 4-3 ساختار شبکه عصبی RBF 38
: 5-3 ساختار نوع خاصی از شبکه نرو- فازی 45
: 1-4 فلوچارت طراحی مقادیر اولیه شبکه عصبی RBF 51
: 1-5 چرخه به روز رسانی در تخمین بردار حالت 71
: 1-6 تقاطع ایزوله دوفازه 76
: 2-6 انتخاب تصویر زمینه و پنجره ثابت 87
: 3-6 عبور وسیله نقلیه از پنجره ثابت در یک فریم 87

ک
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
4-6 : اختلاف پنجره ثابت در تصویر زمینه و فریم خوانده شده وتبدیل به باینری 87
5-6 : حذف عناصر اضافی از تصویر 87
: 6-6 به هم چسباندن اجزای گسسته شده 87
7-6 : شمارش اشیاء برچسب گذاری شده 87

ل
چکیده:
دراین پایان نامه یک تکنیک موثر بر مبنای سیستمهای عصبی- فازی برای کنترل چراغهای راهنمایی و بر اساس پردازش هوشمند تصاویر ترافیکی دریافتی از دوربینهای نصب شده در یک تقـاطع ایزولـه، ارائـه شـده است. هدف از کنترل ترافیک در خیابانهای منتهی به یک تقـاطع ایزولـه آن اسـت کـه در یـک بـازه زمـانی مشخص، از ایجاد اشباع در هریک از بازوها جلوگیری کرده و همچنـین بتـوان زمـان انتظـار وسـایل نقلیـه در پشت چراغ قرمز را به حداقل رساند تا نهایتا ترافیکی روان و مطلوب، همراه بـا ایمنـی در سـطح تقـاطع ایجـاد گردد. به این منظور قوانین فازی مدل کننده تقاطع ایزوله که ساختار کنترلر فازی را تشکیل دادهاند، بر مبنـای درجه اشباع که نشان دهنده میزان تقاضا به ظرفیت هریـک از ورودیهـای تقـاطع میباشـد، طراحـی شـدهانـد.
اساس کار، بر استفاده از شبکه عصبی RBF١، به همراه یک روش پیشنهادی آموزش مبتنـی بـر فـازی خواهـد بود. در الگوریتم یادگیری 2FHLA، علاوه بر تعیین وزنهای ارتباطی بین لایه مخفـی و خروجـی، پارامترهـای لایه RBF شامل تعداد نرون، مرکز نرون و عرض آن نیز در طول فرایند آموزش تعیین میگردند. مقادیر اولیه پارامترها با استفاده از منطق فازی و روشهای خوشه یابی فازی و به کمک تکنیک 3FCM به دست مـی آینـد.
همچنین از میزان تعلق هر الگوی ورودی به خوشهها و فاصله الگو تا مرکـز هـر خوشـه جهـت محاسـبه میـزان عدم شباهت استفاده شده وسپس این فاصله مینیمم میگـردد. بـرای تعیـین مقـادیر نهـایی پارامترهـا و وزنهـای ارتباطی، از ترکیب روشهای 4LLS و گرادیان5 به عنوان روش بهینهسازی استفاده میشود. نتایج شبیهسازی بر روی بانک اطلاعاتی موجود و مقایسه نتایج کاربرد این الگوریتم با سـایر روشـهای کلاسـیک کـه در کنتـرل تقاطعهای ایزوله معمول هستند، نشان دهنده میزان قابلیت این تکنیک می باشد.
کلمات کلیدی: پردازش تصویر، تقاطع ایزوله، شبکه عصبی، کنترل ترافیک، کنترل فازی

1−Radial Basis Function 2−Fuzzy Hybrid Learning Algoritm 3−Fuzzy-C-Mean 4−Linear Least Squared 5−G--ient
1
مقدمه:
امروزه با افزایش سریع کلان شهرها و افزایش تعداد خودروها، اهمیت داشتن مدیریت ترافیک موثر و کارآمد بر کسی پوشیده نیست. تـاکنون روشـهای کنتـرل ترافیـک بیـشتر مبتنـی بـر روشـهای کنترلـی کلاسیک بوده است که با مسائلی همچون سطح پایین هوشمندی در مواجه با شرایط پیچیـده ترافیکـی و عدم مدلسازی مناسب، مواجه میباشند. در این پایان نامه سعی برآن است کـه بـا بـه کـارگیری تکنیـک آموزشی FHLA که بر مبنای شبکههای عصبی RBF و روش خوشه یابی فـازی عمـل مـینمایـد، نـوعی کنترل هوشمند برای تنظیم پارامترهای یک تقاطع ایزوله ارائه شود، به طوری کـه در نهایـت بـه کـاهش تاخیر وسایل نقلیه در عبور از تقاطع و جلوگیری از ایجاد اشباع در هر یک از ورودیهـای تقـاطع منتهـی گردد. به این منظور برای جمع آوری اطلاعات آماری از سطح تقاطع، برای ارزیابی وضعیت ترافیکی در هر لحظه، از روشهای پردازش تصاویر حاصل از دوربینهای نصب شده در تقاطع ایزوله، استفاده شده است. در این پایان نامه و در فصل اول کلیاتی راجع به روشهای مختلف کنترل ترافیک، و تحقیقات صـورت گرفتـه در این زمینه ارئه شده است. در فصل دوم به معرفی نظریه جریان کنترل ترافیـک و روابـط حـاکم بـر آن پرداخته شده است. فصل سوم به معرفی مختصری از اصول کنتـرل فـازی و برخـی از روشـهای آموزشـی شبکههای عصبی و معرفی کنترل کنندههای نرو- فازی اختصاص دارد. در فـصل چهـارم، ارائـه الگـوریتم پیشنهادی FHLA و روش پیادهسازی آن صورت میپذیرد و در فصل پنجم به بررسی روشهای اسـتخراج اطلاعات آماری ترافیک از تصاویر ویدئویی پرداخته میشود. در فصل ششم کنترلر نـرو- فـازی طراحـی و پس از شبیه سازیهای لازم در محیط برنامـه نویـسی MATLAB، تـاثیر بـه کـارگیری کنتـرل کننـده هوشمند با استفاده ازتکنیک FHLA و به کارگیری نوعی کنترل کلاسیک پیش زمانبندی شده، بر میزان سطح تاخیر و سطح اشباع ورودیهای تقاطع بررسی و مقایسه شده است.فصل هفتم نیز بـه ارائـه نتیجـه گیری وچند پیشنهاد اختصاص دارد.
2
فصل اول
کلیـات
3
فصل اول: کلیات
(1-1 هدف
امروزه با افزایش سریع کلان شهرها، افزایش تعداد خودروهـا، افـزایش بهـای سـوخت، مـساله محـیط زیست، استفاده مفید از ظرفیت جادههای موجود و...، اهمیت داشتن مدیریت ترافیک موثر و کارآمد بر کـسی پوشیده نیست.
در گذشته طراحان ترافیک تنها به نحوه حرکت وسایل نقلیه، به طـوری کـه در تقاطعهـا تـصادفی رخ ندهد، به عنوان مساله اصلی در مدیریت ترافیک توجه داشتند. امروزه مسائل عمده دیگـری نیـز مـورد توجـه میباشد که از جمله میتوان به کاهش تاخیر، کاهش توقفات، کاهش مصرف سـوخت، کـاهش طـول صـفهای پشت چراغ قرمز، حذف اثرات نویز، افزایش توجه به مسائل عابران پیاده وحرکت وسایل نقلیه سـنگین، اشـاره نمود. تاکنون روشهای کنترل ترافیک بیشتر مبتنی بر روشهای کنترلی کلاسیک بوده است. در این روشـها بـا استفاده از روشهای آماری و منحنیهای به دست آمده تجربی و نهایتا با تخمین برخی از متغیرهای مـوثر بـر ترافیک سعی بر آن است که پارامترهای مورد نظر درآن سطح خـاص کنترلـی، بـه گونـهای مطلـوب تنظـیم شود.[4]
تاکنون در جهت رفع این نیاز سیستمهای کنترل ترافیک متعددی توسط مراکز حمل ونقل کشورهای مختلف توسعه یافتهاند که تا حدی پاسخگوی نیازهای موجود بوده است. البته این حد پاسخگویی سیستمهای کلاسیک در ازای پیچیدگیهای بالای ساختار (شامل بخشهای کنترل، مخابرات و کامپیوتر) و هچنین حجـم بالای هزینههای پیاده سازی، (به علت تجهیزات به کار رفته) و نگهداری به دست آمدهاند. از دیدگاه کنترلـی، سیستمهای کلاسیک موجود از الگوریتمهای مختلف برنامه ریزی ریاضی (از جمله الگوریتمهای برنامـه ریـزی خطی صحیح و الگوریتمهای برنامه ریزی دینامیکی) استفاده میکنند که خود معمولا مشکلات متعددی مانند حجم بالای محاسباتی و مشکل پیادهسازی را به دنبال دارند. همچنین از جمله نواقص مطرح شده در کنتـرل سنتی ترافیک میتوان به مسائلی همچون برخورداری از سطح پایین هوشمندی در مواجه بـا شـرایط پیچیـده ترافیکی، عدم مدلسازی مناسب و واقع بینانه از ابهامات موجود در بحث کنتـرل ترافیـک (تعیـین پارامترهـا و مدلسازی رفتار رانندگان و عابران پیاده)، عدم وجود ویژگی خود سازماندهی، در طراحی استراتژیهای ترافیک، غیر قابل پیش بینی بودن شرایط ترافیکی حتی برای چند لحظه آینده و عدم دسترسی به جزئیات ایجاد شده مانند تعیین نوع خودرو و یا تغییرات سرعت آنها، اشاره نمود.
سیستمهای مورد بررسی در کنترل ترافیک میتوانند شامل موارد زیر باشد :[5]
-1 کنترل تقاطع ایزوله: کنترل جریان ترافیک تقاطع مجهز به چراغ بـدون در نظـر گـرفتن تـاثیر جریانهـای ترافیکی تقاطهای مجاور. .(isolated intersection control)
-2 کنترل تقاطعهای شریانی با شبکه باز: کنترل تعدادی تقاطع مجهز به چراغ وابسته به یکدیگر در طول یک شریان اصلی که وضعیت ترافیکی هریک بر تقاطع مجاور تاثیر دارد. (arterial intersection control)
-3 کنترل گسسته: کنترل روی تمام تقاطعهای مجهز به چراغ درکل شبکه شهری و یا بخشی از آن.
(areawide sys-- control)
4
-4 کنترل ترافیک بزرگراه: کنترل روی جریان مسیرهای ورودی و مسیرهای خروجی با هدف کنترل ترافیـک روان در مسیر اصلی. (expressway control)
-5 کنترل عابران پیاده: کنترل عبور پیاده از خیابان با هدف تامین امنیت و کاهش زمان انتظـار.( pedestrian (control
اصولا سه نوع روش کنترلی برای تقاطعها مورد استفاده میباشد:
-1 کنترل زمان ثابت (fixed-time) :در این روش کنترلی، زمان تغییر چراغها از پیش تعیین شده و هیچگونه انعطافی در برابر شرایط ایجاد شده مانند وقوع تصادفات، ایجاد شـرایط خـاص مثـل تعطیلـی مـدارس، عبـور آمبولانس و... ندارد.
-2 کنترل از پیش زمانبندی شده : (pre-time control) در این نوع کنترل بر اساس الگوهای متعددی که از وضعیت یک خیابان به دست آمده است، زمانبندی چراغها صورت میپذیرد. مثلا در هر ساعت خاصی از شبانه روز مانند ساعات تعطیلی مدارس یا ساعات پیک تردد، مدت زمان سبز وقرمز بودن چراغها به گونهای متناسب تنظیم میشود، اما باز هم در برابر شرایط اضطراری غیر قابل انعطاف هستند.
-3 کنترل هوشمند : (intelligent control) در این نوع کنترل تغییر وضعیت چراغها کاملا به شرایط موجود و میزان درخواست بار ترافیکی بستگی دارد.
با مطرح شدن کنترل هوشمند در مهندسی کنترل و موفقیت این روشها در سیستمهای عملی، کاربرد روشهای کنترل هوشمند درمبحث ترافیک نیز مطرح گردیده است.
به دلیل ویژگیهای خاص سیستم کنترل ترافیک شهری و از آنجا که رفتارهای پیچیده انسان از عوامـل موثر بر شرایط ترافیکی ایجاد شونده در این سیستم میباشد، کاربرد روشهای هوشمند کنترل به جای روشهای سنتی ضروری به نظر میرسد. به طور عمده مسائل اصلی در کنترل چراغ راهنمایی در یک تقاطع ایزوله توجه به کاهش تاخیر وسایل نقلیه و کاهش میزان توقفات و همچنین افزایش ظرفیت خیابانها میباشـد. در میـان ابزارهای مختلفی که برای برقراری ایمنی راه و حفظ نظام در جریان ترافیک موجود میباشد، ماننـد تابلوهـای راهنمایی، خط کشی ها، و سایر ابزار و وسایل نصب شده در خیابانهـا، موجـود میباشـد، زمانبنـدی چراغهـای راهنمایی برای کمینه کردن تاخیر و افزایش ظرفیت تقاطعها در منطق کنتـرل کـاربرد فراوانـی دارد. دریـک تقاطع ایزوله دو حالته که در این طرح مورد بررسی میباشد، تنها با دو فاز عملیاتی کار میشود، وقتی که چراغ در دو خیابان روبرو به هم سبز باشند، در دو خیابان مجاور قرمز میشود و برعکس. در یک کنترل هوشمند، بر اساس میزان درخواست ترافیکی در خیابان مورد کنترل، تغییرات چراغ و رفتن به فاز دیگر، صورت میگیـرد و مدت زمان مناسب برای سبز بودن یک چراغ تعیین میشود.
با توجه به قابلیتهای متنوع روشهای هوشمند (شامل هوش مصنوعی , منطق فازی و شبکه عصبی)، به ویژه در پوشش دهی و پاسخگویی مناسب به موارد فوق، پیشنهاد استفاده از روشهای هوشمند، جهت پوشش دهی مشکلات فعلی، به عنوان یک راه حل جدید مطلوب خواهد بود. با توجه بـه قابلیتهـای متنـوع روشـهای هوشمند انتظار میرود که روشهای فوق در حوزههای مختلف کنترل ترافیک شامل بـرآورد وتعبیـر و پـردازش اطلاعات مختلف جمع آوری شده، برخورد و مدلسازی مناسب پارامترها و شـرایط مـبهم موجـود در پروسـه کنترل، پیشگویی آینده، افزایش قدرت یادگیری سیستم و بالاخره افزایش هوشمندی سیستم، بسیار پر کاربرد بوده و نتایج قابل قبولی را به دنبال خواهد داشت.
5
در این پروژه پس از شناخت و تحلیل روابط حاکم بر متغیرهای ترافیکی، درجه اشباع هـر ورودی کـه نشان دهنده نسبت میزان درخواست بار ترافیکی به میزان ظرفیت آن ورودی میباشد، به عنوان پارامتر ورودی کنترل کننده در نظر گرفته شده و با روشهای مبتنی بر بینایی ماشین اندازه گیری میشود. کنتـرل کننـده در هر مرحله نمونه برداری و در پایان زمان سیکل جاری، وضعیت همه ورودی را ارزیابی کرده و طـول چرخـه و طول زمان سبز اختصاص داده شده به هریک از خیابانها را در مرحله بعدی تعیین میکند تـا درجـه اشـباع در همه ورودی نسبتا یکسان و در سطح مناسبی قرار بگیرد. پس از طراحی ساختار قوانین کنترل کننده براساس پارامترهای فازی، الگوریتم آموزش مربوط به شبکه عصبی اجرا میگردد.
(2-1 پیشینه تحقیق
به طو کلی نظریه کنترل ترافیک شهری از سال 1950 ارائه گردید. بخش عمدهای از روشهایی کـه تـا کنون ارائه شدهاند براساس روشهای کلاسیک و مبتنی بر اطلاعات آماری و منحنیهای به دست آمده تجربـی میباشد. در زمینه کنترل زمان ثابت در یک تقاطع ایزوله ،Webster، در سال 1958 رابطهای ریاضـی را بـرای کنترل بهینه چرخه ارائه داد. پس از آن روشهای کنترلی دیگری نیز بر اساس مدل بهینهسازی ریاضی توسـط Miller در سال 1963، Bang درسال 1976، و Davidsson در سال 1996، ارائه گردید.[5]
به طور همزمان، با معرفی تئوری فازی در سال 1965توسط دکتر زاده کـاربرد ایـن نظریـه در کنتـرل ترافیک تقاطعها آغازشد. نخستین کنترلر فازی توسط Pappis و Mamdani در سال 1974 با کاربرد مقدماتی منطق فازی برای یک تقاطع مستقل بـا خیابانهـای یـک طرفـه، ارائـه گردیـد.[6] بـرای کنتـرل شـبکهای از تقاطعهای وابسته به یکدیگر با خیابانهای دو جهته، Chiu در سال 1992 روشی را با کاربرد منطق فازی ارائـه داد.[11] همچنین روشهایی نیز بر اساس نظریه فازی برای کنترل حجم یک معبر، کنترل تقاطعها با در نظـر گرفتن حرکات گردشی با اهداف مختلف کنترلی ارائه گردیده است. به طور رسمی پروژه 1FUSICO از سـال 1996 در دانشگاه Helsinki برای توسعه روشهای کنترل فازی چراغهای یـک تقـاطع آغـاز شـده اسـت کـه تاکنون نیز این تحقیقات ادامه دارد.
از جمله سیستمهای کنترلی طراحی شده میتوان به سیستم 2UTCS اشاره نمود که از حدود سـالهای
1970 رواج یافته و تا به امروز با آنکه تغییرات و پیشرفتهای وسیعی روی آن صورت گرفتـه، بـاز هـم مبنـای بسیاری از سیستمهای کنترل زمانبندی شده میباشد .این سیستم یک برنامه زمانبنـدی خـارج از خـط بـر اساس میانگین شرایط ترافیکی برای یک دوره زمانی خاص از طول روز در کامپیوتر مرکزی ارائـه میدهـد کـه معمولا بر اساس به حداقل رساندن شاخص بی نظمی که نشان دهنده میزان تاخیر وتوقف و یا ماکزیمم کردن ظرفیت باند میباشد، عمـل میکنـد. UTCS مجموعـهای از الگـوریتم هـایی میباشـد کـه تحـت پارامترهـای
3FHWA استاندارد شده است و امروزه با کاربرد مدلسازی میکروسکوپی، استانداردهای دیگـری نیـز عملکـرد این سیستم را توصیف میکنند8] ،.[7

1−Fuzzy Signal Control 2−Urban Traffic Control Sys-- 3−Federal Highway Administration
6
با ایجاد قابلیت کاربرد میکروپروسسورها که استفاده از آنها نیـز سـاده و کـم هزینـه میباشـد، چنـدین سیستم کنترل ترافیک روی خط1 از اواخر دهه70 و اوایل دهه80 در جهت پاسخگویی به تغییرات ایجاد شده برای افزایش عملکرد بهینهسازی ارائه گردیده است. از جمله این سیستمها میتوان به سیـستم 2SCATS کـه در استرالیا وسیستم 3SCOOT که در انگلیس ارائه شدهاند اشاره نمود9]،.[10 در مجموع میتـوان گفـت کـه این دو سیستم در جهت افزایش بهینهسازی پارامترهایی همچون چرخه4، تسهیم5، آفست6 عمل میکننـد. در کشور ما حدودا از سال 1377 طرح کاربرد نرم افزار SCATS به مرحله اجرا در آمد و هم اکنـون حـدود 320
تقاطع شهر تهران به این سیستم مجهز شدهاند. سیستمهای دیگری نیز در سالهای اخیر مورد توجـه کـاربران قرار گرفته است که نمونه هایی از این سیستمها عبارتنـد از: سیـستم7PLIDENT، سیـستم 8EQUISAT و سیستم .9FLEXIPROG کاربرد شبکههای عصبی به عنـوان یـک روش هوشـمند در سیـستمهـای کنتـرل ترافیک در سالهای اخیر اهمیت ویژهای یافته اسـت. سیـستم 10S-TRAC توسـط Spall در سـال1997 کـه نمونهای از سیستمهای مبتنی بر شبکه عصبی میباشد، ارائه گردید. در سال1992، Dongling الگوریتمی بـه منظور کاربرد همزمان شبکههای عصبی و سیستمهای فازی برای بهبود استنتاجات فازی در کنتـرل ترافیـک ارائه داد. همچنین الگوریتم 11FDP نیز برای اصلاح سرعت محاسبات با ترکیب روشهای فازی وعصبی در سال 1998 توسط j.j.Henry ارائه شده است که کاربردهای فراوانی دارد. Liu.Zhiyong در سال 2003 یـک نـوع روش کنترلی پیشگویی کننده با استفاده از شبکههای عصبی برای کنترل چراغ در یـک شـبکه شـهری ارائـه داد.وی همچنین در سال 2005 یک نوع روش کنترلی بر اساس شبکههای عصبی هاپفیلد و مبتنی بر تئوری آشوب12 برای کنترل یک تقاطع ایزوله پیـشنهاد داد. Guojiang نیـز در سـال 2004 مطالعـاتی را در زمینـه کاربرد سیستمهای نرو- فازی در یک شبکه ترافیکی شامل چندین تقاطع انجام داد12]،.[11
به طور کلی سیستمهای عصبی به شکلهای مختلفی در کنترل ترافیک به کار گرفته شدهاند. در برخی موارد شبکه عصبی به تنهایی مدلسازی، آموزش و کنترل سیستم ترافیکی مورد نظر را انجام میدهد. همچنین ممکن است شبکه عصبی بر مبنای سایر روشهای کنترلی به کار رود، ماننـد بـه کـارگیری شـبکه عـصبی بـه منظور اصلاح وبهبود تصمیمات کنترلر فازی ترافیک.در برخی موارد نیز برای کنترل ترافیـک، شـبکه عـصبی میتواندبا سایر روشهای کنترلی مانند کنترل فازی، کنترل پیشبین و...ترکیب و قابلیتهای آنها را بهبود بخشد.

1−On-Line 2−Sydney Coordinated Adaptive Traffic Sys-- 3−Split Cycle Offset Optimision Technique 4−Cycle Time 5−Phase Split 6−Offset
7−Platoon Identification 8−Equal Saturation 9−Flixible Progressive Linking of Vehicle Actuated Signals
10−Sys-- Wide Trrafic adaptive control 11−Fuzzy Dynamic Programming 12−chaos
7
(3-1 روش کار و تحقیق
جمع آوری اطلاعات آماری به روشهای مختلف و با استفاده از انواع حسگرها صورت میپذیرد که برخی از آنها به شرح زیر میباشد:[2]
-1حسگرهای مکانیکی مانند آشکار سازهای هیدرولیکی یا پیزوالکتریکی.
-2آشکارسازهای آلتراسونیک و حسگرهای مادون قرمز که با ارسال امواج به سطح خیابان و مقایـسه اخـتلاف زمان بین امواج منعکس شده از سطح وسایل نقلیه و سطح خیابان، وسیله نقلیه را تشخیص میدهد. -3کاربرد رادار که با استفاده از تغییرات ایجاد شده در فرکانس امواج منتشره از سطح خودروها، سرعت آنها را تشخیص میدهد.
-4حلقههای آشکار ساز مغناطیسی و حلقههای اندوکتانس که بر اساس تشخیص تغییرات انرژی در اثر وجـود خودرو کار میکند.
-5حسگرهای تشخیص نور مانند دوربین ویدئویی و چشم الکترونیکی.
نصب یک دوربین از نصب سایر آشکارسازها بسیار ساده تر بوده و علاوه بر آن یک دوربـین بـه تنهـایی میتوان وضعیت محدوده وسیعی را زیر نظر داشته و اطلاعات آماری دقیق تر و با جزئیات قابل درک بیـشتری را در اختیار کنترلر قرار دهد و به طور کلی یک سیستم آشکارساز مبتنی بربینـایی، میتوانـد کنترلـی مـشابه کنترل یک انسان را فراهم نماید.
هدف از کنترل یک تقاطع ایزوله در این پایان نامه، بهبود وضعیت ترافیکی و ایجاد روانی نسبی حرکت در تمام مسیرهای منتهی به این تقاطع، در ساعات مختلف شبانه روز میباشد. برای رسیدن به ایـن هـدف، از حسگرهای ویدئویی برای جمع آوری اطلاعات آماری تقاطع و ازیک الگوریتم فـازی – عـصبی اسـتفاده شـده است. یکی از مهمترین پارامترهایی که در بازدهی شبکههای عصبی و بهویژه شبکههـای عـصبی RBF نقـش مهمی را ایفا مینماید، الگوریتم یادگیری و دقت آن میباشد. شبکههای RBF یکی از انواع شبکههای عـصبی جلوسو میباشندکه در بسیاری از کاربردهای مهندسی جذابیت و کاربرد گستردهای دارند. وجود این ویژگی را میتوان در عوامل متعددی جستجو نموداز جمله اینکه شبکههای RBF میتوانند تقریباً کلیه توابع عمـومی را تخمین بزنند، ساختار بسیار ساده و فشردهای دارند و سرعت الگوریتم آموزشی آنها سـریع مـیباشـد. در ایـن پروژه و برای اولین بار یک الگوریتم آموزشی برای شبکههای عصبی RBF مبتنی بـر منطـق فـازی و ترکیـب روشهای LLS و گرادیان با حفظ کاربری آن برای کنترل یک تقاطع ایزوله ارائه مـی گـردد. روش پیـشنهادی
FHLA برای طراحی و آموزش شبکه عصبی RBF شامل دو مرحله میباشد: -1 طراحی ساختار شبکه RBF و مقداردهی اولیه به پارامترهای آن.
-2 تنظیم پارامترهای شبکه براساس الگوهای آموزشی.
اساس کار، بر استفاده از شبکه عصبی فازی RBF به همراه یک روش پیـشنهادی آمـوزش مبتنـی بـر فازی خواهد بود. در الگوریتم یادگیری FHLA پیشنهادی، علاوه بر تعیین وزنهای ارتباطی بین لایه مخفـی و لایه خروجی، پارامترهای لایه RBF شامل تعداد نرون، مرکز نرون و عرض آن نیـز در طـول فراینـد آمـوزش تعیین میگردند. مقادیر اولیه پارامترها با استفاده از منطق فازی و روشـهای خوشـه یـابی فـازی و بـه کمـک تکنیک FCM بدست میآیند. در این روش تابع هزینه عدم شباهت، محاسبه و مینـیمم مـیگـردد. از میـزان
8
تعلق هر الگوی ورودی به خوشهها و فاصله الگو تا مراکز خوشه جهت محاسبه میـزان عـدم شـباهت اسـتفاده میگردد. برای تعیین مقادیر نهایی پارامترها و وزنهای ارتباطی، از ترکیب روش LLS و گرادیان به عنوان روش بهینهسازی استفاده میشود.
یک سیستم کنترلی مبتنی بر بینایی ماشین، شامل یک دوربین دیجیتـالی اسـت کـه بـر روی مـسیر حرکت خودروها نصب شده فیلم حاصل از آن توسط الگوریتمهای پردازشی مناسـب بـرای تـشخیص خـودرو استفاده میشود و نهایتا اطلاعات آماری لازم از آن استخراج میگردد.
بنابراین با ترکیب دو ابزار قدرتمند شبکههای عـصبی و سیـستمهـای فـازی همـراه بـا یـک سیـستم آشکارساز مبتنی بر بینایی ماشینها، سیستمی طراحی خواهد شد کـه عـلاوه بـر در نظـر گـرفتن جنبـههـای مختلف تردد شهری، بتواند بهینهسازی الگوریتم کنترل ترافیک را نیزتضمین نماید. نتایج شبیهسازی بـر روی بانک تصاویر ترافیکی تقاطعهای موجود و مقایسه کاربرد این الگوریتم با سایر روشهای کلاسیک که در کنترل تقاطعهای ایزوله معمول میباشد، نشان دهنده میزان قابلیت این تکنیک میباشد.
در این پایان نامه پس از معرفی نظریه جریان کنترل ترافیک و همچنین معرفی متغیرهـای ترافیکـی و روابط حاکم بر آنها پرداخته وپروسه کنترل ترافیک از دیدگاه میکروسکوپیک و ماکروسـکوپیک و مـد لـسازی مناسب فرایندهای مختلف آماری موجود در این زمینه مورد بررسی قرار میگیرد. در بررسی پدیده ترافیـک دو دسته پارامترهای گسسته و پیوسته وجود دارند که هریک از آنهـا از توزیـعهـای احتمـالاتی مناسـب پیـروی میکنند. همچنین در این بخش برخی از روشهای مدلـسازی کلاسـیک پدیـده ترافیـک و نحـوه زمـان بنـدی چراغهای راهنمایی و اصول حاکم بر نحوه فازبندی در یک تقاطع ارائه میشود.
از آنجا که منطق فازی بهترین روش برای مدلسازی فرایندهایی است که با استدلالات انسانی سرو کـار دارد، استفاده از کنترل کننده فازی، نوعی کنترل ترافیک انعطاف پذیر را ایجاد میکند. از این رو در این پایـان نامه ضمن معرفی شبکههای عـصبی و بـه طـور خـاص شـبکه عـصبیRBF برخـی از روشـهای آموزشـی در شبکههای عصبی معرفی و شرایط معادل بودن عملکرد سیستمهای فـازی و شـبکههـای عـصبیRBF مـورد بررسی قرار میگیرد.
پس از آشنایی مختصر با سیستمهای نرو- فازی به ارائه الگوریتم پیشنهادی FHLA که برای نخستین بار جهت کنترل ترافیک تقاطع ایزوله استفاده میشود، پرداخته شده است. به این منظور مراحـل پیـادهسـازی تکنیک FCM برای مقداردهی اولیه مراکز و عرض نرونها و نحوه تعیین تعداد نرونهای لایه میانی با اسـتفاده از اندیسهای اعتباری خوشـهای بیـان شـده اسـت. همچنـین مـاتریس تقریبـی بـردار ضـرایب وزن تعیـین و بهینهسازی پارامترها و تعیین مقادیر دقیق آنها صورت میپذیرد.
از آنجا که قرار است اطلاعات لازم جهت کنترل از طریق پردازش تصاویر ویـدئویی صـورت پـذیرد، در بخشی نیز به مباحث موجود در پردازش تـصویر و شناسـایی و ردیـابی اجـسام متحـرک و بررسـی روشـهای استخراج اطلاعات آماری ترافیک از تصاویر ویدئویی پرداخته میشود.
در نهایت مدلسازی رفتار دینامیکی یک تقاطع ایزوله شهری، صورت گرفته و سـپس کنترلـر عـصبی-
فازی طراحی و به مدل شبیهسازی شده اعمال میگردد. همچنین یکی از روشهای شـمارش وسـایل نقلیـه در تصاویر ویدئویی انتخاب و برروی فیلمهای تهیه شده از تقاطع موردنظر پیاده میشود و نتایج حاصـل شـده بـا آمار واقعـی مقایـسه شـده انـد. همچنـین تـاثیر بـه کـارگیری کنتـرل کننـده عـصبی – فـازی بـا اسـتفاده
9
ازتکنیک FHLA و کنترل کلاسیک پیش زمانبندی شده، بر میزان سطح تاخیر و سـطح اشـباع ورودیهـای تقاطع بررسی شده است. کلیه برنامه های مدلسازی توسط برنامه نویسی در محیط نرم افزار MATLAB بوده و نتایج شبیهسازی قابلیتهای به کار گیری الگوریتم پیشنهادی را نشان میدهد.
10
فصل دوم
نظریه جریان ترافیک و اصول زمانبندی
چراغهای تقاطع
11
فصل دوم: نظریه جریان ترافیک و اصول زمانبندی چراغهای تقاطع
(1-2 مقدمه
تئوری ترافیک دانشی است که به منظور برقراری روابط تحلیلی پدیده ترافیـک و بـسط آنهـا اسـتفاده میشود. این فرآیند شامل تحلیل ریاضی و مدل سـازی، اسـتفاده از تکنیـکهـای مهندسـی کنتـرل سیـستم وشبیهسازی کامپیوتری میباشد. نظریه جریان ترافیک و بررسی مـدلهای جریـان ترافیـک پرداختـه و روابـط تحلیلی مربوط به پارامترهای مختلف که ممکن است از مدلهای احتمالاتی گسسته و یـا مـدلهای احتمـالاتی پیوسته تابعیت کنند، در ادامه مورد بحث قرار میگرند. به این ترتیب با شناخت متغیرهای مختلف ترافیکـی و آشنایی با نحوه اندازه گیری هریک از آنها، میتوان در تحلیل وضعیت ترافیکی یک تقاطع، پارامترهای مناسـب را انتخاب نمود. زیرا اندازه گیری بسیاری از شاخصههای تاثیر گذار بر جریان ترافیک ممکن با مـشکل مواجـه شود.
(2-2 روابط تحلیلی پدیده ترافیک
یکی از مدلهای اساسی جهت بررسی پدیده ترافیک مدل خودرو به دنبال هم می باشد که عبارت است از رابطهای ریاضی که حرکت یک وسیله نقلیه را به حرکت وسایل نقلیه دیگر که به دنبال آن میباشد ارتبـاط داده و با تعمیم آن میتوان به رابطهای که جریان کامل ترافیک را توضیح میدهد، رسید.یک نمونه از معـادلات
ریاضی مربوطه به صورت زیر میباشد:[3]
(1-2) Vn (t −T ) −Vn−1(t −T ) dVn (t) A dt X n (t −T ) − X n−1(t −T ) که در آن Vi سرعت خودروی i ام، Xi موقعیت خودروی i ام و T عقب مانـدگی یـا تـاخیر در عکـس العمـل میباشد. این رابطه نشان میدهد که شتاب خودروی n ام به وسیله اختلاف بین سرعت او و سـرعت خـودروی جلویی (n-1) و همچنین به ثابت A و به فاصله بین دو وسیله نقلیه بستگی دارد. هرچه فاصله بین دو وسـیله نقلیه کمتر باشد، این وابستگی بیشتر است. آزمایشات مناسب بودن این مدل توصیفی را نشان میدهند. مـدل خودرو به دنبال هم که در رابطه (1-1) نشان داده شده است، در مقیاس کوچک بوده و میتوان با کمی تغییـر از این معادله به رابطهای مناسب در مقیاس بزرگ دست یافت. برای نشان دادن این رابطه در مقیـاس بـزرگ، معادله (1-1) را برای شرایطی که فاصله همه وسایل نقلیه و سرعت آنها یکسان باشد، در نظر گرفته می شود.
با توجه به اینکه v سرعت، v∆ اختلاف سرعت و x ∆ فاصله است، آنگاه:
(2-2) ∆v A dv ∆x dt با تغییر دیفرانسیلی در سرعت رابطه زیر برقرار میباشد.: (3-2) d (∆x) dv  A ∆x 12
و نهایتا برای هرزوج اطلاعات معلوم (v0,x0) میتوان نوشت (4-2) d (∆x) v∫dv  A ∆∫x ∆x v0 ∆x0 k0 ALn ∆x ALn v v − k ∆x0 0 که در این رابطه k عبارت است از چگالی و k=1/∆x که با نشان دادن تردد به صورت q و با توجه به اینکـه در چگالی تراکم kj (حالت اشباع) v=0 میباشد، ازمعادله (4-1) میتوان نوشت :
(5-2) k j q  AkLn k باید توجه داشت که عموما فـرض بـر آن اسـت کـه چگـالی جریـان (k) یـک متغیـر مـستقل اساسـی بـوده وپارامترهایی همچون سرعت (v)و تردد (q) به آن وابسته هستند.
(3-2 معرفی پارامترهای ترافیکی
در این بخش به طور مختصر به معرفی برخی پارامترهایی که در تئوری جریان ترافیـک نقـش مـوثری دارند بررسی میشوند. به طور کلی روابط میان پارامترهای مختلف در پدیده ترافیک را میتوان به صورت جدول
1-2 توصیف نمود:
جدول (1-2) معرفی پارامترهای حاکم بر پدیده ترافیک
علامت نام توضیح واحد q حجم (تردد) تعداد وسیله نقلیه که در واحد زمان تعدادوسیله نقلیه بر از یک نقطه میگذرد. ساعت k تراکم(فشردگی) تعداد وسیله نقلیه که واحد طول یک راه تعدادوسیله نقلیه بر را به طور همزمان اشغال میکنند. کیلومتر s فاصله مکانی مسافت بین دو وسیله نقلیه متوالی متر یا کیلومتر h فاصله زمانی فاصله زمانی بین عبور دو وسیله ثانیه نقلیه از یک مکان m واحد زمان سفر زمانی که یک وسیله نقلیه واحد دقیقه بر کیلومتر طول را طی میکند u سرعت مشتق مسافت نسبت به زمان کیلومتر بر ساعت u s میانگین مکانی سرعت میانگین سرعت وسایل نقلیه گذرنده کیلومتر بر ساعت از یک مسیر در یک لحظه معین 13
روابط فوق قابل اثبات بوده و رابطه آنها را میتوان به صورت ذیر بیان نمود:
حجم ترافیک: میانگین مکانی سرعت × تراکم
(6-2)
میانگین مکانی سرعت = حجم × فاصله مکانی
(7-2)
تراکم: حجم × واحد زمان سفر
(8-2)
فاصله مکانی = میانگین مکانی سرعت × فاصله زمانی
(9-2)
فاصله زمانی = واحد زمان سفر × فاصله مکانی
(10-2)
واحد زمان سفر= تراکم × فاصله زمانی
(11-2)

q  us k
us  qs  kq

k  qm  q
us
s  ush  uqs

h  ms  1q

m  kh  1
us
با استفاده از روابط فوق و ترکیب آنها میتوان سیستم ترافیک را به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. همچنین واضح است که حجم و تراکم مناسبترین زوج متغیرها بـرای توصـیف جریـان ترافیـک و نتـایج نظری آن هستند. همچنین این تعاریف نشان میدهد که به هنگام تراکم صفر، حجم نیز باید صفر باشد و برای تراکم حداکثر یعنی وقتی وسایل نقلیه سپر به سپر قرار میگیرند نیز حجم صفر است. معمولا پیش از رسـیدن تراکم به یک مقدار ماکزیمم، حجم کاهش مییابد. شکل 1-2 دیاگرام اساسی ترافیک نامیده میشود که رابطه میان حجم و تراکم را نشان میدهد.
14

شکل((1-2 منحنی حجم-ترافیک به صورت تابعی از تراکم
(4-2 مدلهای احتمالاتی
استفاده از مدلهای احتمالاتی هم به صورت ساده و هم به صورت خاص (کـاربرد تئـوری صـف) بخـش مهمی از نظریه جریان ترافیک میباشد. در این بخش به طور مختصر به توصیف احتمالاتی برخی پارامترهـای موثر بر جریان ترافیک و رابطه میان آنها پرداخته میشود.
(1-4-2 مدل احتمالی رابطه چگالی و تردد
برای بررسی و به دست آوردن عناصری مانند رابطه چگالی و تردد، یکی از روشها آن اسـت کـه رابطـه جبری q=q(k) را برای تردد محاسبه شود، به طوری که چگالی k رابه عنوان یک متغیر تـصادفی بـا میـانگین k و واریانس σ 2 در نظر گرفت. با معلوم بودن این مقادیر، مقدار میانگین جریان، q ، و سـایر معیـارهـای احتمالاتی نیز معین میشود. روش بهتر این است که جریان q طوری در نظر گرفته شود که دارای یک مولفـه وابسته به چگالی و یک مولفه تصادفی باشد که این مولفه تصادفی به مولفه قبلی اضافه گردد.
(12-2) q  q fix (k)  qrandom
فرض کنید که (q=Ak(k0-k) و (13-2) qE(q)E[Ak(k0−k)]Ak0E(k)−AE(k2)
σx2  E(x2 ) −[E(x)]2
qAk0k−A(σk2k2)
یا به عبارتی دیگر (14-2) qq(k)−Aσk2
15
که در این رابطه، ( q(k از جایگذاری k در رابطه تعریف شده ( q  AK (q − q0 به دست آمده است.به ازای یک KK خاص، نوسانات موجود در چگالی ترافیک به حداقل و نرخ تردد به حـداکثر مقـدار خـود میرسد.

شکل (2-2) بررسی مدل احتمالی ترافیک
(2-4-2 مدلهای احتمالی گسسته
برخی از مدلهای احتمالی که در توصیف پارامترهای گسسته به کـار میـرود، بـه طـور مختـصر بـه صورت زیر میباشد:
-1 توزیع دو جملهای: از این مدل احتمالی در توصیف حرکات گـردش بـه چـپ و راسـت در یـک بازوی تقاطع و فرآیند ورود وسایل نقلیه به یک بازو در جریان ترافیکی متـراکم کـه نـسبت میـانگین بـه واریانس تعداد وسایل نقلیه از یک بزرگتر باشد، استفاده میشود.
-2 توزیع دو جملهای منفی : این توزیع در توصیف پدیـدههـای خـاص مثـل عبـور وسـایل نقلیـه سنگین مانند کامیون در جریان ترافیک استفاده میگردد، به این ترتیب که عبور یک وسیله نقلیه سنگین به عنوان پیروزی و عبور بقیه وسایل نقلیه به عنوان شکست در نظر گرفتـه میـشود. ضـمن آنکـه از ایـن توزیع، زمانی استفاده میشود که نسبت میانگین به واریانس وسایل نقلیه از یک کمتر باشد.
-3 توزیع پواسن: از توزیع پواسن برای توصیف رفتار وقـایعی کـه ذاتـا تـصادفی هـستند، اسـتفاده میشود. از نظر تاریخی، این توزیع، اولین توزیع به کار رفته برای آنالیز جریان وسایل نقلیه میباشد. از ایـن توزیع برای شمارش پدیدهها استفاده میشود و احتمال ورود وسایل نقلیه در ضـمن یـک پریـود زمـانی را مشخص میکند. همچنین تنها پارامتری که باید از روی اطلاعات آماری و تحلیل آنها به دسـت آیـد نـرخ ورود وسایل نقلیه به خیابان مورد نظر میباشد. همچنـین از ایـن توزیـع در زمـانی کـه وضـعیت ترافیـک معمولی بوده و نسبت میانگین به واریانس در حدود یک باشد استفاده میشود.
-4 توزیع هندسی : این توزیع که احتمال تعداد آزمایش برای رسـیدن بـه اولـین پیـروزی را دارد، نقش عمدهای در مدلسازی فرآیند صفبندی ترافیکی را ایفا میکند. پارامترهایی کـه در ایـن توزیـع بایـد مشخص باشند، نرخ ورود ونرخ ترک صف بوده و زمان انتظار برای برای اولین موفقیت (خروج) و یا تعـداد وسایل نقلیه منتظر در صف با این توزیع، تعیین میشوند.
16
(3-4-2 مدلهای احتمالی پیوسته
برای توصیف برخی پارامترهایی که ماهیت پیوسته دارند نیـز معمـولا از توزیـعهـای زیـر اسـتفاده میشود:
-1توزیع نرمال: این توزیع برای توصیف سرعتهای نقطهای در محاسبات مهندسی ترافیک کاربرد دارد. -2توزیع نمایی(نمایی منفی): کاربرد این توزیع در مدلسازی شکاف زمانی بین ورودیهای متوالی در یـک پروسه میباشد. در به کارگیری این تابع توزیع، نرخ متوسط جریان ترافیک وسـایل نقلیـه در واحـد زمـان باید مشخص باشد.
(4-4-2 مدل احتمالی تئوری صف
از جمله پارامترهای مورد توجه در مدلسازی صف عبارتنـد از: تعـداد واحـدهـای موجـود در صـف،
احتمال عدم وجود واحدی در صف، زمان متوسط انتظار هر واحد و غیره. برای پیشگویی مشخـصات یـک سیستم صف، لازم است که مشخصات الگوی ورودی مانند متوسط نرخ ورود، توزیع آماری شـکاف زمـانی ورود وسایل نقلیه و همچنین مشخصات سیستم سرویس دهنده شامل نرخ متوسط سرویس، توزیع آماری زمان سرویس وتعداد کانالهای سرویس دهنده، مشخص باشند.
با فرض نرخ ورود λ،شکاف متوسط ورود برابر 1/ λ خواهد بود. همچنین اگـر نـرخ سـرویس را بـا
نمایش دهیم، پس متوسط زمان سرویس برابر با 1/  خواهد بود. نسبت P  λ /  (شـدت ترافیـک)
برای پایداری صف باید از یک کمتر باشد.
برای مدلسازی صف تک کاناله از روابط زیر استفاده میشود:
-1تعداد واحدهای موجود در سیستم: این پارامتر شامل تعداد واحـدهـای منتظـر در صـف بعـلاوه تعـداد واحدهای در حال سرویس میباشد
-2احتمال خالی بودن سیستم:
(15-2) p(0) 1 − p -3احتمال وجود n واحد در سیستم برابر است با (16-2) p(n)  pn(0) -4طول متوسط صف: تعداد متوسط واحد منتظر در صف: (17-2) E(m)  p2 /(1 − p)  λ2 /  /( − λ) -5تعداد متوسط واحد موجود در صف: E(n)  p /(1 − p)  λ /( − λ) (18-2) -6زمان متوسط انتظار قبل از سرویس دهی: (19-2) E(v) 1/( − λ) 17
-7زمان متوسط صرف شده در سیستم:
(20-2) 1/  /( − λ) E(w)  (5-2 کنترل چراغ راهنمایی
زمان سفر و مشخصههای تاخیر میتواند به عنوان معیار مناسبی بـرای کـارایی جریـان ترافیـک در تقاطعهای چراغ دار مورد استفاده قرار گیرد. به طورکلی زمان سفر و زمان تاخیر با یکدیگر رابطـه عکـس دارند. با مطالعات مربوط به میزان تاخیر میتوان مقدار، علت، موقعیت، مدت و فراوانی تاخیرها و همچنین سرعتهای کلی سفر وحرکت را تعیین کرد.
تاخیر عبارت است از زمان از دست رفتهای که باعث کند شدن جریان ترافیـک میگـردد. از جملـه عوامل موثر بر تاخیر تقاطع میتواند شامل مواردی همچون عوامل فیزیکی مانند تعداد خطوط عبور، شیب ها، مسیر دهی ترافیک و ایستگاههای حمل ونقل ترافیک،عوامـل ترافیکـی ماننـد حجـم ترافیـک در هـر رویکرد تقاطع، حرکات گردشی، عابران پیاده وطبقهبندی وسایل نقلیه و کنترل کنندههای ترافیکی ماننـد زمانبندی چراغ راهنمایی، تابلوهای ایست و احتیاط، باشد.
برای به دست آوردن روشی برای غیر اشباعسازی تقاطع باتوزیع ورودی پواسـن، احتمـال اینکـه x
وسیله نقلیه در طی یک چرخه((c وارد تقاطع شوند برابر است با :
e−λc(λc)x
p(x) (21-2) x

که در این رابطه λ برابر است با متوسط نرخ ورود وسایل نقلیه در طی یک دوره مشخص برای حالت غیـر اشباع تقاطع.
مثلا اگر لازم باشد اتومبیل هایی که در چرخهای بـه انـدازه c وارد میـشود در طـی مـدت g سـبز موجود، در حداقل 95 درصد مواقع قادر به عبور باشند، تعداد وسایل نقلیهای که باید وارد تقاطع شـوند از رابطه زیر قابل محاسبه میباشد:
x (λc) −λc e N (22-2) ≥ 0.95 Pr (x ≤ N )  ∑ x x0 که در این رابطه pr(x≤n) نشان دهنده احتمال آن است که x وسـیله نقلیـه کمتـر یـا مـساوی بـا N وارد تقاطع شوند که N کوچکترین عددی است که در این رابطه صدق میکند.
یکی دیگر از پارامترهای موثر بر جریان ترافیک، زمان سفر متوسط می باشـد.زمـان متوسـط سـفر برای برای یک جریان ترافیک یک طرفه توسط رابطه زیر تعریف میشود:
(23-2) 60(On − Pn ) Tn  Tn − Vn که در آن Tn زمان سفر متوسط برای تمام ترافیک در جهت شمالی n) به معنای جهت حرکت بـه سـمت شمال مسیر میباشد.)
18
و مقدار ( (On − Pn نشان دهنده تصحیح این مساله است که ممکن است وسیله نقلیـه مـورد بررسـی بـا سرعت متوسط در مسیر حرکت نکند.
پارامتر دیگر سرعت متوسط مکانی وی باشد که برای جریان یکطرفه، با رابطه زیر تعیین میشود:
(24-2) 60d Sn  T n که در آن Sn سرعت متوسط مکانی در جهت شمال و d طول مسیر مورد آزمایش میباشد. (6-2 تحلیل عملکرد تقاطع
مراحل تحلیل عملکرد تقاطع ها، اعم از چراغدار، بدون چراغ و میدان شامل تهیه اطلاعـات ورودی، تحلیل ظرفیت و تعیین سطح خدمات میباشد. اطلاعات ورودی شامل اطلاعات مـورد نیـاز بـرای تحلیـل عملکرد تقاطع مانند مشخـصات هندسـی، ترافیکـی، کنترلـی و محیطـی تقـاطع اسـت. تحلیـل عملکـرد تقاطعهای چراغدار به صورت سیستماتی ک مطابق شکل3-2 صورت میگیرد:[1]

شکل (3-2) فرآیند تحلیل تقاطعهای چراغدار
(1-6-2 اصطلاحات رایج در تقاطعهای چراغدار
پیش از هرچیز، تعاریف مفاهیم و اصطلاحات مرتبط با تقاطعهای چراغ دار ارائه میگردد:[1] -1 چرخه: عبارت است از یک دوره کامل از حالتهای چراغ راهنمایی.
-2 طول چرخه: عبارت است از زمان لازم برای طی شدن یک چرخه چراغ راهنمایی که معمولا بـر حسب ثانیه بیان میشود.
-3 فاز(دوره): بخشی از یک چرخه چراغ راهنمایی است که به عبور یک یا چنـد حرکـت ترافیکـی همزمان اختصاص یافته است..
-4 فرجه: مدت زمانی است که در طول آن، وضعیت کلیه چراغهای تقاطع ثابت است.
-5 فرجه تمام قرمز: مدت زمانی است که به منظور ایمنی و تسهیل تخلیه تقاطع، در همه جهت ها چراغ قرمز میشود.
19
-6 فرجه زرد: مدت زمانی است که در میان علائـم سـبز و قرمـز چـراغ راهنمـایی در نظـر گرفتـه میشود تا وسایل نقلیهای که به علت سرعت زیاد قادر به توقف نیستند، بتوانند بـا ایمنـی از تقـاطع عبـور کنند.
-7 زمان تخلیه: مدت زمانی است که در پایان زمان سبز یک حرکت ترافیکی تا شروع زمـان سـبز حرکت بعدی در نظر گرفته میشود و برابر است با فرجه زرد بعلاوه فرجه تمام قرمز.
-8 زمان سبز موثر: بخشی از یک فاز میباشد که به طور موثر توسط حرکت مربوطه مورد اسـتفاده قرار میگیرد و برابر است با زمان سبز بعلاوه زمان تخلیه منهای زمان هدر رفته برای آن فاز.
-9 نسبت سبز: عبارت است از نسبت زمان سبز موثر یک فاز به طول چرخه. -10 ورودی(رویکرد): عبارت است از هریک از مسیرهای منتهی به تقاطع.
-11 گردش حمایت شده: حرکت گردشی که دریک فـاز جداگانـه و بـدون برخـورد بـا جریانهـای ترافیکی مزاحم مانند ترافیک روبرو یا عابرین پیاده انجام میشود.
-12 گردش حمایت نشده: حرکت گردشی است که به طور همزمان با جریانهای ترافیکی مخـالف و از بین آنها صورت میگیرد.
انواع چراغهای کنترل ترافیک تقاطعهای مجزا دارای تکنولـوژیهـا و کـاراییهـای بـسار متفـاوتی هستند. اما این چراغها از نظر نحوه زمانبندی به دو دسته چراغهای پیش زمـانبنـدی شـده و چراغهـای سازگار با ترافیک تقسیم شدهاند. کرد:.هریک از این روشها دارای مزایای ویژهای بوده و میتـوان بـه طـرق مختلف کارایی و انعطاف پذیری آنها را بهبود بخشید. در ادامه نحوه عملکرد این چراغها مورد بررسی قـرار میگیرد.


(2-6-2 ظرفیت
ظرفیت در تقاطعهای چراغدار عبارت است از حداکثر جریان وسایل نقلیـه گذرنـده از تقـاطع کـه متاثر از شرایط ترافیکی و هندسی ورودیهای تقاطع و نحوه زمانبندی چراغ میباشد.
جریان اشباع عبات است از حداکثر جریانی که میتواند از یک ورودی تقاطع، تحـت شـرایط حـاکم هندسی وترافیکی، و با این فرض که صد در صد زمان سبز موثر برای آن ورودی وجود داشته باشد، عبـور کند. جریان اشباع برای فاز i ام با نماد si نشان داده شده و بر حسب واحد " تعداد وسـیله نقلیـه برزمـان سبز موثر("(vphg بیان میشود.رابطه ظرفیت با جریان اشباع به صورت زیر میباشد:[1]
(25-2) ( gi Ci  Si ( c که در آن Ci ظرفیت ورودی iام تقاطع(وسیله نقلیه در ساعت)، Si جریان اشباع ورودی i ام تقاطع
(وسیله نقلیه در ساعت سبز موثر)،c طول چرخه چراغ (ثانیه)و gi زمان سبز موثر برای ورودی i ام تقاطع میباشد.
مفهوم جریان اشباع در تقاطعهای چراغدار بر این فرض استوار است که هیچگونه زمان هدررفتهای در تقاطع وجود نداشته و تقاطع به صورت یک نوع تسهیلات ترافیکی با جریان غیر منقطع عمل میکند.
20
تحلیل ظرفیت هر خط یا گروه معمولا بر اساس پارامتر "درجه اشباع" انجام میشود. این پـارامتر از نسبت حجم تقاضای حرکت (یا گروه خط) به ظرفیت آن vi/ci بـه دسـت میĤیـد. در صـورتی کـه درجـه
اشباع یک خط از یک بالاتر باشد، آن گروه خط نمیتواند پاسخگوی حجم ورودی به آن باشد.
تحلیل ظرفیت کل تقاطع نیز با استفاده از پارامتر "درجه اشـباع بحرانـی" صـورت میگیـرد کـه از
رابطه زیر حاصل میشود: (26-2) X (DS) Vi / Ci
که در رابطه فوق، Ci ظرفیت ورودی i ام تقاطع (وسیله نقلیه بر ساعت)، vi میزان جریان واقعـی
(وسیله نقلیه بر ساعت) و (X(DS) درجه اشباع میباشد. نرخ جریان اشباع را نیز میتوان با استفاده از روشهای محاسباتی به دسـت آورد. در اکثـر روشـهای معرفی شده یک مقدار پایه تحت عنوان "نرخ جریان اشباع ایـده آل " بـرای نـرخ جریـان اشـباع تعریـف میشود که بیانگر شرایطی است که عوامل هندسی و ترافیکی موثر در جریان اشباع همگـی حالـت بهینـه داشته و از هر ورودی در هر ساعت سبز موثر حداکثر جریان ترافیـک عبـور داده شـود. در بیـشتر مـوارد پارامترهایی همچون پهنای خط (یا خطـوط) عبـور در ورودی، شـیب ورودی، نـوع وسـایل نقلیـه، حجـم ترافیک چپگرد، حجم ترافیک راستگرد وحجم تردد عابر پیاده، در تعیین میزان نرخ جریـان اشـباع مـوثر میباشد. دستور العملهای مختلفی برای تخمین ظرفیت و تاخیر در تقاطعها موجـود میباشـد کـه در آنهـا پارامتر اصلی S که نشان دهنده جریان اشباع میباشد، دخالت دارند. رابطه زیر یـک دسـتورالعمل کلـی را برای محاسبه جریان اشباع به دست میدهد که تاثیر هریک از عوامل مورد نظر به صورت یـک ضـریب در آن اعمال شده است:
S=S0 (N) (fw) (fhv) (fg) (fp) (fa) (fbb) (flu) (frt) (flpd) (frpd)( 27-2)
که در آن عوامل تاثیر گذار به صورت زیر تعریف میشود:
:S0 میزان جریان اشباع ایده آل برای هر لاین که معمولاٌ (veh/h/In)1900 در نظر گرفته میشود.
:N تعداد لاینها در گروه لاین.
:fhv ضریب تنظیم برای وسائط نقلیه سنگین در جریان ترافیک. :fw ضریب تنظیم برای عرض لاین
:fp برای تنظیم برای وجود لاین پارکینگ نزدیک به گروه لاین و کیفیت پارکینگ در آن لاین :fg ضریب تنظیم برای شیب ورودی
:fa ضریب تنظیم برای نوع منطقه
:fbb ضریب تنظیم برای مسدود کردن اتوبوسهای محلی که در منطقه تقاطع توقف کردهاند. :flu ضریب تنظیم برای مطلوبیت لاین
:frt ضریب تنظیم برای گردش به راستها در لاین :flt ضریب تنظیم برای گردشهای به چپ
:flpd ضریب تنظیم عابر پیاده برای حرکتهای گردش به چپ
21
:frpd ضریب تنظیم عابر پیاده برای حرکتهای گردش به راست
در روشهای مختلفی که برای تعیین جریان اشباع معرفی شدهاند، میتـوان اثـر برخـی پارامترهـای مختلف را نادیده در نظر گرفت و عوامل موردنظر را به صورت یک ضریب در این رابطه گنجاند.
(3-6-2 سطح خدمات
برای محاسبه نحوه کارکرد تسهیلات ترافیکی، از شاخصی به نام سـطح خـدمات اسـتفاده میـشود.
سطح خدمات نشانگر میزان کارایی تقاطعهای چراغدار است.
تاخیر مهمترین معیار کارایی تقاطعهای چراغدار میباشد. در حقیقت، تاخیر زمان تلف شده خـارج از کنترل رانندگان بوده و ناشی از عامل اساسی زیر میباشد:
-1تاخیرعملیاتی که در نتیجه تداخل بین جریانهای مختلف ترافیک به وجود میاید.
-2تاخیر ثابت که به علت وجود سیستم کنترل چراغ راهنمایی بر وسایل نقلیه تحمیل میگردد. -3تاخیر زمان توقف: مدت زمانی که یک خودرو بدون حرکت در جای خود میایستد. -4تاخیر زمان سفر: تاخیری که بر اساس افزایش و کاهش شتاب صورت میگیرد.
برای محاسبه تاخیر کل ورودی که مجموع تاخیر اتفاقی و تاخیر یکنواخت میباشـد، از رابطـه زیـر استفاده میشود:[1]
(28-2) 25g / C X 2 1/ 3 − 0.65(C /V X 2  C(1 − g / C)2 d  ( 2V (1 − X ) 2[1 − (g / C)] در این رابطه C طول چرخه چراغ و g زمان سبز موثر فاز مربوطه،V حجم جریان ورودی و X نـرخ جریان اشباع میباشد.
در رابطه فوق تاخیر اتفاقی و تاخیر یکنواخت با یکـدیگر جمـع میـشود و چـون متوسـط تـاخیر را حدودا 5تا15 درصد بیش از مقدار واقعی برآورد میکند، جمله سوم حدودا 10 درصد میزان تـاخیر را کـم میکند و باعث تصحیح مقدار آن میشود.
(7-2 چراغهای هوشمند سازگار با ترافیک
در شرایطی که نوسانات ترافیک، نامنظم و غیر قابل پیش بینی بـوده و یـا حجـم تقاضـای تقـاطع پایین تر از شرایط اشباع قرار داشته باشد، تنها راه حل ممکن استفاده از چراغهای سازگار با ترافیک است.
این چـراغهـا بـه دلیـل تطـابقی کـه بـا تغییـرات جریـان ترافیـک دارنـد، دارای مزایـایی بـه شـرح زیـر هستند،14]،13،:[1
-1 در تقاطعهایی که تغییرات جریان ترافیک در آنها زیاد و غیر قابل پیش بینی است، نسبت به چراغهای پیش زمانبندی شده ارجحیت دارند.
-2 در تقاطعهای پیچیده که حجم ترافیک در بعضی از حرکتها نـا مـنظم اسـت، اسـتفاده از ایـن روش مناسب میباشد.
22
روشهای هوشمند کنترل ترافیک دارای آشکارسازهایی هستند که به وسیله آنها برخی پارامترهـای شاخص شرایط ترافیک در محل اندازه گیری میشوند. کنترل کننده دارای پردازندهای است که بـر مبنـای مقادیر این شاخصها و با توجه به روش عملکرد تعیین شده، در مورد مدت زمان هر فاز چراغ راهنمایی و یا شکل فازبندی تصمیم میگیرند. در شکل4-2 نحوه عملکرد یک روش کنترل سـازگار بـا ترافیـک ارائـه شده است.
شاخصهای ترافیک، مقادیر اندازه گیری یا برآورد شدهای هـستند کـه مبنـای سـنجش و تـصمیم گیری در روشهای کنترل سازگار با ترافیک مورد استفاده قرار میگیرد. این پارامترها معمولا شامل: حـضور خودرو، حجم ویا تردد وسایل نقلیه، نرخ اشغال و چگالی، سرعت، شکاف و طول صف میباشند.
چراغهای سازگار با ترافیک ممکن است به صورت نیمه سازگار ویا تمام سازگار عمل نمایند.

شکل((4-2 ساختار روش کنترل سازگار با ترافیک
چراغهای نیمه سازگار، در تقاطع مسیرهای فرعی با مسیرهای اصلی مورد استفاده قـرار میگیرنـد.
این چراغها میتوانند با استفاده از یک یا چند آشکارساز که در مسیر فرعی نصب میـشوند، عمـل نماینـد.
عملکرد آنها به این ترتیب است که در حالت عادی، چراغ مسیر اصلی سبز و چراغ مسیر فرعی قرمز بـوده و با حضور یک یا چند خودرو در در مسیر فرعی، به مسیر فرعی چراغ سبز داده میشود.
چراغهای تمام سازگار در تقاطعهای دو فازه و چند فازه مورد استفاده قـرار میگیرنـد. در ایـن نـوع کنترل در کلیه ورودیهای که نقش تعیین کنندهای در زمانبندی تقاطع دارند، آشـکار سـازهای وسـایل نقلیه نصب میشوند. روش عملکرد به این ترتیب است که برای هر فاز، یک حداقل زمان سبز، یک حداکثر
23
زمان سبز، یک حداکثر فاصله مجاز بین وسایل نقلیه یا فرجـه تمدیـد تعریـف میـشود، شـکل5-2 نحـوه عملکرد کنترل کنندههای سازگار را نشان میدهد.
هدف از تعریف مقادیر حداقل و حداکثر زمان سـبز، حفـظ ایمنـی در تقـاطع میباشـد و اینکـه در صورت بروز اشکال در عملکرد شناساگرهای وسایل نقلیه، عملکرد تقاطع مختل نگردد. نحوه تنظیم زمـان هر فاز به این ترتیب است که با سبز شدن چراغ و سپری شدن حداقل زمان سبز مربوطه، ادامه ویا خاتمه زمان سبز، وایسته به فاصله بین وسایل نقلیه در حال عبور از روی شناسـاگر اسـت. در تقـاطع هـایی کـه میزان تردد و در نتیجه نسبت حجم به ظرفیت تقاطع کم است، برای هر خـودرویی کـه پـیش از سـپری شدن حداکثر فاصله مجاز بین وسایل نقلیه به حوزه شناسگر برسد، چراغ به اندازه فرجه تمدید، سبز نگـه داشته میشود تا این خودرو بتواند از چراغ عبور کند. برای جلوگیری از تحمیل تاخیر بیش از حد بروسایل نقلیه سایر ورودی ها، فاصله مجاز وسایل نقلیه حداکثر 3 تا 4 ثانیه در نظر گرفته میشود.
با گسترش کاربرد ریزپردازنده ها، کنترل کنندههای سازگار با ترافیک از قالبهای غیر قابل انعطاف خارج شده و به سخت افزارهایی قابل برنامه ریزی تبـدیل شـدهانـد. در ایـن کنتـرل کننـدههـا چگـونگی عملکرد سیستم توسط یـک نـرم افـزار خـاص تعیـین میـشود. بـا توجـه بـه اطلاعـات دریافـت شـده از شناساگرهای وسایل نقلیه و عابران پیاده و سایر ورودی ها، امکان تصمیم گیری راجـع بـه زمـانبنـدی و فازبندی وجود دارد.

شکل((5-2 نحوه عملکرد کنترل کننده سازگار با ترافیک
(1-7-2 سیستم SCATS
یک سیستم کنترل کننده هوشمند ترافیکـی SCATS از جملـه سیـستمهـای کنترلـی روی خـط میباشد که در اواخر دهه 70 در کشور استرالیا ارائه و تا کنون در تعداد بسیار زیادی از تقاطعهای بـزرگ دنیا نصب و راه اندازی شده است. این سیستم هوشمند درکنترل شبکههای ترافیکی کـه تعـدادی تقـاطع متصل به یکدیگر را در بر دارد، کاربرد گستردهای یافته است. در میان تقاطعهای یک شبکه تحت کنترل،
24
معمولا یکی از تقاطعها به عنوان تقاطع بحرانی انتخاب میشود و سایر تقاطعهـا نیـز بـا سـهیم شـدن در پارامترهای تقاطع بحرانی، هماهنگ با آن عمل کرده و به این ترتیب نوعی کنترل تطبیقی را روی شـبکه ترافیکی اعمال میکنند.
معیار اساسی در تصمیم گیری سیستم SCATS، همان درجه اشباع یعنی نسبت حجم به ظرفیـت میباشد که با رابطه (26-1) بیان شده است.
در این سیستم پس از دریافت اطلاعات آماری از وضعیت هر یک از ورودیهای تقاطع، مقـدار DS
(درجه اشباع) را برای هریک از آنها به دست آورده و از بین آنها مقـدار درجـه اشـباع بحرانـی را انتخـاب میکند. برای تعیین چرخه یک حد مینیمم و یک حد ماکزیمم با توجه به شرایط خاص آن ورودی در نظر گرفته میشود. پس از تعیین چرخه، درصد تخصیص فاز سبز به هر رویکـرد بـر اسـاس الگوهـای از پـیش تعریف شدهای که برای سیستم مشخص میباشد، صورت میپذیرد، به این ترتیب که بـالاترین زمـان سـبز بودن چراغ به رویکردی که بالاترین درجه اشباع بحرانی را دارد، اختصاص میابد.
البته باید توجه داشت که در عین هوشمند بودن سیستم SCATS ، نقش اپراتور انسانی در نظارت بر عملیات کنترلی بی تاثیر نخواهد بود. وضعیت حجم ترافیکی مسیرها توسط دوربینهای نصب شـده در تقاطع توسط اپراتورها بررسی و در صورت نیاز، سیستم کنترل را حالت هوشمند خارج میشود و بـا توجـه به تصمیم اپراتور، میزان زمان سبز اختصاص داده شده به هر فاز را تعیین میگردد.
در هر صورت هدف از به کارگیری این سیستم کنترلی نیـز ماننـد بـسیاری دیگـر از سیـستمهـای هوشمند، کاهش زمان تاخیر و کاهش زمان توقف و همچنین کاهش زمان سفر میباشد که تا حـد بـسیار مطلوبی نیز در این زمینه موفق عمل نموده است.
(8-2 کنترل هماهنگ چراغها در شبکه
حداکثر کارایی جریان ترافیک در شبکه، صرفا با ایجاد بهترین نوع فاز بنـدی، زمـانبنـدی و طـول چرخه بهینه برای هریک از تقاطعها به دست نمی آید بلکه وضعیت تقاطعهای مجاور نیز به میـزان قابـل توجهی بر عملکرد شبکه موثر است.
هدف از هماهنگی چراغهای راهنمایی، فراهم آوردن شرایطی برای عبور هرچه بیشتر وسایل نقلیـه از یک مسیر با حداقل توقف و تاخیر است. در شرایط کاملا ایده آل انتظار میرود هر وسیله نقلیه کـه وارد سیستم میشود، بدون هیچ توقفی بتواند از آن خارج شود.
در شبکه حمل و نقل شهری معمولا فاصله تقاطعهای مجاور به اندازهای است که عملکرد آنهـا بـر یکدیگر تاثیر میگذارد. در این حالت، جریان ورودی تقاطعها حالت نوسانی پیدا میکند. باسبز شدن چـراغ در تقاطع بالا دست، یک دسته وسایل نقلیه با یکدیگر به حرکت درآمده و تقریبا بـه صـورت گروهـی بـه تقاطع بعدی میرسند. اگر همزمان با رسیدن این وسایل نقلیه، چراغ مربـوط بـه ایـن تقـاطع سـبز باشـد، مجموع تاخیر و توقفات وسایل نقلیه کاهش چشمگیری یافته و کارایی تقاطع شدیدا افزایش میابـد. بـرای دستیابی به این هدف، به جای کنترل مجزای تقاطعها از کنترل هماهنگ استفاده میشود.
معمولا در تقاطع هایی که به صورت هماهنگ با یکـدیگر اداره میـشوند، لازم اسـت طـول چرخـه یکسان ویا مـضرب صـحیحی از یکـدیگر بـوده و فاصـله زمـانی میـان آغـاز چـراغ سـبز در تقـاطع هـای
25
مجاور((offset نیز مقدار مشخصی باشد. عوامل موثر در کنتـرل هماهنـگ تقـاطعهـا شـامل نحـوه رفتـار رانندگان و میزان رعایت نظـم، فاصـله تقـاطع هـا، میـزان پراکنـدگی وسـایل نقلیـه و حجـم تـردد بـین تقاطعهای مجاور میباشد.
ایجاد هماهنگی بین کنترل کنندههای سیستم کنترل هماهنگ، به عهـده یـک کـامپیوتر مرکـزی میباشد. سخت افزار مورد نیاز بر اساس وسعت شبکه، حجم اطلاعات و تحلیـلهـای مـورد نیـاز متفـاوت خواهد بود. در شبکههای کوچک متشکل از چند تقاطع، میتوان کنترل مرکزی را به عهده یکی از کنتـرل کنندههای تقاطع واگذار کرد. درحالیکه در شبکههای بزرگتـر، کنتـرل مرکـزی بـه عهـده یـک یـا چنـد کامپیوتر خواهد بود.
برای شبیهسازی کامپیوتری ترافیک شبکه، مدلهای مختلفی در سطح دنیا وجود دارد کـه ازجملـه آنها میتوان به سیستم SCATS,SCOOT,PASSER,TRANSYT,SIGOP,NETSIM و... اشـاره نمـود.
این مدلها با دریافت اطلاعات حجم، نرخ جریان اشباع و همچنـین مشخـصات فیزیکـی مـسیرها، کـارایی شبکه را برای ترکیبهای مختلف چرخه، آفست، فازبندی و زمانبندی تقاطعها محاسبه نماید. همچنـین الگوریتمهای متعددی بر اساس شبکههای عصبی برای کنترل مرکزی در شبکههای ترافیکی ارائه شدهانـد
16]،.[15
سیستمهای کنترل هماهنگ ممکن است شامل کنتـرل در یـک شـبکه بـاز یـا کنتـرل هماهنـگ شریانی باشد که در این حالت تنها به پیشروی ترافیک در یک مسیر اصـلی (شـریان) توجـه میـشود ویـا شامل کنترل شبکهای باشد که هدف آن تامین موج سبز برای کلیه مسیرها است که البتـه دسـتیابی بـه این هدف در بسیاری از حالات امکان پذیر نمی باشد.
(9-2 فازبندی
هدف از فازبندی چراغهای راهنمایی، افزایش ایمنی تردد از طریق جداسازی حرکـتهـای وسـایل نقلیه از یکدیگر و از عابرین پیاده میباشد، به طوری که این امر منجر به حداقل اثرات منفی در ظرفیـت و تاخیر تقاطع گردد.
تعداد فازهای چراغ بستگی به طرح هندسی تقاطع (شامل تعداد ورودیهای تقاطع، مشخصات خطوط هـر یک از آنها و وجود خطوط گردشی)، حجم و جهت حرکـت وسـایل نقلیـه و نیازهـای عـابران پیـاده دارد.
معمولا با افزایش تعداد فازهای چراغ، کل تاخیر وسایل نقلیـه افـزایش یافتـه و از کـارایی تقـاطع کاسـته میشود. با این وجود، ممکن است در برخی موارد با افزایش تعداد فازها و حذف حرکات متقاطع، تـاخیر و ظرفیت تقاطع بهبود یابد.
در طرح فازبندی چراغ یک تقاطع، باید تجزیه و تحلیل اطلاعـات ترافیکـی و طـرح هندسـی بـه صـورت همگام صورت پذیرد تا ساده ترین طرح با حداقل تعداد فاز، جهت پاسخگویی بـه حجـم ترافیـک موجـود وآتی به دست آید.
26
(1-9-2 انواع فازبندی
-1 چراغ دو فازه : این نوع فازبندی در تقاطع هایی با حجم ترافیک گردشـی متوسـط و تـردد کـم عابرین پیاده مورد استفاده قرار میگیرد. نمونه هایی از طرحهای دوفـازه در شـکل 6-2 ملاحظـه میـشود.
طرح چراغ دو فازه ممکن است به صورت همپوشا، سبز تقدمی یا تاخیری و یا ترکیـب تقـدمی– تـاخیری باشد. در حالت طرح سبز تقدمی یا تاخیری، یک فاز سبز جداگانه بـرای حرکـت در یـک جهـت در نظـر گرفته میشود که سبب طولانی تر شدن زمان سبز حرکت در آن جهت نسبت به جهت مقابل میگردد.

شکل (6-2) طرح چراغ دوفازه

aslinezhad project

(7-2 آنالیز(تحلیل) مدار π شکل خط شاخهای دوبانده و مشاهده نتایج شبیهسازی46
فصل سوم: طراحی مدار میکرواستریپ فشردهT شکل دوبانده با
اندازه کاهش یافته.50
(1-3 دوبانده کردن مدار T شکل خط شاخهای کوچک شده با توجه به روند ارائه شده در
دو بانده کردن کوپلرπ شکل ( 900MHz و 51(2400MHz
(2-3 استفاده از برنامه کامپیوتری ساده جهت بدست آوردن پارامترهای مدار دو بانده52
(3-3 آنالیز(تحلیل) مدار T شکل دو بانده در چند محیط ( نرم افزار) مختلف و مشاهده
نتایج53
فصل چهارم: بررسی انواع مختلف DGS و اثرات آن بر روی
خطوط میکرواستریپ59
DGS (1-4 چیست60
( 2 – 4 مشخصات کلی 60 .DGS
( 3 – 4 کاربردهای 61DGS
٧
( 4 – 4 ویژگیهای 61DGS
( 5 – 4 اثر DGS دمبلی شکل بر روی خطوط میکرواستریپ....61
( 1 – 5 – 4 الگوی .DGSدمبلی شکل و ویژگی شکاف باند63
DGS ( 2 – 5 – 4 دمبلی پریودیک قویتر64
( 3 – 5 – 4 اندازهگیریهای مربوط به DGS دمبلی شکل..66
( 6 – 4 بررسی اثرات DGSهای هلزونی در تقسیم کننده توان بر روی هارمونیکها68
-7-4مدل مداری و هندسه DGS هلزونی غیرمتقارن70
( 8 – 4 حذفهارمونیکهادر مدار مقسم توان73
( 9 – 4 مشاهده اثرات DGS برروی کوپلر T شکل در یک باندفرکانسی78
( 10 – 4 مشاهده اثرات DGS برروی مدار دو بانده طراحی شده80
فصل پنجم:چگونگی استفاده از کوپلر بدست آمده در طراحی
سیرکولاتور82
(1-5طراحی سیرکولاتور83
(2-5مدار معادل برای سیرکولاتور با استفاده از یک ژیراتور و دو کوپلر83
فصل ششم:نتیجه گیری وپیشنهادات86
(1-6نتیجه گیری87
(2-6پیشنهادات88
٨
پیوست ها................................................................................................................................... 89
٩
فهرست مطالب
عنوان مطالبشماره صفحه

منابع و ماخذ. 93
سایتهای اطلاع رسانی97.
چکیده انگلیسی98
١٠
فهرست جدول ها
عنوانشماره صفحه

:(1-2)مشخصات الکتریکی وفیزیکی مدار در دو باند..47
(1-3) دو بازه فرکانسی و دو هدف مورد نظر پروژه..55
(2-3.) بازه بالا و پایین جهت optimom هدف.56
(1–4)مقایسه اثر DGSهای واحد و پریودیک با توزیع نمایی..66
١١
فهرست شکل ها
عنوانشماره صفحه

(a) ( 1 – 1) خط انتقال مرسوم (b) خط انتقال معادل با سری شدن یک خط و
استاب (c) مدل معادل المانهای فشرده برای محاسبه فرکانس قطع23
(a) ( 2 – 1) سرس خطوط انتقال کوچک شده با چندین استاب
باز (b) بزرگی پاسخ.25
( 3 – 1) نمایی از نرم افزار Serenade. RTL جهت بدست آورن طول
فیزیکی و پنهای خطوط.26
( 1-2 ) ساختار T شکل خط انتقال ربع طول موج30
( 2-2 ) منحنی رسم شده حاصل از برنامه کامپیوتری θ1)بر حسب32.(θ3
( 3-2 ) مدار چاپی خط شانهای T شکل34
S11 (a) ( 4-2)،S12،S13،(b) S14 پاسخ فازی مدار Tخط شاخهای35
(5-2) ساختار کوپلر خط شاخه ای یک بانده مرسوم.38
(a) ( 6 – 2) ساختار معادل پیشنهادی (b) خط شاخهای 38. λ4

S11 ( 7-2 )،S12،S13وS14 از کوپلر بدون استاب42
( 8-2 ) پاسخ زاویهS12وS14 برای مدار بدون استاب42
( 9-2 ) ساختار کوپلر پیشنهادی با استاب مدار باز44
١٢
( 10-2 ) ساختار کوپلر پشنهادی با استاب اتصال کوتاه ........................................................ 45
11-2 ) ) نتایج شبیه سازی .................................................................................. ...(S11) 47
12-2 ) ) نتایج شبیه سازی(S12و............................................................................ .(S13 48
( ( 13-2 نتایج شبیه سازی .................................................................................... .(S14) 48
14-2 ) )نتایج شبیه سازی (پاسخ فاز مدار با استاب باز) ................................................... 49
( (a) ( 1-3 شماتیک (b) مدار چاپی ................................ (designer, hfss) ansoft 55
( S11(a) ( 2-3،S12،S13وS14 مدار شبیه سازی شده در .....................................................................ADS (c) serenade (b) ansoft (a) 57
( 3-3 ) پاسخ فازی مدار دو بانده. ....................................................................................... 58
1-4 ) ) شمای مختلف H (a) DGS شکل T ( b)شکل (c)هلزونی شکل (d) دمبلی شکل. ......................................................................................................... 60
( 2-4 ) خط میکرواستریپ با εr = 15 و ................... ................................ h = 1/575 62
( 3-4 ) پارامترهای S مدار دوپورته.. ................................................................................ 62
( 4-4 ) مدار با DGS دمبلی شکل .. ............................................................................... 63
( 5-4 ) پارامترهای S مدار با DGS دمبلی شکل ............................................................ 63
( 6-4 (a) ( نوع (b) 1 نوع (c) 24 نوع DGS 3 دمبلی شکل ...................................... 65
( 7-4 ) پارامترهای S برای DGS دمبلی با انواع مختلف سایز. ....................................... 66
( 8-4 ) مقایسه پارامترهای S مدارهای (a) DGS نوع (b) نوع (c) 2 نوع 67 ............. ..3
١٣
( 9-4 ) خط میکرواستریپ با DGS هلزونی نامتقارن برروی زمین. ............................... 70
( 10-4 ) پارامترهای انتقال خط با DGS متقارن ( A = A' = B' = 3mm و نامتقارن A = 3/4m) و ............................................................................(B = 2/6 mm 71
11-4 ) ) فرکانس روزنانس ناشی از بر هم زدگی سمت چپ و راست خط بر حسب تابعی از ...................................................................................................................... .B/A 71
12-4 ) ) مدار معادل بخش DGS هلزونی نامتقارن ........................................................ 73
13-4 ) DGS (a) ( هلزونی نامتقارن برای حذف هارمونیک دوم و سوم (b) مدار معادل ساختار این ......................................................................................DGS 74
( 14-4 ) پارامترهای S مدار با DGS هلزونی بصورت EM و شبیه سازی شماتیک ........ 75
15-4 ) ) هندسیای از (a) مقسم توان ویل کنیسن معمولی (b) مقسم توان با DGS نامتقارن....................................................................................................................... 76
( 16-4 ) نتایج شبیه سازی (a) پارامتر S مقسم توان معمولی S (b) برای مقسم توان با ....................................................................................................................... ..DGS 77
17-4 ) ) مقسم توان willkinson با DGS هلزونی نامتقارن (a) روی مدار (b) پشت مدار...................................................................................................................... 77
( 18-4 ) نتیجه شبیه سازی مقسم توان با DGS هلزونی نامتقارن(.......... S12 ( b) S11 (a 78
( 19-4 ) مدار T شکل با استفاده از DGS هلزونی (a) یک بعدی (b) سه بعدی.......... 79
20-4 ) (a) ( نتیجه پاسخ شبیه سازی کوپلر با استفاده از اعمال (b) DGS بدون ١۴
استفاده از 80DGS
( 21-4 ) مدار چهار پورتی T شکل دوبانده با اعمال DGS دمبلی شکل در
شاخه خطوط..81
( 22-4) پارامترهای S حاصل از بکار بستن 81DGS
(1-5)نماد ژیراتور83
( 2-5)سیرکولاتور 4 پورته متشکل از دو مدار هیبریدی و زیراتور83
(3-5) سیرکولاتور ساخته شده با استفاده از دو کوپلر و یک ژیراتور84
(a)(4-5)،((b،((cو(:(dنتایج شبیه سازی سیرکولاتور85
(1-6)شبکه دو قطبی خطی. 91
١۵
چکیده:
در این پروژه سیرکولاتور دو بانده با ابعاد کوچک ارائه شـده اسـت. در طراحـی سـیرکولاتور مـورد نظـر از
کوپلر شاخه ای (BLC)1 میکرواستریپی دو بانده کوچک شده استفاده شده است . لذا در این پـروژه بیـشتر
بر روی چگونگی کوچک سازی و دو بانده کردن کوپلر شاخه ای میکرواستریپی با اسـتفاده از مـدارات T و
همچنین DGS2 متمرکز شده ایم . در کوپلر شاخه ای پیشنهادی از مدارات T در هر شاخه که دارای طـول
الکتریکی ±90 درجه در دو بانده می باشند ، استفاده شده است. از طرفی در صفحه زمـین در زیـر خطـوط
این کوپلر DGS هایی قرار دارند که با استفاده از این DGSها ، طول الکتریکی خطوط کاهش یافته و ابعاد
کوچکتر می گردند. کوپلر دو بانده کوچک شده توسط نرم افزارهایSerenadeوADS3وAnsoft تحلیـل
شده و نتایج شبیه سازی در این پروژه آورده شده اند. سپس با استفاده از کوپلرهای دو بانده کوچک شـده ،
سیرکولاتور مورد نظر طراحی گردیده است.

Branch line coupler١ Defected ground structure٢ Advance designe sys--٣
١۶
مقدمه:
امروزه تقاضا برای استفاده از عناصر دو بانده در صنعت مخابرات رو به افزایش است . سیستمهای مخابرات
با آنتن های دو بانده کاربرد زیادی دارند. سیرکولاتور یکی از عناصر اصلی در چنین سیستم هایی اسـت. بـا
استفاده از سیرکولاتور دو بانده می توان از یک تغذیه بین آنتن و سیستم مخـابراتی اسـتفاده نمـود. یکـی از
اجزای اصلی در ساخت سیرکولاتورهای چهار پورتی ، کوپلرهای هایبریدی و کوپلرهای شاخه ای((BLC
می باشند.
(BLC) از چهار خط انتقال به طول ربع طول موج مؤثر در فرکانس اصلی و هارمونیک هایی کار می کنـد.
.[1] ,[2]
معمولا این کوپلرها بزرگ هستند و سطح و فضای اشغال شده توسط آن ها زیاد است. در اکثـر کاربردهـای
امروز به خصوص در بردهای صفحه ای و میکرواستریپی ، این عیب محسوب می شود. لذا ، امـروزه روش
های مختلفی برای کوچک سازی و افزایش پهنای باند]٣[7- این کوپلرها ارائه شده است.
در مخابرات مدرن امروزی نیاز به اجزاء دو بانده بالاخص کوپلر BLC دو بانده ، می باشد تا مقدار عناصـر
مورد استفاده ،کاهش یابد.
] Hsiang٨[ از خطوط چپگرد برای دو بانده کردن کوپلر استفاده کرده است.BLC شامل خطـوط متـصل
شده به یک جفت المان موازی]١١[ گزارش شده است.
در این پروژه با استفاده از روشـهای کوچـک سـازیBLC و ترکیـب آن هـا بـا روشـهای دو بانـده سـازی
ابتداBLC با ابعاد کوچک در دو بانده 900Mhzو2400Mhz طراحی شده است سپس برای کاهش بیـشتر
سطحBLCصفحه ای ازDGS ها استفاده شده است.
١٧
گزارش ارائه شده از نمونه طراحی سیرکولاتور مورد نظر شامل قسمت های زیر می باشد:
در فصل اول کلیاتی در مورد مراحل انجام پروژه ،هدف از انجام مراحل کار ، پیشینه تحقیقهای انجـام شـده
در مورد مدارمورد نظر و روش کمی کار مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل دوم ابتدا نحوه افزایش پهنای باند کوپلرها ، کوچک سازی با استفاده از مدارT و استفاده از مـدارπ
بــرای دو بانــده کــردن کوپلربررســی شــده اســت. ســپس بــا اســتفاده از نــرم افزارهــای تخصــصی
مانندSerenadeوAnsoft مدارات ذکر شده تحلیل گشته و نتایج شبیه سازی آورده شده اند.
در ادامه کوپلر کوچک شده با استفاده از مدارT ، با توجه به روند ارائـه شـده در دو بانـده کـردن کـوپلر بـا
مدارπ ، در فصل سوم دو بانده شده و روابط حاصل برای دو بانده کردن آن به دست آمده است.
کوپلر به دست آمده با استفاده از نـرم افـزار ADSوSerenadeوAnsoft تحلیـل و بهینـه گـشته اسـت و
منحنی های مربوط به آن در این فصل آورده شده اند.
در فصل چهارم DGS به عنوان ابزاری برای کوچک سازی مدارات صفحه ای شرح داده شده و از آن برای
کوچکتر کردن ابعاد کوپلر دو بانده استفاده شده است . نتایج شبیه سـازی کـوپلر حاصـل ، نـشان داده شـده
است. چگونگی استفاده از کوپلر به دست آمده در طراحی سیرکولاتور در فصل پنجم شرح داده شده اسـت
و در آخر در فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهاداتی برای ادامه کار آورده شده است.
١٨
فصل اول:
کلیات
١٩
(1-1 هدف
کوپلرهای شاخهای با بکار بستن استابها ( مدارباز – مدار کوتاه) نیزو با Cascade شدن یک سـری شـاخه
برکاستن حجم و بالا رفتن پهنای باند نقش بسازیی را دارند. همچنین المانهای فشرده به ما امکـان کـوچکتر
کردن مدار را میدهند و با عث افزایش باند میگردند منتهی برای ساخت مدار نهایی با کـاهش سـایز کلـی و
افزایش پهنای باند و بکار بردن کوپلینگ مناسب در سرهای مدار و ایزوله کردن پورتها از همدیگر مـیتـوان
از روش مناسب بکار بردن DGS و نتیجتاً افزایش اندوکتانس خطوط و در نتیجه اهداف مطلوب دسترسـی
پیدا کرد.
در این پروژه هدف کلی رسیدن به ساختار فشرده و نیز استفاده از مدار میکرواستریپی در دو بانـد فرکانـسی
دلخواه و نیز افزایش هر یک از باندهای فرکانسی می باشد. و عـلاوه بـر ایـن بـا بکـار بـستن ( defected
ground structure) DGS بر روی زمین مدار شاهد اثرات مثبت آن برروی دستیابی باند فرکانسی مورد
نظر و نتیجتاً کاهش سایز مدار و خواهیم بود.
(2-1 پیشینه تحقیق
با توجه به ساختار مدار این پروژه و هدف مورد نظـر تحقیقهـایی مـورد نظـر بـودهانـد کـه بیـشتر در بـاره
Compact و فشرده سازی المانها، افزایش پهنـای بانـد، از بـین بـردن هارمونیکهـای اضـافی و اسـتفاده از
DGS میباشد.
در[1] افزایش پهنای باند مدارهای هایبرید با استفاده از اتصال خطوط شاخهای و استفاده از اسـتابهای مـدار
λ
باز در دو انتهای خط میکرواستریپ و معادل قرار داده خط با خط انتقال 4 جهت کاهش ابعاد مورد بررسی

قرار گرفته است.
٢٠
فعالیتهای گستردهای در جهت طراحی و بکاربردن کوپلرها و سـیرکولاتورهای صـفحهای فـشرده دردو بانـد
مورد دلخواه بعنوان مثال در پروژه - ریسرچ[2]انجام گردیده است که در فصل دوم نتایج حاصل از شـبیه سـازی ایـن
گونه کوپلرها و استفاده از ماترسیهای انتقال و نوشتن برنامه کامپیوتری جهت استفاده در دو فرکانس دلخـواه
مورد بررسی خواهند گرفت.
در مورد کاهش بیشتر سایز کوپلرها در حدود 45% مقدار کوپلرهـای مرسـوم خـط شـاخه ای و بـا مـدل T
شکل فعالیتهایی در مقالات گوناگون [3] تنها در یک باند فرکانسی مطرح گردیده است که در فصل بعدی
نیز این پروژه - ریسرچو نتایج شبیه سازی آن با نرمافزارهای گوناگون مورد بررسی قرار می گیرند.
یکی از مسائل مهم در چند قطبیهای میکرواستریپ مسئله کاهش اندازه بـوده کـه بـا توجـه بـه اسـتفاده از
المانهای باند و کاهش حجم مدار نیز استفاده از (defected ground structure) DGS مـیباشـد. ایـن
کار باعث از بین بردن هارمونیکهای اضافی و نتیجتاً کاهش اندوکتانس مدار و بالا بردن پهنای باند و کاهش
سایز مدار با کم کردن المانهـای مـوازی مـیگـردد. در ایـن زمینـه نیـز فعالیـتهـای گـسترده و اسـتفاده از
DGSهای مختلف صورت گرفته است [2]و[4]و[21]و .[22]
که اثرات تک DGS و نیـز DGS دمبلـی پریـود یـک را بـر روی پارامترهـای اسـکترینگ یـک خـط
میکرواستریپ دو پورتی ،بررسی شده است.
همچنین در[21] کاربرد DGS برروی خطوط یک کوپلر و تأثیر آن برروی پاسخ شبیه سـازی بـرروی ایـن
مدار در نرمافزار Ansoft بررسی گردیده است.
علاوه[23] نیز اثرات DGS هلزونی برروی حذف هارمونیکها و پهنای باند در یک تقسیم کننده توان ویـل
کینسن را مورد بررسی قرار داده است که در این پروژه در انتهای از این نوع DGS در زیـر خطـوط کـوپلر
خط شاخه ای تک بانده استفاده گردیده و نتایج آن آورده شده است.
٢١
و اثرات شکلهای گوناگون [21]DGSو[22]و[23]و مدل کردن مداری آنها بـرروی کـوپلر، سـیرکولاتور و
تقسیم کنندههای توان و به طور کلی خطوط میکرواستریپ را بررسی میکنند که در فصلهای بعـدی در ایـن
مورد به طور مفصل توضیح داده شده و نتایج حاصل از شبیه سازی نیز آورده شده است.
( 3 – 1 روش کار و تحقیق
در این پروژه روش کار و تحقیقهای انجام شده جهت رسیدن به هدف مورد نظر یعنـی اسـتفاده از دو بانـد
فرکانسی دلخواه کاهش حجم مدار بالابردن ضریب کوپلینگ نیز بـه صـورت اسـتفاده از مراجـع و منـابع و
مشاهده نتایج حاصله از این کارها بوده و بعد از برقراری لینک مورد نظر این منبع مـورد بررسـی بـا هـدف
نهایی به آیتم بعدی پروژه - ریسرچمربوط به مرجعهای اولیه پرداخته شده است. در بخشهای بعدی این مراحل عنوان
میگردند.
( 1 – 3 – 1 بررسی هایبرید خط شاخهای فشرده باند پهن:
در این مرحله نیز خط میکرواسـتریپ Zc4 بـا طـول الکتریکـی θ نیـز کـه در شـکل (1 – 1) (a) مـشاهده
میگردد به صورت یک خط انتقال مرسوم با المانهای توزیع شده فشرده معادل آن نیز مدل گردیده است[9]
و با بکار بردن فرمول ماتریس ABCD5 مدار معادل مشاهده شده در شکل (1 – 1) ( b) میتوانـد اسـتنباط
گردد. با معادلات ماتریس ABCD در شکل (1 – 1) به نتایج زیر دسترسی پیدا میکنیم.
(1 – 1)
JB01  J tan θ01 / Z 01

امپدانس خط معادل
ماتریس انتقال خط
٢٢
که B01 امپدانس ورودی استاب مدار باز است و٠١θ طول الکتریکی استاب مدار باز است.
و با در دست داشتن ادمیتانس ورودی استاب مدار باز شکل (b ) ( 1 – 1) به معادلات زیر میرسیم
(2 – 1) cosθs −cosθ B01  Z c sin θ (3 – 1) Zc sinθ Zs  sinθs که ≤θs≤θ≤1٠ می باشد و همانطوری که در شکل((1-1 دیـده میـشود θs طـول خـط بـین دو اسـتاب در
مدارπ است.

شکل (a ) (1 – 1) خط انتقال مرسوم (b) خط انتقال معادل با سری شدن یک خط و استاب (c) مدل معادل المانهای فشرده برای محاسبه فرکانس قطع
٢٣
ما همچنین میتوانیم فرکانس قطع برای ساختار فیلتر مانند شکل (b ) ( 1 – 1) و مـدار معـادل آن در شـکل
(c) (1-1) به صورت زیر بدست آوریم:
(4 – 1)
1 Wc  Leq Ceq
(5 – 1)
1  Wc )ZsSinθs tan(θs / 2)  Cosθs − Cosθ 2( W0 Zs Zc Sinθ
که در Wc فرکانس قطع مدار معادل نشان داده شده شکل (b ) ( 1 – 1) و Wo فرکانس کار مرکـزی مـدار
مورد نظر با المانهای فشرده معادل 7Ceq, Leq6 میباشند.
حال در اینجا برای بالا رفتن پهنای باند و عریض کردن باند فرکانسی دلخواه، با استاب مدار بـاز بـه خـوبی
طول واحد خطوط سری با یکدیگر بوده و مدل کردن خط میکرواستریپ با خطوط معـادل بـا اسـتابهـای
مدار باز سری همانطور که در شکل (2 – 1) نشان داده شده باعث کم شدن امپدانس استاب بـاز و افـزایش
فرکانس قطع (fc) میگردد.

۶ سلف ٧خازن معادل
٢۴

شکل((a) ( 2 – 1 سری خطوط انتقال کوچک شده با چندین استاب باز (b) بزرگی پاسخ
با مشاهده پارامترهای S این مدار در شکل (b ) (2 – 1) از این مدارات میتوان جهت بالا بردن باند فرکانس
و نیز استفاده مدار دو باند فرکانسی دلخواه،اسنفاده گردد.
( 2 – 3 – 1 بررسی کوپلر خط شاخهای دو بانده(:(2000/900
در اینجا نیز با ایده گرفتن از کار قبلی و استفاده از ماتریسهای ABCD که در فصل بعدی آورده شده زمینه
جهت استفاده از کوپلر خط شاخهای Tشکل با حجم کم و باند فرکانسی دو بانده کـه در فـصل سـوم آمـده
فراهم میگردد.
٢۵
( 3 – 3 – 1 شبیه سازی کوپلر دو بانده خط شاخهای T شکل
در این قسمت با ایده گرفتن از روشهای قبلـی کـه در فـصلهای بعـد توضـیح داده مـیشـود از ماتریـسهای
ABCD استفاده شده و بعد از نوشتن برنامه کامپیوتری زمینه جهت استفاده از المانهای فـشرده در دو بانـد
فرکانسی دلخواه فراهم گردیده است. از بدست آوردن مقادیر Z و θ که امپدانس مشخصه خطـوط و طـول
الکتریکی آنها هستند با استفاده از فرمولهای موجود در بازههای مختلف که در منابع مختلـف هـم آمـدهانـد
طول و پنهای خطوط چند پورتی مورد نظر بدست میآید که در این پروژه از serenade استفاده شده است
و این مقادیر با دادن فرکانس کار، مشخصه دی الکتریک مورد نظر و امپدانس و طول الکتریکی خط نیـز بـه
سادگی بدست میآیند. در شکل (3 – 1) شمای کلی این نرم افزار آمده است.

شکل :(3 – 1) شمایی از نرمافزار serenade جهت بدست آوردن طول و پنهای خطوط
٢۶
با بستن مدار فوق در نرم افزارهای مختلف نتـایج شـبیهسـازی را مـشاده و در صـورت عـدم نتیجـهگیـری
همانطور که در فصل سوم آمده آنرا optimum میکنیم. در نهایت با ایده گرفتن از کارهای انجـام شـده در
مقالات مختلف DGS های گوناگون را بکار گرفته و نتایج حاصل از آن را آوردهایم.
٢٧
فصل دوم:
تقریبی برای طراحی و بکار بستن کوپلر خط شاخهای
تک بانده و دو بانده وTشکل
٢٨
(1-2 مدار خط شاخهای اندازه فشردهT شکل
دراینجا هدف طراحی کوپلر و در نهایت سیرکولاتور خط شاخهای بهم پیوسـته بـدون اسـتفاده از المانهـای
توده میباشد. اندازه کـوپلر پیـشنهادی تنهـا 45درصـد کوپلرهـای خـط شـاخهای مرسـوم در فرکـانس 2/4
گیگاهرتز میباشد.
اندازه المانهای این نوع کوپلر میتوانند به راحتی با استفاده از عمل قلم زنـی بـرد مـدار چـاپی بـه صـورت
واقعی کشیده شده و برای سیستمهای ارتباطی بیسیم بسیار مفید و پرکاربردند. چرا که اخیراً سیستم ارتبـاط
بیسیم در جهت اهداف کوچک کردن و پائین آوردن هزینه بـه قطعـات کـوچکتری نیـاز دارنـد. از ایـن رو
کاهش اندازه از اهداف قابل توجه در بکاربستن این طراحی میباشد. در پایینترین باند فرکانس مایکروویو،
اندازه کوپلر خط شاخهای مرسوم جهت استفاده عملی بسیار پیچیده و بزرگ است. تکنیکهای زیادی جهـت
کاهش سایز این گونه کوپلرها گزارش شده است. ترکیب خط انتقال با امپدانس بالا و خازنهای فشرده شنت
شده به آنها نیز مورد بررسی قرار گرفته اند.در این موارد خازنها با عایقهایی خاص، مورد نیاز مدارهای شنت
میباشند که در بحث بعدی جهت دو بانده کردن کوپلرهای خط شاخهای πشکل توضیح داده میشود.
مرجع[11] کوپلر خط شاخهای درخطوط میکرو استریپ تک لایه از فلز بدون هیچ گونه المان فـشرده شـده
واضافی ̦ سیمهای اتصال را پیشنهاد می کند.اندازه این گونه کوپلرها حدود 63درصـدطراحی هـای مرسـوم
میباشد. هرچند که قسمتهایی که ناپیوستگی در داخل کوپلر بوجود میآورند نیز همان ناپیوستگیهای ناشی
از اتصال مدارهای استاب شنت مدار باز یا کوتاه میباشند کـه باعـث بوجـود آمـدن مـشکل (over lap)8
میگردند. بنابراین ما در فصل بعدی روی طراحی یک کوپلر خط شـاخهای T شـکل جمـع و جـور جدیـد

٨هم پوشانی
٢٩
متمرکز خواهیم شد و در قسمت بعدی آنها را در کوپلرهای واقعی بکار برده و به تحلیـل و بهینـهسـازی آن
میپردازیم.
این نوع کوپلرها بدون استفاده از هیچ گونه المان فشرده، سـیم و قطعـه ای، مـیتواننـد بـه سـادگی بـرروی
سابستریتها ساخته شوند و در مقایسه با مدارات مرسوم طراحی شده اطلاعات را بخـوبی آشـکار مـیکننـد،
همچنین هماهنگی نزدیک و خوبی ما بین نتایج شبیهسازی و اندازه گیری شده مشاهده می گردد.
روش مرسوم ومعمولی جهت آنالیز کوپلر T شکل خط شاخهای بر روی استفاده از آنالیز مد نرمال است کـه
در اینجا ما از آن استفاده کردیم و این بدلیل ساختار هندسی آن نیز میباشد.
هر چند که خط با سایز کاهش یافته با طولی کمتر از λ / 4 اندوکتانس و ظرفیت پائینتـری را دارد، منتهـی
جبران اندوکتانس بوسیله افزایش امپدانس مشخصه خط و جبران ظرفیت نیـز بوسـیله اضـافه کـردن خـازن
شنت متصل شده [15] C میباشد. در این پـروژه خـازن C نیـز بوسـیله یـک خـط اسـتاب مـدار بـاز [9]
جایگزین گردیدهاست و معادل آنرا در مدار T شکل قرار دادهایم.

شکل(:(1-2ساختار T شکل خط انتقال ربع طول موج
ساختار T شکل معادل معمولی از یک خط کاهش یافته در شکل (1-2)نـشان داده شـده اسـت کـه در ایـن
شکل Z1،Z2،Z3وθ1،θ2وθ3 امپدانس مشخصه خطوط و همچنین طول الکتریکی آنها را نـشان مـیدهنـد.
لزومی ندارد که جایگاه خط با طول الکتریکـی((θ2 مـدارباز در وسـط خـط کـاهش انـدازه یافتـه مـا بـین
٣٠
Z1وZ2قرار داشته باشد. روابط ما بین این عناصر یعنی امپدانس مشخصه و طولهای الکتریکی را مـیتـوانیم
بوسیله ماتریس ABCD آنها تخمین بزنیم.
با استفاده از روابط قبلی برای طراحی یک کوپلر خط شاخهای πشکل مرسوم در اینجا با معـادل قـرار دادن
ماتریس آن با امپدانس مشخصه خط با طول θ = ±90° و ±ZT داریم:
3 Sinθ 3 JZ 3 Cosθ 1 0 Sinθ JZ Cosθ A B (1-2) j 1 1 1 j Cosθ3 Sinθ3 1 JB Cosθ1 Sinθ1 D  C Z3 2 Z1 (1-2) jB2  jTanθ2 / Z 2 (3-2) N Z1 Z3 (4-2) K Z1 Z 2 (5-2) M Z1 ZT از طرفی با معادل قرار دادن ماتریس فوق با ماتریس خط 90° داریم.
JZT
0(6-2)

0 JZT Sinθ j  Cosθ Z T
Cosθ B A Sinθ j  D C T Z و پس ساده سازی چهار معادله به صورت زیر خواهیم داشت:
(7-2) Cosθ1Cosθ3 − KTanθ2 Sinθ1Cosθ3 − NSinθ1 Sinθ3  0 (8-2) N Cosθ1Sinθ3 − KTanθ2Sinθ1Sinθ3  NSinθ1Cosθ3  M ٣١
(9-2) Tanθ2Cosθ1Sinθ3  Cosθ1Cosθ3  0 K Sinθ1Sinθ3 − 1 − N N (10-2) Sinθ1Cosθ3  KTanθ2Cosθ1Cosθ3  NCosθ1Sinθ3  M با ساده سازی روابط فوق دو معادله زیر را خواهیم داشت:
N 2 M 2 2 − N M 3  Tanθ Tanθ Tanθ N) ,Cotθ ) Tanθ Cotθ 2(11-2) M N N 1 3 1 3 1 (12-2) ( 2 − N 2 M 3 ( Tanθ 2  ) Tanθ 2 − N 2 M 3 ( 3  Sinθ Tanθ2Cosθ K KN MN M معادلات (11-2) و (12-2) نیز مقادیر θ1 و θ2 وθ3 را تحت شرایطی که M و N را داشـته باشـیم بـه مـا
میدهند. برای سادگی کار در اینجا Z1 را برابر Z3 در نظر میگیریم. طـول الکتریکـی θ1 بـر حـسب طـول
الکتریکی θ3 برحسب مقادیر مختلف M رسم گردیده است که در شکل (2-3) نیز آمـده اسـت. در اینجـا
نیز برنامه سادهای با نرم افزار مطلب نوشـته شـده(پیوسـت الـف-(1 و بـه ازای مقـادیر مختلـف N و M
میتوان به ازای θ1 های مختلف مقادیر θ2 و θ3 را بدست آورد.
١θ

٣θ
شکل θ1:(2-2) بر حسبθ3
٣٢
واضح است که طول الکتریکی کل خط کوچک شده( (θ= θ1 + θ3 با افزایش مقدار M نیز کاهش مییابد.
جایگاه خط استاب مدار باز شده در داخل کوپلر خط شاخهای تحـت شـرایط خـاص نیـز تحمیـل گردیـده
است. مقدار طول الکتریکی (θ2) ما بین مقادیر θ2 و θ میباشد. جهت جلـوگیری از مـشکل هـم پوشـانی

(Over lab) خط استاب باز را به انتهای خط اتصال کوتاه وصل میکنیم. θ1 و θ3 به ازای مقادیر شناخته
شده M به یکدیگر تبدیل شده در حالیکه حالت معادله (12-2) تحت N = 1 بدون نغییر باقی میماند. ایـن
نتایج به توانایی دو رابطه بدست آمده اشاره دارد. با بدست آوردن مقـادیر θ1 و θ3 و بـا داشـتن معادلـه
(12-2) مقادیر θ2 وZ2 محاسبه میگردند.
(2-2 طراحی و بکار بستن مدار T شکل و رسم منحنی مشخصه آن
با روشی که در بالا توضیح داده شد به سادگی میتوان انـدازه کـوپلر خـط شـاخهای مرسـوم را کـاهش داد
سابستریت مدار فوق دارای ویژگیهای زیر میباشند:
metal thickness =0 .02mm و h = 0.8mm و Tanδ  0.022 و εr  4.7
امپدانس مشخصه کوپلر خط شاخهای مرسوم 35 اهم در خط اصلی و در شاخه عمودی 50 اهم میباشند.
جهت کاهش دادن اثر افت هادی، افت تشعـشعی و جلـوگیری از مـدهای مـزاحم انتـشار نیـز پهنـای خـط
میکرواستریپ محدود شده و این امر با محدود کردن مقدار امپدانس مشخصه موثر واقع میگردد.
در ابتدا پارامترهای خط کوتاه شده اصلی ( افقی) را بـرای M=1/7 و بـا درنظـر گـرفتنθm1=17° بدسـت
میآوریم که از شکل θm3 = 48 °(2-2) حاصل میگردد. با قراردادن اطلاعات فـوق در رابطـه (12-2) و
٣٣
در نظر گرفتن k=2/6 مقدار θm2=39° (طول الکتریکی استاب باز خط اصـلی) بدسـت مـیآیـد. بـه طـور
مشابه پارامترهای خط شاخهای کاهش یافته را هم بدست میآوریم.
θb2=31 ْ θb3=58 ْ M=1/5 k=3/3 θb1=16
با در دست داشتن مقادیر فوق از نرمافزار Serenade جهت بدست آوردن ابعـاد مـدار چـاپی ) W پهنـای
خطوط) و ) L طول خطوط) اسـتفاده مـیکنـیم. بعـد از بدسـت آوردن ابعـاد فـوق، مـدار را بـا نـرمافـزار
Ansoft designer ترسیم نموده و بعد از تحلیل مدار فوق نیز نتایج اندازهگیری شده را بدست میآوریـم.
مدار چاپی آن در شکل (3-2) نشان داده شده است. و نتایج شبیهسازی در شکلهای (a) (4-2) و (b) نشان
داده شده است.

شکل :(3-2)مدار چاپی خط شانهای T شکل
٣۴

(a)

(b)
شکل S11:(a)(4-2)،S12،S13وS14 و(:(bپاسخ فازی کوپلر خط شاخه ای
مشاهده می شود S11 وS14 در فرکانس مرکزی کمتر از -20dB وS12 وS13 حدود -3dB میباشند.
حال با توجه به نتایج شبیه سازی اندازه گیری شده مستقیم و توان کوپل، افت بـالا بوسـیله سـاختار فلـزی و
افت تشعشعی دیده نمیشود . حوزه مدار کاهش یافته در مقایسه با کوپلر خط شاخهای مرسوم بـشتر از 55
درصد میباشد.
٣۵
مادر بخشهای بعدی مدار فوق را با اسـتفاده از بکـار بـستن (Defected ground structure)
DGS نیز مورد بررسی قرار خواهیم داد و اثرات DGS بر روی نتایج شبیهسازی مورد بررسی قرار خواهند
گرفت.
٢( 3 – کوپلر خط شاخهای π شکل
طراحی یک کوپلر خط شاخهای جدیدی که میتواند در دو فرکانس دلخـواه کـار کنـد از ویژگیهـای مـدار
پیشنهادی اندازه فشرده و ساختار شاخهای میباشد. فرمولهای طراحی روشن و واضـحی از ایـن مـدار بیـان
گردیده، چرا که موضوع مجهولات آن از قیبل امپدانس شاخههای خط مشخص گردیده اند.
فعالیتهایی جهت بررسی و رسیدگی نتایج شبیهسـازی شـده و انـدازه گیـری شـده از عملکـرد کـوپلر خـط
شاخهای میکرواستریپ در فرکانسهای 0/9 الی 2 گیگا هرتز انجام شده است.
کوپلرهای خط شاخهای از معروفترین مدارات پسیو استفاده شده در کاربردهای موج میلیمتری و میکرویـو
میباشند.
هایبریدهای λ / 4 طول موج [10] ,[9] مثالهای خوبی هستند که در باند فرکانسی مناسب دامنـه مـساوی و
فاز 90° در خروجی ایجادی میکنند. آنها عموماً در تقویت کنندههای بالانس شده و میکسرها برای بدسـت
آوردن یک افت برگشتی خوب استفاده شده و در جهت حذف سیگنالهای ناخواسته بوده، اگرچه بـه خـاطر
طبیعت ذاتی باند باریک ، طرح مرسوم بر روی خط انتقال λ / 4 بنا نهـاده شـده، کـاربردش در سیـستمهای
چند بانده و باند وسیع محدود گردیده است.
در سالهای اخیر، گزارشهای متفاوتی در رابطه با افزایش و بالا بردن پهنـای بانـد[11] و تکنیکهـای مـوثر در
کاهش سایز [14] ,[12] در مقالات مختلف عنوان گردیده اسـت. طراحـی کـوپلر خـط شـاخهای بـر روی
٣۶
المانهای توزیع شده فشرده بنا گردیده و همچنین برای کاربردهایی در دو باندفرکانسی نیز پیـشنهاد گردیـده
است. در [16] مولف یک ساختار صفحهای جدید را برای طراحی کوپلرهای خط شـاخهای دو بانـد عنـوان
کرده است هرچند مدار پیشنهاد شده از اشکالات زیر برخوردار می باشد:
-1 پهنای باند محدود ( کمتر از (10MHz
-2 افت داخلی و برگشتی بهینه نشده
-3 فضای اشغالی سابستریت آن خیلی بیشتر از کوپلرهای مرسوم بوده ( برخی از خطوط شاخهای، طولی به
اندازه 0/5λ را دارند)
درطرح پیشنهادی، تمام خطوط شاخهای تنها دارای طول λ / 4 بوده ( اندازه فشرده) و در فرکانس میـانی دو
تا باند فرکانسی بکار بسته شده، همچنین در مقایسه با طرح ذکر شده قبلی پهنای باند عملکرد وسیعتـری را
( > 100MHz ) ایجاد میکند، همچنین ایزولاسیون بین پورتهای بهتر و افت داخلی و برگشتی بهینـه تـری
را دارد ( بخش بعدی).
در قسمت بعد جهت آنالیزکردن، فرمولهای یک کوپلر خط شاخهای با فرمولهای واضح و روشـن نـشان داده
شده، در نهایت جهت رسیدگی و تحقیق، نتایج اندازهگیری و شبیهسازی شده ساختار کوپلر خـط شـاخهای
درباند فرکانسی (900/2000)Mhzکه با تکنولوژی میکرواستریپ ساخته شده آورده شده است.
( 4 – 2 فرموله کردن با استفاده از ماتریس خطوط انتقال
٣٧
شکل (5-2) طرح یک کوپلر خط شاخهای تک باند مرسوم توسط بخشهای خطوط انتقال بـا طـول λ / 4 را
نشان میدهد. در شکل (6-2) مدار معادل برای یـک خـط انتقـال λ / 4 پیـشنهاد شـده کـه شـامل خطـوط
شاخهای به طول الکتریکی θ و امپدانس مشخصه ZA بوده و به جفت المان موازی (jY)9 متصل گردیده.

شکل(:(5-2ساختار کوپلر خط شاخه ای یک بانده مرسوم

(a)

(b)
شکل((a):(6-2ساختار معادل پیشنهادی (b).خط شاخه ای λ / 4

٩ مقدار ادمیتانس خط
٣٨
حال جهت تحلیل ساختار پیشنهادی با در نظر گرفتن عدم افت و بکار بردن فرمـول ماتریـسها، پارامترهـای
ABCD ساختار پیشنهادی نشان داده شده در شکل((a)(6-2 بصورت زیر بیان میگردد.
(13-2) 0 jZ A Sinθ 1 0 Cosθ 1 Cosθ 1 jY 1 jYA Sinθ jY که این ماتریس در نتیجه به ذیل منتج می گردد.
jZASinθ Cosθ −ZAYSinθ (14-2) Cosθ −ZAYSinθ 2ZAYCotθ) 2 2 (1−ZA Y jYASinθ و نیز ماتریس بالا به صورت زیر خلاصه میگردد.
±jZT 0 jZASinθ 0 (15-2) 0 ±j  1 0 j Z T A Z Sinθ با معادل قرار دادن ماتریسهای بالا داریم:
Z A Sinθ ±ZT(16-2)
Cotθ
Y(17-2)
Z A
معادله (15-2) نشان میدهد که ساختار پیشنهاد شده معادل با بخشی از خط انتقـال بـا امپـدانس مشخـصه
ZT± و طول الکتریکی θ = ± 90° میباشد. مطابق با عملکرد یک مدار دو بانده (Dual – band) شـرایط
لازم ممکن است به صورت زیر داده شود.
٣٩
(18-2) Z A Sinθ1 ±ZT
(19-2) Z ASinθ2 ±ZT
کهθ1 و θ2 طولهای الکتریکی معادل شده خط شاخهای در باند فرکانسی مرکزی f1 و f2 میباشد.
روش معمولی حل معادلات (18-2) و (19-2) به صورت زیر میباشد:
3.......و2وn=1
(20-2) θ2  nπ −θ1 (21-2) f1  θ1 f2 θ2 (22-2) (1 −δ) nπ θ1  2 (23-2) (1 δ) nπ θ2  2 (24-2) f2 − f1 δ  f 2 f 1 در نتیجه طول الکتریکی خط شاخهای معادل شده در فرکانس مرکزی (θo)به صورت زیر تعیین میگردد
(θ0 ) = θ1 2θ2  n2π(25-2)

با قرار دادن معادلات (22-2) و (23-2) در معادلات (16-2) و (17-2) خواهیم داشت:
(26-2) ZT Z A  ( nδπ Cos( 2 ۴٠
nδπ ( tan( 2 f1 , f  Z A (27-2) y  nπδ ( − tan( 2 f2  , f Z A برای مقادیر 5.....و3وn=1 (28-2) ZT Z A  ( nδπ Sin( 2 nδπ ( −Cot( 2 f1  , f ZA (29-2) y  nπδ ( Cot( 2 f2 , f  ZA برای مقادیر..... 6و4وn=2 در معادلات بالا مقادیر مدار معادل داده شده بـرای دو بانـد فرکانـسی دلخـواه f1 وf2 کـه همـان y و ZA
هستند به دست میآیند.
(5-2 نتایج شبیهسازی مدار π شکل بدون استفاده از استاب
با در نظر گرفتن امپدانس خطوط عمودی zo=50Ω وخطوط افقی35 و طول الکتریکی 90درجه و نیـز قـرار
دادن آنها در serenade مقادیر طول(( L و پهنای خطوط (w) را بدست آورده و بادر نظـر گـرفتنf=1/45
و بستن مدار در قسمت شماتیک نتایج حاصل را می بینـیم.در شـکلهای((7-2 الـی (8-2) نتـایج حاصـل از
شبیه سازی کوپلر بدون استفاده از المانهای شنت در فرکانس مرکزی نشان داده شده است.
۴١

شکل(S13 ̦S12 ̦ S11:(7-2 وS 14 کوپلر بدون استاب
مشاهده می کنیم مادیرS11و S12 در فرکانس مرکزی کمتر از -20dB بوده یعنی پورت 1 از 4 ایزوله است
وS13وS12 حدوداً dB٣- می باشد .

شکل(:(8-2زاویهS 12 و S14 برای مدار بدون استاب
۴٢
(6-2 تحقق جهت دوبانده کردن مدار
دربخش قبل روش مشخصی برای طراحی یک کوپلر دو بانده (dual – band) به صورت فرمـولی تحلیـل
و تجزیه گردید. نتایج نشان میدهند روشهایی جهت انتخاب مقدار n و همچنین راههای مختلف در بدسـت
آوردن مقادیر المان شنت با ادمتیانس ورودی (Y) که در معادلات (27-2) و (29-2) توضیح داده شده بودند
وجود دارد.جهت معادل سـازی و نـشان داد ن توپولـوژی دو تـا مـدار در اینجـا مقـدار n را یـک در نظـر
میگیریم.
(1 -6-2 استفاده از استاب مدار باز ( ربع طول موج)
با استفاده از معادلات (22-2) و (23-2) ادمیتانس ورودی یک استاب مدار باز بـه صـورت زیـر مـیتوانـد
باشد.
δπ ( Cot( f1 , f  2 ZΒ (30-2) yoc  ( δπ −Cot( f2 , f 2 ZΒ که در اینجا ZB نیز امپدانس مشخصه استاب مدار باز میباشد . از ایـن رو بـا ترکیـب معـادلات (27-2) و
(30-2) مقدار ZB به صورت زیر بدست میآید: (31-2) Z T ZB  δπ δπ ( )Tan( Sin( 2 2 ۴٣

شکل (9-2) ساختار کوپلر پیشنهادی با استاب مدار باز
در شکل (9-2) ساختار نهایی ( با ساده سازی بوسیله ادغام استابهای شنت موازی شده ) از یـک کـوپلر دو
بانده (dual – band) با تمام خطوط شاخهای جایگزین شده بوسیله مدار پیشنهاد شده شکل (6-2) نـشان
داده شده است و نتیجتاً مقادیر Z3, Z2, Z1 بوسیله معادلات زیر تعیین میگردند.
(32-2) 1 . Z0 Z1  ( δπ Cos( 2 2 (33-2) 1 Z2  Z0. ( δπ Cos( 2 (34-2) 1 . 0 Z Z3  δπ δπ 2 1  ( )Tan( Sin( 2 2
(2-6-2 استفاده از مدار اتصال کوتاه ( طول ( λ2

به طور مشابه ادمیتانس ورودی یک استاب اتصال کوتاه میتواند به صورت زیر بیان گردد:
۴۴


f1 , f Cotδπ Z B (35-2) ysc  Cotδπ − f2  , f Z B شکل (10-2) (مدار چاپی) Layout یک کوپلر اصلاح شده با اتصالات شنت کوتاه شده نشان میدهد کـه
امپدانس مشخصه استاب شنت به صورت زیر محاسبه میگردد.
(36-2) 1 . 0 Z Z3  δπ 2 1  )Tanδπ Sin( 2
شکل (10-2) ساختار کوپلر پیشنهادی با استاب اتصال کوتاه
در تئوری نیز کوپلر پیشنهاد شده میتواند در هر دو باند فرکانسی دلخواه عمل کرده، اما در عمل تعیین رنـج
امپدانسی ساختار کوپلر میتواند مقداری حقیقی پاشد.
۴۵
واضح است که با انتخاب مناسبی از شکل مدار برای رنجهای متفاوتی از کـسر پنهـای بانـد ( 0/2 تـا 0/3 و
همچنین 0/3 تا ( 0/5 کوپلر پیشنهاد شده ممکن است امپدانس خطوط که تنها 30 الی 90 اهم تغییر میکنـد
در آنها بکار برده شود.
( 7- 2 آنالیز(تحلیل) مدار π شکل خط شاخهای دو باند و مشاهده نتایج شبیهسازی :
جهت اثبات و تأیید عملکرد، یک کـوپلر خـط شـاخهای میکرواسـتریپ دو بانـده در فرکانـسهای 0/9 و 2
گیگاهرتز طراحی و شبیهسازی شده و روی کسری از پهنای باند محاسبه شده((δ= 0/38 بنا نهاده شدهاست.
ساختار فشرده یک استاب مدار باز با طول λ / 4 جهت بکار بستن نیز مورد استفاده قـرار گرفتـه اسـت . از
معادلات (32-2) الی (35-2) مقادیر Z3, Z2, Z1 حدود 42/7 و 60/6 و 54/4 اهم نیز بدست آمـده اسـت.
جهت بهتر کردن دقت کار، پاسخ فرکانسی ساختار کامل شـامل ناپیوسـتگی و اثـر زیـر لایـه (Substrate)
بهینه شده با استفاده از یک مدار شبیه سازی شده اشکال (11-2) الی (14-2) پاسـخ فرکانـسی شـبیهسـازی
شده مدار نهایی از یک کوپلر دو بانده را نشان میدهند. مطابق با اثر یـک اسـتاب شـنت تلفـات داخلـی در
فرکانس مرکزی (1.45GHz) صفر گردیده که به حذف هر سیگنال مداخله کننده کمک میکند. کوپلر فوق
سابستریتی با ثابت اللکتریک εr = 3/38 و ضخامت h = 0/81mm میباشد. حال با اسـتفاده از نـرم افـزار
Serenade ابتـدا مقـادیر خطـوط یعنـی پهنـای خطـوط W1 ،W2،W3و طـول آنهـا L1،L2،L 3 را در
فرکــانس مرکــز 1/45 بدســت مــیآوریــم و بــا بــستن مــدار در ایــن فــرمافــزار مقــادیر پارامترهــای
S11،S12،S13وS14را برای باند فرکانسی دوبل شبیهسازی کردهایم.
۴۶
جدول(:(1-2مشخصات الکتریکی وفیزیکی مدار در دو باند امپدانس طول الکتریکی پهنای خط طول خط Z1=42.7 θ1=90 W1=2.38mm L1=31.25mm Z2=60.4 θ2=90 W2=1.36mm L2=31.95mm Z3=54.4 θ3=90 W3=1.63mm L3=31.73mm
شکل(:(11-2نتایج شبیه سازی(افت برگشتی(S11
۴٧

شکل(:(12-2نتایج شبیه سازی(S12و(S13

شکل(:(13-2نتایج شبیه سازی((S14
پارامترهای تشعشتی در این شبکه آنالایزر روی رنج فرکانسی از 0/1 الی 4 گیگاهرتز انجام میگردد.
۴٨

شکل(:(14-2نتایج شبیه سازی(پاسخ فازمدار با استاب)
شکلهای (11-2) الی (14-2) پاسخ اندازهگیری شده کوپلر در فرکانـسهای مرکـز دو تـا بانـد عملکـرد کـه
0/9GHz و 2GHz میباشد نشان میدهند..افت برگشتی و ایزولاسیون پورت بهتر از -20dB در فرکانسی
مرکزی دو باند بدست آمده است هر چنـد تـضعیف سـیگنال بـالا تـر از 50dB جـذب شـده در فرکـانس
1/41GHz نیز میباشد.
درمقایسه با طراحی یک کوپلر تک بانده، افت داخلی اندازهگیری شده دردو پـورت خروجـی تنهـا 0/4dB
بالاتر از مقدار واقعی آن((-3db میباشدو این بـاور وجـود دارد کـه ایـن اخـتلاف اساسـاً ناشـی از وجـود
ناپیوستگیهای اتصالات و اثر انتهای باز نشان داده شده در شبیه سازی میباشد.
طراحی و بکار بستن کوپلر خط شاخهای فشرده صفحهای بالا نیز درطراحی کـوپلری بـا دو بانـد فرکانـسی
کوچک و بزرگ بکار میرود.
۴٩
فصل سوم:
طراحی مدار میکرواستریپ فشردهT شکل با اندازه کاهش
یافته در دو باند فرکانسی
۵٠
(1-3 دوبانده کردن مدار T شکل خط شاخهای کوچک شده با توجه بـه رونـد
ارائه شده در دو بانده کردن کوپلرπ شکل ( 900MHz و (2400MHz
در این بخش ابتدا با روش دستی و استفاده از ماتریسهای ABCD کوپلرخط شاخهای و معـادل قـرار دادن
آن با ماتریس ABCD یک خط ±90°، طول الکتریکی و امپدانس مشخصه کوپلر خط شـاخهای بـا تبـدیل
θ به ' θ θ) f 2  ' (θ بوده را در حالت دو بانده معادل ساخته و در نهایت بوسیله برنامه ساده کامپیوتر که f1 بر اساس اطلاعات موجود نوشته شده، خطای موجود را در بدست آوردن θ و امپدانس مشخصههـایی کـه
برای هـر دو فرکـانس دلخـواه بـالا و پـائین 0/9GHz)و(2/4GHzصـدق کنـد بـا کمتـرین درصـد خطـا
0/4)درصد) درنظر میگیریم و با شرایط در نظر گرفته شده مقادیر θ و Z را بدست میآرویم.
همانطور که در بخش قبل نیز گفتیم با معادل سازی مدل T شکل خطوط استاب شنت متـصل شـده از نـوع
مدار باز بوده و این استاب خود باعث کاهش طول خط می گردد.
3 Sinθ' 3 jZ 3 Cosθ' 0 1 Sinθ' jZ Cosθ' A B (1-3) j − 1 1 1 j 3 Cosθ' 3 Sinθ' 1 jβ'2 Cosθ' Sinθ'  Z3 1 1 Z1 C D در بخش قبل مقادیر β2 و Z1 و Z1 ، Z1 بـا مقـادیر معـادل آن آورده شـده انـد و در اینجـا θ f2 θ' Z Z Z f 3 2 T 1 میباشد.
با معدل قرار دادن ماتریس فوق با خط -90 درجه داریم:
− jZ 0 Sinθ' jZ Cosθ' B A (2-3) T − j  T j 0 Cosθ' Sinθ'  ZT ZT C D ۵١
وبا ساده سازی روابط فوق داریم:
(3-3) Cosθ'1Cosθ'3 −kTanθ'2 Sinθ'1 Cosθ'3 −NSinθ'1 Sinθ'3  0 (4-3) N Cosθ'1 Sinθ'3 −kTanθ'2 Sinθ'1 Sinθ'3 NSinθ'1 Cosθ'3  − M (5-3) K 1 Cosθ'1 Sinθ'3 Cosθ'1 Cosθ'3  0 Tanθ'2 Sinθ'1 Sinθ'3 − − N N (6-3) Sinθ'1 Cosθ'3 KTanθ'2 Cosθ'1 Cosθ'3 NCosθ'1 Sinθ'3  −M در روابط بالا f2  θ'3 f2  θ'2 f2  θ'1 f 3 θ f 2 θ f θ 1 1 1 1 مقادیرf1 =900MHz و f2 =2400MHz می باشند. با ساده سازی روابط (3-3) و (4-3) به معادلا ت زیر میرسیم. (7-3) Cosθ'3 '1  − Sinθ M (8-3) Sinθ'3 − M Cosθ'1  N (2-3 استفاده از برنامه کامپیوتری ساده جهت بدسـت آوردن پارامترهـای مـدار دو
بانده
حال نیز برنامه ای با نرم افزار مطلب نوشتهایم و میخواهیم طولهـای الکتریکـی و امپـدانس مشخـصههـای
کوپلر و درنهایت سیرکولاتور موردنظر را در شرایطی بدست آوریم که خطاهای زیر حـاکم باشـند یعنـی در
آن واحد شرایط برای فرکانسهای بالا و همچنین پائین (استفاده از دو باند فرکانسی) موجود باشد.
۵٢
(9-3) N f 2 θ1 )Tan( f 2 Tan( 0.4 θ3 ) − M 2 f1 f1 (10-3) 0.4 θ3 ) f2 Tan( 2 − N 2 M θ2 ) − f2 Tan( f1 kN f1 (11-3) 0.4 θ3 ) f 2 Sin( M θ1 )  f 2 Cos( f1 N f1 برنامه نوشته شده در نرم افزار مطلب در پیوست الف ارئه شده است.
طول الکتریکی و امپدانس مشخصههایی که در شرایط خطای بالا بر قرار باشند جوابها میباشند کـه شـرایط
برای استفاده درحالت دو باند فرکانسی را دارند. θ1و θ2 وθ3 وZ1وZ2وZ3 در شرایط فـوق را مطـابق بـا
برنامهای که آورده شده بدست میآیند.
(3-3 آنالیز(تحلیل) مدار T شکل دو بانده در چند محـیط ( نـرم افـزار) مختلـف و
مشاهده نتایج حاصل
با قرار دادن مقادیر بدست آمده از برنامه نوشته شده که برای استفاده در دو باند فرکانـسی دلخـواه در نظـر
گرفته شده در روابط زیر و یا با استفاده از محیط serenade طولهای Lm1و)Wm1پهنا وطول خط شاخه
اصلی)Lm3و)Wm3پهنا وطول خط متصل به Zm1 در خط اصلی)Lm2و)Wm2پهنا وطول استاب مـدار
بــاز در خــط اصــلی)Lb1 و )Wb1پهنــا وطــول خــط متــصل بــهZm2در خــط عمــودی)وLb1
،Wb1،Lb2وWb2را بدست میآوریم.
۵٣
(12-3) 4 π εr −1 1 Z 0 2(εr 1) 1 (1/ εr )Ln π )  2 (εr 1)(Ln 2  119.9  H (13-3) −1 1 1 exp H W ( − ( 4 exp H 1 8 h (14-3) −2 4 Ln 1  π )(Ln 1 εr − 1 − 1 εr  ε eff  ) ) 1 π εr 2 1 εr  2H ' 2
با در دست داشتن مقادیر فوق مدار را در نرم افزارهـای Serenade و Advance designer (ADS)
sys-- ترسیم و نتایج شبیهسازی راعلاوه در ansoft مشاهده میکنیم منتهی در نهایت مقدار پهنـای بانـد
را حدوداً در Optimom 10% کرده و نتایج حاصل در زیر آورده شده اند.
h = 0/762mmεr =3/55 Tanδ  0. 022
در شکلهای((1-3و((2-3و((3-3 شماتیک ومدارچاپی و پاسخ مـدار شـبیه سـازی شـده در نـرم افزارهـای
مختلفی نشان داده شده است.

(a)
۵۴

(b)
شکل((a ) 🙁 1-3شماتیک (b)مدارچاپی (designer,hfss)ansoft
در جدول((1-3و(2-3 )با در دست داشتن مقادیر ابتدایی از المانهای مدار که توسط روابـط((12-3 الـی(-3
(14بدست آمده اند بازهای جهت حد بالا وپایین المان ها در نظر گرفته شده است و به سمت اهدافی که در
جدول((2-3 امده optimom انجام می گردد
.جدول(:(1-3دو بازه فرکانسی ودو هدف مورد نظر پروژه 905mhz 895mhz Frange1 باند فرکانس اول
2.45ghz 2.35ghz Frange2 باند فرکانس دوم
-20db lt ms12=-3.5db w=3 ms13=-3.5db w=3 ms14 -20db lt ms11 Goals1 هدف اول
-20db lt ms12=-3.7db w=3 ms13=-3.7db w=3 ms14 -20db lt ms11 Goals2 هدف اول
۵۵
جدول(:(2-3بازه بالا وپایین جهت optimom هدف بازه بالا مقدار اپتیمم شده بازه پایین نام المان
7MM? 5.69180mm ?5mm lb1
12.5MM? 11.35000mm ?10mm lb2
41MM? 39.57900mm ?37mm lb3
11.5MM? 10.77600mm ?9.5mm lm1
16.5MM? 15.36700mm ?14.5mm lm2
40MM? 38.67200mm ?37mm lm3
0.8MM? 0.16152mm ?.08mm wb1
1.2MM? 0.95112mm ?0.6mm wb2
2.5mm? 1.45870mm ?0.8mm wb3
2.1MM? 1.65260mm ?1mm wm1
0.5MM? 0.20507mm ?0.1mm wm2
3.5MM? 2.70090mm ?2mm wm3
2.5MM? 0.20010MM ?0.1mm wp

(a)
۵۶

(b)

(c)
شکل(S 11 :(2-3، S12،S13و S14 مدار شبیه سازی شده در ADS(c) SERANADE(b) ANSOFT(a)
۵٧

شکل(:(3-3پاسخ فازی مدار 2بانده
مشاهده میگردد که مقدار پارامترهای تضعیف در 0/9 و 2/4 گیگاهرتز -3dBو -20dbمیباشند.
در بخش بعدی در مورد اثرات DGS و مشاهده تاثیرات آن بروی این کوپلر بحث میکنیم.
۵٨
فصل چهارم:
بررسی انواع مختلف DGS و اثرات آن بر روی خطوط
میکرواستریپ
۵٩
DGS (1-4 چیست؟
DGS نیز شبکهبندی قلم زده شده ای است با شکل اختیاری که بر روی صفحه زمین قـرار مـیگیـرد و در
شکلهای T ، H ،دمبلی و حلزونی و...بکار میروند.
در شکل (1-4) انواع مختلف DGS نشان داده شده است.

شکل(H(a) :(1-4 شکل T(b) شکل (c) هلزونی شکل (d) دمبلی شکل
(2-4مشخصات کلی DGS
در ساختار DGS مشخصه های زیر رامی توان عنوان کرد:
-1 تغییر اندازه شکاف باند نوری . (PBG)10
-2 دارا بودن ساختارهای پریودیک وغیر پریودیک.
-3 به سادگی نیز مدار معادل LC را میسازد.

10 Photonic band gap
۶٠
(3-4 کاربردهای DGS
-1 در تشدید کنندههای صفحهای
-2 بالا بردن امپدانس مشخصهخط انتقال
-3 استفاده در فیلتر ،کوپلر و سیرکولاتور، اسیلاتور، آنتن و تقویت کنندهها
(4-4 ویژگیهای DGS
-1 پوشش میدان روی صفحه زمین را مختل میکند.
-2 بالا بردن ضریب گذردهی موثر.
-3 بالابردن ظرفیت موثر و اندوکتانس خط انتقال
-4 از بین بردن هارمونیکهای اضافی با تک قطب کردن ویژگی ) LPF11 فرکانس قطع و تشدید)
(5-4اثر DGS دمبلی شکل بر روی خطوط میکرواستریپ
DGS نیز بوسیله الگوی کـم کـردن قلـم زنـی، در صـفحه زمـین مـدار ایجـاد مـی گـردد.. در ابتـدا خـط
میکرواستریپی با الگوی DGS از نوع دمبلی شکل نشان داده شده است و تـأثیر شـکاف بانـد خـوبی را در
بعضی ار فرکانسهای معین نیز ایجاد می کند .[21]
DGS در طراحی مدارات امواج میلیمتری و مایکرویو خیلی زیاد بکار میرود . اخیراً DGSهای متوالی بـا
کاستن الگوهای مربعی از مدارات صفحهای کـه ویژگیهـای Slow wave و stop band بـسیار خـوبی را

11 Low pass filter
۶١
تولید میکنند مورد بررسی قرار گرفته که در تقویت کنندهها و اسیلاتورها بیشتر مورد استفاده قرار گرفتهانـد
.[23] [ ,22]
در مقایسه با DGS پریودیک قبلی [21] و [22] یک نـوع DGS پریودیـک بهتـر و قـویتـر نیـز پیـشنهاد
1
گردیده که ابعاد مربعات کاسته شده متناسب با توزیع دامنه تابع نمـایی ) e n کـه n عـدد صـحیح اسـت)

میباشد.
در شکل((2-4مدار دو پورتی بدون DGS نشان داده و پارامترهـایS حاصـل از آن بـا ansoft در شـکل
(3-4) آمده است.

شکل(:(2-4خط میکرواستریپ دو پورته باεr=10 وh=1.575

شکل(:(3-4پارامترهایSمدار شکل((2-4
۶٢
به منظور بررسی این اثرات توسط DGS پریودیک نیز یک عدد مدار DGS پریودیک متحدالـشکل و دو
تا مدار DGS پریودیک قوی شده نیز در اینجا طراحی و اندازهگیری شدهاند. اندازهها نـشان مـیدهنـد کـه
نمایشهای اخیر اجرای نقش دقیقی توسط متوقف شدن رپیل و بزرگ کردن پهنـای بانـد را ایفـا مـیکنـد.در
شکل((4-4 دو پورتی با DGS دمبلی شکل نشان داده شده و نتیجه شبیه سازی شده این خـط بـا ansoft
در شکل((5-4رسم گردیده است.

شکل(:(4-4مدا با DGS دمبلی شکل

شکل(:(5-4پارامترهایS مدار باDGS دمبلی شکل
در بالا می بینیم فرکانس قطع ومقدار تضعیف کاهش می یابند.
( 1 – 5 – 4 الگویDGSدمبلی شکل و ویژگی شکاف باند
۶٣
نمای شماتیک مدار دمبل شکی DGS در شکل (4-4) نشان داده شده است .خـط میکرواسـتریپ رو قـرار
گرفته و DGS نیز در زیر صفحه فلزی زمین قلم زده شده است. طرح DGS توسط خطوط دش مـشخص
شدهاند. پهنای خط نیز برای امپدانس مشخصه 50 اهم تعیین گردیده است. ضـخامت سابـستریت زیـر لایـه
1/575 میلیمتر و ثابت دی الکتریک εr = 10 میباشد. در [20] آمده که شـکاف قلـم زده شـده و کاسـتن
مربعی قلم زده شده با ظرفیت موثر خط و اندوکتانس خط نیز متناسب میباشد و وقتی ناحیه قلـم زده شـده
کاسته شده مربع شکل کاهش می یابد و فاصله شکاف نیز 0/6 میلیمتر نـشان داده شـده اسـت، انـدوکتانس
موثر کاهش یافته و این کاهش اندوکتانس نیز فرکانس قطع (fc) را بالا میبرد که این قضیه در شکل (7-4)
نشان داده شده است. در اینجا ما نیز این کار را با Ansoft انجام دادهایم.
( 2 – 5 – 4 ایجاد DGS دمبلی پریودیک قویتر
نمایش شماتیک DGS پریودیک با الگوهای مربعـی واحـد بـرای مـدارات صـفحهای [21] نـوع 1 نامیـده
میشود که در شکل (6-4)(a) آمده است.مدار ما در اینجا نیز خـط میکرواسـتریپ 50 اهمـی و نیـز5 عـدد
الگوهای مربع متحدالشکل با دوره یکسان d = 5mm میباشند.پهنای طرفین مربعها و فاصله شکاف هـوایی
ما بین آنها 4/5 (g) میلیمتر و 0/6 میلیمتر میباشند.
براساس نوع 1 ، متحدالشکل بودن توزیع پنج عدد الگوی مربعی توسط یک شکل غیر واحد توزیع میگردد.
حوزه المانهای مربعی نیز متناسب با توزیع دامنه تابع نمایی e1/ n میباشد.در اینجا دامنه سـوم از پـنج المـان
مربعی شکل نیز 4/5mm میباشد.پس نوع دوم بوده و دامنه المـان توزیـع شـده بـر اسـاس زیـر مـشخص
میگردند.
2/3mm2/7mm4/5mm(1-4)
۶۴

شکل (a) :(6-4) نوع1 ، (b) نوع2، (c) نوع3
استفاده از توزیع ارتفاع غیر واحد DGSهای پریودیک، نوع دوم را تشکیل می دهند که در شکل (6-4)(b)
نشان داده شده است. براساس نوع دوم، دیگر مدار DGS پریودیک قوی شـده، یـک خـط میکرواسـتریپ
جبرانی را دارد که نوع سوم نامیده میشود. در شکل (6-4)(c) آمده است.خط میکرواستریپ جبرانی شـامل
۶۵
یک خط 50 اهمی و یک خط عریض میباشد. همچنین بزرگی المانهای DGS توسط رابطه سوم مشخص
گردیده است. المانهای الگوی مربعی غیر هم شکل نیز دارای دوره مساوی d=5mm بوده و فاصـله هـوایی
ثابت d = 0/6mm دارند که در شکل (6-4) نوع دوم و سوم خطوط میکرواستریپ رو قـرار دارد و DGS
ها نیز در صفحه زمین فلزی کنده شده و توسط خطوط دش مشخص شدهاند.
(3-5-4اندازهگیریهای مربوط به DGS دمبلی شکل
سه نوع مدار DGS پریودیک که ذکر شدند مورد بررسی و اندازهگیری قرار گرفتهاند، نتایج اندازهگیری نیـز
در شکل (8-4)((a)-(c)) نشان داده شده هستند . این نتایج به طور خلاصه در جدول (1-4) آمده است.
جدول(:(1-4مقایسه DGS های واحد وپریودیک وتوزیع نمایی

شکل(:(7-4پارامترهایS برای DGS دمبلی شکل
۶۶

(a)

(b)

(c)
شکل(:(8-4 مقایسه پارامترهای S مدارهای (a) DGSنوع(b) 1نوع(c) 2 نوع3
۶٧
سابستریت این مدارات دارای h = 1/575 و εr = 10 هستند. این اندازه گیـریهـا توسـط Ansoft انجـام
شده و نشان داده شدهاند.
همان طوری که در جدول آمده، 20dB ایزولاسیون پهنای باند برای انواع 1و 2و 3 نیز در فرکانسهای 3/05
و 4/18 و 4/26 گیگاهرتز میّاشند.
مدارهای DGS پریودیک پیشنهاد شده نوع 2و 3 پهنـای بانـد ایزولاسـیون 20dB را بهتـر 37% و (39/7%
میکند.در ناحیه پائین گذر، اولین افت برگـشتی و پیـک افـت برگـشتی بـرای نـوع 3، مقـادیر -46/7dB و
-30/9dB بوده و در صورتیکه این مقادیر در نوع 1 نیز -10/8dB و -4/9dB هستند.اولین افت برگشتی و
ماکزیمم افت برگشتی نیز در 4 بار (لحظه) بهتر شده و بنابراین ر پیلها به صورت موثری از بـین رفتـهانـد و
پهنای باند موثر برای نوع سوم افزایش و فرکانس قطع 3dB به صورت مختصر و کم تغییر پیدا میکند.
(6 – 4بررسی اثرات DGS های هلزونی بر روی هارمونیکهای تقسیم کننده توان
در اینجا نشان خواهیم داد تکنیکهای موثری از حذف هارمونیک دوم و سوم برای یـک تقـسیم کننـده تـوان
ویل کینسون (WILLKINSON)با استفاده از DGS هلزونی شکل را، که ما در مدار کـوپلر از ایـن نـوع
DGS استفاده کردهایم.
شکاف باند الکترومغناطیسی و برهم زدن ساختار زمین اخیـراً نیـز کـار بردهـای متفـاوتی را در مـایکرویوو
فرکانس موج میلیمتری با شکلهای مختلف دارند [22] و [24] و DGS خط میکرواستریپ نیـز بـا بـر هـم
زدن مصنوعی صفحهای زمین در ویژگی رزونانس مشخـصه انتقـال تغیراتـی ایجـاد مـیکنـد. در یـک خـط
میکرواستریپ مطابق با اندازه DGS یا بر هم زدگی که روی صفحه زمین ایجاد میگردد، حذف باند بیـشتر
۶٨
در فرکانس رزونانس صورت میگیرد. همچنین DGS باعث بوجود آمدن اندوکتانس موثر اضـافی در خـط
انتقال میگردد. افزایش اندوکتانس موثر از ایجاد DGS باعث افزایش طول الکتریکی خط انتقال نـسبت بـه
یک خط متداول میگردد که خود نیز باعث کاهش اندازه مدارات موج میلی متر و مایکرویو میگـردد. [21]
، در طراحی فیلترها ،تقسیم کنندههای توان و تقویت کنندهها، ویژگی حذف باند و اثر موج آهـسته (Slow
wave) توسط DGS نیز بسیار مورد نظر می باشد [22]و [23]
هارمونیک های ناخواسته تولید شده با ویژگی غیر خطی مدارات اکتیو نیاز به حذف کردن دارند. در مدارات
مایکرویو و فرکانس بالا ویژگی حذف باند توسط DGS میتوانـد در متوقـف کـردن هارمونیکهـای مـورد
استفاده قرار گیرد [22] و .[23] با یـک DGS هلزونـی شـکل متقـارن، (یـک تـک ( DGS حـذف تـک
هارمونیک را خواهیم داشت، وDGS پریودیک در جهت حـذف هارمونیـک دوم و سـوم بکـار مـی رونـد.
DGS های آبشاری و پشت سرهم باعث افزایش افت داخلـی شـده و بهمـین دلیـل در مـدارات بـا انـدازه
کوچک نیز استفاده از ان محدود گردیده است. در اینجا ساختار DGS هلزونی شکل غیر متقارن نیز جهـت
حذف هارمونیکهای دوم و سوم بطور همزمان پیشنهاد گردیدهاند. به طور مـوثر یـک تـک DGS هلزونـی
غیرمتقارن باعث از بین بردن باند فرکانس دوم میگردد و نیاز به ناحیه کوچکی هم جهت نقش بـستن دارد.
تقسیم کننده توان ویل کینسن با بکار بستن یک DGS هلزونی غیـر متقـارن در خطـوط λ4 باعـث حـذف

هارمونیک دوم شده و اندازه آن نیز با اثر موج آهسته کاهش مییابد. مشاهده میگردد به دلیل ذکـر شـده در
این پروژه ما از این گونه DGS استفاده ننمودهایم. تقسیم کننده Willkinson پیشنهاد شده به خـوبی یـک
تقیسم کننده توان مرسوم، در فرکانس کار خواهد بود.
۶٩
(7-4مدل مداری و هندسه DGS هلزونی نا متقارن
در شکل (9-4) هندسه DGS هلزونی روی صفحه زمین خط میکرواستریپ که ابعـاد کنـده شـده هلزونـی
شکل در سمت راست و چپ متفاوت از یکدیگر هستند آمده است. برای هندسه این DGS نامتقارن مطابق
با کنده شدهگی سمت چپ و کندهشدگی سمت راست دوتا فرکانس عملکرد متفاوت وجود دارد. مشخـصه
انتقال خط میکرواستریپ با هندسه DGS نامتقارن ویژگی حذف باند در فرکانس تشدید را دارد.

شکل (9-4) هندسه DGS هلزونی روی صفحه زمین خط میکرواستریپ
فرکانس تشدید ممکن است با تغییر کردن ابعاد DGS عوض گردد. مقایسه مشخصه انتقال DGS هلزونـی
با ابعاد مختلف متقارن و غیرمتقارن در شکل (10-4) آمدهاست. امپدانس مشخصه خط 50 اهـم مـیباشـد.
برای هندسه هلزونی متقارون ( A=A'= 3mm و (B=B' = 3mm تنها یـک فرکـانس تـشدید (
(f=2/93GHz وجود دارد در صورتی که در یک DGS غیر متقارن فرکانس تشدید به دو فرکانس مختلـف
تبدیل میگردد. برای یک DGS نامتقارن با A = A' = 3/5mm و B = B' = 2/6mm همان طوری که در
شکل (10-4) مشاهده میگردد دو فرکانس تشدید مختلف دیده میشـودf=2/56GHz وf=4/22GHz کـه
این نتایج نشان میدهند DGS هلزونی نا متقارن با اندازههای متفاوت روی صفحه زمین در دو طرف خـط،
٧٠
فرکانسهای رزونانس مختلف را میتوانند ایجاد کنند.در هندسه نا متقارن DGS نیز میخواهیم بدانیم که بـه
چه صورتی فرکانس تشدید مطابق با بر هم زدگی چپ و راست خط با تغییـر انـدازه بـر هـم زدگـی رفتـار
میکند.

شکل(:(10-4پارامترهای انتقال خط با DGS متقارن( ( A = A' = B' = 3mm ونامتقارن A = 3/4m) و (B = 2/6 mm

شکل(:( 11-4 فرکانس روزنانس ناشی از بر هم زدگی سمت چپ و راست خط بر حسب تابعی از B/A
٧١
فرکانس تشدید ناشی از بر هم زدگی سمت چپ خط و سمت راست خط در شکل (11-4) بعنوان تابعی از
اندازه بر هم زدگی سمت راست وقتی که اندازه سمت چپ ثابت باشد (A = A' = 2mm) رسم گردیـده
است. اندازه این آشفتگی هلزونی به صورت یک مربع در نظر گرفته شده (B = B' , A = A') .وقتـی کـه
اندازه برهم زدگی سمت راست از مقدار سـمت چـپ کـوچکتر اسـت (B/A<1)، فرکـانس رزونـانس در
سمت راست نیز بزرگتر از مقدار سمت چپ خواهد بود. هنگامیکه مقدار A با B برابر گردد دو تا فرکـانس
رزونانس ازهم پاشیده شده و به یک فرکانس تبدیل میگردد DGS) متقارن). باز وقتی کـه بـر هـم زدگـی
سمت راست افزایش پیدا کند B/A) زیاد شود)، فرکانس تشدید ناشی از بر هم زدگـی سـمت راسـت نیـز
کاهش مییابد. از این رو اندازه سمت چپ ثابت شده و مشاهده میگردد که فرکانس رزونانس ناشـی از بـر
هم زدگی سمت چپ تغییرات آهستهای خواهد داشت تا وقتی که B/A مقدار واحد شود.
مشخصه فرکانسی یک DGS متقارن با مدار رزوناتور RLC موازی میتواند مدل گردد. پارامترهای مـداری
معادل نیز از مشخصه انتقال شبیهسازی شده میتواند گرفته شود.
DGS نا متقارن نیز میتواند با دو تا رزوناتور RLC موازی که به صورت سدی متصل شدهاند مدل گـردد.
شکل((12-4، به همین جهـت مشخـصه انتقـال آن دو تـا فرکـانس تـشدید متفـاوت دارد. در مـدار معـادل
پارامترهای مدار اولین رزوناتور از مشخصه فرکانسی رزونانس بر هم زدگی سمت چپ گرفتـه مـیشـود در
حالیکه رزوناتور دوم بوسیله مشخصه رزونانس بر هم زدگی سمت راست مشخص می گردد. از نتـایج شـبیه
سازی پارامترهای اسکترینگ، پارامترهای مدار رزوناتور برای بر هم زدگی سمت چپ و راست بـه صـورت
زیر مشخص میگردند.
(۴-٢) C L,R W CL,R  ( 2 −W 2 (W 0 2Z C L,R 0 L,R ٧٢
(۴-٣) 1 LL,R  4π2 f02 L,R CL,R (۴-۴) 2zo RL,R  1 1 ))2 −1 − (2Z0 (W0 L,R CL,R − W0 L,R LL,R S11 (W0 L,R )2
شکل( 🙁 12-4 مدار معادل بخش DGS هلزونی نامتقارن
در اینجا اندیس R, L نیز پارامترهای برهم زدگی سمت چپ و راست را بیان می کنند. W0 فرکانس تشدید
و WC فرکانس قطع -3db را مشخص میکنند. Z0 امپدانس مشخصه خط انتقال می باشد.
(8-4حذف هارمونیکها در مدار مقسم توان
مقسم توان کاربردهای گوناگونی از قبیل توزیع توان سیگنال ورودی از آنتن و تقویت کنندههای توان بـالای
مایکرویو دارد. با قرار دادن فیلتر حذف هارمونیک در داخل مقسم توان ناحیه خروجـی فیلتـر کـاهش پیـدا
میکند .[23] جهت حذف هارمونیک نیز میتوان از استاب مدار باز در مرکز شاخههای بـا طـول λ4 مقـسم

توان استفاده نمود.
اگر DGS را بعنوان فیلتر هارمونیک اضافی استفاده کنیم میتوانیم با در نظر گرفتن کاهش سایز مقسم تـوان
که منجر به اثر (Slow – wave) میگردد نیز هارمونیک را حـذف نمـود. از ایـن رو یـک DGS متقـارن
٧٣
میتواند تنها یک سیگنال هارمونیک را حذف کند. ما نیاز به قرار دادن دو تا DGS به صـورت آبـشاری در
λ
هر شاخه ( ( 4 داریم تا هارمونیک دوم و سوم را حذف کنیم. هر چند ناحیه مقسم توان جهت گذشتن دو تا

DGS به صورت پریودیک در هر شاخه مقسم توان نیز محدود میگردد. DGS غیر متقارن هم، سـاختاری
موثر در جهت حذف هارمونیک دوم و سوم به صورت همزمان می باشد. [22]
شکل (13-4) (a) هندسه یک DGS هنرونی نامتقارن جهت حذف هارمونیـکهـای سـوم و دوم را نـشان
میدهد. در اینجا فرکانس عملکرد مقسم توان نیز 1/5 گیگاهرتز میباشد.

شکل(DGS (a): (13-4 هلزونی نامتقارن برای حذف هارمونیک دوم و سوم (b) مدار معادل ساختار این DGS
ناحیه بر هم زده شـده سـمت چـپ و راسـت رزونـانس هارمونیـک دوم و سـوم طراحـی شـدهانـد. 3) و
4.5گیگاهرتز). ابعاد طراحی شده این سـاختار D=2/4mm و A = 3 mm D' = S = G = 0/2mm و
A' = 3/2 mm، B = 2/4 mm و B' = 2/6 mm و امپدانس مشخصه خـط نیـز 70/7 Ω مـیباشـد.
٧۴
شکل (13-4) (b) مدار معادل DGS نامتقارن در شکل (13-4) (a) را نشان مـیدهـد. پارامترهـای مـدار
بوسیله پارامترهای اسکترینگ سیموله شده بوسیله روابط (2-4) تا (4-4) محاسبه میگردند.
شکل (14-4) نیز پارامترهای S محاسبه شده بوسیله شبیه سازی (EM) بـرای DGS نامتقـارن شـکل (a)
.(13-4) و محاسبه شده مدار معادل شکل (13-4)(b) را نشان میدهند. در هر دو تا شـبیه سـازی مـشاهده
میگردد که بوسیله DGS نامتقارن واحد، هارمونیکهای دوم و سـوم در فرکانـسهای 4. 5 , 3 گیگـا هرتـز
حذف میگردند.

شکل( ( 14- 4 پارامترهای S مدار با DGS هلزونی به صورت EM و شبیه سازی شماتیک
مشاهده میگردد که S12 موافق رنج فرکانسی پهن و S11 نیز در جهت حذف هارمونیک مقسم تـوان اصـلی
بکار میرود. یک مقسم توان معمولی در شکل (15-4)(a) مشاهده میگردد و نیز مقسم توان پیـشنهاد شـده
با DGS غیر متقارن در شکل (15-4)(b) آمده است. در اثر موج آهـسته (slow – wave) بـودن DGS
نیز اندازه مقسم توان پیشنهادی کاهش یافته است. اندازه L' = 17/3 mm در مقایسه L = 19mm حـدود
9/1 % کاهش یافته است.
٧۵
پارامترهای S شبیه سازی شده مقسم توان معمولی و پیشنهادی در شکل (16-4) آمده است.

شکل( ( 15- 4 هندسیای از (a) مقسم توان ویل کنیسن معمولی (b) مقسم توان با DGS نامتقارن
در (16-4) (b)، فرو نشاندن حدود18 dB برای هارمونیک دوم و سـوم بـا وارد کـردن DGS نامتقـارن در
خط انتقال ( ( λ4 مقسم توان مشاهده میگردد. افـت برگـشتی بـرای فرکـانس 1/5 GHZ در هـر دو مـشابه

یکدیگر می باشند، حتی با وارد کردن DGS نامتقارن در مدار.
شکل (17-4) نیز قسمت رو و زیر از یک مقسم توان ویل کینسن با وارد DGS هلزونی نامتقـارن را نـشان
میدهد. در شکل (a) (18-4)، S11 اندازهگیری شـده را نـشان مـیدهـد. افـت برگـشتی در فرکـانس 1/5
گیگاهرتز – 40dB بوده. S21 نیـز در شـکل (18-4)(b) بعنـوان تـابعی از فرکـانس آمـده اسـت. توقیـف
هارمونیک دوم (3 GHZ) نیز 18dB و هارمونیک سوم در فرکانس (4/5 GH) نیز 15dB میباشد.
٧۶

شکل ( ( 16- 4 نتایج شبیه سازی (a) پارامتر S مقسم توان معمولی S (b) برای مقسم توان با DGS

شکل( ( 17-4 مقسم توان willkinson با DGS هلزونی نامتقارن (a) روی مدار (b) پشت مدار
٧٧

شکل( ( 18- 4 نتیجه شبیه سازی مقسم توان با DGS هلزونی نامتقارن(S12(b)S11(a
( 9 – 4 مشاهده اثرات DGS برروی کوپلر T شکل در یک باندفرکانسی
ابتدا مدار شکل (3-2) را با اسـتفاده از DGS هلزونـی شـکل نیـز آنـالیز و نتـایج آن را در شـکل((19-4
مشاهده میکنیم
٧٨

شکل(:(19-4مدار بااستفاده از (a) DGSیک بعدی((bدو بعدی
در شکل (a)(20-4)و((b نتایج شبیه سازی حاصل از مدار قلم زده شده DGS و بدون استفاده از آن را
نشان میدهند.
٧٩

شکل((a):(20-4نتیجه شبیه سازی کوپلر با استفاده ار (b) DGSبدون استفاده از ((a)(3-2)) DGS
با مشاهده نتایج بالا به پایین آمدن فرکانس قطع و slow wave شدن پاسخ نیز پی می بریم.
(10-4مشاهده اثرات DGS روی مدار طراحی شده در این پروژه
در شکل (21-4) نوع DGS استفاده شده در این کوپلر آورده شده است.ونتیجـه ansoft در شـکل((22-4
مشاهده میگردد.
٨٠

شکل(:(21-4کوپلر باH DGS شکل در شاخه خطوط

شکل(:(22-4پارامتهای Sحاصل از به کار بستن DGS
٨١
فصل پنجم
چگونگی استفاده از کوپلر بدست آمده در طراحی سیرکولاتور
٨٢
(1-5 طراحی سیرکولاتور
یک سیرکولاتور 4 پورته فشرده نیز می تواند به وسیله یک کوپلر خط شاخه ای و شیفت دهنده فاز( پیوست
پ) نیز ساخته شود.این شیفت دهنده فازی همراه با ورودی و خروجی خط همواره مچینگ امپدانسی داشته
و دارای تضعیف صفر می باشد.در اینجا ما از زیراتور به عنوان شیفت دهنده فازی استفاده کرده ایمر .[26]
یکی از ترکیبات نا متقابل استاندارد ژیراتورها هستند که دارای 2 پورت بوده وشیفت فاز تفاضلی 180 درجه
ایجاد می کنند.نماد شماتیک برای یک ژیراتور در شکل (1-5)آمده است و ماتریس اسکترینگ برای یک
ژیراتور واقعی در زیر آمده است.
(1-5)

π
شکل(:(1-5نماد ژیراتور
که این ماتریس نشانه عدم افت ،مچ شده ونا متقابل بودن آن است.

s−0 11 0
(2-5مدار معادل برای سیرکولاتور با استفاده از یک ژیراتور و دو کوپلر

۴ ١
٢ π ٣
شکل(:(2-5سیرکولاتور 4پورته متشکل از دو مدار هایبریدی و ژیراتور
٨٣
استفاده ژیراتور به عنوان بنا ساخت در ترکیب با مقسم دو طرفه و کوپلرها میتواند منجر به ایجاد مدارات
مفید همچون سیرکولاتور گردد .در شکل (2-5) مدار معادل سیرکولاتور 4 پورته متشکل از دو مدار