وبلاگ

1-1- پیشگفتار
امروزه صنایع مختلفی در مملکت عزیز ما ایران، روند روبه رشدی را طی می کنند. در بین این صنایع، صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، به دلیل وجود منابع بزرگ زیرزمینی، با سرعت بیشتری مسیر توسعه را می پیماید.
استخراج نفت و گاز از چاه ها، تصفیه، جداسازی و شیرین سازی آن در پالایشگاه ها، ارسال و توزیع آن تا مصرف کننده، نیاز به ابزار دقیق و کنترل مدرن دارد. نوع پروسه ها و شرایط محیطی و عملیاتی، از جمله عوامل تعیین کننده سطح نیاز به تجهیزات مدرن و پیشرفته می باشند.
کنترل پروسه های صنعتی در صنایع مختلف، توسط تجهیزات کنترل و ابزار دقیق صورت می گیرد. اندازه گیری اغلب پارامترهای کنترلی معمولا محدود به اندازه گیری کمیت های فشار، دما، دبی و ارتفاع سطح سیالات می گردد. وسایل و تجهیزات ابزار دقیق معمولا شامل انواع ترانسمیتر مانند ترانسمیتر فشار (PT)، ترانسمیتر دما (TT)، ترانسمیتر فلو (FT) و ترانسمیتر ارتفاع سطح سیال (LT) و شیرهای کنترلی مانند شیرهای کنترل فشار (PV)، شیرهای کنترل دما (TV)، شیرهای کنترل فلو (FV) و شیرهای کنترل ارتفاع سطح سیال (LV)، انواع اکچویتور، انواع سوئیچ مانند سوئیچ کنترل فشار (PS)، سوئیچ کنترل دما (TS)، سوئیچ کنترل فلو (FS) و سوئیچ کنترل ارتفاع سطح سیال (LS) است.
کنترل کننده یک پروسه می تواند به صورت محلی (Local) یا در محل دور (Remote) از عملیات نصب گردد. این کنترل کننده نیز انواع مختلفی دارد که می تواند برای کنترل و نمایش فشار (PIC)، کنترل و نمایش دما (TIC)، کنترل و نمایش فلو (FIC) یا کنترل و نمایش ارتفاع سطح سیال (LIC) به کار رود.
گاهی کنترل یک پروسه به صورت محلی، داخل یک پانل کنار تجهیزات به کار می رود تا اپراتور، کنترل مطمئن و قابل اطمینانی را بر روی راه اندازی و اجرای پروسه داشته باشد و گاهی تمامی کنترل پروسه از راه دور در اتاق کنترل به شکل متمرکز یا غیرمتمرکز صورت می گیرد و گاهی ترکیبی از دو حالت در کنترل به کار می رود.

کنترل گاهی به صورت پیوسته صورت می گیرد مانند اندازه گیری فشار توسط تراسمیتر فشار و گاهی به صورت گسسته انجام می شود مانند سوئیچ فشار.
در این پروژه، کنترل ارتفاع مایع در سه مخزن مرتبط که در اکثر صنایع نفت، گاز و پتروشیمی و صنایع غذایی کاربرد دارد و همواره مشکلاتی در کنترل آنها بوده، مطرح می گردد.
در فصل دوم، معادلات مربوط به اندازه گیری فلو، اندازه گیری ارتفاع سطح سیالات و انواع منحنی مشخصه شیرهای کنترلی بحث و بررسی می گردد. در ادامه معادلات غیرخطی حاکم بر سه مخزن مرتبط شرح داده می شوند و سپس این معادلات حول نقطه کار تعریف شده، به ازای یک فلوی ورودی ثابت، خطی سازی می شوند.
در فصل سوم، معادلات سیستم خطی شده، ابتدا از نقطه نظر متمرکز یا غیرمتمرکز بودن توسط معیار RGA بررسی می گردند، سپس با تایید غیرمتمرکز بودن، پروسه توسط کنترل Conventional کنترل می گردد. میزان تداخل ورودی ها بر هر خروجی در حالات مختلف نیز بررسی و شبیه سازی می گردد.
در فصل چهارم، پروسه شامل سیستم واقعی و پیش جبران ساز توسط کنترل کننده فازی کنترل می گردد. تعیین تعداد ورودی، توابع عضویت، تعیین پارامترهای هر تابع عضویت، رنج ورودی و خروجی و نوشتن Rule ها از عوامل مهمی است که بررسی می گردد و در پایان کنترل و شبیه سازی پروسه صورت می گیرد.
در فصل پنجم، پروسه شامل سیستم واقعی و پیش جبران ساز توسط کنترل کننده عصبی کنترل می گردد. تعیین تعداد ورودی، Scaling و Descaling و Training و Test شبکه از عوامل مهمی است که بررسی می گردد و در پایان کنترل و شبیه سازی پروسه صورت می گیرد.
در فصل ششم، پروسه سیستم واقعی، توسط روش پیش بین کننده مدل (MPC) کنترل می گردد و در پایان کنترل و شبیه سازی پروسه صورت می گیرد. این قسمت از پروژه، خلاصه ای از پروژه آقای مهندس مهدی حسینی می باشد که به صورت همزمان، زیر نظر استاد راهنما از ابتدا با این پروژه همراه بوده است.
در فصل هفتم، نتایج مباحث قبلی بررسی می گردد و براساس آن پیشنهاداتی مطرح می گردد.

VCO یکی از بخش های مهم مدارات RF در بخش گیرنده و فرستنده است. با ورود فرکانس های بالاتر از چند گیگاهرتز در ارتباطات و شبکه های بی سیم، اهمیت این عنصر بیش از پیش شده است. از طرف دیگر برای کوچک سازی وسایل ارتباطی، طراحان مدارات RF به سوی یک پارچه سازی همه عناصر در یک تراشه گام برداشته اند. محدودیت های توان و کیفیت بالا از ضروریاتی است که در یک پارچه سازی مدارات باید در نظر داشت. RF MEMS یکی از راه های جدید و مناسب برای یکپارچه سازی و توان مصرفی کم است که مدنظر طراحان قرار گرفته است و توان بالقوه و بالفعل برای بالاتر بردن کیفیت ارتباطات بی سیم را دارد. در این راستا به یکی از کاربردهای RF MEMS برای طراحی VCO در این پایان نامه خواهیم پرداخت.
در فصل اول به مبانی نوسان و نوسان سازها خواهیم پرداخت و آنچه که برای درک و تحلیل VCO است را بیان خواهیم کرد. در فصل دوم به نویز فاز می پردازیم و به واسطه اهمیت نویز فاز در VCO مبانی تئوری آن را بیان خواهیم کرد تا شناخت کافی از آن پیدا کنیم. در فصل سوم عملکرد یک خازن MEMS را تشریح خواهیم کرد و یک مدل الکتریکی از آن را بیان می کنیم. در همین فصل سلف MEMS را نیز بررسی می کنیم. در فصل چهارم به طراحی دو VCO که در بازه فرکانسی پرکاربرد ارتباطات بی سیم هستند می پردازیم. در فصل آخر

 ضمن مقایسه این طراحی ها با سایر کارهای انجام شده در سال های اخیر، پیشنهاداتی را برای ادامه کار مطرح خواهیم کرد.

در دو ضمیمه جداگانه مطالبی در مورد CMOS MEMS و مفهوم ضریب کیفیت در عناصر الکتریکی بیان خواهیم کرد.
فصل اول: مبانی نوسان و نوسان سازها
1-1- اهمیت نوسان سازها در سیستم های ارتباطی
نوسان سازها، نقش مهمی در تمامی سیستم های ارتباطی فرستنده – گیرنده (بدون سیم یا باسیم) ایفا می کنند. عموما در تمام گیرنده ها از ساختاری استفاده می شود که در شکل 1-1 نشان داده شده است.
در این شکل مخلوط کننده از نوسان ساز استفاده می کند تا باند سیگنال RF ورودی را به باند فرکانسی میانی IF تبدیل نماید یعنی: fIF=fRF-fLO که fLO فرکانس نوسان، نوسان ساز است. به منظور حرکت روی کانال های مخالف، فرکانس نوسان ساز باید قابل تنظیم کردن باشد. اغلب این کار با تغییر ولتاژ صورت می گیرد. به همین جهت آن را VCO می نامند.
از کاربردهای دیگر نوسان سازها می توان به: حلقه های قفل شده فاز؛ کلاک ها؛ سامانه های بازیافت داده ها و… اشاره کرد که به جهت اختصار از توضیح آنها صرف نظر می کنیم.

:
رشد روزافزون کابران سیستم های مخابرات سیار از طرفی و تقاضای بازار برای ایجاد سرویس های متنوع جدید از طرف دیگر، محققین و شرکت های مخابراتی را بر آن داشته است که با روش های نوین، به این دو مساله به همراه کیفیت مناسب ارتباطی، به نحو احسن پاسخگو باشند.
بایستی به این نکته اذعان داشت که مهمترین اختراع قرن قبل که در آخرین سال های آن رخ داد، همان سیستم آشنای «اینترنت» بوده است، به طوری که می توان آن را جذاب ترین رسانه اطلاعاتی در سرتاسر کره خاکی نامید. بنابراین، باید بین سیستم های اخیر و سرویس های «اینترنتی» جدید ارتباطی ایجاد کرد. این موضوع باعث پیشرفت هرچه بیشتر علم مخابرات گشته است.
پس از آنکه «WAP1» به دلیل سرعت پایین و هزینه بالا، نتوانست علاقه مشترکین سیار را معطوف به خود نماید، سیستم «GPRS» به عنوان نسخه جدیدی از «GSM» به بازار آمد. اما پدیده جذاب رادیویی CDMA نه تنها بر روی لایه فیزیکی شبکه تاثیر گذاشت، بلکه ساختار کلی شبکه را نیز دستخوش تغییرات جدی نمود، به نحوی که شبکه های UMTS به عنوان شبکه نسل سوم مطرح شده است. ما می خواهیم سیستمی یکپارچه، متشکل از سرویس های «سوئیچینگ» مداری و پاکتی، ثابت و سیار داشته باشیم، به طوری که کاربر هر لحظه از سرویس دلخواه خود به سهولت و با حداقل هزینه استفاده نماید؛ صرف نظر از اینکه در چه نقطه از شبکه قرار دارد یا با چه سرعتی حرکت

 می نماید. این انتظار ماست، اما رسیدن به آن چنین ساده به نظر نمی رسد!

یکی از مهمترین فرآیندهایی که در شبکه مورد علاقه به چشم می خورد، «مدیریت حرکت» است. واژه ای که متاثر تحقیقات بسیار وسیع و ارزنده ای بوده است. واژه ای که اجازه ایجاد عنوان «بیسیم» در مخابرات را صادر نموده است.
هنگامی که به کاربران اجازه می دهیم در محیط تحت پوشش شبکه به صورت آزادانه حرکت کنند و نیز به آنان قول عدم وقفه در طی مکالمه، در نتیجه جابجایی می دهیم، طبعا باید تمام جوانب کار برای حالت های ممکن، صرف نظر از چونگی تحرک این مشترک، نقطه ای که از شبکه سرویس می گیرد و سرویسی که از آن استفاده می کند را در نظر داشته باشیم.
«مدیریت حرکت» موضوع جدیدی نیست، اما روز به روز براساس خواسته های بشری مهمتر جلوه می نماید. این فرآیند از ابتدای به وجود آمدن سیستم های «بیسیم» مورد توجه بوده است و تلاش های زیادی جهت مرتفع نمودن مشکلات مربوط به آن صورت گرفته است. ولی همانطور که ذکر شد، با توجه به نیازهای امروزی، تحت یک سیستم یکپارچه، این مساله بیش از پیش مورد توجه واقع شده است.
در قسمت بعدی به بررسی پیشرفت های واقع شده در صنعت مخابرات سیار می پردازیم. در فصل های آینده به چگونگی فرآیند «مدیریت حرکت» در شبکه های متفاوت بیسیم نسل آینده خواهیم پرداخت.

کوتاه در فصل اول به معرفی شبکه DVB-RCS و نحوه طراحی آن پرداخته می شود. در همین راستا ویژگی های تکنیکی شبکه DVB-RCS آورده می شود و میزان بهبود ایجاد شده از بکارگیری مدولاسیون وفقی و نحوه طراحی و تخصیص ظرفیت در این شبکه ها بیان می شود. بکارگیری ویژگی مدولاسیون و کدینگ وفقی امکان حذف حاشیه اضافه در نظر گرفته شده برای شرایط آب و هوایی بد را ایجاد می کند پس باعث کاهش توان و هزینه سرویس می شود. حال برای بکارگیری تقویت کننده توان در ناحیه اشباع با مدولاسیون مرتبه بالا در شبکه های DVB-RCS نیاز به بررسی اثرات غیرخطی تقویت کننده می باشد بنابراین در فصل سوم به بررسی ویژگی های غیرخطی تقویت کننده توان

 بالای  TWTA، ارائه مدل برای مدل کردن اثرات غیرخطی و همچنین نحوه طراحی خطی سازی به روش پیش اعوجاج پرداخته می شود. همانطور که می دانیم خطی ساز پیش اعوجاج تابع معکوس هم از نظر فاز و هم از نظر دامنه تابع معکوس تقویت کننده توان می باشد. لذا زیر سیستمی برای محاسبه تابع معکوس تقویت کننده پیاده سازی شده و به هریک از سمبل های داده قبل از عبور تقویت کننده اعمال می شود و نتایج حاصل از بکارگیری خطی ساز به روش پیش اعوجاج در ادامه در فصل چهارم آورده می شود. برای شبیه سازی تقویت کننده و خطی ساز با روش پیش اعوجاج و بررسی میزان بهبود ایجاد شده در عملکرد تقویت کننده از نرم افزار Matalb/Simulink استفاده شد. برای شبیه سازی و بررسی عملکرد این نوع خطی ساز در مدولاسیون های سطوح بالا ابتدا بلوک طراحی شده در یک لینک با مشخص های، یک لینک DVB-RCS با مدولاسیون 32QAM و 64QAM با نرخ های مختلف کدینگ کانولوشنال به کار گرفته شد و میزان بهبود ایجاد شده از بکارگیری خطی ساز در BER، منظومه سیگنال، طیف توان و دیاگرام چشمی محاسبه گردید. چون هدف بکارگیری این بلوک خطی ساز در لینک DVB-RCS با مدولاسیون و کدینگ وفقی می باشد بنابراین بلوک خطی ساز طراحی شده در یک شبکه DVB-RCS با روش دسترسی TDMA با ده ایستگاه فرستنده، ده ایستگاه گیرنده و یک هاب به کار گرفته شد و میزان بهبود از بکارگیری خطی ساز در گذردهی شبکه محاسبه گردید. در پایان به جمع بندی و ارائه پیشنهاد برای ادامه کار در فصل پنجم پرداخته شد.

انواع آنتن های میکرواستریپ با توجه به وزن سبک و قیمت کم، کاربردهای زیادی در صنعت مخابرات و نظامی پیدا کرده اند. علیرغم مزایای زیادی که این آنتن ها دارند، وجود بعضی از معایب در این آنتن ها باعث شده است که از این آنتن ها در بعضی از مصارف نتوان استفاده کرد. از ضعف های عمده این آنتن ها می توان به کم بودن پهنای باند فرکانسی و گین این آنتن ها اشاره کرد. البته از زمان مطرح شدن این آنتن ها راهکارهای مختلفی برای از بین بردن این معایب ابدا شده است، که می توان در کتاب های مرجع و یا در مقالات به آنها رجوع کرد.
یکی از مشکلات ریشه ای این آنتن ها وجود امواج سطحی در آنهاست. با توجه به ساختار صفحه ای این آنتن ها وجود دی الکتریک زمین شده در اطراف اکثر آنتن های میکرواستریپی که محیط مناسب برای انتشار امواج سطحی می باشند امواج سطحی در این المان ها به وجود می آیند و باعث کاهش گین و پهنای باند آنتن های میکرواستریپی می شوند.
چند سال اخیر ساختارهای جدید وارد عرصه تحقیقات مخابرات شده است که توانایی کاهش امواج سطحی را دارند این ساختارها که اصطلاحا به ساختارهای Band Gap Structure مشهور هستند در رده ساختارهای متناوب تقسیم بندی می شوند.
ساختارهای BGS در یک پهنای باند فرکانس معین به نام Band Gap از انتشار امواج سطحی جلوگیری کرده و باعث افزایش پهنای باند

 فرکانسی و گین آنتن می شوند و می توان این ساختارها را به دو دسته Via دار و تک صفحه ای تقسیم کرد. برای ساختار Via دار یک مدل ساده ای به نام مدل تشدیدی ارائه شد، که در قسمت های بعدی خواهیم دید که این مدل توانایی تحلیل کلی ساختارها را ندارد و تنها می تواند فرکانس تشدید یکی از Band Gap ها را نشان دهد.

از مشکلات ساختار Via دار، وجود Via های زیاد می باشد، که در عمل ساخت این ساختار را بسیار مشکل می کند. بنابراین محققین دنبال روشی برای تک صفحه ای کردن این ساختارها بودند، که حاصل تلاش آنها منجر به وجود آمدن ساختار تک صفحه ای شد. این ساختار تقریبا عملکردی همانند ساختار Via دار را دارد.
در مورد تحلیل ساختارهای BGS به غیر از مدل تشدیدی ارایه شده مدل دیگری به نام مدل خط انتقال ارایه شده است. این مدل بر پایه اصول خط انتقال می باشد و برخلاف مدل تشدیدی توانایی نماین کردن Band Gap موجود در فرکانس های بالای مایکرویوی را با تقریب خیلی خوبی دارد. ولی توانایی معین کردن Band Gap موجود در فرکانس های پایین را ندارد. با بررسی ساختارهای مورد بحث توانستیم، با بهبود مدل خط انتقال مدل جدیدی برای این ساختارها ارایه کنیم. این مدل توانای آشکارسازی Band Gap ساختار را در فرکانس های پایین دارد. این مدل توسط نرم افزار Matlab مورد تحلیل قرار گرفت. نتاج به دست آمده تطبیق خوبی با نتایج حاصل از تحلیل این ساختار توسط نرم افزار HFSS را دارد.
در فصل دوم، امواج سطحی و سطوحی که می توانند این امواج را در خود به وجود آورند به صورت کلی بررسی شده است. و همچنین مفهوم امپدانس سطحی معرفی شده و رابطه آن را با امواج سطحی مورد مطالعه قرار می گیرد. در فصل چهارم، با مدل خط انتقال برای تحلیل ساختار Via دار و تک صفحه ای آشنا می شویم. ابتدا مدل اولیه خط انتقال را معرفی می کنیم. اما چون این مدل، توانایی معین کردن Band Gap را در فرکانس های پایین ندارد. مدل جدیدی به نام مدل بهبود یافته برای رفع این مشکل معرفی می کنیم. نتایج به دست آمده از تحلیل این مدل توسط نرم افزار Matlab تطبیق خوبی با نتایج حاصل از تحلیل این ساختار توسط نرم افزار HFSS را دارد.
در فصل پنجم، با بکار بردن این ساختارها در دو آنتن میکرواستریپ مونوپل با Patch مثلثی و مستطیلی و تغذیه میکرواستریپ لاین تغییرات حاصل در پارامترهای آنتن را مورد بررسی قرار خواهیم داد.