آنتن یکی از اجزای حیاتی سیستم ارتباطی است. آنتن در ارتباطات بی‌سیم برای انتقال و دریافت سیگنال‌ها در فواصل طولانی استفاده می‌شود. انواع مختلفی از آنتن‌ها وجود دارد، از جمله آنتن‌های سیمی، آنتن‌های موج مسافری، آنتن‌های بازتابنده، آنتن‌های میکروستریپ و غیره. کاربرد آنتن‌ها با توجه به ویژگی‌های آنتن و دامنه فرکانسی که در آن کار می‌کنند، تعیین می‌شود. به همین دلیل، درک رفتار آنتن‌ها در دامنه وسیعی از عملیات و انتخاب آنتن بهینه برای کاربرد مشخص، بسیار مهم است. پارامترهای عملکرد آنتن، کارایی آن را مشخص می‌کند. پارامترهایی مانند VSWR، نتایج بازگشتی، جهت‌گیری و پهنای باند وجود دارد. بنابراین، یکی از زمینه‌های اصلی تحقیق، تحلیل آنتن‌هاست. در این مطالعه، انواع مختلف آنتن‌ها شبیه‌سازی شده و پارامترهای عملکردی مانند نتایج بازگشتی و جهت‌گیری به دست می‌آید. شبیه‌سازی آنتن در فرکانس‌های مختلف با استفاده از MATLAB انجام خواهد شد. هنگامی که همه پارامترها در نظر گرفته می‌شوند، تحلیل بسیار دشوار می‌شود. در این حالت ابهام، از منطق فازی برای محاسبه شاخص عملکرد آنتن استفاده می‌کنیم. مجموعه‌ای از پارامترهای آنتن به سیستم استدلال فازی وارد می‌شود و بر اساس مجموعه‌ای از قواعد، تصمیم‌گیری می‌شود. اعداد دقیق به مقادیر فازی تبدیل می‌شوند و سپس مورد ارزیابی قرار گرفته و به منظور به دست آوردن شاخص عملکرد آنتن، از آنها استفاده می‌شود. سیستم استدلال فازی در MATLAB توسعه خواهد یافت و کل سیستم در سیمولینک مدل‌سازی خواهد شد.


معرفی 

I. مقدمه
عنصر تابش‌دهنده نوعی از تجهیزات الکتریکی است که توان الکتریکی را به امواج رادیویی تبدیل می‌کند و اجازه می‌دهد که سیگنال در فضای آزاد منتقل شود. این عنصر همچنین سیگنال‌های رادیویی ورودی را به ایمپالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. به همین دلیل، آنتن در زمینه سیستم‌های ارتباطات بی‌سیم بسیار مهم است. عوامل زیادی بر انتخاب آنتن تأثیر می‌گذارند. فرکانس کار [1] و همچنین کاربرد، دو مورد از این معیارها هستند. عملکرد آنتن به عواملی نظیر تلفات برگشتی، ضریب بازتاب و نسبت موج ایستای ولتاژ بستگی دارد. در این تحقیق، چندین توپولوژی آنتن برای ویژگی‌های عملکردی فرکانس‌های مختلف با استفاده از ابزارک آنتن MATLAB [2] مدل‌سازی شده است. این پارامترها به سیستم استنتاج فازی وارد می‌شوند که عملکرد آنتن را با در نظر گرفتن تمام پارامترها تحلیل می‌کند. سیستم استنتاج فازی با استفاده از مجموعه قوانینی که از دانش کارشناسان آنتن استخراج شده، ایجاد می‌شود. با استفاده از قوانین فازی، مقادیر دقیق به مقادیر فازی [3] تبدیل و برای عملکرد ارزیابی می‌شوند، در حالی که مقادیر زبانی به مقادیر دقیق تبدیل می‌گردند. روش پیشنهادی استنتاج فازی برای تحلیل عملکرد آنتن به کار می‌رود. سیمولینک برای مدل‌سازی سیستم استفاده می‌شود و عملکرد آنتن‌ها در فرکانس‌های مختلف مورد ارزیابی قرار می‌گیرد و تغییرات عملکرد آنتن‌ها نسبت به فرکانس نیز نمودار می‌شود.


این مطالعه به بررسی ساخت سیستمی می‌پردازد که از منطق فازی برای ارزیابی عملکرد پیکربندی‌های آنتن استفاده می‌کند. در این مرحله، ساختارهای آنتن با استفاده از ابزار طراحی آنتن MATLAB شبیه‌سازی می‌شوند و پارامترهای عملکرد استخراج می‌گردند. این پارامترهای جمع‌آوری‌شده به آنالیزور داده می‌شوند که عملکرد آنتن را تعیین می‌کند. لطفی زاده در سال 1964 مطالعه‌ای در زمینه منطق فازی منتشر کرد و بین سال‌های 1965 تا 1975 به توسعه نظریه مجموعه‌های فازی ادامه داد. منطق فازی به دلیل چالش‌هایی که تکنیک‌های ریاضی استاندارد در ساخت و ارزیابی سیستم‌های پیچیده با آن مواجه بودند، به وجود آمد. مطالعه عملکرد ساختار آنتن به‌خصوص پیچیده است زیرا پارامترهایی که عملکرد را تعیین می‌کنند باید به‌طور هم‌زمان مورد بررسی قرار گیرند. سیستم استنتاج فازی که در این مقاله توصیف شده برای جلوگیری از این پیچیدگی طراحی شده است. تیم تحقیقاتی اول به استفاده از منطق فازی در مؤسسات آموزشی می‌پردازد و نحوه استفاده از منطق فازی برای تحلیل عملکرد دانش‌آموزان را بررسی می‌کند. نمرات کسب‌شده توسط دانش‌آموزان به سیستم استنتاج فازی وارد می‌شود که عملکرد دانش‌آموز را ارزیابی می‌کند. آنتن میکروستریپ مستطیلی مدل‌سازی و شبیه‌سازی شده است. این مطالعه همچنین روشی برای ادغام MATLAB با Visual Basic ارائه می‌دهد. MATLAB ابزاری عالی برای طراحی و شبیه‌سازی ساختارهای آنتن از انواع مختلف است و توضیحات دقیقی از پارامترهای عملکرد آنتن طراحی‌شده ارائه می‌دهد. مطالعه‌ای دیگر پیشنهاد می‌کند که از MATLAB برای ساخت و تحلیل یک منعکس‌کننده پارابولیک استفاده شود. تحلیلی از الگوهای نرمال‌شده E-plane و H-plane انجام شده است. تحلیل منعکس‌کننده پارابولیک، شامل f/D، بهره و الگوهای تابش، انجام شده و نتایج مناسب ارائه گردیده است. 

یک تیم مطالعه دوم به ارزیابی عملکرد هیئت‌علمی در مؤسسات آموزشی می‌پردازد. در این تحقیق، ایجاد یک سیستم استنتاج فازی برای ارزیابی عملکرد آنتن پیشنهاد می‌شود. برای شبیه‌سازی انواع مختلف آنتن‌ها، از MATLAB استفاده شده است. [8] به مدل‌سازی یک آنتن میکروستریپ مستطیلی با استفاده از Matlab و Visual Basic اشاره می‌کند. [9].

این متن شبیه‌سازی یک آرایه آنتن NxN را در نرم‌افزار متلب نشان می‌دهد که در آن عامل آرایه آنتن برای هر شخص مشخص شده است. این شبیه‌سازی تأثیر افزایش جهت‌پذیری عامل پرتو آرایه آنتن را با افزایش تعداد عناصر آنتن نشان می‌دهد و همچنین تأثیر افزایش عناصر آنتن بر عامل آرایه را تحلیل می‌کند. مراجع [10]-[11]-[12]-[13] به طراحی و بهبود عملکرد عناصر آنتن پرداخته‌اند. طراحی بسیاری از آنتن‌ها در ادبیات موجود است. مرجع [14] طراحی یک آنتن پچ مربع را توضیح می‌دهد. همچنین در مقاله‌ای دیگر، آنتن میکروپیس خطی با شکاف و باندفرکانس گسترده نیز توصیف شده است [15].


-II. منطق فازی

امروزه، کنترل فازی به عنوان ابزاری مهم برای کنترل در نظر گرفته می‌شود و علاوه بر این، برای کمک به توسعه‌دهندگان در حل مشکلات مختلفی مانند طراحی خروجی‌های دینامیک سوئیچ شده برای زمان‌های پیوسته استفاده می‌شود. نوع جدیدی از کنترل‌کننده‌های بازخورد دینامیک، به نام کنترل‌کننده‌های جبران‌سازی توزیع‌شده‌ی موازی سوئیچ شده، پیشنهاد شده است که بر اساس مقادیر توابع عضویت سوئیچ می‌شوند. برای تضمین پایداری‌ها و حفظ مقادیر پارامترها، ما یک راه‌حل مبتنی بر توابع منطق فازی را برای تحلیل عملکرد در ساختارهای مختلف آنتن پیشنهاد می‌دهیم. در عمل، منطق فازی نوع ۲ ابتدا توسط زاده معرفی شد. تکنیک ارائه‌شده به ویژه در مسائل پیچیده‌ای که به کاربردهای دنیای واقعی و پر سر و صدا مربوط می‌شوند، بسیار جالب به نظر می‌رسد. ما می‌دانیم که در مراحل توسعه سیستم، منطق فازی نوع ۲ همان واژگان منطق فازی کلاسیک نوع ۱ را به عنوان توابع عضویت، قواعد، عملیات نُرم، فازی‌سازی، استنتاج و دافازی‌سازی تعریف می‌کند، اما این اصطلاحات تعاریف متفاوتی برای تصویرسازی دارند. تفاوت عمده بین منطق فازی نوع ۱ و نوع ۲ اساساً در نوع مجموعه‌های فازی و در مرحله پردازش خروجی است که پیش از بلوک دافازی‌سازی قرار دارد؛ توابع عضویت نوع ۱ قطعی و واضح هستند، در حالی که توابع نوع ۲ خود فازی هستند و توسط یک منطقه محدود شده با دو تابع عضویت نمایندگی می‌شوند، که برای هر تابع عضویت اولیه (که در بازه [۰، ۱] است)، یک تابع عضویت ثانویه استفاده می‌شود. در مورد پردازشگر خروجی، در سیستم‌های منطق فازی نوع ۱ فقط توسط فرآیند دافازی‌سازی شناخته شده (مرکز مجموعه‌ها...) نمایندگی می‌شود، اما در سیستم‌های نوع ۲ شامل دو مؤلفه است: کاهش نوع و دافازی‌سازی؛ کاهش نوع از مجموعه‌های خروجی فازی نوع ۲ به مجموعه‌های نوع ۱ کاهش می‌یابد و سپس این مجموعه‌های کاهش‌یافته دافازی‌سازی می‌شوند تا خروجی‌های نهایی واضح به دست آید. زاده در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ منطق فازی را بنیان‌گذاری کرد. منطق فازی...

منطق فازی دانش انسانی را با الگوریتم‌های عملیاتی ترکیب می‌کند. کامپیوتر ممکن است به گونه‌ای برنامه‌ریزی شود که مانند ذهن انسان عمل کند. منطق سنتی و نظریه مجموعه‌ها درباره این است که چیزی آیا درست یا نادرست، سفید یا سیاه، صفر یا یک است. در مقابل، منطق فازی به تمامی مقادیر ممکن اعتراف می‌کند.


A. مجموعه‌های فازی

مفهوم مجموعه مبهم به سادگی یک گسترش از مفهوم مجموعه کلاسیک است. در مقایسه با مجموعه کلاسیک، مجموعه مبهم به طور قابل توجهی بزرگ‌تر است. مجموعه کلاسیک تنها چند گزینه عضویت دارد، مانند درست یا نادرست، '۰' یا '۱'.

B. فازی‌سازی و غیر فازی‌سازی

ارزش‌ها باید زبانی باشند تا بتوانند در سیستم استنتاج فازی به کار روند. درجه عضویت در مجموعه فازی برای نمایش این ارزش‌های زبانی استفاده می‌شود. فازی‌سازی به فرآیند تبدیل این ارزش‌های زبانی دقیق به ارزش‌های زبانی فازی اشاره دارد. تکنیک تولید نتایج کمی به نام دافازی‌سازی شناخته می‌شود. سیستم استنتاج فازی نتیجه‌ای فازی تولید می‌کند که به صورت درجه عضویت مجموعه‌های فازی نمایان می‌شود. دافازی‌سازی مقادیر واقعی صریحی به درجات عضویت مجموعه‌های فازی اختصاص می‌دهد. 

III. پیاده‌سازی
در این مقاله، چندین توپولوژی آنتن برای دامنه‌های فرکانسی مختلف با استفاده از ابزار پردازش آنتن MATLAB شبیه‌سازی شده است. با این مجموعه ویژگی‌ها، تحلیل عملکرد آنتن تبدیل به وظیفه‌ای خسته‌کننده می‌شود. در این مرحله از عدم قطعیت، ایده منطق فازی برای بررسی عملکرد آنتن‌ها استفاده می‌شود و تمام ویژگی‌ها مدنظر قرار می‌گیرند. آنتن‌ها برای دامنه فرکانسی بین 1 مگاهرتز تا 10 مگاهرتز شبیه‌سازی شده و ویژگی‌های عملکردی با استفاده از الگوریتم استنتاج فازی ارزیابی می‌شود تا یک شاخص عملکردی ارائه گردد. شاخص عملکرد حاصل نسبت به فرکانس نمایش داده می‌شود.

IV. نتایج شبیه‌سازی و بحث‌ها
الف. طراحی و شبیه‌سازی آنتن
آنتن‌ها در نرم‌افزار متلب با استفاده از جعبه‌ابزار طراحی آنتن ساخته و شبیه‌سازی شده‌اند. ما به‌طور عمده پنج ساختار آنتن را طراحی و شبیه‌سازی کردیم: آنتن نوع پاپیونی، آنتن مونوپول، آنتن دیپول، آنتن نوع معکوس F و آنتن حلزونی. شبیه‌سازی پارامترهایی نظیر جهت‌گیری، VSWR و ضریب برگشت را ارائه می‌دهد که عملکرد آنتن را تعیین می‌کند. تمرکز تابش در یک جهت خاص توسط جهت‌گیری اندازه‌گیری می‌شود و مشخص‌کنندهٔ سمت‌گیری آنتن است. کارایی بر هر دو پارامتر جهت‌گیری و بهره تأثیر می‌گذارد. الگوها می‌توانند برای تعیین ساده‌تر جهت‌گیری استفاده شوند. نسبت بیشینهٔ شدت تابش به شدت تابش متوسط به عنوان جهت‌گیری تعریف می‌شود. ضرر برگشتی نیز یکی دیگر از جنبه‌های کلیدی است که بر عملکرد تأثیر می‌گذارد و پارامتری است که نشان‌دهندهٔ میزان اتلاف قدرت است. از این رو، این عنصر در تعیین عملکرد آنتن اهمیت بالایی دارد. VSWR و ضریب برگشت شبیه‌سازی به دست آمده و برای پردازش‌های بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند . 

ب. توسعه سیستم استنتاج فازی

  • مجموعه‌ای از قواعد "اگر" و "آنگاه" برای ایجاد یک سیستم استنتاج فازی استفاده می‌شود. این قواعد بر اساس راهنمایی‌های حرفه‌ای تعیین می‌شوند و تمام عوامل عملکرد آنتن را در نظر می‌گیرند.
  • خروجی سیستم فازی، ارزش زبانی است که باید به ارزش دقیق منتقل شود. این نوع تبدیل "از دقت‌زدایی" نامیده می‌شود.
    استراتژی‌های دقت‌زدایی شامل مفهوم حداکثر عضویت، روش مرکز ثقل، روش میانگین وزنی، روش میانگین حداکثر، مرکز جمع، مرکز بزرگترین ناحیه، و نخستین (یا آخرین) ماکزیمم‌ها می‌باشد. در این مقاله، از روش مرکز ثقل برای دقت‌زدایی استفاده شده است. روش مرکز ثقل همچنین به عنوان روش وزن مرکز شناخته می‌شود . 


فرایندهایی که مقادیر ورودی دقیق را به متغیرهای زبانی فازی تبدیل می‌کنند. هسته تابع عضویت برای مجموعه فازی A به عنوان آن ناحیه از جهان مشخص می‌شود که با عضویت کامل و کامل در A تعریف می‌شود. این بدان معنی است که هسته شامل عناصری از جهان x است که در آن A (x) = 1. مجموعه متغیرهای زبانی فازی به عنوان مجموعه فازی A نامیده می‌شود. در این مطالعه، توابع عضویت مثلثی مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
C. پارامترهای عملکرد
در مرحله شبیه‌سازی، پارامترهای عملکرد آنتن تعیین می‌شود و مقادیر متغیر عملکردی در جدول (I) تا جدول (V) ارائه شده است، که به ترتیب برای آنتن پاپیونی، آنتن دیپول (جدول II)، آنتن معکوس F (جدول III)، آنتن مونوپل (جدول IV) و آنتن هلیکس می‌باشد. ما آنتن‌ها را در بازه فرکانسی از 1 مگاهرتز تا 10 مگاهرتز شبیه‌سازی کردیم.


ما مقادیر را در جدول (I) ارائه کردیم. در عمل، پارامترهای عملکردی به‌دست‌آمده به دلیل سیستم استنتاج فازی بهینه‌سازی می‌شوند و به‌وسیله قوانین فازی تحلیل می‌شوند و شاخص عملکرد به‌دست می‌آید. جدول VI تغییرات شاخص عملکرد انواع آنتن‌ها در فرکانس‌های مختلف را نشان می‌دهد. این پارامترهای عملکرد به سیستم استنتاج فازی وارد می‌شوند و به‌طور مؤثری با استفاده از قوانین فازی تحلیل می‌شوند. ما تغییرات شاخص عملکرد انواع آنتن‌ها را در فرکانس‌های متفاوت در جدول (VI) ذخیره کرده‌ایم. ما نموداری از تغییرات شاخص عملکرد را در شکل 7 ارائه می‌دهیم. ما به یک دامنه جدایی معقول نیاز داریم تا تکنیک ابهام معنایی. در سطح 3، دامنه جدایی تکنیک ابهام معنایی به 40.6 کیلومتر رسیده است که دستاورد بالایی در خصوص حفاظت منطقه است، با این حال، کارایی اداره کاهش یافته است. در آن سطح، تکنیک ابهام معنایی پیشرفته تعادلی میان حفاظت منطقه و کارایی اداره به‌دست آورد که در جدول I دیده می‌شود.

شکل 1 تابع عضویت برای ضریب بازتاب ورودی را نشان می‌دهد. مجموعه فازی شامل متغیرهای منفی شدید (mn)، منفی (n) و صفر (z) است، همان‌طور که در تصویر مشخص شده است. شکل‌های 2 و 3 بینش قوانین مربوط به مجموعه ورودی‌های داده شده را نشان می‌دهند. شکل 4 نمای سطحی از تغییرات شاخص عملکرد نسبت به پارامترهای ورودی را نمایش می‌دهد.

نمایشگر سطح فازی تغییرات شاخص عملکرد نسبت به ورودی‌ها:
سیستم فازی تولیدشده به سیمولینک صادر می‌شود و مدل‌سازی فازی انجام می‌شود، همان‌طور که در شکل 5 نمایش داده شده است. شکل 6 مدل‌سازی سیستم پیشنهادی را نشان می‌دهد.

تنوع در عملکرد آشکار است زمانی که نمایه عملکرد در برابر فرکانس ترسیم می‌شود. شکل 7 نوسانات فرکانس نمایه عملکرد را نشان می‌دهد.

V. نتیجه‌گیری
در این تحقیق، توپولوژی‌های مختلف آنتن با استفاده از نرم‌افزار متلب شبیه‌سازی شده و ویژگی‌های عملکرد از نتایج شبیه‌سازی استخراج گردیده است. آنتن‌ها برای دامنه‌های فرکانسی از 1MHz تا 10MHz شبیه‌سازی شده‌اند. این تحقیق بر اساس منطق فازی، روش جدیدی برای ارزیابی عملکرد یک آنتن ارائه می‌دهد. پارادایم ریاضی سنتی برای تصمیم‌گیری نمی‌تواند به سیستم‌های پیچیده‌ای مانند عملکرد آنتن‌ها اعمال شود. در نتیجه این مقاله، این مشکل کاهش می‌یابد و ارزیابی دقیقی از عملکرد آنتن ممکن می‌شود. سیستم فازی ایجاد شده و سیستم پیشنهادی با Simulink مدل‌سازی می‌شود. سیستم ساخته شده ورودی‌هایی دریافت کرده و خروجی آن مشاهده می‌شود. نمایه عملکرد به‌دست‌آمده آنتن‌ها ترسیم می‌شود. بر اساس نتایج تحلیل، آنتن معکوس f در دامنه فرکانسی 1MHz تا 10MHz نسبت به سایر آنتن‌های مطالعه‌شده عملکرد بهتری دارد.

ACKNOWLEDGMENT
نویسنده از دکترای دانشگاه خرماء و دپارتمان تحقیقات علمی دانشگاه طائف در پادشاهی عربستان سعودی به‌خاطر حمایت در انجام این کار تحقیقاتی تشکر می‌نماید.