فصل اول

 

مشخصات تشعشعي يک آنتن

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول - مشخصات تشعشعي يک آنتن

 

1-1) مقدمه

انتقال امواج الکترومغناطيسي مي تواند توسط نوعي از ساختارهاي هدايت کننده امواج (مانند يک خط انتقال يا يک موجبر) صورت گيرد و يا مي تواند از طريق آنتنهاي فرستنده و گيرنده بدون هيچ گونه ساختار هدايت کننده واسطه اي انجام پذيرد. عوامل مختلفي در انتخاب بين خطوط انتقال يا آنتنها دخالت دارند. بطور کلي خطوط انتقال در فرکانسهاي پايين و فواصل کوتاه عملي هستند. با افزايش فواصل و فرکانسها تلفات سيگنال و هزينه هاي کاربرد خطوط انتقال بيشتر ميشود و در نتيجه استفاده از آنتنها ارجحيت مي يابد]1[.

در حدود سالهاي 1920 پس از آنکه لامپ تريود براي ايجاد سيگنالهاي امواج پيوسته تا يک مگاهرتز بکار رفت، ساخت آنتنهاي تشديدي (با طول موج تشديد) مانند دوقطبي نيم موج امکان يافت و در فرکانسهاي بالاتر امکان ساخت آنتنها با ابعاد و اندازه ي فيزيکي در حدود تشديد (يعني نيم طول موج) فراهم شد. قبل از جنگ دوم جهاني مولدهاي سيگنال مگني ترون و کلايسترون و مايکروويو (در حدود يک گيگاهرتز) همراه با موجبرهاي توخالي اختراع و توسعه يافتند. اين تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتنهاي بوقي شد. در خلال جنگ دوم جهاني يک فعاليت وسيع طراحي و توسعه براي ساخت سيستم هاي رادار منجر به ابداع انوع مختلف آنتنهاي مدرن مانند آنتنهاي بشقابي (منعکس کننده) عدسي ها و آنتنهاي شکافي موجبري شد]1[.

امروزه گستره وسيعي از انواع مختلف آنتنها در مخابرات سيار و سيستمهاي بيسيم در حال استفاده اند و کماکان رقابت در زمينه کوچک کردن ابعاد آنتنها و بهينه کردن مشخصات تشعشعي آنها ادامه دارد. در اين بخش به طور خلاصه به مرور اصول، تعاريف مشخصات تشعشعي آنتنها پرداخته شده است.

 

1-2) تقسيم بندي نواحي اطراف يک آنتن

فضاي اطراف يک آنتن به دو ناحيه تقسيم ميشود. اولين ناحيه بعد از آنتن، ناحيه آنتن و ناحيه خارج از آن، ناحيه بيروني ناميده ميشود. مرز دو ناحيه کره اي است که مرکزش، مرکز آنتن وسطح آن از دو انتهاي آنتن عبور ميکند. نسبت اين کره مرزي به آنتن نيم موج دو مخروطي متقارن در شکل 1-1 نشان داده شده است ]2[.

شکل1-1 نواحي اطراف يک آنتن]2[

 

براي متمايز کردن ميدانها در فاصله دور و نزديک آنتن، مي توان ناحيه بيروني را به دو ناحيه تقسيم کرد که فاصله نزديک آنتن شامل ميدانهاي نزديک ناحيه فرنل[1] نام دارد و ميدان در فاصله دور را ناحيه دور يا ناحيه فرانهوفر[2] مي خوانند.

مي توان ثابت کرد فواصل بزرگتر از نسبت به آنتن شامل ميدانهاي راه دور آنتن است. طول موج کاردر فضاي آزاد و بزرگترين بعد آنتن است.

 

شکل1-2 ميدانها در فاصله دور و نزديک آنتن]2[

 

در ناحيه فرانهوفر مولفه هاي ميدان عرضي و مستقل از فاصله شعاعي است که ميدان در آن محاسبه ميشود. در صورتي که در ناحيه فرنل ممکن است مولفههايميدانبه صورت شعاعي تغيير كنند که در نتيجه نمودار تشعشعي [3] ميدان بطور کلي تابعي از شعاع خواهد بود ]2[.

 

1-3) شدت تشعشعي آنتن

توان تشعشع شده از يک آنتن در واحد زاويه فضايي، شدت تشعشعي U (وات بر استراديان) خوانده ميشود]2[.

شکل زير يک عنصر زاويه فضايي را نشان ميدهد(شکل1-3) .

 

شکل1-3 عنصر زاويه فضايي]1[

 

 

1-4) نمودارهاي تشعشعي[4]

با حرکت يک آنتن کاوشگر[5] شکل1-4)الف) در يک فاصله ثابت حول يک آنتن آزمون مي توان نمودار تشعشعي را بصورت يک تابع مختصات زاويه اندازه گيري کرد. در شكل1-4(الف)هر نمودار تشعشعي در صفحات ثابت موسوم به يک نمودار تشعشعي صفحه E [6] است ، زيرا بردار الکتريکي کاملا در آن قرار دارد. نمودار تشعشي در يک صفحه عمود بر صفحه E که از وسط دوقطبي آزمون مي گذرد (صفحه xy) موسوم به نمودار تشعشعي صفحه[7]H است، زيرا بردار ميدان مغناطيسي کاملا در آن جاي دارد. به عنوان مثال نمودارهاي تشعشي صفحه E و صفحه H براي يک آنتن ساده دوقطبي نيم موج به ترتيب در شکل 1-4 (ب) و شکل 1-4 (ج) نشان داده شده است. اين نمودارها را مي توان براي مولفه هاي مختلف ميدان E و H و حتي توان رسم كرد.

مولفه های میدان و نحوه اندازه گیری پرتو. آنتن کاونده روی سطح یک کره حرکت داده می شود.]1[

نمودار قطبی پرتو تشعشی صفحه E

 

 

شکل1-4 نمودار قطبی پرتو تشعشعی صفحه H

 

تشعشع کامل دوقطبي ايده آل به صورت يک نماي ايزومتريک [8] در شکل 1-5 با يک برش نشان داده شده که بصورت يک چنبره بدون سوراخ است و به نمودار تشعشي همه جهتي [9] معروف است، زيرا در صفحه xy يکنواخت ميباشد. هنگامي که پژوهشگر به آنتنهاي جديد برخورد ميکند، بايد سعي کند که تشعشع کل را در دو يا چند نمودار تشعشي بيان کند ]1[.

شکل1-5 نمودار سه بعدی پرتو تشعشعی]1[

 

مناسب است که نمودارهاي تشعشعي را نرماليزه (بهنجار) کنيم به طوري که حداکثر اندازه اش برابر واحد شود. براي نرماليزه کردن يک نمودار به صورت زير عمل ميکنيم: اندازه ميدان يا توان در هر نقطه از نمودار را بر ماکزيمم مقدار آنها تقسيم ميکنيم . بدين صورت نمودار نرماليزه شده بدست مي آيد . به عنوان مثال براي يک منبع در امتداد محور Z که ميدان E اش تنها يک مولفه دارد، نمودار ميدان نرماليزه شده، به صورت زير تعريف ميشود:

(1-1)

 

حداکثر اندازه روي سطح کره به شعاع است. البته مستقل از است.

يک نمونه نمودار توان تشعشعي يک آنتن بصورت يک نمودار قطبي در شکل زير رسم شده است. گلبرگ يا تابه اصلي [10] شامل جهت حداکثر تشعشع ميباشد. گلبرگ هاي کوچکتر ديگري موسوم به گلبرگهاي فرعي [11] نيز در نمودار تشعشع وجود دارد. يک گلبرگ کناري [12] را به عنوان يک گلبرگ تشعشع در هر جهت غير از جهت گلبرگ اصلي تعريف ميکنيم]1[.

 

شکل1-6 یک نمونه نمودار قطبی پرتو توان]1[

 

يک معيار تمرکز توان در گلبرگ اصلي، تراز گلبرگ کناري نسبي [13]است که نسبت حداکثر اندازه (پرتو) گلبرگ کناري به حداکثر اندازه (پرتو) گلبرگ اصلي است. بزرگترين تراز گلبرگ کناري نسبي در پرتو کل همان حداکثر تراز گلبرگ کناري نسبي[14] بوده که اغلب با علامت اختصاري SLL[15] نشان داده ميشود و بر حسب دسي بل عبارت است از :

(2-1)

که تابع اندازه پرتو ميدان ميباشد. در اين رابطه حداکثر اندازه پرتو و حداکثر اندازه بزرگترين گلبرگ کناري است. براي يک پرتو نرماليزه شده ميباشد. نمودار اندازه پرتو يک منبع خطي يکنواخت در مختصات قائم و مقياس خطي در شکل 1-7رسم شده است.

شکل1-7 ]1[

 

گلبرگهاي کوچکتر گلبرگهاي کناري بوده و به توالي مثبت و منفي هستند.

 

1-5) پهناي تابه نيم توان (HPBW)[16]

بصورت فاصله زاويه اي بين دو نقطه روي تابه اصلي در پرتو توان بوده که اندازه توان نصف حداکثر اندازه آن است. بنابراين:

(3-1)

و به ترتيب زواياي نقاط در طرف چپ و طرف راست حداکثر تابه اصلي هستند که پرتو توان نصف اندازه حداکثرش است]1[.

آنتنها مي توانند پهلو آتش [17] يا سرآتش [18] باشند. حداکثر اندازه تابه اصلي يک آنتن پهلو آتش در جهتي عمود بر صفحه شامل آنتن است. حداکثر اندازه تابه اصلي يک آنتن سرآتش موازي صفحه شامل آنتن ميباشد

 

 

1-6) [19]VSWR و پهناي باند فرکانسي يک آنتن

قبل از تعريف VSWR مفهوم خط انتقال پاياندار را توضيح مي دهيم.

يک خط انتقال بدون اتلاف منتهي به بار دلخواه را در نظر بگيريد که در راستاي محور Z قرار دارد به طوري که مبدا در محل بار قرار داشته باشد. منبعي در Z هاي منفي (Z<0) موج ولتاژ تابشي (، که فرکانس زاويه اي، ضريب الکتريکي و ضريب مغناطيسي مي باشند. ) را توليد مي ميکند که در جهت +Z حرکت ميکند. طبق تعاريف خط انتقال نسبت ولتاژ رفت به جريان رفت براي اين موج رونده در جهت +Z برابر امپدانس مشخصه خط است. اما اگرخط به بار منتهي شده باشد، نسبت ولتاژ كل به جريان كل در محل بار برابر خواهد بود و نه . براي توضيح اين تناقض بايد يک موج انعکاسي در جهت –Z وجود داشته باشد. لذا ولتاژ کل خط بار برابر است با :

(1-4)(الف)

که ولتاژ تابشي توسط منبع در Z=0 و ولتاژ بازگشتي از بارو براي يك خط بي اتلاف عددي حقيقي است ولي مي تواند مختلط باشد.

جريان كل نيز از رابطه زير بدست مي آيد:

(1-4)‌‌‌‌‌‌‌ (ب)

 

نسبت ولتاژ به جريان در محل بار برابر است با امپدانس بار :

(1-5)

(1-6)

ضريب انعکاس به صورت زير تعريف ميشود:

(1-7)

بديهي است که:

- در حالتي که انعکاس کامل داريم يعني اندازه گاما 1 است هيچ تواني به بار منتقل نميشود و همه توان برميگردد.

- در حالتي که تطبيق کامل داريم يعني گاما0 است ماکزيمم توان به بار منتقل ميشود.

نسبت موج ساکن ولتاژدر طول خط انتقال، بصورت نسبت ماکزيمم دامنه ولتاژ به مي نيمم دامنه ولتاژ در خط تعريف ميشود و ثابت ميشود با ضريب انعکاس موج رابطه زير را دارد:

 

(1-8)

طبق رابطه فوق هنگامي که پس که به اين حالت انعکاس کامل و هنگامي که در نتيجه که به اين حالت انطباق کامل مي گوييم.

مشخصه VSWR در يك خط انتقال كه يک آنتن خوب و منطبق را تغذيه مي كند در فرکانس کارش بايد بين 1و2و5/2 باشد.

فرکانس يا فرکانسهايي که در آنها VSWR نزديک به 1 و کمينه است فرکانس رزونانس يا تشديد آنتن مي نامند و در اکثر مواقع بازه اي حول اين فرکانسها که VSWR بين 1و2 است به صورت پهناي باند فرکانس آنتن حول فرکانس تشعشع در نظر مي گيرند]3[.

بديهي است با اين تعريف در فركانس تشديد امپدانس ورودي آنتن به امپدانس مشخصه خط انتقال منطبق است و در نتيجه براي يك خط انتقال بي اتلاف امپدانس ورودي آنتن نبايد در فركانس تشديد قسمت رآكتيو داشته باشد.

 

1-7) بهره جهتي آنتن

بهره جهتي به صورت نسبت شدت تشعشع در يک جهت معين به شدت تشعشع متوسط تعريف ميشود.

(1-9 .الف )

شدت تشعشع متوسط آنتن است که مي توان بعنوان شدت تشعشع يک منبع يکسانگرد (تشعشع كره اي) در نظر گرفت به طوري که همان اندازه توان کل تشعشع شده () از آنتن واقعي را با شدت تشعشع ساطع کند. طبق اين تعريف مقدار متوسط شدت تشعشع با توان كل تشعشع شده رابطه زير را دارد:

(1-9 .ب )

که مي توانيم بهره جهتي را بصورت چگالي توان در يک جهت معين در يک برد معين() به چگالي توان متوسط در همان برد() نيز تعريف کنيم .

(1-10)

که چگالي توان لحظه اي و بردار يکه شعاعي و توان کل تشعشع شده از آنتن ميباشد ]1[.

 

1-8) سمتگرايي

سمتگرايي بسادگي به صورت حداکثر اندازه بهره جهتي تعريف ميشود.

(1-11)

اگر توان تشعشع بطور يکسانگرد و يکنواخت در کل فضا توزيع شود، حداکثر اندازه شدت تشعشع برابر اندازه متوسطش خواهد بود، يعني . بنابراين، سمتگرايي اين پرتو يکسانگرد برابر يک است.

 

1-9) بازده تشعشعي آنتن

نسبت توان تشعشع کل به توان ورودي کل است که تلفات درون ساختار آنتن را شامل ميگردد.

(1-12)

1-10) بهره يا گين آنتن (g)

دوپارامتر سمتگرايي و بازده تشعشعي آنتن را به هم مربوط ميکند.

 

بهره مطلق

نسبت شدت تشعشع يک آنتن در جهت داده شده به شدت تشعشع همان آنتن در همان جهت وقتي که آنتن به صورت همسانگرد (ايزوتروپيک) تابش کند. به طوري که در هر دو حالت توان ورودي به ترمينالهاي آنتن يکسان باشد و به طور کامل تشعشع شود .

(1-13)

بهره نسبي

عبارت است از شدت تشعشع يک آنتن در جهت خاص به شدت تشعشع يک آنتن ديگر در همان جهت به طوري که توان ورودي به ترمينالهاي هر دو آنتن برابر باشد. اين آنتن دوم را آنتن مرجع مي گويند که هر نوع آنتني مي تواند باشد به شرطي که شدت تشعشع آن مشخص و يا قابل محاسبه باشد، معمولا آنتن مرجع يک آنتن همسانگرد بوده و بدون تلف در نظر مي گيرند. در اين حالت حداکثر بهره توان به صورت نسبت حداکثر شدت تشعشع ناشي از آنتن به حداکثر شدت تشعشع ناشي از آنتن مرجع با توان ورودي يکسان تعريف ميشود، که تعريف مناسبي از لحاظ اندازه گيري ميباشد]1[.

(1-14)

حداکثر اندازه بهره توان به صورت زير است :

(1-15)

همچنين رابطه بين سمتگرايي و بازدهي تشعشعي و حداکثر اندازه بهره توان به صورت زير ميباشد:

مي دانيم که :

(1-16)

1-11) امپدانس ورودي آنتن

امپدانس ورودي آنتن عددي است مختلط که دو جزء حقيقي و موهوميدارد.

(1-17)

مقاومت حقيقي ورودي () توان مصرف شده يا به عبارتي توان تشعشع شده در آنتن را نشان ميدهد. زيرا در بسياري از آنتنها تلفات اهمي نسبت به توان تشعشعي بسيار ناچيز است.

(1-18)

که جريان در پايانه هاي ورودي آنتن است.

در نگاهي دقيقتر توان عبوري را به دو نوع تلفات اهمي و توان تشعشعي تفکيک ميکنيم .

(1-19)

همچنين راکتانس ورودي توان ذخيره شده در ميدان نزديک آنتن را مشخص ميکند.

مقاومت تشعشعي و مقاومت اهمي يک آنتن در پايانه هايش تعريف شده و عبارتند از:

و (1-20)

توان تشعشع شده از انتگرال سطحي بردار پوئين تينگ روي يک سطح بسته (معمولا سطح يک کره) در ميدان دور محاسبه ميشود.

(توان متوسط تشعشع شده) (1-21)

 

1-12 قطبش موج

قطبش موج نحوه تغییرات میدان الکتریکی را در یک نقطه از فضا مشخص می‌کند. اگر بردارهای الکتریکی و مغناطیسی همواره در یک صفحه ثابت حضور داشته باشند موج دارای قطبش صفحه ای (مسطح) می‌باشد. نوک بردار میدان الکتریکی با گذشت زمان یک منحنی را طی می‌کند که جهت مسیر و شکل آن در اصطلاح قطبش بردار میدان الکتریکی را مشخص می‌کند. در شکل 1-12 به قطبش های مختلف موج منتشر شده در جهت محور z در دستگاه مختصات قائم اشاره شده است. در حالت کلی منحنی قطبش یک موج بیضوی است. بیضی قطبش دارای دو حالت حدی مهم خطی و دایروی است.

 

شکل1-12] 1[

-الف)قطبش خطی افقی ب)قطبش خطی قائم پ)قطبش دایروی راستگرد ت)قطبش دایروی چپگرد ج) قطبش بیضوی چپگرد ث) قطبش بیضوی راستگرد

کمیت نسبت محوری (AR) در بررسی قطبش موج بسیار کاربرد دارد و در اصطلاح نسبت مولفه میدان الکتریکی در امتداد محور اصلی به مولفه میدان در امتداد محور فرعی بیضی قطبش است. علامت نسبت محوری AR برای جهت چپگرد مثبت و برای جهت راستگرد منفی است.

 

1-13 ) ضرییب کیفیت (Q) در مدارات تشدید سری

همانطور که می دانید :

متوسط انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سلف

متوسط انرژی الکتریکی ذخیره شده در خازن

 

 

 

در زمان رزونانس

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

 

آنتن های تلفن همراه

1-fersnel

2-fraunhofer

3-pattern

1- radiation pattern

2-probe antenna

3- E-plane pattern

4- H-plan patter

1- isometric view

2- omni directional pattern

1- main lobe/major lobe

2- minor lobe

3- side lobe

4- relative side lobe level

5- Maximum side lobe level

6- side lobe level

1- half power band width

2- broad side

3- end fire

1- voltage standing wave ratio