طراحی آنتن

مهندسین آنتن شبیه باقی ما نیستند، آن ها زندگی ساده ای با طراحی ساختارهای یک پورتی، پسیو خطی دارند. در حالیکه بقیه ما با مدولاسیون سیگنال بزرگ، تبدیل فرکانس، تحلیل زمانی، ضریب پایداری، دمای کانال، عدد نویز و غیره سر و کار داریم. 

برخورد با 377 اهم: سوالی در ذهن ما در ارتباط با آنتن وجود دارد، امپدانس هوا 377 اهم است، چرا آنتن نیز برای دستیابی به بهترین انتقال توان، دارای امپدانس 377 اهم نیست؟ جوابی که به ذهن ما میرسد این است (اگر اشتباه می کنیم، جواب صحیح را برای ما ارسال کنید). به نظر می رسد که آنتنی با امپدانس 377 اهم خیلی عالی و مناسب است، ولی نیاز به یک سیستم با امپدانس بالا (377 اهم) داریم که به آنتن تطبیق باشد. بنابراین آنتن خودش به عنوان یک مبدل و تطبیق کننده امپدانس عمل می کند. با تبدیل امپدانس، به صورت ایده آل هیچ توانی تلف نشده و مولد(فرستنده)  به بار (فضای آزاد) متصل می شود. در مورد رادیوهای FM، اغلب آنتنی که به رادیو متصل می شود، یک دیپل بوده که دارای امپدانس 300 اهم است. ولی این یک استثنا برای ما به حساب می آید. 

به عنوان توضیح بیشتر می توان بیان کرد: دلیلی که امپدانس آنتن های 377 اهم نیست، این است که کسی در سرزمین RF تصمیم گرفت که امپدانس 50 اهم برای کار عدد مناسبی است. در واقع آنتن مبدل امپدانسی است که تلاش می کند امپدانس استاندارد سیستم های متداول (50 اهم) را به امپدانس 377 اهم هوا تطبیق کند. در واقع استاندارد 50 اهم، توازنی بین ماکزیمم توان انتقالی (ماکزیمم در 30 اهم) و تلفات اندک (مینیمم در 77 اهم) برای کابل کواکسیال با دی الکتریک هوا است. 
در ذیل با معرفی برخی مفاهیم ابتدای آنتن های شروع می کنیم:

تشعشع کننده: عنصر اولیه و ابتدایی هر آنتن. هر آنتن می تواند از چندین تشعشع کننده تشکیل شده باشد. 

Boresight:  جهتی که آنتن را به قصد بیشترین دریافت انرژی الکترومغناطیسی  قرار می دهیم. 

Boresight Error (BSE): قاعدتا ماکزیمم چگالی تشعشعی باید در Boresight اتفاق بیافتد، ولی در دنیای آنالوگ هیچ چیز به طور کامل کار نمیکند. همیشه اندکی انحراف وجود دارد. تفاوت زاویه ی که بورسایت فیزیکی یا اپتیکی با بورسایت الکترومغناطیسی، خطای بورسایت نامیده می شود. این زاویه هنگام دنبال کردن سیگنال رادار بسیار اهمیت دارد. 

Range: فاصله شعاعی از آنتن تا جسم، به ویژه در رادار. آنتن در راستای Azimuth و Elevation سیستم مختصات کروی ای تشکیل داده که برای تحلیل آنتن استفاده می شود. 

Azimuth: زاویه از راست به چپ از یک نقطه مرجع، از 0 تا 360 درجه و یا 180- تا 180 درجه. زاویه Azimuth معمولا با حرف یونانی phi نشان داده می شود. 

Elevation: زاویه با صفحه افقی از 90- تا 90 درجه. با توجه به سیستم مختصات کروی زاویه با محور z.

هم پاسخی : هم پاسخی به این معنی است که آنتن به همان صورتی که ارسال می کند، دریافت نیز می کند. 

پترن آنتن: پترن آنتن، یا پترن تشعشعی، یک گراف دو بعدی (یا سه بعدی) بوده که نشان دهنده تغییرات زاویه ای در یک پارامتر آنتن، مانند شدت میدان الکتریکی در ناحیه میدان دور، است. پترن معمولا در مختصات قطبی و بر حسب dB رسم می شود. 

تشعشع شده کننده ایزوتروپیک: به لحاظ تئوری تشعشع کننده ای که پترن ارسالی و یا دریافتی میدان های الکترومغناطیسی توسط آن در تمامی جهت ها یک سان است. و هیچ تلفاتی ندارد. در عمل هیچ تشعشع کننده ایزوتروپیکی وجود ندارد. 

تشعشع کننده همه جهتی (Omni-directional) : آنتنی که در تمامی زوایای Azimuth به صورت یکسانی تشعشع می کند. 

دیپل: یک نوع متداول از آنتن ها، در ساده ترین حالت اش، که شامل یک سیم بلند از وسط نصف شده که هر کدام از این سیم ها را می توان به یک رسانای خط انتقال متصل کرد. 

پهنای پرتو (Beam Width) : پهنای لوب اصلی که 3 دسیبل از ماکزیمم گین کمتر شده باشد. در شکل بالا پهنای پرتوی آنتن 60 درجه است. 

جهت ورزی (Directivity) : نسبت تشعشع الکترومغناطیسی در یک آنتن واقعی در زاویه ی AZ/EL (معمولا در زاویه بورسایت)  به تشعشع اش در تمامی زوایا که در یک کره میانگین گیری شده باشد. این اندازه گیری در میدان دور انجام می شود. 

جهت ورزی یک آنتن ایزوتروپیک که با شدت میدان مشابه در تمامی جهت ها در حال ارسال سیگنال است، 0dB می باشد. آنتن های جهتی در مقایسه با آنتن ایزوتروپیک سنجیده می شوند. چون این آنتن ها در یک جهت تشعشع می کنند، جهت ورزی آن ها وقتی بر حسب dB بیان می شود، مثبت است. جهت ورزی می تواند به عنوان تابعی از "دهانه موثر" آنتن و طول موج بیان شود:

راندمان: راندمان یک آنتن با توجه به تلفات اهمی سنجیده می شود، و برابر با تقسیم توان تشعشع شده به توان تشعشع شده توسط همان آنتن در حالت ایده آل و بی تلف محاسبه می شود. راندمان تابعی از زاویه AZ/EL نیست. 

بهره: ماکزیمم شدت سیگنال یک آنتن در زاویه مشخص AZ/EL، معمولا در زاویه BORESIGHT، نسبت به (معمولا) آنتن ایزوتروپیک، بر حسب dBi (dB from isotropic) بیان می شود. پهنای پرتو باریک تر دارای بهره ی بیشتر است. بهره برابر با جهت ورزی ضرب در راندمان است، یا جهت ورزی بعلاوه راندمان بر حسب dB.

بنابراین اگر شما شعاع یک روزنه را دو برابر کنید، و یا فرکانس کاری را دو برابر کنید، میتوانید بهره را چهار برابر نمایید ( یا 6dB افزایش دهید). 

در زیر یک رابطه برای محاسبه سر انگشتی بهره آنتن ارائه می کنیم: 

بهره آنتن برابر است با =27000 تقسیم بر (تتا1 ضربدر تتا2)

که در این رابطه تتا1 و تتا2 زوایای صفحات نصف توان به درجه هستند. 

میدان نزدیک: ناحیه نزدیک به آنتن جایی که میدان های الکترومغناطیسی از رابطه ساده (R/یک) تبعیت می کنند.

میدان دور: در ناحیه ای دور از آنتن جایی که چگالی توان الکترومغناطیس (در واحد سطح) با نسبت (2^R/یک) افت می کند. 

لوب های فرعی: پاسخ های دارای بهره ی ناخواسته آنتن، در راستاهایی غیر از راستای لوب اصلی آنتن. 

کانال تلگرام

صفحه Linkedin