مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

پيشگفتار 1

فصل اول 3

طرح تحقيق 3

تاريخچه مختصري در باره ي موضوع تحقيق 4

اهميت انجام تحقيق 6

اهداف كلي تحقيق 6

هدف هاي ويژه تحقيق 6

روش انجام تحقيق 7

فصل دوم 8

مباني آنتن انواع و پارامترهاي آن 8

2_1: تاريخچه 9

2_2: انواع آنتن ها از نظر كاربرد 11

الف) آنتن هرتز 11

ب) آنتن ماركني 11

پ) آنتن شلاقي 12

ت ) آنتن لوزي ( روبيك) 12

ث) آنتن V معكوس 12

ج) آنتن ماکروويو 13

چ) آنتن آستيني 16

ح) آنتن حلزوني 16

ذ) آنتن هاي آرايه اي ARRAY ANTENNA 17

2-3 : پارامترهاي آنتن 18

نمودار پرتو افکني آنتن ها 18

دستگاه مختصات نمايش نمودار پرتو افکني 18

نمودار پرتو افکني سه بعدي و دو بعدي 19

نمودار پرتو افکني درفضاي آزاد و در مجاورت زمين 22

نمودار پرتو افکني آنتن فرستنده و گيرنده 22

جهت دهندگي آنتن ها 23

پهناي شعاع و پهناي شعاع نيم توان 23

شعاع هاي فرعي آنتن ها 24

مقاومت پرتو افكني آنتن 25

امپدانس ورودي آنتن 25

سطح موثر يا سطح گيرنده آنتن ها 26

طول موثر آنتن 27

پهناي نوار فركانس آنتن ها 27

پلاريزاسيون آنتن ها 28

پلاريزاسيون خطي 29

پلاريزاسيون دایره ای 30

پلاريزاسيون بيضوي 30

ساختمان مكانيكي آنتن ها 31

اندازه آنتن 31

نصب آنتن ها 31

خطوط انتقال و موج برها براي تغذيه آنتن ها 32

رسانا و نارساناهاي مورد استفاده در ساختن آنتن ها 33

محافظت آنتن در برابر عوامل جوي 34

فصل سوم 35

شبکه های کامپیوتری شبکه های بی سیم 35

2-1:سخت افزار شبکه 36

2-1-1: شبکه های ﭘخشي(broadcast network) 37

2-1-2: شبکه های همتا به همتا (peer-to-peer network) 37

2-1-3:شبکه های شخصی (personal area network) 37

2-1-4:شبکه های محلی (local area network) 37

2-1-5:شبکة شهری(Mtropolitan Area Network) 39

2-1-6:شبکة گسترده (Wide Area Network) 39

2-1-7:شبکة بی سيم (wireless network) 41

2-1-8:شبکة شبکه ها (internetwork) 42

2-2: نرم افزار شبکه 42

2-2-1:لاية فيزيکی (Physical layer) 46

2-2-2: زير لاية نظارت بر دسترسی به رسانة انتقال ( MAC) 46

2-2-3:لاية شبکه 47

2-2-4:لاية انتقال(Transport layer) 47

2-2-5:لاية کاربرد (Application layer) 47

2-3: شبکه های محلی بی سيم (802.11) 48

2-3-1: ﭘشتة ﭘروتکل 802.11 49

2-3-2: لاية فيزيکی در 802.11 49

2-4: شبکه های بی سيم باند گسترده 51

2-4-1: لاية فيزيکی در 802.16 52

فصل چهارم 55

آنتن هاي هوشمند 55

بخش اول 56

آنتن هاي هوشمند در شبکه هاي بي سيم 56

تداخل هم کانال 57

اثرات محوشدگي 57

4_الف_1: جوانب تکنولوژي سيستم آنتن هوشمند 60

4- الف - 2: مدلهاي کانال 62

4-الف-2-1:مدل لي Lee s Model 62

4-الف- 2-2: A Model of Discreteiy Didposed , Uniform set Of Evenly

Spread scatterers 63

4- الف-2-3: مدل ماکروسل (Macro cell Model) 64

4-الف-2-4: مدل باند عريض ميکروسل (Macrocell Wide Band Model) 65

3-الف-2-5: Gaussian Wide – sene stionary ,uncorrelated scattering

(GWSSUS)model 65

3-الف-2-6: مدل زاويه دريافت گاوسي (Gaussian angle of) 66

4-الف-2-7-: مدل کانال با بردار متغير زماني (Time –varying-vector channel model)

4-الف-2-8: مدل شهري واقعي(typical urban (tu/model)) 67

4-الف-2-9: مدل شهري بد(Bad urban (Bu) model) 68

4_الف_3:آرايه هاي هوشمند:آنتن و بهره هاي مختلف 68

انواع آنتن هاي هوشمند 70

4-الف-4:رديابي وتكنيك هاي بيم آرايه سوئيچ شده 74

4-الف –5: راهبردهاي شكل دهي بيم ثابت 75

4- الف – 6: پردازش آرايه از طريق شكل دهي بيم 76

4 الف 6- 1: الگوريتم هاي پايه شكل دهي سيگنال 77

4- الف-6-2: تركيب هاي آرايه اي تنظيمي 80

4-الف –6-3: تركيب آرايه پرتو سوئيچ شده 81

مثال 1-4 85

4-الف-7: نكات نتيجه گيري شده 88

بخش دوم 89

آنتن هاي آرايه فازي 89

4-ب-1:تاريخچه 89

4-ب-2: انواع آرايه ها 89

4-ب-2-1: آرايه هاي خطي (Linear Array) 90

4-ب-2-2:آرايه هاي مسطح (Planar Array) 90

4-ب-3: ويژگي هاي آرايه فازي 92

4-ب-3-1: تکنولوژي شيفت دهنده فاز 92

4-ب-3-2:تکنولوژي شيفت دهنده فاز دي الکتريک ولتاژ متغير 93

فصل پنجم 95

نتيجه و ﭘيشنهاد 96

منابع 97

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشكال

عنوان صفحه

شكل2.1:آنتنVمعكوس 12

شكل 2.2 : آنتن هاي بوقي مستطيلي. الف- بوق قطاعي صفحه H ؛ ب - بوق قطاعي صفحه

E ؛ ج- بوق هرمي. 14

شكل 2.3 : الف- آنتن دو مخروطي نا محدود ؛ ب- آنتن دو مخروطي محدود 15

شكل2.4: الف- پرتو تشعشعي يك آنتن دو مخروطي نامحدود ؛ ب- آنتن ديسك و مخروط 16

شكل 2.5 : آنتن حلزوني 17

شكل 2.6: دستگاه مختصات كروي 19

شكل2.7 : نمونه نمودار پرتو افكني سه بعدي 20

شکل 2.8: نمودار پرتو افکني ميدان الکتريکي يک آنتن. 21

شکل2.9: ترتيب آنتن ها در تعيين نمودار پرتو افکني 22

شكل 2.10: نمودار پرتو افكني يك آنتن عملي. 24

شكل2.11: مدار معادل آنتن از نظر پرتو و تلفات 26

شكل2.12: آنتن متصل به بار و مدار معادل تونن آن؛ الف: آنتن ب: مدار معادل 26

شكل2.13:آنتن خطي به طول 27

شكل2.14: وضعيت آنتن فركانس 30 كيلو هرتز 32

شکل 1،3: لايه ها و پروتکل ها و واسطه ها 44

شکل 3,2:انتقال اطلاعات در يک شبکه 5 لايه 45

شکل 3،3: پشته پروتکل 802.11 49

شکل3,4:پشته پروتکلی16,802 51

شکل3,5: محيط انتقال در 802.16. 52

شکل 3,6: فريم ها و برش های زمانی در روش)TDD(Time Division Duplexing 54

شکل 4.1: مدل لي (ES انتشار دهنده موثر ؛ MU: ايستگاه پايه ؛ AE عنصر آرايه) 63

شکل 4.2: يک مجموعه اي انتشار دهنده هاي يکسان که بطور يکنواخت و مجزا

از هم قرار گرفته اند.(ES: انتشار دهنده هاي موثر، BS: ايستگاه مرکزي) 64

شکل4.3: مدل ميکروسل يک کانال بي سيم (BS: ايستگاه مرکزي , MU: واحد متحرک) 65

شکل 4.4: کانال بي سيم مدل باند عريض محيط ميکروسل:

(MU, BS منطقه بيضي هستند) 65

شکل 4.5: مدل کانال بي سيم روي يک پرتو دلخواه از انتشار دهنده هاي بنا نهاده شده است.

هر انتشار دهنده يک دسته اي ازانتشار دهنده هاي کوچکتر است. 66

شکل 4.6: مدل زاويه دريافت گاوسي ويژه يک پرتو يک واحد انتشار دهنده ها:

انتشار يک سيگنال واحد اصلي است. 66

شکل 4.7: مدلRay leighمربوط به محيط همزيستي انتشار دهنده هاي محلي

(local scatterer) و انتشاردهنده هاي اصلي. 67

شکل 4.8:محيط کانال سمتي شهري بد با يک جفت از پرتوهاي اوليه و ثانويه 68

شکل4.9: طرح ترکيبي اختلافها به صورت انتخابي بر مبناي بيشترين SNR خروجي

پايه ريزي شده است. 69

شکل 4.10: روش ترکيب بر مبناي بيشترين درصدSNR 69

شکل 4.11: طرح ترکيب بر مبناي بهره مساوي: خروجي مطابق با جمع هم فازها

از سيگنال هاي شاخه آرايه مي باشد. 70

شكل4.12: تركيب آنتن هوشمند و بخشهاي كنترل سيگنال مربوطه. 72

شكل 4.13: مثالي از يك ماتريس Blass: يك ساختار سه عنصره جهت

توليد سيم كناري عريض. ماتريس 75

شكل 14،4: تكنيك هاي شكل دهي بيم؛

(a): روش پايه باند (b).DOA/los: استراتژي مشخص طراحي. 77

شكل 4.15: بيم هاي مستقيم براي يك آنتن هوشمند 80

شكل 4.16: تركيب آرايه سازگار: (a) مدل Applebaum (b) مدل widrow 81

شكل 4.17: يک پايه دو بيم ماتريس .Butler BMP#1): بيم شکل يافته با پورت ورودي#1) 82

شکل:4.18 هيبريد چهار گانه ابتدايی ناشی از کاربرد کاربرد يکTجادويی: يک آرايه دو المانه؛

Tجادويی؛ بيم در برابر پورت های بر انگيخته شده؛و مسير تاخير بهبود يافته از بيم پورت 4. 83

شکل 4.19:هيبريد چهارگانه تزويج شده بر مبنای راستا(الف):هيبريد تزويج شده پهلويی؛

(ب)هيبريد تزويج شده عمودی؛S:شکاف تزويج شده در فضای حائل بين دو موجبر؛

و،ML:ظرفيت منطبق شده. 84

شكل 4.20: تركيب چهار موقعيت در پرتو قابل سوئيچ براي استفاده در

ماتريس Butlar: (ps): شيفت دهنده فاز) 85

شكل4.21 : نمايش نقش هيبريدچهارگانه در ماتريس Butler چهارالماني:

هيبريد يك اختلاف فاز درجه را در ارسال عرضه مي كند. 86

شکل 4.22:پياده سازي آنتن هوشمند با سوئيچ قابل برنامه ريزی 87

شکل 4.23:آرايه خطی. 90

شکل4.24: آرايه فازي از نوع مسطح. 91

شکل 4.25:آرايه مسطح مستطيلی. 91

شکل 4.26:سوييچ هاي ميکروالکترومکانيکال 93

شکل 4.27:شيفت دهنده ي فاز دي الکتريک ولتاژ متغير 93

 

 

پيشگفتار

 

 

از سال 1877م كه نخستين آنتن ساده توسط هرتز ساخته شد. نظريه طراحي آنتن ها به سرعت پيشرفت كرده است و اين پيشرفت ادامه دارد، با توجه به اينكه آنتن ها جزئي از يك سيستم مخابراتي الكترونيكي هستند، بايستي تكنولوژيست ها و مهندسين برق الكترونيك در اين زمينه دانش كافي داشته باشند. اميد است در اين مقال اندك كه در زير به اجمال عنوان فصول آن را خواهيم آورد، قدمي هر چند كوچك در اين راه برداشته باشيم .

اين پايان نامه از 5 فصل تشكيل شده است. فصل اول در قالب طرح تحقيق به بررسي تاريخچه و نيز اهميت مساله مورد تحقيق مي پردازد. قابل ذكر است كه اهداف ويژه تحقيق در اين مساله نيز با توجه به عنوان و روش انجام اين تحقيق به جاي فرضيه ها و سوال هاي تحقيق در طرح تحقيق گنجانده شده است.

در فصل دوم به مباني مبحث آنتن ها – انواع و پارامترهاي آن پرداخته شده است . آنتن مايكروويو بوقي و مخروطي و نيز آنتن هاي آرايه اي از جمله آنتن هاي مهم مورد بحث مي باشند . جهت دهندگي آنتن ، پهناي شعاع آنتن ، مقاومت پرتو افكني آنتن ، امپدانس ورودي آنتن ، سطح موثر و طول موثر آنتن پلاريزاسيون آنتن و ... نيز از جمله شاخص ترين پارامترهاي آنتن مي باشند كه در اين فصل درباره آنها سخن گفته شده است .

در فصل سوم به بحث پيرامون شبكه هاي كامپيوتري مي پردازيم . مطالب مورد بحث در اين فصل شامل توضيح مختصري در مورد سخت افزار شبكه ، نرم افزار شبكه ، پشته ي پروتكلي 802.11 - به عنوان مهمترين شبكه ي محلي بي سيم - و نيز پشته ي پروتكلي 802.16 - مهمترين شبكه ي بي سيم باند گسترده- مي باشند .

در فصل چهارم آنتن هاي هوشمند و كاربرد و مزيت آنها در شبكه هاي بي سيم در بخش اول اين فصل و نيز آنتن هاي آرايه فازي به طور تخصصي تر در بخش دوم اين فصل مورد بحث قرار مي گيرند .

فصل پنجم نيز نتيجه گيري كلي و پيشنهاد به ديگر پژوهندگان علاقه مند به اين موضوع را شامل مي شود . اميد كه مفيد محضر خوانندگان محترم قرار گيرد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

 

طرح

تحقیق

 

 

 

 

 

طرح تحقيق

 

تاريخچه مختصري در باره ي موضوع تحقيق:

همانطور كه مي دانيد عنوان شبكه در برگيرنده مفهومي وسيع است كه شبكه چاه هاي آب روستايي ( قنات ها)، شبكه ي نهرها و كانال هاي آبياري مزارع، شبكه آب و فاضلاب شهري، شبكه گاز شهري، شبكه پدافند هوايي و نيز شبكه هاي كامپيوتري هر كدام به نحوي تداعي كننده مفهوم كلي اين كلمه مي باشند.

البته واضح است كه با توجه به پيشرفت چشمگير كامپيوتر و تكنولوژي هاي وابسته به آن (جمع آوري، پردازش و توزيع اطلاعات) در دنياي امروز، شبكه هاي كامپيوتري در تمامي مفاهيم كه از شبكه عنوان شد، وارد شده اند، و نرم افزار هاي كامپيوتري كارهاي مديريت، نظارت و كنترل كليه شبكه هاي ياد شده را به عهده گرفته اند. پيوند فرخنده كامپيوتر و مخابرات اتفاقي بود كه هر دو صنعت را دچار تحولات عظيم كرد. اكنون ديگر مفهوم اتاقي با يك كامپيوتر بزرگ به نام « مركز كامپيوتر» كه افراد كارهايشان را به آنجا مي آورند، به كلي منسوخ شده است. مدل قديمي كامپيوتر بزرگي كه تمام كارهاي محاسباتي سازمان را انجام مي دهد، اكنون جاي خود را به تعداد زيادي كامپيوتر كوچك متصل به هم داده است. به اين سيستم ها شبكه هاي كامپيوتري (computer netwoks) گفته مي شود.

دو كامپيوتر وقتي « به هم متصل اند» كه بتوانند با يكديگر اطلاعات رد و بدل كنند. الزامي نيست كه اين اتصال از طريق سيم هاي مسي باشد، فيبرهاي نوري، امواج مايكروويو، مادون قرمزو ماهواره هاي مخابراتي هم مي توانند عامل اين ارتباط باشند.

در اينجا پس از طرح مساله شبكه هاي بي سيم، مهمترين مساله بررسي آنتن هاي قابل استفاده در اين شبكه ها مي باشد، كه در ابتدا لازم مي دانيم تاريخچه مختصري از پيدايش آنتن را نيز در اختيار خوانندگان محترم قرار دهيم.

مبناي نظري آنتن ها بر معادلات ماكسول استوار است. جيمز كلارك ماكسول[1] (1831-1879) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتي انگلستان نظريه خود را ارائه داد؛ مبني بر اينكه نور و امواج الكترو مغناطيسي پديده هاي فيزيكي يكساني دارند. همچنين پيش بيني كرد كه نور و اختلالات الكترو مغناطيسي را مي توان به صورت امواج رونده داراي سرعت برابر توجيه كرد. در سال 1882 فيزيكدان آلماني هاينريش هرتز[2] (1894-1875) با افزايش تحقيقات در اين زمينه ادعاي ماكسول را در عمل اثبات كرد و نشان داد كه امواج الكترو مغناطيسي در فضا منتشر مي شود. هرتز، آنتن هايي از نوع دو قطبي و سهموي را نيز ساخت. مهندس برق ايتاليايي ماركوني (1937-1874) نيز يك آنتن استوانه ميكروويو در طول موج 23 سانتي متري را ساخت، ولي كارهاي بعديش براي حصول برد مخابراتي بهتر در طول موج هاي بلند تر بود. فيزيكدان روسي الكساندر پوپوف[3] (1895-1905) نيز اهميت كشف امواج راديويي را توسط هرتز تشخيص داد و يك سال بعد، قبل از ماركوني[4] شروع به فعاليت كرد. اغلب افتخار كاربرد اولين آنتن در اولين سيستم راديويي را در سال 1879 براي ارسال سيگنال از كشتي به ساحل در مسافت 3مايل به او مي دهند. در هر حال اين ماركوني بود كه راديوي تجارتي را توسعه داد و مخابرات راديويي را در ماوراي اقيانوس اطلس ايجاد كرد. ماركوني را پدر راديوی آماتور مي شناسند. لازمه ارتباط در اين سال ها با آنتن محدود به وجود مولدهاي سيگنال بود. ساخت مولدهاي سيگنال كلايستروني و مگنتروني ( در حدود يك گيگا هرتز ) باعث شد كه آنتن هاي بوقي توسعه يابند. در طول جنگ جهاني دوم اولين كوشش ها جهت توسعه آنتن هاي مدرن براي رادار انجام گرفت، و هم اكنون آنتن هاي پيشرفته اي جهت ارتباط مايكروويوي و راداري ساخته مي شوند. كه آنتن هاي آرايه فازي از جمله ي اين آنتن ها مي باشند. كه در فصول آتي به آنها خواهيم پرداخت.

 

اهميت انجام تحقيق:

با توجه به پيشرفت روز افزون تكنولوژي ارتباطات و البته ارتباطات بي سيم، درجه اهميت شبكه ها، به ويژه شبكه هاي بي سيم براي عموم و البته دانشگاهيان پر واضح است. اما مطلب مورد بحث درباره اهميت انجام اين تحقيق، ميزان كارايي نتيجه اين پژوهش در مسير رشد و تعالي نيروي هوايي ارتش جمهوري اسلامي ايران است، كه در اين مقال بايستي به آن پرداخته شود.

همانطور كه مي دانيد شبكه پدافند هوايي كشور C3 از زمان شهيد بزرگوارسر لشكر منصور ستاري در مسير تمركز و هماهنگي بهينه و در واقع نهادينه كردن سيستم C4I و ورود كامپيوتر به اين عرصه، قرار گرفته است. در اين راستا بر آن شديم، كه با مطالعه در مورد شبكه هاي كامپيوتري و ملزومات آنها بستري جهت آمادگي هر چه بيشتر خود و نيز خوانندگان محترم فراهم آوريم؛ كه به توسعه و پيشرفت در شبكه پدافند هوايي كشور در آتيه نزديك انجامد. (ان شاء ا...) زيرا كه معتقديم دست يابي به هر تكنولوژي و پيشرفت در آن، منوط به شناخت پايه اي و بنيادي آن تكنولوژي مي باشد. در اين بين با توجه به گستردگي قلمرو فضايي كشور و مخارج عظيم ارتباطات باسيم، تكنولوژي شبكه هاي بي سيم از ملزومات اين امر به نظر مي رسد؛ كه ما سعي كرده ايم به معرفي آنها بپردازيم اميد كه مقبول حق و مطلوب نظر خوانندگان قرار گيرد.

اهداف كلي تحقيق :

فراهم نمودن زمينه واستعداد بالقوه در مسير توسعه شبكه پدافند هوايي كشور، به عنوان يك شبكه بي سيم كارا، بزرگ و متمركز از طريق ايجاد آمادگي علمي بنيادي درمورد شبكه هاي بي سيم و آنتن هاي مورد استفاده در آنها در ميان پرسنل آينده پدافند هوايي ارتش جمهوری اسلامي ايران.

هدف هاي ويژه تحقيق :

- شناخت كلي شبكه هاي كامپيوتري و به ويژه شبكه هاي بي سيم.

- شناخت انواع روش هاي مدولاسيون جهت تهيه سيستم هاي ارتباطي لازم براي طراحي يك شبكه بي سيم بزرگ و ممتركز.

- شناخت آنتن و انواع آن.

- شناخت آنتن هاي هوشمند و مزيت بكار گيري آن ها در شبكه هاي بي سيم.

روش انجام تحقيق :

با توجه به اينكه در اين پايان نامه به شناخت كلي شبكه هاي بي سيم و نيز تجزيه وتحليل ملزومات آنها از جمله آنتن هاي قابل استفاده در آنها پرداخته شده است، براي انجام اين تحقيق از روش موردي و زمينه اي بهره گرفته شده است؛ كه نتيجه مي گيريم اين تحقيق در سطحي مياني از لحاظ سطح بندي تحقيقات، قرار گرفته است و ديدي بين حال نگر و آينده نگر از نظر زماني،بر مساله دارد.

جامعه آماري در اين مسير اساتيد محترم دانشكده مهندسي كنترل و نيز دانشكده مهندسي برق بودهاند. محيط پژوهش كتابخانه دانشكده هاي برق و كامپيوتر و نيز كتابخانه دانشكده برق دانشگاه صنعتي امير كبير و نيز كتابخانه مركزي دانشگاه هاي صنعتي شريف و تربيت مدرس بوده است.

روش گردآوري اطلاعات نيز بر پايه ترجمه متون انگليسي از كتاب هاي جديد منتشر شده در اين زمينه و نيز نمونه برداري از ميان پايان نامه هاي دانشجويان دانشگاه هاي يادشده بوده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

مبانی

آنتن

انواع و پارامترهای آن

 

 

 

مباني آنتن

انواع و پارامتر هاي آن

 

 

2_1: تاريخچه:

از آغاز تمدن بشري مخابرات اهميت اساسي را براي جوامع انسانها داشته است. كه در مراحل ابتدايي مخابرات توسط امواج صوتي از طريق صدا صورت گرفت. و سپس در مسافت طولاني تر از ابزارهاي مخابراتي نوري كه از قسمت مرئي طيف الكترومغناطيسي است، استفاده شده و تنها در تاريخ اخير بشر است كه طيف الكترومغناطيسي خارج از ناحيه مرئي براي ارتباطات راه دور از طريق امواج راديويي به كار برده شده است.

آنتن راديويي يك قطعه اساسي در هر سيستم راديويي مي باشد. يك آنتن راديويي يك ابزاري است كه امكان تشعشع يا دريافت امواج راديويي را فراهم مي سازد.

 

همانطوري كه مي دانيم يكي از بزرگترين منابع انسان طيف الكترومغناطيسي است و آنتن ها دراستفاده ازاين منبع طبيعي نقش اساسي را ايفا كرده اند.حال تاريخچه مختصري از تكنولوژي آنتن ها و بعضي از كاربردهاي آنها در زير ارائه مي شود:

مبناي نظريه آنتن ها بر معادلات ماكسول استوار است. جيمزكلارك ماكسول (1831-1897) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتي انگلستان نظريه خود را مبني بر اينكه نور و امواج الكترو مغناطيسي پديده هاي فيزيكي يكساني هستند ارائه داد.فيزيكدان آلماني هاينريش هرتز ( 1857- 1897) در سال 1886 توانست صدق ادعا و پيش بيني ماكسول را مبني بر اينكه كنش ها و پديده هاي الكترو مغناطيسي مي توانند در هوا منتشر شوند را نشان دهد و همچنين وي آنتن هاي دو قطبي و حلقوي و نيز آنتن هاي سهموي استوانه اي پيچيده اي را که داراي دو قطبي هايي در امتداد خط كانوني شان بودندرا بعنوان تغذيه ساخت.مهندس برق ايتاليايي( گوگليمو ماركوني ) فيزيك استوانه سهمي ميكروويودر طول موج 23 سانتي متر را براي انتقال اوليه اش ساخت، ولي كارهاي بعديش براي حصول برد مخابراتي بهتر در طول موج هاي بلندتر بود. براي اولين بار در مخابرات راديويي در ماوراي اقيانوس اطلس در سال 1901، آنتن فرستنده شامل يك فرستنده جرقه اي بود كه بين زمين و يك سيستم شامل 50 عدد سيم قائم متصل مي شود.فيزيكدان انگليسي «الكساندر پوپوف » ( 1959-1905) نيز اهميت كشف امواج راديويي را درسال1897برای ارسال يك سيگنال از كشتي به ساحل درمسافت 3 مايل نشان داد. در هر حال اين ماركوني بود كه راديوي تجارتي را توسعه داده و مي توان او را پدر راديوی آماتور دانست.

پس از سال 1920، با استفاده از مولدهاي سيگنال مانند لامپ « تريود دوفارست »[5]، ساخت آنتن هاي تشديد مانند دو قطبي نيم موج امكان يافت. قبل از جنگ دوم جهاني مولدهاي سيگنال مگنترون و كلايسترون ميكروويو( در حدود1 گيگا هرتز) همراه با موج هاي تو خالي اختراع و توسعه يافتند. اين تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتن هاي بوقي شد.در خلال جنگ جهاني دوم يك فعاليت وسيع طراحي، و توسعه براي ساخت سيستم هاي رادار منجر به ابداع انواع مختلف آنتن هاي بشقابي، عدسي های آرايه اي شكافي موج بري شد. حال با توجه به اين مقدمه عوامل مختلفي را كه در انتخاب بين خطوط انتقال يا آنتن ها دخالت دارند بيان می كنيم.بطور كلي خطوط انتقال در فركانس هاي پايين و فواصل كوتاه عملي هستند، فركانس هاي بالا اغلب به علت پهناي باند موجود بكار مي روند. با افزايش فواصل و فركانس ها تلفات سيگنالي و هزينه هاي كاربردي خطوط انتقال بيشتر مي شود ودرنتيجه استفاده از آنتن ها ارجحيت مي يابد.

بطور كلي تعدادي از موارد استفاده آنتن ها بدين صورت مي باشد :

الف – درمخابرات راديو سيار شامل هواپيماها، فضاپيماها، كشتي ها يا خودروهاي زميني بكار برد.

ب – كاربرد آنتن ها در سيستم هاي راديويي سخن پراكندگي مانند راديوي خودروي متحرك سيار و كاربردهاي غير سخن پراكني مانند سيستم هاي راديو سيار ( مانند پليس، آتش نشاني، امداد،...) و راديو آماتور.

ج – استفاده از تكنولوژي راديويي بجاي استفاده از خطوط انتقال.

بعنوان مثال در آمريكا بيشتر از نصف مكالمات تلفني دور ( بين شهري) توسط ارتباطات راديويي ميكروويو انجام مي گيرد. و با توجه به اينكه هر سال هزينه هاي دستگاه هاي راديويي كاهش يافته و اطمينان پذيري آنها بهبود مي يابد، كاربردهاي سيستم هاي راديويي ارجحيت مي يابد.

2_2: انواع آنتن ها از نظر كاربرد :

آنتن ها از نظر ساختار و نوع كاربرد به انواع مختلفي تقسيم مي شوند،كه درذيل به تعدادي از آنها اشاره مي شود

الف) آنتن هرتز: [6]آنتن هرتز در فاصله اي بالا واقع شده و ممكن است بطور افقي يا عمودي باشد و براي فركانس هاي زياد به كار مي رود.

ب) آنتن ماركني:[7] در اين نوع آنتن، انتهاي پايين مولد به زمين متصل است و سطح زمين بجاي صحفه هادي

به كار مي رود. طرز توزيع جريان و ولتاژ براي فركانس اصلي، چهل برابر طول آنتن مي باشد و اين آنتن براي

فركانس هاي كم مورد استفاده قرار مي گيرد.آنتن ماركني در بعضي موارد ممكن است براي فركانس هاي بالا به كار رود، مثل آنتن هاي ارتباطي هواپيما كه در اين حالت بدنه هواپيما بجاي زمين عمل مي كند.

پ) آنتن شلاقي : معمولي ترين آنتني است كه در عمليات تاكتيكي براي ايجاد ارتباط در ساخت هاي نسبتاً كوچک بكار مي رود. بيشتر آنتن هاي شلاقي طوري طراحي شده اند كه در زماني كه مورد احتياج نيستند با فشار جزيي يك قسمت، داخل قسمت ديگر قرار مي گيرند. وقتي كه آنتن هاي شلاقي در باند فركانسي زياد كار مي كنند، طول آن ها معمولاً كسر كوچكي از طول موج مي باشد و در اين حالت بايد يك سيم پيچ به خاصيت القايي زيادي به كاربرده شود تا آنتن مزبور به حالت هماهنگي صحيح درآيد.

ت ) آنتن لوزي ( روبيك) :[8] اين آنتن از چهار سيم ساخته شده است كه به شكل لوزي متصل شده اند و موازي زمين قرار گرفته اند. با قرار دادن چرخ ها روي دكل های نگهدارنده، مي توان ارتفاع آنتن را نسبت به زمين تغيير داد.منبع تغذيه در حالت فرستنده توسط خط انتقال متعادلي از يك سو به آنتن وصل مي شود و مقاومت سوي ديگر را به گونه اي تنظيم مي كنند كه تنها موج رونده روي آنتن بوجود آيد. توجه كنيد كه خط انتقال متعادل، خط انتقالي است كه امپدانس در بازوي آن نسبت به زمين برابر باشد.در فضاي آزاد حداكثر پرتو افكني آنتن در امتداد قطر بزرگ لوزي صورت مي گيرد و پلاريزسيون آن افقي است.اين آنتن به علت سادگي طرح در فرستنده ها و گيرنده ها كاربرد زيادي داشته و به منظور ايجاد ارتباط در مسافت هاي زياد و كار فركانس هاي بالا به حد زيادي مورد استفاده قرار مي گيرد.همچنين اين آنتن در ارتباطات منطقه به كار مي رود. زيرا در باند وسيعي به كار رفته و نصب و نگهداري آن ساده تر از آنتن هاي ديگر مي باشد عيب اصلي آن اين است كه احتياج به يك زمين وسيع دارد.

ث) آنتن V معكوس: اين آنتن از دكل نارسانا و دو رشته سيم مطابق شكل (2-1) شده است.

 

 

 

شكل2.1:آنتنVمعكوس

خط انتقال بين نقطه A و زمين وصل مي شود. انتهاي آنتن( نقطه C) را به وسيله مقاومت متصل مي کنند. تعداد R نزديک امپدانس مشخصه خط ABC برگزيده مي شود تا مانع از هر گونه بازتاب موج و در نتيجه، روي سيم آنتن ABC موج پيش رونده بوجود مي آيد. در اين آنتن، اندازه زاويه αداراي اهميت است و بسته به کاربرد، بايد به گونه اي ويژه برگزيده شود، در صورتي که اين آنتن بالاي صفحه رساناي کاملي قرار گرفته باشد، جهت جريانهاي تصوير، عکس جريان هاي آنتن خواهد بود حداکثر پرتو در امتداد زمين، داراي پلاريزاسيون عمودي، براي انتشار از راه يونسفر مناسب نيستندو تنها به عنوان آنتن گيرنده امواج زميني و يا سطحي در بخش پايين نوار فرکانس بالا، مورد استفاده قرار مي گيرند.

چون اين آنتن ها در مجاورت زمين، داراي شعاع هاي فرعي بي شماري با پلاريزاسيون افقي نيز هستند، امواج ناخواسته رسيده از جهت هاي ديگري دريافت مي کنند که داراي پلاريزاسيون عمودي و يا افقي هستند که اين مساله از نکات منفي اين امر است.

ج) آنتن ماکروويو: اصول اصلي کار اين آنتن ها، کار کردن آنها در ناحيه ماکروويو (100-300MHZ) مي باشد. خاصيت ماکروويو نزديکي آنها در طيف فرکانسي به امواج نوري مي باشد. بيم اين نوع آنتن ها بعضا توسط منعکس کننده شلجمي تمرکز مي يابد.

دو نوع از آنتن هاي ماکروويو عبارت اند از آنتن بوقي شکل و آنتن مخروطي:

ج_1) آنتن بوقي شکل( شيپوري) HORN ANTENNA:

 

آنتن هاي شيپوري در شکل هاي مختلفي وجود دارند که سه نوع از متداول ترين آنها در اينجا نشان داده شده است. شيپور بخشي فقط در يک جهت وسيع شده و شبيه به منعکس کننده سهموي جعبه قوسي است. شيپور هرمي در دو جهت وسعت پيدا نموده و داراي شکل يک هرم ناقص است.

شيپور مخروطي (دايره اي) نيز شبيه به اين بوده که به موج بر دايره اي ختم خواهد شد اگر زاويه درشکل بزرگ باشد شيپور کم عمقي خواهيم داشت که در نتيجه موجي که شيپور را ترک مي کند، کروي شده و پرتو تشعشعي جهت دار نخواهد شد.اين نتيجه را در مورد دو زاويه باز شدن شيپور هرمي نيز مي توان اعمال نمود. از طرفی اگر زاويه خيلي کوچک شده باشد، در نتيجه دهنه شيپور و جهت داري آن هر دو صدمه مي بينند.

 

سه نوع آنتن بوقي داراي هندسه مستطيلي در شکل (2.2) نشان داده شده است.

شكل 2_2 : آنتن هاي بوقي مستطيلي. الف- بوق قطاعي صفحه H ؛ ب - بوق قطاعي صفحه E ؛ ج- بوق هرمي.

يک موج مستطيلي که ديواره پهنش به طور افقي قرار دارد، اين بوق ها را تغذيه مي کند. اگر در ساختار بوق، بعد ديواره پهن موج انبساط و گسترش يابد، ولي ديواره باريکش بدون تغير و ثابت بماند، آنتن بوقي قطاعي صفحه Hناميده مي شود. از سوي ديگر، اگر بوق تنها بعد صفحه E را گسترش دهد، آن را آنتن بوقي قطاعي صفحه Eمي نامند. هنگامي که هر دو بعد موجي گسترش يابد، به آنتن بوقي هرمي موسوم است.

اکثر آنتن هاي بوقي از طريق موج برها تغذيه مي شوند، اما در عين حال مي توان از مبدل هاي خطوط کواکسيال به موج نيز استفاده کرد. پلاريزاسيون آنتن هاي بوقي به صورت خطي يا دوار است. بوق ها داراي بهره بالا، نسبت موج ايستاي (VSWR) پايين، پهناي باند نسبتا وسيع و وزن کم هستند و ساخت آن ها نيز نسبتا آسان است آنتن هاي بوقي يا به تنهايي مورد استفاده قرار مي گيرندو يا به عنوان تغذيه کننده آنتن هاي بشقابي به کار مي روند.

ج_2) آنتن مخروطي CONE ANTENNA:

با افزايش سيم يک قطبي ساده مي توان پهناي باند آنرا افزايش داد. اين اصل را مي توان براي افزايش پهناي باند با استفاده از سيم هايي که شکل مخروطي دارند بکار برد.

_ آنتن مخروطي نا محدود: اگر سيم هادي آنتن دو قطبي از دو سطح هادي مخروطي بي نهايت تشکيل شده باشند، به طوريکه رئوس مخروط ها با فاصله بسيار کمي از محل تغذيه آنتن باشند، آنرا آنتن مخروطي نامحدود مي گويند. چون ابعاد آنتن بي نهايت است؛ از ديد منبع، اين آنتن مانند يک خط انتقال بي نهايت مي باشد، يعني در اين حالت جريان روي سطح هادي هاي مخروطي به صورت شعاعي جاري مي شود و توليد امواج الکترو مغناطيسي با مد TEM مي کند.

اگر بجاي يكي از مخروط ها يک صفحه هادي کامل مسطح گذاشته شود، نوع تک قطبي آنتن مخروطي بدست مي آيد. در عمل ايجاد مخروط نامحدود غير عملي است و لذا اين نوع آنتن به صورت آنتن مخروطي محدود بکار مي رود. که در شکل(2.3) نشان داده شده است.

_آنتن ديسک و مخروط ( مخروط ناقص): اگر يکي از مخروط ها در آنتن دو مخروطي محدود توسط يک صفحه زمين به شکل يک ديسک جايگزين شود،ساختاري به شکل يک آنتن ديسک مخروط يا آنتن تک مخروطي پديد مي آيد.

شكل 2.3 : الف- آنتن دو مخروطي نا محدود ؛ ب- آنتن دو مخروطي محدود

آنتن ديسک و مخروط همانند يک دو قطبي قائم براي پلاريزاسيون قائم و پوشش تقريبا يکنواخت در کليه زواياي سمت، يعني پرتو همه جهتي بکار مي رود. اين آنتن در يک محدوده وسيع از فرکانسها يعني

چندين اوکتاو عملکرد رضايت بخشي داشته و پرتو تشعشعي و خواص امپدانسي قابل قبولي را حفظ مي کند.

 

شكل2.4: الف- پرتو تشعشعي يك آنتن دو مخروطي نامحدود ؛ ب- آنتن ديسك و مخروط

مخروط و ديسک مي تواند از ورق هاي توپر فلزي يا سيم هاي شعاعي ساخته شود.

به طورايده آل پرتو تشعشعي بين صفحه زمين و مخروط همانند آنتن دو مخروطي نامحدود مي باشد. اين پرتو همه جهتي براي کاربردهاي سخن پراکني مناسب است.

چ) آنتن آستيني: ساختار کلي اين آنتن ها به اين شکل است که در آن يک آنتن لوله اي هادي دور يک عنصر تشعشع کننده به کار مي رود. چون آنتن دو قطبي حساسيت زيادي به فرکانس دارد و پهناي باندش کمتر از يک اوکتاو مي باشد، افزودن يک آستين به يک دو قطبي حساسيت زيادي به فرکانس دارد و پهناي باندشان به بيشتر از يک اوکتاو مي رسد.

اين آنتن ها درابتدا براي ارتباطات دو جانبه کشتي با ساحل، ساحل با کشتي، زمين به هوا، هوا به زمين و انتشارات ارتباط جمعي بکار گرفته مي شد. اين آنتن همه جهته مي باشد و توانايي عمليات در محدوده وسيعي از فرکانس در باند فرکانسي را دارد.

ح) آنتن حلزوني:شکل(2.5) يک آنتن حلزوني هم زاويه مي باشد.

 

امپدانس، پرتو تشعشعي و پلاريزاسيون اين آنتن در طيف وسيعي از فرکانس تقريبا ثابت مي باشد.

شكل 2.5 : آنتن حلزوني

محل تغذيه تقريبا وسط مي باشد و بزرگترين شعاع و ثابت ها در مشخصات آنتن تاثير دارد. معادله لبه هاي اين آنتن به صورت زير است؛:a ضریب گسترش

 

 

 

پرتو تشعشعي آنتن حلزوني هم زاويه تقريبا به صورت cosθ مي باشد که حول z عمود بر صفحه آنتن است و لذا پهناي شعاع نيم توان آن حدود 90 درجه است.پلاريزاسيون ميدان تشعشعي آن تحت زاويه وسيعي حدود 70 درجه مي باشد.

اين آنتن ها خود به دو بخش تقسيم مي شوند:

1- آنتن هاي حلزوني مستقل از فرکانس

2- آنتن هاي متناوب لگاريتمي

ذ) آنتن هاي آرايه اي ARRAY ANTENNA : براي توليد يک پرتو جهت دار مي توان چندين آنتن را در رديف و آن ها را تغذيه نمود. چنين ترکيبي را آنتن ها ي آرايه اي مي گويند. چندين آنتن کوچک را مي توان در يک آرايه به کاربرد و پرتو يک آنتن بزرگ را بدست آورد. گر چه مشکل بزرگی و حجم آنتن از بين مي رود، ولي مساله تغذيه آنتن هاي کوچک مطرح مي گردد. براي رفع اين مشکل ، فن آوري نيمه هادي ها تا حدودي کارایی دارد. از مزيت هاي عمده اين آنتن ساخت ارزان آن بوده و همچنين اسکن يا مرور کردن يک شعاع اصلي به صورت الکترونيکي ميسر مي شود. اين کار به اين صورت انجام مي شود که با تغيير فاز جريان های تغذيه در هر عنصر آرايه، مي توان پرتو تشعشعي را در فضا چرخاند.

اين نوع آنتن را آرايه فازي مي گوئيم.از جمله کاربردهاي آرايه فازي در رادار مي باشد. آرايه ها ترکيبات مختلف هندسي دارند.

ابتدایي ترين آنها آرايه خطي است که در آن مراکز عناصر آرايه بر روي يک خط راست قرار دارد؛ اين عناصر ممکن است به فواصل مساوي يا غير مساوي قرار گرفته باشد. اگر مراکز عناصر آرايه در يک صفحه قرار گرفته باشند آنها را آرايه صفحه اي مي گويند.آنتن آرماني،آنتني است که همه تواني را که از منبع تغذيه به آن مي رسد، در جهات مورد نظر با پلاريزاسيون دلخواه در فضا پخش کند. آنتن هاي عملي به صورت آرماني عمل نمي کنند.

2-3 ‍: پارامترهاي آنتن :

براي اندازه گيري و مقايسه کيفيت عملکرد آن ها، پارامترهايي مانند پرتو افکني، ضريب جهت دهندگي، شعاع اصلي و فرعي، پهناي شعاع، مقاومت پرتو افکني، امپدانس ورودي، بازده پرتو افکني، پهناي نوار فرکانس و مانند آنها را تعريف مي کنيم.

نمودار پرتو افکني آنتن ها:

نمودار پرتو افکني آنتن ها، يکي از مهمترين پارامترهاي آنتن ها به شمار مي آيد و بسياري از پارامترهاي مهم ديگر به آن ارتباط دارند . اين نمودار چگونگي پخش توان الکترومغناطيسي را در همه نقاط ، در فاصله ثابتي(معمولادور از آنتن) نشان مي دهد.

دستگاه مختصات نمايش نمودار پرتو افکني:

امواج منتشر شده در همه آنتن ها عملي در فواصل دور از آنها، تقريبا امواج کروي هستند. اين امر بدين معنا است که شدت ميدان هاي آنتها، با توان اول فاصله کاهش مي يابد و تاخير فاز آنها با r متناسب است.

به همين دليل دستگاه مختصات کروي مناسب ترين دستگاه مختصات براي ترسيم نمودار پرتو افکني آنتن ها مي باشد. به منظور آساني کار، آنتن را در مرکز مختصات قرار مي دهيم و هر نقطه دلخواه p در فضا را با مختصات ) , (r,برابر شکل (2.6) مشخص مي کنيم.

شكل 2.6: دستگاه مختصات كروي.

 

براي مقايسه دستگاه مختصات مستطيلي(x,y,z) نيز در شکل نشان داده شده است. ملاحظه مي کنيد که r فاصله نقطه p از مرکز مختصات است و θزاويه بين خط OP محور z مي باشد. تصوير نقطه p بر روي صفحه xy را با نقطه p΄ نشان داده ايم. زاويه ، زاويه خطOP΄ از محور x مي باشد. تبديل مختصات کروي به مستطيلي و بر عکس، در مواردي، در حل مسائل آنتن ها لازم مي شود که با استفاده از اصول هندسي، به آساني انجام پذير خواهد بود.

نمودار پرتو افکني سه بعدي و دو بعدي :

آنتني را در نظر بگيريد که در مرکز مختصات کروي قرار دارد. اکنون سطحي کروي به شعاع ثابت rرا پيرامون مرکز مختصات در نظر بگيريد و فرض کنيد هدف ما، اندازه گيري و يا محاسبه مقدار ( قدر مطلق) ميدان الکتريکي موج منتشر شده از آنتن، در هر نقطه بر روي سطح کروي باشد از آنجا که بيشتر آنتن ها امواج را به طور يکنواخت در فضا پخش مي کنند؛ مقدار ميدان الکتريکي E، تابعي از ,خواهد بود.

) ,E(نمودار پرتو افکني ميدان الکتريکي آنتن ناميده مي شود. به همين ترتيب، مي توان به جاي مقدارE در هر نقطه بر روي سطح کره، ميانگين زماني چگالي توان موج را اندازه گيري و ترسيم کرد و تابع

)P( که به اين ترتيب بدست مي آيد، نمودار پرتو افکني توان آنتن ناميده مي شود. نمودار پرتو افکني هر آنتن، نموداري سه بعدي است که در شکل (2.7)نشان داده شده است.

شكل2.7 : نمونه نمودار پرتو افكني سه بعدي.

 

همانطور که در شکل مشاهده مي شود، انجام هر گونه محاسبه از روي اين نمودارها دشوار است. از آنجايي که نمودار پرتو افکني بيشتر آنتن هاي عملي از تفاوت هايي برخوردار هستند؛ معمولا نمودار پرتو افکني را در صفحات ويژه به صورت نمودار هاي دو بعدي ترسيم مي کنند. در صورتيکه θرا براي مقدار انتخاب کنيم، صفحه yz بدست مي آيدکه در آن نمودار پرتو افکني فقط تابعي از θمي باشد. نمودار پرتو افکني آنتن هاي عملي معمولا در اين صفحات اصلي داراي تقارن هستند. اين دو صفحه اصلي به ترتيب صفحات افقي و عمودي ناميده مي شوند و نمودارهاي پرتو افکني در اين دو صفحه نيز به همين نام ها معروف هستند.

 

 

1James klark Maxuel

2Hainrish Hertz

3Alexander Pupuf

4Marckouni

[5] Terued Dufarest

[6] Hertze

[7] Markeni

[8] Rubick