پژهش بررسی اصول طراحی آنتن های حلقوی در 118 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمه

فصل اول

1- آنتن حلقوی ....................................................................................9

1-1- حلقۀ کوچک ............................................................................. 9

2-1- دو قطبی مغناطیسی کوتاه . معادل یک حلقله ..................................... 13

3-1- میدانهای دور دو قطبی کوچک و دو قطبی کوتاه ...............................16

4-1- مقایسه میدانهای دور حلقه کوچک و دو قطبی کوتاه ...........................20

5-1- آنتن حلقه ای . حالت کلی ........................................................... 21

6-1- پترن های میدان دور آنتهای حلقه ای دایره ای با جریان یکنواخت .......... 26

7-1- حلقه کوچک به عنوان یک حالت خاص .......................................... 30

8-1- مقاومت تشعشع حلقه ها ............................................................... 31

9-1- خاصیت جهتی آنتهای حلقه ای دایره ای با جریان یکنواخت ................. 37

10-1- جدول فرمول های حلقه ............................................................. 39

11-1- آنتهای حلقوی مربعی ................................................................ 40

12-1- آنتهای حلقوی دایروی .............................................................. 53

13-1- حلقه ی دایروی حامل یک جریان ثابت ......................................... 61

فصل دوم

2- آنتهای حلقوی کوچک ................................................................... 65

1-2- دوگانگی ................................................................................. 66

2-2- آنتن حلقوی کوچک .................................................................. 71

فصل سوم

3- آنتهای یاگی یودا .......................................................................... 77

منابع و مأخذ ............................................................................91



اصول و تعاریف آنتنها

مقدمه :

از آغاز تمدن بشری مخابرات اهمیت اساسی را برای جوامع انسانها داشته است . در مراحل اولیه مخابرات توسط امواج صوتی از طریق صدا صورت می گرفت . با افزایش مسافات لازم برای مخابرات ابزارهای مختلفی مانند طبلها ، بوقها و غیره ارائه شدند .

برای مسافات طولانیتر روشها و وسائل ارتباطات بصری مانند پرچمهای خبری و علائم دودی در روز و آتش در شب به کار برده شدند .

البته ابزارهای مخابراتی نوری از قسمت مرئی طیف الکترومغناطیسی استفاده میکنند. تنها در تاریخ اخیر بشر است که طیف الکترومغناطیسی خارج از ناحیه مرئی برای ارتباطات راه دور از طریق امواج رادیوئی به کار برده شده است .

آنتن رادیوئی یک قطعه اساسی در هر سیستم رادیوئی می باشد . یک آنتن رادیوئی یک ابزاری است که امکان تشعشع یا دریافت امواج رادیوئی را فراهم می سازد .

به عبارت دیگر ، یک آنتن یک موج هدایت شده روی یک خط انتقال را به یک موج فضای آزاد در حالت ارسال و برعکس در حالت دریافت تبدیل می کند . بنابراین ، اطلاعات می تواند بدون هیچ گونه ساختار و وسیله واسطه ای بین نقاط و محلهای مختلف انتقال یابد .

فرکانسهای ممکن امواج الکترومغناطیسی حامل این اطلاعات طیف الکترومغناطیسی را تشکیل می دهد .

باند فرکانسهای رادیوئی در ضمیمه ارائه شده اند . یکی از بزرگترین منابع انسان طیف الکترومغناطیسی است و آنتنها در استفاده از این منبع طبیعی نقش اساسی را ایفاء کرده اند . یک تاریخ مختصر تکنولوژی آنتنها بحثی از کاربردهای آنها ذیلاً ارائه می شود .

مبنای نظری آنتها بر معادلات ماکسول استوار است . "جیمز کلارک ماکسول" (1831 – 1879 ) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتی انگلستان نظریه خود را ارائه داد مبنی بر اینکه نور و امواج الکترومغناطیسی پدیده های فیزیک یکسانی هستند .

همچنین پیش بینی کرد که نور و اختلالات الکترومغناطیسی را می توان بصورت امواج رونده دارای سرعت برابر توجیه کرد .

فیزیکدان آلمانی "هاینریش هرتزگ" (1857 – 1897) در سال 1886 توانست صدق ادعاو پیش بینی ماکسول را مبنی بر اینکه کنشها و پدیده های الکترومغناطیسی می توانند در هوا منتشر شوند ، نشان دهد .

هرتز کشف کرد که اختلالات الکتریکی می توان توسط یک مدار ثانویه با ابعاد مناسب برای حالت تشدید و دارای یک شکاف هوا برای ایجاد جرقه آشکار کرد .

منبع اولیه اختلالات الکتریکی مورد بررسی هرتز شامل دو ورق هم صفحه بود که هر ورق با یک سیم به یک سیم پیچ القائی وصل می شد .

این اولین آنتن مشابه آنتن دو قطبی ورق خازنی مورد بحث در بخش 2-1 می باشد . هرتز آنتهای دو قطبی و حلقوی و نیز آنتهای انعکاسی سهموی استوانه ای نسبتاً پیچیده ای را دارای دو قطبیهائی در امتداد خط کانونی شان بعنوان تغذیه ساخت .

مهندس برق ایتالیایی "گوگلیلمو مارکونی" نیز یک استوانه سهموی میکروویو در طول موج 23 سانتیمتر را برای انتقال کد اولیه اش ساخت . ولی کارهای بعدیش برای حصول برد مخابراتی بهتر در طول موجهای بلندتر بود .

برای اولین مخابرات رادیوئی در ماورای اقیانوس اطلس در سال 1901 آنتن فرستنده شامل یک فرستنده جرقه ای بود که بین زمین و یک سیستم شامل 50 عدد سیم قائم متصل می شد .

سیم ها از هم باز شده و توسط یک سیم افقی متصل به دو دکل نگه داشته می شد . آنتن گیرنده توسط بالونهائی آویزان می شدند . مارکونی اهمیت مرتفع کردن آنتها را در این فرکانسهای پائین در حدود 60 کیلوهرتز درک می کرد .

فیزیکدان روسی " الکساندر پوپوف " (1859 – 1905) نیز اهمیت کشف امواج رادیویی را توسط هرتز تشخیص داد و یک سال قبل از مارکونی شروع به کار و فعالیت در مورد روشهای دریافت آنها نمود .

اغلب افتخار کاربرد اولین آنتن در اولین سیستم رادیوئی را در سال 1897 برای ارسال یک سیگنال از کشتی به ساحل در مسافت سه میل به او می دهند .

در هر حال ، این مارکونی بود که رادیوی تجارتی را توسعه داده و مخابرات رادیوئی را در ماورای اقیانوس اطلس ایجاد کرد . مارکونی را می توان پدر رادیو آماتور دانست .

توسعه آنتها در سالهای اولیه به علت عدم وجود و در دسترس نبودن مولدهای سیگنال محدود بود . در حدود سالهای 1920 پس از آنکه لامپ تریود "دوفارست" برای ایجاد سیگنالهای امواج پیسوته تا 1 مگاهرتز به کار رفت ، ساخت آنتهای تشدیدی (با طول تشدید) مانند دو قطبی نیم موج امکان یافت .

در این فرکانسهای بالاتر امکان ساخت آنتها با ابعاد و اندازه های فیزیکی در حدود تشدید (یعنی نیم طول موج) فراهم شد .

قبل از جنگ دوم جهانی مولدهای سیگنال مگنیترون و کلایسترون میکروویو (در حدود 1 گگا هرتز) همراه با موجبرهای تو خالی اختراع و توسعه یافتند . این تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتهای بوقی شد ، گر چه سالها قبل "چندر بوز" (1858- 1937) در هندوستان اولین آنتن بوقی الکترومغناطیسی را ساخت .

در سال 1934 اولین سیستم رادیو تلفنی میکروویو تجارتی بین انگلستان و فرانسه در فرکانس عمل 8/1 گگا هرتز برقرار شد .

در خلال جنگ دوم جهانی یک فعالیت وسیع طراحی و توسعه برای ساخت سیستمهای رادار منجر به ابداع انئاع مختلف آنتهای مدرن مانند آنتهای بشقابی (منعکس کننده) ، عدسیها و آرایه های شکافی موجبری شد .

حال ، نظر خود را به کاربردهای آنتها معطوف می کنیم . انتقال انرژی الکترومغناطیسی می تواند توسط نوعی از ساختارهای هدایت کننده امواج (مانند یک خط انتقال) صورت گیرد و یا می تواند از طریق آنتهای فرستنده و گیرنده بدون هیچ گونه ساختار هدایت کننده واسطه ای انجام گیرد .

اگر فاصله بین فرستنده و یک گیرنده برابر r باشد ، تلفات توان برای خط انتقال متناسب با 2(e-αr) است .

α ثابت تضعیف خط انتقال می باشد . اگر آنتها در یک سیستم خط دید به کار رود ، تلفات توان متناسب با است . عوامل مختلفی در انتخاب بین خطوط انتقال یا آنتها دخالت دارند .

بطور کلی ، خطوط انتقال در فرکانسهای پائین و فواصل کوتاه عملی هستند فرکانسهای بالا اغلب به علت پهنای باند موجود به کار می روند . با افزایش فواصل و فرکانسها تلفات سیگنال و هزینه های کاربرد خطوط انتقال بیشتر می شود و در نتیجه استفاده از آنتها ارجحیت می یابد . استثناء قابل توجه این قاعده خط انتقال فیبر نوری در طیف مرئی می باشد .

در چندین کاربرد باید از آنتها استفاده کرد . برای مثال ، آنتها را باید در مخابرات رادیو سیار شامل هواپیماها ، فضاپیماها ، کشتیها ، یا خودروهای زمینی به کار برد . آنتها در سیستمهای رادیوئی سخن پراکنی شامل یک ایستگاه فرستنده و تعداد نامحدود گیرنده ها که احیاناً مانند رادیوی خودرو متحرک و سیار است ، نیز به کار می رود .

کاربردهای غیر سخن پراکنی مانند سیستمهای رادیو سیار شهرداری (مانند پلیس ، آتش نشانی ، امداد ، بهداشت و بهداری) و رادیو آماتور نیز به آنتها نیاز دارند در کاربردهای غیر مخابراتی مانند رادار نیز آنتها لازم هستند .

عوامل دیگری که در انتخاب نوع سیستم انتقال تأثیر می گذارند ، شامل دلایل تاریخی ، ایمنی و اطمینان پذیری هستند .

قبل از آنکه تکنولوژی رادیوئی در دسترس باشد ، شرکتهای تلفن آغاز به اتصال پایانه های بی شمار ارسال و دریافت توسط خطوط انتقال کردند . اخیراً شرکتهای تلفن استفاده بیشتری را از رادیو به عمل می آورند .

در آمریکا بیشتر از نصف مکالمات تلفنی دور (بین شهری) توسط ارتباطات رادیوئی میکروویو انجام می گیرد . خطوط انتقال یک درجه از ایمنی را فراهم می سازند . در یک سیستم رادیوئی بی سیم هر فرد مجهز به یک گیرنده مناسب می تواند به یک انتقال اطلاعات گوش فرا دهد ، ولی برای تخطی به خطوط انتقال با سیم یک اتصال فیزیکی ضرورت دارد .

برای ایجاد ایمنی در یک ارتباط رادوئی در سیستمهای رادیوئی پیچیده تر کدگذاری را می توان به کار برد . ولی ، ایمنی مخابرات در معدودی از ارتباطات مخابراتی لازم است.

اطمینان پذیری عامل دیگری است که باید در نظر گرفته شود . برای مثال ، سیگنالهای رادیوئی توسط شرایط محیطی مانند ساختارها و موانع در طول مسیر سیگنال ، یونسفر و جو تأثیر می پذیرند .

بعلاوه ، تداخل همواره تهدیدی برای سیستمهای رادیوئی می باشد . کلیه این عوامل همراه با یک مقایسه هزینه سیستمهای خطوط انتقال و سیستمهای رادیوئی متشکل از آنتها باید ملحوظ و در نظر کرفته شود .

هر ساله هزینه دستگاههای رادیوئی کاهش یافته و اطمینان پذیری آنها بهبود می یابد . این عوامل به کاربرد سیستمهای رادیوئی ارجحیت می دهد . بنابراین ، تقاضا برای آنتها و نیاز به دانش فنی در مورد عملکرد آنها همواره وجود خواهد داشت .

در دو بخش بعد این فصل یک مرور مختصر اصول میدانهای الکترومغناطیسی و حل معادلات ماکسول را برای مسائل تشعشع ارائه می دهیم . پس از آنکه چند رابطه اساسی را استنتاج کردیم ، کابرد مستقیم معادلات ماکسول تنها در چند مورد خاص ضرورت دارد . باقیمانده این فصل به بررسی اصطلاحات آنتها و چند مثال ساده اختصاص دارد .

همچنین کاربردهای آنتها در سیستمهای مخابراتی و رادار مورد بحث و بررسی قرار میگیرد .

فصل اول



1- آنتن حلقه ای

ابتدا ، پترن میدان یک حلقۀ کوچک به نحو بسیار ، ساده ای نتیجه گیری می شود ؛ با در نظر گرفتن آنکه حلقه مربعی و دارای چهار دو قطبی خطی کوتاه است . سپس این معادلات بر اساس روش طولانی تری بر مبنای این فرض که حلقۀ کوچک معادل یک دو قطبی کوتاه مغناطیسی است ، تکمیل خواهد شد .

سرانجام ، حالت کلی آنتن حلقه ای با جریان یکنواخت برای حلقه هایی با هر اندازه عمل می شود . با وجود آنکه غالب نتیجه گیریها در مورد حلقه های دایره ای است ، دربارۀ حلقه های مربعی نیز بحث و نشان داده می شود که حلقه های دایره ای و مربعی وقتی سطح آنها کوچک باشد ، میدانهای دور یکسانی دارند و در صورتی که سطح آنها بزرگ باشد میدانهایشان مختلف خواهد بود .

1-1- حلقۀ کوچک

در این قسمت ، روشی بسیار ساده برای پیدا کردن پترن میدان یک حلقۀ کوچک عمل میشود .

(174-1 ب)

منحنی ممتد در شکل (14-1) ج عبارت بهنجار شده Ej را نشان می دهد . پرتو ضریب آرایه برای دو منبع نقطه ای در نقاط میانی اضلاع 1 و 2 می باشد . توجه کنید که در جهت z معادلات (73-1) و (74-1) برایo. = q نتیجه یکسانی را به دست می دهند .

یک میدان الکتریکی موازی با محور x به اندازه یک ضریب بزرگتر از اندازه Ex در جهت y در معادله (72-1) می باشد . این نکته در شکل (14-1) نیز نشان داده شده است .

(75-1)

چندین نتیجه کلی را می توانیم در مورد خواص تشعشعی آنتن حلقوی مربعی یک موج از پرتوهای شکل (14-1) استنتاج کنیم . حداکثر تشعشعات در جهت عمود بر صفحه حلقه قرار دارد و پلاریزاسیون میدان در این جهت موازی با ضلعی است که شامل تغذیه می باشد .

در صفحه حلقه یک صفر در جهت موازی با ضلع شامل نقطه تغذیه (در امتداد محور x) ، وجود دارد و یک گلبرگ در جهت عمود بر این ضلع (در امتداد محور y) پدید می آید .

این نتایج کاملاً از رفتار آنتن حلقوی کوچک متفاوت است که یک صفر در امتداد محورش و یک حداکثر تشعشعات یکنواخت در صفحه حلقه دارد .

دقت این نتایج را می توانیم از طریق تحلیل مسئله حلقه مربعی بدون فرض توزیع سینوسی جریان بررسی کنیم . کاربرد روشهای عددی برای آنتن حلقوی یک طول موج با شعاع سیم برابر l001/0 ، اندازه جریان (منحنی خط چین) در شکل (14-1) را به دست می دهد .

توجه کنید که واقعاً توافق بین دو منحنی ممتد و خط چین بسیار خوب است . اثر اختلافات اندک در این توزیع جریانها در شکل (14-1) ظاهر می شود . منحنیهای خط چین همان پرتوهای متناظر با توزیع دقیق جریان است که از طریق یک روش انتگرالی تشعشعی مشابه با روش فوق الذکر برای یک توزیع جریان مفروض محاسبه شده است .

توافق بین پرتوهای ناشی از فرض یک جریان ساده و روشهای دقیقتر بسیار خوب است . در واقع ، توافق در صفحه xz تقریباً کامل است . این مقایسه مفصل بین روشهای تحلیلی تقریبی آنتها و روشهای عددی دقیقتر (ولی مشکلتر) به ما اطمینان می دهد که نتایج مهندسی خوبی را می توانیم با فرضیات معقول در مورد نحوه عملکرد آنتها به دست آوریم .

در عمل آنتن حلقوی مربعی دارای محیطی برابر یک طول موج بیشترین کاربرد را دارد ف زیرا خواص امپدانس ورودیش مطلوب است . امپدانس یک آنتن حلقوی مربعی با شعاع سیم برابر l001/0 به صورت یک تابع محیط در شکل (15-1) رسم شده است .

توجه کنید که راکتانس ورودی برای محیط حلقه برابر یک طول موج نسبتاً کوچک بوده و حالت تشدید برای محیط برابر l09/0 پدید می آید . مقاومت ورودی برای اندازۀ محیط برابر یک طول موج برابر 100 اهم است . تغییرات امپدانس ورودی حلقه نسبت به اندازه محیطش نسبتاً ناهنجار می باشد .

بهره حلقه مربعی یک موج برابر 09/3 دسی بل است که کوچکتر از بهره 82/3 دسی بل برای یک دو قطبی یک موج سیمی مستقیم می باشد .

چنین نتیجه ای را انتظار داریم ، زیرا پرتو حلقه در شکل (14-1) در مقایسه با پرتو دو قطبی یک طول موج در شکل (15-1) ب راستاوری کمتری دارد .

-2- دوگانگی :

اغلب یک مسئله آنتن پدید می آید ، بطوری که ساختارش دوگانه آنتنی بوده که حل و جوابش معلوم است اگر ساختار آنتها دوگانه های یکدیگر باشند ، میدانهای ناشی از یک آنتن را می توان از عبارت مربوط به میدانهای آنتن دیگر از طریق جایگزینی پارامترها با توجه به اصل دوگانگی به دست آورد . قبل از تحلیل حلقه کوچک ، کاربرد اصل کلی دوگانگی را برای آنتها بررسی می کنیم .

ساختار دو گانه آنتها شبیه شبکه های دوگانه هستند . به عنوان یک مثال ، یک مدار ساده را متشکل از یک منبع ولتاژ و اتصال سری یک مقاومت R و یک سلف L مطابق شکل (1-2 الف) در نظر بگیرید .

شبکه دوگانه اش مطابق شکل (1-2 ب) شامل یک منبع جریان بوده که به اتصال موازی هدایت و ظرفیت خازنی اعمال می شود . (علامت بدین معنی است که کمیت طرف چپ را جایگزین کمیت طرف راست می کنیم و از این لحاظ همانند علامت تساوی در یک عبارت برنامه کامپیوتری میباشد.) از آنجا که شبکه ها دو گانه های یکدیگر هستند ، جوابهای آنها نیز دوگانه می باشند .

مدار اتصال سری را می توان توسط معادله حلقه آن توصیف کرد .

(1-2)

دوگانه این معادله حلقه یک معادله گره می باشد ، که از طریق جایگزینی V با I ، R با G و L با C به دست می آید .



2-2- آنتن حلقوی کوچک

عبارت میدانهای یک حلقه کوچک حامل جریان یکنواخت را با کاربرد اصل دوگانگی به دست آوردیم . در هر حال ، این عبارت شامل دامنه جریان دو قطبی مغناطیسی معادل Im هستند .

از طریق حل مستقیم مسئله حلقه کوچک می توانیم رابطه بین جریان الکتریکی در حلقه I و جریان مغناطیسی Im را به دست آوریم . این رابطه را می توان تنها برای میدان تشعشعی در ناحیه میدان دور مشخص کرد .

نتیجه گرفته می شود که میدانهای تشعشعی حلقه های کوچک مستقل از شکل حلقه بوده و تنها به مساحت حلقه بستگی دارند .

بنابراین ، یک حلقه مربعی را برای تسهیل در تحلیل ریاضی مطابق شکل (2-2) در نظر می گیریم . جریان دارای دامنه ثابت و فاز صفر حول حلقه است .

هر ضلع حلقه مربعی یک قطعه جریان الکتریکی یکنواخت کوتاه بوده که به صورت یک دو قطبی ایده آل الگوبندی می شود .