فهرست مطالب

عنوان صفحه

پیشگفتار 1

فصل اول 3

طرح تحقیق 3

تاریخچه مختصری در باره ی موضوع تحقیق 4

اهمیت انجام تحقیق 6

اهداف کلی تحقیق 6

هدف های ویژه تحقیق 6

روش انجام تحقیق 7

فصل دوم 8

مبانی آنتن انواع و پارامترهای آن 8

2_1: تاریخچه 9

2_2: انواع آنتن ها از نظر کاربرد 11

الف) آنتن هرتز 11

ب) آنتن مارکنی 11

پ) آنتن شلاقی 12

ت ) آنتن لوزی ( روبیک) 12

ث) آنتن V معکوس 12

ج) آنتن ماکروویو 13

چ) آنتن آستینی 16

ح) آنتن حلزونی 16

ذ) آنتن های آرایه ای ARRAY ANTENNA 17

2-3 : پارامترهای آنتن 18

نمودار پرتو افکنی آنتن ها 18

دستگاه مختصات نمایش نمودار پرتو افکنی 18

نمودار پرتو افکنی سه بعدی و دو بعدی 19

نمودار پرتو افکنی درفضای آزاد و در مجاورت زمین 22

نمودار پرتو افکنی آنتن فرستنده و گیرنده 22

جهت دهندگی آنتن ها 23

پهنای شعاع و پهنای شعاع نیم توان 23

شعاع های فرعی آنتن ها 24

مقاومت پرتو افکنی آنتن 25

امپدانس ورودی آنتن 25

سطح موثر یا سطح گیرنده آنتن ها 26

طول موثر آنتن 27

پهنای نوار فرکانس آنتن ها 27

پلاریزاسیون آنتن ها 28

پلاریزاسیون خطی 29

پلاریزاسیون دایره ای 30

پلاریزاسیون بیضوی 30

ساختمان مکانیکی آنتن ها 31

اندازه آنتن 31

نصب آنتن ها 31

خطوط انتقال و موج برها برای تغذیه آنتن ها 32

رسانا و نارساناهای مورد استفاده در ساختن آنتن ها 33

محافظت آنتن در برابر عوامل جوی 34

فصل سوم 35

شبکه های کامپیوتری شبکه های بی سیم 35

2-1:سخت افزار شبکه 36

2-1-1: شبکه های ﭘخشی(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 سیم (wireless network) 41

2-1-8:شبکة شبکه ها (internetwork) 42

2-2: نرم افزار شبکه 42

2-2-1:لایة فیزیکی (Physical layer) 46

2-2-2: زیر لایة نظارت بر دسترسی به رسانة انتقال ( MAC) 46

2-2-3:لایة شبکه 47

2-2-4:لایة انتقال(Transport layer) 47

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

2-3: شبکه های محلی بی سیم (802.11) 48

2-3-1: ﭘشتة ﭘروتکل 802.11 49

2-3-2: لایة فیزیکی در 802.11 49

2-4: شبکه های بی سیم باند گسترده 51

2-4-1: لایة فیزیکی در 802.16 52

فصل چهارم 55

آنتن های هوشمند 55

بخش اول 56

آنتن های هوشمند در شبکه های بی سیم 56

تداخل هم کانال 57

اثرات محوشدگی 57

4_الف_1: جوانب تکنولوژی سیستم آنتن هوشمند 60

4- الف - 2: مدلهای کانال 62

4-الف-2-1:مدل لی 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 عریض میکروسل (Macrocell Wide Band Model) 65

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

(GWSSUS)model 65

3-الف-2-6: مدل زاویه دریافت گاوسی (Gaussian angle of) 66

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

4-الف-2-8: مدل شهری واقعی(typical urban (tu/model)) 67

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

4_الف_3:آرایه های هوشمند:آنتن و بهره های مختلف 68

انواع آنتن های هوشمند 70

4-الف-4:ردیابی وتکنیک های بیم آرایه سوئیچ شده 74

4-الف –5: راهبردهای شکل دهی بیم ثابت 75

4- الف – 6: پردازش آرایه از طریق شکل دهی بیم 76

4 الف 6- 1: الگوریتم های پایه شکل دهی سیگنال 77

4- الف-6-2: ترکیب های آرایه ای تنظیمی 80

4-الف –6-3: ترکیب آرایه پرتو سوئیچ شده 81

مثال 1-4 85

4-الف-7: نکات نتیجه گیری شده 88

بخش دوم 89

آنتن های آرایه فازی 89

4-ب-1:تاریخچه 89

4-ب-2: انواع آرایه ها 89

4-ب-2-1: آرایه های خطی (Linear Array) 90

4-ب-2-2:آرایه های مسطح (Planar Array) 90

4-ب-3: ویژگی های آرایه فازی 92

4-ب-3-1: تکنولوژی شیفت دهنده فاز 92

4-ب-3-2:تکنولوژی شیفت دهنده فاز دی الکتریک ولتاژ متغیر 93

فصل پنجم 95

نتیجه و ﭘیشنهاد 96

منابع 97

فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل2.1:آنتنVمعکوس 12

شکل 2.2 : آنتن های بوقی مستطیلی. الف- بوق قطاعی صفحه H ؛ ب - بوق قطاعی صفحه

E ؛ ج- بوق هرمی. 14

شکل 2.3 : الف- آنتن دو مخروطی نا محدود ؛ ب- آنتن دو مخروطی محدود 15

شکل2.4: الف- پرتو تشعشعی یک آنتن دو مخروطی نامحدود ؛ ب- آنتن دیسک و مخروط 16

شکل 2.5 : آنتن حلزونی 17

شکل 2.6: دستگاه مختصات کروی 19

شکل2.7 : نمونه نمودار پرتو افکنی سه بعدی 20

شکل 2.8: نمودار پرتو افکنی میدان الکتریکی یک آنتن. 21

شکل2.9: ترتیب آنتن ها در تعیین نمودار پرتو افکنی 22

شکل 2.10: نمودار پرتو افکنی یک آنتن عملی. 24

شکل2.11: مدار معادل آنتن از نظر پرتو و تلفات 26

شکل2.12: آنتن متصل به بار و مدار معادل تونن آن؛ الف: آنتن ب: مدار معادل 26

شکل2.13:آنتن خطی به طول 27

شکل2.14: وضعیت آنتن فرکانس 30 کیلو هرتز 32

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

شکل 3,2:انتقال اطلاعات در یک شبکه 5 لایه 45

شکل 3،3: پشته پروتکل 802.11 49

شکل3,4:پشته پروتکلی16,802 51

شکل3,5: محیط انتقال در 802.16. 52

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

شکل 4.1: مدل لی (ES انتشار دهنده موثر ؛ MU: ایستگاه پایه ؛ AE عنصر آرایه) 63

شکل 4.2: یک مجموعه ای انتشار دهنده های یکسان که بطور یکنواخت و مجزا

از هم قرار گرفته اند.(ES: انتشار دهنده های موثر، BS: ایستگاه مرکزی) 64

شکل4.3: مدل میکروسل یک کانال بی سیم (BS: ایستگاه مرکزی , MU: واحد متحرک) 65

شکل 4.4: کانال بی سیم مدل باند عریض محیط میکروسل:

(MU, BS منطقه بیضی هستند) 65

شکل 4.5: مدل کانال بی سیم روی یک پرتو دلخواه از انتشار دهنده های بنا نهاده شده است.

هر انتشار دهنده یک دسته ای ازانتشار دهنده های کوچکتر است. 66

شکل 4.6: مدل زاویه دریافت گاوسی ویژه یک پرتو یک واحد انتشار دهنده ها:

انتشار یک سیگنال واحد اصلی است. 66

شکل 4.7: مدلRay leighمربوط به محیط همزیستی انتشار دهنده های محلی

(local scatterer) و انتشاردهنده های اصلی. 67

شکل 4.8:محیط کانال سمتی شهری بد با یک جفت از پرتوهای اولیه و ثانویه 68

شکل4.9: طرح ترکیبی اختلافها به صورت انتخابی بر مبنای بیشترین SNR خروجی

پایه ریزی شده است. 69

شکل 4.10: روش ترکیب بر مبنای بیشترین درصدSNR 69

شکل 4.11: طرح ترکیب بر مبنای بهره مساوی: خروجی مطابق با جمع هم فازها

از سیگنال های شاخه آرایه می باشد. 70

شکل4.12: ترکیب آنتن هوشمند و بخشهای کنترل سیگنال مربوطه. 72

شکل 4.13: مثالی از یک ماتریس Blass: یک ساختار سه عنصره جهت

تولید سیم کناری عریض. ماتریس 75

شکل 14،4: تکنیک های شکل دهی بیم؛

(a): روش پایه باند (b).DOA/los: استراتژی مشخص طراحی. 77

شکل 4.15: بیم های مستقیم برای یک آنتن هوشمند 80

شکل 4.16: ترکیب آرایه سازگار: (a) مدل Applebaum (b) مدل widrow 81

شکل 4.17: یک پایه دو بیم ماتریس .Butler BMP#1): بیم شکل یافته با پورت ورودی#1) 82

شکل:4.18 هیبرید چهار گانه ابتدایی ناشی از کاربرد کاربرد یکTجادویی: یک آرایه دو المانه؛

Tجادویی؛ بیم در برابر پورت های بر انگیخته شده؛و مسیر تاخیر بهبود یافته از بیم پورت 4. 83

شکل 4.19:هیبرید چهارگانه تزویج شده بر مبنای راستا(الف):هیبرید تزویج شده پهلویی؛

(ب)هیبرید تزویج شده عمودی؛S:شکاف تزویج شده در فضای حائل بین دو موجبر؛

و،ML:ظرفیت منطبق شده. 84

شکل 4.20: ترکیب چهار موقعیت در پرتو قابل سوئیچ برای استفاده در

ماتریس Butlar: (ps): شیفت دهنده فاز) 85

شکل4.21 : نمایش نقش هیبریدچهارگانه در ماتریس Butler چهارالمانی:

هیبرید یک اختلاف فاز درجه را در ارسال عرضه می کند. 86

شکل 4.22:پیاده سازی آنتن هوشمند با سوئیچ قابل برنامه ریزی 87

شکل 4.23:آرایه خطی. 90

شکل4.24: آرایه فازی از نوع مسطح. 91

شکل 4.25:آرایه مسطح مستطیلی. 91

شکل 4.26:سوییچ های میکروالکترومکانیکال 93

شکل 4.27:شیفت دهنده ی فاز دی الکتریک ولتاژ متغیر 93

پیشگفتار

از سال 1877م که نخستین آنتن ساده توسط هرتز ساخته شد. نظریه طراحی آنتن ها به سرعت پیشرفت کرده است و این پیشرفت ادامه دارد، با توجه به اینکه آنتن ها جزئی از یک سیستم مخابراتی الکترونیکی هستند، بایستی تکنولوژیست ها و مهندسین برق الکترونیک در این زمینه دانش کافی داشته باشند. امید است در این مقال اندک که در زیر به اجمال عنوان فصول آن را خواهیم آورد، قدمی هر چند کوچک در این راه برداشته باشیم .

این پایان نامه از 5 فصل تشکیل شده است. فصل اول در قالب طرح تحقیق به بررسی تاریخچه و نیز اهمیت مساله مورد تحقیق می پردازد. قابل ذکر است که اهداف ویژه تحقیق در این مساله نیز با توجه به عنوان و روش انجام این تحقیق به جای فرضیه ها و سوال های تحقیق در طرح تحقیق گنجانده شده است.

در فصل دوم به مبانی مبحث آنتن ها – انواع و پارامترهای آن پرداخته شده است . آنتن مایکروویو بوقی و مخروطی و نیز آنتن های آرایه ای از جمله آنتن های مهم مورد بحث می باشند . جهت دهندگی آنتن ، پهنای شعاع آنتن ، مقاومت پرتو افکنی آنتن ، امپدانس ورودی آنتن ، سطح موثر و طول موثر آنتن پلاریزاسیون آنتن و ... نیز از جمله شاخص ترین پارامترهای آنتن می باشند که در این فصل درباره آنها سخن گفته شده است .

در فصل سوم به بحث پیرامون شبکه های کامپیوتری می پردازیم . مطالب مورد بحث در این فصل شامل توضیح مختصری در مورد سخت افزار شبکه ، نرم افزار شبکه ، پشته ی پروتکلی 802.11 - به عنوان مهمترین شبکه ی محلی بی سیم - و نیز پشته ی پروتکلی 802.16 - مهمترین شبکه ی بی سیم باند گسترده- می باشند .

در فصل چهارم آنتن های هوشمند و کاربرد و مزیت آنها در شبکه های بی سیم در بخش اول این فصل و نیز آنتن های آرایه فازی به طور تخصصی تر در بخش دوم این فصل مورد بحث قرار می گیرند .

فصل پنجم نیز نتیجه گیری کلی و پیشنهاد به دیگر پژوهندگان علاقه مند به این موضوع را شامل می شود . امید که مفید محضر خوانندگان محترم قرار گیرد .

والسلام علی من اتبع الهدی؛ گردآورندگان. مهر 85

فصل اول

طرح تحقیق

تاریخچه مختصری در باره ی موضوع تحقیق:

همانطور که می دانید عنوان شبکه در برگیرنده مفهومی وسیع است که شبکه چاه های آب روستایی ( قنات ها)، شبکه ی نهرها و کانال های آبیاری مزارع، شبکه آب و فاضلاب شهری، شبکه گاز شهری، شبکه پدافند هوایی و نیز شبکه های کامپیوتری هر کدام به نحوی تداعی کننده مفهوم کلی این کلمه می باشند.

البته واضح است که با توجه به پیشرفت چشمگیر کامپیوتر و تکنولوژی های وابسته به آن (جمع آوری، پردازش و توزیع اطلاعات) در دنیای امروز، شبکه های کامپیوتری در تمامی مفاهیم که از شبکه عنوان شد، وارد شده اند، و نرم افزار های کامپیوتری کارهای مدیریت، نظارت و کنترل کلیه شبکه های یاد شده را به عهده گرفته اند. پیوند فرخنده کامپیوتر و مخابرات اتفاقی بود که هر دو صنعت را دچار تحولات عظیم کرد. اکنون دیگر مفهوم اتاقی با یک کامپیوتر بزرگ به نام « مرکز کامپیوتر» که افراد کارهایشان را به آنجا می آورند، به کلی منسوخ شده است. مدل قدیمی کامپیوتر بزرگی که تمام کارهای محاسباتی سازمان را انجام می دهد، اکنون جای خود را به تعداد زیادی کامپیوتر کوچک متصل به هم داده است. به این سیستم ها شبکه های کامپیوتری (computer netwoks) گفته می شود.

دو کامپیوتر وقتی « به هم متصل اند» که بتوانند با یکدیگر اطلاعات رد و بدل کنند. الزامی نیست که این اتصال از طریق سیم های مسی باشد، فیبرهای نوری، امواج مایکروویو، مادون قرمزو ماهواره های مخابراتی هم می توانند عامل این ارتباط باشند.

در اینجا پس از طرح مساله شبکه های بی سیم، مهمترین مساله بررسی آنتن های قابل استفاده در این شبکه ها می باشد، که در ابتدا لازم می دانیم تاریخچه مختصری از پیدایش آنتن را نیز در اختیار خوانندگان محترم قرار دهیم.

مبنای نظری آنتن ها بر معادلات ماکسول استوار است. جیمز کلارک ماکسول[1] (1831-1879) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتی انگلستان نظریه خود را ارائه داد؛ مبنی بر اینکه نور و امواج الکترو مغناطیسی پدیده های فیزیکی یکسانی دارند. همچنین پیش بینی کرد که نور و اختلالات الکترو مغناطیسی را می توان به صورت امواج رونده دارای سرعت برابر توجیه کرد. در سال 1882 فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز[2] (1894-1875) با افزایش تحقیقات در این زمینه ادعای ماکسول را در عمل اثبات کرد و نشان داد که امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می شود. هرتز، آنتن هایی از نوع دو قطبی و سهموی را نیز ساخت. مهندس برق ایتالیایی مارکونی (1937-1874) نیز یک آنتن استوانه میکروویو در طول موج 23 سانتی متری را ساخت، ولی کارهای بعدیش برای حصول برد مخابراتی بهتر در طول موج های بلند تر بود. فیزیکدان روسی الکساندر پوپوف[3] (1895-1905) نیز اهمیت کشف امواج رادیویی را توسط هرتز تشخیص داد و یک سال بعد، قبل از مارکونی[4] شروع به فعالیت کرد. اغلب افتخار کاربرد اولین آنتن در اولین سیستم رادیویی را در سال 1879 برای ارسال سیگنال از کشتی به ساحل در مسافت 3مایل به او می دهند. در هر حال این مارکونی بود که رادیوی تجارتی را توسعه داد و مخابرات رادیویی را در ماورای اقیانوس اطلس ایجاد کرد. مارکونی را پدر رادیوی آماتور می شناسند. لازمه ارتباط در این سال ها با آنتن محدود به وجود مولدهای سیگنال بود. ساخت مولدهای سیگنال کلایسترونی و مگنترونی ( در حدود یک گیگا هرتز ) باعث شد که آنتن های بوقی توسعه یابند. در طول جنگ جهانی دوم اولین کوشش ها جهت توسعه آنتن های مدرن برای رادار انجام گرفت، و هم اکنون آنتن های پیشرفته ای جهت ارتباط مایکروویوی و راداری ساخته می شوند. که آنتن های آرایه فازی از جمله ی این آنتن ها می باشند. که در فصول آتی به آنها خواهیم پرداخت.

اهمیت انجام تحقیق:

با توجه به پیشرفت روز افزون تکنولوژی ارتباطات و البته ارتباطات بی سیم، درجه اهمیت شبکه ها، به ویژه شبکه های بی سیم برای عموم و البته دانشگاهیان پر واضح است. اما مطلب مورد بحث درباره اهمیت انجام این تحقیق، میزان کارایی نتیجه این پژوهش در مسیر رشد و تعالی نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران است، که در این مقال بایستی به آن پرداخته شود.

همانطور که می دانید شبکه پدافند هوایی کشور C3 از زمان شهید بزرگوارسر لشکر منصور ستاری در مسیر تمرکز و هماهنگی بهینه و در واقع نهادینه کردن سیستم C4I و ورود کامپیوتر به این عرصه، قرار گرفته است. در این راستا بر آن شدیم، که با مطالعه در مورد شبکه های کامپیوتری و ملزومات آنها بستری جهت آمادگی هر چه بیشتر خود و نیز خوانندگان محترم فراهم آوریم؛ که به توسعه و پیشرفت در شبکه پدافند هوایی کشور در آتیه نزدیک انجامد. (ان شاء ا... ) زیرا که معتقدیم دست یابی به هر تکنولوژی و پیشرفت در آن، منوط به شناخت پایه ای و بنیادی آن تکنولوژی می باشد. در این بین با توجه به گستردگی قلمرو فضایی کشور و مخارج عظیم ارتباطات باسیم، تکنولوژی شبکه های بی سیم از ملزومات این امر به نظر می رسد؛ که ما سعی کرده ایم به معرفی آنها بپردازیم امید که مقبول حق و مطلوب نظر خوانندگان قرار گیرد.

اهداف کلی تحقیق :

فراهم نمودن زمینه و استعداد بالقوه در مسیر توسعه شبکه پدافند هوایی کشور، به عنوان یک شبکه بی سیم کارا، بزرگ و متمرکز از طریق ایجاد آمادگی علمی بنیادی درمورد شبکه های بی سیم و آنتن های مورد استفاده در آنها در میان پرسنل آینده پدافند هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران.

هدف های ویژه تحقیق :

- شناخت کلی شبکه های کامپیوتری و به ویژه شبکه های بی سیم.

- شناخت انواع روش های مدولاسیون جهت تهیه سیستم های ارتباطی لازم برای طراحی یک شبکه بی سیم بزرگ و ممترکز.

- شناخت آنتن و انواع آن.

- شناخت آنتن های هوشمند و مزیت بکار گیری آن ها در شبکه های بی سیم.

روش انجام تحقیق :

با توجه به اینکه در این پایان نامه به شناخت کلی شبکه های بی سیم و نیز تجزیه وتحلیل ملزومات آنها از جمله آنتن های قابل استفاده در آنها پرداخته شده است، برای انجام این تحقیق از روش موردی و زمینه ای بهره گرفته شده است؛ که نتیجه می گیریم این تحقیق در سطحی میانی از لحاظ سطح بندی تحقیقات، قرار گرفته است و دیدی بین حال نگر و آینده نگر از نظر زمانی،بر مساله دارد.

جامعه آماری در این مسیر اساتید محترم دانشکده مهندسی کنترل و نیز دانشکده مهندسی برق بوده اند. محیط پژوهش کتابخانه دانشکده های برق و کامپیوتر و نیز کتابخانه دانشکده برق دانشگاه صنعتی امیر کبیر و نیز کتابخانه مرکزی دانشگاه های صنعتی شریف و تربیت مدرس بوده است.

روش گردآوری اطلاعات نیز بر پایه ترجمه متون انگلیسی از کتاب های جدید منتشر شده در این زمینه و نیز نمونه برداری از میان پایان نامه های دانشجویان دانشگاه های یادشده بوده است.

فصل دوم

مبانی آنتن انواع و پارامترهای آن

2_1: تاریخچه:

از آغاز تمدن بشری مخابرات اهمیت اساسی را برای جوامع انسانها داشته است. که در مراحل ابتدایی مخابرات توسط امواج صوتی از طریق صدا صورت گرفت. و سپس در مسافت طولانی تر از ابزارهای مخابراتی نوری که از قسمت مرئی طیف الکترومغناطیسی است، استفاده شده و تنها در تاریخ اخیر بشر است که طیف الکترومغناطیسی خارج از ناحیه مرئی برای ارتباطات راه دور از طریق امواج رادیویی به کار برده شده است.

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

همانطوری که می دانیم یکی از بزرگترین منابع انسان طیف الکترومغناطیسی است و آنتن ها دراستفاده ازاین منبع طبیعی نقش اساسی را ایفا کرده اند.حال تاریخچه مختصری از تکنولوژی آنتن ها و بعضی از کاربردهای آنها در زیر ارائه می شود:

مبنای نظریه آنتن ها بر معادلات ماکسول استوار است. جیمزکلارک ماکسول (1831-1897) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتی انگلستان نظریه خود را مبنی بر اینکه نور و امواج الکترو مغناطیسی پدیده های فیزیکی یکسانی هستند ارائه داد.فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز ( 1857- 1897) در سال 1886 توانست صدق ادعا و پیش بینی ماکسول را مبنی بر اینکه کنش ها و پدیده های الکترو مغناطیسی می توانند در هوا منتشر شوند را نشان دهد و همچنین وی آنتن های دو قطبی و حلقوی و نیز آنتن های سهموی استوانه ای پیچیده ای را که دارای دو قطبی هایی در امتداد خط کانونی شان بودندرا بعنوان تغذیه ساخت.مهندس برق ایتالیایی( گوگلیمو مارکونی ) فیزیک استوانه سهمی میکروویودر طول موج 23 سانتی متر را برای انتقال اولیه اش ساخت، ولی کارهای بعدیش برای حصول برد مخابراتی بهتر در طول موج های بلندتر بود. برای اولین بار در مخابرات رادیویی 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 شود.فیزیکدان انگلیسی «الکساندر پوپوف » ( 1959-1905) نیز اهمیت کشف امواج رادیویی را درسال1897برای ارسال یک سیگنال از کشتی به ساحل درمسافت 3 مایل نشان داد. در هر حال این مارکونی بود که رادیوی تجارتی را توسعه داده و می توان او را پدر رادیوی آماتور دانست.

پس از سال 1920، با استفاده از مولدهای سیگنال مانند لامپ « تریود دوفارست »[5]، ساخت آنتن های تشدید مانند دو قطبی نیم موج امکان یافت. قبل از جنگ دوم جهانی مولدهای سیگنال مگنترون و کلایسترون میکروویو( در حدود1 گیگا هرتز) همراه با موج های تو خالی اختراع و توسعه یافتند. این تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتن های بوقی شد.در خلال جنگ جهانی دوم یک فعالیت وسیع طراحی، و توسعه برای ساخت سیستم های رادار منجر به ابداع انواع مختلف آنتن های بشقابی، عدسی های آرایه ای شکافی موج بری شد. حال با توجه به این مقدمه عوامل مختلفی را که در انتخاب بین خطوط انتقال یا آنتن ها دخالت دارند بیان می کنیم.بطور کلی خطوط انتقال در فرکانس های پایین و فواصل کوتاه عملی هستند، فرکانس های بالا اغلب به علت پهنای باند موجود بکار می روند. با افزایش فواصل و فرکانس ها تلفات سیگنالی و هزینه های کاربردی خطوط انتقال بیشتر می شود ودرنتیجه استفاده از آنتن ها ارجحیت می یابد.

بطور کلی تعدادی از موارد استفاده آنتن ها بدین صورت می باشد :

الف – درمخابرات رادیو سیار شامل هواپیماها، فضاپیماها، کشتی ها یا خودروهای زمینی بکار برد.

ب – کاربرد آنتن ها در سیستم های رادیویی سخن پراکندگی مانند رادیوی خودروی متحرک سیار و کاربردهای غیر سخن پراکنی مانند سیستم های رادیو سیار ( مانند پلیس، آتش نشانی، امداد،...) و رادیو آماتور.

ج – استفاده از تکنولوژی رادیویی بجای استفاده از خطوط انتقال.

بعنوان مثال در آمریکا بیشتر از نصف مکالمات تلفنی دور ( بین شهری) توسط ارتباطات رادیویی میکروویو انجام می گیرد. و با توجه به اینکه هر سال هزینه های دستگاه های رادیویی کاهش یافته و اطمینان پذیری آنها بهبود می یابد، کاربردهای سیستم های رادیویی ارجحیت می یابد.

2_2: انواع آنتن ها از نظر کاربرد :

آنتن ها از نظر ساختار و نوع کاربرد به انواع مختلفی تقسیم می شوند،که درذیل به تعدادی از آنها اشاره می شود

الف) آنتن هرتز : [6]آنتن هرتز در فاصله ای بالا واقع شده و ممکن است بطور افقی یا عمودی باشد و برای فرکانس های زیاد به کار می رود.

ب) آنتن مارکنی :[7] در این نوع آنتن، انتهای پایین مولد به زمین متصل است و سطح زمین بجای صحفه هادی

به کار می رود. طرز توزیع جریان و ولتاژ برای فرکانس اصلی، چهل برابر طول آنتن می باشد و این آنتن برای

فرکانس های کم مورد استفاده قرار می گیرد.آنتن مارکنی در بعضی موارد ممکن است برای فرکانس های بالا به کار رود، مثل آنتن های ارتباطی هواپیما که در این حالت بدنه هواپیما بجای زمین عمل می کند.

پ) آنتن شلاقی : معمولی ترین آنتنی است که در عملیات تاکتیکی برای ایجاد ارتباط در ساخت های نسبتاً کوچک بکار می رود. بیشتر آنتن های شلاقی طوری طراحی شده اند که در زمانی که مورد احتیاج نیستند با فشار جزیی یک قسمت، داخل قسمت دیگر قرار می گیرند. وقتی که آنتن های شلاقی در باند فرکانسی زیاد کار می کنند، طول آن ها معمولاً کسر کوچکی از طول موج می باشد و در این حالت باید یک سیم پیچ به خاصیت القایی زیادی به کاربرده شود تا آنتن مزبور به حالت هماهنگی صحیح درآید.

ت ) آنتن لوزی ( روبیک) :[8] این آنتن از چهار سیم ساخته شده است که به شکل لوزی متصل شده اند و موازی زمین قرار گرفته اند. با قرار دادن چرخ ها روی دکل های نگهدارنده، می توان ارتفاع آنتن را نسبت به زمین تغییر داد.منبع تغذیه در حالت فرستنده توسط خط انتقال متعادلی از یک سو به آنتن وصل می شود و مقاومت سوی دیگر را به گونه ای تنظیم می کنند که تنها موج رونده روی آنتن بوجود آید. توجه کنید که خط انتقال متعادل، خط انتقالی است که امپدانس در بازوی آن نسبت به زمین برابر باشد.در فضای آزاد حداکثر پرتو افکنی آنتن در امتداد قطر بزرگ لوزی صورت می گیرد و پلاریزسیون آن افقی است.این آنتن به علت سادگی طرح در فرستنده ها و گیرنده ها کاربرد زیادی داشته و به منظور ایجاد ارتباط در مسافت های زیاد و کار فرکانس های بالا به حد زیادی مورد استفاده قرار می گیرد.همچنین این آنتن در ارتباطات منطقه به کار می رود. زیرا در باند وسیعی به کار رفته و نصب و نگهداری آن ساده تر از آنتن های دیگر می باشد عیب اصلی آن این است که احتیاج به یک زمین وسیع دارد.

ث) آنتن V معکوس : این آنتن از دکل نارسانا و دو رشته سیم مطابق شکل (2-1) شده است.

خط انتقال بین نقطه A و زمین وصل می شود. انتهای آنتن( نقطه C) را به وسیله مقاومت متصل می کنند. تعداد R نزدیک امپدانس مشخصه خط ABC برگزیده می شود تا مانع از هر گونه بازتاب موج و در نتیجه، روی سیم آنتن ABC موج پیش رونده بوجود می آید. در این آنتن، اندازه زاویه αدارای اهمیت است و بسته به کاربرد، باید به گونه ای ویژه برگزیده شود، در صورتی که این آنتن بالای صفحه رسانای کاملی قرار گرفته باشد، جهت جریان های تصویر، عکس جریان های آنتن خواهد بود حداکثر پرتو در امتداد زمین، دارای پلاریزاسیون عمودی، برای انتشار از راه یونسفر مناسب نیستندو تنها به عنوان آنتن گیرنده امواج زمینی و یا سطحی در بخش پایین نوار فرکانس بالا، مورد استفاده قرار می گیرند.

چون این آنتن ها در مجاورت زمین، دارای شعاع های فرعی بی شماری با پلاریزاسیون افقی نیز هستند، امواج ناخواسته رسیده از جهت های دیگری دریافت می کنند که دارای پلاریزاسیون عمودی و یا افقی هستند که این مساله از نکات منفی این امر است.

ج) آنتن ماکروویو: اصول اصلی کار این آنتن ها، کار کردن آنها در ناحیه ماکروویو (100-300MHZ) می باشد. خاصیت ماکروویو نزدیکی آنها در طیف فرکانسی به امواج نوری می باشد. بیم این نوع آنتن ها بعضا توسط منعکس کننده شلجمی تمرکز می یابد.

دو نوع از آنتن های ماکروویو عبارت اند از آنتن بوقی شکل و آنتن مخروطی:

ج_1) آنتن بوقی شکل( شیپوری) HORN ANTENNA:

آنتن های شیپوری در شکل های مختلفی وجود دارند که سه نوع از متداول ترین آنها در اینجا نشان داده شده است. شیپور بخشی فقط در یک جهت وسیع شده و شبیه به منعکس کننده سهموی جعبه قوسی است. شیپور هرمی در دو جهت وسعت پیدا نموده و دارای شکل یک هرم ناقص است.

شیپور مخروطی (دایره ای) نیز شبیه به این بوده که به موج بر دایره ای ختم خواهد شد اگر زاویه درشکل بزرگ باشد شیپور کم عمقی خواهیم داشت که در نتیجه موجی که شیپور را ترک می کند، کروی شده و پرتو تشعشعی جهت دار نخواهد شد.این نتیجه را در مورد دو زاویه باز شدن شیپور هرمی نیز می توان اعمال نمود. از طرفی اگر زاویه خیلی کوچک شده باشد، در نتیجه دهنه شیپور و جهت داری آن هر دو صدمه می بینند.

سه نوع آنتن بوقی دارای هندسه مستطیلی در شکل (2.2) نشان داده شده است.

یک موج مستطیلی که دیواره پهنش به طور افقی قرار دارد، این بوق ها را تغذیه می کند. اگر در ساختار بوق، بعد دیواره پهن موج انبساط و گسترش یابد، ولی دیواره باریکش بدون تغیر و ثابت بماند، آنتن بوقی قطاعی صفحه Hنامیده می شود. از سوی دیگر، اگر بوق تنها بعد صفحه E را گسترش دهد، آن را آنتن بوقی قطاعی صفحه Eمی نامند. هنگامی که هر دو بعد موجی گسترش یابد، به آنتن بوقی هرمی موسوم است.

اکثر آنتن های بوقی از طریق موج برها تغذیه می شوند، اما در عین حال می توان از مبدل های خطوط کواکسیال به موج نیز استفاده کرد. پلاریزاسیون آنتن های بوقی به صورت خطی یا دوار است. بوق ها دارای بهره بالا، نسبت موج ایستای (VSWR) پایین، پهنای باند نسبتا وسیع و وزن کم هستند و ساخت آن ها نیز نسبتا آسان است آنتن های بوقی یا به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرندو یا به عنوان تغذیه کننده آنتن های بشقابی به کار می روند.

ج_2) آنتن مخروطی CONE ANTENNA:

با افزایش سیم یک قطبی ساده می توان پهنای باند آنرا افزایش داد. این اصل را می توان برای افزایش پهنای باند با استفاده از سیم هایی که شکل مخروطی دارند بکار برد.

_ آنتن مخروطی نا محدود: اگر سیم هادی آنتن دو قطبی از دو سطح هادی مخروطی بی نهایت تشکیل شده باشند، به طوریکه رئوس مخروط ها با فاصله بسیار کمی از محل تغذیه آنتن باشند، آنرا آنتن مخروطی نامحدود می گویند. چون ابعاد آنتن بی نهایت است؛ از دید منبع، این آنتن مانند یک خط انتقال بی نهایت می باشد، یعنی در این حالت جریان روی سطح هادی های مخروطی به صورت شعاعی جاری می شود و تولید امواج الکترو مغناطیسی با مد TEM می کند.

اگر بجای یکی از مخروط ها یک صفحه هادی کامل مسطح گذاشته شود، نوع تک قطبی آنتن مخروطی بدست می آید. در عمل ایجاد مخروط نامحدود غیر عملی است و لذا این نوع آنتن به صورت آنتن مخروطی محدود بکار می رود. که در شکل(2.3) نشان داده شده است.

_آنتن دیسک و مخروط ( مخروط ناقص): اگر یکی از مخروط ها در آنتن دو مخروطی محدود توسط یک صفحه زمین به شکل یک دیسک جایگزین شود،ساختاری به شکل یک آنتن دیسک مخروط یا آنتن تک مخروطی پدید می آید.

آنتن دیسک و مخروط همانند یک دو قطبی قائم برای پلاریزاسیون قائم و پوشش تقریبا یکنواخت در کلیه زوایای سمت ، یعنی پرتو همه جهتی بکار می رود. این آنتن در یک محدوده وسیع از فرکانس ها یعنی

چندین اوکتاو عملکرد رضایت بخشی داشته و پرتو تشعشعی و خواص امپدانسی قابل قبولی را حفظ می کند.

مخروط و دیسک می تواند از ورق های توپر فلزی یا سیم های شعاعی ساخته شود.

به طورایده آل پرتو تشعشعی بین صفحه زمین و مخروط همانند آنتن دو مخروطی نامحدود می باشد. این پرتو همه جهتی برای کاربردهای سخن پراکنی مناسب است.

چ) آنتن آستینی: ساختار کلی این آنتن ها به این شکل است که در آن یک آنتن لوله ای هادی دور یک عنصر تشعشع کننده به کار می رود. چون آنتن دو قطبی حساسیت زیادی به فرکانس دارد و پهنای باندش کمتر از یک اوکتاو می باشد، افزودن یک آستین به یک دو قطبی حساسیت زیادی به فرکانس دارد و پهنای باندشان به بیشتر از یک اوکتاو می رسد.

این آنتن ها درابتدا برای ارتباطات دو جانبه کشتی با ساحل، ساحل با کشتی، زمین به هوا، هوا به زمین و انتشارات ارتباط جمعی بکار گرفته می شد. این آنتن همه جهته می باشد و توانایی عملیات در محدوده وسیعی از فرکانس در باند فرکانسی را دارد.

ح) آنتن حلزونی:شکل(2.5) یک آنتن حلزونی هم زاویه می باشد.

امپدانس، پرتو تشعشعی و پلاریزاسیون این آنتن در طیف وسیعی از فرکانس تقریبا ثابت می باشد.

محل تغذیه تقریبا وسط می باشد و بزرگترین شعاع و ثابت ها در مشخصات آنتن تاثیر دارد. معادله لبه های این آنتن به صورت زیر است؛:a ضریب گسترش پرتو تشعشعی آنتن حلزونی هم زاویه تقریبا به صورت cosθ می باشد که حول z عمود بر صفحه آنتن است و لذا پهنای شعاع نیم توان آن حدود 90 درجه است.پلاریزاسیون میدان تشعشعی آن تحت زاویه وسیعی حدود 70 درجه می باشد.

این آنتن ها خود به دو بخش تقسیم می شوند:

1- آنتن های حلزونی مستقل از فرکانس

2- آنتن های متناوب لگاریتمی

ذ) آنتن های آرایه ای ARRAY ANTENNA : برای تولید یک پرتو جهت دار می توان چندین آنتن را در ردیف و آن ها را تغذیه نمود. چنین ترکیبی را آنتن ها ی آرایه ای می گویند. چندین آنتن کوچک را می توان در یک آرایه به کاربرد و پرتو یک آنتن بزرگ را بدست آورد. گر چه مشکل بزرگی و حجم آنتن از بین می رود، ولی مساله تغذیه آنتن های کوچک مطرح می گردد. برای رفع این مشکل ، فن آوری نیمه هادی ها تا حدودی کارایی دارد. از مزیت های عمده این آنتن ساخت ارزان آن بوده و همچنین اسکن یا مرور کردن یک شعاع اصلی به صورت الکترونیکی میسر می شود. این کار به این صورت انجام می شود که با تغییر فاز جریان های تغذیه در هر عنصر آرایه، می توان پرتو تشعشعی را در فضا چرخاند.

این نوع آنتن را آرایه فازی می گوئیم.از جمله کاربردهای آرایه فازی در رادار می باشد. آرایه ها ترکیبات مختلف هندسی دارند.

ابتدایی ترین آنها آرایه خطی است که در آن مراکز عناصر آرایه بر روی یک خط راست قرار دارد؛ این عناصر ممکن است به فواصل مساوی یا غیر مساوی قرار گرفته باشد. اگر مراکز عناصر آرایه در یک صفحه قرار گرفته باشند آنها را آرایه صفحه ای می گویند.آنتن آرمانی،آنتنی است که همه توانی را که از منبع تغذیه به آن می رسد، در جهات مورد نظر با پلاریزاسیون دلخواه در فضا پخش کند. آنتن های عملی به صورت آرمانی عمل نمی کنند.

2-3 ‍: پارامترهای آنتن :

برای اندازه گیری و مقایسه کیفیت عملکرد آن ها، پارامترهایی مانند پرتو افکنی، ضریب جهت دهندگی، شعاع اصلی و فرعی، پهنای شعاع، مقاومت پرتو افکنی، امپدانس ورودی، بازده پرتو افکنی، پهنای نوار فرکانس و مانند آنها را تعریف می کنیم.

نمودار پرتو افکنی آنتن ها:

نمودار پرتو افکنی آنتن ها، یکی از مهمترین پارامترهای آنتن ها به شمار می آید و بسیاری از پارامترهای مهم دیگر به آن ارتباط دارند . این نمودار چگونگی پخش توان الکترومغناطیسی را در همه نقاط ، در فاصله ثابتی(معمولادور از آنتن) نشان می دهد.

دستگاه مختصات نمایش نمودار پرتو افکنی:

امواج منتشر شده در همه آنتن ها عملی در فواصل دور از آنها، تقریبا امواج کروی هستند. این امر بدین معنا است که شدت میدان های آنتها، با توان اول فاصله کاهش می یابد و تاخیر فاز آنها با r متناسب است.

به همین دلیل دستگاه مختصات کروی مناسب ترین دستگاه مختصات برای ترسیم نمودار پرتو افکنی آنتن ها می باشد. به منظور آسانی کار، آنتن را در مرکز مختصات قرار می دهیم و هر نقطه دلخواه p در فضا را با مختصات ) , (r,برابر شکل (2.6) مشخص می کنیم.

برای مقایسه دستگاه مختصات مستطیلی(x,y,z) نیز در شکل نشان داده شده است. ملاحظه می کنید که r فاصله نقطه p از مرکز مختصات است و θزاویه بین خط OP محور z می باشد. تصویر نقطه p بر روی صفحه xy را با نقطه p΄ نشان داده ایم. زاویه ، زاویه خطOP΄ از محور x می باشد. تبدیل مختصات کروی به مستطیلی و بر عکس، در مواردی، در حل مسائل آنتن ها لازم می شود که با استفاده از اصول هندسی، به آسانی انجام پذیر خواهد بود.