دانلود مقاله اصول و تعاریف آنتن ها

بخشی از مقاله

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 .

شکل 1-1 (a) حلقۀ دایره ای و (b) حلقۀ مربعی . شکل 2-1 وضعیت یک حلقۀ مربعی نسبت
به محورهای مختصات .

یک حلقۀ کوچک دایره ای به شعاع a را با توزیع جریان یکنواخت هم فازی ، طبق شکلa1-1 ، در نظر می گیریم .
شعاع a در مقایسه با طول موج خیلی کوچک است ( λ >> a ) . اکنون فرض کنید که حلقۀ دایره ای با یک مربع به طول ضلع d ، و نیز جریان یکنواخت هم فاز طبق شکلb1-1 در دست باشد .
بدین طریق ، حلقه می تواند نظیر چهار دو قطبی خطی کوتاه عمل کند . d را طوری انتخاب می کنیم که سطح حلقۀ مربعی برابر سطح حلقۀ دایره ای شود . یعنی ،
(1-1)
اگر جهت حلقه مثل شکل 2-1 باشد ، میدان الکتریکی دور آن فقط دارای یک مؤلفۀ EФ خواهد بود . برای پیدا کردن پترن میدان دور در صفحه y-z ، فقط لازم است 2 قطبی از 4 دو قطبی خطی کوچک (2 و 4) را بررسی کنیم .
سطح مقطع عرضی حلقه در صفحه y-z در شکل 3-1 نشان داده شده است .

شکل 3-1 ترکیب لازم برای پیدا کردن میدان دور دو قطبیهای 2 و 4 حلقۀ مربعی .

چون دو قطبیهای کوچک منفرد 2 و 4 در صفحۀ y-z غیر جهتی هستند ، پترن میدان حلقه در این صفحه همان است که برای دو منبع نقطه ای ایزوتروپیک به دست آمد . بنابراین ،
(2-1)
(3-1)

نتیجه می شود که ،
(4-1)
ضریب i در رابطۀ (4-1) نشان می دهد که میدان کل EФ با میدانEФ0 دو قطبی منفرد در فاز تربیعی است . اکنون اگر λ >> d باشد ، رابطۀ (4-1) را می توان نوشت ،
(5-1)
در تکمیل فرمول دو قطبی ، دو قطبی در جهت z قرار گرفته بود ، در حالی که در حالت اخیر دو قطبی در جهت x قرار دارد (ر.ک به شکلهای 2-1 و 3-1 ) .
زاویۀ θ در فرمول دو قطبی از محور دو قطبی اندازه گیری می شود و در حالت اخیر مقدار آن o90 است . زاویۀ θ در فرمول (5-1) زاویۀ دیگری نسبت به دو قطبی و مشابه شکلهای (2-1) و (3-1) است . بنابراین ، برای میدان دور EΦ0 دو قطبی منفرد ، رابطۀ زیر را داریم :
(6-1)
که در این رابطه ، جریان تأخیر یافته در دو قطبی و r فاصله از دو قطبی است . از جانشینی مقدار (6-1) در رابطۀ (5-1) نتیجه می گیریم :
(7-1)
اما طول L دو قطبی کوتاه همان d است یعنی ، L=d . با توجه به آنکه مقدار و نیز مسطح A حلقه برابر d2 است ، رابطۀ (7-1) خواهد شد :
(8-1)
که این مقدار عبارت است از مقدار لحظه ای مؤلفۀ EФ میدان دور یک حلقه کوچک به سطح A . مقدار قلۀ میدان ، از قرار دادن . / به جای به دست می آید که ./ جریان قله نسبت به زمان در حلقه است .
مؤلفه دیگر میدان دور حلقه ، Hθ است که از تقسیم رابطۀ (8-1) بر امپدانس ذاتی محیط که در این حالت فضای آزاد است ، به دست می آید . بنابراین ،
(9-1)
2-1- دو قطبی مغناطیسی کوتاه . معادل یک حلقه .
روش دیگر عمل کردن حلقه کوچک استفاده از یک دو قطبی مغناطیسی کوتاه معادل آن است . بنابراین ، یک حلقۀ کوچک به سطح A ، حامل یک جریان الکتریکی I یکنواخت و هم فاز ، با یک دو قطبی مغناطیسی کوتاه معادل به طول L ، که در شکل a4-1 نشان داده شده است ، جایگزین می شود . فرض می شود دو قطبی مغناطیسی حامل یک جریان مغناطیسی غیر واقعی Im باشد .

شکل 4-1 (a) وضعیت یک حلقۀ کوچک به سطح A نسبت به یک دو قطبی مغناطیسی به طول L ، (b) دو قطبی مغناطیسی کوتاه .

رابطه بین حلقه و دو قطبی مغناطیسی معادل آن اکنون تعمیم می یابد . گشتاور دو قطبی مغناطیسی عبارت است از qmL که qm مثل شکل b4-1 قوت قطب در هر انتهاست .
جریان مغناطیسی به این قوت قطب با رابطۀ زیر بستگی دارد :
(10-1)
و اگر از رابطۀ (10-1) نسبت به زمان انتگرال بگیریم در نتیجه ،
(11-1)
گشتاور مغناطیسی حلقه عبارت است از IA . از معادل قرار دادن این مقدار به گشتاور مغناطیسی دو قطبی خواهیم داشت :
(12-1)
و از جانشینی مقدار (11-1) در رابطۀ (12-1) ،
(13-1)
این رابطه را می توان مجدداً به شکل زیر بیان کرد :
(14-1)
و یا
(15-1)
رابطۀ (15-1) به شکل تأخیر یافته عبارت است از :
(16-1)
که در آن

معادلات (15-1) و (16-1) ، یک حلقه به سطح A را (که حامل یک جریان I است) به دو قطبی مغناطیسی معادلش به طول l (حامل یک جریان مغناطیسی غیر واقعی Im) ربط می دهد .
3-1- میدانهای دور دو قطبی مغناطیسی کوتاه
در این قسمت ، میدانهای دور یک دو قطبی مغناطیسی کوتاه محاسبه می شود . سپس با استفاده از رابطۀ معادل بین یک حلقه و دو قطبی مغناطیسی که در قسمت 2-1 تکمیل شد، میدان دور یک حلقۀ دایره ای کوچک را بدست می آوریم .
روش پیدا کردن میدانهای یک دو قطبی مغناطیسی کوتاه معمولاً همان است که برای به دست آوردت میدان دور یک دو قطبی الکتریکی به کار رفت . تنها اختلاف آن است که جریان الکتریکی I با یک جریان غیر واقعی مغناطیس Im و نیز E با H جایگزین میشود . در نتیجه برای دو قطبی مغناطیسی که نظیر شکل 5-1 جهت گرفته باشد ، پتانسیل برداری تأخیر یافتۀ F جریان مغناطیسی عبارت است از :

شکل 5-1 وضعیت یک دو قطبی مغناطیسی کوتاه نسبت به دستگاه محورهای مختصات.
(17-1) ثانیه2(ولت)
متر آمپر
پتانسیل برداری F فقط یک مؤلفۀ Fz دارد . با اعمال مقدار جریان تأخیر یافته خواهیم داشت :
(18-1)
اگر l<< r و l<< λ باشد ، از اختلاف فاز سهم عناصر جریان به طول dz در طول دو قطبی مغناطیسی صرفنظر می شود . بنابراین ، تابع زیر انتگرال (18-1) را میتوان مقدار ثابتی در نظر گرفت ، و رابطۀ (18-1) خواهد شد :
(19-1)
میدان الکتریکی E به کمک رابطۀ زیر از F به دست می آید :
(20-1)
از حل مجدد Fz به مألفه های مختصات کروی یا قطبی Fθ و F1 و محاسبۀ کرل F ، نظیر رابطۀ (20-1) . مؤلفۀ FФ میدان الکتریکی به دست می آید که عبارت است از:
(21-1)
این مقدار ، تنها مؤلفۀ میدان الکتریکی است که به وسیلۀ یک دو قطبی مغناطیسی ایجاد شده که طبق شکل 5-1 قرار گرفته است . جالب توجه است که رابطۀ (21-1) با رابطۀ HФ که برای یک دو قطبی الکتریکی کوتاه تکمیل شد ، یکسان است ، به شرط آنکه E در رابطۀ (21-1) با H و m/ با / جایگزین شود .
رابطۀ (21-1) در هر فاصله ای از دو قطبی مغناطیسی به کار می رود ، فقط به شرط آنکه l<< r و l<< λ باشد . در فاصلۀ بزرگی از دو قطبی مثل r از جملۀ دوم رابطۀ (21-1) صرفنظر و این رابطه به شکل زیر تبدیل می شود :
(22-1)
این رابطه عبارت است از میدان الکتریکی دور یک دو قطبی مغناطیسی کوتاه به طول l که حامل یک جریان مغناطیسی غیر واقعی lm است . میدان مغناطیسی دور دو قطبی مغناطیسی Hθ توسط امپدانس ذاتی محیط به EФ بستگی دارد . بنابراین ، که در این حالت فضای آزاد است ،