دانلود مقاله پروژه طراحي و ساخت اتاق آنتن

بخشی از مقاله

-مقدمه
گزارش حاضر شرح فعاليتهاي انجام شده در پروژه است كه تحت عنوان «طراحي و ساخت اتاق آنتن» انجام گرفته است.

در اين گزارش ابتدا به شرح تئوري ناحيه سكوت اتاق آنتن مي پردازيم، سپس به روشهاي مختلف اندازه گيري و محاسبه ناحيه سكوت اشاره مي كنيم و بعد از آن نتايج آزمايشات انجام شده را ارائه مي كنيم و مرغوبيت اتاق را مورد بررسي قرار مي دهيم و در پايان به شرح جزئيات ساخت پايه متحرك مي پردازيم.

براي عمل پرتوبرداري آنتنها و بطور كلي انجام هر گونه آزمايش بر روي آنتنها لازم است تا آنتن تحت آزمايش بوسيله يك موج صفحه اي يكنواخت تحت تابش قرار گيرد تا نتايج بدست آمده دقيق و قابل اطمينان باشند. اما انجام هر گونه آ‌زمايش بر روي آنتنها در فضاي باز بعلت انعكاسات از ديوارها و زمين غير قابل اطمينان خواهد بود. براي حذف انعكاسات و بوجود آوردن شرائطي مشابه فضاي آزاد براي انتشار امواج از اتاقهاي بدون انعكاس (Anechoic Chambers) استفاده مي‌كنند.

يك اتاق بدون انعكاس با كمك جاذبهاي الكترومغناطيسي يا ابرهاي آغشته به گرافيت ساخته مي‌شود و طراحي اتاق از نظر اندازه و محل استقرار ابرها به گونه اي مي باشد كه در حالت ايده آل انعكاسات را حذف نمايد، ولي در عمل انعكاسات بكلي از بين نرفته، بلكه توان امواج غير مستقيم پس از انعكاس كاهش مي يابند، به طوريكه مثلاً امواجي به سمت ديواره هاي اتاق حركت مي كنند پس از برخورد با جاذبهاي الكترومغناطيس در حدود 40 dB افت پيدا مي كنند. البته

عملكرد جاذبهاي الكترومغناطيس و به تبع آن عملكرد اتاق آنتن بدون انعكاس تابعي از فركانس مي باشند، بطوريكه با افزايش فركانس عملكرد اتاق آنتن بهبود مي يابد، كه اين مسئله در نتيجه دو عامل است. يكي همان بهبود كيفيت جاذبها با افزايش فركانس مي باشد و ديگري افزايش ابعاد اتاق به نسبت طول موج با افزايش فركانس كار است. بنابراين دلائل هميشه بهتر است كه يك اتاق آنتن جديد را در فركانسهاي پايينتر باند فركانس مايكروويو تحت آزمايش قرار داد و مطمئن بود كه كيفيت عملكرد اتاق در فركانسهاي بالاتر مطمئناً بهتر خواهد بود.

اما در بالا صحبت از نحوه عملكرد و كيفيت اتاق آنتن شد. در برخورد اول به نظر مي رسد كه كيفيت اتاق مستقيماً به ميزان انعكاسات اتاق بستگي دارد و در واقع منظور از كيفيت اتاق آن است كه اتاق بدون انعكاس تا چه حد در كاهش انعكاسات موفق عمل مي كند. اكنون براي پايه گذاري دقيقتر براي اندازه گيريها و آزمايشات آينده به تعريف دقيق از كيفيت اتاق مي پردازيم و مفهوم ناحيه سكوت (Quiet Zone) اتاق آنتن بدون انعكاس را تعريف مي كنيم.

2- تعريف “Quiet Zone” و “Quietness” اتاق آنتن
براي اندازه گيري پترن تشعشعي آنتن در درون اتاق بدون انعكاس، انتشار انرژي بايد به طور يكطرفه باشد. براي آزمايش آنتن لازم است كه يك آنتن فرستنده كه در يك اتاق قرار دارد يك موج صفحه اي در حجمي از اتاق كه در طرف ديگر قرار دارد ايجاد نمايد و اين حجم از فضا بايد داراي چنان ابعادي باشد كه آنتن گيرنده مورد آزمايش را بتواند در برگيرد. به چنين حجمي از فضاي داخل يك اتاق آنتن ، “ناحيه سكوت” يا “Quiet Zone" اتاق آنتن مي گويند.

طبيعي است كه هر گونه آزمايشي كه بخواهد روي آنتن انجام گيرد بايد هنگاميكه آنتن داخل ناحيه سكوت قرار دارد انجام شود تا موجي كه به آنتن گيرنده تحت آزمايش مي رسد، صفحه اي و يكنواخت باشد و در نتيجه نتايج پرتوبرداري آنتن دقيق بدست آيد. بنابراين اهميت محاسبه و بدست آوردن ناحيه سكوت هر اتاق آنتن قبل از انجام هر آزمايش معلوم است.
در اين كارآموزي نيز هدف همچنان كه قبلاً اشاره شد بدست آوردن ناحيه سكوت اتاق آنتن است تا در واقع ناحيه قابل استفاده اتاق براي انجام هر گونه آزمايشي بر روي آنتن مشخص گردد.
و اما كيفيت اتاق بدون انعكاس را به پارامتري از اتاق به نام “ميزان سكوت” يا “QuietNess” نسبت مي دهند و تعريف آن عبارتست از : ميانگين نسبت چگالي توان انعكاس يافته به چگالي تواني كه مستقيماً از فرستنده به آنتن گيرنده رسيده است. در ناحيه اي كه انتشار انرژي بين آنتنهاي فرستنده و گيرنده با ديركتيويته معلوم يك طرفه باشد. مسلماً هر چه اين نسبت توان انعكاس يافته به توان دريافتي مستقيم كمتر باشد، “Quietness” اتاق بيشتر و يا به عبارت ديگر اتاق ساكت تر است و در نتيجه اتاق داراي عملكرد بهتري است.

اكنون مي خواهيم كيفيت اتاق و يا همان “Quietness” آنرا بطريق ديگري تشريح كنيم كه كمي شهودي تر باشد.
در اثر انعكاس موج ارسالي از آنتن فرستنده توسط ديواره هاي اتاق و در نتيجه تداخل اين انعكاسات با موج اصلي كه بطور مستقيم از آنتن فرستنده به گيرنده مي رسد، موج در محل آنتن گيرنده از نظر شدت ميدان الكتريكي بصورت زير خواهد بود:

شكل 1- نماي كلي آنتن فرستنده و گيرنده
جبهه غير يكنواخت موج كه بدين شكل تشكيل مي گردد، باعث مي شود كه نتايج غير دقيقي براي آزمايشهاي آنتن بدست آيد. هر چه مقدار بيشينه انحرافات از حالت يكنواخت بيشتر باشد ، نتايج غير قابل اطمينان خواهد بود. مقدار ماكزيمم نوسانات در اندازه ميدان كل روي جبهه موج بطور

معكوس با كيفيت اتاق متناسب است، بدين صورت كه هر چه انحرافات از حالت موج يكنواخت بيشتر باشد، موج انعكاسي از ديواره بيشتر بوده و در نتيجه “Quietness” اتاق كمتر خواهد بود و كيفيت عملكرد اتاق پايينتر است.
اگر اين ماكزيمم نوسانات در اندازه كل ميدان از يك حدي بيشتر نباشد با تقريب خوبي مي توان گفت كه اتاق بدون انعكاس است و در نتيجه نتايج حاصل از آزمايشها قابل اطمينان مي باشند.

3- اندازه گيري مقدار انعكاس در ناحيه سكوت
تقريباً در اكثر آزمايشاتي كه براي اندازه گيري پترن تشعشعي صورت مي گيرند، از آنتن تحت آزمايش به عنوان آنتن گيرنده استفاده مي شود و آنرا در ميدان ناشي از يك آنتن فرستنده كه در ناحيه دور قرار گرفته قرار مي دهند. در حالت ايده آل ميدان روشن كننده آنتن گيرنده يا به عبارت ديگر “illuminating field” يك موج صفحه اي مي‌باشد و اندازه گيريهاي پترن كه انجام مي شوند در واقع اندازه گيري آشفتگيهاي ناشي در اين موج صفحه اي ناشي از انعكاسات ناخواسته انرژي مي باشند.

از نظر تئوريك اين امكان قطعاً وجود دارد كه ميدان الكتريكي در ناحيه اي كه آنتن تست بايد در آن قرار گيرد ، اندازه گيري شود و تغييرات دامنه و فاز از ميدان الكتريكي كلي بدست آيند. در اينجا واژه “كل” به معني جمع برداري تمامي مؤلفه هاي ميدان الكتريكي در هر نقطه از فضا مي باشند ، كه شامل مؤلفه موج مستقيم و مؤلفه هاي ناشي از انعكاس و ديفركشن كه بسيار جزئي هستند.

اندازه مجموع برداري مؤلفه هاي انعكاسي و ديفركشن در يك نقطه كه به صورت كسري از اندازه مؤلفه موج مستقيم بيان شود، در واقع همان مقداري است كه بايد اندازه گيري شود. ولي اندازه گيري دقيق اين كميت احتياج به يك پروب همه جهته واقعي دارد. (Omni Directional Probe) ؛ ولي در عمل مي توان از آنتنهايي استفاده كرد كه پترن تشعشعي آنها جهت دار هستند. اثرات جهت دار بودن اين آنتنها در تعبير نتايج آزمايشها بايد در نظر گرفته شوند تا نتايج آزمايش معني دار باشند.

از آنجائيكه تمركز ما بر روي مؤلفه هاي مستقيم و انعكاسي ميدان الكتريكي است كه در يك فركانس ثابت فقط داراي تغييرات فضائي هستند ؛ اندازه مؤلفه منعكسه كلي را مي توان از اندازه مؤلفه مستقيم با مشاهده تغييرات پيك تو پيك پترن تداخلي دو مؤلفه، وقتي كه آنتن پروب ناحيه سكوت را جاروب مي كند، از هم تمييز داد. براي اين منظور تنها لازم است دامنه سيگنال دريافتي كل توسط پروب اندازه گيري شود، و از بعد عملي نيز حركت آنتن پروب روي دو يا سه خط مستقيم ، متعامد كافي مي باشد.

با فرض اينكه اندازه ميدان انعكاس دريافت شده 50db پايينتر از اندازه ميدان مستقيم دريافتي باشد، انحراف ماكزيمم اندازه ميدان كل بين وقتي كه مؤلفه هاي مستقيم و انعكاسي جع مي شوند (هم فاز) و وقتيكه از هم كم مي شوند (غير هم فاز) برابر خواهد شد با :

آشكار كردن و خواندن چنين تغيير كوچكي فقط با دستگاههاي دقيق و بسيار پيچيده قابل انجام است. از اينرو در اكثر روشهاي اندازه گيري اتاق آنتن، در مورد رزولوشن مورد نياز براي اندازه گيري تخفيف قائل مي شوند. اين كار را مي توان با روشهاي مختلف آشكارسازي “off-peak” انجام داد. در آشكارسازي “off-peak” اثرات بر هم زنندگي ناشي از انرژي انعكاسي در روي بخشهائي از پترن

آنتن كه سطح پايينتري دارند، مورد مشاهده قرار مي گيرند. براي مثال اگر سطح انرژي تداخلي 50 dB پايينتر از سطح شعاع مستقيم دريافت شده توسط پيك پاسخ آنتن پروب باشد و اگر لوب اصلي آنتن پروب طوري جهت گيري شده باشد كه شعاع مستقيم پاسخي برابر 20 dB پايينتر از مقدار پيك را نتيجه دهد، تغييرات بيشينه اندازه سيگنال كلي دريافتي در روي خط آشكارسازي برابر با 0.550 dB خواهد بود و اين مقدار با ابزارهاي ثبت پترن تشعشعي كاملاً قابل مشاهده و ثبت مي

باشد.
و اما روشهاي مختلف اندازه گيري ناحيه سكوت اتاق آنتن عبارتند از:
الف) روش مقايسه پترن آنتن [ANTENNA PATTERN COMPARISON METHOD]
ب) روش VSWR
ج) روش پروب كردن ميدان [Field Probe Method]
د) روش FM-CW
در ادامه اين گزارش به جزئيات اندازه گيري توسط دو روش از روشهاي فوق يعني روش مقايسه پترن آنتن و روش پروب ميدان مي پردازيم و سپس نتايج حاصله از اندازه گيري توسط اين دو روش را بيان مي نمائيم.

3-1- تكنيك مقايسه پترن آنتن (APC)
تكنيك مقايسه پترن كه در اينجا به توضيح آن مي پردازيم، در بين تكنيكهاي اندازه گيري “off – peak" از همه قابل قبول تر و داراي قابليت تغيير بيشتري است. در اين روش دسته پترنهايي براي آنتن بدست مي آيند. ثبت پترنهاي مختلف داراي اين مزيت ويژه مي باشد كه به كاربر اتاق آنتن با نشان دادن تغييرات جزئي در پترن كه مي توانند ناشي از انعكاسهاي واقعاً جزئي باشند، يك درك شهودي از كيفيت اتاق مورد استفاده مي دهد.

جزئيات اين تكنيك بصورت زير مي باشند. اتاق توسط آنتن فرستنده كه در جاي طراحي شده خود واقع شده است، تحت تابش موج قرار مي گيرد. معمولاً طراحي اتاق ايجاب مي كند كه اين آنتن فرستنده تقريباً بر روي محور اصلي اتاق در نزديكي يكي از ديوارها قرار گيرد. براي محاسبه و اندازه گيري، آنتن گيرنده بر روي يك چرخنده azimuth/ elevation در درون ناحيه سكوت طراحي شده، در يك صفحه قائم و در يك فاصله مشخص از فرستنده قرار داده مي شود.

شكل شماره2 - منحني پترن تست شده آنتن مرجع
قدم بعدي آن است كه مجموعه هايي از پترن آنتن، در طول شعاعهاي مختلف ناحيه سكوت و بر روي نقاط آ‌زمايش مجاور هم ثبت مي گردند. يك پترن از هر مجموعه ، و معمولاً آن پترن كه در اثر قرار گرفتن آنتن گيرنده روي محور اتاق بدست آمده است،

بعنوان پترن مرجع انتخاب مي گردد. باقي پترنهاي ثبت شده آن مجموعه، روي پترن مرجع گذاشته مي شوند، بطوريكه پيكهاي لوب اصلي هر كدام از اين پترنها روي هم قرار گيرد (رجوع شود به شكل شماره 2) و سپس انحراف هر كدام از پترنهاي مجموعه از پترن مرجع در سطوح –10 dB، -15 dB ، -20 dB، -25 dB ، -30 dB نسبت به مرجع ثبت مي شوند، و سپس انحراف سطح توان از سطح توان مرجع نسبت به فاصله بين نقطه تست و محور اتاق رسم مي گردند (رجوع شود به شكل

شماره 3) و تغييرات پريوديك انحراف با فاصله از محور اتاق كه بدين صورت بدست مي آيند، نشان دهنده تداخلهاي سازنده و مخرب بين بردار الكتريكي اشعه مستقيم ناشي از آنتن فرستنده و بردار الكتريكي كل ناشي از انعكاسات انرژي كه آنتن گيرنده به آنها حساس است، مي باشند.

شكل شماره 3- منحني انحراف سطح توان
اگر براي مثال متوجه شويم كه در زاويه متناظر با سطح توان –25dB در يك طرف پترن تشعشعي، مقدار پيك تو پيك اندازه يك نصف سيكل از منحني انحراف برابر 1.1 dB است، بلافاصله مشخص مي شود كه سطح انرژي انعكاسي يافته در ناحيه اي از نقاط آزمايش متناظر با آن سيكل برابر با –49 dB مي باشد.

در گرافهاي شكل صفحه بعد بر روي محور قائم ، كميت نمايش داده شده است كه نشان دهنده تغييرات پيك تو پيك اندازه ميدان الكتريكي كل در نتيجه تداخل بين بردار ميدان الكتريكي شعاع مستقيم x و بردار ميدان الكتريكي انعكاسي y روي محدوده دسيبلي x, y مي باشد.