مقاله در مورد آنتن و شبکه های بی سیم

بخشی از مقاله

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 .
والسلام علي من اتبع الهدي؛ گردآورندگان. مهر 85

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 تع

داد 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 (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 (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) ني

ز 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 (1895-1905) نيز اهميت كشف امواج راديويي را توسط هرتز تشخيص داد و يك سال بعد، قبل از ماركوني 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 ه

رتز ) 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 س

تاري 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 و استعداد 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 بوده اند. 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 د

ر 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 » ، 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 دو

م 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 : 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 : 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) : 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 وسي

عي 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 جريان هاي 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 اينج

ا 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 گ

سترش 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 فرکانس ها 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

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.

اين نمودارها تنها يک متغير هستند که در دستگاه مختصات قطبي و يا مستطيلي به آساني ترسيم پذير مي باشند در شکل( 2.8 ) نمودارپرتو افکني افقي ميدان الکتريکي يک آنتن نشان داده شده است.

شکل 2.8: نمودار پرتو افکني ميدان الکتريکي يک آنتن.
الف) مختصات قطبي ب) مختصات مستطيلي
در اين شکل مي بينید که حداکثر ميدان در زاويه اتفاق مي افتد. از آنجا که معمولا مقادير نسبي ميدان در نمودار پرتو افکني هستند، همه مقادير ميدان را نسبت به مقدار حداکثر، هنجار می کنيم. به این ترتيب، نمودار پرتو افکني هنجار شده و يا نسبتي به دست مي آيد که حداکثر آن برابر واحد است. بزرگترين شعاع نمودار شعاع اصلي ناميده مي شود. با افزايش زاويه مقدار شعاع اصلي کم مي شود تا به صفر مي رسد، دوباره مقدار نسبي ميدان رو به افزايش مي گذارد تا به ماکزيمم جديدي رسيده و سپس صفر مي شود. اين شعاع را شعاع پهلويي مي نامند. به همين ترتيب ماکزيمم هاي ديگري موجود است و شعاع هاي ديگري وجود دارند که شعاع هاي فرعي آنتن ناميده مي شوند. در اين نمودار يک شعاع اصلي دو شعاع پهلويي و سه شعاع فرعي ديگر ديده مي شوند. با مقايسه نمودار ها در مختصات قطبي و مستطيلي ديده مي شود که مختصات

قطبي، وضعيت کلي شعاع هاي مختلف را با روشني بيشتري نشان مي دهد و در مختصات مستطيلي جزئيات نمودار با دقت بيشتري ديده مي شود.
نمودار پرتو افکني درفضاي آزاد و در مجاورت زمين :
نمودار پرتو افکني معمولا براي آنتن در فضاي آزاد داده مي شوند و فرض بر اين است که استفاده کننده از آنتن، اثر بازتاب زمين و غيره را بسته به شرايط نصب آنتن به شمار می آورد و نمودار پرتو افکني اين اثر را در نظر دارد. در برخي کاربردها مانند آنتن کشتي و يا هواپيما، نمودارهاي پرتو افکني با توجه به انعکاس ها از سطوح فلزي موجود مانند عرشه کشتي و يا بال هاي هواپيما و مانند آنها تعيين مي شود. بهر حال لازم است در هر نمودار پرتو افکني شرايط موجود در اندازه گيري و يا محاسبه آن به روشني قيد شود.
نمودار پرتو افکني آنتن فرستنده و گيرنده:
نمودار پرتو افکني آنتن فرستنده، شيوه توزيع ميدان ويا چگالي توان منتشرشده ازآنتن را در فاصله معيني
در جهات مختلف نشان مي دهد.به همين ترتيب نمودار پرتوافکني آنتن گيرنده با شدت ميدان الکتريکي ويا توان دريافتي آنتن از موجي با شدت ميدان و يا توان واحدي برابرمي باشد،که از جهت معيني به سوي آنتن مي تابد.
.
شکل2.9: ترتيب آنتن ها در تعيين نمودار پرتو افکني
براي اندازه گيري نمودار پرتو افکني آنتن مورد آزمايش در حالت فرستنده آنتن را با منبع تغذيه اي با ولتاژ v تحريک مي کنيم و جريان آنتن کوچک تر تعيين کننده مقدار ميدان الکتريکي موج آنتن در آن نقطه است، اندازه گيري مي کنيم. اکنون اگر محل منبع ولتاژ v آمپرترA را تعويض کنيم، نمودار پرتو افکني آنتن مورد آزمايش را به صورت گيرنده اندازه گيري مي کنيم. مقادير نسبت g/v متناسب با مقدار ميدان ايجاد شده در هر نقطه اندازه گيري در دو حالت مختلف است ،که آنتن مورد آزمايش به صورت فرستنده و گيرنده عمل مي کند.
جهت دهندگي آنتن ها:
براي بدست آوردن نمودار پر تو افکني آنتن، شدت ميدان و يا چگالي ميانگين زماني، توان را بر روي سطح کره بزرگي به مرکز آنتن اندازه گيري مي کنيم. اکنون فرض کنيد که اين اندازه گيري در همه نقاط بر روي سطح کروي مقدار ثابتي را بدست دهد. چنين آنتني را آنتن داراي پخش يکسان و يا فاقد جهت دهندگي می ناميم. ساخت چنين آنتني در عمل خالی از اشکال نیست واز اهمیت چندانی هم برخوردار نمی باشد. در بيشتر کاربردها، آنتن هايي که توان را در جهت معين و مورد نظر پخش کنند، يعني داراي جهت دهندگي باشند،مطلوب هستند. براي مثال، در مورد رادار که پيدا کردن دقيق موقعيت هدفي مورد نظر است، از آنتني با شعاع باريک استفاده مي شود. در مورد يک فرستنده راديويي که در مرکز شهر قرار دارد، آنتني مورد استفاده قرار مي دهيم که در صفحه افقي، پرتو زياد و تقریبا يکنواختي داشته باشد، اما در جهت عمود بر صفحه افق پرتو آن اندک باشد. به طو رخلاصه آنتن جهت دهنده، آنتني است که در برخي جهات بيشتر از جهات ديگر توان منتشر مي کند.
پهناي شعاع و پهناي شعاع نيم توان:
نمودار پرتو افکني آنتن هایي که نسبت طول موج کوچک هستند، غالبا تنها داراي يک شعاع اصلي است که زاويه و يا پهناي گسترده اي را در بر مي گيرد. اما آنتن هاي بزرگ، نسبت به طول موج، غالبا داراي يک شعاع اصلي با پهناي کوچک هستند که توان پرتو افکني در آن محدوده زياد است و زاويه با پهناي کوچکي دارد. همچنين اين آنتن ها داراي تعدادي شعاع هاي فرعي هستند که از نظر توان پرتوافکني در آن نواحي، کوچک هستند. نمودار پرتوافکني هنجار شده آنتني عملي ،در صفحه اي ويژه، در شکل نشان داده شده است. باريکي و يا پهناي شعاع اصلي از ويژگي هاي مهم هر آنتن به شمار مي آيد، که آن را به طور کمي با مشخصه (پهناي شعاع)،مشخص می کنیم. برای پهنای شعاع معمولترین تعریف، پهناي شعاع نیم توان است. در اين تعريف، زاويه بين دو نقطه شعاع را که شدت تواني برابر نصف شدت حد اکثر توان دارند، معين مي کنيم و آن را پهناي شعاع نيم توان مي ناميم. نظر به اينکه توان آنتن در دو انتهاي اين دو نقطه، 3 دسي بل از حداکثر توان آنتن کمتر است، پهناي شعاع نيم توان را پهناي شعاع 3 دسي بل هم مي نامند.

در برخي موارد، زاويه بين دو نقطه با توان توان ماکزيمم را که ،10 دسي بل از توان ماکزيمم پايين تر است، به عنوان تعريف پهنای شعاع بکار مي برند، که پهناي شعاع 10 دسي بل ناميده مي شود.

شكل 2.10: نمودار پرتو افكني يك آنتن عملي.
شعاع نيم توان، در کاربرد هايي مانند فرستنده-گيرنده، جهت يابي و رادار بسیار معمول است. شعاع 10 دسي بل در کاربردهايي مانند محاسبات به اشتباه انداختن رادار و جلو گيري از آن بکار گرفته مي شود. پهناي صفر تا صفر که به ندرت مورد استفاده قرار مي گيرد از چند نظر داراي اشکالاتي است. يکي اينکه برخي از نمودارهاي پرتو افکني، اصولا صفر ندارند. ديگر اينکه تعيين نقاط کور از راه اندازه گيري کاري دشوار است و سرانجام، صفر تا صفر سرعت کاهش توان با زاويه را نشان نمي دهد و مشخص نمي کند که شعاع در چه زوايايي داراي توان کافي براي عملکرد رضايت بخش است.
شعاع هاي فرعي آنتن ها:
نمودار پرتو افکني افزون بر شعاع اصلي داراي تعدادي شعاع فرعي است. دو شعاع فرعي در دو سوي شعاع اصلي را که از ديگر شعاع هاي فرعي آنتن بزرگتر هستند، شعاع هاي ( پهلوي شعاع اصلي) مي نامند. شعاع فرعي که در مقابل شعاع اصلي واقع مي شود شعاع عقبي ناميده مي شود. شعاع هاي فرعي در آنتن های فرستنده، سبب به هدر رفتن توان پرتو افکني در جهات غير لازم مي شود و در آنتن هاي گيرنده، موجب دريافت نشانه ها و نویز از جهات نا خواسته مي شود. براي مثال، در آنتن رادار، هدف های بزرگ و يا نزديك ناخواسته كه در جهت شعاع هاي فرعي قرار مي گيرند، ممكن است بر روي صفحه رادار ظاهر شوند و رادار را به اشتباه بيندازند. همچنين انعكاس شعاع هاي فرعي از زمين كار تشخيص هدف هاي كوچك در فاصله دور را دچ

ار مشكلاتي مي كند.
مقاومت پرتو افكني آنتن:
در مدارهايي كه آنتن را تغذيه مي كنند، معمولا براي آنتن مدار معادلي را در نظر مي گيريم. در اين مدار معادل، توان پرتو افكني را به صورت توان مصرفي در يك مقاومت فرض مي كنيم. اندازه اين مقاومت كه مقاومت پر تو افكني ناميده مي شود، به گونه اي برگزيده مي شود كه جريان آنتن در عبور از آن ‏ تواني برابر كل توان پرتو افكني آنتن را جذب كند. بنابراين:

كل توان پرتو افكني آنتن، جريان موثر و ماكزيمم زماني جريان ورودي آنتن است.توجه كنيد كه جريان موثر،و ماكزيمم زماني جريان، در طول آنتن متغير است و به اين دليل برابر قرارداد براي جريان مقدار ورودي در نظر گرفته مي شود. در برخي موارد نيز حداكثر جريان در طول آنتن را براي محاسبه مقاومت پرتوافكني بكار مي گيرند.در اين صورت جريان بكار گرفته شده بايد به طور دقيق مشخص شود. مقاومت پرتو افكني آنتن هاي عملي بین كمتر از يك اهم تا چند اهم متغير است مقادير كوچكتر مربوط به آنتن هاي فركانس هاي بسيار پايين است.
امپدانس ورودي آنتن :
مدار معادل شكل (2.11) براي آنتن هايي با طول معيني است كه در حال تشديد باشند. براي طول هاي ديگر بايد امپدانس ورودي را در نظر گرفت كه بخش حقيقي آن، همان مقاومت هاي نشان داده شده در شكل (2.11) است؛ و بخش موهومي آن، بسته به طول آنتن راكتانس خازني و يا القايي است. براي آنتن هاي خطي كوتاه تر از نصف طول موج، راكتانس خازني و براي طول هاي بزرگتر از نصف طول موج، راكتانس القايي است. اگر راكتانس ورودي آنتن بزرگ باشد براي برقرار كردن جرياني معين، بايد ولتاژ منبع تغذيه را بالا برد. دانستن امپدانس ورودي آنتن از نظر تغذيه و تطبيق آنتن با خط تغذيه داراي اهميت بسياري است.

شكل2.11: مدار معادل آنتن از نظر پرتو و تلفات
سطح موثر يا سطح گيرنده آنتن ها:
با اينكه هم در آنتن فرستنده و هم در آنتن گيرنده، تابع جهت دهندگي، چگونگي پرتو افكني و دريافت امواج را معين مي كند، گاهي براي تعيين توان آنتن گيرنده، از سطح موثر و يا سطح گيرنده آنتن استفاده مي شود. براي تعريف سطح موثر فرض كنيد فرستنده اي كه در فاصله دوري قرار گرفته است توان پرتو افكني P وات بر متر مربع، درمحل يك آنتن گيرنده ايجاد كند و كل توان دريافتي آنتن گيرنده در حالت پلاريزاسيون مناسب و تطابق كامل آن با بار،w وات باشد. در اين صورت، سطح موثر آنتن گيرنده به صورت رابطه زير تعريف مي شود: همانگونه كه انتظار مي رود سطح موثر با سطح فيزيكي آنتن ارتباط دارد، اما الزاما با آن برابر نيست. در آنتن هايي كه ضريب جهت دهندگي بزرگ دارند، سطح موثر در حدود سطح فيزيكي است. در آنتن هايي كه ضريب جهت دهندگي

بسيار كوچك دارند، سطح موثر از سطح فيزيكي بسيار بزرگتر است. اين نكته بدين معناست كه اين آنتن ها مي توانند توان پرتو تابيده شده بر روي سطحي بزرگتر از سطح فيزيكي خود را جذب كنند. براي روشن كردن اين مطلب آنتن گيرنده اي كه برابر شكل (2.12الف) به باري متصل است در نظر بگيريد. مدار معادل تونن اين آنتن نيز در شكل(2.12ب)نشان داده شده است.

شكل2.12: آنتن متصل به بار و مدار معادل تونن آن؛ الف: آنتن ب: مدار معادل
V مقدار موثر ولتاژ در آنتن است. امپدانس آنتن در حالت مدار بار ( امپدانس معادل تونن)و امپدانس بار در محل اتصال به آنتن است.