بخشی از مقاله
چکیده
در ابتد اتعریفی از پهنای باند و پهن باند بودن آنتن ارائه می شود سپس به ایدههای طراحی آنتنهای پهن باند و روند طی شده در آنها میپردازیم. همچنین نقطه عطف این طراحیها یعنی آنتن LPDA سیمی توضیح داده و با مثال نتایج حاصل از این طراحی را بیان میکنیم در ادامه به مقایسه ای بین عملکرد آنتن های LPDA و برخی از انواع آنتها خواهیم پرداخت و بیان خواهیم کرد که ساخت این آنتن ها با سهولت نسبی همراه است. پس از معرفی مزایای آنتن های مذکور به چالش های پیشروی آنتن های LPDA خواهیم پرداخت. در پایان راهکارهایی جهت رفع مشکلات تولید انبوه پیشنهاد خواهیم داد.
-1 مقدمه
آنتن یک قطعه مخابراتی است که کار آن تبدیل سیگنالهای الکتریکی به امواج الکترومغناطیسی در حالت فرستندگی و تبدیل امواج التکرومغناطیسی به سیگنالهای الکتریکی در حالت گیرندگی است. آنتن ها ساختارهای متنوعی دارند که با توجه به کاربردی که دارند این ساختار تعیین میشود. معمولا در گیرندهها هر آنتن به ازاء یک فرکانس مشخصی، به تشدید درآمده و به ازاء آن فرکانس، ولتاژ ماکزیمم مشخصی تولید مینماید. هرگاه طول آنتن متناسب با طول موج دریافتی باشد، موج کاملا در آنتن قرار میگیرد و اصطلاحا میگویند آنتن رزنانس شده و یا به تشدید در آمده است یعنی آنتن با موج رسیده هماهنگ شده است و در این حالت ولتاژی که به آنتن رسیده، حداکثر است.[1]
البته نیازی نیستکه طول آنتن حتماً با طول موج رسیده کاملا برابر باشد، زیرا جهت رفع این مشکل سیم پیچی را به همراه یک یا دو خازن متغیر به آنتن اضافه می کنند تا حالت تشدید را در آنتن بوجود آورند. اغلب میخواهیم که پرتو تشعشعی و امپدانس ورودی یک آنتن در یک محدوده فرکانسی بسیار وسیع برای مثال در یک پهنای باند 10 به 1 یا بیشتر ثابت بماند. این نوع آنتن موسوم به آنتن مستقل از فرکانس میباشد. آنتن دو مخروطی به عنوان ظهور و پیش درآمد یک آنتن مستقل از فرکانس تلقی میشود.
می دانیم که امپدانس ورودی و پرتو تشعشعی آنتن دو مخروطی نامتناهی مستقل از فرکانس هستند. این رفتار دقیقا همانی است که مورد نظرمان است. پس خصیصه و ویژگی مشخص این آنتن چیست؟ ویژگی بارزش تاکید بر زوایا بوده و حذف کامل طولهای محدوده میباشد. در واقع، هنگامی که یک آنتن دو مخروطی نامتناهی بریده شده و یک آنتن دو مخروطی محدود تشکیل شود، بیشتر رفتار پهن باندش از بین میرود.[2]
درسالهای اخیر مفهوم تأکید بر زوایا مورد بهره برداری قرار گرفته و به ساخت یک گروه از آنتنهای پهن باند انجامیده است. همچنین مفهوم خود مکمل بودن برای پهن باند شدن مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال تغذیه پیچ خورده آنتن متناوب لگاریتمی استفاده از خاصیت خود مکملی است که این خاصیت در ادامه توضیح داده می شود. این آنتنها را میتوان به دو نوع تقسیم کرد:[2] , [3]
-1 آنتنهای حلزونی مستقل از فرکانس
-2 آنتنهای متناوب لگاریتمی اگر بخواهیم که طولهای محدود را کاملا حذف کرده و آنها را توسط زوایا جایگزین کنیم، همواره یک ساختار نامتناهی مورد نیاز میباشد. بنابراین در عمل ساختار آنتنهای مستقل از فرکانس توسط به حداقل رسانیدن - کمینه سازی - طولهای محدود و به حداکثر رساندن - بیشینه سازی - بستگی زاویهای طراحی میشود.[2]
-2 آشنایی با آنتن های پهن باند
آنتن ها در بسیاری از کاربردها باید بطور موثری در یک محدوده وسیع فرکانسها عمل کند. آنتن دارای یک پهنای باند وسیع موسوم به یک آنتن پهن باند است. واژه پهن باند که معیار و اندازه نسبی پهنای باند است، به شرایط بستگی دارد. در اینجا مفهوم پهن باند را مشخصا تعریف میکنیم. پهنای باند به دو روش محاسبه میشود. فرض کنید که fU و fL به ترتیب فرکانسهای عمل بالا و پائینی باشند که عملکرد رضایت بخشی حاصل میشود. پهنای باند آنتنهای باند باریک معمولا به صورت یک درصد توسط تعریف - 1-2 - و آنتنهای باند پهن به صورت یک نسبت توسط تعریف - 2-2 - بیان میشود.[2], [5]
به عنوان مثال آنتنهای تشدیدی دارای پهنای باند باریک هستند. برای مثال، دو قطبیهای نیم موج دارای پهنای باندهایی برابر 8 و 16 درصد هستند. فرکانسهای fU و fL در نقاط 1VSWR = 2/0 تعیین شدهاند. از سوی دیگر، آنتنهای حامل امواج رونده به جای امواج ایستا - همانند آنتنهای تشدیدی - در یک محدوده وسیعتر فرکانسها عمل میکنند. تعریف یک آنتن پهن باند تا حدودی اختیاری بوده و به آنتن خاص بستگی دارد، ولی ما یک تعریف عملی را بر میگزینیم.
اگر امپدانس و پرتو یک آنتن در محدوده یک اوکتاو یعنی 2 یا بیشتر بطور قابل ملاحظهای تغییر نکند، آن را در گروه آنتنهای پهن باند قرار میدهیم.همانطوری که در این بخش خواهیم دید، ابعاد و اشکال ساختار آنتنهای پهن باند نباید تغییرات ناگهانی داشته باشند، بلکه در این آنتنها اشکال و موادی با مرزها و حدود هموار به کار میبرند. ساختارهای فیزیکی هموار گرایش به ایجاد پرتوها و امپدانسهای ورودی دارند که با فرکانس بطور هموار تغییر میکند. این مفهوم ساده در آنتنهای پهن باند بسیار بارز و اساسی میباشد.[2] , [6]
-3 بررسی آنتنهای متناوب لگاریتمی2
بررسی عملکرد آنتنهای مارپیچی مفهوم و اصلی را آشکارکرده و نشان میدهد مبنی بر آنکه تاکید بر زوایا و ایجاد گوشههای هموار منجر به یک آنتن پهن باند میشود. اگر چه آنتنهای مارپیچی ساختارهای پیچیدهای ندارند، ولی اگر هندسههای ساده شامل لبههای دایروی یا مستقیم به کار رود، ساختمان آنتن ساده میشود. این نوع آنتنها در این بخش بررسی خواهند شد. برای آشنایی با روند تحقیق و توسعه این فکر، ابتدا آنتن پاپیونی یا آنتن دوپرهای را در نظر بگیرید. آنتن دوپرهای نوع مسطح آنتن دو مخروطی محدود است، که دارای یک پرتو تشعشعی دو جهتی بوده و تابههای اصلی پهناش عمود بر صفحه آنتن میباشد. پلاریزاسیون خطی است.
آنتن دو پرهای به عنوان یک آنتن گیرنده برای کانالهای UHF به کار میرود. یک شبکه و تورسیمی به عنوان صفحه زمین در پشت آنتن استقرار داده میشود، که گلبرگ خلفی را کاهش دهد. از آنجا که جریانها در دو سر پرهها بناگهان ختم و قطع میشوند، پهنای باند آنتن محدود خواهد بود. نشان خواهیم داد که با تغییر شکل آنتن دو پرهای ساده ، سرعت و نرخ کاهش جریان با فاصله از نقطه تغذیه بیشتر میشود. با استقرار دندانههای متناوب روی لبههای این آنتن یک آنتن متناوب لگاریتمی به دست آمده و ایجاد میشود.
ساختار هندسی یک آنتن متناوب لگاریتمی باعث میشود که مشخصات امپدانس و تشعشعاتش بطور متناوب نسبت به لگاریتم فرکانس تکرار شود. عملاً، تغییرات مشخصههایش در باند فرکانس عمل کم است. بنابراین، آنتنهای متناوب لگاریتمی معمولا به عنوان آنتنهای مستقل از فرکانس تلقی میشوند. اکثر فعالیتهای تحقیقاتی در زمینه آنتنهای مستقل از فرکانس در دانشگاه ایلینوی آمریکا در اواخر دهه 1950 و دهه 1960 انجام شد. از طریق آزمایشها و اندازهگیریهای زیادی، یک گروه از آنتن های مستقل از فرکانس ساخته شده و توسعه یافت.
چندین نوع شکل و هندسه برای ساختار آنتن ها بررسی شد. مطالعه و دقت در نوع آنتنهایی که رفتار پهن باندی را نشان دادند، خواص لازم را برای ایجاد یک پهنای باند وسیع مشخص و آشکار ساخت. ساختار آنتنهای حلزونی مستقل از فرکانس را در بخش قبل دیدیم. در این بخش روند توسعه گروه آنتنهای متناوب لگاریتمی را بیان میکنیم. چنین دگردیسی و تحولی منجر به آنتن دو قطبی متناوب لگاریتمی متشکل از صرفاً قطعه سیمهای مستقیم میشود.[2] -[4] , [6], [7]
-4 تحقیقات انجام شده تا به حال - انواع ساختارهای بکار رفته -
در این بخش به بررسی تحقیقات انجام شده بر روی آنتن LPDA مسطح میپردازیم. آنتن LPDA سیمی در کتابهای مرجع آنتن معمولا به صورت مفصل بحث می شود. ما هم در بخشهای قبلی روند تکاملی برای دست یافتن به نحوه طراحی و تحلیل این نوع آنتنها را به صورت مفصل بیان کردیم. در این بخش بیشتر بر روی نوع مسطح و مدار چاپی این نوع آنتن ها متمرکز می شویم و مقالات موجود در این زمینه را بررسی میکنیم.[2] , [6]
یکی از تکنیک های پیاده سازی این نوع آنتنها بر روی مدار چاپی استفاده از خط نواری برای تغذیه آنتن است. نحوه پیاده سازی بدین شکل است که نیمی از آنتن LPDA که با یک خط تغذیه می شود بر روی برد بالایی و نیمی دیگر که با خط دوم تغذیه میشود، در زیر برد پائین چاپ میشود. خط تغذیه مرکزی نیز بین برد بالایی و پائینی قرار می گیرد. این خط تغذیه در انتها با یکی از دو شاخه LPDA اتصال کوتاه شده و با دیگری مدار باز خواهد بود. نحوه تغذیه نیز مانند خطوط خط نواری معمولی میباشد. یعنی ولتاژ مثبت به خط تغذیه مرکزی و ولتاژ منفی به دو خط بالایی و پائینی اعمال می شود.
ساختار تغذیه آنتن به صورت یک بالن عمل می کند، بدین شکل که تغذیه کابل هممحور3 در ورودی با اتصال مغزی به خط مرکزی و شیلد به دو خط بالا و پائین انجام میشود. این اتصال موجب بوجود آمدن میدان E در بین خط مرکزی و خط بالایی و میدان E با فاز مخالف در بین خط مرکزی و خط پائینی خواهد شد. چرا که میدان E داخل کابل TEM است. این دو میدان در خط نواری حرکت کرده و در انتها یکی با مدار باز و ضریب بازتاب +1 و دیگری با اتصال کوتاه و ضریب بازتاب - 1 مواجه می شود. موج برگشتی دو میدان هم فاز یکی در بین خط مرکزی و خط بالایی و دیگری بین خط مرکزی و خط پائینی است، که موجب تغذیه بالانس ساختار آنتن خواهد شد. این ساختار با 12 المان برای پهنای باندهای 1 تا 2 گیگاهرتز و 2 تا 4 گیگاهرتز با استفاده از روش طراحی سیمی و مقیاس بندی آن با r موثر خطوط موازی خط نواری یعنی pseff انجام شده است.[2] , [4] , [7]
پچهای ریز نوار پهنای باند اندکی داشته و تکنیک های مختلفی برای افزایش پهنای باند آنها استفاده میشود. یکی از این روش ها استفاده از حالت متناوب لگاریتمی برای تغذیه تعدادی پچ است.[2] , [6] , [7] یکی از ساختارهای متداول و ساده از لحاظ ساخت برای آنتن LPDA چاپ دو قطبیها - دپیل ها - در زیر و روی برد است. دو قطبیها در این حالت توسط خطوط زیر و روی برد تغذیه میشوند. شاخه های هر دو قطبی یکی در روی برد و دیگری در زیر برد چاپ میشود و تغذیه به صورت ضربدری به دو قطبی ها اعمال می شود. این همان ساختار تغذیه LPDA سیمی می باشد. برای تغذیه و اتصال کابل هممحور به آنتن از حالت تفاضلی - دیفرانسیلی - استفاده می شود.
بدین صورت که شیلد کابل به خط پائینی و مغزی کابل با سوراخ کردن برد به خط تغذیه بالایی متصل می شود و اتصالدهنده SMA عمود بر سطح برد قرار می گیرد.[2] , [6] , [8] کاهش ابعاد آنتن با هدف سبک کردن و قابل مجتمع سازی بودن آن با دیگر مدارات انجام می شود. کاهش ابعاد نباید تاثیر مخربی بر روی مشخصات آنتن از قبیل پرتو و پهنای باند فرکانسی داشته باشد. روشی که در تحقیق مذکور استفاده شده است از طریق بارگذاری شاخه های - بازوهای - آنتن توسط پچ انجام می پذیرد. شاخه های آنتن در فرکانس های پهنای باند طولی برابر 0.25 دارند و با این طول رزونانس می کنند. حال اگر با بارگذاری شاخه توسط یک پچ طول شاخه کاهش داده شود و رزونانس فرکانسی حفظ شود، می توان ابعاد جانبی آنتن را کاهش داد. این کار بخصوص در فرکانس های پائین بسیار کاربرد دارد چرا که ابعاد آنتن در این فرکانس ها بزرگتر خواهد شد.[2] , [8] , [9]
یکی از روشهای کاهش ابعاد آنتن چین دادن شاخه های آن است. این کار با انجام چین برای یک شاخه و مشاهده عملکرد آن و مقایسه با نوع معمول انجام می شود. در صورتی که مشخصات امپدانس ورودی و پهنای باند برای یک شاخه چین خورده با یک شاخه معمولی تفاوتی نداشت. از آن به جای شاخه معمولی استفاده می شود. تغییرات مختلف طول و زاویه چین خوردن حالتی را که طول کلی شاخه چین خورده از حالت معمول بیشتر و طول جانبی آن کمتر است را، بدست خواهد داد.
