پایان نامه آنتن های هوشمند

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 .

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.

مبانی آنتن

انواع و پارامتر های 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