پایان نامه مبدل های آنالوگ به دیجیتال و شبیه سازی آن با نرم افزار مطلب

آنتن ها

1-1-  آشنایی با آنتن ها

برای تزویج خروجی یک فرستنده و یا ورودی یک گیرنده به فضا نوعی سیستم واسطه ضروری است. ساختمان این سیستم باید طوری باشد که توانایی تشعشع امواج الکترومغناطیسی و یا دریافت آنها را داشته باشد. آنتن چنین سیستمی است و این سیستم برای تبدیل جریان فرکانس زیاد به امواج الکترومغناطیسی و یا بالعکس به کار برده می شود. معمولاً آنتن از یک جسم فلزی ، اغلب به صورت سیم یا مجموعه ای از سیم ها درست شده است.

مکانیسم های واقعی تشعشع را می توان توسط معادلات ماکسول به طور کمی تشریح نمود. مطالعه رفتار یک جریان RFدر یک سیم نشان می دهد که تمام انرژی اعمال شده به یک سر سیم به انتهای آن نرسیده و قسمتی از آن فرار می کند یعنی تشعشع حاصل می شود. هم چنین می توان رابطه ریاضی برای این انرژی فراری بدست آورد، که در نتیجه نه فقط میزان انرژی بلکه جهات یا جهات تشعشع آن مشخص می شود. چون این روش محاسبه تشعشع کمی پیچیده است، در این قسمت تشعشع را از جنبه نظر کیفی بر پایه رفتار امواج ساکن و متحرک در یک خط انتقال مورد بررسی قرار می دهیم.

1-2- چگونگی تشعشع:

خط انتقال مدار باز شکل(1-1) را در نظر بگیرید مشاهده می شود امواج رفت و برگشت با یکدیگر ترکیب شده و موج ساکن در حالی که شکم ولتاژ در نقطه مدار باز است، عرضه می گردد. در اینجا تمام انرژی از محل مدار باز به خط انتقال منعکس نمی گردد بلکه قسمت کمی از انرژی الکترومغناطیسی از سیستم فرار نموده و بنابراین تشعشع حاصل می شود تشعشع به خاطر این است که در خطوط نیرویی که به طرف مدار باز در حرکت هستند به صورت معکوس شدن فاز، وقتی که به مدار باز می رسند رخ می دهد. به دو علت قسمتی از موج که از سیستم فرار می کند نسبت به باقی مانده موج، خیلی کوچک است اول، اگر محیط اطراف را به عنوان بار خط انتقال به حساب آوریم، دیده می شود که عدم تطبیق به وقوع می پیوندند. در نتیجه مقدار کمی از توان در بار تلف می شود. واضح است تشعشع از یک انتها، تشعشع از انتهای دیگر را حذف می کند علت این است که آنها دارای پلاریته متفاوتی بوده و در فاصله ای خیلی کوچکتر از طول موج واقع شده اند. عکس مطالب فوق هم صادق است، یعنی خطوط انتقال دو سیمه در فرکانس پایین تشعشع نمی کنند. برای حل مسئله فوق به نظر می رسد که قسمت مدار باز را وسیع سازیم.

1-3-تشعشع کننده های سیمی در فضا:

تشعشع کننده های سیمی ساده ترین نوع تشعشع کننده ها بوده و ممکن است به صورت تعداد زیادی دوقطبی که در انتهای یکدیگر متصل شده اند در نظر گرفته شوند در نتیجه خواص آن شبیه به دوقطبی خواهد بود.

1-4-توزیع  کننده های ولتاژ و جریان:

مانند یک خط انتقال یک آنتن در عمل دارای طولی برابر اندازه بخشی قابل توجه از طول موج و بعضی اوقات حتی چند برابر طول موج می باشد. بنابراین آنتن به صورت مداری با ثابت های توزیع شده عمل می کند. با اعمال ولتاژ در نقطه مشخصی از آن ولتاژ و جریانی در آن نقطه ایجاد خواهد شد. در نتیجه امواج متحرک و احتمالاً امواج ساکنی نیز به وجود می آیند. بدین معنی که ولتاژ و جریان در آنتن به طور کلی از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می کنند. این توزیع ولتاژ و جریان آنتن باید اثری بر روی میدان تشعشعی بگذارد. میدان مذکور در درجه اول بستگی به طول آنتن نسبت به طول موج، اتلافش و بارهای انتهایی خواهد داشت. به علاوه ضخامت سیم آنتن نیز مهم بوده اما از نقطه نظر عملی چنین آنتنی ممکن است بدون تلفات با قطر بی نهایت کوچکی در مقابله با طول موج فرض شود.

شکل(1-2) توزیع ولتاژ و جریان ایده آل را بر روی یک دوقطبی نیم موج که ساده ترین آنتن سیمی عملی است نشان می دهد. چنان که مشاهده می شود این توزیع مشابه توزیع ولتاژ و جریان بر روی یک خط انتقال ربع طول موج مدار باز می باشد. در اینجا حداقل ولتاژ و حداکثر جریان از مدار باز یک خط انتقال موجود خواهد بود.

1-5- آنتن های تشدید:

در حالت کلی آنتن ها به دو دسته تقسیم می شوند:   1- آنتن های تشدید   2- آنتن های غیر تشدید. آنتن های تشدید آنتنهایی هستند که طول آنها مضربی از نصف طول موج باشد ولی در آنتن های غیر تشدیدی چنین نیست. ساخت آنتن های تشدیدی راحت تر است ولی گین آنها نسبت به آنتن های غیر تشدیدی کمتر می باشد. وقتی که طول آنتن برابر با یک طول موج کامل گردد پلاریته جریان در یک نیمه از آنتن، عکس نیمه دیگر خواهد شد. واضح است که در چنین حالتی تشعشع در جهت عمود بر آنتن به سبب حذف میدان حاصل از یک نیم آنتن توسط نیم آنتن دیگر برابر صفر می گردد. البته در جهاتی حداکثر تشعشع را خواهیم داشت ولی این جهات دیگر در امتداد عمود بر آنتن نمی باشد.

یک آنتن تشدید معادل یک خط انتقال تشدید بوده و تمام آنتن هایی که پس از دوقطبی ابتدایی بیان گردیدند به صورت آنتن های تشدید عمل می کنند. چنین آنتنی را می توان به صورت یک خط انتقال مدار باز  در انتهای آن با یک طول تشدید در نظر گرفت. مثلاً ضریبی از ربع طول موج (بنابراین طول آنتن ضریبی از نصف طول موج خواهد شد).

پرتو تشعشعی یک سیم تشعشع کننده در فضای آزاد در درجه اول بستگی به طول آن دارد. برای یک دوقطبی نیم موج این پرتوها مانند دوقطبی ابتدایی بوده ولی کمی صاف تر خواهند شد. برای بدست آوردن فرمول پرتو تشعشعی،پرتو تشعشعی یک دوقطبی  ابتدایی را در طول آنتن جمع و یا انتگرال گرفته که در نتیجه پرتو تشعشعی آنتن نیم موج مانند شکل(1-3) بدست می آید.

در شکل(1-3) پرتوهای تشعشعی دوقطبی های تشدید به ازائ طول های مختلف را مشاهده می نمائیم.

حال به تعریف چند کمیت مهم در مورد آنتن ها از جمله بهره آنتن،بهره جهتی،جهتداری،مقاومت آنتن، پهنای باند، پهنای پرتو و پلاریزاسیون آنتن ها می پردازیم.

1-6- بهره آنتن:

تمام آنتن های عملی تشعشع خود را جهت به خصوصی متمرکز می سازند. بسته به نوع آنتن این تمرکز زیاد و یا کم خواهد بود. بنابراین چگالی توان در آن جهت باید بیشتر از میزانی باشد که آنتن به صورت

تمام جهتی مورد استفاده قرار می گیرد. راه دیگر برای ارائه این تمرکز تشعشع در سمت های به خصوصی این است که بگوییم آنتن دارای بهره می باشد.

1-7-بهره جهتی:

این بهره این است که در جهت به خصوصی تعیین می شود و اغلب به صورت دسی بِل بیان می شود و آن از نسبت چگالی توان تشعشعی توسط آنتن در آن جهت به چگالی توانی که توسط یک آنتن ایزوتروپیک تشعشع گردد. آنتن ایزوتروپیک در عمل وجود ندارد و منظور ما از آن یک آنتن ایده آل است. بهره جهتی نسبت چگالی توان ها است و در نتیجه یک نسبت توان می باشد. بهره جهتی تمام آنتن های عملی بزرگتر از واحد است. بهره جهتی آنتن با افزایش طولش زیاد می شود. آنتن های غیر تشدید دارای بهره جهتی بیشتری نسبت به آنتن های تشدید با طول های معادل خواهند بود.

1-8-جهتداری:

بهره جهتی بهره ای بود که برای هر جهتی تعیین می شد اما جهتداری یا دایرکتیویته حداکثر  بهره جهتی در جهت یکی از گلبرگ های اصلی پرتو  تشعشعی را گویند.

1-9-  بهره توان:

نوع دیگر  بهره در ارتباط با آنتن، بهره توان آن است. توانی که باید توسط یک آنتن ایزوتروپیک تشعشع شود تا شدت میدان مشخص را در فاصله معینی ایجاد سازد.

در هر صورت، توان عملی توانی است که باید به آنتن جهتی تغذیه شود تا همان شدت میدان را در فاصله مذکور در جهت حداکثر تشعشع خود ارائه دهد. در بهره توان اتلاف آنتن نیز در نظر گرفته شده و فرمول آن را می توان به صورت زیر نوشت:

جهتداری را توسط تئوری می توان محاسبه نمود ولی بهره آنتن دارای اهمیت عملی زیادی است. این دو در مورد آنتن هایUHF,VHF تقریباً برابر یکدیگرند.

مقاومت آنتن:

مقاومت یک آنتن دارای دو جز است. مقاومت تشعشعی آن که نتیجه توانیست که تبدیل به امواج الکترومغناطیسی می شود و هم چنین مقاومت مربوط به اتلاف آنتن که این دو مقاومت را در اینجا مورد بررسی قرار می دهیم.

1-11-  مقاومت تشعشعی آنتن:

مقاومتی است که اگر به جای آنتن قرار گیرد تمام توان تشعشعی آنتن را در خود تلف می سازد و به صورت نسبت توان تشعشعی آنتن به مجذور جریان در نقطه تغذیه بیان می شود.

این یک مقاومتdc نبوده و یک مقاومتac می باشد. این مقاومت قسمتی از امپدانس ورودی آنتن است و نام بسیار مناسبی نیز دارد. هم چنین با در نظر گرفتن آن محاسبات مربوط به بازدهی آنتن بسیار ساده تر می شود.

1-12-  اتلافات آنتن و بازدهی:

علاوه بر انرژی که توسط یک آنتن تشعشع می شود مقداری از توان به صورت زیر تلف می گردد:   1- در مقاومت زمین و آنتن  2- تلفات تخلیه و کورونا  3-تلفات در دی الکتریک ها   4- جریان های گردابی که در اجسام فلزی در محدوده میدان القایی آنتن مانند سیم های مهاری و آنتن های دیگر القا می شود.

تمام این اتلافات به صورت مقاومت Rdنمایش داده می شود. جمع این دو مقاومت، مقاومت کل آنتن بوده که هم چنین امپدانس کل آنتن در طول تشدید نیز محسوب می گردد. برای دوقطبی های کوتاه با طول موثری کوچکتر از نصف طول موج، مقاومت تشعشعی(Rr) متناسب با مجذور طول می باشد. می توان توسط جداول و منحنی های مربوطه در کتاب های مرجع آنتن این مقاومت را به صورت اندازه گیری و با محاسبه اغلب بدون در نظر گرفتن زمین بدست آورد.

بنابراین بازدهی آنتن عبارت است از :

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)