مقاله جامع در مورد آنتن ها

مقدمه ای بر آنتن ها

آنتن  antenna یک واژه فرانسوی است که کار آن تبدیل سیگنال الکتریکی به امواج الکترومغناطیسی  و برعکس میباشد. آنتن‌ها ساختارهای گوناگونی دارند که با توجه به کاربردشان میتوان انواع مختلفی از آنها را مورد استفاده قرار داد.

یکی از ساده‌ترین ساختارهای ممکن برای یک آنتن، آنتن‌های سیمی یا (دایپل و مونوپل) است.

آنتن را معمولا از فلزات سبکی مانند آلومینیوم و مس میسازند. برای اینکه بتواند انتشار امواج رادیویی را به خوبی انجام دهد باید جریان الکتریکی آن با زمان تغییر کند و هر چه فلز مورد استفاده در ساخت آنتن رسانایی بیشتری داشته باشد تلفات اهمی ناشی از جریان روی آن نیز کمتر میشود. در طراحی آنتن معمولا طول آنتن را نصف طول موج در نظر میگیرند.

انواع آنتن ها

معمولا آنتن های مخابراتی را براساس فرکانس کاری و کاربرد آنها به طور مثال  ایستگاهی ، خودرویی ، تاکتیکی و پلاریزاسیون  عمودی ، افقی ، دایروی و… تقسیم بندی میکنند.

آنتن های سیمی یا wire antennas

دوقطبی کوتاه ( Short Dipole Antenna)

دوقطبی (Dipole Antenna)

دو قطبی نیم موج (Half-Wave Dipole)

دو قطبی پهن باند (Broadband Dipoles)

تک قطبی (Monopole Antenna)

حلقه یا لوپ (Loop Antenna)

به این آنتن شبدری یا (Cloverleaf Antenna) میگویند.

که به دو دسته دایپل و مونوپل تقسیم بندی میشوند

آنتن های دیافراگمی Aperture Antennas

اسلات (Slot Antenna)

شیار پشت حفره ای (Cavity-Backed Slot Antenna)

F معکوس (Inverted-F Antenna)

موجبر شیاردار (Slotted Waveguide Antenna)

هورن یا شیپوری (Horn Antenna)

Vivaldi Antenna

تلسکوپی (Telescopes)

مایکرواستریپ Microstrip Antennas

میکرواستریپ مستطیلی (پچ) (Rectangular Microstrip (Patch) Antennas)

مسطح معکوسF (PIFA) (Planar Inverted-F Antennas (PIFA))

رفلکتور یا بازتابنده Reflector Antennas

آنتن های موج متحرک یا Travelling Wave Antennas

هلیکال (Helical Antenna)

یاگی یودا (Yagi-Uda Antenna)

مارپیچ (Spiral Antenna)

آنتن های لاگ پریودیک (Log-Periodic Antennas)

پاپیونی (Bow Tie Antennas)

لاگ پریودیک (Log-Periodic Antennas)

آرایه ای دوقظبی لاگ پریودیک (Log-Periodic Dipole Array)

آنتن های هوشمند

کاربرد آنتن ها

ارتباطات بیسیم مانند: سامانهٔ ارتباط‌ات شخصی (PCS)  ،شبکه‌های بی‌سیم (WLAN)، تلویزیون ماهواره‌ای (DBS) ، ارتباطات سیار ، تلفن ماهواره‌ای ، رادیو و تلویزیون و …

سنجش از دور مانند:رادار ، کاربردهای نظامی ، رادار هواشناسی ، تشخیص سرعت خودرو ، کنترل ترافیک ، رادار  (GPR)، کاربردهای کشاورزی ، پرتوسنجی ، کاربردهای نظامی

پارامتر‌های اساسی آنتن

الگوی تشعشعی 

Radiation pattern به شدت امواج آنتن که در زوایای مختلف فضا تشعشع پیدا میکند را الگوی تشعشعی میگویند این الگوی تابشی برای میدان دور( far field) یا نزدیک (Near field) که در تئوری از نرم افزارهای CST ، HFSS و… بدست می آید.

امپدانس ورودی

امپدانس ورودی آنتن با توجه به استانداردهای طراحی معمولا  50 اهم است که بخش مهم و مورد توجه در اتصال و تطبیق بین کابل کواکسیال به آنتن مبیاشد و باید درست و اصولی این کار انجام شود.

پلاریزاسیون یا قطبش

قطبی شدگی یا پلاریزاسیون موج در واقع رفتار تغییر پذیر با زمان بردار شدت ‎میدان الکتریکی در نقطه ای در فضا را توصیف می کند.

برای تعیین این مورد نیازی به توصیف جداگانه میدان مغناطیسی نمی باشد؛ زیرا بصورت معینی به جهت E وابسته است درصورتی که بردار  همیشه افقی باشد پلاریزاسیون موج افقی ودر صورتی که‏ ‏همیشه عمودی باشد عمودی خواهد بود.

درحالیکه مکان تصویر انتهای بردار E روی صفحه عمود بر راستای انتشار موج نسبت به زمانی که دایره باشد

موج با قطبی شدگی دایره ای و در صورتیکه بیضی باشد موج با بیضوی خواهد بود.

‎ ‏انواع اصلی پلاریزاسیون

انواع اصلی پلاریزاسیون مورد استفاده  ۲ نوع اصلی خطی و غیر خطی با تقسیم بندی زیر تفکیک می گردند:

 پلاریزاسیون اصلی

در قطبی شدگی خطی جهت بردار میدان الکتریکی ثابت بوده که با توجه به راستای آن می تواند افقی ، عمودی و مایل باشد.

در پولاریزاسیون دایره ای اندازه بردار E ثابت ولی جهت آن تغییر می نماید. به عبارت دیگر مکان هندسی تصویر انتهای بردار ‎E‏ روی صفحه عمود بر راستای حرکت موج؛ یک دایره بوده و در حالیکه گردش انتهای بردار یاد شده در جهت عقربه های ساعت باشد

راستگرد” و خلاف جهت آن را چپگرد” می نامند. درصورتیکه مکان هندسی انتهای بردار میدان الکتریکی روی صفحه عمود بر امتداد حرکت بیضی باشد پولاریزاسیون موج را بیضوی نامیده و همان قرارداد منظور شده برای امواج دایروی درخصوص راستگردی و یا چپگردی در اینجا نیز صادق می باشد.

گین (Gain)

بهره یا گین به میزان توان کلی آنتن ها گفته میشود که با جهت دهی آنتن نیز ارتباط مستقیمی دارد. بطور مثال اگر آنتنی جهت دهی خاصی نداشته باشد و تشعشع امواج الکترومغناطیسی به محیط اطراف یکسان باشد فاقد گین یا بهره میباشد و به این آنتن ها همه جهته یا (omni directional) نیز گفته میشود. برای درک بهتر در زیر گین یک آنتن نمونه با پترن 3 بعدی نمایش داده شده است:

پهنای باند (Bandwidth)

پهنای باند دامنه فرکانسی است که آنتن باید بتواند در این بازه مورد نظر به خوبی عمل کند و معمولا نمودار پهنای باند با ریترن لاس (افت بازگشتی) یا S11 معروف میباشد که یک نمونه از این نمودار در زیر آمده است :

نتیجه گیری

همانطور که گفتیم کار آنتن تبدیل سیگنال الکتریکی به امواج الکترومغناطیسی  و برعکس میباشد. آنتن‌ها ساختارهای گوناگونی دارند که با توجه به کاربردشان میتوان انواع مختلفی از آنها را مورد استفاده قرار داد. کاربرد آنها در بخش سنجش از راه دور و ارتباطات بیسیم مانند انواع رادارها ، کنترل ترافیک ، تشخیص سرعت خودرو ، کاربردهای کشاورزی ، تلویزیون های ماهواره ای ، ارتباطات سیار و… مورد استفاده قرار داد که معمولا برای اینکه آنتن بتواند انتشار امواج رادیویی را به خوبی انجام دهد باید جریان الکتریکی آن با زمان تغییر کند و هر چه فلز مورد استفاده در ساخت آن رسانایی بیشتری داشته باشد تلفات اهمی ناشی از جریان روی آنتن نیز کمتر میشود که از فلزاتی مانند آلومینیوم و مس آنتن را میسازند.