تحقیق جامع و کامل درباره آنتن و آنتن های تلفن همراه

اختصاصی از فایلکو تحقیق جامع و کامل درباره آنتن و آنتن های تلفن همراه دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

فرمت فایل : word  (لینک دانلود پایین صفحه) تعداد صفحات 91 صفحه

مقدمه

انتقال امواج الکترومغناطیسی می تواند توسط نوعی از ساختارهای هدایت کننده امواج (مانند یک خط انتقال یا یک موجبر) صورت گیرد و یا می تواند از طریق آنتنهای فرستنده و گیرنده بدون هیچ گونه ساختار هدایت کننده واسطه ای انجام پذیرد. عوامل مختلفی در انتخاب بین خطوط انتقال یا آنتنها دخالت دارند. بطور کلی خطوط انتقال در فرکانسهای پایین و فواصل کوتاه عملی هستند. با افزایش فواصل و فرکانسها تلفات سیگنال و هزینه های کاربرد خطوط انتقال بیشتر میشود و در نتیجه استفاده از آنتنها ارجحیت می یابد]1[.

در حدود سالهای 1920 پس از آنکه لامپ تریود برای ایجاد سیگنالهای امواج پیوسته تا یک مگاهرتز بکار رفت، ساخت آنتنهای تشدیدی (با طول موج تشدید) مانند دوقطبی نیم موج امکان یافت و در فرکانسهای بالاتر امکان ساخت آنتنها با ابعاد و اندازه ی فیزیکی در حدود تشدید (یعنی نیم طول موج) فراهم شد. قبل از جنگ دوم جهانی مولدهای سیگنال مگنی ترون و کلایسترون و مایکروویو (در حدود یک گیگاهرتز) همراه با موجبرهای توخالی اختراع و توسعه یافتند. این تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتنهای بوقی شد. در خلال جنگ دوم جهانی یک فعالیت وسیع طراحی و توسعه برای ساخت سیستم های رادار منجر به ابداع انوع مختلف آنتنهای مدرن مانند آنتنهای بشقابی (منعکس کننده) عدسی ها و آنتنهای شکافی موجبری شد]1[.

امروزه گستره وسیعی از انواع مختلف آنتنها در مخابرات سیار و سیستمهای بیسیم در حال استفاده اند و کماکان رقابت در زمینه کوچک کردن ابعاد آنتنها و بهینه کردن مشخصات تشعشعی آنها ادامه دارد. در این بخش به طور خلاصه به مرور اصول، تعاریف مشخصات تشعشعی آنتنها پرداخته شده است.

1-2) تقسیم بندی نواحی اطراف یک آنتن

فضای اطراف یک آنتن به دو ناحیه تقسیم میشود. اولین ناحیه بعد از آنتن، ناحیه آنتن و ناحیه خارج از آن، ناحیه بیرونی نامیده میشود. مرز دو ناحیه کره ای است که مرکزش، مرکز آنتن وسطح آن از دو انتهای آنتن عبور میکند. نسبت این کره مرزی به آنتن نیم موج دو مخروطی متقارن در شکل 1-1 نشان داده شده است

برای متمایز کردن میدانها در فاصله دور و نزدیک آنتن، می توان ناحیه بیرونی را به دو ناحیه تقسیم کرد که فاصله نزدیک آنتن شامل میدانهای نزدیک ناحیه فرنل[1] نام دارد و میدان در فاصله دور را ناحیه دور یا ناحیه فرانهوفر[2] می خوانند.

می توان ثابت کرد فواصل بزرگتر از  نسبت به آنتن شامل میدانهای راه دور آنتن است.  طول موج کاردر فضای آزاد و  بزرگترین بعد آنتن است.

 در ناحیه فرانهوفر مولفه های میدان عرضی و مستقل از فاصله شعاعی است که میدان در آن محاسبه میشود. در صورتی که در ناحیه فرنل ممکن است مولفه های میدان به صورت شعاعی تغییر کنند که در نتیجه نمودار تشعشعی [3] میدان بطور کلی تابعی از شعاع خواهد بود ]2[.

1-3) شدت تشعشعی آنتن

توان تشعشع شده از یک آنتن در واحد زاویه فضایی، شدت تشعشعی U (وات بر استرادیان) خوانده میشود

1-4) نمودارهای تشعشعی

با حرکت یک آنتن کاوشگر[5] شکل1-4)الف) در یک فاصله ثابت حول یک آنتن آزمون می توان نمودار تشعشعی را بصورت یک تابع مختصات زاویه اندازه گیری کرد. در شکل1-4(الف)هر نمودار تشعشعی در صفحات  ثابت موسوم به یک نمودار تشعشعی صفحه E [6] است ، زیرا بردار الکتریکی کاملا در آن قرار دارد. نمودار تشعشی در یک صفحه عمود بر صفحه E که از وسط دوقطبی آزمون می گذرد (صفحه xy) موسوم به نمودار تشعشعی صفحه[7]H  است، زیرا بردار میدان مغناطیسی  کاملا در آن جای دارد. به عنوان مثال نمودارهای تشعشی صفحه E و صفحه H برای یک آنتن ساده دوقطبی نیم موج به ترتیب در شکل 1-4 (ب) و شکل 1-4 (ج) نشان داده شده است. این نمودارها را می توان برای مولفه های مختلف میدان E و H و حتی توان رسم کرد.

مولفه های میدان و نحوه اندازه گیری پرتو. آنتن کاونده روی سطح یک کره حرکت داده می شود.]1[

نمودار قطبی پرتو تشعشی صفحه E

تشعشع کامل دوقطبی ایده آل به صورت یک نمای ایزومتریک [8] در شکل 1-5 با یک برش نشان داده شده که بصورت یک چنبره بدون سوراخ است و به نمودار تشعشی همه جهتی [9] معروف است، زیرا در صفحه xy یکنواخت میباشد. هنگامی که پژوهشگر به آنتنهای جدید برخورد میکند، باید سعی کند که تشعشع کل را در دو یا چند نمودار تشعشی بیان کند ]1[.

مناسب است که نمودارهای تشعشعی را نرمالیزه (بهنجار) کنیم به طوری که حداکثر اندازه اش برابر واحد شود. برای نرمالیزه کردن یک نمودار به صورت زیر عمل میکنیم: اندازه میدان یا توان در هر نقطه از نمودار را بر ماکزیمم مقدار آنها تقسیم میکنیم . بدین صورت نمودار نرمالیزه شده بدست می آید . به عنوان مثال برای یک منبع در امتداد محور Z که میدان E اش تنها یک مولفه  دارد، نمودار میدان نرمالیزه شده، به صورت زیر تعریف میشود:

 حداکثر اندازه  روی سطح کره به شعاع  است. البته مستقل از  است.

یک نمونه نمودار توان تشعشعی یک آنتن بصورت یک نمودار قطبی در شکل زیر رسم شده است. گلبرگ یا تابه اصلی [10] شامل جهت حداکثر تشعشع میباشد. گلبرگ های کوچکتر دیگری موسوم به گلبرگهای فرعی [11] نیز در نمودار تشعشع وجود دارد. یک گلبرگ کناری [12] را به عنوان یک گلبرگ تشعشع در هر جهت غیر از جهت گلبرگ اصلی تعریف میکنیم

یک معیار تمرکز توان در گلبرگ اصلی، تراز گلبرگ کناری نسبی [13]است که نسبت حداکثر اندازه (پرتو) گلبرگ کناری به حداکثر اندازه (پرتو) گلبرگ اصلی است. بزرگترین تراز گلبرگ کناری نسبی در پرتو کل همان حداکثر تراز گلبرگ کناری نسبی[14] بوده که اغلب با علامت اختصاری SLL[15] نشان داده میشود و بر حسب دسی بل عبارت است از :

که تابع   اندازه پرتو میدان میباشد. در این رابطه   حداکثر اندازه پرتو و   حداکثر اندازه بزرگترین گلبرگ کناری است. برای یک پرتو نرمالیزه شده  میباشد. نمودار اندازه پرتو یک منبع خطی یکنواخت در مختصات قائم و مقیاس خطی در شکل 1-7رسم شده است.

گلبرگهای کوچکتر گلبرگهای کناری بوده و به توالی مثبت و منفی هستند.

1-5) پهنای تابه نیم توان (HPBW)[16]

بصورت فاصله زاویه ای بین دو نقطه روی تابه اصلی در پرتو توان بوده که اندازه توان نصف حداکثر اندازه آن است. بنابراین:

(3-1)                          

  و   به ترتیب زوایای نقاط در طرف چپ و طرف راست حداکثر تابه اصلی هستند که پرتو توان نصف اندازه حداکثرش است]1[.

آنتنها می توانند پهلو آتش [17] یا سرآتش [18] باشند. حداکثر اندازه تابه اصلی یک آنتن پهلو آتش در جهتی عمود بر صفحه شامل آنتن است. حداکثر اندازه تابه اصلی یک آنتن سرآتش موازی صفحه شامل آنتن میباشد

1-6) [19]VSWR و پهنای باند فرکانسی یک آنتن

قبل از تعریف VSWR مفهوم خط انتقال پایاندار را توضیح می دهیم.

یک خط انتقال بدون اتلاف منتهی به بار دلخواه   را در نظر بگیرید که در راستای محور Z قرار دارد به طوری که مبدا در محل بار قرار داشته باشد. منبعی در Z های منفی (Z<0) موج ولتاژ تابشی  (، که  فرکانس زاویه ای،  ضریب الکتریکی و  ضریب مغناطیسی می باشند. ) را تولید می میکند که در جهت +Z  حرکت میکند. طبق تعاریف خط انتقال نسبت ولتاژ رفت به جریان رفت برای این موج رونده در جهت +Z برابر امپدانس مشخصه  خط  است. اما اگرخط به بار  منتهی شده باشد، نسبت ولتاژ کل به جریان کل در محل بار برابر  خواهد بود و نه . برای توضیح این تناقض باید یک موج انعکاسی در جهت –Z  وجود داشته باشد. لذا ولتاژ کل خط بار برابر است با :

(1-4)(الف)                                                                 

که  ولتاژ تابشی توسط منبع در Z=0 و  ولتاژ بازگشتی از بارو برای یک خط بی اتلاف عددی حقیقی است ولی  می تواند مختلط باشد. 

جریان کل نیز از رابطه زیر بدست می آید:

نسبت ولتاژ به جریان در محل بار برابر است با امپدانس بار :
  

ضریب انعکاس به صورت زیر تعریف میشود:

بدیهی است که:

• در حالتی که انعکاس کامل داریم یعنی اندازه گاما 1 است هیچ توانی به بار منتقل نمیشود و همه توان برمیگردد.
• در حالتی که تطبیق کامل داریم یعنی گاما0 است ماکزیمم توان به بار منتقل میشود.

نسبت موج ساکن ولتاژدر طول خط انتقال، بصورت نسبت ماکزیمم دامنه ولتاژ به می نیمم دامنه ولتاژ در خط تعریف میشود و ثابت میشود با ضریب انعکاس موج  رابطه زیر را دارد:

 (1-8)                                                       

طبق رابطه فوق هنگامی که   پس  که به این حالت انعکاس کامل و هنگامی که  در نتیجه   که به این حالت انطباق کامل می گوییم.

مشخصه VSWR در یک خط انتقال که یک آنتن خوب و منطبق را تغذیه می کند در فرکانس کارش باید بین 1و2و5/2 باشد.

فرکانس یا فرکانسهایی که در آنها VSWR نزدیک به 1 و کمینه است فرکانس رزونانس یا تشدید آنتن می نامند و در اکثر مواقع بازه ای حول این فرکانسها که VSWR بین 1و2 است به صورت پهنای باند فرکانس آنتن حول فرکانس تشعشع در نظر می گیرند]3[.

بدیهی است با این تعریف در فرکانس تشدید امپدانس ورودی آنتن به امپدانس مشخصه خط انتقال منطبق است و در نتیجه برای یک خط انتقال بی اتلاف امپدانس ورودی آنتن نباید در فرکانس تشدید قسمت رآکتیو داشته باشد.

1-7) بهره جهتی آنتن

بهره جهتی به صورت نسبت شدت تشعشع در یک جهت معین به شدت تشعشع متوسط تعریف میشود.

 شدت تشعشع متوسط آنتن است که می توان بعنوان شدت تشعشع یک منبع یکسانگرد (تشعشع کره ای) در نظر گرفت به طوری که همان اندازه توان کل تشعشع شده () از آنتن واقعی را با شدت تشعشع  ساطع کند. طبق این تعریف مقدار متوسط شدت تشعشع با توان کل تشعشع شده رابطه زیر را دارد:

که می توانیم بهره جهتی را بصورت چگالی توان در یک جهت معین در یک برد معین() به چگالی توان متوسط در همان برد() نیز تعریف کنیم .

که   چگالی توان لحظه ای و  بردار یکه شعاعی و توان کل تشعشع شده از آنتن میباشد ]1[.

1-8) سمتگرایی

سمتگرایی بسادگی به صورت حداکثر اندازه بهره جهتی تعریف میشود.

اگر توان تشعشع بطور یکسانگرد و یکنواخت در کل فضا توزیع شود، حداکثر اندازه شدت تشعشع برابر اندازه متوسطش خواهد بود، یعنی . بنابراین، سمتگرایی این پرتو یکسانگرد برابر یک است.

1-9) بازده تشعشعی آنتن

نسبت توان تشعشع کل به توان ورودی کل است که تلفات درون ساختار آنتن را شامل میگردد.

1-10) بهره یا گین آنتن (g)

دوپارامتر سمتگرایی و بازده تشعشعی آنتن را به هم مربوط میکند.

بهره مطلق

 نسبت شدت تشعشع یک آنتن در جهت داده شده به شدت تشعشع همان آنتن در همان جهت وقتی که آنتن به صورت همسانگرد (ایزوتروپیک) تابش کند. به طوری که در هر دو حالت توان ورودی به ترمینالهای آنتن یکسان باشد و به طور کامل تشعشع شود .

بهره نسبی

عبارت است از شدت تشعشع یک آنتن در جهت خاص به شدت تشعشع یک آنتن دیگر در همان جهت به طوری که توان ورودی به ترمینالهای هر دو آنتن برابر باشد. این آنتن دوم را آنتن مرجع می گویند که هر نوع آنتنی می تواند باشد به شرطی که شدت تشعشع آن مشخص و یا قابل محاسبه باشد، معمولا آنتن مرجع یک آنتن همسانگرد بوده و بدون تلف در نظر می گیرند. در این حالت حداکثر بهره توان به صورت نسبت حداکثر شدت تشعشع ناشی از آنتن  به حداکثر شدت تشعشع ناشی از آنتن مرجع  با توان ورودی یکسان تعریف میشود، که تعریف مناسبی از لحاظ اندازه گیری میباشد