هنگام طراحی آنتن‌ها، مهندسان باید با مفاهیم هم‌سازی، بهره، تضعیف و الگوهای تابشی آشنا شوند...

توجه: این بخش سوم از آموزش ما در زمینه طراحی آنتن است. در بخش اول (به آموزش طراحی آنتن-بخش ۱ مراجعه کنید)، بر روی آنتن‌های فرستنده/گیرنده و خطوط انتقال تمرکز کردیم. در بخش دوم (به آموزش طراحی آنتن-بخش ۲ مراجعه کنید)، به عملکرد آنتن و تعیین طول آن پرداختیم. حال بیایید به بررسی هم‌سازی، بهره، قطبش، تضعیف و سایر مسائل بپردازیم.

محتوا
• تطبیق آنتن
• الگوی تابش
• بهره
• قطبش
• افت
• تعدادی چالش‌ها

علاوه بر مفاهیم کلی عملکرد آنتن که در بخش‌های ۱ و ۲ مطرح شد، مسائل خاصی در عملکرد آنتن وجود دارد که به همین اندازه مهم است. مهم‌ترین این مسائل شامل تطابق، الگوی تابش، gain (تقویت)، قطبش و اثرات چندمسیره است.

تنظیم آنتن

رزونانس آنتن نباید با امپدانس آنتن اشتباه گرفته شود. تفاوت بین رزونانس و امپدانس را می‌توان به آسانی با در نظر گرفتن مقدار VSWR در پایین‌ترین نقطه‌اش درک کرد. پایین‌ترین نقطه VSWR نشان‌دهنده این است که آنتن در حالت رزونانس قرار دارد، اما مقدار آن نقطه پایین به کیفیت تطابق بین آنتن و خط انتقالی که به آن متصل است بستگی دارد. این نقطه اتصال را نقطه تغذیه می‌نامند.

با نگاه به شکل ۴، مهندس متوجه می‌شود که هر دو آنتن (A) و آنتن (B) رزونانس دارند؛ با این حال، آنتن (B) دارای نسبت بازتاب قدرت (VSWR) بسیار کمتری است زیرا امپدانس نقطه تغذیه (B) به امپدانس خط انتقال نزدیک‌تر است. بنابراین، یک آنتن باید هم رزونانس باشد و هم با امپدانس خط انتقال منطبق شود تا حداکثر انرژی RF به فضای آزاد منتقل گردد.


الگوی تابش

اصطلاح الگوی تابش برای تعریف شیوه‌ای که انرژی RF در فضای آزاد توزیع یا هدایت می‌شود، به کار می‌رود. اصطلاح آنتن ایزوتوپی معمولاً برای توصیف آنتنی استفاده می‌شود که دارای الگوی تابش نظری کاملاً بی‌نقص است. به بیان دیگر، آنتن ایزوتوپی محصولی است که انرژی الکترومغناطیسی را به طور یکسان در تمام جهات تابش می‌کند.


آنتن‌های ایزوتروپیک فقط یک مدل نظری هستند و تاکنون هیچ‌گاه واقعاً ساخته نشده‌اند. با این حال، مدل ایزوتروپیک به عنوان یک استاندارد مفهومی است که می‌توان آنتن‌های "دنیای واقعی" را با آن مقایسه کرد.

آنتن‌های واقعی انرژی RF را در جهت‌های خاصی به طور مؤثر تابش می‌کنند و در دیگر جهات عملکرد ضعیف‌تری دارند. نقاطی که بیشترین کارایی را دارند به عنوان قله‌ها شناخته می‌شوند، در حالی که مناطقی که هیچ میدان قوی‌ای ندارند به نام نال‌ها مشخص می‌شوند. ویژگی‌های توزیع کلی آنتن شکل‌دهنده الگوی تابش آن هستند.

در بسیاری از کاربردها، مزیت دارد که آنتن در تمام جهات به خوبی عمل کند. در این موارد، یک طراح آنتنی با الگوی تابش omnidirectional را انتخاب می‌کند. در مواردی که به ویژگی‌های تابشی بسیار جهت‌دار نیاز است، سبک آنتنی مانند یاجی انتخاب می‌شود .

گین

عبارت کسب به معنای قدرت تابش مؤثر آنتن نسبت به قدرت تابش مؤثر یک آنتن مرجع است. زمانی که مدل ایزوتروپیک استفاده می‌شود، کسب به صورت dBi بیان می‌شود (که به معنای کسب به دسی‌بل نسبت به ایزوتروپیک است). در مواردی که کسب نسبت به یک دیپول استاندارد مقایسه می‌شود، این اندازه‌گیری به صورت dBd بیان می‌شود (که به معنای کسب نسبت به دیپول است).

اختلاف معمول بین یک منبع نقطه‌ای ایزوتروپیک و یک دیپول استاندارد ۲.۲ دسی‌بل است. بنابراین، یک آنتن که با ۱۵ dBi ارزیابی شده است، نشان می‌دهد که این آنتن ۱۵ دسی‌بل کسب نسبت به یک منبع ایزوتروپیک دارد یا ۱۲.۸ دسی‌بل کسب نسبت به یک دیپول تک‌مولفه‌ای استاندارد.

اصطلاح "گین" معمولاً به‌طور نادرست درک می‌شود. بسیاری از مهندسان گین را به‌عنوان افزایش قدرت خروجی بالای یک واحد تفسیر می‌کنند. البته، این امر غیرممکن است، زیرا قدرت تابش مؤثر از قدرتی که در ابتدا به آنتن وارد شده است، فراتر خواهد رفت.

ساده‌ترین راه برای درک گین این است که به یک منبع نور قابل تمرکز فکر کنیم. فرض کنید که خروجی نور در تمام زمان‌ها ثابت است و نور به‌طور گسترده‌ای پخش می‌شود. اگر نور به یک نقطه متمرکز شود، به‌طور قابل توجهی روشن‌تر به نظر می‌رسد، زیرا تمام انرژی نوری در یک ناحیه کوچک متمرکز شده است. حتی اگر خروجی کلی نور ثابت مانده باشد، نور در نقطه تمرکز نسبت به الگوی اولیه، گین در لوکس خواهد داشت.

به همین ترتیب، یک آنتن که انرژی RF را به یک پرتو باریک متمرکز می‌کند، می‌تواند گفته شود که نسبت به آنتنی که به‌طور یکنواخت در تمام جهات تابش می‌کند، گین دارد (در نقطه تمرکز). به عبارت دیگر، هرچه گین یک آنتن بالاتر باشد، الگوی تابش آنتن باریک‌تر خواهد بود.

قطبش

قطبش موثر یک آنتن ویژگی مهمی در طراحی آنتن است. قطبش به جهت‌گیری خطوط شار در یک میدان الکترومغناطیسی اشاره دارد. هنگامی که یک آنتن به صورت افقی نسبت به زمین قرار می‌گیرد، گفته می‌شود که قطبش آن افقی است. به همین ترتیب، زمانی که آنتن به صورت عمودی قرار دارد، گفته می‌شود که قطبش آن عمودی است.

قطبش یک آنتن معمولاً متناسب با آنتن فعال یک عنصر است. به این ترتیب، یک آنتن افقی میدان‌هایی را که دارای قطبش افقی هستند، به بهترین وجه تابش و دریافت می‌کند، در حالی که یک آنتن عمودی بهترین تابش و دریافت را برای میدان‌هایی با قطبش عمودی فراهم می‌آورد. اگر آنتن‌های فرستنده و گیرنده در یک قطبش یکسان قرار نداشته باشند، مقداری از توان تابشی مؤثر نمی‌تواند توسط آنتن گیرنده جذب شود.

در بسیاری از کاربردها که شامل دستگاه‌های قابل حمل است، کنترل کمی بر روی جهت‌گیری آنتن وجود دارد. اما برای دستیابی به حداکثر فاصله، آنتن‌ها هر زمان که ممکن باشد باید با قطبش مشابه تنظیم شوند.


کاهش سیگنال

کاهش چندمسیره نوعی از کاهش سیگنال است که به دلیل ورود سیگنال‌ها به آنتن دریافت‌کننده در فازهای متفاوت ایجاد می‌شود. این پدیده به این دلیل است که یک سیگنال ممکن است از مسیرهای مختلفی قبل از رسیدن به آنتن عبور کند.

زمانی که کاهش چندمسیره اتفاق می‌افتد، برخی از بخش‌های سیگنال اصلی ممکن است از طریق یک مسیر مستقیم در فضای آزاد به آنتن دریافت‌کننده برسند. در حالی که دیگر سیگنال‌ها که منعکس شده‌اند، مسیرهای طولانی‌تری را قبل از رسیدن طی می‌کنند.

مسیر طولانی‌تری که امواج منعکس شده طی می‌کنند، زمان رسیدن آن‌ها را نسبت به سیگنال فضای آزاد کمی به تأخیر می‌اندازد. این امر رابطه‌ای خارج از فاز بین دو سیگنال ایجاد می‌کند. ولتاژ حاصل بر روی آنتن دریافت‌کننده بر اساس رابطه فازی تمام سیگنال‌های ورودی به آنتن متغیر خواهد بود. در حالی که این اثر به محیط مربوط می‌شود و به‌طور مستقیم به آنتن ارتباطی ندارد، درک نقش کاهش چندمسیره در عملکرد نظری و واقعی آنتن اهمیت دارد.

چالش‌های متعدد

طراحان در هنگام توسعه سیستم‌های بی‌سیم امروزی با چالش‌های متعددی مواجه هستند که معمولاً در طراحی آنتن دیده نمی‌شود. از آنجا که بسیاری از محصولات بی‌سیم امروزی جمع و جور و قابل حمل هستند، یک طراح ممکن است مجبور باشد بین عملکرد آنتن و مسائلی مانند بسته‌بندی و جنبه‌های ظاهری تعادل برقرار کند. علاوه بر این، سیستم‌های بی‌سیم امروزی، مانند دستگاه‌های بخش ۱۵، برخی محدودیت‌های غیرمعمولی نیز بر طراحی واقعی آنتن تحمیل می‌کنند.

بنابراین، در طول فرایند طراحی، آنتن باید به عنوان یک جزء حیاتی در عملکرد سیستم در نظر گرفته شود. با کسب درک دقیق از نحوه عملکرد آنتن، مهندسان می‌توانند این محصولات را به طور مؤثر در طراحی سیستم‌های خود توسعه و پیاده‌سازی کنند.


جهت آموزش طراحی انواع آنتن و همچنین یادگیری آنلاین این تخصص با ما تماس بگیرید . 

09112441370



منبع : www.wirelessdesignonline.com