معرفی برخی از آنتن ها

مقدمه ای بر آنتن ­ها

 

آنتن یک المان مخابراتی و ضروری ترین جزء تجهیزات رادیویی است و آنتن ها برای اولین بار توسط هاینریش هرتز در سال 1888 توسعه یافتند. آنتن که اگر در فرستنده به کار رود، سیگنال الکتریکی را به امواج الکترومغناطیس تبدیل نموده و پخش می نماید و اگر در گیرنده به کار رود، امواج الکترومغناطیسی موجود در فضا را دریافت نموده و تبدیل به سیگنال الکتریکی نموده و جهت آشکار شدن، به مدار گیرنده می دهد.

معمولا در گیرنده‌ها هر آنتن به ازاء یک فرکانس مشخصی، به تشدید درآمده و به ازاء آن فرکانس، ولتاژ ماکزیمم مشخصی تولید می­نماید. هرگاه طول آنتن متناسب با طول موج دریافتی باشد، موج کاملا در آنتن قرار می­گیرد و اصطلاحا آنتن رزونانس شده و یا به حالت تشدید در آمده است. یعنی آنتن با موج رسیده هماهنگ شده است و در این حالت ولتاژی که به آنتن رسیده، حداکثر است. البته نیازی نیست که طول آنتن حتماً با طول موج رسیده کاملا برابر باشد، زیرا جهت رفع این مشکل سیم پیچی را به همراه یک یا دو المان فشره مانند خازن متغیر به آنتن اضافه می کنند تا حالت تشدید را در آنتن بوجود آورند.

 آنتن‌ها ساختارهای متنوّعی دارند که با توجّه به کاربرد مورد نیاز، این ساختار تعیین می‌شود. در واقع آنتن ها را براساس سه دسته زیر تقسیم بندی می­کنند.

 

• ساختار فیزیکی آنتن
• محدوده فرکانسی کاری
• کاربرد های مختلف

 

ساختار فیزیکی

در زیر انواع آنتن ها بر اساس ساختار فیزیکی آورده شده است.

 

• آنتن های سیمی (آنتن دایپل، مونوپل، هلیکس و آنتن حلقه ای)
• آنتن های روزنه ای (موجبر و آنتن هورن)
• آنتن های بازتابنده
• آنتن های لنز
• آنتن های میکرو استریپ
• آنتن های آرایه ای

 

فرکانس عملیات

در ادامه به انواع آنتن ها بر اساس فرکانس کار اشاره می شود.

 

• فرکانس بسیار پایین (VLF)
• فرکانس پایین (LF)
• فرکانس متوسط (MF)
• فرکانس بالا (HF)
• فرکانس بسیار بالا (VHF)
• فرکانس فوق العاده بالا (UHF)
• فرکانس فوق العاده بالا (SHF)
• مایکروویو
• موج رادیویی

 

حالت کاربردها

در زیر انواع آنتن ها با توجه به حالت های کاربرد آورده شده است.

 

• ارتباطات نقطه به نقطه
• برنامه های کاربردی پخش
• ارتباطات رادار
• ارتباطات ماهواره ای

 

برای هر طول موج رادیویی آنتنی مناسب لازم است و نمی‌توان آن‌ها را به جای هم استفاده کرد. مثلا نمی‌توان آنتن رادیو را به جای آنتن وای فای استفاده کرد. یکی ساده ترین آنتن‌های ممکن، به دوقطبی نیم موج معروف است.این آنتن نصف طول موج، طول دارد و از دو نیمه ساخته شده است که هر نیمه در واقع یک چهارم طول موج رادیویی مورد نظر ما، طول دارد و هر نیمه آن به وسیله یک‌هادی جداگانه تغذیه می‌شود .

برای مثال برای یک موج ۳/۱۴مگاهرتزی، یک آنتن دو قطبی باید ۴۸۹۵/۱۰ متر باشد. این دو قطبی همان طور که از اسمش هم می‌توانید حدس بزنید دو قسمت دارد که هر قسمت طولی برابر با ۲۴۴۷۶/۵ متر دارد. توجه کنید! این طول‌ها محاسبه شده در تئوری هستند. آنتن‌ها همیشه به اندازه طول دقیق تئوری ساخته نمی‌شوند، زیرا این مقدار از دقت در ساخت امکان پذیر نیست.

 

برخی از انواع آنتن ها

 

1.آنتن دو قطبی

آنتن دو قطبی یکی از ساده ترین آنتن ها است. آنتن دوقطبی از دو میله فلزی که هر یک طول λ/4 دارند تشکیل شده است. این ساختار در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

الگوی تابشی آنتن دو قطبی در شکل زمین نمایش داده شده است. مطابق با این شکل در راستای آنتن دوقطبی، میدان برابر با صفر و در صفحه افقی متقارن است. بنابراین آنتن دو قطبی به صورت  Omni-Directional در صفحه افقی به نظر می رسد. بهره آنتن دوقطبی کمتر از 3dB و قطبش آن خطی و در راستای میله های آن است. همچنین آنتن دوقطبی، پهنای باند فرکانسی کمی داشته و مقدار آن از چند درصد تجاوز نمی کند.

 

 

2.آنتن تک قطبی

آنتن تک قطبی‏ نوعی آنتن است که به صورت میله‌ای است و در بالای یک صفحه رسانا قرار می‌گیرد و معمولا نسبت به آن قائم قرار می‌گیرد. به صفحه مذکور صفحه زمین می‌گویند. پس منظور از زمین در این نوع آنتن‌ها، با زمین عرفی فرق دارد. منبع تغذیه در این نوع آنتن‌ها در بین میله و زمین قرار می‌گیرد و یک سر آن به میله و سر دیگر آن به زمین وصل می‌شود. این آنتن در مقابل آنتن دوقطبی قرار دارد که دارای دو میله است که منبع تغذیه بین آن دو میله قرار می‌گیرد.

طبق روش تصاویر این آنتن کارکرد آنتن دوقطبی به طول دو برابر این آنتن را دارد. به این صورت که موج از فضا یا مستقیما به خود میله آنتن می‌خورد که گویی به نیمه بالایی در آنتن دوقطبی برخورد کرده است یا به زمین خورده و سپس به میله منعکس می‌شود که گویی به نیمه پایینی آنتن در آنتن دوقطبی برخورد کرده است.

مزیت این آنتن نسبت به آنتن دوقطبی ابعاد کوچک تر آن است که باعث افزایش استفاده آن در موارد عملی شده است. این آنتن‌ها در اتومبیل‌ها هم به کار می‌رود که در این حالت سقف اتومبیل به عنوان صفحه زمین عمل می‌کند. بدیهی است که در این حالت میله آنتن کاملا افقی قرار نمی‌گیرد.

در این آنتن مثل آنتن دوقطبی برای این که بدانیم الگوی به چه صورتی است باید بدانیم طول آنتن چند برابر طول موج است. مثلا آنتن‌های تک قطبی که طول آنها کمتر از ربع طول موج است فقط یک لوب دارند.

 

3.آنتن مخروطی

این آنتن یک تغییر تک قطبی از یک آنتن دو مخروطی است. به طوری که از یک صفحه دایره ای زمین و مخروط تشکیل شده است که راس مخروط نزدیک به مرکز دیسک قرار می­گیرد. این آنتن زمانی مورد استفاده قرار می­گیرد که نیاز باشد اندازه فیزیکی کاهش یابد یا تشعشع عمدتاً در یک نیم فاصله باشد.

 

 

تغذیه این آنتن با توجه به جهت آن، به دو روش ممکن است، تغذیه از طریق یک کابل کواکسیال که از درون مخروط عبور کرده یا تغدیه از یک کابل کواکسیال که از درون دیسک عبور کرده است. در حالت اول  هادی بیرونی به به راس مخروط و هادی درونی به دیسک متصل میشود اما در حالتی که کابل از درون دیسک بگذرد هادی بیرونی کابل به دیسک و هادی درونی آن به مخروط متصل می­شود.

 

 

4.آنتن دومخروطی

دیدیم که آنتن دو قطبی در راستای افقی بهره ثابت دارد و تقریبا یک آنتن همه جهتی است. با این حال بهره آن کم است. اگر بخواهیم ساختار همه جهتی حفظ شده ولی در عین حال بهره بالا رود می توان از آنتن دو مخروطی استفاده کرد. آنتن های دو مخروطی همانگونه که از اسم آن­ها مشخص است از دو مخروط فلزی قرینه نسبت به یکدیگر تشکیل شده است. در واقع این آنتن ها به نوعی یک آنتن دو قطبی اصلاح شده هستند و هدف از انجام این اصلاحات بر روی آنتن های دوقطبی، دستیابی به

یک پهنای باند بیشتر بدون ایجاد پیچیدگی بیشتر می باشد. به همین دلیل این آنتن­ها به سه مشخصه پهنای باند امپدانسی بزرگ، تشعشع همه جهته و سادگی در طراحی و نصب معروف هستند تغذیه این آنتن ها معمولا از طریق یک کابل کواکسیال که از درون یکی از مخروط ها گذشته و به مرکز رسیده است انجام میشود. انرژی از محل تغذیه روی سطح مخروط ها، از راس مخروط به سمت قاعده حرکت کرده و در نهایت تشعشع خواهد داشت. در فرکانس های بالا این آنتن مانند یک آنتن دو مخروطی بی نهایت رفتار میکند.

آنتن دو مخروطی در راستای ارتفاع بیم باریک دارد ولی در راستای سمت بهره یکنواخت دارد. این آنتن ها می توانند بهره تا dB10 داشته باشند. نسبت بیشترین به کمترین فرکانس 4 به 1 قابل حصول است. ساخت این آنتن ها تا فرکانس GHz40 امکان پذیر است. ولی این آنتن هم تک قطبشی است و در صورتی که نیاز به دریافت هر دو قطبش باشد، باید از صفحه های قطبنده استفاده کنیم.

 

 

5.آنتن سهموی

آنتن های سهموی از پرکاربرد ترین آنتن ها در همه حوزه های مخابرات، رادار و جنگ الکترونیک هستند. آنتن های سهموی از یک بخش سهمی شکل و یک آنتن نسبتا ساده تر که در کانون این سهمی قرار دارد، تشکیل شده اند. بخش سهمی شکل میدان را در کانون متمرکز می کند و سپس آنتنی که در کانون قرار دارد، این میدان را به ولتاژ یا جریان تبدیل می کند.

آنتن های سهموی بیم بسیار باریک و بهره زیاد دارند. پهنای بیم آنها می تواند بین 0.2 درجه تا 10 درجه باشد. بهره بین 20dB تا بیش از 40dB متصور است. این پهنای بیم کم آنتن ها را برای جهت یابی ایدآل می سازد ولی در مقابل احتمال شنود این آنتن ها کم است. قطبش آنتن های سهموی همان قطبش آنتن قرار گرفته در کانون است و خود بخش سهموی تاثیری بر قطبش ندارد. پهنای باند فرکانسی این آنتن ها متوسط بوده و حدود 30% می باشد.

 

 

6.آنتن لوگ پریودیک

آنتن های لوگ پریودیک در واقع توسعه یافته آنتن های دوقطبی هستند. در این آنتن ها با قرار دادن چند دو قطبی با طول ها و فواصل مختلف حالت رزونانس بوجود می آید. این حالت هم باعث افزایش بهره آنتن شده و هم تا حدودی پترن آن را جهتی می نماید.

 

آنتن های لوگ پریویدک قطبش خطی دارند و این قطبش در راستای میله های آنتن است. بهره آنتن بین 5 تا dB15 بوده و پهنای بیم 30 تا 50 درجه دارند. مهمترین ویژگی این آنتن ها پهنای باند فرکانسی این آنتن است که نسبت بیشترین به کمترین فرکانس برابر با 10 است.

 

 

7.آنتن شیپوری

آنتن شیپوری در واقع توسعه یافته موجبر است. یک موجبر باز خود به صورت یک آنتن عمل کرده و موج را در فضای باز ایجاد می کند. وجود شیپور در خروجی موجبر باعث می شود که بهره بیشتر و پهنای پرتو کمتر داشته باشیم. در شکل زیر ساختار ساده شده یک آنتن شیپوری نشان داده شده است.

از آنجا که آنتن شیپوری از صفحه های صاف تشکیل شده ساخت آن با دقت بالا ممکن است. به همین دلیل می توان این آنتن ها را برای فرکانس های بسیار بالا (تا GHz40 یا بالاتر) نیز تولید کرد. آنتن های شیپوری به طور معمول قطبش خطی دارند ولی با اضافه کردن صفحه قطبنده می توان هر دو قطبش را دریافت کرد. ولی به هر حال استفاده از قطبنده، باعث تلفات در سیگنال ارسالی می شود. بهره آنتن های شیپوری بین 5 تا dB20 و پهنای پرتو بین 10 تا 40 درجه است. در یک آنتن شیپوری معمولی نسبت بالاترین فرکانس به پایین ترین 2 به 1 است. با این حال با روش هایی می توان این پهنای باند را افزایش داد. در شکل زیر انواع آنتن های شیپوری نشان داده شده است:

 

8.آنتن­ مدار چاپی

آنتن مایکرواستریپ یک اختراع نسبتاً مدرن است. این آنتن اختراع شد تا امکان ادغام راحت یک آنتن و سایر مدارهای محرک یک سیستم ارتباطی را روی یک برد مدار چاپی مشترک یا یک تراشه نیمه هادی فراهم کند. در مخابرات، آنتن مایکرواستریپ (که به عنوان آنتن مدار چاپی نیز شناخته می‌شود) معمولاً به معنای آنتنی است که با استفاده از تکنیک‌های فوتولیتوگرافی روی برد مدار چاپی (PCB) ساخته شده است. آنها بیشتر در فرکانس‌های مایکروویو استفاده می‌شوند. یک آنتن مایکرواستریپ مجزا از یک پچ خنثی فلزی با اشکال مختلف (یک آنتن پچ) روی سطح PCB (برد مدار چاپی) با یک صفحه زمین خنثی فلزی در طرف دیگر برد تشکیل شده است.

 

 اکثر آنتن‌های مایکرواستریپ از چندین پچ در یک آرایه دو بعدی تشکیل شده‌اند. آنتن معمولاً از طریق خطوط انتقال مایکرواستریپ خنثی به فرستنده یا گیرنده متصل می‌شود. جریان فرکانس رادیویی بین آنتن و صفحه زمین اعمال می‌شود (یا در آنتن‌های گیرنده سیگنال دریافتی تولید می‌شود). آنتن‌های مایکرواستریپ در دهه‌های اخیر به دلیل مقطع مسطح نازک خود که می‌توانند در سطوح محصولات مصرفی، هواپیماها و موشک‌ها گنجانده شوند؛ سهولت ساخت آنها با استفاده از تکنیک‌های مدار چاپی؛ سهولت ادغام آنتن روی همان برد با بقیه مدار و امکان افزودن دستگاه‌های فعال مانند مدارهای مجتمع مایکروویو به خود آنتن برای ساخت آنتن‌های فعال، بسیار محبوب شده‌اند.

شکل‌های رایج آنتن مایکرواستریپ مربع، مستطیل، دایره و بیضی است، اما هر شکل پیوسته دیگری نیز امکانپذیر است.

 

---