آنتن وسیله ای است که به عنوان رابط بین مدار الکتریکی و فضا عمل می کند و برای ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیسی در محدوده فرکانسی مشخص مطابق با اندازه و شکل خاص خود طراحی شده است. از فلز، عمدتاً مس یا آلومینیوم ساخته شده است، آنتن های انتقال دهنده می توانند جریان الکتریکی را به تابش الکترومغناطیسی تبدیل کنند و بالعکس. هر دستگاه بی سیم حداقل یک آنتن دارد.
امواج رادیویی شبکه بی سیم
هنگامی که نیاز به ارتباط بی سیم وجود دارد، یک آنتن مورد نیاز است. این قابلیت ارسال یا دریافت امواج الکترومغناطیسی برای برقراری ارتباط در جاهایی را دارد که نمی توان سیستم سیمی را نصب کرد.
آنتن عنصر کلیدی این فناوری بی سیم است. امواج رادیویی به دلیل توانایی آنها در عبور از ساختمان ها و طی مسافت های طولانی به راحتی ایجاد می شوند و به طور گسترده برای ارتباطات داخلی و خارجی استفاده می شوند.
ویژگی های کلیدی آنتن های فرستنده:
- از آنجایی که انتقال رادیویی همه جانبه است، نیاز به تطبیق فیزیکی استفرستنده و گیرنده مورد نیاز است.
- فرکانس امواج رادیویی بسیاری از ویژگی های انتقال را تعیین می کند.
- در فرکانس های پایین، امواج به راحتی می توانند از موانع عبور کنند. با این حال، توان آنها با مجذور معکوس فاصله کاهش می یابد.
- امواج با فرکانس بالاتر بیشتر جذب می شوند و روی موانع منعکس می شوند. به دلیل گستره انتقال طولانی امواج رادیویی، تداخل بین ارسال ها یک مشکل است.
- در باندهای VLF، LF و MF، انتشار موج، که امواج زمینی نیز نامیده می شود، از انحنای زمین پیروی می کند.
- حداکثر برد انتقال این امواج در حد چند صد کیلومتر است.
- آنتن های انتقال برای انتقال با پهنای باند کم مانند پخش مدولاسیون دامنه (AM) استفاده می شود.
- انتقال باند HF و VHF توسط جو نزدیک سطح زمین جذب می شود. با این حال، بخشی از تشعشع که موج آسمان نامیده می شود، به سمت بیرون و بالا به سمت یونوسفر در جو فوقانی منتشر می شود. یونوسفر حاوی ذرات یونیزه شده است که توسط تابش خورشید تشکیل شده اند. این ذرات یونیزه امواج آسمان را به زمین منعکس می‌کنند.
انتشار موج
- انتشار خط دید. در بین تمام روش های توزیع، این رایج ترین است. این موج حداقل مسافتی را که با چشم غیر مسلح دیده می شود طی می کند. در مرحله بعد، باید از فرستنده تقویت کننده برای افزایش سیگنال و ارسال مجدد آن استفاده کنید. اگر مانعی در مسیر انتقال آن وجود داشته باشد، چنین انتشار هموار نخواهد بود.این انتقال برای انتقال مادون قرمز یا مایکروویو استفاده می شود.
- انتشار موج زمینی از آنتن فرستنده. انتشار موج به زمین در امتداد خط زمین اتفاق می افتد. به چنین موجی موج مستقیم می گویند. این موج گاهی اوقات به دلیل میدان مغناطیسی زمین خم می شود و به گیرنده برخورد می کند. چنین موجی را می توان موج بازتابی نامید.
- موجی که در جو زمین منتشر می شود به عنوان موج زمین شناخته می شود. موج مستقیم و موج منعکس شده با هم سیگنالی را در ایستگاه گیرنده می دهند. هنگامی که موج به گیرنده می رسد، تاخیر متوقف می شود. علاوه بر این، سیگنال فیلتر می شود تا از اعوجاج و تقویت برای خروجی واضح جلوگیری شود. امواج از یک مکان و جایی که توسط بسیاری از آنتن‌های فرستنده گیرنده دریافت می‌شوند، منتقل می‌شوند.
سیستم مختصات اندازه گیری آنتن
هنگامی که کاربر به مدل های تخت نگاه می کند، با نشانگرهای آزیموت صفحه و ارتفاع صفحه الگو مواجه می شود. اصطلاح آزیموت معمولاً در رابطه با "افق" یا "افقی" رخ می دهد، در حالی که اصطلاح "ارتفاع" معمولاً به "عمودی" اشاره می کند. در شکل، صفحه xy صفحه آزیموت است.
الگوی صفحه ازیموتال زمانی اندازه گیری می شود که با حرکت کل صفحه xy در اطراف آنتن فرستنده گیرنده تحت آزمایش، اندازه گیری انجام شود. صفحه ارتفاعی صفحه ای متعامد به صفحه xy است، مانند صفحه yz. طرح ارتفاع، کل صفحه yz را در اطراف آنتن مورد آزمایش طی می کند.
نمونه ها (ازیموت ها و ارتفاعات) اغلب به صورت نمودار در قطب نمایش داده می شوند.مختصات این به کاربر این امکان را می دهد که به راحتی نحوه تابش آنتن را در همه جهات تجسم کند، به گونه ای که گویی قبلاً "نقطه دار" یا نصب شده است. گاهی اوقات ترسیم الگوهای تشعشع در مختصات دکارتی مفید است، به خصوص زمانی که چندین لبه جانبی در الگوها وجود دارد و سطوح لبه های جانبی مهم هستند.
ویژگی های اساسی ارتباط
آنتن ها اجزای ضروری هر مدار الکتریکی هستند زیرا اتصال بین فرستنده و فضای آزاد یا بین فضای آزاد و گیرنده را فراهم می کنند. قبل از صحبت در مورد انواع آنتن ها، باید خواص آنها را بدانید.
آرایه آنتن - استقرار سیستماتیک آنتن هایی که با هم کار می کنند. آنتن های مجزا در یک آرایه معمولاً از یک نوع هستند و در مجاورت نزدیک و در فاصله ثابتی از یکدیگر قرار دارند. این آرایه به شما امکان می دهد جهت، کنترل پرتوهای اصلی تشعشع و پرتوهای جانبی را افزایش دهید.
همه آنتن ها دارای بهره غیرفعال هستند. بهره غیرفعال بر حسب dBi اندازه گیری می شود که مربوط به یک آنتن همسانگرد نظری است. اعتقاد بر این است که انرژی را به طور مساوی در همه جهات منتقل می کند، اما در طبیعت وجود ندارد. بهره آنتن دوقطبی نیمه موج ایده آل 2.15 دسی بل است.
EIRP یا قدرت تابشی همسانگرد معادل آنتن فرستنده، معیاری از حداکثر توانی است که یک آنتن همسانگرد نظری در جهت تابش می کند.حداکثر سود EIRP تلفات خطوط برق و کانکتورها را در نظر می گیرد و سود واقعی را نیز شامل می شود. اگر بهره واقعی فرستنده و توان خروجی مشخص باشد، EIRP اجازه می دهد تا توان واقعی و قدرت میدان محاسبه شود.
افزایش آنتن در جهت
به عنوان نسبت افزایش توان در یک جهت معین به بهره قدرت آنتن مرجع در همان جهت تعریف می شود. استفاده از رادیاتور ایزوتروپیک به عنوان آنتن مرجع یک روش استاندارد است. در این حالت، یک ساطع کننده همسانگرد بدون تلفات خواهد بود، انرژی خود را به طور مساوی در همه جهات تابش می کند. این بدان معنی است که بهره یک رادیاتور همسانگرد G=1 (یا 0 دسی بل) است. استفاده از واحد dBi (دسی بل نسبت به رادیاتور همسانگرد) برای افزایش نسبت به رادیاتور همسانگرد معمول است.
بهره، بیان شده بر حسب dBi، با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود: GdBi=10Log (GNumeric / GISotropic)=10Log (GNumeric).
گاهی اوقات یک دوقطبی نظری به عنوان مرجع استفاده می شود، بنابراین واحد dBd (دسی بل نسبت به دوقطبی) برای توصیف بهره نسبت به دوقطبی استفاده می شود. این بلوک معمولاً برای تقویت آنتن های همه جهته با بهره بالاتر استفاده می شود. در این حالت بهره آنها 2.2 dBi بیشتر است. بنابراین اگر بهره آنتن 3 dBu باشد، بهره کل 5.2 dBi خواهد بود.
3dB پهنای پرتو
این پهنای پرتو (یا نیمی از پهنای پرتو قدرت) آنتن معمولاً برای هر یک از صفحات اصلی مشخص می شود. پهنای پرتو 3 دسی بل در هر صفحه به عنوان زاویه بین نقاط لوب اصلی که از حداکثر بهره 3 دسی بل کاهش می یابد، تعریف می شود. پهنای پرتو 3 دسی بل - زاویه بین دو خط آبی در ناحیه قطبی. در این مثال، عرض پرتو 3 دسی بل در این صفحه حدود 37 درجه است. آنتن‌های پهن پرتوی عریض معمولاً بهره کم دارند، در حالی که آنتن‌های با پهنای پرتو باریک بهره بیشتری دارند.
بنابراین، آنتنی که بیشتر انرژی خود را به یک پرتو باریک، حداقل در یک صفحه هدایت می کند، بهره بیشتری خواهد داشت. نسبت جلو به عقب (F/B) به عنوان معیاری برای سنجش میزان تابش از پشت آنتن جهت دار استفاده می شود. اساساً نسبت جلو به عقب نسبت بهره پیک در جهت جلو به بهره 180 درجه پشت پیک است. البته، در مقیاس DB، نسبت جلو به عقب به سادگی تفاوت بین افزایش پیک رو به جلو و افزایش 180 درجه پشت پیک است.
طبقه بندی آنتن
انواع مختلفی از آنتن ها برای کاربردهای مختلف مانند ارتباطات، رادار، اندازه گیری، شبیه سازی پالس الکترومغناطیسی (EMP)، سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) و غیره وجود دارد. برخی از آنها برای کار در باندهای فرکانسی باریک طراحی شده اند، در حالی که دیگرانطراحی شده برای انتشار/دریافت پالس های گذرا. مشخصات آنتن فرستنده:
- ساختار فیزیکی آنتن.
- باندهای فرکانس.
- حالت برنامه.
انواع آنتن ها بر اساس ساختار فیزیکی به شرح زیر است:
- سیم;
- دیافراگم;
- بازتابی;
- عدسی آنتن;
- آنتن های میکرواستریپ;
- آنتن های عظیم.
انواع آنتن های فرستنده بسته به فرکانس کار زیر است:
- 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).
- موج مایکروویو.
- موج رادیویی.
موارد زیر آنتن‌ها را بر اساس حالت‌های کاربردی ارسال و دریافت می‌کنند:
- اتصال نقطه به نقطه.
- برنامه های پخش.
- ارتباطات رادار.
- ارتباطات ماهواره ای.
ویژگی های طراحی
آنتن های فرستنده تابش فرکانس رادیویی ایجاد می کنند که در فضا منتشر می شود. آنتن‌های گیرنده فرآیند معکوس را انجام می‌دهند: تابش فرکانس رادیویی را دریافت می‌کنند و آن را به سیگنال‌های مورد نظر، مانند صدا، تصویر در آنتن‌های فرستنده تلویزیون و تلفن همراه تبدیل می‌کنند.
ساده ترین نوع آنتن از دو میله فلزی تشکیل شده و به دوقطبی معروف است. یکی از رایج ترین انواع آن استیک آنتن تک قطبی متشکل از یک میله که به صورت عمودی روی یک تخته فلزی بزرگ قرار می گیرد که به عنوان صفحه زمین عمل می کند. نصب بر روی وسایل نقلیه معمولا به صورت تک قطبی است و سقف فلزی وسیله نقلیه به عنوان زمین عمل می کند. طراحی آنتن فرستنده، شکل و اندازه آن فرکانس کاری و سایر ویژگی های تابش را تعیین می کند.
یکی از ویژگی های مهم آنتن جهت دهی آن است. در ارتباط بین دو هدف ثابت، مانند ارتباط بین دو ایستگاه انتقال ثابت، یا در کاربردهای رادار، یک آنتن برای انتقال مستقیم انرژی انتقال به گیرنده مورد نیاز است. برعکس، هنگامی که فرستنده یا گیرنده ثابت نیست، مانند ارتباطات سلولی، یک سیستم غیر جهت دار مورد نیاز است. در چنین مواردی، یک آنتن همه جهته مورد نیاز است که تمام فرکانس ها را به طور یکنواخت در تمام جهات صفحه افقی دریافت کند، و در صفحه عمودی تابش ناهموار و بسیار کوچک است، مانند آنتن فرستنده HF.
منابع انتقال و دریافت
فرستنده منبع اصلی تابش RF است. این نوع شامل یک هادی است که شدت آن در طول زمان در نوسان است و آن را به تشعشعات فرکانس رادیویی تبدیل می کند که در فضا منتشر می شود. آنتن گیرنده - دستگاهی برای دریافت فرکانس های رادیویی (RF). انتقال معکوس انجام شده توسط فرستنده را انجام می دهد، تابش RF را دریافت می کند، آن را به جریان الکتریکی در مدار آنتن تبدیل می کند.
ایستگاه های پخش تلویزیونی و رادیویی از آنتن های فرستنده برای انتقال انواع خاصی از سیگنال هایی که در هوا حرکت می کنند استفاده می کنند. این سیگنال‌ها با آنتن‌های دریافتی شناسایی می‌شوند که آنها را به سیگنال تبدیل می‌کنند و توسط دستگاه مناسبی مانند تلویزیون، رادیو، تلفن همراه دریافت می‌شوند.
آنتن های گیرنده رادیو و تلویزیون فقط برای دریافت تابش فرکانس رادیویی طراحی شده اند و تشعشع فرکانس رادیویی تولید نمی کنند. دستگاه‌های ارتباط سلولی، مانند ایستگاه‌های پایه، تکرارکننده‌ها و تلفن‌های همراه، دارای آنتن‌های ارسال و دریافت اختصاصی هستند که انرژی فرکانس رادیویی را ساطع می‌کنند و به شبکه‌های سلولی مطابق با فناوری‌های شبکه ارتباطی سرویس می‌دهند.
تفاوت بین آنتن آنالوگ و دیجیتال:
- آنتن آنالوگ دارای بهره متغیر است و در محدوده 50 کیلومتری برای DVB-T کار می کند. هرچه کاربر از منبع سیگنال دورتر باشد، سیگنال بدتر است.
- برای دریافت تلویزیون دیجیتال - کاربر یا یک تصویر خوب یا یک تصویر دریافت می کند. اگر از منبع سیگنال دور باشد، هیچ تصویری دریافت نمی کند.
- آنتن دیجیتال فرستنده دارای فیلترهای داخلی برای کاهش نویز و بهبود کیفیت تصویر است.
- سیگنال آنالوگ مستقیماً به تلویزیون ارسال می شود، در حالی که سیگنال دیجیتال ابتدا باید رمزگشایی شود. این به شما امکان می دهد خطاها و همچنین داده هایی مانند فشرده سازی سیگنال را برای ویژگی های بیشتری مانند کانال های اضافی، EPG، تلویزیون پرداخت، تصحیح کنید.بازی های تعاملی و غیره.
فرستنده دوقطبی
آنتن های دوقطبی رایج ترین نوع همه جهته هستند و انرژی فرکانس رادیویی (RF) را 360 درجه به صورت افقی پخش می کنند. این دستگاه ها به گونه ای طراحی شده اند که در طول موج نصف یا یک چهارم فرکانس اعمال شده تشدید شوند. این می تواند به سادگی دو طول سیم باشد یا می تواند محصور شود.
Dipole در بسیاری از شبکه های شرکتی، دفاتر کوچک و مصارف خانگی (SOHO) استفاده می شود. دارای یک امپدانس معمولی برای تطبیق آن با فرستنده برای انتقال حداکثر توان است. اگر آنتن و فرستنده مطابقت نداشته باشند، انعکاس هایی در خط انتقال رخ می دهد که سیگنال را کاهش می دهد یا حتی به فرستنده آسیب می رساند.
تمرکز مستقیم
آنتن های جهت دار، توان تابش شده را به پرتوهای باریک متمرکز می کنند، که سود قابل توجهی در این فرآیند ایجاد می کند. خواص آن نیز متقابل است. ویژگی های آنتن فرستنده مانند امپدانس و بهره در مورد آنتن گیرنده نیز صدق می کند. به همین دلیل است که می توان از یک آنتن برای ارسال و دریافت سیگنال استفاده کرد. بهره یک آنتن سهموی بسیار جهت دار برای تقویت یک سیگنال ضعیف عمل می کند. این یکی از دلایلی است که آنها اغلب برای ارتباطات راه دور استفاده می شوند.
یک آنتن جهت دار متداول، آرایه Yagi-Uda به نام Yagi است. این توسط شینتارو اودا و همکارش هیدتسوگو یاگی در سال 1926 اختراع شد. آنتن یاگی از چندین عنصر برایتشکیل یک آرایه جهت دار یک عنصر رانده، معمولا یک دوقطبی، انرژی RF را منتشر می کند، عناصر بلافاصله قبل و پشت عنصر محرک، انرژی RF را به داخل و خارج از فاز بازتاب می دهند و به ترتیب سیگنال را تقویت و کاهش می دهند.
این عناصر را عناصر انگلی می نامند. عنصری که در پشت بنده قرار دارد را بازتابنده و عناصر جلوی برده را کارگردان می نامند. آنتن‌های Yagi دارای پهنای پرتو بین 30 تا 80 درجه هستند و می‌توانند بیش از 10 دسی‌بی‌ای بهره غیرفعال ارائه دهند.
آنتن سهموی آشناترین نوع آنتن جهت دار است. سهمی یک منحنی متقارن است و یک بازتابنده سهموی سطحی است که یک منحنی را در طول چرخش 360 درجه توصیف می کند - یک بشقاب. آنتن های سهموی برای اتصالات طولانی بین ساختمان ها یا مناطق جغرافیایی بزرگ استفاده می شود.
رادیاتورهای مقطعی نیمه جهت
آنتن پچ یک رادیاتور نیمه جهته است که از یک نوار فلزی مسطح در بالای زمین نصب شده است. تشعشع از پشت آنتن به طور موثر توسط صفحه زمین قطع می شود و جهت رو به جلو را افزایش می دهد. این نوع آنتن به آنتن میکرواستریپ نیز معروف است. معمولاً مستطیل شکل است و در یک جعبه پلاستیکی محصور می شود. این نوع آنتن را می توان با روش های استاندارد PCB ساخت.
آنتن پچ می تواند دارای عرض پرتو از 30 تا 180 درجه باشد وبهره معمولی 9 دسی بل است. آنتن های سکشنال نوع دیگری از آنتن های نیمه جهته هستند. آنتن های سکتوری الگوی تابش سکتوری را ارائه می دهند و معمولاً در یک آرایه نصب می شوند. پهنای پرتو برای یک آنتن سکتور می تواند بین 60 تا 180 درجه باشد که 120 درجه معمولی است. در یک آرایه پارتیشن بندی شده، آنتن ها نزدیک به یکدیگر نصب می شوند و پوشش کامل 360 درجه را فراهم می کنند.
ساخت آنتن Yagi-Uda
در طول دهه‌های گذشته، آنتن Yagi-Uda تقریباً در همه خانه‌ها قابل مشاهده بوده است.
می توان دید که کارگردان های زیادی برای افزایش جهت دهی آنتن وجود دارد. فیدر یک دوقطبی تا شده است. بازتابنده عنصر بلندی است که در انتهای سازه قرار می گیرد. مشخصات زیر باید برای این آنتن اعمال شود.
| عنصر | مشخصات |
| طول عنصر کنترل شده | 0.458λ تا 0.5λ |
| طول بازتابنده | 0، 55λ - 0.58λ |
| مدت زمان کارگردانی 1 | 0.45λ |
| مدت کارگردان 2 | 0.40λ |
| مدت زمان کارگردانی 3 | 0.35λ |
| فاصله بین کارگردانان | 0.2λ |
| بازتابنده برای فاصله بین دوقطبی | 0.35λ |
| فاصله بین دوقطبی و کارگردان | 0.125λ |
در زیر مزایای آنتن های Yagi-Uda آورده شده است:
- سود بالا.
- تمرکز بالا.
- دستگیری و نگهداری آسان.
- انرژی کمتری هدر می رود.
- پوشش فرکانس گسترده تر.
معایب آنتن های Yagi-Uda به شرح زیر است:
- مستعد سر و صدا.
- مستعد تأثیرات جوی است.
در صورت رعایت مشخصات فوق می توان آنتن Yagi-Uda را طراحی کرد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، الگوی جهت آنتن بسیار کارآمد است. لوب های کوچک سرکوب می شوند و جهت دهی ضربان اصلی با افزودن کارگردان ها به آنتن افزایش می یابد.
