آنتن های هوشمند

از سال ۱۸۷۷م كه نخستين آنتن ساده توسط هرتز ساخته شد. نظريه طراحي آنتن ها به سرعت پيشرفت كرده است و اين پيشرفت ادامه دارد، با توجه به اينكه آنتن ها جزئي از يك سيستم مخابراتي الكترونيكي هستند، بايستي تكنولوژيست ها و مهندسين برق الكترونيك در اين زمينه دانش كافي داشته باشند. اميد است در اين مقال اندك كه در زير به اجمال عنوان فصول آن را خواهيم آورد، قدمي هر چند كوچك در اين راه برداشته باشيم .

اين پايان نامه از ۵ فصل تشكيل شده است. فصل اول در قالب طرح تحقيق به بررسي تاريخچه و نيز اهميت مساله مورد تحقيق مي پردازد. قابل ذكر است كه اهداف ويژه تحقيق در اين مساله نيز با توجه به عنوان و روش انجام اين تحقيق به جاي فرضيه ها و سوال هاي تحقيق در طرح تحقيق گنجانده شده است.
در فصل دوم به مباني مبحث آنتن ها – انواع و پارامترهاي آن پرداخته شده است . آنتن مايكروويو بوقي و مخروطي و نيز آنتن هاي آرايه اي از جمله آنتن هاي مهم مورد بحث مي باشند . جهت دهندگي آنتن ، پهناي شعاع آنتن ، مقاومت پرتو افكني آنتن ، امپدانس ورودي آنتن ، سطح موثر و طول موثر آنتن پلاريزاسيون آنتن و … نيز از جمله شاخص ترين پارامترهاي آنتن مي باشند كه در اين فصل درباره آنها سخن گفته شده است .

در فصل سوم به بحث پيرامون شبكه هاي كامپيوتري مي پردازيم . مطالب مورد بحث در اين فصل شامل توضيح مختصري در مورد سخت افزار شبكه ، نرم افزار شبكه ، پشته ي پروتكلي ۸۰۲٫۱۱ – به عنوان مهمترين شبكه ي محلي بي سيم – و نيز پشته ي پروتكلي ۸۰۲٫۱۶ – مهمترين شبكه ي بي سيم باند گسترده- مي باشند .
در فصل چهارم آنتن هاي هوشمند و كاربرد و مزيت آنها در شبكه هاي بي سيم در بخش اول اين فصل و نيز آنتن هاي آرايه فازي به طور تخصصي تر در بخش دوم اين فصل مورد بحث قرار مي گيرند .

فصل پنجم نيز نتيجه گيري كلي و پيشنهاد به ديگر پژوهندگان علاقه مند به اين موضوع را شامل مي شود . اميد كه مفيد محضر خوانندگان محترم قرار گيرد .
والسلام علي من اتبع الهدي؛ گردآورندگان. مهر ۸۵

فصل اول

طرح
تحقیق

طرح تحقيق

تاريخچه مختصري در باره ي موضوع تحقيق:
همانطور كه مي دانيد عنوان شبكه در برگيرنده مفهومي وسيع است كه شبكه چاه هاي آب روستايي ( قنات ها)، شبكه ي نهرها و كانال هاي آبياري مزارع، شبكه آب و فاضلاب شهري، شبكه گاز شهري، شبكه پدافند هوايي و نيز شبكه هاي كامپيوتري هر كدام به نحوي تداعي كننده مفهوم كلي اين كلمه مي باشند.
البته واضح است كه با توجه به پيشرفت چشمگير كامپيوتر و تكنولوژي هاي وابسته به آن (جمع آوري، پردازش و توزيع اطلاعات) در دنياي امروز، شبكه هاي كامپيوتري در تمامي مفاهيم كه از شبكه عنوان شد، وارد شده اند، و نرم افزار هاي كامپيوتري كارهاي مديريت، نظارت و كنترل كليه شبكه هاي ياد شده را به عهده گرفته اند. پيوند فرخنده كامپيوتر و مخابرات اتفاقي بود كه هر دو صنعت را دچار تحولات عظيم كرد. اكنون ديگر مفهوم اتاقي با يك كامپيوتر بزرگ به نام « مركز كامپيوتر» كه افراد كارهايشان را به آنجا مي آورند، به كلي منسوخ شده است. مدل قديمي كامپيوتر بزرگي كه تمام كارهاي محاسباتي سازمان را انجام مي دهد، اكنون جاي خود را به تعداد زيادي كامپيوتر كوچك متصل به هم داده است. به اين سيستم ها شبكه هاي كامپيوتري (computer netwoks) گفته مي شود.

دو كامپيوتر وقتي « به هم متصل اند» كه بتوانند با يكديگر اطلاعات رد و بدل كنند. الزامي نيست كه اين اتصال از طريق سيم هاي مسي باشد، فيبرهاي نوري، امواج مايكروويو، مادون قرمزو ماهواره هاي مخابراتي هم مي توانند عامل اين ارتباط باشند.
در اينجا پس از طرح مساله شبكه هاي بي سيم، مهمترين مساله بررسي آنتن هاي قابل استفاده در اين شبكه ها مي باشد، كه در ابتدا لازم مي دانيم تاريخچه مختصري از پيدايش آنتن را نيز در اختيار خوانندگان محترم قرار دهيم.

مبناي نظري آنتن ها بر معادلات ماكسول استوار است. جيمز كلارك ماكسول (۱۸۳۱-۱۸۷۹) در سال ۱۸۶۴ در حضور انجمن سلطنتي انگلستان نظريه خود را ارائه داد؛ مبني بر اينكه نور و امواج الكترو مغناطيسي پديده هاي فيزيكي يكساني دارند. همچنين پيش بيني كرد كه نور و اختلالات الكترو مغناطيسي را مي توان به صورت امواج رونده داراي سرعت برابر توجيه كرد. در سال ۱۸۸۲ فيزيكدان آلماني هاينريش هرتز (۱۸۹۴-۱۸۷۵) با افزايش تحقيقات در اين زمينه ادعاي ماكسول را در عمل اثبات كرد و نشان داد كه امواج الكترو مغناطيسي در فضا منتشر مي شود. هرتز، آنتن هايي از نوع دو قطبي و سهموي را نيز ساخت. مهندس برق ايتاليايي ماركوني (۱۹۳۷-۱۸۷۴) نيز يك آنتن استوانه ميكروويو در طول موج ۲۳ سانتي متري را ساخت، ولي كارهاي بعديش براي حصول برد مخابراتي بهتر در طول موج هاي بلند تر بود. فيزيكدان روسي الكساندر پوپوف (۱۸۹۵-۱۹۰۵) نيز اهميت كشف امواج راديويي را توسط هرتز

تشخيص داد و يك سال بعد، قبل از ماركوني شروع به فعاليت كرد. اغلب افتخار كاربرد اولين آنتن در اولين سيستم راديويي را در سال ۱۸۷۹ براي ارسال سيگنال از كشتي به ساحل در مسافت ۳مايل به او مي دهند. در هر حال اين ماركوني بود كه راديوي تجارتي را توسعه داد و مخابرات راديويي را در ماوراي اقيانوس اطلس ايجاد كرد. ماركوني را پدر راديوی آماتور مي شناسند. لازمه ارتباط در اين سال ها با آنتن محدود به وجود مولدهاي سيگنال بود. ساخت مولدهاي سيگنال كلايستروني و مگنتروني ( در حدود يك گيگا هرتز ) باعث شد كه آنتن هاي بوقي توسعه يابند. در طول جنگ جهاني دوم اولين كوشش ها جهت توسعه آنتن هاي مدرن براي رادار انجام گرفت، و هم اكنون آنتن هاي پيشرفته اي جهت ارتباط مايكروويوي و راداري ساخته مي شوند. كه آنتن هاي آرايه فازي از جمله ي اين آنتن ها مي باشند. كه در فصول آتي به آنها خواهيم پرداخت.

اهميت انجام تحقيق:
با توجه به پيشرفت روز افزون تكنولوژي ارتباطات و البته ارتباطات بي سيم، درجه اهميت شبكه ها، به ويژه شبكه هاي بي سيم براي عموم و البته دانشگاهيان پر واضح است. اما مطلب مورد بحث درباره اهميت انجام اين تحقيق، ميزان كارايي نتيجه اين پژوهش در مسير رشد و تعالي نيروي هوايي ارتش جمهوري اسلامي ايران است، كه در اين مقال بايستي به آن پرداخته شود.

همانطور كه مي دانيد شبكه پدافند هوايي كشور C3 از زمان شهيد بزرگوارسر لشكر منصور ستاري در مسير تمركز و هماهنگي بهينه و در واقع نهادينه كردن سيستم C4I و ورود كامپيوتر به اين عرصه، قرار گرفته است. در اين راستا بر آن شديم، كه با مطالعه در مورد شبكه هاي كامپيوتري و ملزومات آنها بستري جهت آمادگي هر چه بيشتر خود و نيز خوانندگان محترم فراهم آوريم؛ كه به توسعه و پيشرفت در شبكه پدافند هوايي كشور در آتيه نزديك انجامد. (ان شاء ا… ) زيرا كه معتقديم دست يابي به هر تكنولوژي و پيشرفت در آن، منوط به شناخت پايه اي و بنيادي آن تكنولوژي مي باشد. در اين بين با توجه به گستردگي قلمرو فضايي كشور و مخارج عظيم ارتباطات باسيم، تكنولوژي شبكه هاي بي سيم از ملزومات اين امر به نظر مي رسد؛ كه ما سعي كرده ايم به معرفي آنها بپردازيم اميد كه مقبول حق و مطلوب نظر خوانندگان قرار گيرد.
اهداف كلي تحقيق :

فراهم نمودن زمينه و استعداد بالقوه در مسير توسعه شبكه پدافند هوايي كشور، به عنوان يك شبكه بي سيم كارا، بزرگ و متمركز از طريق ايجاد آمادگي علمي بنيادي درمورد شبكه هاي بي سيم و آنتن هاي مورد استفاده در آنها در ميان پرسنل آينده پدافند هوايي ارتش جمهوری اسلامي ايران.
هدف هاي ويژه تحقيق :

– شناخت كلي شبكه هاي كامپيوتري و به ويژه شبكه هاي بي سيم.
– شناخت انواع روش هاي مدولاسيون جهت تهيه سيستم هاي ارتباطي لازم براي طراحي يك شبكه بي سيم بزرگ و ممتركز.
– شناخت آنتن و انواع آن.

– شناخت آنتن هاي هوشمند و مزيت بكار گيري آن ها در شبكه هاي بي سيم.
روش انجام تحقيق :

با توجه به اينكه در اين پايان نامه به شناخت كلي شبكه هاي بي سيم و نيز تجزيه وتحليل ملزومات آنها از جمله آنتن هاي قابل استفاده در آنها پرداخته شده است، براي انجام اين تحقيق از روش موردي و زمينه اي بهره گرفته شده است؛ كه نتيجه مي گيريم اين تحقيق در سطحي مياني از لحاظ سطح بندي تحقيقات، قرار گرفته است و ديدي بين حال نگر و آينده نگر از نظر زماني،بر مساله دارد.

جامعه آماري در اين مسير اساتيد محترم دانشكده مهندسي كنترل و نيز دانشكده مهندسي برق بوده اند. محيط پژوهش كتابخانه دانشكده هاي برق و كامپيوتر و نيز كتابخانه دانشكده برق دانشگاه صنعتي امير كبير و نيز كتابخانه مركزي دانشگاه هاي صنعتي شريف و تربيت مدرس بوده است.
روش گردآوري اطلاعات نيز بر پايه ترجمه متون انگليسي از كتاب هاي جديد منتشر شده در اين زمينه و نيز نمونه برداري از ميان پايان نامه هاي دانشجويان دانشگاه هاي يادشده بوده است.

فصل دوم
مبانی
آنتن
انواع و پارامترهای آن

مباني آنتن
انواع و پارامتر هاي آن

۲_۱: تاريخچه:
از آغاز تمدن بشري مخابرات اهميت اساسي را براي جوامع انسانها داشته است. كه در مراحل ابتدايي مخابرات توسط امواج صوتي از طريق صدا صورت گرفت. و سپس در مسافت طولاني تر از ابزارهاي مخابراتي نوري كه از قسمت مرئي طيف الكترومغناطيسي است، استفاده شده و تنها در تاريخ اخير بشر است كه طيف الكترومغناطيسي خارج از ناحيه مرئي براي ارتباطات راه دور از طريق امواج راديويي به كار برده شده است.
آنتن راديويي يك قطعه اساسي در هر سيستم راديويي مي باشد. يك آنتن راديويي يك ابزاري است كه امكان تشعشع يا دريافت امواج راديويي را فراهم مي سازد.

همانطوري كه مي دانيم يكي از بزرگترين منابع انسان طيف الكترومغناطيسي است و آنتن ها دراستفاده ازاين منبع طبيعي نقش اساسي را ايفا كرده اند.حال تاريخچه مختصري از تكنولوژي آنتن ها و بعضي از كاربردهاي آنها در زير ارائه مي شود:

مبناي نظريه آنتن ها بر معادلات ماكسول استوار است. جيمزكلارك ماكسول (۱۸۳۱-۱۸۹۷) در سال ۱۸۶۴ در حضور انجمن سلطنتي انگلستان نظريه خود را مبني بر اينكه نور و امواج الكترو مغناطيسي پديده هاي فيزيكي يكساني هستند ارائه داد.فيزيكدان آلماني هاينريش هرتز ( ۱۸۵۷- ۱۸۹۷) در سال ۱۸۸۶ توانست صدق ادعا و پيش بيني ماكسول را مبني بر اينكه كنش ها و پديده هاي الكترو مغناطيسي مي توانند در هوا منتشر شوند را نشان دهد و همچنين وي آنتن هاي دو قطبي و حلقوي و نيز آنتن هاي سهموي استوانه اي پيچيده اي

را که داراي دو قطبي هايي در امتداد خط كانوني شان بودندرا بعنوان تغذيه ساخت.مهندس برق ايتاليايي( گوگليمو ماركوني ) فيزيك استوانه سهمي ميكروويودر طول موج ۲۳ سانتي متر را براي انتقال اوليه اش ساخت، ولي كارهاي بعديش براي حصول برد مخابراتي بهتر در طول موج هاي بلندتر بود. براي اولين بار در مخابرات راديويي در ماوراي اقيانوس اطلس در سال ۱۹۰۱، آنتن فرستنده شامل يك فرستنده جرقه اي بود كه بين زمين و يك سيستم شامل ۵۰ عدد سيم قائم متصل مي شود.فيزيكدان انگليسي «الكساندر پوپوف » ( ۱۹۵۹-۱۹۰۵) نيز اهميت كشف امواج راديويي را درسال۱۸۹۷برای ارسال يك سيگنال از كشتي به ساحل درمسافت ۳ مايل نشان داد. در هر حال اين ماركوني بود كه راديوي تجارتي را توسعه داده و مي توان او را پدر راديوی آماتور دانست.

پس از سال ۱۹۲۰، با استفاده از مولدهاي سيگنال مانند لامپ « تريود دوفارست » ، ساخت آنتن هاي تشديد مانند دو قطبي نيم موج امكان يافت. قبل از جنگ دوم جهاني مولدهاي سيگنال مگنترون و كلايسترون ميكروويو( در حدود۱ گيگا هرتز) همراه با موج هاي تو خالي اختراع و توسعه يافتند. اين تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتن هاي بوقي شد.در خلال جنگ جهاني دوم يك فعاليت وسيع طراحي، و توسعه براي ساخت سيستم هاي رادار منجر به ابداع انواع مختلف آنتن هاي بشقابي، عدسي های آرايه اي شكافي موج بري شد. حال با توجه به اين مقدمه عوامل مختلفي را كه در انتخاب بين خطوط انتقال يا آنتن ها دخالت دارند بيان می كنيم.بطور كلي خطوط انتقال در فركانس هاي پايين و فواصل كوتاه عملي هستند، فركانس هاي بالا اغلب به علت پهناي باند موجود بكار مي روند. با افزايش فواصل و فركانس ها تلفات سيگنالي و هزينه هاي كاربردي خطوط انتقال بيشتر مي شود ودرنتيجه استفاده از آنتن ها ارجحيت مي يابد.

بطور كلي تعدادي از موارد استفاده آنتن ها بدين صورت مي باشد :
الف – درمخابرات راديو سيار شامل هواپيماها، فضاپيماها، كشتي ها يا خودروهاي زميني بكار برد.
ب – كاربرد آنتن ها در سيستم هاي راديويي سخن پراكندگي مانند راديوي خودروي متحرك سيار و كاربردهاي غير سخن پراكني مانند سيستم هاي راديو سيار ( مانند پليس، آتش نشاني، امداد،…) و راديو آماتور.

ج – استفاده از تكنولوژي راديويي بجاي استفاده از خطوط انتقال.
بعنوان مثال در آمريكا بيشتر از نصف مكالمات تلفني دور ( بين شهري) توسط ارتباطات راديويي ميكروويو انجام مي گيرد. و با توجه به اينكه هر سال هزينه هاي دستگاه هاي راديويي كاهش يافته و اطمينان پذيري آنها بهبود مي يابد، كاربردهاي سيستم هاي راديويي ارجحيت مي يابد.
۲_۲: انواع آنتن ها از نظر كاربرد :

آنتن ها از نظر ساختار و نوع كاربرد به انواع مختلفي تقسيم مي شوند،كه درذيل به تعدادي از آنها اشاره مي شود
الف) آنتن هرتز : آنتن هرتز در فاصله اي بالا واقع شده و ممكن است بطور افقي يا عمودي باشد و براي فركانس هاي زياد به كار مي رود.
ب) آنتن ماركني : در اين نوع آنتن، انتهاي پايين مولد به زمين متصل است و سطح زمين بجاي صحفه هادي
به كار مي رود. طرز توزيع جريان و ولتاژ براي فركانس اصلي، چهل برابر طول آنتن مي باشد و اين آنتن براي
فركانس هاي كم مورد استفاده قرار مي گيرد.آنتن ماركني در بعضي موارد ممكن است براي فركانس هاي بالا به كار رود، مثل آنتن هاي ارتباطي هواپيما كه در اين حالت بدنه هواپيما بجاي زمين عمل مي كند.

پ) آنتن شلاقي : معمولي ترين آنتني است كه در عمليات تاكتيكي براي ايجاد ارتباط در ساخت هاي نسبتاً كوچک بكار مي رود. بيشتر آنتن هاي شلاقي طوري طراحي شده اند كه در زماني كه مورد احتياج نيستند با فشار جزيي يك قسمت، داخل قسمت ديگر قرار مي گيرند. وقتي كه آنتن هاي شلاقي در باند فركانسي زياد كار مي كنند، طول آن ها معمولاً كسر كوچكي از طول موج مي باشد و در اين حالت بايد يك سيم پيچ به خاصيت القايي زيادي به كاربرده شود تا آنتن مزبور به حالت هماهنگي صحيح درآيد.

ت ) آنتن لوزي ( روبيك) : اين آنتن از چهار سيم ساخته شده است كه به شكل لوزي متصل شده اند و موازي زمين قرار گرفته اند. با قرار دادن چرخ ها روي دكل های نگهدارنده، مي توان ارتفاع آنتن را نسبت به زمين تغيير داد.منبع تغذيه در حالت فرستنده توسط خط انتقال متعادلي از يك سو به آنتن وصل مي شود و مقاومت سوي ديگر را به گونه اي تنظيم مي كنند كه تنها موج رونده روي آنتن بوجود آيد. توجه كنيد كه خط انتقال متعادل، خط انتقالي است كه امپدانس در بازوي آن نسبت به زمين برابر باشد.در فضاي آزاد حداكثر پرتو افكني آنتن در امتداد قطر بزرگ لوزي صورت مي گيرد و پلاريزسيون آن افقي است.اين آنتن به علت سادگي طرح در فرستنده ها و گيرنده ها كاربرد زيادي داشته و به منظور ايجاد ارتباط در مسافت هاي زياد و كار فركانس هاي بالا به حد زيادي مورد استفاده قرار مي گيرد.همچنين اين آنتن در ارتباطات منطقه به كار مي رود. زيرا در باند وسيعي به كار رفته و نصب و نگهداري آن ساده تر از آنتن هاي ديگر مي باشد عيب اصلي آن اين است كه احتياج به يك زمين وسيع دارد.

ث) آنتن V معكوس : اين آنتن از دكل نارسانا و دو رشته سيم مطابق شكل (۲-۱) شده است.

 

شكل۲٫۱:آنتنVمعكوس
خط انتقال بين نقطه A و زمين وصل مي شود. انتهاي آنتن( نقطه C) را به وسيله مقاومت متصل مي کنند. تعداد R نزديک امپدانس مشخصه خط ABC برگزيده مي شود تا مانع از هر گونه بازتاب موج و در نتيجه، روي سيم آنتن ABC موج پيش رونده بوجود مي آيد. در اين آنتن، اندازه زاويه αداراي اهميت است و بسته به کاربرد، بايد به گونه اي ويژه برگزيده شود، در صورتي که اين آنتن بالاي صفحه رساناي کاملي قرار گرفته باشد، جهت جريان هاي تصوير، عکس جريان هاي آنتن خواهد بود حداکثر پرتو در امتداد زمين، داراي پلاريزاسيون عمودي، براي انتشار از راه يونسفر مناسب نيستندو تنها به عنوان آنتن گيرنده امواج زميني و يا سطحي در بخش پايين نوار فرکانس بالا، مورد استفاده قرار مي گيرند.
چون اين آنتن ها در مجاورت زمين، داراي شعاع هاي فرعي بي شماري با پلاريزاسيون افقي نيز هستند، امواج ناخواسته رسيده از جهت هاي ديگري دريافت مي کنند که داراي پلاريزاسيون عمودي و يا افقي هستند که اين مساله از نکات منفي اين امر است.