آنتن | گیرنده رادیویی|فرکانس مختلف

آنتن ها

آنتن ها بسیار بیشتر از دستگاه های ساده ای هستند که به هر رادیویی متصل می شوند. آنها مبدل هایی هستند که ولتاژ یک فرستنده را به سیگنال رادیویی تبدیل می کنند. و سیگنال های رادیویی را از هوا می گیرند و آنها را به ولتاژی برای بازیابی در گیرنده تبدیل می کنند.

آنتن‌ها که معمولاً بدیهی تلقی می‌شوند و برای آخرین لحظه در طراحی رها می‌شوند، با این وجود برای برقراری و حفظ یک اتصال رادیویی قابل اعتماد حیاتی هستند. ممکن است برای اکثر مهندسان، به ویژه EE هایی که برای اولین بار با برنامه های بی سیم کار می کنند، پیچیده و مبهم به نظر برسند - البته ناگفته نماند که آنها در اندازه ها و شکل های مختلف به ظاهر بی نهایت هستند. با این حال، بررسی مختصر موارد ضروری می تواند به رفع هرگونه نگرانی طراحی کمک کند.

به هر حال موج رادیویی چیست؟

موج رادیویی ترکیبی از میدان مغناطیسی در زاویه قائم به میدان الکتریکی است. هر دو در یک فرکانس خاص نوسان می کنند و با هم در جهتی عمود بر هر دو میدان حرکت می کنند. این میدان های الکترومغناطیسی با سرعت نور (حدود 300 میلیون متر در ثانیه یا حدود 186400 مایل در ثانیه) در فضای آزاد حرکت می کنند. طبق معادلات معروف ماکسول، آنها در طول مسیر از یکدیگر حمایت می کنند و دوباره تولید می کنند، اما در طول مسافت ضعیف می شوند.

برخی از ویژگی های یک موج رادیویی چیست؟

یکی از ویژگی های کلیدی جهت گیری مزارع با زمین است. به این می گویند پلاریزاسیون. اگر میدان الکتریکی به سطح زمین عمودی باشد، آنتن به صورت عمودی پلاریزه می شود. اگر آنتن با سطح زمین افقی باشد به صورت افقی پلاریزه می شود.

آیا ویژگی های حیاتی دیگری برای موج رادیویی وجود دارد؟

به طور کلی امواج رادیویی دارای میدان نزدیک و میدان دور هستند. میدان نزدیک به آنتن نزدیک است، معمولاً در چندین طول موج (λ). میدان دور در حدود 10 طول موج یا بیشتر از آنتن است. میدان دور از آنتن جدا می شود و به سیگنال رادیویی تبدیل می شود. کاربردهایی مانند ارتباطات فرکانس رادیویی (RFID) و ارتباطات میدان نزدیک (NFC) از میدان نزدیک استفاده می کنند که بیشتر شبیه میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور است. اما به طور کلی، میدان دور مفیدترین موج رادیویی است.

آنتن چگونه کار می کند؟

آنتن موجود در فرستنده موج رادیویی را تولید می کند. یک ولتاژ در فرکانس مورد نظر به آنتن اعمال می شود. ولتاژ بین عناصر آنتن و جریان عبوری از آنها به ترتیب امواج الکتریکی و مغناطیسی را ایجاد می کنند. در گیرنده، موج الکترومغناطیسی که از روی آنتن می گذرد، ولتاژ کمی را القا می کند. بنابراین، آنتن به منبع سیگنال ورودی گیرنده تبدیل می شود.

آیا یک آنتن هم برای انتقال و هم برای دریافت کار می کند؟

آره. ما به آن آنتن متقابل می گوییم. هر آنتنی برای ارسال یا دریافت کار می کند. در بسیاری از برنامه های بی سیم، آنتن بین فرستنده و گیرنده سوئیچ می شود.

آیا آنتن عمودی سیگنال پلاریزه افقی را دریافت می کند یا برعکس؟

در بیشتر موارد، بله. آنتن های دنیای واقعی به ندرت کاملا افقی یا عمودی هستند، بنابراین مقداری سیگنال دریافت می شود. علاوه بر این، بیشتر سیگنال‌ها در مسیر انتقال به دلیل بازتاب‌ها و سایر شرایط چند مسیره، دچار تغییر پلاریزاسیون می‌شوند. با این حال، این عدم تطابق جهت آنتن باعث ایجاد تضعیف می شود.

در صورت کنترل دقیق تر، پلاریزاسیون می تواند برای مالتیپلکس کردن دو سیگنال در فرکانس یکسان استفاده شود. در برخی از ماهواره‌ها، یک آنتن پلاریزه عمودی می‌تواند یک سیگنال را ارسال کند در حالی که به طور همزمان روی یک آنتن پلاریزه افقی جداگانه در همان فرکانس ارسال یا دریافت می‌کند. اگر پلاریزاسیون یک مشکل در یک برنامه کاربردی باشد، پلاریزاسیون دایره ای ممکن است راه حلی ارائه دهد.

پلاریزاسیون دایره ای چیست؟

همانطور که از نام آن پیداست، قطبش به طور مداوم در طول انتقال می چرخد و امکان استفاده از آنتن های افقی یا عمودی را برای دریافت امکان پذیر می کند. برای دریافت حداکثر، یک آنتن دریافت قطبی دایره ای مورد نیاز است. شما همچنین می توانید آنتنی داشته باشید که قطبش دایره ای سمت راست یا چپ (RHCP یا LHCP )تولید می کند. این دوباره امکان استفاده مجدد از فرکانس را با استفاده از قطبش های مختلف در دو سیگنال مختلف فراهم می کند. اغلب، یک آنتن مارپیچ ساخته شده از یک هادی مارپیچی و یک بازتابنده استفاده می شود. قطبش دایره ای بیشتر در ماهواره ها یافت می شود.

سیگنال رادیویی چگونه از فرستنده به گیرنده منتشر می شود؟

سیگنال ها بر اساس فرکانس موج رادیویی به روش های مختلفی از یک آنتن به آنتن دیگر حرکت می کنند. در فرکانس های پایین (کمتر از 3 مگاهرتز)، انتشار توسط موج زمینی است، جایی که سیگنال سطح زمین را در آغوش می گیرد. مسافت به صد مایل یا بیشتر محدود شده است. امواج رادیویی AM نمونه خوبی از انتشار فرکانس پایین هستند.

در فرکانس‌هایی در محدوده 3 تا 30 مگاهرتز (موج کوتاه)، سیگنال‌ها 30 تا 250 مایل به داخل یونوسفر حرکت می‌کنند، جایی که به زمین منکسر می‌شوند. تقریباً مانند تابش سیگنال است به طوری که به نظر می رسد از یک سطح رسانا منعکس می شود. مسافت های بسیار طولانی را می توان به دست آورد زیرا سیگنال ها می توانند چندین بار از زمین به یونوسفر و برگشت چندین بار پرش کنند. با این حال، برای اکثر ارتباطات بی سیم امروزی، سیگنال ها از حدود 100 مگاهرتز تا بیش از 10 گیگاهرتز متغیر هستند. این سیگنال ها که امواج آسمان نامیده می شوند، درست مانند امواج نور در یک خط مستقیم منتشر می شوند. برای ایجاد پیوند به یک مسیر دید مستقیم (LOS) از یک آنتن به آنتن دیگر نیاز دارید. بدیهی است که برد سیگنال ارتباط زیادی با ارتفاع آنتن دارد.

رایج ترین شکل آنتن چیست؟

دوقطبی از دو هادی خطی سرتاسر با طول یک نیم طول موج (λ/2) تشکیل شده است. در اینجا، یک طول موج (λ) 300/fMHz بر حسب متر است. یک نیم طول موج بر حسب فوت 468/fMHz یا 5616/fMHz برحسب اینچ است. عبارت f فرکانس عملکرد بر حسب مگاهرتز است.

فرستنده یا گیرنده معمولاً توسط یک خط انتقال مانند کابل کواکس به مرکز آنتن متصل می شود. آنتن در این نقطه دارای امپدانس مقاومتی معادل 73 Ω است. با این حال، این با ارتفاع آنتن تغییر می کند و به یک امپدانس پیچیده بالاتر یا پایین تر از فرکانس کاری تبدیل می شود. بنابراین، آنتن مانند یک مدار تشدید عمل می کند.

برخی از ویژگی های دیگر دوقطبی چیست؟

معمولاً دوقطبی به صورت افقی روی زمین قرار می گیرد و به آن یک موج قطبی افقی می دهد. علاوه بر این، تابش آنتن در همه جهات یکنواخت نیست. یک آنتن ایده آل به نام منبع همسانگرد به صورت کروی یا به همان اندازه در همه جهات تابش می کند.

در یک دوقطبی، الگوی تشعشع شبیه یک دونات است. با نگاه کردن از پایین به آنتن، یک الگوی تشعشعی را به شکل شکل 8 خواهید دید. بیشترین تابش یا بهترین دریافت در زاویه قائم به آنتن رخ می دهد. این الگوی تابش تا حد زیادی تحت تأثیر اجسام رسانا و نارسانای مجاور است.

برخی دیگر از اشکال فیزیکی آنتن چیست؟

یکی از انواع محبوب دوقطبی، صفحه زمین یا آنتن مارکونی است. این شامل یک عنصر λ/4 است که به صورت عمودی نصب شده است و با زمین یا یک پایه فلزی به نام صفحه زمین کار می کند آنتن صفحه زمین فقط نیمی از دوقطبی است و عنصر دیگر دوقطبی با صفحه زمین نشان داده می شود. قطبش عمودی است و الگوی تابش دایره ای یا همه جهته است.

آیا اشکال رایج دیگری وجود دارد؟

آره. پچ تا آنتن میکرواستریپ در فرکانس های مایکروویو (بیشتر از 1 گیگاهرتز) رایج است. این یک تکه مربع یا دایره‌ای از مواد رسانا است که طول موجی حدود یک نیم‌موج دارد. ایجاد یکی آسان است زیرا معمولاً روی یک برد مدار چاپی (PCB) اجرا می شود. آنتن حلقه نیز در برخی از برنامه های غیر بحرانی محبوب است. این فقط یک حلقه پیوسته از هادی، سیم، یا رد PCB با محیط 0.1 λ تا 1.0 λ است.

آیا آنتن ها می توانند افزایش را نشان دهند؟

مطمئنا یک آنتن می تواند قدرت سیگنال را به همان اندازه موثر افزایش دهد که اگر سیگنال توسط یک تقویت کننده الکترونیکی تقویت شود. به این ترتیب تقویت نمی شود، اما بهره در نتیجه متمرکز شدن سیگنال در یک پرتو باریکتر شکل می گیرد. آنتن جهت دارتر می شود. به عنوان مثال، یک دوقطبی سیگنال را در دو لوب متمرکز می کند. در نتیجه، دوقطبی دارای افزایش توان 1.64 دسی بل بر روی یک آنتن همسانگرد است. به آن افزایش در dBi با اشاره به یک منبع همسانگرد می گویند. اما از آنجایی که چیزی به نام منبع همسانگرد در زندگی واقعی وجود ندارد، ما معمولاً هر بهره آنتن را به دوقطبی dBd)) ارجاع می دهیم. به عنوان مثال، 0 dBd = 2.15 dBi.

بهره آنتن چگونه بیان می شود؟

معمولاً با توان دسی بل بر روی یک دوقطبی بیان می شود. عبارت دیگر توان تابشی مؤثر (ERP) است - مقدار واقعی توانی که یک دوقطبی باید برای ایجاد اثری مشابه با آنتن بهره بتابد. شما ERP را با ضرب توان خروجی فرستنده در بهره آنتن محاسبه می کنید، که در آن بهره معادل نسبت توان رقم بهره dB است. گاهی اوقات مرجع افزایش به یک رادیاتور همسانگرد است تا یک دوقطبی. در این مورد، اصطلاح مناسب توان تابشی همسانگرد مؤثر (EIRP) است.

از چه نوع آنتنی برای دریافت سود استفاده می کنید؟

راه های مختلفی برای تولید سود وجود دارد. بیشتر پیکربندی ها به استفاده از عناصر آنتن متعدد، مانند دوقطبی های متعدد یا دوقطبی به اضافه یک یا چند عنصر انگلی که سیگنال مستقیماً به آنها اعمال نمی شود، متکی هستند. نمونه آشنا یاگی محبوب است.

عنصر رانده یک دوقطبی است. با یک عنصر کمی بلندتر به نام بازتابنده و سه عنصر کوتاهتر به نام کارگردان استفاده می شود. عناصر انگلی پرتو را به سمت جلو با جهت تابش دور از کارگردان متمرکز می کنند. چنین آنتنی می تواند قدرت موثری در حدود 10 دسی بل تولید کند.

با اضافه کردن کارگردانان بیشتر، می توان به سود بالاتری نیز دست یافت. با هفت کارگردان یا بیشتر، افزایش حداکثر 20 دسی بل امکان پذیر است. عرض پرتو تابش بسیار باریک است، که می تواند به حداقل رساندن تداخل سایر ایستگاه های نزدیک کمک کند.

آنتن سهموی یا "دیش" چگونه کار می کند؟

آنتن جهت گیری نهایی، دیش، از یک آنتن دوقطبی یا مشابه استفاده می کند اما یک دیش سهموی را به عنوان بازتابنده اضافه می کند. قرار دادن آنتن در نقطه کانونی سهمی باعث می شود که دیش سیگنال ورودی را روی آنتن متمرکز کند یا سیگنال تابش شده از دوقطبی توسط دیش به یک پرتو بسیار باریک متمرکز شود. عرض تیرهای کمتر از 1 درجه رایج است. بهره می تواند بیش از 50 دسی بل، بسته به قطر ظرف باشد. این نوع آنتن برای سیگنال های بسیار کوچک مانند سیگنال های ماهواره ها عالی است.

آیا آنتن های جهت دار رایج دیگری وجود دارد؟

یکی دیگر از آنتن‌های بهره جهتی عالی، آرایه فازی است که گروهی از دوقطبی یا آنتن‌های معادل (وصله‌ها، شکاف‌ها و غیره) در یک آرایه مستطیلی نصب شده‌اند. آرایه های معمولی ممکن است چهار در چهار یا 16 در 16 باشد. آنتن ها با خطوط انتقال با طول های خاص تغذیه می شوند تا سیگنال های درون فازی در عناصر آنتن تولید کنند. اضافه کردن تاخیرها یا تغییر فاز سیگنال هایی را در هر آنتن تولید می کند که می توانند به یکدیگر کمک کنند یا یکدیگر را خنثی کنند. این اجازه می دهد تا الگوی کلی آنتن شکل بگیرد، جابجا شود یا به شکل دیگری کنترل شود.

با کنترل فازهای آنتن ها می توان الگوی تابش را در محدوده وسیعی از عرض پرتوها کنترل کرد. با شیفترهای فاز متغیر ویژه، پرتو آنتن را می‌توان باز کرد، باریک کرد یا در جهت خاصی اشاره کرد. به این حالت شکل دهی پرتو می گویند. آرایه‌های فازی به طور گسترده در رادارهای نظامی استفاده می‌شوند، اما این تکنیک‌ها برای رادیو سلولی نیز برای کنترل جهت آنتن‌های سایت سلولی به منظور بهبود کیفیت سیگنال به کار گرفته می‌شوند.

اگر یک آنتن مانند یک مدار تنظیم شده عمل کند، چگونه می توانم مطمئن شوم که پهنای باند لازم را دارد؟

آنتن ها دارای تشدید هستند، بنابراین دارای Q و پهنای باند مرتبط (BW) هستند. برای بیشتر آنتن‌ها، این پهنای باند تقریباً 10 تا 15 درصد فرکانس تشدید است. مهم است که آنتن به اندازه کافی واکنش گسترده ای داشته باشد تا بتواند تمام نوارهای جانبی لازم را برای جلوگیری از اعوجاج عبور دهد. بیشتر آنتن‌ها انتخابی هستند تا بتوانند از شر نویز و برخی هارمونیک‌ها خلاص شوند، اما شما نمی‌خواهید باند جانبی قطع شود. اگر از آنتن تجاری استفاده می کنید، به ویژگی انتخابی یا BW نگاه کنید تا ببینید مناسب است. در ساخت آنتن، ابعاد فیزیکی بر BW تاثیر می گذارد. نازک کردن عناصر آنتن دوقطبی با سیم، پهنای باند بسیار باریکی تولید می کند. اما پهن کردن آنها با لوله یا بادکش کردن آنها، مثلاً در پیکربندی پاپیون، پهنای باند را بسیار افزایش می دهد.

اتصال آنتن به فرستنده یا گیرنده چگونه است؟

یک خط انتقال آنتن را به فرستنده یا گیرنده متصل می کند. برای فواصل کوتاه، این احتمالاً یک خط میکرواستریپ کوتاه یا خط نواری روی PCB است. کابل کواکس معمولاً برای مسافت های طولانی تر از چند فوت یا بیشتر استفاده می شود. امپدانس خط انتقال باید با امپدانس های آنتن و فرستنده/گیرنده مطابقت داشته باشد تا از انتقال حداکثر توان اطمینان حاصل شود.

بیشتر مدارها برای امپدانس 50 Ω طراحی شده اند که مطابقت خوبی با کابل کواکس 50 Ω است. با خط میکرواستریپ، می توانید خط را هر امپدانس مشخصه ای دلخواه داشته باشید. بخش دشوار تطبیق خط با آنتن است که امپدانس آن بسته به نوع و سایر شرایط می تواند از چند اهم تا چندین هزار اهم باشد. در بیشتر کاربردها، نوعی شبکه تطبیق امپدانس LC برای تطبیق آنتن با خط یا خط به مدار استفاده می شود.

اگر امپدانس ها مطابقت نداشته باشند، بازتاب ها و نسبت موج ایستاده بالا (SWR) وجود خواهد داشت که تلفات قابل توجهی ایجاد می کند. همچنین سعی کنید از کواکس پرهیز کنید زیرا تضعیف آن در فرکانس های مایکروویو بسیار زیاد است. کابل کم تلفات موجود است، اما همچنان سیگنال را تا حد زیادی ضعیف می کند. طول را تا حد عملی کوتاه نگه دارید و در فرستنده یا گیرنده فقدان کابل را با تقویت بیشتر جبران کنید.

راندمان آنتن چیست؟

راندمان آنتن به طور کلی مانند بازده است - نسبت برق خروجی به برق ورودی. با این حال، به روش های مختلف تعیین می شود. در بیشتر موارد، راندمان برای تلفات I2R، تلفات در هر دی الکتریک، و تلفات بر اساس کوپلینگ به دستگاه های دیگر است. چیزی که ممکن است شامل نشود هرگونه تلفات مربوط به تلفات عدم تطابق آنتن و خط انتقال است که منجر به قدرت بازتابی و SWR بالاتر می شود.

با این حال، برخی از معیارهای فاکتور کارایی در هر گونه تغییر در تغییر مقاومت تابش آنتن. بیشتر آنتن های کوچک آنقدر کارآمد نیستند. هر چیزی بهتر از 50 تا 60 درصد معمولا خوب است، اما اگر می توانید همیشه به دنبال بهبود آن باشید.

آیا باید سعی کنم آنتن های خودم را طراحی کنم؟

اگر مهندس RF نیستید، احتمالاً نه. طراحی آنتن بسیار تخصصی و فراتر از کمی پیچیده است. همچنین یکی از آن سوله هایی است که به نظر می رسد جادوی سیاه در آن کار می کند. طراحی آنتن بسیار تئوری است، اما تا حد زیادی بر اساس کار تجربی و آزمایش های زیاد است. اگر آنتن ساده است مانند دوقطبی، صفحه زمین یا حلقه، ممکن است برای شما مفید باشد. در غیر این صورت، تعداد زیادی محصول آنتن تجاری در بازار وجود دارد که تقریباً هر نیازی را برآورده می کند. در برنامه های با حجم بالا، حتی می توانید یک آنتن خاص طراحی کنید. برای بهترین نتیجه، خرید بهتر است، نه ساخت.