تحقیق طراحي و ساخت اتاق آنتن

چكيده 

مراحل طراحي و ساخت يك اتاق آنتن در اين پايان نامه مورد بحث قرار گرفته شده است. يك چنين اتاقي از ضروريات هر مؤسسه مجهز به امكانات آنتن و رادار مي باشد و فضاي مناسبي براي اندازه گيري مشخصات مختلف آنتن فراهم مي كند. كاربرد ديگر اين آنتن در امكان اندازه گيري سطح مقطع راداري اجسام مي باشد. همچنين اين اتاق جهت مصون ماندن نيروي انساني از خطرات تشعشع الكترومغناطيسي در حين اندازه گيري آنتن سودمند مي باشد.

علاوه بر اصول طراحي اتاق آنتن، يك نظريه رياضي كارآمد تحت عنوان شرط مرزي جذب به صورت نويني در اين پايان نامه مطرح شده و تلفيق دو شرط مرزي جذب فيزيكي موج و مدل رياضي آن به اختصار مطرح شده است.

لازم به ذكر است كه در ابتدا به شرح تئوري ناحيه سكوت اتاق آنتن مي پردازيم، سپس به روشهاي مختلف اندازه گيري و محاسبه ناحيه سكوت اشاره مي كنيم و بعد از آن نتايج آزمايشات انجام شده را ارائه مي كنيم و مرغوبيت اتاق را مورد بررسي قرار مي دهيم .

فصل 1 محاسبه ناحيه سكوت اتاق آنتن و

تعيين كيفيت اتاق [1]

1-مقدمه 

گزارش حاضر شرح فعاليتهاي انجام شده در پروژه است كه تحت عنوان «طراحي و ساخت اتاق آنتن» انجام گرفته است.

در اين گزارش ابتدا به شرح تئوري ناحيه سكوت اتاق آنتن مي پردازيم، سپس به روشهاي مختلف اندازه گيري  و محاسبه ناحيه سكوت اشاره مي كنيم و بعد از آن نتايج آزمايشات انجام شده را ارائه مي كنيم و مرغوبيت اتاق را مورد بررسي قرار مي دهيم و در پايان به شرح جزئيات ساخت پايه متحرك مي پردازيم.

براي عمل پرتوبرداري آنتنها و بطور كلي انجام هر گونه آزمايش بر روي آنتنها لازم است تا آنتن تحت آزمايش بوسيله يك موج صفحه اي يكنواخت تحت تابش قرار گيرد تا نتايج بدست آمده دقيق و قابل اطمينان باشند. اما انجام هر گونه آ‌زمايش بر روي آنتنها در فضاي باز بعلت انعكاسات از ديوارها و زمين غير قابل اطمينان خواهد بود. براي حذف انعكاسات و بوجود آوردن شرائطي مشابه فضاي آزاد براي انتشار امواج از اتاقهاي بدون انعكاس (Anechoic Chambers) استفاده مي‌كنند.

يك اتاق بدون انعكاس با كمك جاذبهاي الكترومغناطيسي يا ابرهاي آغشته به گرافيت ساخته مي‌شود و طراحي اتاق از نظر اندازه و محل استقرار ابرها به گونه اي مي باشد كه در حالت ايده آل انعكاسات را حذف نمايد، ولي در عمل انعكاسات بكلي از بين نرفته، بلكه توان امواج غير مستقيم پس از انعكاس كاهش مي يابند، به طوريكه مثلاً امواجي به سمت ديواره هاي اتاق حركت مي كنند پس از برخورد با جاذبهاي الكترومغناطيس در حدود 40 dB افت پيدا مي كنند. البته عملكرد جاذبهاي الكترومغناطيس و به تبع آن عملكرد اتاق آنتن بدون انعكاس تابعي از فركانس مي باشند، بطوريكه با افزايش فركانس عملكرد اتاق آنتن بهبود مي يابد، كه اين مسئله در نتيجه دو عامل است. يكي همان بهبود كيفيت جاذبها با افزايش فركانس مي باشد و ديگري افزايش ابعاد اتاق به نسبت طول موج با افزايش فركانس كار است. بنابراين دلائل هميشه بهتر است كه يك اتاق آنتن جديد را در فركانسهاي پايينتر باند فركانس مايكروويو تحت آزمايش قرار داد و مطمئن بود كه كيفيت عملكرد اتاق در فركانسهاي بالاتر مطمئناً بهتر خواهد بود.

اما در بالا صحبت از نحوه عملكرد و كيفيت اتاق آنتن شد. در برخورد اول به نظر مي رسد كه كيفيت اتاق مستقيماً به ميزان انعكاسات اتاق بستگي دارد و در واقع منظور از كيفيت اتاق آن است كه اتاق بدون انعكاس تا چه حد در كاهش انعكاسات موفق عمل مي كند. اكنون براي پايه گذاري دقيقتر براي اندازه گيريها و آزمايشات آينده به تعريف دقيق از كيفيت اتاق مي پردازيم و مفهوم ناحيه سكوت (Quiet Zone) اتاق آنتن بدون انعكاس را تعريف مي كنيم.

2- تعريف “Quiet Zone” و “Quietness” اتاق آنتن

براي اندازه گيري پترن تشعشعي آنتن در درون اتاق بدون انعكاس، انتشار انرژي بايد به طور يكطرفه باشد. براي آزمايش آنتن لازم است كه يك آنتن فرستنده كه در يك اتاق قرار دارد يك موج صفحه اي در حجمي از اتاق كه در طرف ديگر قرار دارد ايجاد نمايد و اين حجم از فضا بايد داراي چنان ابعادي باشد كه آنتن گيرنده مورد آزمايش را بتواند در برگيرد. به چنين حجمي از فضاي داخل يك اتاق آنتن ، “ناحيه سكوت” يا “Quiet Zone” اتاق آنتن مي گويند.

طبيعي است كه هر گونه آزمايشي كه بخواهد روي آنتن انجام گيرد بايد هنگاميكه آنتن داخل ناحيه سكوت قرار دارد انجام شود تا موجي كه به آنتن گيرنده تحت آزمايش مي رسد، صفحه اي و يكنواخت باشد و در نتيجه نتايج پرتوبرداري آنتن دقيق بدست آيد. بنابراين اهميت محاسبه و بدست آوردن ناحيه سكوت هر اتاق آنتن قبل از انجام هر آزمايش معلوم است.

در اين كارآموزي نيز هدف همچنان كه قبلاً اشاره شد بدست آوردن ناحيه سكوت اتاق آنتن است تا در واقع ناحيه قابل استفاده اتاق براي انجام هر گونه آزمايشي بر روي آنتن مشخص گردد.

و اما كيفيت اتاق بدون انعكاس را به پارامتري از اتاق به نام “ميزان سكوت” يا “QuietNess” نسبت مي دهند و تعريف آن عبارتست از : ميانگين نسبت چگالي توان انعكاس يافته به چگالي تواني كه مستقيماً از فرستنده به آنتن گيرنده رسيده است. در ناحيه اي كه انتشار انرژي بين آنتنهاي فرستنده و گيرنده با ديركتيويته معلوم يك طرفه باشد. مسلماً هر چه اين نسبت توان انعكاس يافته به توان دريافتي مستقيم كمتر باشد، “Quietness” اتاق بيشتر و يا به عبارت ديگر اتاق ساكت تر است و در نتيجه اتاق داراي عملكرد بهتري است.

اكنون مي خواهيم كيفيت اتاق و يا همان “Quietness” آنرا بطريق ديگري تشريح كنيم كه كمي شهودي تر باشد.

در اثر انعكاس موج ارسالي از آنتن فرستنده توسط ديواره هاي اتاق و در نتيجه تداخل اين انعكاسات با موج اصلي كه بطور مستقيم از آنتن فرستنده به گيرنده مي رسد، موج در محل آنتن گيرنده از نظر شدت ميدان الكتريكي بصورت زير خواهد بود:

شكل 1- نماي كلي آنتن فرستنده و گيرنده

جبهه غير يكنواخت موج كه بدين شكل تشكيل مي گردد، باعث مي شود كه نتايج غير دقيقي براي آزمايشهاي آنتن بدست آيد. هر چه مقدار بيشينه انحرافات از حالت يكنواخت بيشتر باشد ، نتايج غير قابل اطمينان خواهد بود. مقدار ماكزيمم نوسانات در اندازه ميدان كل روي جبهه موج بطور معكوس با كيفيت اتاق متناسب است، بدين صورت كه هر چه انحرافات از حالت موج يكنواخت بيشتر باشد، موج انعكاسي از ديواره بيشتر بوده و در نتيجه “Quietness” اتاق كمتر خواهد بود و كيفيت عملكرد اتاق پايينتر است.

اگر اين ماكزيمم نوسانات در اندازه كل ميدان از يك حدي بيشتر نباشد با تقريب خوبي مي توان گفت كه اتاق بدون انعكاس است و در نتيجه نتايج حاصل از آزمايشها قابل اطمينان مي باشند.

فهرست مطالب :

عنوان                                                                                                            صفحه   

فصل اول: محاسبه ناجيه سكوت اتاق آنتن و تعيين كيفيت اتاق 1

1- مقدمه                                     2

2- تعريف “Qiet zone” و “Quietness” اتاق كنتن       4

3- اندازه‌گيري مقدار انعكاس در ناحيه سكوت     6

4- تحليل نتايج آزمايش:                       15

5- مقايسه بين نتايج حاصل از دو روش           17

فصل دوم: طراحي و مدل سازي اتاق انتن          25

1- مقدمه                                     27

2- نظريه جذب امواج الكترومغناطيسي            28

3- جاذب باند باريك                           29

4- جاذب باند پهن                             30

5- انتخاب ماده جاذب و تهيه بلوكهاي جذب       31

6- اندازه‌گيري مشخصات جاذبها                  32

7- ناحيه سكوت آنتن                           33

8- طراحي اتاق                                34

9- مدلسازي رياضي اتاق آنتن                   35

10- نتيجه                                    38

11- پيشنهادات                                38

فصل سوم: گزارش ساخت اتاق آنتن                39

نتيجه گيري                                   42

فهرست مراجع                                  43

فهرست شكلها و جداول:

عنوان                                                                                                            صفحه   

شكل شماره 1- نماي كلي آنتن فرستنده و گيرنده…………………………………………………………….. 5

شكل شماره 2- منحني پترن تست شده آنتن مرجع………………………………………………………….. 8

شكل شماره 3- منحني انحراف سطح توان…………………………………………………………………………… 9

شكل شماره 4- انحراف پترن آنتن تحت تأثير موج انعكاس……………………………………………….. 10

شكل شماره 5- منحني پترن موج ساكن……………………………………………………………………………… 15

شكل شماره 6- جهت حركت آنتن……………………………………………………………………………………….. 18

شكل شماره 7- مجموعة اندازه گيري توان دريافتي…………………………………………………………….. 19

جدول شماره 1- مقادير اندازه گيري توان در زاويه هاي مختلف………………………………………… 20

جدول شماره 2- مقادير اندازه گيري توان در زاويه هاي مختلف………………………………………… 20

جدول شماره 3- مقادير اندازه گيري توان در زاويه هاي مختلف………………………………………… 20

جدول شماره 4- مقادير اندازه گيري توان در زاويه هاي مختلف………………………………………… 21

جدول شماره 5- مقادير اندازه گيري توان در زاويه هاي مختلف………………………………………… 21

جدول شماره 6- مقادير اندازه گيري توان در زاويه هاي مختلف………………………………………… 21

شكل شماره 8- زاويه بين آنتن فرستنده و گيرنده……………………………………………………………… 22

شكل شماره 9- پترن آنتن……………………………………………………………………………………………………… 23

شكل شماره 10- امواج انعكاس از مانع بي اتلاف………………………………………………………………… 29

شكل شماره 11- انعكاس موج از مانع در محيط تلفدار………………………………………………………. 30

شكل شماره 12- نمونه جاذب هاي الكترومغناطيسي…………………………………………………………. 32

شكل شماره 13- مدار نمونه اي اندازه گيري ضريب انعكاس جاذب…………………………………. 32

شكل شماره 14- مدار نمونه اي اندازه گيري افت انتقال جاذب………………………………………… 33

شكل شماره 15- نمايي از اتاق آنتن…………………………………………………………………………………….. 35

شكل شماره 16- مقايسه جذب موج در روش پيشنهادي و روش MUR…………………………. 37

كليدواژه:

تحقیق طراحي و ساخت اتاق آنتن