تحلیل و طراحی آنتن در نرم افزار متلب

امروزه انتظار می‌رود که تقریباً همه برنامه ها به صورت بی‌سیم قابلیت اجرا داشته باشند، انرژی بسیار کمی مصرف کنند و قابلیت نگهداری اطلاعات بالایی داشته باشند. برای این، انتخاب یک رسانه موثر در لایه فیزیکی مهم است. امروزه چندین دستگاه بی سیم دارای پروتکل ZigBee، فرستنده و گیرنده IR، فرستنده گیرنده RF و آنتن بشقاب معمولا استفاده می شود. آنتن در تمامی این دستگاه ها نقش حیاتی دارد.

یک طراحی خوب آنتن می تواند منجر به درجه بالایی از کارایی، جهت دهی بهتر و پهنای پرتوی بیشتر برای انتقال در مسافت های طولانی بدون از دست دادن اطلاعات زیاد شود. در اینجا برنامه ای برای طراحی آرایه های آنتن و تجزیه و تحلیل آنتن در متلب نوشته شده است.

قبل از پرداختن به برنامه متلب، اجازه دهید به اصول اولیه برخی از پارامترهای مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل و طراحی آنتن، مانند الگوی تشعشع سیگنال، لبه‌های جانبی، کارایی، پهنای پرتو و هدایت بپردازیم. (لازم به ذکر است در حامی ورکس پروژه متلب زیادی در این خصوص انجام شده است)

شکل 1 یک آنتن معمولی را نشان می دهد. در اینجا BWΦ نشان دهنده پهنای پرتو آزیموت و BWθ عرض پرتو ارتفاع است. پهنای پرتو معمولاً در نقطه نیمه توان یا -3dB لوب اصلی اندازه گیری می شود، مگر اینکه طور دیگری مشخص شده باشد.

طبق وب سایت رسمی آنتن گذرای ضربه ای قطب جنوب، بهره و جهت آنتن نسبت شدت تابش امواج در یک جهت معین به شدت تابش میانگین در تمام جهات لحاظ می شود. تفاوت بین جهت و بهره در این است که جهت گیری از نویزها یا خطاهای آنتن مانند  خطای دی الکتریک، مقاومت، پلاریزاسیون و نسبت موج - ولتاژ (VSWR) چشم پوشی می کند. از آنجایی که این خطاها معمولاً در اکثر کلاس‌های آنتن‌ها بسیار کم است، جهت و بهره بدون توجه به ویژگی‌های الگوی ناخواسته تقریباً برابر هستند.

با این حال، آنتن ها از نظر عملی متفاوت هستند و توزیع تابش ایده آلی ندارند. انرژی با جابجایی زاویه ای تغییر می کند و به دلیل لوب های جانبی خطا رخ می دهد.

اگر بتوانید الگوی تابش را اندازه بگیرید و پهنای پرتو را تعیین کنید، می توانید از دو یا چند مدل آنتن ایده آل برای تقریب یک الگوی واقعی آنتن همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است استفاده کنید. با فرض یکنواخت بودن الگوی آنتن، بهره G برابر با مساحت است. فرمول محاسبه آن به شرح زیر است:

راندمان آنتن فاکتوری است که شامل تمام کاهش ها از حداکثر بهره می شود. می توان آن را به صورت درصد یا بر حسب دسی بل بیان کرد. هنگام تعیین کارایی باید چندین نوع خطا در نظر گرفته شود:

1. راندمان وضوح، که نسبت جهت آنتن به وضوح یکنواخت با همان اندازه دیافراگم است.
2. از دست دادن یا از دست دادن خطای فاز به دلیل یکنواخت نبودن دیافراگم سطح فاز.
3. از دست دادن سرریز (برای آنتن های بازتابنده)، که منعکس کننده انرژی ورودی فراتر از لبه بازتابنده به لوب های پشتی آنتن است.
4. از دست دادن عدم تطابق به صورت نسبت موج ایستاده ولتاژ (VSWR) که از انعکاس در پورت تغذیه به دلیل عدم تطابق امپدانس به دست می‌آید - به ویژه برای آنتن‌های فرکانس پایین مهم است.
5. خطای RF بین آنتن و درگاه تغذیه آنتن یا نقطه اندازه گیری.

منطقه دریافت موثر (Ae) حاصل ضرب ناحیه دیافراگم فیزیکی (A) و بازده دیافراگم (η) است:

بنابراین بهره تابعی از بازده دیافراگم است.

نسبت بهره یک آنتن به خطا به صورت زیر به دست می آید:

که در آن "η" بازده دیافراگم، "A" ناحیه دیافراگم فیزیکی و "λ" طول موج است.

توجه داشته باشید که بهره با ناحیه دیافراگم متناسب و با مجذور طول موج نسبت معکوس دارد. بنابراین اگر فرکانس دو برابر شود، یا طول موج نصف شود، دیافراگم را می توان چهار برابر کاهش داد تا همان بهره حفظ شود.

با توجه به وب سایت ANITA، الگوهای تشعشعی آنتن های ارائه شده در بخش قبل برای رایج ترین هندسه های آنتن است. آنتن را باید به عنوان یک شبکه تطبیقی در نظر گرفت که برق را از یک خط انتقال (به عنوان مثال 50 اهم) می گیرد و آن را با امپدانس فضای آزاد 377 اهم مطابقت می دهد. بحرانی ترین پارامتر تغییر VSWR با فرکانس است. این الگو معمولاً از قابل قبول تا شروع VSWR های غیرقابل قبول (>2:1) تفاوت چندانی ندارد. برای اندازه هندسی آنتن فیزیکی مشخص، الگوی تابش واقعی با فرکانس متفاوت است.

با توجه به AntennaTheory.com، آرایه آنتن، که اغلب "آرایه فازی" نامیده می شود، مجموعه ای از دو یا چند آنتن است، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. سیگنال های آنتن ها به منظور دستیابی به عملکرد بهبود یافته با یکدیگر ترکیب یا پردازش می شوند.

به طور کلی مشاهده می شود که فاکتورهای آرایه آنتن برای آرایه هایی با وزن یکنواخت دارای سطوح جانبی نابرابر هستند (به شکل 4 مراجعه کنید). اغلب، کاهش بالاترین لوب های کناری به بهای افزایش تعداد لوب های جانبی پایینی مطلوب است. سطح بهینه لوب کناری برای یک پهنای پرتو مشخص زمانی رخ می دهد که همه لوب های کناری از نظر اندازه برابر باشند.

روشی برای به دست آوردن وزن برای آرایه های خطی با فاصله یکنواخت که به سمت پهن هدایت می شوند (θd=90 درجه) وجود دارد. این یک روش وزن دهی محبوب است زیرا می توان سطح لوب کناری را مشخص کرد و حداقل پهنای پرتو صفر-تهی ممکن را به دست آورد.

شکل 5 و 6 به ترتیب نمودارهای دکارتی و قطبی الگوی تابش آنتن را نشان می دهد. انتخاب موثر لامدا (λ) و تعداد عناصر می تواند سطح لبه جانبی آنتن را کاهش دهد.

آنتن Yagi-Uda (به شکل 7 مراجعه کنید) رایج ترین آنتن تلویزیون زمینی است که در پشت بام ها استفاده می شود. معمولاً در فرکانس های بین 30 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز یا محدوده طول موج 10 متر تا 10 سانتی متر استفاده می شود.

طراحی آنتن به تعداد عناصر استفاده شده در آنتن بستگی دارد. طول میله ها در Yagi-Uda هر کدام حدود نیمی از طول موج و فاصله عناصر حدود یک سوم طول موج است.

همانطور که در جدول نشان داده شده است، می توانید فرکانس کاری تقریبی آنتن Yagi-Uda را با نگاه کردن به طول آن از دور تخمین بزنید. یک آنتن Yagi-Uda با یازده عنصر در شکل 8 نشان داده شده است.

برای به دست آوردن الگوی تابش یک آنتن Yagi-Uda در برنامه MATLAB، جدولی با مقادیر تتا (یا θ) برای زوایای قطبی و دامنه متناظر الگوهای تابش مورد نیاز است. این مقادیر را می توان با استفاده آن به دست آورد. جدول داده ها باید در قالب متن (txt.) ذخیره شود.

می توان از MATLAB R2008b یا نسخه های بالاتر برای برنامه استفاده کرد. روش گام به گام برای تست برنامه به شرح زیر است:

1. MATLAB را از دسکتاپ اجرا کنید.
2. فایل «Expt_A1_2D.m» را از منوی «File» باز کنید.
3. با انتخاب گزینه «وارد کردن داده»، فایل «Polalist-yagi uda.txt» را از منوی «File» وارد کنید.
4. روی دکمه «بعدی» کلیک کنید.
5. روی دکمه «پایان» کلیک کنید.
6. برنامه را از منوی «Debug» با کلیک روی گزینه «Run» کامپایل و اجرا کنید.
7. به پنجره اصلی MATLAB بروید. پنجره فرمان از شما می خواهد که مقدار افست تتا را وارد کنید.
8. مقداری مانند 90، 80 یا هر چیزی را طبق نیاز خود وارد کنید و سپس کلید Enter را فشار دهید.
9. شما باید نمودارهای خروجی جهت را به صورت قطبی و همچنین دکارتی دریافت کنید.

با وارد کردن مقدار مناسب، برنامه نمودار جهت دهی خوبی ارائه می دهد. حداکثر جهت دهی 4.483 یا 6.5157 دسی بل است.

برای دانلود منبع کد پروژه تحلیل و طراحی آنتن در نرم افزار متلب اینجا کلیک کنید