بررسی مراحل طراحی و ساخت اتاق آنتن [Antenna (Anechoic) chamber]

مراحل طراحی و ساخت یک اتاق آنتن [ANTENNA (ANECHOIC) CHAMBER] در این پایان نامه مورد بحث قرار گرفته شده است. یک چنین اتاقی از ضروریات هر مؤسسه مجهز به امکانات آنتن و رادار می باشد و فضای مناسبی برای اندازه گیری مشخصات مختلف آنتن فراهم می کند. کاربرد دیگر این آنتن در امکان اندازه گیری سطح مقطع راداری اجسام می باشد. همچنین این اتاق جهت مصون ماندن نیروی انسانی از خطرات تشعشع الکترومغناطیسی در حین اندازه گیری آنتن سودمند می باشد.

علاوه بر اصول طراحی اتاق آنتن، یک نظریه ریاضی کارآمد تحت عنوان شرط مرزی جذب به صورت نوینی در این پایان نامه مطرح شده و تلفیق دو شرط مرزی جذب فیزیکی موج و مدل ریاضی آن به اختصار مطرح شده است.

لازم به ذکر است که در ابتدا به شرح تئوری ناحیه سکوت اتاق آنتن می پردازیم، سپس به روشهای مختلف اندازه گیری و محاسبه ناحیه سکوت اشاره می کنیم و بعد از آن نتایج آزمایشات انجام شده را ارائه می کنیم و مرغوبیت اتاق را مورد بررسی قرار می دهیم .

کلیدواژه:

اتاق آنتن – Antenna room
اتاق بدون انعکاس – Anechoic chamber
جاذب موج الکترومغناطیسی – Electromagnetic Absorber
اندازه گیری آنتن – Antenna Measurement
شرط مرزی جذب – Absorbing Boundary Condition
مدلسازی فضای آزاد – Free Space Modeling

1-مقدمه

گزارش حاضر شرح فعالیتهای انجام شده در پروژه است که تحت عنوان «طراحی و ساخت اتاق آنتن» انجام گرفته است.

در این گزارش ابتدا به شرح تئوری ناحیه سکوت اتاق آنتن می پردازیم، سپس به روشهای مختلف اندازه گیری  و محاسبه ناحیه سکوت اشاره می کنیم و بعد از آن نتایج آزمایشات انجام شده را ارائه می کنیم و مرغوبیت اتاق را مورد بررسی قرار می دهیم و در پایان به شرح جزئیات ساخت پایه متحرک می پردازیم.

برای عمل پرتوبرداری آنتنها و بطور کلی انجام هر گونه آزمایش بر روی آنتنها لازم است تا آنتن تحت آزمایش بوسیله یک موج صفحه ای یکنواخت تحت تابش قرار گیرد تا نتایج بدست آمده دقیق و قابل اطمینان باشند. اما انجام هر گونه آ‌زمایش بر روی آنتنها در فضای باز بعلت انعکاسات از دیوارها و زمین غیر قابل اطمینان خواهد بود. برای حذف انعکاسات و بوجود آوردن شرائطی مشابه فضای آزاد برای انتشار امواج از اتاقهای بدون انعکاس (Anechoic Chambers) استفاده می‌کنند.

یک اتاق بدون انعکاس با کمک جاذبهای الکترومغناطیسی یا ابرهای آغشته به گرافیت ساخته می‌شود و طراحی اتاق از نظر اندازه و محل استقرار ابرها به گونه ای می باشد که در حالت ایده آل انعکاسات را حذف نماید، ولی در عمل انعکاسات بکلی از بین نرفته، بلکه توان امواج غیر مستقیم پس از انعکاس کاهش می یابند، به طوریکه مثلاً امواجی به سمت دیواره های اتاق حرکت می کنند پس از برخورد با جاذبهای الکترومغناطیس در حدود 40 dB افت پیدا می کنند.

البته عملکرد جاذبهای الکترومغناطیس و به تبع آن عملکرد اتاق آنتن بدون انعکاس تابعی از فرکانس می باشند، بطوریکه با افزایش فرکانس عملکرد اتاق آنتن بهبود می یابد، که این مسئله در نتیجه دو عامل است. یکی همان بهبود کیفیت جاذبها با افزایش فرکانس می باشد و دیگری افزایش ابعاد اتاق به نسبت طول موج با افزایش فرکانس کار است. بنابراین دلائل همیشه بهتر است که یک اتاق آنتن جدید را در فرکانسهای پایینتر باند فرکانس مایکروویو تحت آزمایش قرار داد و مطمئن بود که کیفیت عملکرد اتاق در فرکانسهای بالاتر مطمئناً بهتر خواهد بود.

اما در بالا صحبت از نحوه عملکرد و کیفیت اتاق آنتن شد. در برخورد اول به نظر می رسد که کیفیت اتاق مستقیماً به میزان انعکاسات اتاق بستگی دارد و در واقع منظور از کیفیت اتاق آن است که اتاق بدون انعکاس تا چه حد در کاهش انعکاسات موفق عمل می کند. اکنون برای پایه گذاری دقیقتر برای اندازه گیریها و آزمایشات آینده به تعریف دقیق از کیفیت اتاق می پردازیم و مفهوم ناحیه سکوت (Quiet Zone) اتاق آنتن بدون انعکاس را تعریف می کنیم.

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

برای اندازه گیری پترن تشعشعی آنتن در درون اتاق بدون انعکاس، انتشار انرژی باید به طور یکطرفه باشد. برای آزمایش آنتن لازم است که یک آنتن فرستنده که در یک اتاق قرار دارد یک موج صفحه ای در حجمی از اتاق که در طرف دیگر قرار دارد ایجاد نماید و این حجم از فضا باید دارای چنان ابعادی باشد که آنتن گیرنده مورد آزمایش را بتواند در برگیرد. به چنین حجمی از فضای داخل یک اتاق آنتن ، “ناحیه سکوت” یا “Quiet Zone” اتاق آنتن می گویند.

طبیعی است که هر گونه آزمایشی که بخواهد روی آنتن انجام گیرد باید هنگامیکه آنتن داخل ناحیه سکوت قرار دارد انجام شود تا موجی که به آنتن گیرنده تحت آزمایش می رسد، صفحه ای و یکنواخت باشد و در نتیجه نتایج پرتوبرداری آنتن دقیق بدست آید. بنابراین اهمیت محاسبه و بدست آوردن ناحیه سکوت هر اتاق آنتن قبل از انجام هر آزمایش معلوم است.

در این کارآموزی نیز هدف همچنان که قبلاً اشاره شد بدست آوردن ناحیه سکوت اتاق آنتن است تا در واقع ناحیه قابل استفاده اتاق برای انجام هر گونه آزمایشی بر روی آنتن مشخص گردد.

و اما کیفیت اتاق بدون انعکاس را به پارامتری از اتاق به نام “میزان سکوت” یا “QuietNess” نسبت می دهند و تعریف آن عبارتست از : میانگین نسبت چگالی توان انعکاس یافته به چگالی توانی که مستقیماً از فرستنده به آنتن گیرنده رسیده است. در ناحیه ای که انتشار انرژی بین آنتنهای فرستنده و گیرنده با دیرکتیویته معلوم یک طرفه باشد. مسلماً هر چه این نسبت توان انعکاس یافته به توان دریافتی مستقیم کمتر باشد، “Quietness” اتاق بیشتر و یا به عبارت دیگر اتاق ساکت تر است و در نتیجه اتاق دارای عملکرد بهتری است.

اکنون می خواهیم کیفیت اتاق و یا همان “Quietness” آنرا بطریق دیگری تشریح کنیم که کمی شهودی تر باشد.

در اثر انعکاس موج ارسالی از آنتن فرستنده توسط دیواره های اتاق و در نتیجه تداخل این انعکاسات با موج اصلی که بطور مستقیم از آنتن فرستنده به گیرنده می رسد، موج در محل آنتن گیرنده از نظر شدت میدان الکتریکی بصورت زیر خواهد بود:

جبهه غیر یکنواخت موج که بدین شکل تشکیل می گردد، باعث می شود که نتایج غیر دقیقی برای آزمایشهای آنتن بدست آید. هر چه مقدار بیشینه انحرافات از حالت یکنواخت بیشتر باشد ، نتایج غیر قابل اطمینان خواهد بود. مقدار ماکزیمم نوسانات در اندازه میدان کل روی جبهه موج بطور معکوس با کیفیت اتاق متناسب است، بدین صورت که هر چه انحرافات از حالت موج یکنواخت بیشتر باشد، موج انعکاسی از دیواره بیشتر بوده و در نتیجه “Quietness” اتاق کمتر خواهد بود و کیفیت عملکرد اتاق پایینتر است.

اگر این ماکزیمم نوسانات در اندازه کل میدان از یک حدی بیشتر نباشد با تقریب خوبی می توان گفت که اتاق بدون انعکاس است و در نتیجه نتایج حاصل از آزمایشها قابل اطمینان می باشند.

3- اندازه گیری مقدار انعکاس در ناحیه سکوت

تقریباً در اکثر آزمایشاتی که برای اندازه گیری پترن تشعشعی صورت می گیرند، از آنتن تحت آزمایش به عنوان آنتن گیرنده استفاده می شود و آنرا در میدان ناشی از یک آنتن فرستنده که در ناحیه دور قرار گرفته قرار می دهند. در حالت ایده آل میدان روشن کننده آنتن گیرنده یا به عبارت دیگر “illuminating field” یک موج صفحه ای می‌باشد و اندازه گیریهای پترن که انجام می شوند در واقع اندازه گیری آشفتگیهای ناشی در این موج صفحه ای ناشی از انعکاسات ناخواسته انرژی می باشند.

از نظر تئوریک این امکان قطعاً وجود دارد که میدان الکتریکی در ناحیه ای که آنتن تست باید در آن قرار گیرد ، اندازه گیری شود و تغییرات دامنه و فاز از میدان الکتریکی کلی بدست آیند. در اینجا واژه “کل” به معنی جمع برداری تمامی مؤلفه های میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا می باشند ، که شامل مؤلفه موج مستقیم و مؤلفه های ناشی از انعکاس و دیفرکشن که بسیار جزئی هستند.

اندازه مجموع برداری مؤلفه های انعکاسی و دیفرکشن در یک نقطه که به صورت کسری از اندازه مؤلفه موج مستقیم بیان شود، در واقع همان مقداری است که باید اندازه گیری شود. ولی اندازه گیری دقیق این کمیت احتیاج به یک پروب همه جهته واقعی دارد. (Omni Directional Probe) ؛ ولی در عمل می توان از آنتنهایی استفاده کرد که پترن تشعشعی آنها جهت دار هستند. اثرات جهت دار بودن این آنتنها در تعبیر نتایج آزمایشها باید در نظر گرفته شوند تا نتایج آزمایش معنی دار باشند.

از آنجائیکه تمرکز ما بر روی مؤلفه های مستقیم و انعکاسی میدان الکتریکی است که در یک فرکانس ثابت فقط دارای تغییرات فضائی هستند ؛ اندازه مؤلفه منعکسه کلی را می توان از اندازه مؤلفه مستقیم با مشاهده تغییرات پیک تو پیک پترن تداخلی دو مؤلفه، وقتی که آنتن پروب ناحیه سکوت را جاروب می کند، از هم تمییز داد. برای این منظور تنها لازم است دامنه سیگنال دریافتی کل توسط پروب اندازه گیری شود، و از بعد عملی نیز حرکت آنتن پروب روی دو یا سه خط مستقیم ، متعامد کافی می باشد.

با فرض اینکه اندازه میدان انعکاس دریافت شده 50db پایینتر از اندازه میدان مستقیم دریافتی باشد، انحراف ماکزیمم اندازه میدان کل بین وقتی که مؤلفه های مستقیم و انعکاسی جع می شوند (هم فاز) و وقتیکه از هم کم می شوند (غیر هم فاز) برابر خواهد شد با :

آشکار کردن و خواندن چنین تغییر کوچکی فقط با دستگاههای دقیق و بسیار پیچیده قابل انجام است. از اینرو در اکثر روشهای اندازه گیری اتاق آنتن، در مورد رزولوشن مورد نیاز برای اندازه گیری تخفیف قائل می شوند. این کار را می توان با روشهای مختلف آشکارسازی “off-peak” انجام داد. در آشکارسازی “off-peak” اثرات بر هم زنندگی ناشی از انرژی انعکاسی در روی بخشهائی از پترن آنتن که سطح پایینتری دارند، مورد مشاهده قرار می گیرند.

برای مثال اگر سطح انرژی تداخلی 50 dB پایینتر از سطح شعاع مستقیم دریافت شده توسط پیک پاسخ آنتن پروب باشد و اگر لوب اصلی آنتن پروب طوری جهت گیری شده باشد که شعاع مستقیم پاسخی برابر 20 dB پایینتر از مقدار پیک را نتیجه دهد، تغییرات بیشینه اندازه سیگنال کلی دریافتی در روی خط آشکارسازی برابر با 0.550 dB خواهد بود و این مقدار با ابزارهای ثبت پترن تشعشعی کاملاً قابل مشاهده و ثبت می باشد.

و اما روشهای مختلف اندازه گیری ناحیه سکوت اتاق آنتن عبارتند از:

• الف) روش مقایسه پترن آنتن [ANTENNA PATTERN COMPARISON METHOD]
• ب) روش VSWR
• ج) روش پروب کردن میدان [Field Probe Method]
• د) روش FM-CW

در ادامه این گزارش به جزئیات اندازه گیری توسط دو روش از روشهای فوق یعنی روش مقایسه پترن آنتن و روش پروب میدان می پردازیم و سپس نتایج حاصله از اندازه گیری توسط این دو روش را بیان می نمائیم.

3-1- تکنیک مقایسه پترن آنتن (APC)

تکنیک مقایسه پترن که در اینجا به توضیح آن می پردازیم، در بین تکنیکهای اندازه گیری “off – peak” از همه قابل قبول تر و دارای قابلیت تغییر بیشتری است. در این روش دسته پترنهایی برای آنتن بدست می آیند. ثبت پترنهای مختلف دارای این مزیت ویژه می باشد که به کاربر اتاق آنتن با نشان دادن تغییرات جزئی در پترن که می توانند ناشی از انعکاسهای واقعاً جزئی باشند، یک درک شهودی از کیفیت اتاق مورد استفاده می دهد.

جزئیات این تکنیک بصورت زیر می باشند. اتاق توسط آنتن فرستنده که در جای طراحی شده خود واقع شده است، تحت تابش موج قرار می گیرد. معمولاً طراحی اتاق ایجاب می کند که این آنتن فرستنده تقریباً بر روی محور اصلی اتاق در نزدیکی یکی از دیوارها قرار گیرد. برای محاسبه و اندازه گیری، آنتن گیرنده بر روی یک چرخنده azimuth/ elevation در درون ناحیه سکوت طراحی شده، در یک صفحه قائم و در یک فاصله مشخص از فرستنده قرار داده می شود.

قدم بعدی آن است که مجموعه هایی از پترن آنتن، در طول شعاعهای مختلف ناحیه سکوت و بر روی نقاط آ‌زمایش مجاور هم ثبت می گردند. یک پترن از هر مجموعه ، و معمولاً آن پترن که در اثر قرار گرفتن آنتن گیرنده روی محور اتاق بدست آمده است، بعنوان پترن مرجع انتخاب می گردد. باقی پترنهای ثبت شده آن مجموعه، روی پترن مرجع گذاشته می شوند، بطوریکه پیکهای لوب اصلی هر کدام از این پترنها روی هم قرار گیرد (رجوع شود به شکل شماره 2) و سپس انحراف هر کدام از پترنهای مجموعه از پترن مرجع در سطوح       –10 dB،  -15 dB ، -20 dB، -25 dB ، -30 dB نسبت به مرجع ثبت می شوند، و سپس انحراف سطح توان از سطح توان مرجع نسبت به فاصله بین نقطه تست و محور اتاق رسم می گردند (رجوع شود به شکل شماره 3) و تغییرات پریودیک انحراف با فاصله از محور اتاق که بدین صورت بدست می آیند، نشان دهنده تداخلهای سازنده و مخرب بین بردار الکتریکی اشعه مستقیم ناشی از آنتن فرستنده و بردار الکتریکی کل ناشی از انعکاسات انرژی که آنتن گیرنده به آنها حساس است، می باشند.

اگر برای مثال متوجه شویم که در زاویه متناظر با سطح توان –25dB در یک طرف پترن تشعشعی، مقدار پیک تو پیک اندازه یک نصف سیکل از منحنی انحراف برابر 1.1 dB است، بلافاصله مشخص می شود که سطح انرژی انعکاسی یافته در ناحیه ای از نقاط آزمایش متناظر با آن سیکل برابر با –49 dB می باشد.

در گرافهای شکل صفحه بعد بر روی محور قائم ، کمیت  نمایش داده شده است که نشان دهنده تغییرات پیک تو پیک اندازه میدان الکتریکی کل در نتیجه تداخل بین بردار میدان الکتریکی شعاع مستقیم x و بردار میدان الکتریکی انعکاسی y روی محدوده دسیبلی x, y می باشد.

هر سیکل یا نصف سیکل بر روی منحنی های انحراف شکل (3) در امتداد هر خط اندازه گیری یک مقدار انعکاس برای ناحیه متناظر در “Quiet Zone” بدست می دهد.

فصل اول: محاسبه ناجیه سکوت اتاق آنتن و تعیین کیفیت اتاق – 1

• 1- مقدمه – 2
• 2- تعریف “Qiet zone” و “Quietness” اتاق آنتن – 4
• 3- اندازه‌گیری مقدار انعکاس در ناحیه سکوت – 6
• 4- تحلیل نتایج آزمایش: – 15
• 5- مقایسه بین نتایج حاصل از دو روش – 17

فصل دوم: طراحی و مدل سازی اتاق انتن – 25

• 1- مقدمه – 27
• 2- نظریه جذب امواج الکترومغناطیسی – 28
• 3- جاذب باند باریک – 29
• 4- جاذب باند پهن – 30
• 5- انتخاب ماده جاذب و تهیه بلوکهای جذب – 31
• 6- اندازه‌گیری مشخصات جاذبها – 32
• 7- ناحیه سکوت آنتن – 33
• 8- طراحی اتاق – 34
• 9- مدلسازی ریاضی اتاق آنتن – 35
• 10- نتیجه – 38
• 11- پیشنهادات – 38

فصل سوم: گزارش ساخت اتاق آنتن – 39

• نتیجه گیری – 42
• فهرست مراجع – 43

فهرست شکلها و جداول:

• شکل شماره 1- نمای کلی آنتن فرستنده و گیرنده – 5
• شکل شماره 2- منحنی پترن تست شده آنتن مرجع – 8
• شکل شماره 3- منحنی انحراف سطح توان – 9
• شکل شماره 4- انحراف پترن آنتن تحت تأثیر موج انعکاس – 10
• شکل شماره 5- منحنی پترن موج ساکن – 15
• شکل شماره 6- جهت حرکت آنتن – 18
• شکل شماره 7- مجموعة اندازه گیری توان دریافتی – 19
• جدول شماره 1- مقادیر اندازه گیری توان در زاویه های مختلف – 20
• جدول شماره 2- مقادیر اندازه گیری توان در زاویه های مختلف – 20
• جدول شماره 3- مقادیر اندازه گیری توان در زاویه های مختلف – 20
• جدول شماره 4- مقادیر اندازه گیری توان در زاویه های مختلف – 21
• جدول شماره 5- مقادیر اندازه گیری توان در زاویه های مختلف – 21
• جدول شماره 6- مقادیر اندازه گیری توان در زاویه های مختلف – 21
• شکل شماره 8- زاویه بین آنتن فرستنده و گیرنده – 22
• شکل شماره 9- پترن آنتن – 23
• شکل شماره 10- امواج انعکاس از مانع بی اتلاف – 29
• شکل شماره 11- انعکاس موج از مانع در محیط تلفدار – 30
• شکل شماره 12- نمونه جاذب های الکترومغناطیسی – 32
• شکل شماره 13- مدار نمونه ای اندازه گیری ضریب انعکاس جاذب – 32
• شکل شماره 14- مدار نمونه ای اندازه گیری افت انتقال جاذب – 33
• شکل شماره 15- نمایی از اتاق آنتن – 35
• شکل شماره 16- مقایسه جذب موج در روش پیشنهادی و روش MUR