فهرست مطالب

 فصل ۱  مشخصات تشعشعی یک آنتن   
۱-۱) مقدمه      ۲
۱-۲) تقسیم بندی نواحی اطراف یک آنتن   ۲
۱-۳) شدت تشعشعی آنتن۳
۱-۴) نمودارهای تشعشعی ۴
۱-۵) پهنای تابه نیم توان۷
۱-۶) پهنای باند فرکانسی و یک آنتن ۸
۱-۷) بهره جهتی آنتن ۹
۱-۸) سمتگرایی ۹
۱-۹) بازده تشعشعی آنتن ۱۰
۱-۱۰ )بهره یا گین آنتن ۱۰
۱-۱۱) امپدانس ورودی آنتن ۱۱
۱- ۱۲) قطبش موج ۱۱
۱-۱۳) ضریب کیفیت (Q) در مدارات سری۱۲
فصل ۲-  آنتن های تلفن همراه
۲-۱) مقدمه۱۴
۲-۲) آنتن کوچک چیست ؟ ۱۴
۲-۳) آنتن F معکوس و عملکرد یک آنتن تلفن همراه ۱۵
۲-۴) شاسی در گوشی موبایل  ۱۸
۲-۵) آنتنهای سیمی۱۸
۲-۶) موقعیت آنتن در موبایل۲۱
۲-۷) حجم آنتن۲۳
۲-۸) انواع کلاسهای آنتنهای موبایل۲۶
فصل ۳ – توصیف کیفی و تحلیل عملکرد آنتن PIFA 
۳-۱) مقدمه۳۰
۳-۲) تغییرات پورت زمین  و تاثیر آن روی آنتن PIFA در گوشی موبایل۳۰
۳-۳) تحلیل آنتن PIFA  با استفاده از مدل های معادل ۳۷
۳-۴ ) روش تحلیل عملکرد آنتن PIFA در این پژوهش۳۹
۳-۵) شبیه سازی یک آنتن مونوپل به کمک نرم افزار HFSS 40
فصل ۴ –  نحوه طراحی آنتن PIFA در این تحقیق
۴-۱) مقدمه۴۴
۴-۲) طراحی اولیه آنتن۴۴
۴-۳) تبدیل آنتن PIFA   تک باند به دو باند۴۹
۴-۴) بهینه سازی آنتن طراحی شده۵۱
۴-۵)جمع بندی۶۱
فهرست منابع۶۲

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

چکیده

در این پژوهش سعی شده است آنتنی طراحی شود که ضمن دارا بودن ابعاد کوچک تا حد ممکن مستقل از حضور اجسام در اطراف آنتن باشد. در فصل اول به مفاهیم اولیه و مشخصات تشعشعی آنتن ها اشاره شده است. فصل دوم به بررسی عملکرد کیفی آنتن‌های تلفن همراه، موقعیت آنتن در گوشی تلفن همراه و انواع آنتن های تلفن همراه به طور مختصر می‌پردازد. در فصل سوم به طور مفصل‌تر به بررسی آنتن های نوع PIFA برای تلفن‌های همراه، نحوه عملکرد این نوع  آنتن ها و روش تحلیل آن‌ها در این پژوهش پرداخته شده است. در فصل چهارم نحوه طراحی آنتن مورد نظر این پروژه که از نوع PIFA دو باند است و در دو فرکانس ۹۰۰ MHz و ۱۸۰۰ MHz تشعشع می‌کند به صورت گام به گام توضیح داده شده است. مشخصات تشعشعی آنتن طراحی شده نیز قبل و بعد از اضافه شدن یک  قطعه هادی که می تواند همان باطری یا صفحه نمایش آنتن باشد با یکدیگر مقایسه شده است.

سپس یکی از مشخصات تشعشعی آنتن (VSWR) در دو باندMHz 900 و  MHz1800   در دو حالت خاص برای گوشی تلفن همراه یکی در حالت عادی و یکی در حالتی که یک جعبه رسانا به ابعادmm 50×mm54×mm10 به جعبه گوشی اضافه شده است با یکدیگر مقایسه گردیده است.  با توجه به نمودارها می توان نتیجه گرفت که تقریبا حضور اجسام رسانا در اطراف آنتن بی تاثیر است.

واژه های کلیدی: تشعشعی آنتن، خط انتقال پایاندار ، آنتن‌های تلفن همراه، بررسی آنتن های نوعPIFA

فصل اول- مشخصات تشعشعی یک آنتن
۱-۱) مقدمه
انتقال امواج الکترومغناطیسی می تواند توسط نوعی از ساختارهای هدایت کننده امواج (مانند یک خط انتقال یا یک موجبر) صورت گیرد و یا می تواند از طریق آنتنهای فرستنده و گیرنده بدون هیچ گونه ساختار هدایت کننده واسطه ای انجام پذیرد. عوامل مختلفی در انتخاب بین خطوط انتقال یا آنتنها دخالت دارند. بطور کلی خطوط انتقال در فرکانسهای پایین و فواصل کوتاه عملی هستند. با افزایش فواصل و فرکانسها تلفات سیگنال و هزینه های کاربرد خطوط انتقال بیشتر میشود و در نتیجه استفاده از آنتنها ارجحیت می یابد]۱[.
در حدود سالهای ۱۹۲۰ پس از آنکه لامپ تریود برای ایجاد سیگنالهای امواج پیوسته تا یک مگاهرتز بکار رفت، ساخت آنتنهای تشدیدی (با طول موج تشدید) مانند دوقطبی نیم موج امکان یافت و در فرکانسهای بالاتر امکان ساخت آنتنها با ابعاد و اندازه ی فیزیکی در حدود تشدید (یعنی نیم طول موج) فراهم شد. قبل از جنگ دوم جهانی مولدهای سیگنال مگنی ترون و کلایسترون و مایکروویو (در حدود یک گیگاهرتز) همراه با موجبرهای توخالی اختراع و توسعه یافتند. این تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتنهای بوقی شد. در خلال جنگ دوم جهانی یک فعالیت وسیع طراحی و توسعه برای ساخت سیستم های رادار منجر به ابداع انوع مختلف آنتنهای مدرن مانند آنتنهای بشقابی (منعکس کننده) عدسی ها و آنتنهای شکافی موجبری شد]۱[.
امروزه گستره وسیعی از انواع مختلف آنتنها در مخابرات سیار و سیستمهای بیسیم در حال استفاده اند و کماکان رقابت در زمینه کوچک کردن ابعاد آنتنها و بهینه کردن مشخصات تشعشعی آنها ادامه دارد. در این بخش به طور خلاصه به مرور اصول، تعاریف مشخصات تشعشعی آنتنها پرداخته شده است.
۱-۲) تقسیم بندی نواحی اطراف یک آنتن
فضای اطراف یک آنتن به دو ناحیه تقسیم میشود. اولین ناحیه بعد از آنتن، ناحیه آنتن و ناحیه خارج از آن، ناحیه بیرونی نامیده میشود. مرز دو ناحیه کره ای است که مرکزش، مرکز آنتن وسطح آن از دو انتهای آنتن عبور میکند. نسبت این کره مرزی به آنتن نیم موج دو مخروطی متقارن در شکل ۱-۱ نشان داده شده است ]۲[.
برای متمایز کردن میدانها در فاصله دور و نزدیک آنتن، می توان ناحیه بیرونی را به دو ناحیه تقسیم کرد که فاصله نزدیک آنتن شامل میدانهای نزدیک ناحیه فرنل[۱] نام دارد و میدان در فاصله دور را ناحیه دور یا ناحیه فرانهوفر[۲] می خوانند.
می توان ثابت کرد فواصل بزرگتر از نسبت به آنتن شامل میدانهای راه دور آنتن است. طول موج کاردر فضای آزاد و بزرگترین بعد آنتن است.
در ناحیه فرانهوفر مولفه های میدان عرضی و مستقل از فاصله شعاعی است که میدان در آن محاسبه میشود. در صورتی که در ناحیه فرنل ممکن است مولفه های میدان به صورت شعاعی تغییر کنند که در نتیجه نمودار تشعشعی [۳] میدان بطور کلی تابعی از شعاع خواهد بود ]۲[.
۱-۳) شدت تشعشعی آنتن
توان تشعشع شده از یک آنتن در واحد زاویه فضایی، شدت تشعشعی U (وات بر استرادیان) خوانده میشود]۲[.
۱-۴) نمودارهای تشعشعی[۴]
با حرکت یک آنتن کاوشگر[۵] شکل۱-۴)الف) در یک فاصله ثابت حول یک آنتن آزمون می توان نمودار تشعشعی را بصورت یک تابع مختصات زاویه اندازه گیری کرد. در شکل۱-۴(الف)هر نمودار تشعشعی در صفحات ثابت موسوم به یک نمودار تشعشعی صفحه E [6] است ، زیرا بردار الکتریکی کاملا در آن قرار دارد. نمودار تشعشی در یک صفحه عمود بر صفحه E که از وسط دوقطبی آزمون می گذرد (صفحه xy) موسوم به نمودار تشعشعی صفحه[۷]H است، زیرا بردار میدان مغناطیسی کاملا در آن جای دارد. به عنوان مثال نمودارهای تشعشی صفحه E و صفحه H برای یک آنتن ساده دوقطبی نیم موج به ترتیب در شکل ۱-۴ (ب) و شکل ۱-۴ (ج) نشان داده شده است. این نمودارها را می توان برای مولفه های مختلف میدان E و H و حتی توان رسم کرد.
مولفه های میدان و نحوه اندازه گیری پرتو. آنتن کاونده روی سطح یک کره حرکت داده می شود.]۱[H
تشعشع کامل دوقطبی ایده آل به صورت یک نمای ایزومتریک [۸] در شکل ۱-۵ با یک برش نشان داده شده که بصورت یک چنبره بدون سوراخ است و به نمودار تشعشی همه جهتی [۹] معروف است، زیرا در صفحه xy یکنواخت میباشد. هنگامی که پژوهشگر به آنتنهای جدید برخورد میکند، باید سعی کند که تشعشع کل را در دو یا چند نمودار تشعشی بیان کند ]۱[.
مناسب است که نمودارهای تشعشعی را نرمالیزه (بهنجار) کنیم به طوری که حداکثر اندازه اش برابر واحد شود. برای نرمالیزه کردن یک نمودار به صورت زیر عمل میکنیم: اندازه میدان یا توان در هر نقطه از نمودار را بر ماکزیمم مقدار آنها تقسیم میکنیم . بدین صورت نمودار نرمالیزه شده بدست می آید . به عنوان مثال برای یک منبع در امتداد محور Z که میدان E اش تنها یک مولفه دارد، نمودار میدان نرمالیزه شده، به صورت زیر تعریف میشود:
حداکثر اندازه روی سطح کره به شعاع است. البته مستقل از است.
یک نمونه نمودار توان تشعشعی یک آنتن بصورت یک نمودار قطبی در شکل زیر رسم شده است. گلبرگ یا تابه اصلی [۱۰] شامل جهت حداکثر تشعشع میباشد. گلبرگ های کوچکتر دیگری موسوم به گلبرگهای فرعی [۱۱] نیز در نمودار تشعشع وجود دارد. یک گلبرگ کناری [۱۲] را به عنوان یک گلبرگ تشعشع در هر جهت غیر از جهت گلبرگ اصلی تعریف میکنیم]۱[.
یک معیار تمرکز توان در گلبرگ اصلی، تراز گلبرگ کناری نسبی [۱۳]است که نسبت حداکثر اندازه (پرتو) گلبرگ کناری به حداکثر اندازه (پرتو) گلبرگ اصلی است. بزرگترین تراز گلبرگ کناری نسبی در پرتو کل همان حداکثر تراز گلبرگ کناری نسبی[۱۴] بوده که اغلب با علامت اختصاری SLL[15] نشان داده میشود و بر حسب دسی بل عبارت است از :
که تابع اندازه پرتو میدان میباشد. در این رابطه حداکثر اندازه پرتو و حداکثر اندازه بزرگترین گلبرگ کناری است. برای یک پرتو نرمالیزه شده میباشد. نمودار اندازه پرتو یک منبع خطی یکنواخت در مختصات قائم و مقیاس خطی در شکل ۱-۷رسم شده است.
گلبرگهای کوچکتر گلبرگهای کناری بوده و به توالی مثبت و منفی هستند.
۱-۵) پهنای تابه نیم توان (HPBW)[16]
بصورت فاصله زاویه ای بین دو نقطه روی تابه اصلی در پرتو توان بوده که اندازه توان نصف حداکثر اندازه آن است. بنابراین:
و به ترتیب زوایای نقاط در طرف چپ و طرف راست حداکثر تابه اصلی هستند که پرتو توان نصف اندازه حداکثرش است]۱[.
آنتنها می توانند پهلو آتش [۱۷] یا سرآتش [۱۸] باشند. حداکثر اندازه تابه اصلی یک آنتن پهلو آتش در جهتی عمود بر صفحه شامل آنتن است. حداکثر اندازه تابه اصلی یک آنتن سرآتش موازی صفحه شامل آنتن میباشد
۱-۶) [۱۹]VSWR و پهنای باند فرکانسی یک آنتن
قبل از تعریف VSWR مفهوم خط انتقال پایاندار را توضیح می دهیم.
یک خط انتقال بدون اتلاف منتهی به بار دلخواه را در نظر بگیرید که در راستای محور Z قرار دارد به طوری که مبدا در محل بار قرار داشته باشد. منبعی در Z های منفی (Z<0) موج ولتاژ تابشی (، که فرکانس زاویه ای، ضریب الکتریکی و ضریب مغناطیسی می باشند. ) را تولید می میکند که در جهت +Z حرکت میکند. طبق تعاریف خط انتقال نسبت ولتاژ رفت به جریان رفت برای این موج رونده در جهت +Z برابر امپدانس مشخصه خط است. اما اگرخط به بار منتهی شده باشد، نسبت ولتاژ کل به جریان کل در محل بار برابر خواهد بود و نه . برای توضیح این تناقض باید یک موج انعکاسی در جهت –Z وجود داشته باشد. لذا ولتاژ کل خط بار برابر است با :
که ولتاژ تابشی توسط منبع در Z=0 و ولتاژ بازگشتی از بارو برای یک خط بی اتلاف عددی حقیقی است ولی می تواند مختلط باشد.
جریان کل نیز از رابطه زیر بدست می آید:
نسبت ولتاژ به جریان در محل بار برابر است با امپدانس بار :
ضریب انعکاس به صورت زیر تعریف میشود:
بدیهی است که:
– در حالتی که انعکاس کامل داریم یعنی اندازه گاما ۱ است هیچ توانی به بار منتقل نمیشود و همه توان برمیگردد.
– در حالتی که تطبیق کامل داریم یعنی گاما۰ است ماکزیمم توان به بار منتقل میشود.
نسبت موج ساکن ولتاژدر طول خط انتقال، بصورت نسبت ماکزیمم دامنه ولتاژ به می نیمم دامنه ولتاژ در خط تعریف میشود و ثابت میشود با ضریب انعکاس موج رابطه زیر را دارد:
طبق رابطه فوق هنگامی که پس که به این حالت انعکاس کامل و هنگامی که در نتیجه که به این حالت انطباق کامل می گوییم.
مشخصه VSWR در یک خط انتقال که یک آنتن خوب و منطبق را تغذیه می کند در فرکانس کارش باید بین ۱و۲و۵/۲ باشد.
فرکانس یا فرکانسهایی که در آنها VSWR نزدیک به ۱ و کمینه است فرکانس رزونانس یا تشدید آنتن می نامند و در اکثر مواقع بازه ای حول این فرکانسها که VSWR بین ۱و۲ است به صورت پهنای باند فرکانس آنتن حول فرکانس تشعشع در نظر می گیرند]۳[.
بدیهی است با این تعریف در فرکانس تشدید امپدانس ورودی آنتن به امپدانس مشخصه خط انتقال منطبق است و در نتیجه برای یک خط انتقال بی اتلاف امپدانس ورودی آنتن نباید در فرکانس تشدید قسمت رآکتیو داشته باشد.
======