طراحی و ساخت اتاق آنتن

یك اتاق بدون انعكاس با كمك جاذبهای الكترومغناطیسی یا ابرهای آغشته به گرافیت ساخته می‌شود و طراحی اتاق از نظر اندازه و محل استقرار ابرها به گونه ای می باشد كه در حالت ایده آل انعكاسات را حذف نماید، ولی در عمل انعكاسات بكلی از بین نرفته، بلكه توان امواج غیر مستقیم پس از انعكاس كاهش می یابند، به طوریكه مثلاً امواجی به سمت دیواره های اتاق حركت می كنند پس از برخورد با جاذبهای الكترومغناطیس در حدود 40 dB افت پیدا می كنند. البته عملكرد جاذبهای الكترومغناطیس و به تبع آن عملكرد اتاق آنتن بدون انعكاس تابعی از فركانس می باشند، بطوریكه با افزایش فركانس عملكرد اتاق آنتن بهبود می یابد، كه این مسئله در نتیجه دو عامل است. یكی همان بهبود كیفیت جاذبها با افزایش فركانس می باشد و دیگری افزایش ابعاد اتاق به نسبت طول موج با افزایش فركانس كار است. بنابراین دلائل همیشه بهتر است كه یك اتاق آنتن جدید را در فركانسهای پایینتر باند فركانس مایكروویو تحت آزمایش قرار داد و مطمئن بود كه كیفیت عملكرد اتاق در فركانسهای بالاتر مطمئناً بهتر خواهد بود.

اما در بالا صحبت از نحوه عملكرد و كیفیت اتاق آنتن شد. در برخورد اول به نظر می رسد كه كیفیت اتاق مستقیماً به میزان انعكاسات اتاق بستگی دارد و در واقع منظور از كیفیت اتاق آن است كه اتاق بدون انعكاس تا چه حد در كاهش انعكاسات موفق عمل می كند. اكنون برای پایه گذاری دقیقتر برای اندازه گیریها و آزمایشات آینده به تعریف دقیق از كیفیت اتاق می پردازیم و مفهوم ناحیه سكوت (Quiet Zone) اتاق آنتن بدون انعكاس را تعریف می كنیم.

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

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

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

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

و اما كیفیت اتاق بدون انعكاس را به پارامتری از اتاق به نام “میزان سكوت” یا “QuietNess” نسبت می دهند و تعریف آن عبارتست از : میانگین نسبت چگالی توان انعكاس یافته به چگالی توانی كه مستقیماً از فرستنده به آنتن گیرنده رسیده است. در ناحیه ای كه انتشار انرژی بین آنتنهای فرستنده و گیرنده با دیركتیویته معلوم یك طرفه باشد. مسلماً هر چه این نسبت توان انعكاس یافته به توان دریافتی مستقیم كمتر باشد، “Quietness” اتاق بیشتر و یا به عبارت دیگر اتاق ساكت تر است و در نتیجه اتاق دارای عملكرد بهتری است.

اكنون می خواهیم كیفیت اتاق و یا همان “Quietness” آنرا بطریق دیگری تشریح كنیم كه كمی شهودی تر باشد.

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

شكل 1- نمای كلی آنتن فرستنده و گیرنده

جبهه غیر یكنواخت موج كه بدین شكل تشكیل می گردد، باعث می شود كه نتایج غیر دقیقی برای آزمایشهای آنتن بدست آید. هر چه مقدار بیشینه انحرافات از حالت یكنواخت بیشتر باشد ، نتایج غیر قابل اطمینان خواهد بود. مقدار ماكزیمم نوسانات در اندازه میدان كل روی جبهه موج بطور معكوس با كیفیت اتاق متناسب است، بدین صورت كه هر چه انحرافات از حالت موج یكنواخت بیشتر باشد، موج انعكاسی از دیواره بیشتر بوده و در نتیجه “Quietness” اتاق كمتر خواهد بود و كیفیت عملكرد اتاق پایینتر است.

اگر این ماكزیمم نوسانات در اندازه كل میدان از یك حدی بیشتر نباشد با تقریب خوبی می توان گفت كه اتاق بدون انعكاس است و در نتیجه نتایج حاصل از آزمایشها قابل اطمینان می باشند. 

3- اندازه گیری مقدار انعكاس در ناحیه سكوت 

تقریباً در اكثر آزمایشاتی كه 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 یك آنتن فرستنده كه در ناحیه دور قرار گرفته قرار می دهند. در حالت ایده آل میدان روشن كننده آنتن گیرنده یا به عبارت دیگر “illuminating field” یك موج صفحه ای می‌باشد و اندازه گیریهای پترن كه انجام می شوند در واقع اندازه گیری آشفتگیهای ناشی در این موج صفحه ای ناشی از انعكاسات ناخواسته انرژی می باشند. 

از نظر تئوریك این امكان قطعاً وجود دارد كه میدان الكتریكی در ناحیه ای كه آنتن تست باید در آن قرار گیرد ، اندازه گیری شود و تغییرات دامنه و فاز از میدان الكتریكی كلی بدست آیند. در اینجا واژه “كل” به معنی جمع برداری تمامی مؤلفه های میدان الكتریكی در هر نقطه از فضا می باشند ، كه شامل مؤلفه موج مستقیم و مؤلفه های ناشی از انعكاس و دیفركشن كه بسیار جزئی هستند. اندازه مجموع برداری مؤلفه های انعكاسی و دیفركشن در یك نقطه كه به صورت كسری از اندازه مؤلفه موج مستقیم بیان شود، در واقع همان مقداری است كه باید اندازه گیری شود. ولی اندازه گیری دقیق این كمیت احتیاج به یك پروب همه جهته واقعی دارد. (Omni Directional Probe) ؛ ولی در عمل می توان از آنتنهایی استفاده كرد كه 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 آنجائیكه تمركز ما بر روی مؤلفه های مستقیم و انعكاسی میدان الكتریكی است كه در یك فركانس ثابت فقط دارای تغییرات فضائی هستند ؛ اندازه مؤلفه منعكسه كلی را می توان از اندازه مؤلفه مستقیم با مشاهده تغییرات پیك تو پیك پترن تداخلی دو مؤلفه، وقتی كه آنتن پروب ناحیه سكوت را جاروب می كند، از هم تمییز داد. برای این منظور تنها لازم است دامنه سیگنال دریافتی كل توسط پروب اندازه گیری شود، و از بعد عملی نیز حركت آنتن پروب روی دو یا سه خط مستقیم ، متعامد كافی می باشد.

با فرض اینكه اندازه میدان انعكاس دریافت شده 50db پایینتر از اندازه میدان مستقیم دریافتی باشد، انحراف ماكزیمم اندازه میدان كل بین وقتی كه مؤلفه های مستقیم و انعكاسی جع می شوند (هم فاز) و وقتیكه از هم كم می شوند (غیر هم فاز) برابر خواهد شد با : 

آشكار كردن و خواندن چنین تغییر كوچكی فقط با دستگاههای دقیق و بسیار پیچیده قابل انجام است. از اینرو در اكثر روشهای اندازه گیری اتاق آنتن، در مورد رزولوشن مورد نیاز برای اندازه گیری تخفیف قائل می شوند. این كار را می توان با روشهای مختلف آشكارسازی “off-peak” انجام داد. در آشكارسازی “off-peak” اثرات بر هم زنندگی ناشی از انرژی انعكاسی در روی بخشهائی از پترن آنتن كه سطح پایینتری دارند، مورد مشاهده قرار می گیرند. برای مثال اگر سطح انرژی تداخلی 50 dB پایینتر از سطح شعاع مستقیم دریافت شده توسط پیك پاسخ آنتن پروب باشد و اگر لوب اصلی آنتن پروب طوری جهت گیری شده باشد كه شعاع مستقیم پاسخی برابر 20 dB پایینتر از مقدار پیك را نتیجه دهد، تغییرات بیشینه اندازه سیگنال كلی دریافتی در روی خط آشكارسازی برابر با 0.550 dB خواهد بود و این مقدار با ابزارهای ثبت پترن تشعشعی كاملاً قابل مشاهده و ثبت می باشد.