آنتن های اندازه گیری و مونیتورینگ

آنتن های اندازه گیری و مونیتورینگ
1-2-3 ملاحظات عمومی
یافت بیشترین سیگنال ممکنه از محیط اطراف و به کارگیری این سیگنال در ورودی گیرنده ضمن می نیمم کردن قله نویز و تداخل سیگنالها ، هدف آنتن های گیرنده است. مشخصه های خاص آنتن ِ مونیتورینگ بوسیله کاربردهای مخصوص آن به طور وسیعی ، معلوم شده است. هنگام انتخاب یک آنتن مونیتورینگ ، به طور قابل ملاحظه ای، باید به عواملی نظیر خصوصیات سیگنال مطلوب ، پارامترهای مورد نظر مشاهدات ، مشخصه های مکان نصب ( آنتن) و هرگونه تداخلی که ممکن است وجود داشته باشد، توجه شود. برای دریافت بهترین نتایج و حتمی شدن از بابت انتقال حداکثر توان ماکزیمم، آنتن ها باید یک قطبی شدگی ( پلاریزاسیون) متناظر با پلاریزاسیون جبهه موج سیگنال رسیده ، داشته و همچنین باید تطبیق امپدانس بین خط انتقال و مدارات ورودی رسیور(دریافت کننده) را فراهم کنند. پترن های دریافت همه سویه ( البته در جهت مناسب) برای مونیتورینگ عمومی یا برای تعیین طیف فرکانس رادیوئی به طور مفید بهبود یافته اند.در مورد بعضی از مشاهدات ، نظیر مطالعات روی شدت میدان ، مشخصات آنتنی مورد نظر است که1. بدرستی پیش بینی ارتباطی به پاسخ فرکانسی را بکند و 2. تغییر ناپذیر با زمان باشد.یک بخش سیار با آنتن های کالیبره شده (تنظیم یافته) قادر به فراهم کردن اندازه شدت میدان متوسط در منطقه ای داده شده است. چرا که هیچ نوع از آنتن ها همه ویژگی های لازم را برای دریافت مناسب همه نوع سیگنال ندارند. شمار خاصی از آنتن ها عموماً در ایستگاه مونیتورینگ مورد نیاز هستند. توصیف انواع مختلف از آنتن ها برای کاربرد های خاص در پاراگرافهای زیر که به باند فرکانسی تقسیم شده اند آمده است.


2-2-3 پیکر بندی آنتن های مناسب
1-2-2-3 عملیات زیر 30 MHz
ایستگاه مونیتورینگ برای رنج فرکانسی حدود 30 مگاهرتزیک رنج پهنی از سیگنالهارا در باندهای VLF,LF,MF,HF که از همه زوایای آزیموث می رسند ، دریافت میکند. این ایستگاه باید دور از نواحی شهری قرار گیرد و مناسب مناطق خشکی باشد که مطابق همه نیازهای آنتن ها باشد. بیشتر ایستگاههای مونیتورینگ دارای تجهیزات جهت یاب هستند. یک آنتن مونیتورینگ مناسب به سهولت نکات زیر پیکر بندی می شود:
- یک جهت یاب چرخشی وار حلقه گونه یا حلقه بسته که می تواند رنج فرکانس هایی را در حدود 9 کیلو هرتز تا 2.5 مگاهرتز میزان کند.
- سیستم آنتنی که دریافت پلاریزه شدۀ عمودی همه سویه ای ( تشعشع پترن آزیموث در اصل به صورت دایره ای) را بر رنج فرکانس موج کوتاه فراهم خواهد کرد(30-2 مگاهرتز).
- سیستم آنتنی که جهت وسیعی را میسر سازد ، دریافت به طور عمودی در سکتورهای اطراف همه نقاطِ حوزه بر رنج فرکانسی موج کوتاه پلاریزه شود. این سیستم برای دریافت بهره بالای بهینه ای ، با هر قطعه انتخاب شده در موقعیت مونیتورینگ ساختا ثابتی دارد.یک جداره ی ِ ستاره گونه ی ِ مفرد تناوب لگاریتمی ، با 6 جدارکه هر یک نصف توان عرض شعاع را دارند(در حدود 60 درجه)، وهر یک شامل یک فضای 60 درجه ای در فاصله اطراف یک دکل تقویت مرکزی(بیشتر از 60 متر ارتفاع) هستند، آرایش داده می شود . که همچنین رنج فرکانسی را قطع خواهد کرد و به ملزومات می رسد. یک پترن میلچرخ مانند دو جهته به آرایه های حلقه بیرونی پایان می دهد و همچنین 6 شعاع آزیموث فضایی مورد نیاز یک منطقه خشکی کوچکتر را در مقایسه با جدارهای 6 گانه فراهم می کند.
- سیستم آنتنی که جهت های وسیعی را فراهم حواهد کرد، به طور افقی دریافت را در همه آزیموث ها بر روی رنج فرکانسی کوتاه-موج پلاریزه می کند. این آخری دارای زمان 60 ثانیه ای یا بیشتر برای گردش درآزیموث است که یک زیان مخصوص بخود محسوب می شود. همچنین نگهداری و برقراری سیستم در شرایط آب و هوایی سرد یعنی جائی که باد و یخ عاملهای مهم تاثیرگذار بر دکل آنتن و ماشین آلات گردشی هستند، مشکل تر است. همچنین آرایه ای متشکل از شش جدار عمود، پوشش آزیموث 360 درجه ای را بر روی شش شعاع 60 درجه ای فراهم می کند.
- به طور مخصوص اگر محیط یا شرایط اقتصادی عاملهای محدود کننده ای بر پیکر بندی آنتن باشند، باید پیکر بندی شامل حداقل سیستم آنتن فعال دو سویه ای باشد، که هر دو نوع پلاریزاسیون افقی و عمودی را فراهم کند یا باید شرط امکان پذیر بودن دریافت های گوناگون پلاریزاسیون و پوشش رنج فرکانسی بین 9کیلو تا 30 مگاهرتز را نیز فراهم کند.
2-2-2-3
عملیات بین 30 و 3000 مگاهرتز
اگر قرار گاه در داخل ناحیه یا نزدیک یک مکان وابسته به شهر باشد، یک محیط پلاریزه شده ی عمودی یا افقی دراین رنج فرکانسی با بهره دوسویه ای با آنتن مونیتورینگ می تواند استفاده شود.یک بهبود کوچک در حساسیت می تواند باعث دستیابی به بهره بالای چرخشی تناوب- لگاریتمی رویهم رفته پلاریزه شده شود.
( البته در رنج فرکانسی سیستم آنتن ) . در کل به علت پوشش VHF/UHF که در خط دید قرار دارند، اجرای افزایش دادن ارتفاع یک آنتن omni. خیلی گرانتر است. یک سیستم جهت یاب اتوماتیک VHF/UHF باید بر روی یک برج مناسب از نظر ارتفاع نصب شود تا چند مسیره هایی که باعث انعکاس سیگنال ها از زمین تا نزدیک ساختمان ها می شوند، کاهش دهد. اگر ایستگاه مونیتورینگ تقریباً در داخل 25 کیلومتری از ناحیه بزرگ وابسته به شهر باشد، سیستم مفید واقع خواهد شد؛ جایی که محل استقرار بیشتر فرستنده های VHF/UHF است. جهت یابVHF/UHF از محل های سیار/ثابت با ساختار سه گوشه ای ثابت راه معتبری است تا فرستنده های محل ثابت. دقت فیزیکی تعیین آزیموث سیگنال VHF/UHF ، در انتشار و چند راه های بی ترتیب که در دکل 1 درجه هستند، باید به حساب آورده شوند. به هر حال ، تجهیزات ارزان قیمت هم با رنج دقت بین 5 تا 10 درجه در بازار در دسترس هستند.
3-2-2-3 عملیات بر روی 3000 مگ
دریافت باند عریض بوسیله هر یک از دو قطبی شدگی های:1. خطی با اریب2. خطی دو گانه در یک رنج فرکانسی پهن از 1 تا26 گیگاهرتز تحقق می یابد. آنتنهای شیپوری بهره بیشتری را فراهم می کنند، اما آنها در رنج فرکانسی محدود هستند. آنتنهای شیپوری برای اندازه گیری دقیق در حدود خطای 0.2 دسیبل بیشتر مناسب تر اند.
به خاطر میرائی زیاد فضای آزاد در رنج SHF و بالاتر از SHF ، در درجه اول " دیش و پاهای" آنتن بکرات مورد استفاده قرار میگیرد؛ در مونیتورینگ سیگنال که بهره آنتن زیادی فراهم می کند. بسته به اینکه دیشها کاربرد زمینی داشته ، ماهواره ای ، در کشتی و یا در مونیتورینگهوابرد داشته باشد ، می تواند شکلی مثل (Cosecant) یا پارابولیک استوانه ای و یا سهمی وار داشته باشند. بسته به نوع کاربرد قطر آن می تواند بین 0.9 تا 10 متر باشد. این آنتنها قابل نصب در سیستم های موقعیت یاب قابل هدایت با دقت فیزیکی موقعیت یابی خیلی زیاد هستند که باعث ایجاد یک پهنای باند باریک فوق العاده زیاد آنتنها در فرکانس های بالا شوند. این آنتنها قابل استقرار در یک وسیله نقلیه سیار یا در داخل هستند.( و نیز قابل توسعه برای زمانی که وسیله نقلیه ساکن باشد، هستند). در یک فضای محدود که وسیله نقلیه قرار دارد، آنتنهای دوسویه می تواند استفاده شود. برای 3 گیگا هرتز و کاربردهای بالاتر، یک و سیله نقلیه خیلی مفید است زیرا ، وسیله نقلیه قادر به رانندگی در شعاع تحت پوشش آنتن یا نزدیک آن است.
3-2-3 آنتنهای VHF/LF/MF , HF
1-3-2-3 انواع آنتنهای دوسویه ی VLF/LF/MF
از نظر حداکثر طول موج در VLF/LF و MF ( برای مثال 10000 متر برای فرکانس 30 کیلو هرتز)، آنتنها برای این فرکانسها لزوماً محدود می شوند، نسبت به آنهایی که در مقایسه با طول موج کوچکترند. چرا که سیگنالها در این باندها در درجه ی اول به صورت عمودی پلاریزه می شوند، عمودی ها عموماً برای دریافت مورد استفاده قرار می گیرند. یک آنتن عمودی ساده که فقط درصد کمی از 4/1 طول موجی را که امپدانس راکتیو بزرگی دارد، را نشان می دهد. به عنوان مثال یک آنتن باری فراهم آوردن حساسیت لازمه بالاتر از سطح نویز اتمسفر می تواند به طور عمودی به اندازه کافی بلند ساخته شود. زمانیکه اندازه عناصر آنتن از نظر فیزیکی محدود باشد برای یک بخش کوچکی از طول موج، چنانچه در VLFو LF رخ می دهد، یک آنتن فعال عموماً فراهم می کند درصدی از دامنه سیگنال به نویز بزرگتری از آنچه که بدست می دهد در اتصال مستقیم آنتن به گیرنده بدون استفاده از یک ابزار فعال بار تطبیق امپدانس. به جهت اجتناب از intermodulation و crossmodulation در مدارات فعال بایستی به اطلاعات تکنیکی زیر توجه شود:
ضریب فاکتور 20 log ( E/V) باید بین 15 و 25 دسیبل واقع شود.
مرتبه دوم در نقطه جلوگیری خروجی آنتن نباید کمتر از 50 دسیبل(میلی) باشد.
مرتبه سوم نقطه جلوگیری خروجی آنتن نباید کمتر از 50 دسیبل (میلی ) باشد.
شدت میدان مجاز برای کراس مدولاسیون ِ 10 دسیبل نباید کمتر از 10 ولت بر متر باشد.
ماکزیمم ارزش rms شدت میدان تداخلات مجاز ( damage threshold in lightning protection) نباید کمتر از ( 20 kV/m at 100 kHz and 200 kV/m at 10 kHz) باشد.
آنتن های پیشرفته که دارای مشخصات بالا می باشند بوسیله چند کارخانه تولید می شوند. در شدت های محلی بالا، که در موج متوسط و FM و باند های تلویزیونی رایج می باشد، حتی مشخصات بالا برای آنتن فعال مناسب نمی باشد و فرد باید آنرا به یک آنتن پسیو به بلندی 12 متر و بصورت تک قطبی که در شکل 2-3 نشان داده شده است طبقه بندی کند.
یک مثال از آنتن اکتیو(فعال) فشرده که برای به تصویر کشیدن و جهت یابی مورد استفاده می شود، یک جفت از حلقه های مغناطیسی فعال در پیکر بندی حلقه ای ضربدر می باشد. بالا و پایین یک جفت از حلقه ها در شکل 3-3- نشان داده شده است. این آنتن می تواند خیلی کوچک باشد تا 300 کیلو هرتزبه 30 مگاهرتز را پو شش دهد ولی دقت DF azimuth و حساسیتی آنتن های خیلی بزرگتر را دارد.
هر حلقه شامل یک نفوذ پذیری مغناطیسی بالا، میله آهنی پیچ خورده با یک سیم پیچ تبدیل چند گانه ( مضاعف) می باشد. این سیم پیچ با یک محافظ الکترواستاتیکی محافظت شده و قسمت خارجی آن به یک ترانسفورماتور متصل می باشد که همه اینها به این خاطر می باشد که آنتن را نسبت به اختلالات میدان الکتریکی محلی کمتر حساس کند و از این رو دقت DF را افزایش دهد. ترانسفورماتور تطبیق امپدانس، رد حالت مشترک و بالانس انتقال نا متعادل را بوجود می آورد.
یک آنتن قطبی شده عمودی و فعال که تمام فرکانس های VLF/LF/MF/HF را پوشش می دهد در شکل 4-3 نشان داده شده است.
2-3-2-3 ملاحضات کلی برای آنتن های HF
در HF ، امواج رادیوئی لایه های یونوسفوریک را که در 100 تا 300 کیلومتری بالای زمین موجود می باشند را منعکس می کند. آنتن باید حداکثر تابش را در لایه های باز تابشی یونوسفوریک در ارتفاع دلخواه و زاویه azimuth هدایت کند که حاصل آن پوشش مکان خواسته شده می باشد. برای مثال، اگر مکان یک انتقال دهنده از یک ایستگاه 350 کیلومتری باشد، حداکثر تابش(اشعه) از آنت باید در زاویه شیب نزدیک ب60 درجه برای بازتابش و 300 کیلومتری بالای لایه یونوسفوریک اتفاق افتد. در این مورد، مسیر پرتو از ایستگاه به یونوسفوریک و بعد به انتقال دهنده تقریباً یک مثلث متساوی الاضلاع را شکل می دهد که شامل یک خط مستقیم بین ایستگاه و انتقال دهنده می باشد. این مسیر تک بازتابی ساده ، مسیر یک hop نامیده می شود. وقتی که مساحت افزایش یابد، زاویه شیب یا زاویه خیز برای مسیر یک hop کاهش می یابد. زاویه خیز اشعه یک hop برای مسیرهای طولانی به کوچکی 3 درجه می باشد. سه درجه به طور نمونه یک زاویه خیز حداقل می باشند که بوسیله تپه های نزدیک ، سد کننده ها و الگوی تابشی آنتن تحت پوشش در زاویه های شیب خیلی پائین محدود شده است. در کل مسیر موجود به دریافت کننده ممکن است شامل چند hop باشد. برای مثال یک مسیر دو hop در جائیکه تابش زمینی همان مکان انتقال دهنده و ایستگاه وجو دارد اتفاق می افتد و در بازتابش از لایه یونوسفوریک وجود دارد.
1و2 hop ممکن است به صورت تکی یا با هم وجود داشته باشند. وقتی 2 یا تعداد بیشتری مسیر در همان زمان وجود داشته باشند، چنین چیزی تحت عنوان انتشار چند مسیره نامیده می شود.
به یک دریافت کننده بسیار کارآمد در حالت کلی نیاز نمی باشد و این بخاطر سطوح نسبتاً بالایی از نویز رادیوئی جوی در HF می باشد. برای مثال یک فرد ممکن است تمایل داشته باشد که از آنتن قطبی عمودی برای دلایل پوشش الگوی تابشی استفاده کند و چند dB را برای اتلاف آنتن قبول کند چون این اتلاف آنتن معمولاً اثر قابل توجهی روی حساسیت سیستم دریافت کننده نخواهد داشت.
برای دریافت با استفاده از آنتن هایی با یک بهره متضمن مهم می باشد طوری که سطح سیگنال بوسیله آنتن برداشته شود متناسب با نویز زیاد شود. با فرض اینکه چگالی قدرت نویز معادل آن از تمام جهات دریافت می شود، که معمولاً مورد ما می باشد، کل قدرت(توان) نویز که بوسیله آنتن دریافت می شود مستقل از جهت دهی آنتن می باشد. از این رو ، چند نسبت سیگنال به نویز با افزایش جهت دهی آنتن دریافت کننده افزایش می یابد.
ایستگاه داده شده ممکن است قادر باشد که از چند آنتن برای فراهم آوردن پوشش از محدوده ی کوتاه به بلند استفاده کند. انتخاب آنتن ممکن است شامل آنتن با زاویه خیز بالا در محدوده ی کوتاه همراه چند آنتن هدایتی از برد متوسط به بلند می باشد. همچنین یک ایستگاه ممکن است ناحیه زمینی محدودی داشته باشد و ممکن است نیاز داشته باشد که از چند آنتن نوع ساده که بهترین خدمات را در تمام برد ها ارائه می دهند استفاده کنند. چند آنتن ایستگاه زمینی در این بخش ارائه شده اند و ممکن است برای استفاده در ایستگاه انتخاب شوند. هر انتقال دهنده ی قدرت بالای HF حداقل باید در 5 تا 10 کیلومتری بالای ایستگاه واقع شود تا باعث جداسازی بین دریافت کننده های HF و انتقال دهنده های HF شود و اجازه دهد که نویز رادیوئی کمتری در محل دریافت وجود داشته باشد. آنتن های HF باید باند فرکانسی 2 تا 30 مگاهرتز را پوشش دهند.
3-3-2-3 انواع آنتن HF
دو قطبی پهن باند افقی
بهترین نوع آنتن برای پوشش HF در برد متوسط و کوتاه ، آنتن های قطبی شده دایروی یا افقی می باشند که اشعه و تابش قله ای در نزدیک zenith دارند. موج زمینی که بوسیله آنتن HF قطبی شده عمودی تابیده می شود بوسیله اتلاف زمین ضعیف می شود و در حالت کلی بیش از 100 کیلومتر روی زمین و حدود 300 کیلومتر روی آب اقیانوس دریافت نمی شود. تمام آنتنهای قطبی عمودی بالای خود یک چیز توخالی دارند که برای موجبر موج آسمانی با برد کوتاه در HF مناسب نمی باشد. دو قطبی افقی با باند وسیع یک مثال از یک آنتن می باشد که می تواند پوشش برد کوتاه را از حدود 3 تا 10 مگاهرتز با یک الگوی تابشی در تمام جهات فراهم آورد. این آنتنها نسبتاً کوچک هستند.
یک مثال از چنین دوقطبی های افقی روی 2 برج به بلندی 22 متر واقع شده و نیاز به مساحت 66*38 متر برای قرار دادن آن داد. این آنتن برای استفاده روی یک ناحیه مسکونی یک آنتن خوب می باشد. بهره این آنتن به طور نمونه 5 dbi(isotropic) یا بیشتر می باشد.
LPA قطبی دایروی ( در تمام جهات)
یک نوع آنتن که پوشش مناسب را درتمام جهات روی کل باند HF فراهم می آورد آنتن CPLPA می باشد. این آنتن مزایای فراهم آوردن ارتباط از برد کوتاه به متوسط را از یک ساختار دارا می باشد. و در فرکانس های پائین تر آنتن در زاویه های شیب دار بالاتری برای پوشش برد کوتاه استفاده می کند و در فرکانس های بالاتر HF زاویه خیزش برای وصول از برد های بلند تر کمتر می باشد. این آنتن بوسیله برج حمایت می شود و دو مجموعه از آرایه های دو قطبی عمودی دارد که هر دو قطبی یک Vee معکوس شده در مرکز می باشد که به فیدلاین های برج متصل شده است. ارتفاع برج 28 متر می باشد و نیاز به مساحت 94 متر در اطراف خود دارد. بهره این آنتن dBi 5 می باشد.
آنتن چند جهته تک قطبی پهن باند قطبی عمودی
این آنتن یک آنتن چند جهته پهن باند می باشد که می تواند برای دریافت موج زمینی کوتاه و متوسط موج آسمانی با برد بلند استفاده شود. یک نوع از این تک قطبی پهن باند قطبی عمودی در شکل 7-3 نشان داده شده است. این آنتن برای فرکانس های 30-3 مگاهرتز دارای 22 متر بلندی و 52 متر قطر می باشد. تک قطبی پهن باند قطبی شده عمودی و CPLPA هر دو بهره برابری در فرکانس های پائین در زاویه های خیز پائین تر دارند. به هر حال، CPLPA در فرکانس های بالاتر برتر می باشد.
آرایه های حلقه
آنتن کاری ناکارآمد و کوچک از جمله آنتن های حلقه ای می تواند در برد وسیعی از دریافت کاربرد های گوناگون در برد فرکانسی HF استفاده شود. نویزی که بوسیله ناکارآمدی آنتن حاصل می شود اثر مشابهی همانند منابع دیگر نویز در نسبت سیگنال به نویز دارد. وقتی نویز خارجی بیشتر از نویز حاصل از ناکارآمدی آنتن باشد، گفته می شود که آنتن" از بیرون محدود به نویز" است. نویز داخلی یک آنتن محدود به نویز خارجی نسبت مورد توجه واقع نیست چون منبع نویز خارجی نسبت سیگنال به نویز سیستم را تعیین میکند. وقتی نویز خارجی نسبتاً بالا باشد، آنتن های کوچک همانند آنتن های بزرگ بخوبی عمل می کنند.
حلقه اصلی یک لوله آلومینیومی بزرگ و با هدایت کم می باشد. از طریق یک شبکه پسیو و پهن باند به نقطه وسطی بالایی وصل می شود. یک مزیت از حلقه ها در دو قطبی ها امپدانس ورودی کم آنها می باشد. کارایی حلقه به طور مقایسه ا ی بوسیله اجسام هدایتی نزدیک آن از جمله درختان، ساختمان و برف تاثیر نمی پذیرد. به علاوه، چون مقاومت تابشی آنتن های الکتریکی کوچک پائین می باشد، اثر متقابل در حالت کلی مهم نمی باشد و حلقه ها را قادر می سازد که در آرایه های گوناگون پیکربندی شوند که کارایی آنها را به نیازهای دریافتی بخصوص وصل می کند.
الگوی azimuthal از یک حلقه ساده در افق شکل 8 می باشد و در زاویه های زیادتر و بیشتر ورود چنین شکلی دارد و به طور مجازی مستقل از azimuth در زاویه های ورود بالای 50 درجه می باشد. سیگنالهای حلقه های چندگانه می توانند در فاز با هم ترکیب شوند یا شکل باریکه را بدهند. الگوی حاصل جهتی یا مطابق جهت های آرایه ای می باشد.
الگوی جهتی بیشترین بهره خود را در همان زاویه زیر zenith دارد. با افزایش تعداد عناصر حلقه، بهره و جهت دهی افزایش می یابد. در حالیکه این الگوی جهتی برای به تصویر کشیدن مفید می باشد، اگر یک آرایه از عناصر حلقه برای پیدا کردن جهت استفاده شود، عناصر نباید طوری ترکیب شوند که پاسخ هر عنصر بطور جداگانه اندازه گیری شود