پایان نامه بررسی آنتن و شبکه های بیسیم در 100 صفحه ورد قابل ویرایش
فهرست مطالب
عنوان صفحه
پیشگفتار 1
فصل اول 3
طرح تحقیق 3
تاریخچه مختصری در باره ی موضوع تحقیق 4
اهمیت انجام تحقیق 6
اهداف کلی تحقیق 6
هدف های ویژه تحقیق 6
روش انجام تحقیق 7
فصل دوم 8
مبانی آنتن انواع و پارامترهای آن 8
2_1: تاریخچه 9
2_2: انواع آنتن ها از نظر کاربرد 11
الف) آنتن هرتز 11
ب) آنتن مارکنی 11
پ) آنتن شلاقی 12
ت ) آنتن لوزی ( روبیک) 12
ث) آنتن V معکوس 12
ج) آنتن ماکروویو 13
چ) آنتن آستینی 16
ح) آنتن حلزونی 16
ذ) آنتن های آرایه ای ARRAY ANTENNA 17
2-3 : پارامترهای آنتن 18
نمودار پرتو افکنی آنتن ها 18
دستگاه مختصات نمایش نمودار پرتو افکنی 18
نمودار پرتو افکنی سه بعدی و دو بعدی 19
نمودار پرتو افکنی درفضای آزاد و در مجاورت زمین 22
نمودار پرتو افکنی آنتن فرستنده و گیرنده 22
جهت دهندگی آنتن ها 23
پهنای شعاع و پهنای شعاع نیم توان 23
شعاع های فرعی آنتن ها 24
مقاومت پرتو افکنی آنتن 25
امپدانس ورودی آنتن 25
سطح موثر یا سطح گیرنده آنتن ها 26
طول موثر آنتن 27
پهنای نوار فرکانس آنتن ها 27
پلاریزاسیون آنتن ها 28
پلاریزاسیون خطی 29
پلاریزاسیون دایره ای 30
پلاریزاسیون بیضوی 30
ساختمان مکانیکی آنتن ها 31
اندازه آنتن 31
نصب آنتن ها 31
خطوط انتقال و موج برها برای تغذیه آنتن ها 32
رسانا و نارساناهای مورد استفاده در ساختن آنتن ها 33
محافظت آنتن در برابر عوامل جوی 34
فصل سوم 35
شبکه های کامپیوتری شبکه های بی سیم 35
2-1:سخت افزار شبکه 36
2-1-1: شبکه های ﭘخشی(broadcast network) 37
2-1-2: شبکه های همتا به همتا (peer-to-peer network) 37
2-1-3:شبکه های شخصی (personal area network) 37
2-1-4:شبکه های محلی (local area network) 37
2-1-5:شبکة شهری(Mtropolitan Area Network) 39
2-1-6:شبکة گسترده (Wide Area Network) 39
2-1-7:شبکة بی سیم (wireless network) 41
2-1-8:شبکة شبکه ها (internetwork) 42
2-2: نرم افزار شبکه 42
2-2-1:لایة فیزیکی (Physical layer) 46
2-2-2: زیر لایة نظارت بر دسترسی به رسانة انتقال ( MAC) 46
2-2-3:لایة شبکه 47
2-2-4:لایة انتقال(Transport layer) 47
2-2-5:لایة کاربرد (Application layer) 47
2-3: شبکه های محلی بی سیم (802.11) 48
2-3-1: ﭘشتة ﭘروتکل 802.11 49
2-3-2: لایة فیزیکی در 802.11 49
2-4: شبکه های بی سیم باند گسترده 51
2-4-1: لایة فیزیکی در 802.16 52
فصل چهارم 55
آنتن های هوشمند 55
بخش اول 56
آنتن های هوشمند در شبکه های بی سیم 56
تداخل هم کانال 57
اثرات محوشدگی 57
4_الف_1: جوانب تکنولوژی سیستم آنتن هوشمند 60
4- الف - 2: مدلهای کانال 62
4-الف-2-1:مدل لی Lee s Model 62
4-الف- 2-2: A Model of Discreteiy Didposed , Uniform set Of Evenly
Spread scatterers 63
4- الف-2-3: مدل ماکروسل (Macro cell Model) 64
4-الف-2-4: مدل باند عریض میکروسل (Macrocell Wide Band Model) 65
3-الف-2-5: Gaussian Wide – sene stionary ,uncorrelated scattering
(GWSSUS)model 65
3-الف-2-6: مدل زاویه دریافت گاوسی (Gaussian angle of) 66
4-الف-2-7-: مدل کانال با بردار متغیر زمانی (Time –varying-vector channel model)
4-الف-2-8: مدل شهری واقعی(typical urban (tu/model)) 67
4-الف-2-9: مدل شهری بد(Bad urban (Bu) model) 68
4_الف_3:آرایه های هوشمند:آنتن و بهره های مختلف 68
انواع آنتن های هوشمند 70
4-الف-4:ردیابی وتکنیک های بیم آرایه سوئیچ شده 74
4-الف –5: راهبردهای شکل دهی بیم ثابت 75
4- الف – 6: پردازش آرایه از طریق شکل دهی بیم 76
4 الف 6- 1: الگوریتم های پایه شکل دهی سیگنال 77
4- الف-6-2: ترکیب های آرایه ای تنظیمی 80
4-الف –6-3: ترکیب آرایه پرتو سوئیچ شده 81
مثال 1-4 85
4-الف-7: نکات نتیجه گیری شده 88
بخش دوم 89
آنتن های آرایه فازی 89
4-ب-1:تاریخچه 89
4-ب-2: انواع آرایه ها 89
4-ب-2-1: آرایه های خطی (Linear Array) 90
4-ب-2-2:آرایه های مسطح (Planar Array) 90
4-ب-3: ویژگی های آرایه فازی 92
4-ب-3-1: تکنولوژی شیفت دهنده فاز 92
4-ب-3-2:تکنولوژی شیفت دهنده فاز دی الکتریک ولتاژ متغیر 93
فصل پنجم 95
نتیجه و ﭘیشنهاد 96
منابع 97
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل2.1:آنتنVمعکوس 12
شکل 2.2 : آنتن های بوقی مستطیلی. الف- بوق قطاعی صفحه H ؛ ب - بوق قطاعی صفحه
E ؛ ج- بوق هرمی. 14
شکل 2.3 : الف- آنتن دو مخروطی نا محدود ؛ ب- آنتن دو مخروطی محدود 15
شکل2.4: الف- پرتو تشعشعی یک آنتن دو مخروطی نامحدود ؛ ب- آنتن دیسک و مخروط 16
شکل 2.5 : آنتن حلزونی 17
شکل 2.6: دستگاه مختصات کروی 19
شکل2.7 : نمونه نمودار پرتو افکنی سه بعدی 20
شکل 2.8: نمودار پرتو افکنی میدان الکتریکی یک آنتن. 21
شکل2.9: ترتیب آنتن ها در تعیین نمودار پرتو افکنی 22
شکل 2.10: نمودار پرتو افکنی یک آنتن عملی. 24
شکل2.11: مدار معادل آنتن از نظر پرتو و تلفات 26
شکل2.12: آنتن متصل به بار و مدار معادل تونن آن؛ الف: آنتن ب: مدار معادل 26
شکل2.13:آنتن خطی به طول 27
شکل2.14: وضعیت آنتن فرکانس 30 کیلو هرتز 32
شکل 1،3: لایه ها و پروتکل ها و واسطه ها 44
شکل 3,2:انتقال اطلاعات در یک شبکه 5 لایه 45
شکل 3،3: پشته پروتکل 802.11 49
شکل3,4:پشته پروتکلی16,802 51
شکل3,5: محیط انتقال در 802.16. 52
شکل 3,6: فریم ها و برش های زمانی در روش) TDD(Time Division Duplexing 54
شکل 4.1: مدل لی (ES انتشار دهنده موثر ؛ MU: ایستگاه پایه ؛ AE عنصر آرایه) 63
شکل 4.2: یک مجموعه ای انتشار دهنده های یکسان که بطور یکنواخت و مجزا
از هم قرار گرفته اند.(ES: انتشار دهنده های موثر، BS: ایستگاه مرکزی) 64
شکل4.3: مدل میکروسل یک کانال بی سیم (BS: ایستگاه مرکزی , MU: واحد متحرک) 65
شکل 4.4: کانال بی سیم مدل باند عریض محیط میکروسل:
(MU, BS منطقه بیضی هستند) 65
شکل 4.5: مدل کانال بی سیم روی یک پرتو دلخواه از انتشار دهنده های بنا نهاده شده است.
هر انتشار دهنده یک دسته ای ازانتشار دهنده های کوچکتر است. 66
شکل 4.6: مدل زاویه دریافت گاوسی ویژه یک پرتو یک واحد انتشار دهنده ها:
انتشار یک سیگنال واحد اصلی است. 66
شکل 4.7: مدلRay leighمربوط به محیط همزیستی انتشار دهنده های محلی
(local scatterer) و انتشاردهنده های اصلی. 67
شکل 4.8:محیط کانال سمتی شهری بد با یک جفت از پرتوهای اولیه و ثانویه 68
شکل4.9: طرح ترکیبی اختلافها به صورت انتخابی بر مبنای بیشترین SNR خروجی
پایه ریزی شده است. 69
شکل 4.10: روش ترکیب بر مبنای بیشترین درصدSNR 69
شکل 4.11: طرح ترکیب بر مبنای بهره مساوی: خروجی مطابق با جمع هم فازها
از سیگنال های شاخه آرایه می باشد. 70
شکل4.12: ترکیب آنتن هوشمند و بخشهای کنترل سیگنال مربوطه. 72
شکل 4.13: مثالی از یک ماتریس Blass: یک ساختار سه عنصره جهت
تولید سیم کناری عریض. ماتریس 75
شکل 14،4: تکنیک های شکل دهی بیم؛
(a): روش پایه باند (b).DOA/los: استراتژی مشخص طراحی. 77
شکل 4.15: بیم های مستقیم برای یک آنتن هوشمند 80
شکل 4.16: ترکیب آرایه سازگار: (a) مدل Applebaum (b) مدل widrow 81
شکل 4.17: یک پایه دو بیم ماتریس .Butler BMP#1): بیم شکل یافته با پورت ورودی#1) 82
شکل:4.18 هیبرید چهار گانه ابتدایی ناشی از کاربرد کاربرد یکTجادویی: یک آرایه دو المانه؛
Tجادویی؛ بیم در برابر پورت های بر انگیخته شده؛و مسیر تاخیر بهبود یافته از بیم پورت 4. 83
شکل 4.19:هیبرید چهارگانه تزویج شده بر مبنای راستا(الف):هیبرید تزویج شده پهلویی؛
(ب)هیبرید تزویج شده عمودی؛S:شکاف تزویج شده در فضای حائل بین دو موجبر؛
و،ML:ظرفیت منطبق شده. 84
شکل 4.20: ترکیب چهار موقعیت در پرتو قابل سوئیچ برای استفاده در
ماتریس Butlar: (ps): شیفت دهنده فاز) 85
شکل4.21 : نمایش نقش هیبریدچهارگانه در ماتریس Butler چهارالمانی:
هیبرید یک اختلاف فاز درجه را در ارسال عرضه می کند. 86
شکل 4.22:پیاده سازی آنتن هوشمند با سوئیچ قابل برنامه ریزی 87
شکل 4.23:آرایه خطی. 90
شکل4.24: آرایه فازی از نوع مسطح. 91
شکل 4.25:آرایه مسطح مستطیلی. 91
شکل 4.26:سوییچ های میکروالکترومکانیکال 93
شکل 4.27:شیفت دهنده ی فاز دی الکتریک ولتاژ متغیر 93
پیشگفتار
از سال 1877م که نخستین آنتن ساده توسط هرتز ساخته شد. نظریه طراحی آنتن ها به سرعت پیشرفت کرده است و این پیشرفت ادامه دارد، با توجه به اینکه آنتن ها جزئی از یک سیستم مخابراتی الکترونیکی هستند، بایستی تکنولوژیست ها و مهندسین برق الکترونیک در این زمینه دانش کافی داشته باشند. امید است در این مقال اندک که در زیر به اجمال عنوان فصول آن را خواهیم آورد، قدمی هر چند کوچک در این راه برداشته باشیم .
این پایان نامه از 5 فصل تشکیل شده است. فصل اول در قالب طرح تحقیق به بررسی تاریخچه و نیز اهمیت مساله مورد تحقیق می پردازد. قابل ذکر است که اهداف ویژه تحقیق در این مساله نیز با توجه به عنوان و روش انجام این تحقیق به جای فرضیه ها و سوال های تحقیق در طرح تحقیق گنجانده شده است.
در فصل دوم به مبانی مبحث آنتن ها – انواع و پارامترهای آن پرداخته شده است . آنتن مایکروویو بوقی و مخروطی و نیز آنتن های آرایه ای از جمله آنتن های مهم مورد بحث می باشند . جهت دهندگی آنتن ، پهنای شعاع آنتن ، مقاومت پرتو افکنی آنتن ، امپدانس ورودی آنتن ، سطح موثر و طول موثر آنتن پلاریزاسیون آنتن و ... نیز از جمله شاخص ترین پارامترهای آنتن می باشند که در این فصل درباره آنها سخن گفته شده است .
در فصل سوم به بحث پیرامون شبکه های کامپیوتری می پردازیم . مطالب مورد بحث در این فصل شامل توضیح مختصری در مورد سخت افزار شبکه ، نرم افزار شبکه ، پشته ی پروتکلی 802.11 - به عنوان مهمترین شبکه ی محلی بی سیم - و نیز پشته ی پروتکلی 802.16 - مهمترین شبکه ی بی سیم باند گسترده- می باشند .
در فصل چهارم آنتن های هوشمند و کاربرد و مزیت آنها در شبکه های بی سیم در بخش اول این فصل و نیز آنتن های آرایه فازی به طور تخصصی تر در بخش دوم این فصل مورد بحث قرار می گیرند .
فصل پنجم نیز نتیجه گیری کلی و پیشنهاد به دیگر پژوهندگان علاقه مند به این موضوع را شامل می شود . امید که مفید محضر خوانندگان محترم قرار گیرد .
طرح تحقیق
تاریخچه مختصری در باره ی موضوع تحقیق:
همانطور که می دانید عنوان شبکه در برگیرنده مفهومی وسیع است که شبکه چاه های آب روستایی ( قنات ها)، شبکه ی نهرها و کانال های آبیاری مزارع، شبکه آب و فاضلاب شهری، شبکه گاز شهری، شبکه پدافند هوایی و نیز شبکه های کامپیوتری هر کدام به نحوی تداعی کننده مفهوم کلی این کلمه می باشند.
البته واضح است که با توجه به پیشرفت چشمگیر کامپیوتر و تکنولوژی های وابسته به آن (جمع آوری، پردازش و توزیع اطلاعات) در دنیای امروز، شبکه های کامپیوتری در تمامی مفاهیم که از شبکه عنوان شد، وارد شده اند، و نرم افزار های کامپیوتری کارهای مدیریت، نظارت و کنترل کلیه شبکه های یاد شده را به عهده گرفته اند. پیوند فرخنده کامپیوتر و مخابرات اتفاقی بود که هر دو صنعت را دچار تحولات عظیم کرد. اکنون دیگر مفهوم اتاقی با یک کامپیوتر بزرگ به نام « مرکز کامپیوتر» که افراد کارهایشان را به آنجا می آورند، به کلی منسوخ شده است. مدل قدیمی کامپیوتر بزرگی که تمام کارهای محاسباتی سازمان را انجام می دهد، اکنون جای خود را به تعداد زیادی کامپیوتر کوچک متصل به هم داده است. به این سیستم ها شبکه های کامپیوتری (computer netwoks) گفته می شود.
دو کامپیوتر وقتی « به هم متصل اند» که بتوانند با یکدیگر اطلاعات رد و بدل کنند. الزامی نیست که این اتصال از طریق سیم های مسی باشد، فیبرهای نوری، امواج مایکروویو، مادون قرمزو ماهواره های مخابراتی هم می توانند عامل این ارتباط باشند.
در اینجا پس از طرح مساله شبکه های بی سیم، مهمترین مساله بررسی آنتن های قابل استفاده در این شبکه ها می باشد، که در ابتدا لازم می دانیم تاریخچه مختصری از پیدایش آنتن را نیز در اختیار خوانندگان محترم قرار دهیم.
مبنای نظری آنتن ها بر معادلات ماکسول استوار است. جیمز کلارک ماکسول[1] (1831-1879) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتی انگلستان نظریه خود را ارائه داد؛ مبنی بر اینکه نور و امواج الکترو مغناطیسی پدیده های فیزیکی یکسانی دارند. همچنین پیش بینی کرد که نور و اختلالات الکترو مغناطیسی را می توان به صورت امواج رونده دارای سرعت برابر توجیه کرد. در سال 1882 فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز[2] (1894-1875) با افزایش تحقیقات در این زمینه ادعای ماکسول را در عمل اثبات کرد و نشان داد که امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می شود. هرتز، آنتن هایی از نوع دو قطبی و سهموی را نیز ساخت. مهندس برق ایتالیایی مارکونی (1937-1874) نیز یک آنتن استوانه میکروویو در طول موج 23 سانتی متری را ساخت، ولی کارهای بعدیش برای حصول برد مخابراتی بهتر در طول موج های بلند تر بود. فیزیکدان روسی الکساندر پوپوف[3] (1895-1905) نیز اهمیت کشف امواج رادیویی را توسط هرتز تشخیص داد و یک سال بعد، قبل از مارکونی[4] شروع به فعالیت کرد. اغلب افتخار کاربرد اولین آنتن در اولین سیستم رادیویی را در سال 1879 برای ارسال سیگنال از کشتی به ساحل در مسافت 3مایل به او می دهند. در هر حال این مارکونی بود که رادیوی تجارتی را توسعه داد و مخابرات رادیویی را در ماورای اقیانوس اطلس ایجاد کرد. مارکونی را پدر رادیوی آماتور می شناسند. لازمه ارتباط در این سال ها با آنتن محدود به وجود مولدهای سیگنال بود. ساخت مولدهای سیگنال کلایسترونی و مگنترونی ( در حدود یک گیگا هرتز ) باعث شد که آنتن های بوقی توسعه یابند. در طول جنگ جهانی دوم اولین کوشش ها جهت توسعه آنتن های مدرن برای رادار انجام گرفت، و هم اکنون آنتن های پیشرفته ای جهت ارتباط مایکروویوی و راداری ساخته می شوند. که آنتن های آرایه فازی از جمله ی این آنتن ها می باشند. که در فصول آتی به آنها خواهیم پرداخت.
اهمیت انجام تحقیق:
با توجه به پیشرفت روز افزون تکنولوژی ارتباطات و البته ارتباطات بی سیم، درجه اهمیت شبکه ها، به ویژه شبکه های بی سیم برای عموم و البته دانشگاهیان پر واضح است. اما مطلب مورد بحث درباره اهمیت انجام این تحقیق، میزان کارایی نتیجه این پژوهش در مسیر رشد و تعالی نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران است، که در این مقال بایستی به آن پرداخته شود.
همانطور که می دانید شبکه پدافند هوایی کشور C3 از زمان شهید بزرگوارسر لشکر منصور ستاری در مسیر تمرکز و هماهنگی بهینه و در واقع نهادینه کردن سیستم C4I و ورود کامپیوتر به این عرصه، قرار گرفته است. در این راستا بر آن شدیم، که با مطالعه در مورد شبکه های کامپیوتری و ملزومات آنها بستری جهت آمادگی هر چه بیشتر خود و نیز خوانندگان محترم فراهم آوریم؛ که به توسعه و پیشرفت در شبکه پدافند هوایی کشور در آتیه نزدیک انجامد. (ان شاء ا... ) زیرا که معتقدیم دست یابی به هر تکنولوژی و پیشرفت در آن، منوط به شناخت پایه ای و بنیادی آن تکنولوژی می باشد. در این بین با توجه به گستردگی قلمرو فضایی کشور و مخارج عظیم ارتباطات باسیم، تکنولوژی شبکه های بی سیم از ملزومات این امر به نظر می رسد؛ که ما سعی کرده ایم به معرفی آنها بپردازیم امید که مقبول حق و مطلوب نظر خوانندگان قرار گیرد.
رابطه4.4:
که اولین جمله جزء مسیر بوده که به دامنه و فاز پیچیده از عنصرام بر می گردد و زاویه دریافتیطرح فضایی مربوطه را نشان می دهد. روش دوم مشابه روش اول بوده به جز یک مورد که بردارهای پاسخ فازی DOA در آن جایگزین نمودارهای آرایه فازی از نوع اول شده اند. این روش گره هایی را در تمامی DOAها(سمت دریافت ها)قرار می دهد (به جز برای کاربران مطلوب به گونه ای تداخل را به حداقل می رساند) به عنوان مثال قرض کنید k امین واحد سیار دارای یک مسیر سیگنال مستقیم باشد و سبب ایجاد سیگنال چند مسیره به ترتیب توسطDOA های و شود،. برداری های اندازه گیری آن به صورت زیر طراحی شده اند؛ فرض کنید که دو منبع مستقل 1و2 وجود دارد به ترتیب توسط بردارهای اندازه گیری را طراحی کرده که به صورت زیر است. وشناسه سیگنال دریافتی دقیقا برابر با یکی از سیگنالهای منبع 1 است. بدین معنا که که اگر هر دو منبع سیگنال های هم کانالی را ارسال نمایند، کاربر سیار 1 تنها سیگنال مطلوب از منبع 1 را دریافت می کند. با این تفاسیر که انتخاب به منزله انتخاب الگوی انتخاب آرایه آنتن در تمامی مسیرها به جز دراست. در بهترین حالت می تواند طراحی شود به گونه ای که پترن بجز در ، در تمامی سمت های دریافت خود از بین برود، که در این مورد کاربر 2 فقط سیگنال مطلوب از منبع 2 را دریافت می کند. در بحث بالا بیان کننده بردار ماتریس A در لحظه شروع می باشد.
دومین تکنیک الگوریتم فضایی ارتباط ها از طریق الگوریتم بدست آمده در جهت ایجاد بردارهای اندازه گیری ایجاد می شود. متدهای مربوط به آن به صورت زیر است:
.Complex-conjvcate spatial signature algoritm
.pseudoinverse Complex-conjvcate spatial signature algoritm
دراولین روش، هدف اصلی به حداکثر رساندن توان سیگنال یا نسبت سیگنال به نویز می باشد و سعی آن از بین بردن تداخل نمی باشد.
متد دوم مشابه اولی بوده، به جز اینکه بردارهای اندازه گیری آن متفاوت با روش اول است. به این معنا که بردار اندازه گیری در روش دوم بر اساس طرح فضایی منبع مشخص شده است کهبرای و1=.بردار اندازه گیری دامنه و فاز مربوطه را تنظیم نموده به گونه ای که سیگنال ها دقیقا در موقعیت سیگنال بهره قرار می گیرند. به عنوان مثال اگر دو منبع مجزای 1و2 وجود داشته باشد؛ بردارهای اندازه گیری و مربوط به پترن منبع 1وجود داردکه به صورت0= و0=می باشند. هر چند پترن آرایه مربوط به منبع 2 در مناطقی که سمت های دریافت مربوط به منبع 1 از بین می رود عمل نمی کند.همه اینها نیازمند این است که گویای این نباشد که بر هر دوی و عمود است. جهت کنترل فاز هر دو مسیر طراحی شده است. همانطور که در بالا اشاره شده است، مفهوم سیستم هوشمند با استفاده از یکی از دو روش بالا صورت می گیرد.
ردیابی یا طرح پردازش بیم سوئیچ شده که قبلا بیان شده است، اولین روش به ردیابی هر سیستم مشترک در یک سلول داده شده و با الگوی بیم منفرد بر می گردد. و تکنیک دوم متد انتخاب سازگار با محیط رادیو فرکانسی بوده و بیم را در مسیر اشتراکی هدایت می کند و از عبور پترن در مسیر تداخل جلوگیری به عمل می آورد. چنین سیستم هایی معمولا نسبت به سیستم های بیم سوئیچ شده، پردازش سیگنال دیجیتالی متمرکزتری داشته و نیز بسیار گران می باشند.توضیح آنالیزی آرایه تنظیمی نیز بطور ریاضی تمرکز می یابد.