آنتن حلقهای چیست؟
یک آنتن حلقهای با چیدن یک یا چند عنصر رسانا در یک مسیر بسته و تغذیه ساختار با سیگنال RF تشکیل میشود. حلقه ممکن است دایرهای، مربعی، مستطیلی، مثلثی، بیضوی یا به شکل دیگری طراحی شود تا نیازهای مکانیکی و الکتریکی خاصی را برآورده کند.
برخلاف آنتنهای دوقطبی معمولی که عمدتاً با یک عنصر جریان الکتریکی مرتبط هستند، یک حلقه الکتریکی کوچک تقریباً مانند یک دوقطبی مغناطیسی رفتار میکند. عملکرد آن ارتباط نزدیکی با مؤلفه میدان مغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی دارد و همین امر آنتنهای حلقهای را به ویژه در سیستمهای دریافت، جهتیابی، حسگرهای میدان نزدیک، RFID و اندازهگیری الکترومغناطیسی مفید میکند.
آنتنهای حلقهای به یک محدوده فرکانسی واحد محدود نمیشوند. فرکانس کاری آنها به محیط حلقه نسبت به طول موج، تعداد دورها، ابعاد هادی، اجزای بارگذاری، ساختار تغذیه و محیط نصب اطراف بستگی دارد. بنابراین، طرحهای حلقهای را میتوان از سیستمهای گیرنده فرکانس پایین گرفته تا کاربردهای UHF و مایکروویو یافت.
ساختار اساسی و اصل عملیاتی
وقتی یک جریان RF در اطراف یک حلقه رسانا جاری میشود، یک میدان مغناطیسی تقریباً عمود بر صفحه حلقه تولید میکند. در حالت دریافت، یک میدان مغناطیسی متغیر که از حلقه عبور میکند، ولتاژی را در پایانههای آن القا میکند.
قدرت سیگنال دریافتی به عوامل مختلفی بستگی دارد:
منطقه حلقه
تعداد چرخشها
فرکانس کاری
جهت گیری نسبت به میدان ورودی
مقاومت رسانا
تنظیم و تطبیق شبکه
محافظ و سازههای فلزی مجاور
برای یک حلقه الکتریکی کوچک، میتوان بزرگی و فاز جریان را تقریباً در اطراف رسانا یکنواخت در نظر گرفت. این تقریب با افزایش محیط، دقت کمتری پیدا میکند. در یک حلقه بزرگ رزونانسی، توزیع جریان در اطراف ساختار به طور قابل توجهی تغییر میکند و ویژگیهای تابشی متفاوتی نسبت به یک حلقه مغناطیسی کوچک ایجاد میکند.
آنتنهای حلقهای کوچک
یک آنتن حلقهای کوچک، محیطی بسیار کوچکتر از طول موج عملیاتی دارد. یک تقریب مهندسی رایج به صورت زیر است:
C≤0.1λ
که در آن C محیط حلقه و λ طول موج است.
به دلیل اندازه الکتریکی کوچک، یک حلقه کوچک معمولاً مقاومت تابشی کمی دارد. بنابراین، تلفات رسانا ممکن است بخش قابل توجهی از کل مقاومت ورودی آن را تشکیل دهد و در هنگام استفاده از آنتن برای انتقال، راندمان تابش را کاهش دهد.
حلقههای کوچک نیز بسیار القایی هستند و اغلب به یک خازن تنظیم یا شبکه تطبیق نیاز دارند. هنگامی که برای رزونانس تنظیم میشوند، میتوانند حساسیت دریافتی مفیدی ارائه دهند، اما ضریب کیفیت بالای آنها ممکن است منجر به پهنای باند عملیاتی نسبتاً باریک شود.
این ویژگیها، آنتنهای حلقهای کوچک را به آنتنهای ضعیفی تبدیل نمیکنند. در عوض، آنها را به ویژه برای کاربردهایی مناسب میکنند که در آنها اندازه کوچک، پاسخ میدان مغناطیسی، صفرهای جهتدار یا گزینشپذیری باند باریک، از راندمان تابشی بالا مهمتر هستند.
آنتنهای حلقهای بزرگ
یک حلقه بزرگ، که گاهی اوقات حلقه رزونانس نامیده میشود، محیطی دارد که دیگر از نظر الکتریکی کوچک نیست. یک طراحی رایج از محیطی نزدیک به یک طول موج استفاده میکند:
C≈λ
در این حالت، جریان در اطراف حلقه یکنواخت نیست. دامنه و فاز آن در امتداد رسانا تغییر میکند و توزیع میدان پیچیدهتری ایجاد میکند.
در مقایسه با حلقههای الکتریکی کوچک، حلقههای رزونانسی معمولاً مقاومت تابشی بالاتری و راندمان انتقال بهتری ارائه میدهند. آنها میتوانند به عنوان آنتنهای فرستنده یا گیرنده کاربردی مورد استفاده قرار گیرند، اگرچه امپدانس، قطبش و الگوی تابش آنها به شدت به محیط، شکل، موقعیت تغذیه و محیط نصب بستگی دارد.
حلقههای تمام موج دایرهای و مربعی پیکربندیهای رایجی هستند. ساخت و نصب حلقه مربعی آسانتر است، در حالی که حلقه دایرهای هندسهای صاف و متقارن ارائه میدهد. وقتی هر دو محیط الکتریکی مشابهی داشته باشند، عملکرد کلی آنها ممکن است قابل مقایسه باشد، اگرچه امپدانس دقیق و ویژگیهای الگو متفاوت خواهد بود.
شکل ۱. نمونههایی از پیکربندیهای آنتن حلقهای دایرهای و مربعی.
الگوی تابش
الگوی تابش یک حلقه الکتریکی کوچک مشابه یک دوقطبی مغناطیسی ایدهآل است. تابش در امتداد محور عمود بر صفحه حلقه حداقل و در جهتهایی که تقریباً درون صفحه حلقه قرار دارند، قویترین است.
در حالت سهبعدی، الگوی ایدهآل شبیه یک چنبره است که محور حلقه را احاطه کرده است. هنگامی که یک حلقه کوچک به صورت عمودی نصب میشود، پاسخ صفحه افقی آن معمولاً به شکل عدد هشت انگلیسی است که دو صفر عمیق عمود بر صفحه حلقه دارد.
این نقاط صفر برای یافتن جهت و حذف تداخل مفید هستند. با چرخاندن آنتن تا زمانی که سیگنال دریافتی به حداقل برسد، اپراتور میتواند خط جهت را به سمت منبع سیگنال یا دور از آن تعیین کند.
جهت حداکثر پاسخ، عمق تهی و قطبش به جهت حلقه، چیدمان تغذیه، ارتفاع نصب، هندسه هادی و سازههای مجاور بستگی دارد. بنابراین، قطبش نباید صرفاً بر اساس محل نقطه تغذیه توصیف شود.
شکل ۲. الگوهای تابشی تشریحی یک آنتن حلقهای در زوایای ارتفاعی مختلف.
تغذیه، تنظیم و تطبیق امپدانس
امپدانس ورودی یک آنتن حلقهای به شدت به اندازه الکتریکی آن بستگی دارد.
یک حلقه کوچک معمولاً راکتانس القایی و مقاومت تابشی کمی دارد. یک خازن متغیر یا ثابت ممکن است برای تشکیل یک مدار رزونانس در فرکانس مورد نیاز متصل شود. مدارهای کوپلینگ ترانسفورماتور، تطبیق گاما، کوپلینگ خازنی یا تقویتکننده فعال نیز میتوانند برای اتصال آنتن به گیرنده یا یک سیستم RF 50 اهمی استفاده شوند.
برای کاربردهای انتقال، تلفات هادی، تلفات خازن و قابلیت مدیریت جریان نیاز به بررسی دقیق دارند. جریان گردشی بالا ممکن است در یک حلقه تنظیم شده رخ دهد، حتی زمانی که توان ورودی متوسط به نظر میرسد.
حلقههای رزونانس بزرگ مقاومت تابشی بالاتری دارند، اما همچنان به جایگذاری مناسب تغذیه و تبدیل امپدانس نیاز دارند. ممکن است برای جلوگیری از تبدیل کابل تغذیه به بخشی از سیستم تابشی، به تغذیه متعادل یا یک بالون نیاز باشد.
شکل حلقه و تعداد دورها
یک آنتن حلقهای لازم نیست کاملاً دایرهای باشد. حلقههای دایرهای، مربعی و مستطیلی رایجترین نوع هستند زیرا محاسبه و ساخت آنها نسبتاً ساده است.
اضافه کردن چندین دور، ولتاژ دریافتی القایی و اندوکتانس را افزایش میدهد. با این حال، تلفات هادی، ظرفیت خازنی توزیعشده و اثرات خود-رزونانس را نیز افزایش میدهد. دورهای بیشتر به طور خودکار عملکرد پهنای باند بهتری ایجاد نمیکنند.
میلههای فریت یا هستههای مغناطیسی اغلب در آنتنهای گیرنده MF و AM فشرده استفاده میشوند. ماده مغناطیسی، شار مغناطیسی را از طریق سیمپیچ متمرکز میکند و به یک ساختار فیزیکی کوچک اجازه میدهد تا حساسیت گیرنده مفیدی را فراهم کند.
در فرکانسهای بالاتر، حلقههای چاپی، حلقههای میکرواستریپ و ساختارهای حلقه یکپارچه میتوانند مستقیماً روی بردهای مدار برای RFID، حسگرهای بیسیم، پایانههای ارتباطی و دستگاههای اندازهگیری RF تولید شوند.
مزایای آنتنهای حلقهای
آنتنهای حلقهای چندین مزیت عملی ارائه میدهند:
- ساختار مکانیکی فشرده
- اشکال و قالبهای نصب چندگانه ممکن
- حساسیت مفید به میدان مغناطیسی
- صفرهای جهتدار عمیق در طرحهای حلقه کوچک
- مناسب برای جهتیابی و حذف تداخل
- ادغام آسان با مدارهای تنظیم و فعال
- قابل مقیاسبندی برای طرحهای LF، HF، VHF، UHF و مایکروویو
محدودیتهای طراحی
محدودیتهای مهم عبارتند از:
- مقاومت کم در برابر تابش در طرحهای کوچک الکتریکی
- کاهش راندمان انتقال در صورت وجود تلفات قابل توجه در هادیها
- پهنای باند باریک در حلقههای تنظیمشده با Q بالا
- حساسیت به اشیاء فلزی نزدیک
- جریان و ولتاژ در گردش بالقوه بالا
- نیاز به تطبیق دقیق امپدانس
- اعوجاج الگو ناشی از کابلهای تغذیه و سازههای نصب
کاربردهای معمول
آنتنهای حلقهای به طور گسترده در موارد زیر استفاده میشوند:
- گیرندههای AM، MF، HF و موج کوتاه
- تجهیزات جهتیابی رادیویی
- سیستمهای RFID و ارتباطات میدان نزدیک
- اندازهگیریهای میدان مغناطیسی EMI و EMC
- پایش طیف و آزمایش قدرت میدان
- سیستمهای ارتباط القایی و توان بیسیم
- سکوهای دریافت قابل حمل و نصب شده روی خودرو
- مدارهای RF و مایکروویو چاپی
- تحقیق، کالیبراسیون و اندازهگیری آنتن
برای اندازهگیری EMI و قدرت میدان، آنتنهای حلقهای کالیبره شده به ویژه زمانی مفید هستند که مؤلفه میدان مغناطیسی یک محیط RF باید ارزیابی شود. در سیستمهای ارتباطی و نظارتی، صفرهای جهتدار آنها میتوانند به کاهش تداخل یا شناسایی جهت یک سیگنال ناشناخته کمک کنند.
اهمیت مهندسی
آنتنهای حلقهای نشان میدهند که چگونه اندازه الکتریکی، توزیع جریان، کوپلینگ میدان مغناطیسی و تطبیق امپدانس بر عملکرد آنتن تأثیر میگذارند.
یک حلقه از نظر فیزیکی مشابه، بسته به محیط و فرکانس کاریاش، میتواند مانند یک آنتن گیرنده مغناطیسی فشرده، یک حسگر تشدید باند باریک، یک آنتن فرستنده تمام موج یا یک عنصر کوپلینگ میدان نزدیک رفتار کند.
RF MISO راهکارهایی برای آنتن و اجزای مایکروویو برای آزمایش RF، ارتباطات، رادار، اندازهگیری آنتن و یکپارچهسازی سیستم ارائه میدهد. درک ساختارهای اساسی مانند آنتن حلقهای به مهندسان کمک میکند تا هنگام انتخاب یا توسعه یک سیستم آنتن، محدوده فرکانس، بهره، قطبش، امپدانس، پهنای باند، راندمان تابش و پاسخ جهتدار را ارزیابی کنند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتنها، لطفاً به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: ۳۱ ژوئیه ۲۰۲۶
