آنتن‌های روزنه‌دار دسته‌ی مهمی از آنتن‌ها هستند که به طور گسترده در مایکروویو، موج میلی‌متری، رادار، ارتباطات و سیستم‌های اندازه‌گیری آنتن استفاده می‌شوند. برخلاف آنتن‌های سیمی که عمدتاً از طریق جریان‌های جاری در امتداد عناصر رسانا تابش می‌کنند، آنتن‌های روزنه‌دار انرژی الکترومغناطیسی را از طریق یک روزنه یا دیافراگم تابش می‌کنند.
یک مثال رایج، موجبر با انتهای باز است. هنگامی که امواج الکترومغناطیسی از طریق یک موجبر عبور می‌کنند و به یک انتهای باز می‌رسند، بخشی از انرژی هدایت‌شده به فضای آزاد تابش می‌شود. با کنترل هندسه روزنه، توزیع میدان و ساختار اطراف، مهندسان می‌توانند تطبیق امپدانس، جهت‌گیری، بهره و ویژگی‌های تابش را بیشتر بهبود بخشند.
آنتن‌های روزنه‌دار رایج شامل موارد زیر هستندآنتن‌های موجبر با انتهای باز،آنتن‌های شیپوریو آنتن‌های اسلاتمقاله مرجع اصلی نیز این سه ساختار را ذیل آنتن‌های روزنه‌دار دسته‌بندی می‌کند.
۱. آنتن روزنه‌دار چیست؟
در مهندسی آنتن، یک دیافراگم را می‌توان به عنوان روزنه‌ای در نظر گرفت که از طریق آن میدان‌های الکترومغناطیسی از یک ساختار هدایت‌شده به فضای آزاد متصل می‌شوند.
یک موجبر برای محدود کردن و هدایت انرژی الکترومغناطیسی طراحی شده است. اگر موجبر توسط یک دیوار رسانا خاتمه یابد، انرژی محدود می‌ماند یا بسته به شرایط خاتمه، منعکس می‌شود. با این حال، هنگامی که موجبر باز می‌شود، میدان الکترومغناطیسی در روزنه می‌تواند به فضای آزاد تابش کند.
بنابراین، روزنه به عنوان ناحیه گذار بین یک مد الکترومغناطیسی هدایت‌شده و یک موج الکترومغناطیسی تابشی عمل می‌کند.
ویژگی‌های واقعی تابش به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:
- ابعاد و شکل دیافراگم
- طول موج عملیاتی
- حالت موجبر
- توزیع میدان الکتریکی و مغناطیسی
- فلنج یا سازه رسانای اطراف آن
- تطبیق امپدانس در دیافراگم
تحقیقات روی موجبرهای مستطیلی با انتهای باز نشان می‌دهد که هم میدان‌های روزنه و هم پراش از لبه‌های فلنج اطراف می‌توانند در میدان تابشی حاصل نقش داشته باشند.
شکل 1. نمونه‌ای از ساختار موجبر مستطیلی که برای نشان دادن تابش روزنه استفاده می‌شود.
۲. چگونه یک موجبر با انتهای باز تابش می‌کند؟
وقتی یک مد موجبر در حال انتشار به یک روزنه باز می‌رسد، شرایط مرزی الکترومغناطیسی به طور ناگهانی تغییر می‌کند. میدان‌ها دیگر به طور کامل توسط دیواره‌های رسانا محدود نمی‌شوند و به بخشی از انرژی الکترومغناطیسی اجازه می‌دهند تا به فضای آزاد تابش کند.
در عین حال، انتقال از موجبر به فضای آزاد معمولاً کاملاً هماهنگ نیست. بنابراین ممکن است مقداری انرژی به داخل موجبر بازتاب شود.
این رابطه بینتابش و بازتاببخش مهمی از طراحی آنتن روزنه‌دار است.
یک موجبر ساده با انتهای باز می‌تواند به عنوان آنتن عمل کند، اما بازده تابشی، تطبیق امپدانس، بهره و مشخصات پرتو آن ممکن است برای هر کاربردی بهینه نباشد. مهندسان می‌توانند هندسه روزنه را برای دستیابی به عملکرد بهتر تغییر دهند. یکی از آشناترین مثال‌ها،آنتن شیپوریکه در آن موجبر به تدریج به سمت روزنه گسترش می‌یابد.
۳. فرکانس کاری آنتن‌های روزنه‌دار
هیچ محدوده فرکانس کاری جهانی واحدی برای همه آنتن‌های روزنه‌دار وجود ندارد.
محدوده فرکانسی قابل استفاده برای یک آنتن روزنه‌دار مبتنی بر موجبر در درجه اول توسط ... تعیین می‌شود.ابعاد موجبر، نوع موجبر، حالت‌های انتشار پشتیبانی‌شده و فرکانس‌های قطع.
بنابراین، برای باندهای فرکانسی مختلف مایکروویو و موج میلی‌متری، از موجبرهای استاندارد با اندازه‌های مختلف استفاده می‌شود.
این امر به ویژه در سیستم‌های RF با فرکانس بالا اهمیت دارد. با افزایش فرکانس و کوتاه‌تر شدن طول موج، ابعاد موجبر و روزنه نیز کوچک‌تر می‌شوند و به آنتن‌های روزنه اجازه می‌دهند تا به طور مؤثر در سیستم‌های مایکروویو، موج میلی‌متری و حتی زیر تراهرتز استفاده شوند.
۴. الگوی تابش یک آنتن روزنه‌دار
الگوی تابشی یک آنتن روزنه‌دار به شدت به اندازه روزنه، توزیع میدان، حالت عملیاتی، طول موج و ساختار اطراف آن بستگی دارد.
یک موجبر با انتهای باز معمولاً پرتو نسبتاً پهنی تولید می‌کند، اما نباید به طور خودکار به عنوان یک آنتن همه جهته توصیف شود. مشخصات تابشی صفحه E و صفحه H آن توسط توزیع میدان الکترومغناطیسی روی روزنه تعیین می‌شود.
فلنج اطراف نیز می‌تواند بر الگوی تابش حاصل تأثیر بگذارد زیرا میدان‌های پراکنده شده از لبه‌های آن در کل میدان تابش شده نقش دارند. مطالعات تحلیلی مدرن هنگام محاسبه رفتار میدان دور، به صراحت هم تابش روزنه و هم پراش لبه فلنج را در نظر می‌گیرند.
افزایش اندازه دیافراگم مؤثر عموماً می‌تواند جهت‌گیری بالاتر و پرتو اصلی باریک‌تری را فراهم کند، که یکی از دلایلی است که معمولاً در مواقعی که بهره بالاتر مورد نیاز است، از آنتن‌های شیپوری و ساختارهای دیافراگم بزرگتر استفاده می‌شود.
الگوی تابش غیر جهت‌دار
۵. انواع اصلی آنتن‌های روزنه‌دار
آنتن موجبر با انتهای باز
موجبر با انتهای باز یکی از ساده‌ترین تابشگرهای روزنه است. ساختار فشرده و سازگاری مستقیم آن با سیستم‌های موجبر، آن را در آزمایشگاه‌های مایکروویو و موج میلی‌متری، اندازه‌گیری‌های آنتن، پروب‌ها، فیدها و سایر سیستم‌های RF مفید می‌کند.
آنتن شیپوری
یک آنتن بوقی را می‌توان به عنوان یک موجبر در نظر گرفت که سطح مقطع آن به تدریج به سمت روزنه تابشی گسترش می‌یابد. این گذار تدریجی، تبدیل امواج هدایت‌شده به تابش فضای آزاد را بهبود می‌بخشد و می‌تواند تطبیق امپدانس بهتر، بهره بالاتر و الگوهای تابشی کنترل‌شده‌تری را فراهم کند.
آنتن‌های بوقی به طور گسترده در اندازه‌گیری آنتن، آزمایش EMC، رادار، سیستم‌های ارتباطی، سیستم‌های تغذیه و کاربردهای موج میلی‌متری استفاده می‌شوند.
آنتن اسلات
یک آنتن شکافی از یک روزنه یا شکاف برش داده شده در یک سطح رسانا برای تابش انرژی الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. بسته به هندسه شکاف، تحریک و ساختار اطراف آن، آنتن‌های شکافی می‌توانند به صورت جداگانه یا ترکیبی در آرایه‌ها پیاده‌سازی شوند.
آنها به طور گسترده در سیستم‌های مایکروویو که در آنها ساختارهای کم‌حجم، یکپارچه‌سازی یا پیکربندی‌های آرایه‌ای مورد نیاز است، استفاده می‌شوند.
۶. آنتن‌های روزنه‌دار در مهندسی RF و مایکروویو
از آنجا که آنتن‌های روزنه‌دار به طور طبیعی با ساختارهای انتقال موجبر ادغام می‌شوند، در فرکانس‌های مایکروویو و موج میلی‌متری اهمیت ویژه‌ای دارند.
کاربردهای معمول عبارتند از:
- اندازه‌گیری بهره آنتن و الگوی تابش
- تست EMC و EMI
- سیستم‌های راداری
- ارتباطات مایکروویو و موج میلی‌متری
- سیستم‌های تغذیه آنتن
- اندازه‌گیری آزمایشگاهی RF
- ارسال و دریافت جهت‌دار
- سیستم‌های تست و کالیبراسیون
برای مهندسان آنتن، انتخاب یک آنتن روزنه‌دار مناسب چیزی بیش از در نظر گرفتن فرکانس است. پارامترهایی مانند بهره، پهنای پرتو، قطبش، VSWR، اندازه موجبر، نوع فلنج، توان مصرفی و ابعاد مکانیکی همگی می‌توانند بر عملکرد سیستم تأثیر بگذارند.
نتیجه‌گیری
آنتن‌های روزنه‌دار روشی کارآمد برای تبدیل انرژی الکترومغناطیسی هدایت‌شده به تابش فضای آزاد ارائه می‌دهند و همین امر آنها را به یک دسته اساسی از آنتن‌ها در مهندسی مایکروویو و موج میلی‌متری تبدیل می‌کند.
از موجبرهای ساده‌ی انتهای باز گرفته تا ساختارهای شیپوری و شکافی بهینه‌شده، آنتن‌های روزنه‌دار را می‌توان برای ترکیبات مختلفی از بهره، پهنای پرتو، قطبش، محدوده‌ی فرکانسی و الزامات یکپارچه‌سازی سیستم طراحی کرد.
بنابراین، درک چگونگی تأثیر اندازه روزنه، توزیع میدان الکترومغناطیسی، حالت‌های موجبر و ساختارهای اطراف بر عملکرد تابشی، هنگام انتخاب یا طراحی آنتن‌ها برای آزمایش RF، ارتباطات، رادار و سیستم‌های اندازه‌گیری ضروری است.
زمان ارسال: ۱۴ آگوست ۲۰۲۶
