دانلود پايان نامه رشته برق

آنتن و كاربرد و مزيت آنها در شبكه هاي بي سيم

پايان نامه آنتن و كاربرد و مزيت آنها در شبكه هاي بي سيم

پيشگفتار                                                             1

فصل اول                                                            3

طرح تحقيق                                                        3

تاريخچه مختصري در باره ي موضوع تحقيق             4

اهميت انجام تحقيق                                              6

اهداف كلي تحقيق                                                6

هدف هاي ويژه  تحقيق                                          6

روش انجام تحقيق                                                7

فصل دوم

مباني آنتن انواع و پارامترهاي آن                              8

2_1: تاريخچه                                                        9

2_2: انواع آنتن ها از نظر كاربرد                                  11

الف) آنتن هرتز                                                         11

ب) آنتن ماركني                                                        11

پ) آنتن شلاقي                                                         12

ت ) آنتن لوزي ( روبيك)                                             12

ث) آنتن Vمعكوس                                                     12

ج) آنتن ماكروويو                                                        13

چ) آنتن آستيني                                                         16

ح) آنتن حلزوني                                                         16

ذ) آنتن هاي آرايه اي ( ARRAY ANTENNA )      

2-3 : پارامترهاي آنتن                                               18

نمودار پرتو افكني آنتن ها                                            18

دستگاه مختصات نمايش نمودار پرتو افكني                   18

نمودار پرتو افكني سه بعدي و دو بعدي                          19

نمودار پرتو افكني درفضاي آزاد و در مجاورت زمين            22

نمودار پرتو افكني آنتن فرستنده و گيرنده                         22

جهت دهندگي آنتن ها                                                 23

پهناي شعاع و پهناي شعاع نيم توان                                23

شعاع هاي فرعي آنتن ها                                               24

مقاومت پرتو افكني  آنتن                                               25

امپدانس ورودي آنتن                                                     25

سطح موثر يا سطح گيرنده آنتن ها                                   26

طول موثر آنتن                                                                27

پهناي نوار فركانس آنتن ها                                                27

پلاريزاسيون آنتن ها                                                         28

پلاريزاسيون خطي                                                            29

پلاريزاسيون دايره اي                                                          30

پلاريزاسيون بيضوي                                                             30

ساختمان مكانيكي آنتن ها                                                   31

اندازه آنتن                                                                          31

نصب آنتن ها                                                                      31

خطوط انتقال و موج برها براي تغذيه آنتن ها                            32

رسانا  و نارساناهاي مورد استفاده در ساختن آنتن ها                  33

محافظت آنتن در برابر عوامل جوي                                          34

فصل سوم                                                                              35

شبكه هاي كامپيوتري شبكه هاي بي سيم                                     35

2-1:سخت افزار شبكه                                                              36

2-1-1: شبكه هاي خطي(broadcast network)

2-1-2: شبكه هاي همتا به همتا (peer-to-peer network)

2-1-3:شبكه هاي شخصي (personal area network)  

2-1-4:شبكه هاي محلي (local area network)

2-1-5:شبكه شهري(Mtropolitan  Area Network)      

2-1-6:شبكه گسترده (Wide Area Network)      

2-1-7:شبكه بي سيم (wireless network)

2-1-8:شبكه شبكه ها (internetwork)  

2-2: نرم افزار شبكه                                                                         42

2-2-1:لايه فيزيكي (Physical layer)                                                          

2-2-2: زير لايه نظارت بر دسترسي به رسانه انتقال ( MAC)                                  

2-2-3:لايه شبكه                                                                             47

2-2-4:لايه انتقال(Transport layer)                                                          

2-2-5:لايه كاربرد (Application layer)                                                      

2-3: شبكه هاي محلي بي سيم (802.11)                                         48

2-3-1: ï­˜شته ï­˜روتكل 802.11                                                        49

2-3-2: لايه فيزيكي در 802.11                                                        49

2-4: شبكه هاي بي سيم باند گسترده                                                 51

2-4-1: لايه فيزيكي در 802.16                                                         52

فصل چهارم                                                                                     55

آنتن هاي هوشمند                                                                            55

بخش اول                                                                                       56

آنتن هاي هوشمند در شبكه هاي بي سيم                                              56

تداخل هم كانال                                                                               57

اثرات محوشدگي                                                                                57

4_الف_1: جوانب تكنولوژي سيستم آنتن هوشمند                                    60

4- الف - 2: مدلهاي كانال                                                                      62

4-الف-2-1:مدل لي Lee s Model

4-الف- 2-2: A Model of Discreteiy Didposed , Uniform set Of Evenly

Spread scatterers    

4- الف-2-3: مدل ماكروسل (Macro cell Model)  

4-الف-2-4: مدل باند عريض ميكروسل (Macrocell Wide Band Model)

3-الف-2-5: Gaussian Wide – sene stionary ,uncorrelated scattering

(GWSSUS)model

3-الف-2-6: مدل زاويه دريافت گاوسي (Gaussian angle of)

4-الف-2-7-: مدل كانال با بردار متغير زماني (Time –varying-vector channel model)

4-الف-2-8: مدل شهري واقعي(typical urban (tu/model))  

4-الف-2-9: مدل شهري بد(Bad urban (Bu) model)

4_الف_3:آرايه هاي هوشمند:آنتن و بهره هاي مختلف                                   68

انواع آنتن هاي هوشمند                                                                           70

4-الف-4:رديابي وتكنيك هاي بيم آرايه سوئيچ شده                                       74

4-الف –5: راهبردهاي شكل دهي بيم ثابت                                                    75

4- الف –6: پردازش آرايه از طريق شكل دهي بيم                                             76

4 الف 6- 1: الگوريتم هاي پايه شكل دهي سيگنال                                           77

4- الف-6-2: تركيب هاي آرايه اي تنظيمي                                                      80

4-الف –6-3: تركيب آرايه پرتو سوئيچ شده                                                   81

مثال 1-4                                                                                                  85

4-الف-7: نكات نتيجه گيري شده                                                                  88

بخش دوم                                                                                               89

آنتن هاي آرايه فازي                                                                                  89

4-ب-1:تاريخچه                                                                                        89

4-ب-2: انواع آرايه ها                                                                                  89

4-ب-2-1: آرايه هاي خطي (Linear Array)                                                  

4-ب-2-2:آرايه هاي مسطح (Planar Array)                                                  

4-ب-3: ويژگي هاي آرايه فازي                                                                    92

4-ب-3-1: تكنولوژي شيفت دهنده فاز                                                          92

4-ب-3-2:تكنولوژي شيفت دهنده فاز دي الكتريك ولتاژ متغير                           93

فصل پنجم                                                                                                95

نتيجه و ï­˜يشنهاد                                                                                      96

منابع                                                                                                    97

پيشگفتار

از سال 1877م كه نخستين آنتن ساده توسط هرتز ساخته شد. نظريه طراحي آنتن ها به سرعت پيشرفت كرده است و اين پيشرفت ادامه دارد، با توجه به اينكه آنتن ها جزئي از يك سيستم مخابراتي الكترونيكي هستند، بايستي تكنولوژيست ها و مهندسين برق الكترونيك در اين زمينه دانش كافي داشته باشند. اميد است در اين مقال اندك كه در زير به اجمال عنوان فصول آن را خواهيم آورد، قدمي هر چند كوچك در اين راه برداشته باشيم.

اين پايان نامه از 5 فصل تشكيل شده است. فصل اول در قالب طرح تحقيق به بررسي تاريخچه و نيز اهميت مساله مورد تحقيق مي پردازد. قابل ذكر است كه اهداف ويژه تحقيق در اين مساله نيز با توجه به عنوان و روش انجام اين تحقيق به جاي فرضيه ها و سوال هاي تحقيق در طرح تحقيق گنجانده شده است.

در فصل دوم به مباني مبحث آنتن ها –انواع و پارامترهاي آن پرداخته شده است . آنتن مايكروويو بوقي و مخروطي و نيز آنتن هاي آرايه اي از جمله آنتن هاي مهم مورد بحث مي باشند . جهت دهندگي آنتن ، پهناي شعاع آنتن ، مقاومت پرتو افكني آنتن ، امپدانس ورودي آنتن ، سطح موثر و طول موثر آنتن پلاريزاسيون آنتن و ... نيز از جمله شاخص ترين پارامترهاي آنتن مي باشند كه در اين فصل درباره آنها سخن گفته شده است .

در فصل سوم به بحث پيرامون شبكه هاي كامپيوتري مي پردازيم . مطالب مورد بحث در اين فصل شامل توضيح مختصري در مورد سخت افزار شبكه ، نرم افزار شبكه ، پشته ي پروتكلي 802.11 - به عنوان مهمترين شبكه ي محلي بي سيم - و نيز پشته ي پروتكلي 802.16 - مهمترين شبكه ي بي سيم باند گسترده- مي باشند .

در فصل چهارم آنتن هاي هوشمند و كاربرد و مزيت آنها در شبكه هاي بي سيم در بخش اول اين فصل و نيز آنتن هاي آرايه فازي به طور تخصصي تر در بخش دوم اين فصل مورد بحث قرار مي گيرند .

فصل پنجم نيز نتيجه گيري كلي و پيشنهاد به ديگر پژوهندگان علاقه مند به اين موضوع را شامل   مي شود . اميد كه مفيد محضر خوانندگان محترم قرار گيرد .

طرح تحقيق

تاريخچه مختصري در باره ي موضوع تحقيق:

همانطور كه مي دانيد عنوان شبكه در برگيرنده  مفهومي وسيع است كه شبكه  چاه هاي آب  روستايي ( قنات ها)، شبكه ي نهرها و كانال هاي آبياري مزارع، شبكه  آب و فاضلاب شهري، شبكه گاز شهري، شبكه پدافند هوايي و نيز شبكه هاي كامپيوتري هر كدام به نحوي تداعي كننده مفهوم كلي اين كلمه مي باشند.

البته واضح است كه با توجه به پيشرفت چشمگير كامپيوتر و تكنولوژي هاي وابسته به آن (جمع آوري، پردازش و توزيع اطلاعات) در دنياي امروز، شبكه هاي كامپيوتري در تمامي مفاهيم كه از شبكه عنوان شد، وارد شده اند، و نرم افزار هاي كامپيوتري كارهاي مديريت، نظارت و كنترل كليه شبكه هاي ياد شده را به عهده گرفته اند. پيوند فرخنده  كامپيوتر و مخابرات اتفاقي بود كه هر دو صنعت را دچار تحولات عظيم كرد. اكنون ديگر مفهوم اتاقي با يك كامپيوتر بزرگ به نام « مركز كامپيوتر» كه افراد كارهايشان را به آنجا مي آورند، به كلي منسوخ شده است. مدل قديمي كامپيوتر بزرگي كه تمام كارهاي محاسباتي سازمان را انجام مي دهد، اكنون جاي خود را به تعداد زيادي كامپيوتر كوچك متصل به هم داده است. به اين سيستم ها شبكه هاي كامپيوتري (computer netwoks)گفته مي شود.

دو كامپيوتر وقتي « به هم متصل اند» كه بتوانند با يكديگر اطلاعات رد و بدل كنند. الزامي نيست كه اين اتصال از طريق سيم هاي مسي باشد، فيبرهاي نوري، امواج مايكروويو، مادون قرمزو ماهواره هاي مخابراتي هم مي توانند عامل اين ارتباط باشند.

در اينجا پس از طرح مساله شبكه هاي بي سيم، مهمترين مساله بررسي آنتن هاي قابل استفاده در اين شبكه ها مي باشد، كه در ابتدا لازم مي دانيم تاريخچه  مختصري از پيدايش آنتن را نيز در اختيار خوانندگان محترم قرار دهيم.

مبناي نظري آنتن ها بر معادلات ماكسول استوار است. جيمز كلارك ماكسول (1831-1879) در سال 1864 در حضور انجمن سلطنتي انگلستان نظريه خود را ارائه داد؛ مبني بر اينكه نور و امواج الكترو مغناطيسي پديده هاي فيزيكي يكساني دارند. همچنين پيش بيني كرد كه نور و اختلالات الكترو مغناطيسي را مي توان به صورت امواج رونده داراي سرعت برابر توجيه كرد.  در سال 1882 فيزيكدان آلماني هاينريش هرتز(1894-1875) با افزايش تحقيقات در اين زمينه ادعاي ماكسول را در عمل اثبات كرد و نشان داد كه امواج الكترو مغناطيسي در فضا منتشر مي شود. هرتز، آنتن هايي از نوع دو قطبي و سهموي را نيز ساخت. مهندس برق ايتاليايي ماركوني (1937-1874) نيز يك آنتن استوانه ميكروويو در طول موج 23 سانتي متري را ساخت، ولي كارهاي بعديش براي حصول برد مخابراتي بهتر در طول موج هاي بلند تر بود. فيزيكدان روسي الكساندر پوپوف (1895-1905) نيز اهميت كشف امواج راديويي را توسط هرتز تشخيص داد و يك سال بعد، قبل از ماركوني شروع به فعاليت كرد. اغلب افتخار كاربرد  اولين آنتن در اولين سيستم راديويي را در سال 1879 براي ارسال سيگنال از كشتي به ساحل در مسافت 3مايل به او مي دهند. در هر حال اين ماركوني بود كه راديوي تجارتي را توسعه داد و مخابرات راديويي را در ماوراي اقيانوس اطلس ايجاد كرد. ماركوني را پدر راديوي آماتور مي شناسند. لازمه ارتباط در اين سال ها با آنتن محدود به وجود مولدهاي سيگنال بود. ساخت مولدهاي سيگنال كلايستروني و مگنتروني ( در حدود يك گيگا هرتز ) باعث شد كه آنتن هاي بوقي توسعه يابند.  در طول جنگ جهاني دوم اولين كوشش ها جهت توسعه آنتن هاي مدرن براي رادار انجام گرفت، و هم اكنون آنتن هاي پيشرفته اي جهت ارتباط مايكروويوي و راداري ساخته  مي شوند. كه آنتن هاي آرايه فازي از جمله ي اين آنتن ها مي باشند. كه در فصول آتي به آنها خواهيم پرداخت.

اهميت انجام تحقيق:

با توجه به پيشرفت روز افزون تكنولوژي ارتباطات و البته ارتباطات بي سيم، درجه اهميت شبكه ها، به ويژه شبكه هاي بي سيم براي عموم و البته دانشگاهيان پر واضح است. اما مطلب مورد بحث درباره  اهميت انجام اين تحقيق، ميزان كارايي نتيجه  اين پژوهش در مسير رشد و تعالي نيروي هوايي ارتش جمهوري اسلامي ايران است، كه در اين مقال بايستي به آن پرداخته شود.

همانطور كه مي دانيد شبكه  پدافند هوايي كشور C3از زمان شهيد بزرگوارسر لشكر منصور ستاري در مسير تمركز و هماهنگي بهينه و در واقع نهادينه كردن سيستم C4Iو ورود كامپيوتر به اين عرصه، قرار گرفته است. در اين راستا بر آن شديم، كه با مطالعه در مورد شبكه هاي كامپيوتري و ملزومات آنها بستري جهت آمادگي هر چه بيشتر خود و نيز خوانندگان محترم فراهم آوريم؛ كه به توسعه و پيشرفت  در شبكه  پدافند هوايي كشور در آتيه  نزديك انجامد. (ان شاء ا...) زيرا كه معتقديم دست يابي به هر تكنولوژي و پيشرفت در آن، منوط به شناخت پايه اي و بنيادي آن تكنولوژي مي باشد. در اين بين با توجه به گستردگي قلمرو فضايي كشور و مخارج عظيم ارتباطات باسيم، تكنولوژي شبكه هاي بي سيم از ملزومات اين امر به نظر مي رسد؛ كه ما سعي كرده ايم به معرفي آنها بپردازيم اميد كه مقبول حق و مطلوب نظر خوانندگان قرار گيرد.

اهداف كلي تحقيق :

فراهم نمودن زمينه واستعداد بالقوه در مسير توسعه شبكه پدافند هوايي كشور، به عنوان يك شبكه      بي سيم كارا، بزرگ و متمركز از طريق ايجاد آمادگي علمي بنيادي درمورد شبكه هاي بي سيم و آنتن هاي مورد استفاده در آنها در ميان پرسنل آينده پدافند هوايي ارتش جمهوري اسلامي ايران.

هدف هاي ويژه  تحقيق :

      -    شناخت كلي شبكه هاي كامپيوتري و به ويژه شبكه هاي بي سيم.

      -   شناخت انواع روش هاي مدولاسيون جهت تهيه سيستم هاي ارتباطي لازم براي طراحي يك شبكه   بي سيم بزرگ و ممتركز.

      -    شناخت آنتن و انواع آن.

      -    شناخت آنتن هاي هوشمند و مزيت بكار گيري آن ها در شبكه هاي بي سيم.

روش انجام تحقيق :

با توجه به اينكه در اين پايان نامه به شناخت كلي شبكه هاي بي سيم و نيز تجزيه وتحليل ملزومات آنها از جمله آنتن هاي قابل استفاده در آنها پرداخته شده است، براي انجام اين تحقيق از روش موردي و زمينه اي بهره گرفته شده است؛ كه نتيجه مي گيريم اين تحقيق در سطحي مياني از لحاظ سطح بندي تحقيقات، قرار گرفته است و ديدي بين حال نگر و آينده نگر از نظر زماني،بر مساله دارد.

جامعه آماري در اين مسير اساتيد محترم دانشكده مهندسي كنترل و نيز دانشكده مهندسي  برق  بودهاند.  محيط پژوهش كتابخانه دانشكده هاي برق و كامپيوتر و نيز كتابخانه دانشكده برق دانشگاه صنعتي  امير كبير و نيز كتابخانه  مركزي دانشگاه هاي صنعتي شريف و تربيت مدرس بوده است.روش گردآوري اطلاعات نيز بر پايه  ترجمه   متون انگليسي از كتاب هاي جديد منتشر شده در اين زمينه و نيز نمونه برداري از ميان پايان نامه هاي دانشجويان دانشگاه هاي يادشده بوده است