אנטנת שופר קונית וקונית משוננת

01 מבוא

אנטנה היא רכיב חשמלי המורכב ממוליכים שייעודם לקלוט ולשדר גלי רדיו. את השימוש הראשון במילה "אנטנה" הכרנו לראשונה מהמהנדס האיטלקי גוליילמו מרקוני, אשר פיתח מערכת תקשורת אלחוטית בסוף המאה ה־19.

כאשר אנטנה משמשת לשידור, הפעולה המתבצעת היא התמרת הזרם החשמלי בכניסתה לגל אלקטרומגנטי; בפעולת הקליטה מתבצעת הפעולה ההפוכה, הממירה את הקרינה לזרם חשמלי במוליכי האנטנה. לאנטנת שופר שימושים בתחומים רבים כגון רדיו, תקשורת אלחוטית ולוויינים. מבנה האנטנה הוא דמוי משפך, הבנוי ממדריך גלים מורחב בקצהו, ששימושו תיאום האימפדנסים מהתקן מדריך הגל לגל באוויר.

02 רקע תיאורטי

אנטנת שופר משמשת בעיקר לתדרים גבוהים, והיא פופולרית במיוחד בשל הביצועים הכיווניים הגבוהים שלה והיכולת ליצור קרן ממוקדת מאוד. אנטנות שופר נמצאות בשימוש נרחב בתחנות קרקע לתקשורת לוויינית, מערכות מכ"ם ומערכות מדידה, בשל הרווח הגבוה שלהן ודפוסי הקרינה הכיוונית. תחילה נגדיר מספר מושגי יסוד שהכרתם הכרחית להבנת הפרויקט ולהמשך החקירות.

מיקרו־גלים

גלי מיקרו נקראים כך בשל אורך הגל שלהם — הם משתרעים בטווח של 1GHz ועד 300GHz, ואורכי הגל שלהם נעים בין 30 ס"מ ל־1 מ"מ (בהתאמה). אחת התכונות המרכזיות של מיקרו־גלים היא יכולת החדירה שלהם דרך חומרים שונים, ולכן הם נפוצים במערכות תקשורת כגון רשתות אלחוטיות, מערכות מכ"ם ותקשורת לוויינית.

החזרה

החזרה של גלים אלקטרומגנטיים מתייחסת לתופעה שבה גל אלקטרומגנטי משתקף חזרה לאחר התנגשות עם משטח או חפץ בעל תכונות שונות. תופעה זו נובעת מהשינויים בשדה החשמלי והמגנטי של הגל כאשר הוא פוגש מעבר בין חומרים בעלי קבוע דיאלקטרי שונה. הבנת התופעה קריטית בתחומי התקשורת, שכן החזרה עשויה להשפיע על איכות השידור ועל יכולת הזיהוי של אובייקטים.

אופני TE, TEM, TM

במערכות גליות כגון גלי מיקרו וסיבים אופטיים: אופני TM (Transverse Magnetic) הם מצבים שבהם השדה המגנטי (H) מאונך לכיוון ההתקדמות; TEM (Transverse Electromagnetic) מתאר מצבים שבהם גם השדה החשמלי (E) וגם השדה המגנטי מאונכים לכיוון ההתקדמות; ו־TE (Transverse Electric) הם מצבים שבהם השדה החשמלי מאונך לכיוון ההתקדמות. כל אחד מהאופנים מתאר את התפלגות השדות האלקטרומגנטיים במבנה גלי מסוים.

אנטנת שופר קונית — Conical Horn Antenna

אנטנת שופר קונית היא אנטנת מיקרוגל ששמה מגיע מצורתה הדומה לקונוס. מבנה האנטנה בנוי בדומה לקונוס: בקצהו הצר נקודת הזנה של מקור האות (משדר/מקלט), והקצה השני, הרחב יותר, הוא החלק המשדר את האות או קולט אותו. האנטנה הקונית ידועה ביתרונותיה הרבים — הגבר גבוה, כיווניות, רוחב פס רחב ועמידות.

אנטנת שופר קונית משוננת — Corrugated Conical Horn Antenna

אנטנת שופר קונית משוננת היא אף היא אנטנת מיקרוגל. צורתה דומה לאנטנה הקונית הרגילה, אך פנים האנטנה בנוי מתעלות (היוצרות את מה שנקרא "השינון"). התעלות בנויות כך שנועדו לשפר את פיזור הקרינה ואת התאמת האימפדנסים. כתוצאה מכך מתקבל שיפור בתכונות האנטנה הסטנדרטית: כיווניות גבוהה יותר, התפלגות משודרגת, שיפור ברוחב הפס ואונות צד נמוכות יותר.

03 תכונות אנטנת שופר

רוחב פס וממדים

רוחב הפס הוא תחום התדרים שבו האנטנה עובדת, והוא מתבטא בממדים הפיזיים ובעיצוב האנטנה. אנטנות שופר ידועות בעבודה בתחום תדרים רחב — לרוב בתחום SHF (super high frequency) שנע מ־300MHz עד 30GHz, אך יש כאלה המגיעות עד 70GHz. ממדי האנטנה — כולל גודל הפתח ואורך השופר — משפיעים ישירות על תדרי העבודה ועל הביצועים: גודל הפתח קובע את התדר המינימלי שבו האנטנה תעבוד ביעילות, בעוד שאורך השופר משפיע על הכיווניות ועל רוחב האלומה (שופר ארוך יותר מספק כיווניות טובה יותר אך מצמצם את רוחב האלומה).

מבנה ומרכיבים

• מדריך גלים (Waveguide): מבנה המנחה גלים על ידי הגבלת העברת האנרגיה לכיוון אחד. זהו החלק המרכזי והראשוני באנטנה — הצינור שבו נעים הגלים לפני שהם מגיעים לשופר. עשוי לרוב ממתכת, בעל חתך מלבני או עגול בהתאם לצורת האנטנה.
• שופר (Horn): החלק המתרחב היוצא ממדריך הגל, המקרין את הגלים לחלל או קולט אותם. הוא מרחיב את הגלים בצורה מבוקרת כדי להתאים את ההתנגדות של מדריך הגל לאוויר, מה שמפחית החזרות ומשפר את היעילות.
• פתח וקירות השופר: פתח השופר הוא המקום ממנו הגלים יוצאים או נכנסים, וגודלו וצורתו משפיעים על דפוס הקרינה. הקירות מכוונים את הגלים כך שיתפשטו בצורה מתואמת לכיוון הרצוי.

חומר

החומר ממנו בונים אנטנת שופר קונית הוא מתכת מוליכה כדוגמת אלומיניום או נחושת, בשל יכולתן המעולה להנחות גלים אלקטרומגנטיים. מתכות אלו מציעות מוליכות גבוהה המפחיתה אובדן הספק. אלומיניום בפרט הוא חומר קל יחסית, חזק, זול ועמיד בפני קורוזיה.

כיווניות (Directivity)

כיווניות מתארת את יכולת האנטנה להפיץ או לקלוט אנרגיה בצורה ממוקדת לכיוון מסוים. אנטנה בעלת כיווניות גבוהה תקרין את מרבית האנרגיה לכיוון מסוים בצורה ממוקדת מאוד, בעוד אנטנה בעלת כיווניות נמוכה תפיץ את האנרגיה בצורה רחבה יותר. הכיווניות נמדדת כיחס בין עוצמת הקרינה בכיוון המועדף (הכיוון שבו האנרגיה מקסימלית) לבין העוצמה הממוצעת של הקרינה לכל הכיוונים:

נהוג למדוד את הכיווניות ביחידות dBi (ביחס לאנטנה איזוטרופית):

ככל שפרמטר D גדול יותר, כך הכיווניות של האנטנה וביצועיה טובים יותר.

עקום הקרינה (Radiation Pattern)

עקום הקרינה מראה כיצד ההספק בשדה הרחוק תלוי בשתי הזוויות, ומתאר את הכיוון של הקרינה המתפזרת ואת מקסימום הקרינה בכיוון מסוים. רוב האנטנות מציגות תבנית של "אונות": האונה הראשית (כיוון המקסימום) היא בכיוון שבו האנטנה משדרת הכי טוב, ובכל שאר הכיוונים היא משדרת פחות (אונות צד), ובחלק מהמקומות לא משדרת כלל (אפסים — Nulls).

ברוב המקרים נסתפק בעקום קרינה דו־ממדי (גרף פולרי או מלבני), ונעדיף לייצג ביחידות dB, מה שמאפשר לראות גם את האלומה הראשית וגם את אונות הצד. בגרף הפולרי האונה הראשית (באדום) היא הגדולה ביותר בכיוון הרצוי, והאונות האחרות מייצגות קרינה בכיוונים לא רצויים, עם אונה אחורית גדולה יחסית.

מודל הסימולציה

את החקירות ביצענו ב־Antenna Toolbox של MATLAB, באמצעות הרכיבים hornConical ו־hornConicalCorrugated, סביב תדר מרכזי (center frequency) של 10GHz.

04 חקירה 1 — שינוי תדר האנטנה

בחרנו שתדר העבודה שלנו יהיה 10GHz, ובחנו כיצד התדר משפיע על כיווניות האנטנה. בחקירה השארנו את נתוני האנטנה המיטביים עבור 10GHz, ובדקנו כיצד שינוי התדר משפיע על הכיווניות. ערך הכיווניות מוצג בדציבלים — ככל שהערך גבוה יותר, כך הכיווניות גבוהה יותר.

05 חקירה 2 — שינוי גובה הקונוס

בחקירה זו שינינו את גובה הקונוס (cone height) באנטנת שופר קונית ובאנטנת שופר קונית משוננת, ובדקנו כיצד השינוי משפיע על הכיווניות ועל פיזור הספק הקרינה. השינוי בוצע בין הערכים 0.01, 0.05 ו־0.1 מטר. השערתנו: ככל שגובה הקונוס גדול יותר, ביצועי האנטנה טובים יותר — היא מקרינה יותר הספק בכיוון הרצוי.

אנטנת שופר קונית

גובה הקונוס המקורי שהוגדר בתוכנה הוא ConeHeight = 0.032m, ועבורו התקבלו שבח של 14.65dBi, רוחב אלומה של 35° ו־SLL = 20.7dB. עבור גובה חרוט נמוך (0.01m) השבח ירד ל־9.1dBi ורוחב האלומה גדל ל־90° — האנטנה אינה כיוונית כלל. עבור 0.05m התקבל שבח 15.4dBi (30°), ועבור 0.1m התקבל השבח הגבוה ביותר — 15.9dBi (30°) עם SLL = 14.9dB, ה־SLL הנמוך ביותר מכל המדידות, המעיד על ריכוז הספק טוב יותר באלומה הראשית.

אנטנת שופר קונית משוננת

האורך המקורי שהוגדר בתוכנה הוא ConeHeight = 0.11m, ועבורו התקבלו שבח של 17.2dBi, רוחב אלומה 20° ו־SLL = 26.4dB — ערך כיווניות גבוה וזווית אלומה קטנה. עבור גובה חרוט 0.05m ירד השבח ל־12.6dBi, וביצועי האנטנה נפגעו (אונות צד גבוהות).

06 חקירה 3 — שינוי רדיוס המפתח

בחקירה זו שינינו את רדיוס המפתח (Aperture radius), השולט על פתח המעגל ביציאה מהאנטנה, בין הערכים 0.01, 0.05 ו־0.1 מטר. השערתנו: ככל שנתרחק מרדיוס המפתח האידיאלי, הקרן תהיה פחות ממוקדת והכיווניות והשבח ייפגעו. רדיוס המפתח המקורי בתוכנה הוא Aperture radius = 0.032m, ועבורו התקבלו 14.65dBi, רוחב אלומה 35° ו־ SLL = 20.7dB. בשינויים התקבלו, בין היתר, 8.24dBi (75°) ו־11.5dBi (70°).

07 חקירה 4 — מערך אנטנות שופר קוני

מערך אנטנות יכול לשפר את ביצועי המערכת — הגברת הטווח וכיווניות גבוהה יותר — אך יש להתחשב בצימוד ההדדי (Mutual Coupling) בין האנטנות, אותו נרצה נמוך ככל האפשר כדי שכל האנרגיה תועבר לשידור ולא תעבור מאנטנה אחת לשנייה. בחקירה זו התמקדנו במערך הבנוי משתי אנטנות, ובדקנו כיצד הקרבה ביניהן והצימוד ההדדי משפיעים על השבח והכיווניות.

מערך האנטנות שיפר את הכיווניות: ערך הכיווניות שהתקבל הוא 21.25dB, לעומת 14.66dB באנטנה יחידה. בבדיקת הצימוד נמצא שהמרחק בין האנטנות משפיע ישירות על הצימוד — ככל שהמרחק גדל הצימוד יורד, אך מרחק גדול מדי עלול לפגוע במיקוד. במרחק של 0.7m בין האנטנות, גרפי S11 ו־ S12 מראים את התדר האופטימלי בתחום 9GHz–11GHz.

סריקה אלקטרונית (Beam Steering)

סריקה אלקטרונית היא טכניקה המאפשרת לנווט את כיוון האלומה הראשית של המערך במרחב ללא הזזה פיזית, באמצעות שליטה אלקטרונית בהפרשי הפאזה (Phase Shifts) של האותות המוזנים לכל אנטנה. כאשר כל אנטנת שופר מוזנת באות בעל השהיית פאזה מחושבת (Δφ) ביחס לשכנתה, חזית הגל המשותפת משנה את זווית ההתאבכות הבונה לכיוון רצוי מראש, ובמקביל נוצרים אזורי אפס (Nulls) בכיוונים לא רצויים. שילוב רכיבי משני־פאזה (Phase Shifters) במערך מאפשר "לסרוק" את המרחב במהירות גבוהה וללא חלקים נעים — יכולת המשתלבת ישירות עם השימושים העיקריים של אנטנות שופר, כגון תחנות קרקע לתקשורת לוויינית ומערכות מכ"ם.

08 ביבליוגרפיה

1. C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd ed. Wiley, New York, 2005.
2. J. D. Kraus and R. J. Marhefka, Antennas: For All Applications, 3rd ed. McGraw-Hill, 2006.
3. W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, 3rd ed. Wiley, New York, 2013.
4. R. C. Johnson and H. Jasik, Antenna Engineering Handbook. McGraw-Hill, 1984.
5. "A Scalable Synthesis of Large Antenna Arrays," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 58(5), 1573–1582, 2010.