مهندسین برق باید بدانند

بنام خدا

فصل اول

1-شبکه زمین (Ground Radiation)

سیگنال RF به همراه سیگنال صدا یا بعبارتی سیگنال مدوله  شده از طریق خط فیدر به سیستم آنتن وارد می شود که بصورت امواج الکترو مغناطیسی پخش می گردد.

آنتن ها معمولا" به اشکال مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، مانند: T ، L ، چتری، Dipole و Monopole. که در این میان آنتن های منوپل (Monopole) بیشترین کاربرد را دارند. لذا در این بخش به روش بهره برداری و استفاده از این نوع آنتن ها اشاره می شود.

آنتن های منوپل یک نوع آنتن های ایستا هستند که طول آن ها بر حسب λ از رابط? c=λ/fبدست می آید که دراین رابطه C سرعت نور برحسب کیلومتر و f فرکانس تشعشع رادیویی برحسب مگاهرتس می باشد، که معمولا" بیشتر مواقع طول آنتن را  λ/2 در نظر گرفته می شود و برهمین مبنا نصب می گردد، ضمن اینکه  شرایطی خاص که افزایش طول آنتن  مشکل ایجاد می کند از   λ/4 استفاده می شود.

در بخش جداگانه ای بحث آنتن بطور مفصل توضیح داده خواهد شد، لیکن در اینجا اجمالا" به این نکته اشاره می شود که برای پخش مناسب، یک آنتن مونوپل مورد

نیاز است که شبک? زمین در زیر آن نصب شده باشد.

1-1 - اهداف نصب شبک? زمین

از شبکه زمین برای دو هدف استفاده می گردد.

برقراری مسیر برگشتی تشعشع آنتن وبالا بردن راندمان آنتن

به حداقل رساندن اثر تشعشع RF به اتاق آنتن و فرستنده

شکل زیر مسیر برگشت آنتن را نشان می دهد.

شکل (1)

همانگونه که در شکل (1) ملاحظه می گردد، قدرت خروجی فرستنده (TX) توسط خط فیدر به مدار مچینگ (ATU) می رسد که این مدار اهم آنتن را همسان اهم خروجی فرستنده می کند.

در شکل فوق نقط? Feedpoint همان محل اندازه گیری امپدانس بیس آنتن است که شامل سه مقاومت می باشد:

مقاومت (Rr (Radiation Resistance که مقاومت آنتن در فرکانس تشعشع می باشد.

مقاومت (Rc (Condutor Resistance که مقاومت فضای بین آنتن و شبکه زمین می باشد که این مقاومت در اوقات مختلف براساس شرایط جویی تغییر می کند و بر راندمان پخش و یا بعبارتی بر برد مسافت امواج تشعشع تاثیر می گذارد.

مقاومت (Rg (Ground Resistance که مقاومت شبکه زمین می باشد که اهمیت زیادی در راندمان و قدرت تشعشع امواج الکترومغناطیسی دارد که در این بخش، به روش صحیح اجرای شبکه زمین در ایستگاه های رادیویی اشاره می شود.

انرژی یا قدرت خروجی فرستنده به بیس آنتن (Feedpoint) اعمال می شود واین انرژی باعث حرکت الکترون ها در ساختار فیزیکی آنتن می شود و از حرکت این الکترون ها امواج الکترومغناطیسی ایجاد می گردد که در فضا انتشار می یابد و سپس از طریق فضا به سیستم زمین (شبکه زمین در زیر بیس آنتن) برگشت می کند.

اینک با توجه بشکل فوق ملاحظه می گردد که سه مقاومت Rr، Rc و Rg بطور سری  قرار دارند که جریان   (I)  برقراری بین آنها نسبت به مقادیر اهمشان، انرژی بین آنها تلف می شود.

تعیین مقادیر مقاومت های Rr و Rc در اختیار ما نیست زیرا Rr بستگی به شرایط فیزیکی آنتن و  Rc نیز به شرایط جویی دارد لذا مقاومت زمین  (Rg)است  که می تواند میزان جریان را در این حلق? مقاومت برقرار سازد و طبیعی است که هرچه مقدار این مقاومت کمتر باشد میزان جریان بیشتر خواهد و موجب افزایش راندمان آنتن می گردد.

شکل (2) مدار معادل توضیح فوق را نشان می دهد:

1- 2- راندمان تشعشع (راندمان آنتن)

همان گونه که بیان شد تعیین مقدار مقاومت هدایت (Rc) خارج از تصمیم گیری ماست بنابراین شکل (2) را به شکل (3) تعمیم می دهیم و بر اساس آن راندمان تشعشع و یا آنتن را بدست می آوریم.

همانگونه که در شکل(3) ملاحظه می گردد براساس قانون کیرشهوف، جریان عبوری از مقاومت های Rr و Rg باعث تلفات در آن ها می شود و با کم ویا زیاد شدن مقاومت زمین  (Rg) مقدار جریان به نسبت آن کم و یا زیاد می شود ودر نتیجه تلفات در مقاومت تشعشع ویا آنتن (Rr) نیز تغییر می کند. این بدین است که اگر کاری کنیم که مقدار اهم Rg به حداقل برسد جریان عبوری از مقاومت Rr به حداکثر می رسد ودر نتیجه میزان تشعشع افزایش می یابد و موجب افزایش راندمان می گردد.

روابط زیر برای تعیین راندمان (η) استفاده می گردند.

(1)    η  =   Rr/(RG+Rr)

از آنجا که Ri=Rr+Rg می باشد بنابراین می توان فرمول (1) را اینگونه نوشت:

(2)     η =Rr/Ri  = 1- Rg/Ri

حال با توجه به رابط? (2) می توان دریافت، چنانچه مقاومت بیس آنتن ( Ri )کاهش یابد در صد راندمان افزایش می یابد که این کاهش وابسته به اهم شبک? زمین دارد.

اینک جهت درک بیشتر به دو مثال اشاره می کنیم:

فرض کنیم = 35 Ω Rr و = 10 Ω    Rgباشد براساس رابط? (1) راندمان می شود:

78%   =  45 / 35       =  ( 35+10)/  35   = η

حال فرض کنیم = 35 Ω  Rr و = 1 Ω    Rgباشد براساس رابط? (1) راندمان می شود:

97% = 36 / 35   =   (1+ 35 )/ 35  = η

اینک با مقایس? دو مثال فوق متوجه می شویم که مقدار اهم شبک? زمین تا چه حدی در راندمان تشعشع یک آنتن مؤثر است. لذا نصب صحیح شبک? زمین از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است که سعی می شود در این فصل به نمونه ای از روش نصب، براساس تحقیقات انجام شده و تجربیات بدست آمده در دیگر کشورها اشاره گردد.

3-1- اجراء شبک? زمین

انتخاب محلی که آنتن بایستی نصب شود از اهمیت زیادی برخوردار است. لذا باید مکانی انتخاب گردد که مقاومت ویژه خاک آن زمین حداقل اهم را داشته باشد تا براساس آنچه که در بالا بدان اشاره شد راندمان تشعشع به حداکثر برسد.

این طبیعی است که انتخاب زمین در جاهای مختلف کشور از یک اهم ثابتی برخوردار نیستند و انتخاب یک زمین هم گاهی محدودیت هایی از جمله دسترسی محلی، شرایط اقلیمی و .......... ایجاد می کند که بایستی اهم زمین را با تمهیداتی کم نمود که در روش نصب شبک? زمین میسر است.

جدول زیر مقاومت ویژه انواع خاک را بر اساس استاندارد NFC 17-102  نشان می دهد.

جدول (1) مقاومت ویژه انواع خاک بر اساس استاندارد NFC 17-102

یادآوری این نکته ضروری است، خاک هایی که دارای مواد آهکی ویا نمک هستند باعث خوردگی فلزات همچون مس می شوند  و چنانچه الزام است که از چنین زمین هایی برای شبک? ارت استفاده شود، پیشنهاد می گردد که زیر و روی سیم ها و تسمه های مسی خاک نرم فاقد آهک و نمک ریخته شود.

نکته:

در بررسی بر روی تجربیات و آزمایش های مختلف بعمل آمده توسط محققان در دیگر کشورها، یک نظری? مشترک در زمین? روش نصب شبک? زمین، بعمل نیامده است. زیرا عده ای کار تحقیقاتی را بر روی نرم افزارهای خاصی انجام داده اند و عده ای دیگر بصورت عملی با فرکانس های مختلف، تحقیقات خود را به انجام رسانده اند که در این مجموعه تحقیقات، برای افزایش راندمان در زمین های مختلف که دارای مقاومت ویژ? متفاوتی دارند می توان پی برد که بر دو نظریه اتفاق نظر دارند:

1-    نصب سیم های زمین به انداز? طول آنتن که تعداد این سیم ها در زمین های مختلف تغییر می کند.

2-   نصب سیم های زمین کمتر از طول آنتن بعنوان مثال4 /λ  و بتبع افزایش تعداد آن ها جهت رسیدن به ماکزیموم راندمان

برای درک بیشتر از مطالب فوق، یک مثال زده می شود:

فرض کنیم مقاومت ویژ? زمینی که بالاست می خواهیم به 5 Ω برسانیم. در اینجا ممکن است برای اجراء شبک? زمین بطول 2 / λ  یا طول آنتن، 60 رشت? سیم لازم باشد اما اگر بخواهیم طول سیم را   4/ λ انتخاب کنیم ممکن است به 120 رشته سیم نیاز باشد.

در بررسی های بعمل آمده تاکید بیشتر بر استفاده از طول سیم به انداز? طول آنتن گردیده است و فقط در زمین ها با مقاومت های ویژ? متفاوت تعداد رشته های سیم تغییر می کنند. لذا ماحصل بررسی ها و تحقیقات بدست آمده، بر این نظریه استوار است که طول سیم های زمین به انداز? طول آنتن در نظر گرفته شود و طول  را برای زمین هایی مدنظر باشد که محدودیت مساحت وجود دارد.

1-3-1- مسیر برگشت تشعشع آنتن

مسیر جریان تشعشع آنتن از طریق سیم های شبک? زمین برقرار می شود. بنابراین جریان تشعشع یا RF بین این سیم ها تقسیم می شود که به تبع جریان کمی از هر رشت? سیم عبور خواهد کرد.

بعنوان مثال: اگر جریان تشعشع 48 آمپر باشد برای شبک? زمینی که از 120 رشته استفاده گردیده است از هر سیم 4/0 آمپر جریان عبور می کند بنابراین برای فرستنده ها با قدرت های متفاوت از سیم هایی با قطر مختلف بر اساس قدرت همان فرستنده استفاده می گردد.

هنگام نصب شبک? زمین، بایستی دقت شود که سیم ها تحت زاویه ای یکسان (با فاصل? یکسان) نصب گردند تا از تأثیرات میدانی ایجاد شده ناشی از جریان تشعشع یا RF بر روی هم جلوگیری شود.

در ضمن زمین انتخاب شده برای نصب آنتن و شبک? زمین حتی الامکان بایستی از وجود مکان هایی مانند کارخانجات، تاسیسات نیروگاهی و . . .  فاصله داشته باشد تا موجب فیدبک تشعشع و به تبع کاهش راندمان نگردد.

2-3-1- تعداد و طول سیم های شبک? زمین

مطابق شکل (4) در زیر، با افزایش تعداد سیم های زمین راندمان نیز افزایش می یابد. این بدین معنی است که با افزایش تعداد سیم ها در مسیر برگشت جریان تشعشع یا RF مقاومت زمین کاهش می یابد و بر اساس آنچه که قبلا" گفته شد راندمان تشعشع بیشتر می شود.

معمولا" تعداد سیم های زمین براساس مقاومت ویژ? زمین تعیین می شود زیرا زمین هایی که دارای مقاومت کمتری هستند می توان از تعداد سیم کمتری نیز استفاده نمود چون در چنین مواقعی افزایش بیش از حد سیم نه تنها ممکن است موجب کاهش اهم زمین نشود که حتی ممکن است افزایش مقاومت را نیز به همراه داشته باشد.

در شکل (5) که توسط  (Brian Edward (N2MF) تهیه گردیده است، نشان می دهد که نسبت گین سیگنال به طول سیم های شبک? زمین براساس تعداد آنها در یک زمین با مقاومت ویژ? بالا چگونه است.

این نمودار نشان می دهد که در یک زمین با اهم بالا بین 4 رشته سیم با 120 رشته حدود2.5dB تغییرات ایجاد می شود

شکل (5)

حال اگر بدلایلی مجبور شویم که طول سیم های شبک? زمین را کوتاه، بعنوان مثال λ1/. در نظر بگیریم چنانچه در شکل (6) ملاحظه می گردد می توان بجای 8 رشته سیم از 24 رشته استفاده نمود تا به راندمان مورد نظر برسیم.

در یک شبک? زمین اگر طول سیم ها و یا فاصل? انها یکسان نباشد موجب تغییر در پترن تشعشع می گردد ولی تأثیر کمی بر راندمان خواهد داشت.

شکل (6)

اینک با توجه به مطالب فوق و جدول (1) در مورد تقسیم بندی مقاومت ویژ? خاک، جدول (2) که تعیین کنند? تعداد سیم و لوپ اتصال سیم ها می باشد در زیر ملاحظه می گردد.

جدول (2) تعیین تعداد لوپ و رشته های سیم زمین بر اساس اهم خاک

همچنین جدول شمار? (3) قطر سیم های شبک? زمین با استفاده از جدول (4) مربوط به قطر سیم (Table of AWG wire sizes ) و نیز براساس قدرت خروجی فرستنده نشان می دهد.

جدول (3) قطر سیم های شبک? زمین بر اساس قدرت فرستنده

جدول (4) قطر سیم را براساس استاندارد تعریف شده نشان می دهد که از روی این جدول می توان تلفات سیم را در هر کیلومتر بدست آورد.

1-3-3- روش اجراء شبک? زمین

شکل (7) نمو نه ای از سیستم سیم های زمین را نشان می دهد که از 120 رشته سیم مفتولی تشکیل یافته که دارای سه لوپ ابتدایی،  میانی و انتهایی می باشد و در نهایت تمامی سیم ها به صفحات مسی زیر بیس آنتن لحیم می شوند.

شکل (7)

شکل (7)  یک نمونه از شبک? زمین را نشان می دهد که در این سیستم:

1-     120 رشته سیم کشیده شده است.

2-     سیم های شبکه حدود 10 سانتیمتر در داخل خاک قرار می گیرند.

3-     فاصل? هرسیم بطور مساوی نسبت بهم می باشد.

4-     طول سیم ها به انداز? طول انتن در نظر گرفته شده است.

5-     طبق جدول (2) این شبکه جهت زمین هایی مناسب است که مقاومت خاک ویژ? آنها بالای 100 اهم می باشد.

6-     در انتهای هر سیم شبکه یک میله ای با مشخصات شکل (8) برروی زمین کوبیده می شود که سیم شبک? زمین از سوراخ ایجاد شده عبور داده می شود و سپس جوش نقره داده می شود.

8-     مانند شکل (9) سیم لوپ را از شیار ایجاد شده در بالای میله عبور داده و سپس جوشکاری نقره صورت می گیرد.

9-     محل تلاقی سیم لوپ با سیم های شبک? زمین جوشکاری نقره گردد.

10-     شکل (11) روش شیلد بیس آنتن را نشان می دهد. برای این منظور موارد ذیل بایستی بکار گرفته شود.

بر روی سطح فندانسیون آنتن (از زیر ایزولاتور) دو تسمه بعرض 10 سانتیمتر با ضخامت 5/. میلیمتر بطوری که همدیگر را در زیر ایزولاتور دکل قطع کنند، نصب گردد.

این تسمه ها از چهار طرف فندانسیون به طرف پایین بر روی زمین آورده شود. مانند شکل 10

شکل (10)

اینک بر روی زمین، دورتادور محیط فندانسیون تسمه ای با عرض 10 سانتیمتر و ضخامت 5/. میلیمتر کشیده شود. سه گوشه ویا سه ضلع این تسمه مانند شکل زیر با زاویه 45 درجه برش داده شود.

این تسمه مانند سیم های شبک? زمین می تواند حدود 10 سانتیمتر زیر خاک نصب گردد.

از یک ضلع دیگر دو سیم به قطر 4 میلیمتر به دو میله بطول 50 سانتیمتر وصل و سپس این دو میله در فاصل? 1 متری فندانسیون به درون زمین کوبیده شوند.

حال تسمه های مسی که از زیر ایزولاتور دکل از روی فندانسیون پایین آمده اند به تسم? دور تا دور فندانسیون جوش نقره شود.

کلی? سیم های شبکه زمین (120 رشته) به روی تسم? دور تا دور فندانسیون جوش نقره شود.

شکل (11)

اتاق مچینگ معمولا" در فاصل? 2/1 تا 2 متری آنتن ساخته شود که توسط سه تسم? مسی 10 سانتیمتری با ضخامت 5/. میلمتر به تسم? مسی دور تا دور فندانسیون آنتن جوش نقره داده شود.

12-     شکل (12) نحو? وصل این سه تسمه را نشان می دهد.

شکل (12)

13- نظر باینکه اتاق مچینگ در بین سیم های شبک? زمین قرار می گیرد براین اساس بایستی دور تا دور این اتاق، تسمه ای به عرض 10 سانتیمتر و ضخامت 5/. میلیمتر کشیده شود و سپس سیم های شبک? زمین که به این اتاق می رسند به این تسمه جوش نقره داده شود.

شکل (13) نحو? اتصال سیم های زمین، به تسم? پیرامون اتاق مچینگ را نشان می دهد.

شکل (13)

14-  در ایستگاهی از دو آنتن ویا بیشتر استفاده می گردد محل تلاقی سیم های شبک? زمین این دو آنتن بایستی بهم جوش نقره داده شوند. در این صورت سیم ها نبایستی از روی هم عبور داده شوند.

شکل (14) نمایی از روش اتصال دو شبک? زمین را نشان می دهد که محل تلاقی دو شبک? زمین بهم جوش داده شده است و بیس دو آنتن توسط تسم? مسی بهم متصل شده اند.

شکل (14)                                                                                                     15-  در ایستگاه های رادیویی معمولا" انتهای مهاری ها را مانند شکل (15) توسط یک میله و یک سیم رابط زمین می کنند تا در برابر صاعقه و یا رعد و برق دستگاه های الکترونیکی محافظت شود و جریان بالای صاعقه از این طریق زمین گردد.

برای این منظور میله ای مغز فولادی با روکش مس به قطر حدودا" 20 میلیمتر بطول 1 تا 5/1 متر آماده گردد که یک سر آن به صورت مخروطی شکل در آید. سپس این میله در فاصل? 1 تا 5/1 متری انتهای هر مهاری بداخل زمین کوبیده شود. این میله توسط یک سیم به قطر 6 میلیمتر به انتهای مهاریها وصل گردد.

منابع: