انتن مخابراتي چگونه کار مي کند

[mohammad fathali]

[font=Tahoma, sans-serif]پرديس فناوري کيش _ طرح ملي مشاوره متخصصين صنعت و مديريت _ گروه فناوري اطلاعات و ارتباطات[/font]

آنتن مخابراتی چگونه کار می‌کند؟

روش کارکردن آنتن مخابراتی به این صورت است که فرض کنید که در یک ایستگاه رادیویی هستید و می‌خواهید صدای خود را به دوردست‌ها بفرستید. میکروفون صدای شما را که موجی مکانیکی است، تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی می‌کند. مداری که در آنجا تعبیه شده است، با صرف انرژی، سیگنال‌های الکتریکی را به یک ساختار فلزی خاص، موسوم به آنتن می‌فرستند. در واقع با ایجاد جریان الکتریکی در آنتنِ مذکور، الکترون‌های آن در امتداد آنتن حرکت کرده و همان‌طور که از قوانین پایه فیزیک الکتریسیته و مغناطیس می‌دانیم، بار متحرک تولید میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود برهم، یعنی امواج الکترومغناطیسی می‌کند. این امواج در هوا با سرعتی نزدیک به سرعت نور منتشر می‌شوند. امواج رادیویی و مایکروویو به واسطه طول موج خیلی بلندی که دارند، می‌توانند در مسیرهایی طولانی منتشر شوند.

طیف الکترومغناطیسی از فرکانس‌های کم (طول موج زیاد) شروع و به صورت پیوسته تا فرکانس‌های بالا (طول موج کم) گسترش می‌یابد. در این شکل باند‌های مختلف امواج رادیویی و میکروویو نشان داده شده است.

حال اگر شخصی آنتنِ رادیو خود را باز کرده و در جهت فضایی مناسبی باشد، می‌تواند این امواج الکترومغناطیسی که حاوی اطلاعات است (مدوله شده) را دریافت کند. در واقع آنتنِ رادیو در حکم گیرنده است. امواج الکترومغناطیسی به هنگام برخود با آنتنِ رادیو، انرژی خود را به الکترون‌های آنتن داده و در نتیجه الکترون‌های آنتنِ فلزی به نوسان در می‌آیند. می‌توان گفت مطابق با قانون القای فارادی، جریان الکتریکی در آنتن شکل می‌گیرد. این جریان الکتریکی، همان سیگنال‌های الکتریکی ارسال شده توسط آنتن فرستنده هستند که به وسیله بلندگو رادیو، به امواج مکانیکی (صوت) تبدیل می‌شوند.

نحوه طراحی آنتن مخابراتی

آنتن‌های فرستنده و گیرنده در اغلب کاربردها طراحی و ساختاری مشابه دارند. به طول مثال آنتنِ فرستنده و گیرنده در دو بیسیم یک شکل و یک اندازه است. با این حال در برخی کاربردهای خاص، آنتنِ فرستنده می‌تواند بسیار بزرگ‌تر و قوی‌تر از آنتنِ گیرنده باشد. به طور مثال در ایستگاه‌های پخش تلویزیونی و رادیویی، آنتن‌های فرستنده دکل‌های بسیار بزرگ با توان ارسالی خیلی زیادی هستند. چرا که باید مسافت خیلی زیادی را پوشش دهند. این در حالی است که آنتنِ گیرنده تلویزیون یا رادیو تنها یک میله فلزی ساده است.

امواج الکترومغناطیسی تنها از طریق هوا، به صورت مستقیم بین فرستنده و گیرنده تبادل نمی‌شوند. بسته به نوع موج الکترومغناطیسی، در واقع فرکانس آن، مقدار مسافت بین فرستنده و گیرنده و زمان ارسال، ۳ روش مختلف برای انتقال امواج الکترومغناطیسی وجود دارد:

 

حالت اول:

اولین حالت، انتقال به صورت مستقیم بوده که به (Line of sight) معروف است. در واقع ارسال موج را می‌توان همانند پرتو نوری یا لیزری که خطی مستقیم را طی می‌کند، در نظر گرفت. در قدیم برای شبکه‌های تلفنی راه دور و ایستگاه‌های ارتباطی میکروویو، از آنتن‌های بسیار بلند، جهت این نوع ارتباط استفاده می‌کردند.

امروزه نیز در مخابرات نوری فضای آزاد (free space optical communication) از این نوع روش برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند.

 

حالت دوم:

حالت دوم، انتشار در انحنای زمین بوده که به «انتشار امواج زمین» (Ground wave propagation) معروف هستند. این روش تنها برای امواجی که فرکانس خیلی پایین (طول موج بالا) دارند قابل استفاده است. به طور مثال امواج رادیویی AM (امواجی الکترومغناطیسی که به روش مدولاسیون دامنه، اطلاعات بر آن‌ها سوار شده است) از این طریق منتشر می‌شوند. دلیل اینکه ما می‌توانیم توسط رادیویی که در دید مستقیم آنتن فرستنده نیست، امواج رادیویی را دریافت کنیم، همین امر است.

 

حالت سوم:

حالت سوم نیز این است که با ارسال امواج الکترومغناطیسی به سمت آسمان، می‌توان بازتاب آن‌ها را از لایه یونوسفر یا یون‌سپهر در سمت دیگر (مسیرهایی خیلی طولانی) دریافت کرد. یونوسفر لایه‌ای بسیار بالاتر از تروپوسفر که ما در آن زندگی می‌کنیم است. این لایه حاوی چگالی بسیار بالایی از الکترون‌ها بوده که می‌تواند برای امواج رادیویی نظیر یک بازتاب‌دهنده عمل کند.

استفاده از این روش برای ارسال امواج الکترومغناطیسی در طیف رادیویی، در شب بهتر عمل می‌کند، چرا که در روز بخش زیادی از امواج توسط لایه‌های زیرین یونوسفر جذب می‌شود. دقت داشته باشید که طول موج یا فرکانس موج ارسالی، زاویه تابش آنتن فرستنده، روز و شب (از حیث دما و وجود امواج خورشیدی)، موقعیت جغرافیایی و … همه عواملی هستند که در این روش تاثیرات بسزایی دارند.

 

آیا از هر آنتنی می‌توان در همه جا استفاده کرد؟

این بخش را با در نظر گرفتن رادیو که اکثراً با آن آشناییم ادامه می‌دهیم. ساده‌ترین ساختار آنتن، می‌تواند یک قطعه سیم فلزی باشد که آن را به رادیو متصل کرد. امروزه رادیوهای ترانزیستوری جدید، حداقل دو آنتن دارند. یکی از آن‌ها، میله تلسکوپی بلند و براقی است که در خارج بدنه رادیو قرار داشته و برای جمع‌آوری امواج (سیگنال) با مدولاسیون فرکانس (FM) تعبیه شده است. آنتنِ دوم درون بدنه رادیو و معمولاً روی بُرد اصلی به صورت ثابت قرار گرفته است که سیگنال‌های مدولاسیون دامنه (AM) را جمع آوری می‌کند.

با توجه به این نکته، هرچه فرکانس امواج الکترومغناطیسی بیشتر می‌شود، آنتن مربوطه جهت ارسال و دریافت آن‌ها کوچکتر می‌شود. به طور مثال یک آنتن تراهرتز (terahertz antenna) ابعادی در حدود میکرومتر یا حتی نانومتر دارد. در مقام مقایسه یک آنتنی که در طیف رادیویی کار می‌کند، می‌تواند ابعادی در حدود چندین متر نیز داشته باشد.

نوع (ساختار – جنس) فلز به کار رفته در آنتن گیرنده (فرستنده) نیز در دریافت (ارسال) امواج الکترومغناطیسی مهم است. به زبان ساده، چگونگی برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با ماده تابعی از فرکانس است. در واقع آنتنی که جنس و ساختارش متناسب با باند فرکانسی خاص، انتخاب و طراحی شده باشد، در قبال باند‌های فرکانسی دیگر خنثی است.