آشنایی با انواع آنتن های مخابراتی

آشنایی با انواع آنتن های مخابراتی

آنتن مخابراتی چگونه کار می‌کند؟

روش کارکردن آنتن مخابراتی به این شکل است که فرض کنید که شما 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 مسیرهای طولانی و بلندی 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 آشنایی داریم 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 گرفته 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.

انواع آنتن مخابراتی

ساده‌ترین نوع آنتن مخابراتی، آنتن‌های میله‌ای شکل هستند. اما احتمالاً در پشت بام اکثر خانه‌ها، آنتن‌های دوقطبی را دیده‌اید. آنتن دو قطبی، میله‌ای است که به دو بخش تقسیم شده و به صورت افقی قرار می‌گیرد
الگو و طرح‌های مختلفی از آنتن‌های دوقطبی، جهت بهبود کیفیت ارسال و دریافت طراحی و ساخته می‌شوند. به طور مثال، آنتن‌هایی موسوم به آنتن «یاگی» (Yagi) وجود دارند که تعدادی از این دوقطبی‌ها را در امتداد یکدیگر به واسطه یک میله مرکزی قرار داده‌اند.

برخی دیگر از آنتن‌ها به صورت حلقه‌هایی سیم‌پیج یا ماهواره‌ای (سهمی شکل) هستند. آنتن‌های سهمی شکل (بشقابی یا دیش) در سیستم‌های راداری بسیار پرکاربرد هستند.
دلیل توسعه آنتن‌های مختلف، بهبود پارامتر‌های اساسی آن، برای فرستندگی و گیرندگی بهتر است که در بخش بعد به ۳ مورد از مهم‌ترین آنها اشاره می‌کنیم. الگو و مدل‌های مختلف آنتن‌های دو قطبی باعث تشخیص آسان‌تر و بهتر سیگنال می‌شود. به عنوان مثالی دیگر، یک یک آنتن سهمی شکل، امواج الکترومغناطیسی را در همچون آینه در نقطه کانونی خود، همگرا می‌کند که گیرنده‌ (LNB) بهتر آن‌ها را دریافت کند. دقت شود که آنتن کلمه‌ای جامع است و تنها به معنی گیرنده یا فرستنده نیست. در مثال قبل، گیرنده اصلی امواج در نقطه کانونی بشقاب سهموی قرار دارد و این بشقاب تنها همگرا کردن امواج در نقطه کانونی است. به هر حال به کل این مجموعه، آنتن گفته می‌شود. یا در آنتن‌های یاگی (تصویر ۱۶) دوقطبی‌هایی که در پشت قرار گرفته‌اند، حکم بازتابنده امواج را دارند که سیگنال بیشتری به گیرنده دوقطبی جلو برسد.

مقاله پیشنهادی برای مطالعه : آنتن های هوشمند و کلیات آن ها

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، آنتن‌هایی که فرکانس کاری بالایی دارند، اندازه کوچکی دارند و می‌توان آن‌ها را به شرط رعایت نکاتی خاص، روی برد الکترونیکی اصلی طراحی کرد. به طور مثال، امواج Wifi که در فرکانس  ٢.۴ کار می‌کنند، طول موجی در حدود ۱۲.۵ سانتی‌متر داشته که نصف آن ۶ سانتی‌متر می‌شود. پس به راحتی قابلیت طراحی روی برد را دارند.

نمونه‌های دیگری از آنتن‌ها هستند که احتمالا در فروشگاه‌ها یا برخی کارت‌های اعتباری زیاد آن‌ها را دیده‌اید. این نوع آنتن‌ها که به تگ‌های RFid معروف هستند، تمامی انرژی مورد نیاز خود را از امواج الکترومغناطیسی موجود در محیط می‌گیرند.

پارامتر‌های اساسی آنتن مخابراتی

پارامتر‌های مختلفی برای طراحی یک آنتن مطرح می‌شوند، می‌توان گفت مهم‌ترین این پارامتر‌ها، ۳ پارامتر سمت‌گرایی (جهت)، گین و پهنای‌باند است. در زیر به معرفی این ۳ پارامتر می‌پردازیم:

سمت گرایی (Directionality)

آیا تا به حال سعی در تنظیم یک آنتن مخابراتی داشته اید تا کیفیت سیگنال دریافتی را افزایش دهید؟ در واقع شما سعی داشتید تا زاویه‌ مناسب آنتن را جهت دریافت بهتر امواج الکترومغناطیسی پیدا کنید. به عنوان مثال به هنگام گوش دادن به رادیو AM با چرخش رادیو کیفیت سیگنال دریافتی بهتر می‌شود. این بدین معنی است که آنتن سیم‌ پیچ به دور هسته فریب در رادیو یک آنتنِ جهت دار است. با چرخش رادیو به طوری که مولفه میدان مغناطیسی امواج رادیویی AM بیشترین اثر را بر سیم‌پیچ بگذارد، کیفیت سیگنال بهتر می‌شود.
آنتن مخابراتی  FM در رادیو آنتن جهت داری نیست، اگر کیفیت امواج در محیط مناسب باشد، با باز کردن آنتنِ تلسکوپی رادیو در هر جهتی می‌توان کیفیت مطلوبی را دریافت نمود.
این امر را توسط پارامتری موسوم به سمت‌گرایی توصیف می‌کنند. البته پارامتر سمت‌گرایی در همه جا امر مطلوبی نیست. به طور مثال آنتن گیرنده موبایل یا گیرنده‌های GPS باید کمترین میزان سمت‌گرایی را داشته باشند، چرا که باید بتوانند در هر وضعیتی حداکثر امواج را دریافت کنند.

گین (Gain)

گین یا همان بهره آنتن مخابراتی، یکی از مهم‌ترین پارامترهایی است که در طراحی آنتن باید به آن توجه داشت. یک تلویزیون یا رادیو بدون آنتن، سیگنالی به شدت ضعیف و پر نویز را می‌گیرد. دلیل این امر این است که سایر قسمت‌های فلزی موجود در آن‌ها به عنوان آنتن عمل کرده که در جهت خاصی متمرکز نیستند. حال با اضافه کردن یک آنتن در جهت مناسب، سیگنال بسیار بهتری دریافت خواهیم کرد؛ در واقع باعث افزایش گین یا بهره‌وری سیگنال شده‌ایم.
گین یا بهره در واحد «دسی‌بل» (Decibels) اندازه‌گیری می‌شود. به عنوان قاعده‌ای کلی به یاد داشته باشید که هرچه گین یک آنتن بیشتر باشد، سیگنال ارسالی یا دریافتی بهتری خواهید داشت.

پهنای باند (Bandwidth)

پهنای باند آنتن مخابراتی، دامنه فرکانسی (یا طول موج) است که در آن به طور موثر کار می‌کند. پهنای باند وسیع‌تر، این امکان را به ما می‌دهد که رنج وسیعی از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌های مختلف را انتخاب کنیم. به عنوان مثال چندین کانال مختلف تلویزیونی با فرکانس‌های مختلف (اما نزدیک بهم) را یکجا داشته باشید.
البته برای کاربرد‌هایی خاصی که ارتباط شما در فرکانسی خاص برقرار است، بهتر است که پهنای باند آنتن کم باشد تا نویز پذیری آن کاهش یابد.