مقدمه و تعريف

آنتن، بخشي از هر سامانه فرستنده يا گيرنده الكترونيكي است. آنتن عبارت است از بخشي از يك سامانه راديويي كه يك سيگنال راديويي را قادر به ارسال به محيط اطراف يا دريافت از محيط مي‌كند. به‌عبارت ديگر، آنتن را مي‌توان رابط بين سامانه الكترونيكي و فضاي بيرون دانست. يك آنتن فرستنده، جريان‌هاي الكتريكي را به سطوح لايه‌اي رسانا القا مي‌كند كه در نتيجه امواج الكترومغناطيسي توليد شده و در فضا پخش مي‌شوند. همين امواج الكترومغناطيسي بر روي سطوح مشخصي از آنتن‌هاي گيرنده، جريان‌هاي الكتريكي را القا مي‌كنند [1].

آنتن جزء لاينفك سامانه كليه ماهواره‌هاي فعال، كاوشگرها، فضاپيماها و ايستگاه‌هاي زميني ارسال و دريافت داده و كنترل فضايي است.

 

 

تصوير 1- يك آنتن زميني

 

 

تصوير 2- مراحل نهايي مونتاژ يك ماهواره ردگيري و رِله داده - دو آنتن انعكاسي (بالا طرفين) يك آنتن انعكاسي كاملا جمع‌شده (بالا وسط) و يك آرايه از آنتن‌هاي سيمي مارپيچي (ميله‌هاي سفيد رنگ، نوعي آرايه فازي)

پارامترها و مفاهيم مهم در آنتن‌هاي مخابرات فضايي

آنتن نيز مانند هر سامانه مهندسي ديگر، داراي عوامل و مشخصه‌هاي عملكردي و قابليتي مختلف است. مهم‌ترين اين عوامل و همچنين برخي مفاهيم مرتبط با آنتن عبارتند از:

بهره آنتن: عبارت است از نسبت توان سيگنال خروجي از آنتن به توان ورودي آن. اين كميت با واحد دسي بل اندازه‌گيري مي‌شود [1].

الگوي تشعشعي آنتن: عبارت است از اندازه‌اي از حساسيت آنتن در جهات مختلف. نمودارهاي تصوير شماره 3 و توضيحات آن به‌خوبي بيان‌گر اين مفهوم هستند [1].  

توان سمت‌گيري: عبارت است از قدرت آنتن در نشانه‌روي به سمت ماهواره (يا به سمت آنتن زميني). اين سمت‌گيري ممكن است به‌صورت مكانيكي يا الكترونيكي (تغيير جهت پخش موج با استفاده از خواص الكترونيكي موج و بدون تغيير جهت مكانيكي) آنتن باشد [1].

الگوي تشعشعي آنتن. يك آنتن در جهات مختلف داراي حساسيت گيرندگي يا توانايي فرستندگي است. به انحناهايي كه در اطراف آنتن محدوده حساستي آن را نشان مي‌‌دهند، «گلبرگ» گفته مي‌شود. نموداري «c» الگوي تشعشعي واقعي يك آنتن انعكاسي به قطر 3 متر را نشان مي‌دهد.

انواع آنتن

تصوير 4- انواع آنتن: «a»: سيمي مارپيچي؛ «b»: شيپوري؛ «c»: انعكاسي؛ «d»: آرايه فازي؛ «e»: انواع آنتن‌هاي انعكاسي، رديف اول از چپ به راست: متقارن ساده، متقارن كاساگرين، متقارن گرگورين - رديف دوم: انواع نامتقارن به همان ترتيب؛ «f»: آنتن لنزي

آنتن‌هاي سيمي (تصوير 4)

اين آنتن‌ها از ساختاري سيمي شكل تشكيل شده‌اند. فرم‌هاي مارپيچي،‌ مخروطي يا «دي‌پُل» ساده آنها معمولا در باندهاي فركانسي «يواچ‌اِف» و «وي‌اِچ‌اِف» كار مي‌كنند. فرم‌هاي ديگر معمولا در باند فركانسي «مايكرو ويو» (بالاي 1 گيگاهرتز) عمل‌ مي‌كنند [1].

آنتن‌هاي شيپوري
آنتن‌هايي هستند كه به شكل مخروط بوده و معمولا بر روي ماهواره نصب مي‌شوند. اين آنتن‌ها براي ايجاد پوشش وسيع بر روي زمين به كار گرفته مي‌شوند. اين نوع آنتن اگرچه كارايي بالايي دارد، اما سنگين وزن و پرهزينه است. از اين آنتن بيشتر در اوايل عصر فضا براي ارتباطات فضايي استفاده مي‌شد و امروزه كاربرد چنداني ندارد [3].

آنتن‌هاي آرايه فازي (تصاوير 4،1)

آنتن‌هايي هستند كه از المان‌هاي آنتن‌هاي كوچك پراكنده بر روي يك صفحه تشكيل شده‌اند. اين نوع آنتن پرتوهاي چندگانه‌اي ايجاد مي‌كند كه قابليت سمت‌گيري الكترونيكي يك پرتو را به‌خوبي فراهم مي‌آورد. مزيت اين نوع آنتن هنگامي است كه پرتو تشعشع حركت ثابتي داشته باشد. همچنين اين نوع آنتن به دليل اينكه از چندين جزء موازي تشكيل شده است، قابليت اطمينان بسيار بالايي دارد (با از كار افتادن چند المان، كل آنتن كارايي خود را از دست نمي‌دهد.) بازده بالايي دارد اما تلفات در سيستم تغذيه آن نسبتا بالاست [2]. فناوري نسبتا دشوار، وزن بالا و هزينه بالاي آن، ‌استفاده از آن را محدود مي‌كند [2][3].

آنتن‌هاي لنزي (تصوير 4)

نوعي از آنتن كه امواج را به شيوه يك عدسي اپتيكي بر روي حساسه‌هاي مختلف متمركز مي‌كند [1]. عمده مزيت اين نوع آنتن بازده بالاي آن است. البته نامتناسب بودن سطح لنز در اين نوع آنتن باعث بروز تلفات زيادي مي‌شود. اين نوع آنتن بيشتر براي فركانس‌هاي خيلي بالا كاربرد دارد زيرا براي فركانس‌هاي پايين به وزن آن اضافه خواهد شد. چنين آنتني براي فركانس حدود 15 گيگاهرتز در حدود 50 سانتي‌متر قطر دارد [2].

آنتن‌هاي انعكاسي (تصوير 4)

اين نوع آنتن‌ها از يك صفحه بشقابي سَهمَويِ متمركزكننده امواج و همچنين يك «تغذيه» تشكيل شده‌اند. در آنتن‌هاي گيرنده، صفحه بشقابي مورد اشاره امواج را جمع‌آوري و متمركز مي‌كند و تغذيه، كه در نقطه‌اي در روبروي صفحه نصب شده است، اين امواج را دريافت مي‌كند. در مورد آنتن‌هاي فرستنده اين فرايند برعكس است و تغذيه امواج را جهت پخش در فضا به روي بشقاب مي‌فرستد. در انواعي از اين آنتن‌ها از يك صفحه منعكس‌كننده هذلولَويِ محدب (نوع كاساگرين) يا بيضوي مقعرِ (نوع گرگورين) ثانويه نيز، بصورت تركيبي با بشقاب سهموي استفاده مي‌شود. البته ممكن است در مجموع از تركيب چند منعكس‌كننده نيز استفاده شود [1]. اين نوع پركاربردترين آنتن در مخابرات فضايي (چه در فضا و چه بر روي زمين) است. سادگي طراحي، انعطاف‌پذيري در طراحي (چيدماني متفاوت تغذيه و صفحات بشقابي و ثانويه)، وزن نسبتا كم و هزينه كمتر از مزيت‌‌هاي اين نوع در مقايسه با ساير انواع آنتن مي‌باشد [4].

آنتن‌هاي انعكاسي متقارن (تصوير 4)

آنتن‌هاي انعكاسي هستند كه به لحاظ هندسي متقارن مي‌باشند. يعني مركز سهمي بشقابي، تغذيه و مركز انعكاس‌دهنده ثانويه همگي بر روي يك خط راست قرار دارند. ضعف عمده اين نوع آنتن‌ها در آن است كه نگه‌دارنده‌هاي تغذيه و خود تغذيه روي دهانه تشعشعي اثر ماسك‌گذاري دارند. اين اثر باعث مي‌شود تا سطح گلبرگ‌هاي جانبي الگوي تشعشعي آنتن بيشتر شود كه اين خود به كاهش بازده آنتن مي‌انجامد. علاوه بر اين، در نوع ساده اين آنتن (غير كاساگرين يا گرگورين كه فقط از يك بشقاب و يك تغذيه تشكيل شده است)، تغذيه به سمت زمين قرار مي‌گيرد و آن بخش از الگوي تشعشعي تغذيه كه به بشقاب سهموي منعكس‌كننده برخورد نمي‌كند به آساني تشعشعي را كه از زمين منعكس مي‌شود جذب مي‌كند كه اين باعث افزايش بسيار زياد دماي نويز آنتن مي‌شود. براي غلبه بر چنين مشكلي بايد در نوع تغذيه و فاصله كانوني آن تغييراتي داده شود كه اين هم باعث بزرگ شدن حجم آنتن و همچنين عدم سازگاري با مدارات مايكرو ويو پشت تغذيه مي‌شود [3].

آنتن‌هاي غيرمتقارن (تصوير 4)

در اين نوع آنتن‌ها لزوما مراكز و كانون‌هاي سه المانِ بشقاب سهومي، تغذيه و منعكس‌كننده ثانويه در يك خط مستقيم قرار ندارند. اين تنظيم (يا نصب) غيرمتقارن به افزايش بازده و كاهش حجم آنتن مي‌انجامد. زيرا با اين كار مي‌توان به نوعي اثرات ماسك‌گذاري و همچنين پهن شدن گلبرگ‌هاي جانبي الگوي تشعشعي آنتن را كنترل كرد و در نتيجه دماي نويز آنتن را پايين آورد [1]. اين قدرت مانور در نصب اجزاي مختلف آنتن، يكي از مزاياي آنتن‌هاي انعكاسي است. نصب غيرمتقارن انسداد را كاهش داده و از وسعت گلبرگ‌هاي جانبي الگوي تشعشعي آنتن نيز مي‌كاهد.

نكاتي پيرامون مشخصات و عملكرد آنتن‌هاي مخابرات فضايي

آنتن‌هاي با بهره بالا، براي پشتيباني نرخ‌هاي بالاي انتقال داده و توان‌هاي نسبتاً كم فرستنده‌ها به‌كار گرفته مي‌شوند. همه انواع آنتن‌هايي كه ذكر شدند، بهره‌هاي بالايي دارند، اما همان‌طور كه اشاره شد، مطلوب‌ترين و پرطرفدارترين آنتن‌هاي فضايي، آنتن‌هاي انعكاسي هستند. براي آنتن‌هاي با قطر بالاي نيم متر، معمولاً آنتن‌هاي انعكاسي نسبت به انواع ديگر داراي مزيت غيرقابل‌انكاري هستند. باز بودن دست طراح در طراحي غيرمتقارن آنتن‌هاي انعكاسي، طراحي سازه ماهواره را نيز تسهيل مي‌كند.

در بسياري از موارد لازم است تا جهت پرتو آنتن تغيير كند. معمولاً تغيير جهت الكترونيكي پرتوها به تغيير جهت مكانيكي آنتن ارجحيت دارد، به‌خصوص اگر نياز به تغيير جهت با سرعت بالا وجود داشته باشد. در آنتن‌هاي انعكاسي تغيير جهت مي‌تواند با سوئيچ كردن به سمت يك تغذيه خارج از محور انجام شود كه البته در اين صورت تلفات آنتن بالا مي‌رود. انواع كاساگرين و گرگورين مي‌توانند از اين طريق تا 10 درجه نيز تغيير جهت در پرتو ايجاد كنند. آنتن‌هاي لنزي براي تغيير جهت زياد پرتوها بسيار مناسب هستند، اما وزن و هزينه بالا استفاده از آنها را محدود مي‌كند.