آنتن و فرستنده – به زبان ساده

در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده و به دور از روابط ریاضی و فیزیکی پیچیده، در مورد آنتن و فرستنده صحبت کنیم. به صورت خیلی ساده آنتن یک میله یا ظرفی فلزی است که امواج الکترومغناطیسی (غالباً رادیویی و مایکروویو) را جذب کرده و آن‌ها را تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی (همانند آنتنِ رادیو و تلویزیون) می‌کند. چنین آنتنی در واقع گیرنده نام دارد. در جهت عکس، آنتنی که سیگنال‌های الکتریکی را به امواج الکترومغناطیسی تبدیل کرده و در محیط منتشر می‌کند، فرستنده نام دارد. آنتن‌های فرستنده و گیرنده، اصلی‌ترین جزء ارتباطات مدرن امروزی هستند. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا کمی بیشتر به بررسی آنتنِ فرستنده و گیرنده بپردازیم. اگر به مبحث طراحی آنتن علاقه دارید، مشاهده فیلم‌های مجموعه آموزش طراحی آنتن – مقدماتی تا پیشرفته در فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

آنتن چگونه کار می‌کند؟

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.

همان‌طور که در مقاله «طیف الکترومغناطیسی -- به زبان ساده» دیدیم، امواج رادیویی و مایکروویو به واسطه طول موج خیلی بلندی که دارند، می‌توانند در مسیرهایی طولانی منتشر شوند.

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.

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:

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، 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 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.

با توجه به اهمیت آنتن‌ها در مباحث مخابراتی، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش آنتن ۱ و فیلم آموزش آنتن ۲ (آنتن پیشرفته) در قالب دو مجموعه مجزای ۲۷ ساعته کرده که در ادامه متن به آن اشاره شده است.

• برای دیدن فیلم آموزش آنتن ۱ + اینجا کلیک کنید.
• برای دیدن فیلم آموزش آنتن ۲ (آنتن پیشرفته) + اینجا کلیک کنید.

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.

فیلم آموزش آنتن ۲ – آنتن پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

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.

سوالی که در اینجا در ذهن اغلب افراد نقش می‌بندد این است که چرا رادیو به دو آنتن نیاز دارد؟ آیا نمی‌شود تمامی امواج را با یک آنتن دریافت کرد؟!

سیگنال‌های موجود در باندهای مختلف طیف رادیویی می‌توانند فرکانس و طول موج متفاوتی داشته باشند. به طور مثال سیگنال‌های AM معمولی دارای فرکانس $$1MHz$$ هستند. این در حالی است که فرکانس سیگنال‌های معمولاً FM در حدود $$100MHz$$ است. بنابراین  نوسان سیگنال‌های FM حدود 100 برابر سیگنال‌های AM است. می‌دانیم که تمامی امواج الکترومغناطیسی در هوا با تقریب خوبی، با سرعت نور ($$c=3\times10^{8}\frac{m}{s}$$) منتشر می‌شوند. پس طبق رابطه $$\lambda=\frac{c}{f}$$، طول موج امواج AM در حدود 100 برابر، از طول موج امواج FM بلند‌تر است.

با این اوصاف، شما به دو آنتن نیاز دارید، چرا که یک آنتن توانایی پوشش رنج وسیعی از فرکانس‌ها را ندارد. در واقع طول موج یا فرکانس امواج ارسالی، اندازه و نوع (ساختار - جنس) آنتن را تعیین می‌کند. به طور کلی اندازه یک آنتن باید تقریباً نیمی از طول موج آنتن باشد که می‌خواهید آن را دریافت کنید. همچنین می‌توان آنتن‌هایی را توسعه داد که به اندازه یک چهارم طول موج ($$\frac{\lambda}{4}$$) یا حتی فشرده‌تر، در حدود ($$\frac{\lambda}{10}$$) باشند که کاربردهای خاص خود را دارند.

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.

آنتن گیرنده یک رادیو

همان‌طور که در بخش قبلی اشاره کردیم، فرکانس امواج رادیویی معمولی FM حدود $$100MHz$$ است. طبق رابطه ($$\lambda=\frac{c}{f}$$)، این امواج طول موجی در حدود ۳ متر دارند. پس طول یک آنتن جهت دریافت مناسب امواج FM، چیزی حدود 1.5 متر است که برای یک آنتن میله‌ای تلسکوپی معقول به نظر می‌رسد.

اما برای دریافت امواج رادیویی AM با فرکانس حدود $$1MHz$$، که طول موجی در اندازه 300 متر دارند، به یک آنتن به طول 150 متر نیاز است! اما چگونه رادیویی به طول 30 سانتی‌متر می‌تواند سیگنال‌های AM را دریافت کند؟

در یک رادیو ترانزیستوری، آنتن‌ گیرنده AM به روش متفاوتی نسبت به آنتن گیرنده FM کار می‌کند. می‌توان گفت، آنتن گیرنده FM از مولفه الکتریکی موج الکترومغناطیسی و آنتن گیرنده AM از مولفه مغناطیسی موج الکترومغناطیسی تاثیر می‌گیرند.

همان‌طور که در شکل فوق مشخص است، می‌توان جهت دریافت سیگنال‌های AM، سیم خیلی بلندی را به صورت سیم‌پیچ به دور یک هسته آهنی فریت، درآورد و طول آن را کاهش داد. از قوانین فیزیک پایه می‌دانیم که مطابق با قانون «القا فارادی» (Faraday's law)، میدان مغناطیسی می‌تواند باعث القای جریان الکتریکی شود. البته الزامی به استفاده از هسته آهنی نیست؛ در واقع از هسته آهنی بدین منظور استفاده می‌شود که از تعداد دور حلقه (سیم) کمتری استفاده کنیم.

البته از این روش برای دریافت امواج AM به صورت آنتن خارجی نیز می‌توانیم استفاده کنیم. شاید به چشم آنتن‌هایی خارجی متصل به رادیو را به صورت حلقه‌های (سیم‌پیچ) به قطر 10 تا 20 سانتی‌متر دیده باشید (تصویر 13).

با توجه به مطالب فوق، آیا می‌توانید طول حدودی آنتن یک موبایل که در شبکه معمولی $$2G$$ با فرکانس $$800MHz$$ کار می‌کند، را بگویید؟! طول موج امواج رادیویی با فرکانش مذکور در حدود 37.5 سانتی متر می‌شود، که نصف ($$\frac{\lambda}{2}$$) آن حدود 18 و یک چهارم آن ($$\frac{\lambda}{4}$$) حدود 9 سانتی‌متر است. پس برای یک موبایل هوشمند امروزی به طول تقریبی 1۵ تا ۲۰ سانتی‌متر مناسب است. به عنوان مثالی دیگر آنتن یک موبایل هوشمند جهت اتصال به شبکه‌های 4G/LTE می‌توانند اندازه بسیار کوچک‌تری نیز داشته باشند چرا که اکثر شبکه‌های مخابراتی $$4G$$ برای خدمات معمولی، فرکانسی حدود $$1.8GHz$$ دارند.

انواع آنتن

همان‌طور که اشاره شد، ساده‌ترین نوع آنتن‌ها، آنتن‌های میله‌ای شکل هستند.

فیلم آموزش سیستم های مخابرات نوری در فرادرس

کلیک کنید

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 (تصویر 14).

فایل زیر نمایشی از یک آنتن گیرنده دوقطبی است:

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. به شکل زیر دقت کنید:

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. جهت آشنایی به اصول کارکرد رادار، به مقاله «رادار (Radar) -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

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 16) دوقطبی‌هایی که در پشت قرار گرفته‌اند، حکم بازتابنده امواج را دارند که سیگنال بیشتری به گیرنده دوقطبی جلو برسد.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، آنتن‌هایی که فرکانس کاری بالایی دارند، اندازه کوچکی داشته و می‌توان آن‌ها را به شرط رعایت نکاتی خاص، روی برد الکترونیکی اصلی طراحی کرد. به طور مثال، امواج Wifi که در فرکانس $$2.4GHz$$ کار می‌کنند، طول موجی در حدود 12.5 سانتی‌متر داشته که نصف آن ۶ سانتی‌متر می‌شود. پس به راحتی قابلیت طراحی روی برد را دارند (تصویر 18).

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. جهت مطالعه بیشتر در خصوص آنتن‌های RFid به مقاله «سامانه RFID — سیستم شناسایی امواج رادیویی» مراجعه کنید.

پارامتر‌های اساسی آنتن

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 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 سیم‌پیچ 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 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، 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، 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.

فیلم آموزش آنتن ۱ و ۲ (پیشرفته)

در صورتی که علاقمند به آشنایی جزئی‌تر و یادگیری عمیق‌ و تخصصی در خصوص بحث آنتن‌ها هستید، به دو دوره آموزشی زیر مراجعه کنید:

•  آنتن ۱ [لینک آموزش]
• آموزش آنتن ۲ (پیشرفته) [لینک آموزش]

فیلم آموزش آنتن ۱

رئوس مطالب تدوین شده دوره آموزشی آنتن ۱ در ۵ فصل و به مدت ۱۳ ساعت به شرح ذیل است:

• در فصل اول از این آموزش با مقدمه‌ای بر مخابرات و آنتن، تعریف آنتن، پیشرفت‌های ساختاری آنتن، نحوه تشعشع امواج الکترومغناطیسی و توزیع جریان در آنتن آشنا می‌شویم.
• در فصل دوم، تمامی پارامترهای اساسی آنتن معرفی و به تفصیل شرح داده می‌شوند.
• فصل سوم به بررسی انتگرال‌های تشعشعی و توابع پتانسیل می‌پردازد.
• در دو فصل چهارم و پنجم نیز به ترتیب با آنتن‌های سیمی خطی و حلقوی آشنا می‌شویم.

ساختار دوره فوق متناسب با واحد دانشگاهی آنتن ۱ مقطع کارشناسی بوده و به تمامی مهندسان و دانشجویان برق مخابرات، الکترونیک و رشته‌های مرتبط توصیه می‌شود.

• برای دیدن فیلم آموزش آنتن ۱ + اینجا کلیک کنید.

فیلم آموزش آنتن ۲ (پیشرفته)

در دوره آموزشی آنتن ۱ با مقدمات لازم جهت درک عملکرد آنتن‌ها آشنا می‌شویم. درس آنتن ۲ (پیشرفته) در ادامه آنتن ۱ به تکمیل مباحث مربوطه پرداخته و توانایی‌های لازم را جهت طراحی، تحلیل و توسعه انواع مختلف ساختارهای آنتنی برای مهندسان و دانشجویان سال آخر کارشناسی یا کارشناسی ارشد، فراهم می‌کند.

رئوس مطالب دوره مذکور در 10 فصل و به مدت زمان 15 ساعت به شرح ذیل است:

• درس اول مروری بر پارامتر‌های اساسی آنتنِ مطرح شده در مباحث آنتن ۱ دارد.
• درس دوم به بررسی آنتن‌های آرایه‌ای که امروزه بسیار مورد توجه هستند، می‌پردازد.
• درس‌های سوم و چهارم به ترتیب به معادلات انتگرالی و محاسبات امپدانس خودی و متقابل آنتن‌ها می‌پردازند.
• درس‌های پنجم تا نهم به تفصیل به ساختارهای آنتنی پهن‌باند، روزنه‌ای، شیپوری، میکرواستریپ و بازتابنده می‌پردازد.
• درس دهم نیز به مباحثی در خصوص سنتز آنتن اختصاص دارد.

• برای دیدن فیلم آموزش آنتن ۲ (آنتن پیشرفته) + اینجا کلیک کنید.

اگر مطالب ارائه شده در این مقاله برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• موجبر (ٌWaveguide) چیست؟ -- به زبان ساده
• مخابرات فیبر نوری -- راهنمای جامع
• شبکه ۵G — به زبان ساده
• FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد

^^