آنتن‌هاي مخابرات فضايي

[SAYEH79]

آنتن‌هاي مخابرات فضايي

خلاصه مقاله: آنتن وسيله‌اي براي انتقال امواج راديويي به محيط و همچنين دريافت آنها از محيط اطراف است. به جز چند ماهواره غيرفعال كه در دهه‌هاي اول عصر فضا فقط براي بازتابش امواج راديويي به فضا فرستاده شدند، تمام ماهواره‌ها و فضاپيماهايي كه بشر تاكنون به فضا فرستاده است، داراي آنتن بوده‌اند. آنتن بخشي از زيرسامانه مخابراتي ماهواره به‌حساب مي‌آيد. امروزه آنتن‌هاي زميني دريافت اطلاعات از ماهواره در اندازه‌ها و شكل‌هاي گوناگون موجود هستند.

 

[SAYEH79]

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




آنتن‌هاي فضايي را مي‌توان به جهات گوناگون دسته‌بندي كرد. يكي از عمومي‌ترين دسته‌بندي‌ها در اين حوزه، تقسيم آنتن‌ها به دو دسته فضايي (آنتن‌هاي مستقر در فضا) و زميني (آنتن‌هاي مستقر در ايستگاه‌هاي زميني) است. بايد توجه داشت آنتن يك گيرنده جيبي جي‌پي‌اس هم مي‌تواند يك آنتن زميني باشد. آنتن‌هاي بشقابي تلويزيون‌هاي ماهواره‌اي هم نوعي آنتن زميني هستند. آنتن‌هاي بشقابي عظيم چندين متري نيز كه با فضا در ارتباطند، از همين رده به حساب مي‌آيند. هر دو دسته آنتن‌هاي زميني و فضايي از اصول و مباني يكساني برخوردار هستند. تنها تفاوت اساسي آنها در نوع سازه و شرايط محيطي متفاوت‌شان است. آنتن‌هايي كه در محيط فضا به‌كار گرفته مي‌شوند، بايد به لحاظ سازه‌اي تحمل شرايط فضا (اختلاف دما، برخورد انواع ذرات، بارهاي ديناميكي و ...) را داشته باشند. همچنين آنتن‌هاي فضايي حتماً بايد به صورت تاشو و حتي‌الامكان با كمترين وزن و حجم ممكن طراحي شوند تا مشكلات مربوط به پرتاب و هزينه، در آنها به حداقل برسد. عوامل مربوط به طراحي آنتن معمولاً بيشترين تاثير را بر روي جرم ماهواره و در نتيجه، هزينه پرتاب دارند

 

[SAYEH79]

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


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


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


دماي نويز آنتن: اين مفهوم بيانگر نويزي (اغتشاشاتي) است كه آنتن دريافت مي‌كند و باعث ايجاد اخلال در كار آن مي‌شود. در آنتن‌هاي نصب شده بر روي ماهواره‌ها منبع اصلي اين نويز، تشعشعات زميني و محيط فضا هستند. در آنتن‌هاي ايستگاه‌هاي زميني، منبع اصلي دماي نويز، محيط جو و نويز تشعشعي زمين است. مقارنه ايستگاه زميني، خورشيد و ماهواره مي‌تواند يكي از عوامل مهم نويز در آنتن‌هاي گيرنده زميني باشد. مقارنه بدين معناست كه خورشيد، ماهواره و آنتن گيرنده زميني تقريباً در يك راستا قرار مي‌گيرند





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.

 

[SAYEH79]

انواع آنتن


همان‌گونه كه ذكر شد، آنتن‌ها را مي‌توان از منظرهاي گوناگوني دسته‌بندي كرد. اما معمول‌ترين دسته‌بندي براي آنتن‌هاي به كار گرفته شده در ارتباطات فضايي (چه در فضا و چه بر روي زمين) به قرار زير است

 

[SAYEH79]

آنتن‌هاي سيمي

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

 

[SAYEH79]

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

 

[SAYEH79]

آنتن‌هاي آرايه فازي
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

 

[SAYEH79]

آنتن‌هاي لنزي

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

 

[SAYEH79]

آنتن‌هاي انعكاسي

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

 

[SAYEH79]

آنتن‌هاي انعكاسي متقارن

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