نحوه کار آنتن

آنتن چگونه کار می کند؟
فرض کنید که در یک ایستگاه رادیویی هستید و می خواهید صدای خود را به دوردست ها بفرستید. میکروفون صدای شما را که موجی مکانیکی است، تبدیل به سیگنال های الکتریکی می کند.

مداری که در آنجا تعبیه شده است، با صرف انرژی، سیگنال های الکتریکی را به یک ساختار فلزی خاص، موسوم به آنتن می فرستند.

در واقع با ایجاد جریان الکتریکی در آنتنِ مذکور، الکترون های آن در امتداد آنتن حرکت کرده و همان طور که از قوانین پایه فیزیک الکتریسیته و مغناطیس می دانیم، بار متحرک تولید میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود برهم، یعنی امواج الکترومغناطیسی می کند.

این امواج در هوا با سرعتی نزدیک به سرعت نور منتشر می شوند.

شکل (1):
طیف الکترومغناطیسی از فرکانس های کم (طول موج زیاد) شروع و به صورت پیوسته تا فرکانس های بالا (طول موج کم) گسترش می یابد. در این شکل باند های مختلف امواج رادیویی و میکروویو نشان داده شده است.

حال اگر شخصی آنتنِ رادیو خود را باز کرده و در جهت فضایی مناسبی باشد، می تواند 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 الکترون های آنتن داده و در نتیجه الکترون های آنتنِ فلزی به نوسان در می آیند.

می توان گفت مطابق با قانون القای فارادی، جریان الکتریکی در آنتن شکل می گیرد. این جریان الکتریکی، همان سیگنال های الکتریکی ارسال شده توسط آنتن فرستنده هستند که به وسیله بلندگو رادیو، به امواج مکانیکی (صوت) تبدیل می شوند.

شکل (2):
1. با ارسال سیگنال الکتریکی به آنتن فرستنده، الکترون های متحرک، امواج الکترومغناطیسی تولید می کنند.

2. امواج الکترومغناطیسی از طریق کانال انتقال (در اینجا هوا) منتشر می شوند.

3. امواج الکترومغناطیسی با برخورد به آنتن گیرنده باعث نوسان و حرکت الکترون های آن می شوند و در نتیجه همان سیگنال ورودی به فرستنده در گیرنده ظاهر می شود.

آنتن های 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 می تواند بسیار بزرگ تر و قوی تر از آنتنِ گیرنده باشد. به طور مثال در ایستگاه های پخش تلویزیونی و رادیویی، آنتن های فرستنده دکل های 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.

شکل (3):
دو بیسیم یکسان که با جفت شدن در یک کانال خاص می توانند با یکدیگر توسط امواج رادیویی، ارتباط برقرار کنند. آنتن به کار رفته در هر دو بیسیم یکسان است.

امواج الکترومغناطیسی تنها از طریق هوا، به صورت مستقیم بین فرستنده و گیرنده تبادل نمی شوند.

بسته به نوع موج الکترومغناطیسی، در واقع فرکانس آن، مقدار مسافت بین فرستنده و گیرنده و زمان ارسال، 3 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 می توان همانند پرتو نوری یا لیزری که خطی مستقیم را طی می کند، در نظر گرفت.

در قدیم برای شبکه های تلفنی راه دور و ایستگاه های ارتباطی میکروویو، از آنتن های بسیار بلند، جهت این نوع ارتباط استفاده می کردند.

تصویر (4): آنتن های فرستنده و گیرنده ای که بالای یک برج بلند جهت ارتباطات مستقیم یا بُرد بیشتر قرار گرفته اند.

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

شکل (5):شماتیکی از انتقال امواج رادیویی به صورت مستقیم یا Line of sight

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 آن ها سوار شده است) از این طریق منتشر می شوند. دلیل اینکه ما می توانیم 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، می توان بازتاب آن ها را از لایه یونوسفر یا یون سپهر در سمت دیگر (مسیرهایی خیلی طولانی) دریافت کرد.

یونوسفر لایه ای بسیار بالاتر از تروپوسفر که ما در آن زندگی می کنیم است. این لایه حاوی چگالی بسیار بالایی از الکترون ها بوده که می تواند برای امواج رادیویی نظیر یک بازتاب دهنده عمل کند.

شکل (6): لایه های جوی در اطراف کره زمین، به دلیل چگالی بالای الکترون ها در لایه یونوسفر، می توان از این لایه جهت بازتاب امواج رادیویی استفاده کرد.

استفاده از این روش برای ارسال امواج الکترومغناطیسی در طیف رادیویی، در شب بهتر عمل می کند، چرا که در روز بخش زیادی از امواج توسط لایه های زیرین یونوسفر جذب می شود.

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 تأثیرات بسزایی دارند.

شکل (7): شماتیکی از جریان های الکتریکی در طول روز (تابش آفتاب) در لایه یونوسفر