آنتن
آنتن وسیله‌ای برای انتقال امواج رادیویی به محیط و همچنین دریافت آنها از محیط اطراف است. به جز چند ماهواره غیرفعال که در دهه‌های اول عصر فضا فقط برای بازتابش امواج رادیویی به فضا فرستاده شدند، تمام ماهواره‌ها و فضاپیماهایی که بشر تاکنون به فضا فرستاده است، دارای آنتن بوده‌اند. آنتن بخشی از زیرسامانه مخابراتی ماهواره به‌حساب می‌آید. امروزه آنتن‌های زمینی دریافت اطلاعات از ماهواره در اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون موجود هستند.
آنتن، بخشی از هر سامانه فرستنده یا گیرنده الکترونیکی است. آنتن عبارت است از بخشی از یک سامانه رادیویی که یک سیگنال رادیویی را قادر به ارسال به محیط اطراف یا دریافت از محیط می‌کند. به‌عبارت دیگر، آنتن را می‌توان رابط بین سامانه الکترونیکی و فضای بیرون دانست. یک آنتن فرستنده، جریان‌های الکتریکی را به سطوح لایه‌ای رسانا القا می‌کند که در نتیجه امواج الکترومغناطیسی تولید شده و در فضا پخش می‌شوند. همین امواج الکترومغناطیسی بر روی سطوح مشخصی از آنتن‌های گیرنده، جریان‌های الکتریکی را القا می‌کنند.
آنتن جزء لاینفک سامانه کلیه ماهواره‌های فعال، کاوشگرها، فضاپیماها و ایستگاه‌های زمینی ارسال و دریافت داده و کنترل فضایی است.
آنتن‌های فضایی را می‌توان به جهات گوناگون دسته‌بندی کرد. یکی از عمومی‌ترین دسته‌بندی‌ها در این حوزه، تقسیم آنتن‌ها به دو دسته فضایی (آنتن‌های مستقر در فضا) و زمینی (آنتن‌های مستقر در ایستگاه‌های زمینی) است. باید توجه داشت آنتن یک گیرنده جیبی جی‌پی‌اس هم می‌تواند یک آنتن زمینی باشد. آنتن‌های بشقابی تلویزیون‌های ماهواره‌ای هم نوعی آنتن زمینی هستند. آنتن‌های بشقابی عظیم چندین متری نیز که با فضا در ارتباطند، از همین رده به حساب می‌آیند. هر دو دسته آنتن‌های زمینی و فضایی از اصول و مبانی یکسانی برخوردار هستند. تنها تفاوت اساسی آنها در نوع سازه و شرایط محیطی متفاوت‌شان است. آنتن‌هایی که در محیط فضا به‌کار گرفته می‌شوند، باید به لحاظ سازه‌ای تحمل شرایط فضا (اختلاف دما، برخورد انواع ذرات، بارهای دینامیکی و …) را داشته باشند. همچنین آنتن‌های فضایی حتماً باید به صورت تاشو و حتی‌الامکان با کمترین وزن و حجم ممکن طراحی شوند تا مشکلات مربوط به پرتاب و هزینه، در آنها به حداقل برسد. عوامل مربوط به طراحی آنتن معمولاً بیشترین تاثیر را بر روی جرم ماهواره و در نتیجه، هزینه پرتاب دارند.
پارامترها و مفاهیم مهم در آنتن‌های مخابرات فضایی
آنتن نیز مانند هر سامانه مهندسی دیگر، دارای عوامل و مشخصه‌های عملکردی و قابلیتی مختلف است. مهم‌ترین این عوامل و همچنین برخی مفاهیم مرتبط با آنتن عبارتند از:
بهره آنتن: عبارت است از نسبت توان سیگنال خروجی از آنتن به توان ورودی آن. این کمیت با واحد دسی بل اندازه‌گیری می‌شود.
الگوی تشعشعی آنتن: عبارت است از اندازه‌ای از حساسیت آنتن در جهات مختلف. توان سمت‌گیری: عبارت است از قدرت آنتن در نشانه‌روی به سمت ماهواره (یا به سمت آنتن زمینی). این سمت‌گیری ممکن است به‌صورت مکانیکی یا الکترونیکی (تغییر جهت پخش موج با استفاده از خواص الکترونیکی موج و بدون تغییر جهت مکانیکی) آنتن باشد.
دمای نویز آنتن: این مفهوم بیانگر نویزی (اغتشاشاتی) است که آنتن دریافت می‌کند و باعث ایجاد اخلال در کار آن می‌شود. در آنتن‌های نصب شده بر روی ماهواره‌ها منبع اصلی این نویز، تشعشعات زمینی و محیط فضا هستند. در آنتن‌های ایستگاه‌های زمینی، منبع اصلی دمای نویز، محیط جو و نویز تشعشعی زمین است. مقارنه ایستگاه زمینی، خورشید و ماهواره می‌تواند یکی از عوامل مهم نویز در آنتن‌های گیرنده زمینی باشد. مقارنه بدین معناست که خورشید، ماهواره و آنتن گیرنده زمینی تقریباً در یک راستا قرار می‌گیرند.
| انواع آنتن
همان‌گونه که ذکر شد، آنتن‌ها را می‌توان از منظرهای گوناگونی دسته‌بندی کرد. اما معمول‌ترین دسته‌بندی برای آنتن‌های به کار گرفته شده در ارتباطات فضایی (چه در فضا و چه بر روی زمین) به قرار زیر است :
|
||
| آنتن‌های سیمی
این آنتن‌ها از ساختاری سیمی شکل تشکیل شده‌اند. فرم‌های مارپیچی، مخروطی یا «دی‌پُل» ساده آنها معمولا در باندهای فرکانسی «یواچ‌اِف» و «وی‌اِچ‌اِف» کار می‌کنند. فرم‌های دیگر معمولا در باند فرکانسی «مایکرو ویو» (بالای ۱ گیگاهرتز) عمل می‌کنند. |
| آنتن‌های شیپوری
آنتن‌هایی هستند که به شکل مخروط بوده و معمولا بر روی ماهواره نصب می‌شوند. این آنتن‌ها برای ایجاد پوشش وسیع بر روی زمین به کار گرفته می‌شوند. این نوع آنتن اگرچه کارایی بالایی دارد، اما سنگین وزن و پرهزینه است. از این آنتن بیشتر در اوایل عصر فضا برای ارتباطات فضایی استفاده می‌شد و امروزه کاربرد چندانی ندارد . |
| آنتن‌های آرایه فازی
آنتن‌هایی هستند که از المان‌های آنتن‌های کوچک پراکنده بر روی یک صفحه تشکیل شده‌اند. این نوع آنتن پرتوهای چندگانه‌ای ایجاد می‌کند که قابلیت سمت‌گیری الکترونیکی یک پرتو را به‌خوبی فراهم می‌آورد. مزیت این نوع آنتن هنگامی است که پرتو تشعشع حرکت ثابتی داشته باشد. همچنین این نوع آنتن به دلیل اینکه از چندین جزء موازی تشکیل شده است، قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارد (با از کار افتادن چند المان، کل آنتن کارایی خود را از دست نمی‌دهد.) بازده بالایی دارد اما تلفات در سیستم تغذیه آن نسبتا بالاست. فناوری نسبتا دشوار، وزن بالا و هزینه بالای آن، استفاده از آن را محدود می‌کند. |
| آنتن‌های لنزی
نوعی از آنتن که امواج را به شیوه یک عدسی اپتیکی بر روی حساسه‌های مختلف متمرکز می‌کند . عمده مزیت این نوع آنتن بازده بالای آن است. البته نامتناسب بودن سطح لنز در این نوع آنتن باعث بروز تلفات زیادی می‌شود. این نوع آنتن بیشتر برای فرکانس‌های خیلی بالا کاربرد دارد زیرا برای فرکانس‌های پایین به وزن آن اضافه خواهد شد. چنین آنتنی برای فرکانس حدود ۱۵ گیگاهرتز در حدود ۵۰ سانتی‌متر قطر دارد . |
| آنتن‌های انعکاسی
این نوع آنتن‌ها از یک صفحه بشقابی سَهمَویِ متمرکزکننده امواج و همچنین یک «تغذیه» تشکیل شده‌اند. در آنتن‌های گیرنده، صفحه بشقابی مورد اشاره امواج را جمع‌آوری و متمرکز می‌کند و تغذیه، که در نقطه‌ای در روبروی صفحه نصب شده است، این امواج را دریافت می‌کند. در مورد آنتن‌های فرستنده این فرایند برعکس است و تغذیه امواج را جهت پخش در فضا به روی بشقاب می‌فرستد. در انواعی از این آنتن‌ها از یک صفحه منعکس‌کننده هذلولَویِ محدب (نوع کاساگرین) یا بیضوی مقعرِ (نوع گرگورین) ثانویه نیز، بصورت ترکیبی با بشقاب سهموی استفاده می‌شود. البته ممکن است در مجموع از ترکیب چند منعکس‌کننده نیز استفاده شود. این نوع پرکاربردترین آنتن در مخابرات فضایی (چه در فضا و چه بر روی زمین) است. سادگی طراحی، انعطاف‌پذیری در طراحی (چیدمانی متفاوت تغذیه و صفحات بشقابی و ثانویه)، وزن نسبتا کم و هزینه کمتر از مزیت‌‌های این نوع در مقایسه با سایر انواع آنتن می‌باشد . |
| آنتن‌های انعکاسی متقارن
آنتن‌های انعکاسی هستند که به لحاظ هندسی متقارن می‌باشند. یعنی مرکز سهمی بشقابی، تغذیه و مرکز انعکاس‌دهنده ثانویه همگی بر روی یک خط راست قرار دارند. ضعف عمده این نوع آنتن‌ها در آن است که نگه‌دارنده‌های تغذیه و خود تغذیه روی دهانه تشعشعی اثر ماسک‌گذاری دارند. این اثر باعث می‌شود تا سطح گلبرگ‌های جانبی الگوی تشعشعی آنتن بیشتر شود که این خود به کاهش بازده آنتن می‌انجامد. علاوه بر این، در نوع ساده این آنتن (غیر کاساگرین یا گرگورین که فقط از یک بشقاب و یک تغذیه تشکیل شده است)، تغذیه به سمت زمین قرار می‌گیرد و آن بخش از الگوی تشعشعی تغذیه که به بشقاب سهموی منعکس‌کننده برخورد نمی‌کند به آسانی تشعشعی را که از زمین منعکس می‌شود جذب می‌کند که این باعث افزایش بسیار زیاد دمای نویز آنتن می‌شود. برای غلبه بر چنین مشکلی باید در نوع تغذیه و فاصله کانونی آن تغییراتی داده شود که این هم باعث بزرگ شدن حجم آنتن و همچنین عدم سازگاری با مدارات مایکرو ویو پشت تغذیه می‌شود . |
| آنتن‌های غیرمتقارن
در این نوع آنتن‌ها لزوما مراکز و کانون‌های سه المانِ بشقاب سهومی، تغذیه و منعکس‌کننده ثانویه در یک خط مستقیم قرار ندارند. این تنظیم (یا نصب) غیرمتقارن به افزایش بازده و کاهش حجم آنتن می‌انجامد. زیرا با این کار می‌توان به نوعی اثرات ماسک‌گذاری و همچنین پهن شدن گلبرگ‌های جانبی الگوی تشعشعی آنتن را کنترل کرد و در نتیجه دمای نویز آنتن را پایین آورد. این قدرت مانور در نصب اجزای مختلف آنتن، یکی از مزایای آنتن‌های انعکاسی است. نصب غیرمتقارن انسداد را کاهش داده و از وسعت گلبرگ‌های جانبی الگوی تشعشعی آنتن نیز می‌کاهد. |
| نکاتی پیرامون مشخصات و عملکرد آنتن‌های مخابرات فضایی
آنتن‌های با بهره بالا، برای پشتیبانی نرخ‌های بالای انتقال داده و توان‌های نسبتاً کم فرستنده‌ها به‌کار گرفته می‌شوند. همه انواع آنتن‌هایی که ذکر شدند، بهره‌های بالایی دارند، اما همان‌طور که اشاره شد، مطلوب‌ترین و پرطرفدارترین آنتن‌های فضایی، آنتن‌های انعکاسی هستند. برای آنتن‌های با قطر بالای نیم متر، معمولاً آنتن‌های انعکاسی نسبت به انواع دیگر دارای مزیت غیرقابل‌انکاری هستند. باز بودن دست طراح در طراحی غیرمتقارن آنتن‌های انعکاسی، طراحی سازه ماهواره را نیز تسهیل می‌کند. در بسیاری از موارد لازم است تا جهت پرتو آنتن تغییر کند. معمولاً تغییر جهت الکترونیکی پرتوها به تغییر جهت مکانیکی آنتن ارجحیت دارد، به‌خصوص اگر نیاز به تغییر جهت با سرعت بالا وجود داشته باشد. در آنتن‌های انعکاسی تغییر جهت می‌تواند با سوئیچ کردن به سمت یک تغذیه خارج از محور انجام شود که البته در این صورت تلفات آنتن بالا می‌رود. انواع کاساگرین و گرگورین می‌توانند از این طریق تا ۱۰ درجه نیز تغییر جهت در پرتو ایجاد کنند. آنتن‌های لنزی برای تغییر جهت زیاد پرتوها بسیار مناسب هستند، اما وزن و هزینه بالا استفاده از آنها را محدود می‌کند. طراحان در طراحی یک ماهواره همواره با سه محدودیت روبرو هستند: جرم (وزن)، حجم، توان. هر سه این عوامل در طراحی یا انتخاب آنتن‌های فضایی خودنمایی می‌کنند. فرستنده ماهواره همیشه با مشکل توان روبرو است. بنابراین برای اینکه پرتو با توان بیشتر و نرخ انتقال داده بیشتری ارسال شود، باید عرض کمتری داشته باشد. وقتی پرتو عرض کمتری دارد، پوشش آن بر روی زمین کمتر بوده و همچنین ردیابی آن بر روی زمین دقیق‌تر و پیچیده‌تر است. تکنیک‌هایی برای فائق آمدن بر این مساله وجود دارد که یکی از آنها تکنیک پرش پرتو است. بدین ترتیب که فرستنده، یک یا چند پرتو مشخص (اما محدود) را تولید می‌کند و سپس به‌وسیله سوئیچ کردن این پرتوها در جهات مختلف (که هر جهت مقدار بسیار اندکی با جهت دیگر اختلاف دارد) یک محدوده جغرافیایی مشخص اسکن می‌شود. به عنوان مثال، ماهواره‌های ایریدیوم و گلوبال‌‌استار برای پوشش کل بخش قابل رویت زمین از همین تکنیک (با چند پرتو) استفاده می‌کنند. البته نوع پرش پرتو در آنها متفاوت است. |
