مفاهیم اولیه راجع به آنتن

 کاپی گرفته شده از مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: خدیجه آلچالانلو

هدف:

در این مطلب می خواهیم بدانیم امواج الکترومغناطیسی چگونه از طریق آنتن دریافت می شوند و بحث فیزیکی مقدماتی راجع به آنتن را خواهیم داشت.

آنتن ها به دو دسته سیمی (تخت) و ماهواره ای (بشقابی) تقسیم می شوند:

شرح درس:

تصور کنید دست هایتان را به بیرون باز کرده اید و کلمات، تصاویر و اطلاعات معلق در هوا را با دست هایتان می گیرید. این دقیقا مانند کاری است که آنتن انجام می دهد. آنتن، یک میله یا بشقاب فلزی است که امواج رادیویی را دریافت کرده و آن ها را به علائم و سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند تا  وسایلی مانند تلویزیون، رادیو و تلفن با این سیگنال ها به کار بیفتند. چنین آنتن هایی را گیرنده یا رسیور می گویند.

عبور دهنده یا فرستنده، کاری برعکس گیرنده انجام می دهد؛ این فرستنده ها سیگنال های الکتریکی را به امواج رادیویی تبدیل می کنند و این امواج هزاران کیلومتر دور زمین یا حتی فضا می توانند منتشر شوند.

در هر اتم ذراتی با بارهای مثبت و منفی به نام پروتون و الکترون وجود دارد. برخی مواد مانند فلزات، که از لحاظ الکتریکی، رسانا هستند، الکترون هایی دارند که وابستگی کمی نسبت به هسته اتم دارند؛ برای همین زمانی که ولتاژی به فلز وارد می شود، الکترون ها به حرکت درآمده و جریانی الکتریکی به راه می افتد.

تصور کنید ذره ایی با بار منفی در نقطه ای از فضا قرار دارد. خطوط میدان الکتریکی اطراف این ذره منفی به صورت زیر است:

خطوط میدان الکتریکی برای بار مثبت نیز به صورت زیر است:

خطوط جهت داری که در اطراف بارها می بینید، در واقع، جهت نیروی وارد بر یک واحد از بار مثبت را نشان می دهند.

چگونه امواج الکترومغناطیسی توسط بارهای متحرک تولید می شوند؟

فرض کنید خطوط میدان الکتریکی، فنرهایی بسیار طولانی اند که به یک قاب دایره ای وصل هستند و یک بار در وسط این قاب دایره ای وجود دارد. اگر این بار، شروع به جهیدن به بالا و پایین کند، امواج به خارج از فنرها منتشر می شوند. (این فقط ساده سازی از مسئله تولید امواج توسط بارهای متحرک است)

میدان مغناطیسی (با رنگ آبی در شکل نشان داده شده است) تولید شده توسط یک بار مثبت که به طور مستقیم به سمت خارج از صفحه این مطلب حرکت می کند(یعنی جهت حرکت این بار مثبت، مستقیم به سمت شماست).

بار متحرک یعنی تولید و ایجاد یک جریان؛ همانگونه که از آزمایش اورستد به یاد دارید، عبور جریان از یک مدار باعث تولید میدان مغناطیسی دایره ای در اطراف مسیر بارهای متحرک خواهد شد. جهت میدان مغناطیسی با استفاده از قاعده دست راست، تعیین می شود.

دقت کنید که مانند شکل بالا، خطوط میدان مغناطیسی، عمود بر خطوط میدان الکتریکی هستند؛ این یکی از خاصیت های مهم امواج الکترومغناطیسی است.

وقتی راجع به جریان صحبت می کنیم، فرض می کنیم بارهای مثبت مانند حفره هستند و خلاف جهت الکترون ها حرکت می کنند. اگر ولتاژ متغیری به یک آنتن وصل کنیم، در واقع یک موج الکتریکی به بالای آنتن می فرستیم. الکترون های آزادی که در فلز آنتن هستند، مانند یک محیط برای انتشار موج رفتار می کنند. این وضعیت مانند تشکیل موج طولی صوتی است که در یک میله فلزی اتفاق می افتد. موج صوتی نیز با ناحیه های یک در میان متراکم و غیر متراکم منتشر می شود.

در نواحی متراکم، مولکول های میله اندکی به هم فشرده می شوند و در نواحی که تراکم در آن ها کمتر است، مولکول های میله از هم اندکی فاصله می گیرند. گرچه مولکول ها خیلی کم حرکت می کنند، اما موج صوتی می تواند تا فواصل بسیار دور منتشر شود.

همین حرکت کوچک الکترون ها به سمت بالا و پایین آنتن باعث تشکیل امواج الکترومغناطیسی می شود که می توانند با همان فرکانس ولتاژ متغیری که در ابتدا به آنتن وصل کرده بودیم، در فضای اطراف آنتن منتشر شوند.

این حالت برای انتقال سیگنال های رادیو و تلویزیون یا ارتباطات بی سیم(وایرلس wireless)مورد استفاده قرار می گیرد.

همانند موج صوتی، وقتی امواج الکتریکی با فرکانسی معین به انتهای آنتن برخورد می کنند، به سمت عقب بازتاب پیدا کرده و امواج ایستاده در آنتن تشکیل می شود؛ در قسمت انتهای آنتن، شکم تشکیل می شود که مقدار زیادی ولتاژ در این قسمت وجود دارد. سر دیگر آنتن که باز است، مانند یک مدار باز عمل می کند. افت ولتاژ در مدار باز، بیشترین مقدار خود را دارد ولی در اتصال کوتاه، مقدار آن به صفر می رسد. این امواج ایستاده در آنتن، با سرعت نور منتشر می شوند و طول موج ثابتی دارند.

ساده ترین شکل آنتن به صورت شکل بالا می باشد که آنتن دو قطبی نام دارد. به دلیل این که این نوع آنتن ها متقارن هستند؛ وقتی جریان مناسبی به آن ها اعمال کنیم، خیلی خوب کار می کنند. برای این که جریان مقدار مناسب و متعادلی داشته باشد، باید مقدار آن در هر دو طرف آنتن یکسان باشد. متعادل سازی جریان روی آنتن توسط یک کابل هم محور انجام می شود.

تشکیل امواج ایستاده در آنتن

در شکل بالا، امواج ایستاده تشکیل شده در یک آنتن دو قطبی نیم موج را مشاهده می کنید. یک ولتاژ متناوب به آنتن اعمال شده است. نیم موج های آبی برای جریان و قرمز برای ولتاژ هستند.

امواج منتشر شده از آنتن به صورت عرضی هستند؛ از آنجایی که امواج الکترومغناطیسی دارای هر دو مولفه میدان الکتریکی و مغناطیسی هستند، شکل موج عرضی آن ها بسیار پیچیده است، اما در کتاب ها آن را ساده تر نشان می دهند.

امواج الکترومغناطیسی منتشر شده در اطراف یک آنتن دو قطبی

طرز کار آنتن(1)

هدف درس:

 در این مطلب به سوالات زیر پاسخ می دهیم:

1) آنتن به چه صورت سیگنال ها را جمع کرده و آن ها را تبدیل به اطلاعات مفید می کند؟
2) مسیر جریان برای سیگنال های فرستاده شده یا گرفته شده در آنتن چگونه است؟
3) چرا آنتن ها شکل های متفاوتی دارند؟
و....

شرح درس:

بهتر است برای فهم بیشتر مطلب قبلی و این مطلب، مدارهای الکتریکی و اصول اولیه امواج الکترومغناطیس را دوباره مرور کنید.

نه بارهای ساکن و نه جریان ثابت هیچ کدام نمی توانند موج های الکترومغناطیسی تولید کنند. اما اگر جریانی که با گذشت زمان، مقدار آن عوض می شود (جریان متناوب) و از داخل یک سیم عبور کند، می تواند تابش الکترومغناطیسی تولید کند.

دلیل اصلی تابش الکترومغناطیسی از چنین سیمی، شتاب ذره باردار است. وقتی ذره باردار، شتاب بگیرد، باید انرژی تابش کند.

آنتن چگونه سیگنال ها را دریافت و تحلیل می کند؟

آنتن ها دو کار مهم انجام می دهند:

1- تبدیل امواج الکترومغناطیسی به ولتاژ و جریان مورد استفاده در یک مدار.
2- تبدیل ولتاژ و جریان به امواج الکترومغناطیسی که به فضای اطراف فرستاده شوند.

بر حسب این که چه نوع میدانی باید توسط آنتن شناسایی شود، آنتن شکل منطبق با آن را باید داشته باشد، به عنوان مثال طبق شکل های بالا اگر آنتنی برای جمع آوری اطلاعات میدان الکتریکی طراحی شده باشد، باید از میله و صفحه هایی تخت ساخته شود. اما اگر آنتنی برای جمع آوری اطلاعات میدان مغناطیسی طراحی شود، باید از حلقه هایی از سیم در ساخت آن استفاده کرد.

هنگامی که میدان الکتریکی خاصی در فضا (بر حسب ولت بر متر) به آنتن یک ماشین برخورد می کند، ولتاژی را در طول آنتن نسبت به سطح زمین ایجاد می کند. گیرنده رادیو، ولتاژ بین آنتن و سطح زمین را آشکار سازی کرده و موجی خاص دریافت می شود.

مطابق شکل بالا یک ولتاژ متناوب به سیم های آنتن وصل می کنیم. این ولتاژ متناوب باعث می شود بار الکتریکی درون میله آنتن نوسان کند. این یک روش رایج برای شتاب دادن بارهاست و منبع امواج رادیویی منتشر شده از آنتن های فرستنده در یک ایستگاه رادیویی است.

دو میله فلزی به یک ژنراتور (مولد) متصلند که ولتاژ متناوب سینوسی تولید می کند و باعث نوسان بارهای درون میله ها می شود. در لحظه t=0 و قسمت (a)، بیشترین بار مثبت به میله بالایی داده می شود و همان مقدار بار منفی به میله پایینی می رسد.

میدان الکتریکی نزدیک آنتن در لحظه t=0 را در قسمت (a) می بینید. وقتی مقدار بارهای مثبت و منفی با گذشت زمان کم می شود، میله ها هم کمتر باردار می شوند و به همان اندازه قدرت میدان الکتریکی نزدیک میله ها کاهش می یابد.

وقتی بار روی میله ها به صفر برسد، میدان الکتریکی در اطراف میله نیز به صفر میل می کند. در قسمت (b) این نتیجه را می بینید که در زمان t=T/4 اتفاق می افتد.

میدان الکتریکی نزدیک آنتن با نوسان بارها هم فاز است و مقدار میدان در هر نقطه ای به مقدار بار روی میله ها وابسته است.

قسمت (c) و (d) نیز شبیه قسمت های قبل است با این تفاوت که بارهای وارد شده به میله ها جای خود را عوض می کنند. با گذشت زمان که بارها نوسان می کنند و شتاب می گیرند، میدان الکتریکی نزدیک آنتن نیز با سرعت نور از آنتن دور می شود. یک دور کامل نوسان بار، باعث تولید یک طول موج در نمودار میدان الکتریکی می شود.

طرز کار آنتن(2)

حال فرض کنید دو میله رسانا را به قطب های مثبت و منفی یک باتری وصل کنیم. قبل از این که کلید بسته شود، جریان صفر است؛ پس هیچ میدانی هم مشاهده نمی شود(قسمت (a) شکل بالا). به محض این که کلید مدار را می بندیم، بار مثبت از یک میله بالا می رود و بار منفی از میله دیگر (قسمت (b) عکس بالا). تغییرات توزیع بار باعث تولید میدان الکتریکی و تغییر آن می شود که باعث تولید یک میدان مغناطیسی نیز در اطراف میله ها می شود.

زمانی که میله ها به طور کامل باردار شده باشند، جریان صفر می شود و هیچ میدان مغناطیسی نیز مطابق قسمت (c) شکل نخواهیم داشت.

آنتن ها به چه صورت میدان های الکترومغناطیسی را تولید و تابش می کنند؟

میدان الکتریکی آنتن می تواند به دلیل استفاده از خازن در ساختار آن ها باشد. دو صفحه موازی خازن تخت را به صورت شکل زیر در نظر بگیرید:

در قسمت (a) وقتی بارهای مخالف در هر صفحه خازن پخش می شوند، میدان الکتریکی بین این دو صفحه به وجود می آید. اگر همین دو صفحه را از هم باز کنیم تا در یک راستا قرار بگیرند و یا زاویه 180 درجه با هم داشته باشند، میدان الکتریکی بین دو صفحه در فضا هم جریان پیدا می کند.

در قسمت (b) همان عکس می بینید که برای آنتن دو قطبی چنین میدان الکتریکی فضایی داریم. بارها در هر قسمت از آنتن در فضای بین دو نیمه آنتن، میدان تولید می کنند. در قسمت (c) عکس بالا نیز گویی یک خازن ذاتی بین دو میله آنتن دو قطبی وجود دارد. یک جریان خارجی متناوب لازم است تا میله های دو قطبی را باردار کند. جریان در هر قسمت از آنتن در جهت یکسان شارش پیدا می کند. 

چنین جریانی مخصوص آنتن است. این شرایط خاص به دلیل تابش الکترومغناطیسی آنتن است.
در شکل زیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی مربوط به آنتن دو قطبی را به صورت تک و با هم مشاهده می کنید:

همانطور که در قسمت (c) عکس بالا می بینید، میدان های الکتریکی E و مغناطیسی B یا همان H عمود بر هم در فضا منتشر می شوند و وقتی سیگنال روی آنتن نوسان می کند، موج های الکترومغناطیسی عرضی را تشکیل می دهند (جهت انتشار بر جهت ارتعاش میدان ها عمود است.)

فرض کنید دو سیم به شکل های زیر به یک جریان متناوب وصل کرده اید و موجی متحرک در طول این خطوط با سرعت نور منتشر می شود. خطوط میدان الکتریکی با قرمز نشان داده شده اند و جریان در طول سیم ها با خطوط سبز نشان داده شده است. در تصویر اول، به دلیل این که خطوط، تشکیل یک مدار باز را می دهند، پس جریان و ولتاژ در انتهای سیم بازتاب پیدا می کنند و امواج ایستاده تشکیل می دهند.

در شکل های زیر تمام توضیحات بالا را به طور متحرک می بینید: