بخشی از مقاله
آنتن های تورم پذیر در مخابرات نظامی و ماهواره ای
چکیده - در مقاله ی پیش رو ابتدا نگاهی خواهیم داشت بر کلیات آنتن های انعکاسی و مشخصات آنها، چرا که در کاربردهای ماهواره ای هم در ایستگاه زمینی و هم در ایستگاه فضایی برای مخابرهی اطلاعات از این نوع آنتن ها استفاده می شود. نکته ای که می بایست در رابطه با مخابرات ماهواره ای در نظر گرفته شود این است که غالبا سازه های تشعشعی طراحی شده را نمی توان به آسانی توسط دستگاه لانچ به فضا فرستاد (به دلیل شکل غیر آیرودینامیک و اندازه ی بزرگ این نوع سازه - ها). بنابراین برای غلبه بر این چالش آنتن های انعکاسی بند بند پیشنهاد می شود که موضوع مورد مطالعه ی بعدی در این مقاله می باشند. نقطه ضعف اصلی این نوع آنتن ها علاوه بر پیچیدگی های مکانیکی این است که عملا منجر به ایجاد تغییری در وزن نهایی سازه نسبت به حالت یکپارچه نمی شوند. در نهایت برای غلبه بر هر دو مشکل وزن و اندازه آنتن های انعکاسی تورم پذیر پیشنهاد می شود که موضوع اصلی بحث این مقاله می باشد.
کلید واژه - آنتنهای تورم پذیر، آنتن های انعکاسی، ارتباطات ماهواره ای، مخابرات نظامی
1- مقدمه
علم مخابرات در عصر حاضر به سرعت در حال پیشرفت می باشد؛ به گونه ای که اگر از چشم گذشتگان به امروز نگاه کنیم، جهان غیرقابل درک و معجزه گونه می باشد. بخش زیادی از تحقیقات انجام شده در این علم مربوط به طراحی آنتن می باشد. آنتن جزء جدایی ناپذیر این صنعت می۔ باشد چرا که عامل اصلی در بدون سیم ساختن یک ارتباط می باشد. انواع بسیار گوناگونی از آنتنها برای کاربردهای مختلف وجود دارد، از آنتن کوچکی که در دستگاه تلفن همراه قرار دارد گرفته تا آنتن هایی که برای ارتباطات نجومی به کار می روند همه و همه تنها یک وظیفه را به دوش می کشند: انتشار امواج اطلاعاتی در محیط.
برای ارتباطات ماهواره ای غالبأ از آنتن های انعکاسی استفاده میشود. معرفی این آنتنها در بخش بعد انجام خواهد شد ولی در اینجا به این امر اشاره می کنیم که این آنتنها به طور کلی بدقواره و سنگین می باشند و به سادگی قابل حمل نمی باشند. شکل غیر آیرودینامیک این آنتنها معمولا ایجاد مشکلاتی برای لانچ آنها به فضا خواهد کرد و همچنین در پایگاه زمینی عملا شرایط حرکت را از بین می برد. این امر در شرایطی است که این نوع آنتنها در بین آنتن هایی که تا کنون علم مخابرات به خود دیده است دارای بالاترین گین در حالت پسیو می باشند. بنابراین می توانند گزینه ی بسیار مناسبی در کاربردهای نظامی باشند.
برای غلبه بر مشکلاتی که در بالا به آنها اشاره شد آنتنهایی انعکاسی خاصی طراحی شده است که با نام "آنتنهای تورم پذیر" شناخته می شوند. منظور از تورم پذیر در اینجا چیزی شبیه به تغییر شکل پذیر است. به عنوان مثال یک بادکنک را در نظر بگیرید که باد شده باشد. برای جابجایی آن راحت ترین کار این است که باد آن را خالی کرد. سناریوی اصلی آنتن های تورم پذیر از قرار مثال بیان شده می باشد. به این مفهوم که برای جابجایی آنتن را به حالت جمع و جور در بیاوریم و برای استفاده از آن آنتن را متورم سازیم. البته پروسه ی تورم سازی آنتن به هیچ وجه "باد کردن آن نمی باشد و عملیاتی مکانیکی می باشد. به منظور سبک وزن تر شدن ساختار عموما از الیاف سبک وزن استفاده می کنند. بنابراین طراحی یک آنتن انعکاسی تورم پذیر ترکیبی از سه علم مخابرات، مکانیک، و مواد میباشد.
به دلیل آسانی در حمل و نقل، این آنتنها گزینه ی مناسبی برای کاربردهای زمینی و به خصوص نظامی می باشند. کاربرد اصلی آنتن های تورم پذیر در عملیات نظامی در این است که غالبا می توان آنها را به شکل بسته بندی شده در آورد و توسط یکی از نیروهای گروه حمل شود (چرا که این آنتنها از وزن کمی بهره مند می باشند)؛ پس از استقرار نیرو می توان به سرعت آن را به حالت متورم شده در آورد و برای برقراری ارتباط از آن استفاده کرد. قابلیت حمل آسان این ساختارها دوام آنها را در عملیات - های نظامی بیشتر می کند، چرا که به محض شناسایی توسط دشمن، می توان آنها را جابجا کرد و به مکان امن منتقل نمود.
در ادامه ابتدا توضیحی در رابطه با کلیات آنتن های انعکاسی داده می شود و سپس به ارتباطات ماهوارهای پرداخته خواهد شد. انواع آنتن های قابل حمل در کاربردهای نظامی بررسی خواهد شد و نهایتا ساختارهای آنتنی تورم پذیر مطرح می شود.
۲- آنتن های انعکاسی
در سیستم های مخابرات ماهوارهای چه در پایگاه زمینی و چه در پایگاه فضایی عموما از آنتن های انعکاسی استفاده میشود. عملکرد این آنتنها مبتنی بر قوانین نور هندسی می باشد و شباهت های زیادی به آینههای مقعر و یا عدسیها دارند. در حالت گیرندگی این آنتنها جبهی میدان تابیده شده به سمتشان را که غالبأ کم توان است در نقطه ی کانون خود بازمی تابانند، صفحه ی بازتابنده (دیش) صفحه ای مقعر از جنس مادهای رسانا (فلز) میباشد که هندسه ی آن قسمتی از یک سهمی، بیضی، و یا کره می باشد، با تراکم سازی جبهی موج در نقطه ی کانون، توان میدان بالا میرود و سیگنالی متمایز از نویز محیط را ایجاد می کند. در نقطه ی کانون است که آنتن اصلی این سازه قرار داده می شود که عموما در اینجا از آنتنهای شیپوری استفاده میشود. در ادبیات تجاری، به این آنتن شیپوری که در کانون صفحهی بازتابنده قرار می گیرد "تغذیهی آنتن" می گویند. این آنتن میدان های متمرکزشدهی توان بالا در کانون را جمع آوری می کند و سیگنال اطلاعاتی را نمایان می کند. در حالت فرستندگی شرایط عکس آنچه که در بالا توضیح داده شد است. به این مفهوم که دستگاه فرستنده سیگنال خود را از طریق آنتن شیپوری در فضای جلوی آنتن منتشر می کند و میدان انتشاری پس از برخورد به صفحه ی منعکس کننده، در جهت عکس در محیط به انتشار در می آید. آنتن شیپوری یادشده عموما توسط پایه هایی که جنس آنها مهم نیست به صفحهی منعکس کننده متصل میشود. نمای کلی این آنتن در شکل ۱ نشان داده شده است.
٣- پیش زمینه
۱ - ۳- سیستم های ارتباط شخصی بر پایه ی ماهواره
سیستم های ارتباطات شخصی که بر پایه ماهواره است (SPCS) به استفاده کننده اجازه میدهد تا دسترسی مستقیم به شبکه ارتباطات جهانی داشته باشد. این شبکه از تکنولوژی هایی که بر پایه ارتباطات بیسیمی (هم زمینی و هم ماهواره ای استفاده می کند تا یک زیرساخت یکپارچه عرضه کند که ارتباطات شخصی جهانی و دسترسی به مالتی مدیاهای بیسیم باند پهن، ارتباطات و سرویس ها، بوسیله هر شخص ، از هر جایی، در هر زمانی را فراهم می کند.
استفاده از SPCS (سیستم های ارتباطات شخصی که بر پایه ماهواره است) اساس روش پاسخ در حادثه ها را تغییر می دهد و درگیری های نظامی را مدیریت می کند. توانایی انتقال اطلاعات دقیق به سرعت و با قابلیت اطمینان بالا به و از تمام نقاط جهان به فرمان دادن و کنترل کردن کمک کرده است، و گسترش سریع موبایل های شخصی که قابلیت تطبيق سريع خود را دارند را به وجود آورده تا شرایط را تغییر دهند. توانایی یکپارچه سازی دسترسی به داده های تعاملی به همراه پخش تصویر به صورت همزمان، فرصت های جدیدی را برای پخش اطلاعات برای مشتریان جهانی که احتیاج به تکامل پیدا کردن در طول زمان را دارند به وجود می آورد. پیاده سازی موفق این سیستم بستگی به تجهیزات آن دارد. این امر نیازمند گسترش تکنولوژی های کم وزن که قابلیت حمل توسط انسان را دارد، است
۲ - ۳- تکنولوژی های ارتباط ماهواره - زمین موجود
تمام سیستم های ارتباطی ماهوارهای موجود از یک بخش فضایی و یک بخش زمینی تشکیل شده است. بخش زمینی مسئولیت انتقال اطلاعات به سمت ماهواره و دریافت آن از ماهواره را بر عهده دارد. ایستگاه زمینی همچنین می تواند انتقال داده بین خود در صورتی که در یک خط مستقیم یا در یک دید مستقیم باشد را انجام دهد.
برای تحقق این نقش ایستگاه زمینی با یک تداخل گر، یک سیستم برق، یک سیستم ردیابی، یک پردازشگر باند پایه، یک مبدل به سمت بالا، یک تقویت کننده، و یک آنتن انعکاسی سهموی مجهز شده است. آنتن های انعکاسی برای ارتباط ماهوارهای مستقیم در مقیاس های کوچک تر مورد نیاز است، آنتن های کوچکتر مانند آنتن های دوقطبی و یا یاگی یودا نمی توانند بهره مناسب برای ارتباطات ماهوارهای مستقیم را به وجود آورند. بهره آنتن مستقیما با دهانه صفحه ی انعکاسی آنتن سهموی مرتبط است. با گذشت زمان تلاش های تحقیقاتی هماهنگی برای کوچک سازی اجزا و ترمینال های ایستگاه زمینی و کاهش مصرف انرژی به منظور افزایش قابلیت جابجایی به وجود آمد. علیرغم تمام این پیشرفت ها قابلیت جابجایی توسط صفحه انعکاسی آنتن سهموی محدود باقی می ماند. کاهش سایز بازتابنده آنتن سهموی تلاشی در راستای افزایش قابلیت جابجایی سیستم است که نتیجه اش در کاهش بهره آنتن و کاهش قابلیت سیستم نمود پیدا می کند. چالش موجود طراحی یک آنتن انعکاسی است که قابل حمل و سبک باشد اما قابلیت و توانایی آنتن های با صفحات انعکاسی بزرگ را داشته باشد.
۴- آنتن های انعکاسی سهموی سخت قابل حمل
زمانی که ایستگاه های زمینی ثابت می توانند مقادیر زیادی از داده هایی که میتواند مرتبط به کاربران فردی است را پشتیبانی کنند، ایستگاههای زمینی متحرک توانایی دسترسی به شبکه ماهواره ای را مستقیما از مکانهای مختلف فراهم می کند. سیستم های سیار موجود می تواند به دو بخش اصلی دسته بندی کرد: آنتن های بزرگ که نیاز به یک وسیله برای انتقال آنها دارد و آنتن های کوچکتر که برای استفاده های فردی در نظر گرفته شده است اما این آنتنها به دلیل اندازه کوچکشان محدودیت های متعددی دارند. این دو سیستم پیشنهاد و ارائه شده است : مخابرات با مکث ('COTH) و مخابرات با توقف ('COTP). آنتن COTH در مکانی مستقر می شود که کاربر ایستگاهی ثابت برای مدت زمان زیادی دارد و می تواند یک سیستم ارتباطی نیمه دائم برقرار کند. شکل ۲ نوع نظامی ایستگاه زمینی COTH را نشان می دهد. آنتن COTP به سرعت قابل استقرار است تا ارتباط را برقرار کنند و سپس دوباره جمع شود تا کاربر به راه خود ادامه دهد.
شكل ۳ نوعی از ایستگاه زمینی COTP را نشان میدهد. توانایی پیاده سازی COTP يا COTH بستگی به تکنولوژی های سیار زمینی و توسعه تجهیزات سبک دارد.
کیت های ارتباطی در کیف های قابل حمل، محکم و قوی و ضد آب، با قابلیت باتری داخلی و منبع خارجی توسعه پیدا کرده اند، این دستگاهها با قابلیت رمزنگاری، و مسیریابی به یک دستگاه سیار شخصی دیگر نیز ترکیب شده است. تمام تجهیزات باند پایه به راحتی درون یک چمدان تکی قرار می گیرد و تمام این تجهیزات به یک آنتن برای اتصال به شبکه مناسب احتیاج دارد.
یک آنتن انعکاسی تنها آنتنی است که بهرهی لازم برای ارتباطات ماهواره ای را دارد. بهره آنتن و کارایی آن مستقیما با دهانه موثر صفحهی انعکاس دهنده ارتباط دارد. همان طور که این صفحه بیشترین میزان اندازه سیستم را تشکیل میدهد به همان میزان نقش قابل توجهی در اندازه وزن سیستم هم نقش دارد. اگر یک آنتن سهموی برای ماهواره سیاری که برای ارتباطات شخصی است استفاده شود، سیستم تغذیه نیاز به جایگزینی با یک جایگزین سبک تر و با قابلیت باز شدن بدون از دست دادن کارایی دارد. ارائه یک آنتن کوچک، سبک و بهره بالا، چالش طراحی بزرگی را به وجود می آورد و تأثیر بزرگی بر روی قابلیت سیار بودن سیستم دارد.
۵- آنتن های انعکاسی سهموی بند بند
برای افزایش قابلیت سیار بودن سیستم های ارتباطی ماهوارهای مستقیم بدون از دست دادن کارایی، طیف گسترده ای از آنتن های با قابلیت باز و بسته شدن توسعه پیدا کرد، از جمله آنتن های گسترش پذیر توری"، گلبرگی، و ترکیبی؟!. خصوصیت مشترک این آنتنها این است که آنها میتوانند جمع شوند و سپس هر زمان که نیاز بود باز شوند، بنابراین سایز آنتن در زمان انتقال اطلاعات می تواند تغییر کند. از آنجایی که این سیستم ها محکم و سفت هستند در صورتی که هرگونه کاهشی در وزن آنها به وجود بیاید، در سایزهای کوچکتری عرضه میشوند[1]. از جمله آنتن های جمع شونده معمولی که استفاده می شود می توان از دو آنتن بند بند توری و یا آنتن با صفحه ی انعکاسی چتری و آنتن با صفحه ی انعکاسی جمع شونده گلبرگی نام برد. شمایل این آنتنها در شکل ۴ و شکل ۵ نشان داده شده است. هر دو فرم آنتن های جمع شونده به کاهش میزان جمع شوندگی آنتن های انعکاسی کمک می کند اما هیچ یک از این راه حلها کاهش چشمگیری در وزن را ارائه ندادند. چون وزن قابلیت سیار بودن را محدود می کند، کاهش میزان جمع شوندگی آنتن به تنهایی راه حل مناسبی نمی باشد، و هر دو فاکتور در حالی که کارایی حفظ می شود باید کاهش پیدا کند. لازم به ذکر است که قطر صفحه ی منعکس کننده ی آنتن انعکاسی فاکتور اصلی است که بر روی بهره آنتن اثر مستقیم دارد؛ از این رو برای داشتن آنتنی کارآمد نیازمند بزرگی اندازه می باشیم.
۶- تکنولوژی های کنونی فضایی
در یک ارتباط ماهواره ای مشخصأ دو ایستگاه زمینی و فضایی وجود دارد که در هر دو ایستگاه از آنتن های انعکاسی استفاده میشود. گرچه روند کلی طراحی آنتن در هر دوی این ایستگاهها یکسان می باشد ولی تفاوت۔ هایی در بطن موضوع، طراحی آنتن برای ایستگاه زمینی را از طراحی آن برای ایستگاه فضایی به کل متمایز می کند. اساس کار از این قرار است که آنتنی که برای ایستگاه فضایی طراحی می شود پیش از هر چیز می بایست توسط دستگاهی به فضا فرستاده شود. این دستگاه لانچر نام دارد. این امر خود بزرگترین محدودیت در طراحی آنتن های انعکاسی برای ایستگاه فضایی می باشد چرا که دستگاه لانچر توانایی حمل وزن محدودی را دارا میباشد و این امر مستلزم این است که آنتن طراحی شده برای ایستگاه فضایی پیش از هر چیز باید سبک باشد. بنابراین مواد مورد استفاده در بدنه ی آنتن می بایست به درستی انتخاب شود و طراحی بر اساس شرایط محیطی انجام شود. همچنین ممکن است آنتن ایستگاه فضایی در اثر تشعشعات خورشیدی و فشارهای جوی تغییر شکل دهد که این موضوع از کار افتادن آنتن را در بر خواهد داشت. این امر نیز می بایست در طراحیها لحاظ شود. بنابراین آنتن ایستگاه فضایی چالش های بیشتری را سر روی خود می بیند که طراحان می بایست آن را حل کنند (۲).
۱ - ۶- آنتن های انعکاسی سهموی
سخت همان طور که پیش تر اشاره شد برای بالا رفتن بهرهی آنتن، دهنهی صفحه ی انعکاسی باید دارای شعاع بزرگ باشد. هرچه این شعاع بیشتر باشد بهرهی آنتن بیشتر است. در حال حاضر دستگاههای لانچ قابلیت حمل آنتنهایی با قطر صفحه ی دیش بین ۲ تا ۴ متر را دارا میباشند.
راه حلی که در لحظه به ذهن خطور می کند استفاده از ساختارهای گسترش پذیر میباشد به این مفهوم که سازهی جمع شده بر روی دستگاه لانچ سوار شود و پس از آنکه به فضا فرستاده شد؛ در آنجا توسط دستگاه - های مکانیکی از پیش تعبیه شده باز شود. این امر شاید به نظر راهگشا باشد ولی پروسهی باز شدن آنتن در فضا پروسهی پیچیده ای است که دور از دست انسان انجام میشود. بنابراین بروز هر گونه اشکال کوچک در این پروسه منجر به شکست کل پروژه خواهد شد و به بیان ساده تر ریسک استفاده از چنین سازه هایی به هزینه ی لازم نخواهد صرفید. به طور کلی سازه هایی که مناسب برای کاربردهای فضایی می باشند باید قبل از هر چیز در برابر شرایط محیطی سخت پایدار باشند و از دوام بالایی بهره مند باشند که مسلما ساختارهای جمع شونده چنین شرایطی را فراهم نمی کنند. جدای این موضوع، مهم ترین عامل در عملکرد درست آنتن و دستیابی به بهرهی بالا سطح صیقلی صفحهی بازتابنده است که ساختارهای جمع شونده نمی توانند با دقت قابل قبولی این موضوع را برآورد سازند. در کل برای ایستگاههای فضایی شاید بتوان از ساختارهای گسترش پذیر استفاده کرد (همان طور که در عمل استفاده شده و در بخش بعد توضیح داده خواهد شد ولی به طور یقین نمی توان ادعا کرد که این ساختارها بهترین گزینه برای چنین کاربردهایی میباشند.
۲ - ۶- آنتن های انعکاسی بند بند فضایی
در سال ۱۹۸۹ برای اولین بار از آنتن های گسترش پذیر در فضا استفاده شد. نام این آنتن را گالیلئوها انتخاب کردند. گالیلئو به سیارهی مشتری فرستاده شد تا اطلاعاتی در رابطه با شرایط آب و هوایی جو آنجا و میدان۔ های مغناطیسی اطراف آن سیاره به زمین مخابره کند. نمای کلی این آنتن در شکل ۶ نشان داده شده است. گالیلئو دارای بهرهی بالایی بود (آن قدر زیاد که می توانست میدان های الکترومغناطیسی را از مشتری به زمین ارسال کند بدون آنکه میدان آن قدر تضعیف شود که قابل آشکارسازی نباشد). قطر دیش انعکاسی این آنتن ۴۰۸ متر بود و جنس آن از طلا بود. سازهی آن دارای بیش از هجده اتصال مکانیکی بود که برای باز شدن چتر آنتن در فضا مورد استفاده قرار گرفتند. هنگامی که چتر آنتن در فضا باز شد پهنای باندی بالغ بر 134kb / s را ایجاد کرد. علت استفاده از چنین ساختاری (که در دستهی آنتن های گسترش پذیر قرار می گیرد) در بخش قبل بیان شد. شکل ۷ و شکل ۸ آنتن را به ترتیب در حالت بسته و در حالتی که چتر آن باز شده است (گسترده شده) نشان میدهد. در سال ۱۹۹۱ هنگامی که مهندسین سعی داشتند اطلاعات ارسال شده از آنتن را دریافت کنند متوجه بروز اختلالاتی در عملکرد سیستم شدند. علت این امر عمل نکردن صحیح پین یکی از اتصالات سازه بود. و تأثیر آن به حدی بود که پهنای باند سیستم به 160b / s کاهش پیدا کرد و عملا با این اتفاق پروژه شکست خورد. عمر آنتن گالیلئو که یک آنتن گسترش پذیر بود چیزی در حدود دو سال شد.
عملکرد هر نوع سیستم مکانیکی در محیطهای فضایی ریسک های خاص خود را دارد و هرچقدر تعداد نقاط اتصالات و قطعات یک سیستم مکانیکی بیشتر باشد، ریسک استفاده از آن سیستم بالاتر خواهد رفت چرا که تعداد المانهایی که ممکن است به درستی کار نکنند بیشتر می شود و در نتیجه ریسک طراحی بالاتر خواهد رفت. تحقیقاتی که تا کنون بر روی ساختارهای گسترش پذیر فضایی انجام شده همگی منجر به دستگاه هایی از نظر مکانیکی پیچیده شده است که امری بسیار ناپسند در کاربردهای ماهواره ای و فضایی می باشد چرا که در صورت تخریب هر یک از قطعات به هر دلیل، هزینهی تعمیر آن با توجه به مکان قرارگیری سازه (فضا) بسیار زیاد خواهد شد. گرچه این نوع ساختارها می توانند مزایای بسیاری در راستای کاهش اندازه ی کل سازه داشته باشند، ولی عموما تغییرات چشمگیری در وزن نهایی سازهی طراحی شده نسبت به سازهی یکپارچه ایجاد نمی کنند.
۷- ساختارهای تورم پذیر در محیط فضایی
با وجود اینکه امروزه امکانات خاصی برای اسمبل کردن ساختارها در فضا در دسترس می باشد، اندازه، وزن، و توان در دسترس ساختارهای فضایی به وسیله ی دستگاه لانچ محدود می شود. تا کنون بسیاری ساختارهای فضایی پیشنهاد شده است که اندازه ی نهایی آنها برای رسیدن به عملکرد مطلوب سازه بسیار بزرگ تر از توان قابل حمل دستگاه لانچ می باشد و بنابراین این طرحها عملا بلااستفاده باقی مانده اند.
