සන්නිවේදනය හා ආධුනික ගුවන් විදුලිය (Amateur radio) 94

ඇන්ටෙනා

රේඩියෝ සන්නිවේදනයේදී නැතිවම බැරි වැදගත්ම උපාංගයක් වන්නේ antenna වේ. aerial (අහස් කූර) ලෙසද හැඳින්වෙන මෙයින් කරන්නේ වයර් දිගේ යන විදුලි සංඥාවක් ඊට අනුරූප රේඩියෝ තරංග සංඥාවක් බවට පත් කිරීම හා රේඩියෝ තරංග සංඥාවක් ඊට අනුරූප විදුලි සංඥාවක් බවට පත් කිරීමයි. ට්‍රාන්ස්මීටර් පරිපථයෙන් සිදු වන්නේ යම් නිශ්චිත සංඛ්‍යාතයක් තුල බුද්ධි සංඥාවද ඇතුලත් කර (මූර්ජනය කර) යම් විද්‍යුත් සංඥාවක් නිපදවීම පමණි; එම විද්‍යුත් සංඥාවෙන් රේඩියෝ තරංගය නිපදවෙන්නේ ඇන්ටනාවෙන්ය. එනිසා radiator (විකිරකය) ලෙසද ඇන්ටනාව හැඳින්විය හැකිය (විදුලි ශක්තිය රේඩියෝ විකිරණ ශක්තියක් බවට පත් කරන නිසා). විවිධ ප්‍රමාණයේ මෙන්ම විවිධ හැඩැති ඇන්ටනා දක්නට ලැබේ.

ඉහත අර්ථ දැක්වීම අනුව ඇන්ටනා වර්ග 2ක් හමු වෙනවා - transmitting antenna (සම්ප්‍රේෂක ඇන්ටනා) හා receiving antenna (ආදායක ඇන්ටනා). ට්‍රාන්ස්මීටරයකට සවි කර, එම ට්‍රාන්ස්මීටරයෙන් පිටවන විදුලි සංඥා රේඩියෝ සංඥා බවට පත් කරන්නේ ට්‍රාන්ස්මිටිං ඇන්ටනාවෙනි. එලෙසම පරිසරයේ විසිරී පවතින රේඩියෝ තරංග ග්‍රහනය කර රිසීවරයට විදුලි සංඥා බවට පත් කර ලබා දෙන්නේ රිසීවිං ඇන්ටනා විසිනි. මෙලෙස ඇන්ටනා වර්ග 2ක් ලෙස දැක්වුවත්, ප්‍රායෝගිකවත් න්‍යායාත්මකවත් මෙම දෙවර්ගයේ වෙනසක් නැත.

මොහොතකට ඇන්ටනාව ඉතා කුඩා සීනි කැටයක් වැනි (ලක්ෂ්‍යයක් - point) යැයි සිතමු. මෙවිට ඇන්ටනාවට ඇතුලු කරන යම් විද්‍යුත් සංඥාවක් රේඩියෝ තරංගයක් බවට පත් කරාවි. එම රේඩියෝ තරංගය ඇන්ටනාවේ සිට සෑම දිශාවක් ඔස්සේම ආලෝකයේ වේගයෙන් (එනම් තත්පරයට කිලෝමීටර් 300,000ක වේගයෙන්) අරීයව (radially) පිටතට විසිරී යාවී. ඒ කියන්නේ මෙම ලක්ෂ්‍යීය ඇන්ටනාවෙන් යම් රේඩියෝ තරංගයක් නිපදවා යම් මොහොතකට පසුව පහත රූපයේ ආකාරයට රේඩියෝ තරංග විහිදී තිබෙනු ඇත.

ගෝලයේ මතුපිට පෘෂ්ඨය නියෝජනය කරන්නේ යම් කාලයකට පසුව රේඩියෝ තරංගය අරීයව වටේටම ගමන් කර තිබෙන ස්ථානයි. මෙම මොහොතේ මෙම පෘෂ්ඨය මත ඕනෑම තැනක තිබෙන ඕනෑම රිසීවරයකට හෝ රිසීවර් ගණනාවකට මෙම සංඥාව ග්‍රහණය වේ. එහෙත් මෙම අවස්ථාවට ඉතා සුලු මොහොතකට පසුව එම සංඥාව තිබෙන ස්ථානයේ සිට තවත් ඈතට ගමන් කර තිබේවි (රේඩියෝ තරංග කිසිදා නතර වෙන්නේ නැහැනෙ). ඒ කියන්නේ ගෝල පෘෂ්ඨය (පහත රූපයේ S_A1, S_A2) තවත් විශාල වේ; ගෝලයේ අරය විශාල වන විට 4πR² යන ගෝල පෘෂ්ඨයක වර්ගඵලය සොයන සූත්‍රය අනුව එය සිතා බලන්න.

දැන් එම සංඥාව ඊට මුලින් තිබූ ස්ථානවලට හසු නොවේ. සංඥාව ග්‍රහනය කිරීමට අවශ්‍ය නම් රිසීවර් දැන් තිබිය යුත්තේ මෙම අලුත් ගෝල පෘෂ්ඨය මතය. එය හරියට අයිස්ක්‍රීම් ලොරියකට උපමා කළ හැකියි. එම ලොරිය ඔබ සිටින තැනට ළං වූ විට ඉන් අයිස්ක්‍රීම් මිලදී ගත හැකියි ඔබට. එහෙත් ටික මොහොතකින් එය ඔබ පසු කරගෙන ඔබෙන් ඉවතට යනවා. එවිට එම ස්ථානයේ සිටින අයට අයිස්ක්‍රීම් ගත හැකි වුවත්, ඔබට නොහැකිය.

මේ අනුව පෙනෙනවා යම් ඇන්ටනාවකින් නිකුත් වූ රේඩියෝ තරංගයක් දිගින් දිගටම අවකාශයේ පැතිරෙමින් ගමන් කරනවා (අනන්තය තෙක්). එසේ ගමන් කරන මාර්ගයේ රිසීවරයක් තිබුණොත් ඉන් රේඩියෝ සංඥාවෙන් කොටසක් ග්‍රහනය කරගත හැකියි. ලක්ෂ ගණනක් රිසීවර් විසින් යම් රේඩියෝ සංඥාවක් ග්‍රහනය කර ගන්නේ අන්න එලෙසයි. ඇත්තටම මෙසේ සංඥාවක් අනන්තය තෙක් ගමන් කිරීම රේඩියෝ තරංගවල ඉරනම වුවත්, වායුගෝලය (හෝ අභ්‍යවකාශයේ වෙනත් පදාර්ථමය අවකාශයක්) හරහා රේඩියෝ තරංග යන විට ඒවා උරා ගැනීම හා වෙනත් සංසිද්ධි නිසා රේඩියෝ තරංග හායනය වේ.

වායුගෝලයක් තිබුණත් නැතත්, රේඩියෝ තරංග සාමාන්‍යය ඇන්ටනාවලින් යන්නේ ඈතට යන්නට යන්නට විශාල අවකාශයක් පුරා පැතිරෙමින්ය. ඉහත රූපයෙන් එය පැහැදිලි වේ. රේඩියෝ තරංගය ඇන්ටනාවෙන් පිට වූ මොහොතේ සිට කාලයත් සමඟ ඊට ඇන්ටනාවේ සිට ඇති දුර (අරය) ක්‍රමයෙන් වැඩි වේ (ආලෝකයේ වේගයෙන්). අරය වැඩි වෙනවා යනු පෘෂ්ඨිය ක්ෂේත්‍රඵලය වැඩි වෙනවා යන්නයි. එනිසා ඇන්ටනාවේ සිට පිට වූ යම් ශක්තියක් තිබුණේද, එම ශක්තිය කාලයත් සමඟ විශාල ප්‍රදේශයකට පැතිරීමට සිදු වේ. එවිට ඉබේම සංඥාවේ සැර බාල වීමක් ලෙස එය සැලකිය හැකිය (මේ ගැන මීට පෙරත් අප කතා කර තිබෙනවා).

ඉහත ආකාරයේ සෑම දිශාවක් ඔස්සේම (ත්‍රිමාන අවකාශය පුරා) සමාකාරව සංඥාව විසුරුවා හැරිය හැකි ඇන්ටනා isotropic antenna ලෙස හැඳින්වේ. ඇත්තෙන්ම ඇන්ටනාවක් අයිසොට්‍රොපික් වීමට නම්, එය පෙර සඳහන් කළ පරිදිම ලක්ෂ්‍යයක් විය යුතුය (එතරම් කුඩා ගෝලයක් විය යුතුය). එහෙත් ප්‍රායෝගිකව එවැනි ඇන්ටනා සෑදිය නොහැකියි (අප දන්නා ඇන්ටනා හා භෞතික විද්‍යා න්‍යායන් අනුව එවැනි කුඩා ගෝලාකාර ඇන්ටනා සෑදීමට සූත්‍ර/ආකෘති නැත). එනිසා අයිසොට්‍රොපික් ඇන්ටනා යනු විස්තර කිරීම් පහසු කර ලීමට හා අනෙක් ප්‍රායෝගික ඇන්ටනා සැසඳීම සඳහා යොදා ගන්නා සාංකල්පීය ඇන්ටනාවක් පමණි.

ඉතා හොඳ විද්‍යාත්මක ආකෘතියක්/සූත්‍රයක් සහිත ප්‍රයෝගික ඇන්ටනාව half-wavelength (λ/2) antenna වේ. බැලූබැල්මට ඉතාම පහසුවෙන්ම සෑදිය හැකි ඇන්ටනාවත් මෙයයි. තවද, අනෙක් බොහෝ ඇන්ටනා නිර්මාණය කිරීමේදී පදනම ලෙස ගත හැක්කේද මෙම හාෆ් වේව්ලෙන්ත් ඇන්ටනාව තමයි. මෙම ඇන්ටනාව සාදන්නේ සම්ප්‍රේෂනය කරන්නට හදන සංඥාවේ තරංග ආයාමයෙන් ½ ක් වන සේ පහත දැක්වෙන ලෙස ඍජු සන්නායක කූරු/වයර් දෙකක් තැබීමෙනි. උදාහරණයක් ලෙස, මෙගාහර්ට්ස් 900 සංඥාවක් සඳහා හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඇන්ටනාවක් සෑදීම සඳහා ගත යුතු දිග කීයද? පළමුව මෙම සංඥාවේ තරංග ආයාමය සොයමු: 300,000,000/900,000,000 = 0.33m වේ. මින් ½ ක් යනු මීටර් 0.16ක් හෙවත් සෙන්ටිමීටර් 16ක් පමණ වේ.

සංඥාව රැගෙන එන වයරයේ (ට්‍රාන්සීවරයත් ඇන්ටනාවත් අතර සංඥා ගෙන යන මෙම වරයට feed line ලෙස හැඳින්වේ) අග්‍ර දෙක කූරු දෙකට ඒ පෙන්වා ඇති ලෙසට වෙන් වෙන්ව ඉතා හොඳින් සවි කෙරේ. තවද, එම කූරු දෙක සමාන දිගකින් තිබිය යුතු අතර, මැද හිඩැස කුඩා විය යුතුය. කූරු දෙකම ඒ පෙන්වා ඇති ලෙසම සරල රේඛීයව තිබිය යුතුය. මෙම කූරු දෙක පහත රූපවල ආකාරවලින් තැබිය නොහැකිය.

මෙලෙස සවි කළ ඇටවුමක් antenna dipole ලෙස හැඳින්වේ (ඩයිපෝලයක් සහිත ඕනෑම ඇන්ටනාවක් dipole antenna ලෙස හඳුන්වමු). මෙහිදී ෆීඩ්ලයින් එක දිගේ එන යම් සංඛ්‍යාතයකින් (හෝ සංඛ්‍යාත සෙට් එකකින්) යුතු විදුලි සංඥාව ඩයිපෝලය මඟින් එම සංඛ්‍යාතයෙන් (හෝ එම සංඛ්‍යාත සෙට් එකෙන්) යුතු රේඩියෝ තරංග බවට පත් කෙරේ. එය ආකෘතිමය වශයෙන් පැහැදිලි කරන්නේ මෙසේය.

විදුලි සංඥාවේ (ප්‍රධාන) සංඛ්‍යාතයට අනුරූප තරංග ආයාමයෙන් ½ ක් වන සේ ඩයිපෝලය සාදා තිබෙන්නේ. එවිට සංඥාවේ විදුලි හා ධාරා සංරචක දෙක පහත රූපයේ ආකාරයට ඇන්ටනාව තුල පිහිටනු ඇත. ෆීඩර් ලයින් එකෙන් ඩයිපෝලයට සංඥා විදුලිය ඇතුලු වන තැන (ඩයිපෝලයේ මැදදී) ධාරාව උපරිම වන අතර එම ධාරාව ඩයිපෝල දෙකෙළවරදී ශූන්‍ය වේ. එලෙසම ඩයිපෝලය මැදදී ෆීඩර්ලයින් එකෙන් ලැබෙන සංඥාවේ විභවය ශූන්‍ය වන අතර, ඩයිපෝලය දෙකෙලවර පෙන්වා ඇත් පරිදි ධන හා ඍණ ලෙස උපරිම වේ. මෙහි ප්‍රතිපලයක් ලෙස ඇන්ටනාවෙන් පිටතට රේඩියෝ විකිරණය සිදු වේ.

ඉහත ආකාරයේ ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවකින් රේඩියෝ සංඥා ත්‍රිමානව සමාකාරව සෑම දිශාවක් ඔස්සේම විසුරුවා හරින්නේ නැත අයිසොට්‍රොපික් ඇන්ටනාවකදී මෙන්. සාමාන්‍යයෙන් පහත රූපයේ ආකාරයට සරල ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවකින් රේඩියෝ තරංග විකිරණය වේ. එනම්, ඩයිපෝලයේ දෙකළවරින් ඉතාම අඩු විකිරණ ප්‍රමාණයක්ද, ඩයිපෝලයේ මැදින් ඉතා වැඩිම විකිරණ ප්‍රමාණයක්ද විසිරෙනවා. එනිසා, සවිධි ගෝලයක් නොව, තරමක උලුඳු වඩයක හැඩයක් ඊට තිබෙනවා.

ත්‍රිමාණව සෑම දිශාවක් ඔස්සේ නැතිව, එක් තලයක සෑම පැත්තකින්ම සමාකාරව රේඩියෝ තරංග විකිරණය කරන විට ඊට omnidirectional antenna කියා කියනවා. ඒ අනුව සරල ඩයිපෝල් ඇන්ටනාව ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් ඇන්ටනාවකි (බලන්න ඉහත රූපයේදී ඩයිපෝලය මැදිකොට ගෙන වටේටම සංඥා විසිරෙනවා).

සාංකල්පීය අයිසොට්‍රොපික් හා ප්‍රායෝගික ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් ඇන්ටනාවක් දැන් සංසන්දය කර බලමු. මේ දෙකටම එකම වොට් ගණනක් සහිත විදුලි සංඥා ඇතුලු කරනවා යැයි සිතමු. අයිසොට්‍රොපික් ඇන්ටනාව කරන්නේ එම සංඥා ජවය ත්‍රිමාණව දසත විහිදුවීමයි සමාකාරව. දිශා විශාල ගණනක් ඔස්සේ විහිදුවන නිසා එක් එක් දිශාවක් ඔස්සේ පවතිනු ඇත්තේ කුඩා ජවයකි. එහෙත් ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවෙන් කරන්නේ එම සංඥා ජවය දසත විහිදු වනවා වෙනුවට යම් එක් තලයක වටේට විසුරුවීමයි. මෙවිට එම තලයේ දිශා ඔස්සේ පවතින සංඥා අයිසොට්‍රොපික් අවස්ථාවට වඩා ප්‍රබල වේ (ප්‍රබල නිසා තරමක් ඈතට සංඥා විසිරෙන බව පහත රූපයෙන් හොඳින් පෙනේ).

මින් පැහැදිලි වන්නේ ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් ඇන්ටනාවකින් සෑම දිශාවකටම සංඥා නොයන අතර, විවිධ දිශා ඔස්සේ යෑමට තිබූ සංඥා එක්තරා නිශ්චිත දිශාවකට යොමු කරන බවයි. මෙවිට මෙම සංඥා යැවෙන දිශාවල සංඥා ප්‍රබල වේ. මෙම ක්‍රමයෙන් සංඥා ප්‍රබල වීම ජව වර්ධකයක් හරහා දුර්වල සංඥා ප්‍රබල කිරීමට සමාන කළ හැකිය. එනිසා මෙම ක්‍රමයෙන් සංඥා ප්‍රබල වීමත් gain (amplification) හෙවත් සංඥා වර්ධනයක් ලෙස හඳුන්වනවා. මෙම ගේන් එක ඇති වූයේ ඇන්ටනාව මඟින් නිසා ඊට antenna gain යැයි කියමු. මෙම ගේන් එකත් ඩෙසිබෙල් ඒකකයෙන් දක්වනවා.

තවද, ඉහත ආකාරයේ ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් ඇන්ටනාවක් ගෙන, එහි තලයේ සෑම දිශාවක් ඔස්සේම රේඩියෝ තරංග විසිරීමට ඉඩ නොදී, සංඥා විසිරෙන දිශාව තවත් පටු කිරීමෙන්, ගේන් එක තවත් වැඩි කර ගත හැකිය (එම දිශාව ඔස්සේ). එක් කුඩා නිශ්චිත කෝණයක්/දිශාවක් ඔස්සේ පමණක් සංඥා විසුරුවන ඇන්ටනා directional antenna ලෙස හැඳින්වේ. මේවායේ සංඥා ගමන් කරන මූලික දිශාව ඔස්සේ ගේන් එක ඉතා වැඩිය. දිශාව/කෝණය පටු කරන්නට කරන්නට ගේන් එක වැඩි වේ. පහත දම් පාටින් ද්විමානව පෙන්වා තිබෙන සංඥා විසිරී යන ප්‍රදේශය ත්‍රිමාණව ගස්ලබු ගෙඩියක් වැනි යැයි සිතන්න (එලෙසම තැඹිලි පැහැයෙන් පෙන්වා තිබෙන ද්විමාන රවුම ත්‍රිමාණ ගෝලයකි). ද්විමාන රූපවල සත්‍ය ත්‍රිමාන ආකාරය සිතින් දැකීමට පුරුදු වන්න.

ඇන්ටනාවකින් රේඩියෝ සංඥා විසිරීම පෙන්වන විට, විවිධාකාරයේ හැඩ දක්නට ලැබේවී සලකා බලන ඇන්ටනාව අනුව. ඇන්ටනාවකින් පිටවන විකිරණ පිහිටීම පෙන්වන මෙබඳු ප්‍රස්ථාර radiation pattern ලෙස හැඳින්වේ. අයිසොට්‍රොපික් ඇන්ටනාවකදී රේඩියේෂන් පැටන් එක සමාකාර ගෝලයක් බඳුය. රේඩියේෂන් පැටන් ද්විමාන/තලීය රූප නිසා, සත්‍ය ත්‍රිමාණ රූප ද්විමාන ලෙස ඇඳීමේදී ප්‍රායෝගික ගැටලුවක් තිබේ. මෙනිසා අවම වශයෙන් තලීය රූප දෙකක් අවශ්‍ය වෙනවා ත්‍රිමාණ එක් රූපයක් නිරූපණය කිරීමට; එන් එක් රූපයක් ඇන්ටනාවට ඉහල සිට පහලට බලන විට විකිරණය තිරස් අතට විසිරෙන ආකාරය දක්වනවා (azimuthal/horizontal pattern). අනෙක් රූපය ඇන්ටනාවට සමාන්තරව පැත්තක සිට බලන විට සංඥා සිරස්ව විසිරෙන ආකාරය පෙනෙන ප්‍රස්ථාරමය රූපයයි (elevation/vertical pattern). එනිසා, ගෝලයක් ද්විමාන ලෙස දක්වන විට පහත ආකාරයට රූප දෙක දිස් වේවි. ඒ කියන්නේ පහත දැක්වෙන්නේ අයිසොට්‍රොපික් ඇන්ටනාවක රේඩියේෂන් පැටන් එක වේ.

රේඩියේෂන් පැටන් ප්‍රස්ථාර අඳින විට සාමාන්‍යයෙන් පිළිපදින සම්මතයන් කිහිපයක් ඇත. සම්පූර්ණ වටයක්ම මනින නිසා අංශක 360ක රවුමක් ලෙස එය දක්වනවා (අංශක 0 හා 360 සමපාත වේ). අංශක 0 ඉහත රූපවල ආකාරයට දකුණු අත පැත්තේ තිරස් රේඛාවේ සිට පටන් ගෙන, වාමාවර්තව අංශක ගණන ක්‍රමයෙන් වැඩි වේ. වෘත්තයේ මැද ඇන්ටනාව ලක්ෂ්‍යයක් සේ තිබෙනවා යැයි සලකනවා.

රේඩියේෂන් පැටන් එකෙහි වැඩිම සංඥා ප්‍රමාණයක් පවතින පැත්ත තරමක් දිගු “පෙත්තක්” ලෙස රේඩියේෂන් පැටන් එක තුල පෙනේවි. මෙම කොටස main lobe ලෙස හැඳින්වේ. මේන් ලෝබ් එක තුල ගේන් එක උපරිම වේ. ඊට වඩා අඩු රේඩියේෂන් ප්‍රබලතා පවතින ප්‍රදේශ කුඩා “පෙති” මඟින් දැක්වේ. ඒවා sidelobes ලෙස හැඳින්වේ. මේන්ලෝබ් එකට හරියටම අංශක 180කින් තිබෙන සයිඩ්ලෝබ් එක back lobe ලෙස හැඳින්වෙනවා. සයිඩ්ලෝබ් තුල ගේන් එක ඉතා අඩුය.

බොහෝවිට අපට අවශ්‍ය වන්නේ මේන් ලෝබ් එක පමණි. එහෙත් ප්‍රායෝගිකව ඇන්ටනා නිර්මාණය කරන විට, සයිඩ්ලෝබ්ද ඉබේම ඇති වේ. ඒවා ඉවත් කිරීම ඉතාම සංකීර්ණ කටයුත්තක් වන අතර, බොහෝවිට ඒවා ඉවත් කිරීමටද බැරි වේ. එනිසා ඇන්ටනා නිර්මාණය කරන ඉංජිනේරුවන් තමන්ට අවශ්‍ය පරිදි මේන්ලෝබ් එක පවතින ලෙසත්, අනවශ්‍ය සයිඩිලෝබ් හැකි තරම් අවම වන ලෙසත් ඇන්ටනා නිර්මාණය කිරීමට උත්සහ දරනවා.

වැඩිම ගේන් එකකින් යුතුව සංඥා පවතින දිශාව/කෝණය forward/preferred direction ලෙස හඳුන්වමු. ෆෝවඩ් දිශාවේ ගේන් එක හා ඊට ප්‍රතිවිරුද්ධ දිශාවේ ගේන් එක හෙවත් බැක්ලෝබ් එකේ ගේන් එක අතර අනුපාතය (එනම්, “ෆෝවඩ් දිශාවේ ගේන් එක”/ “බැක්ලෝබ්හි ගේන් එක”) front-to-back ratio ලෙස හැඳින්වේ. එලෙසම, ෆෝවඩ් දිශාවේ ගේන් එක ඊට හරියටම අංශක 90කින් තිබෙන දිශාව ඔස්සේ පවතින ගේන් එකෙන් බෙදූ විට ඊට front-to-side ratio ලෙස හැඳින්වේ. යම් ඇන්ටනාවක මෙම රේෂියෝ අගයන් දෙකෙන් ඉහල නම් එම ඇන්ටනාව හොඳය.

එකම ඇන්ටනාව වුවද, ඉන් විසුරුවා හරින සංඥාවල සංඛ්‍යාතය වෙනස් වන විටත් රේඩියේෂන් පැටන් එක වෙනස් වේ. මෙනිසා තමන්ට අවශ්‍ය විදියටම මේන්ලෝබ් එකක් සහිත රේඩියේෂන් පැටන් එකක් ලබා ගැනීම තවත් සංකීර්ණ වෙනවා (විශේෂයෙන් සංඛ්‍යාත පරාසයක්ම විසුරුවා හැරීමට සාදන ඇන්ටනා වලදී).