සන්නිවේදනය හා ආධුනික ගුවන් විදුලිය (Amateur radio) 107

Quarter-wave Antenna

නමින්ම කියවෙන පරිදි මෙම ඇන්ටනාවේ ඩයිපෝලයේ දිග තරංග ආයාමයෙන් ¼ කි. ඩයිපෝලය යන වචනය දැන් මෙම ඇන්ටනා කූර හැඳින්වීමට යොදා ගැනීම සුදුසුද නැද්ද කියා ගැටලුවක්ද තිබේ. ඊට හේතුව ඩයිපෝලයක තිබිය යුතු සන්නායක කොටස් දෙකක් මෙහි දක්නට නැත. තිබෙන්නේ එක කොටසකි. එනිසා මෙවන් “තනි කූරේ” ඇන්ටනා monopole antenna ලෙසද පොදුවේ හැඳින්වේ.

එහෙත් මෙය ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවක් ලෙස වක්‍රාකාරයෙන් ක්‍රියාත්මක වේ. මෙයත් හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඇන්ටනාවකට සමානය. යම් උපක්‍රමයකින් හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඇන්ටනාවක් වීමට අවශ්‍ය ඉතිරි තරංග ආයාම කාල (λ/4) සපයා ගන්නවා.

මෙම උපක්‍රමය වන්නේ පොලොව ඉතිරි තරංග ආයාම කාල සපයන කොටස බවට පත් කර ගැනීමයි. එය කළ හැකියි තරංග ආයාම කාලක් දිග සන්නායක ඇන්ටනා කූරක් පහත රූපයේ ආකාරයට පොලොවට ආසන්නයේ තැබීමෙන්. එවිට පොලොව මතුපිට සිට යටට ඩයිපෝලයේ ඉතිරි කූර “ඉබේම” සෑදෙනවා සේ සලකන්න. මෙලෙස පොලොව තුල සෑදෙන කොටස “ප්‍රතිබිම්භය” (image) ලෙස හැඳින්වෙනවා. එය මා හඳුන්වන්නට කැමතියි virtual driven element (අතථ්‍ය කූර) ලෙස.

මෙවිට, සත්‍ය ලෙස පවතින ඇන්ටනා කූරට ෆීඩ්ලයින් එකේ සිග්නල් පාත් එක (කොඇක්සියල් කේබලයක නම් මැද කම්බිය) සම්බන්ද කළ යුතු අතර, රිටර්න් පාත් එක අර්ත් කරන්න. ඒ අනුව මෙය අන්බැලැන්ස්ඩ් ඇන්ටනාවකි. පොලොව ඇන්ටනාවේ අංගයක් ලෙස භාවිතා කරන නිසා මෙවැනි ඇන්ටනා ground plane antenna ලෙසද හැඳින්විය හැකිය.

ඉහත උපක්‍රමය කිරීමට ඇන්ටනා කූර සිරස්ව පිහිටුවීම අවශ්‍ය වෙනවා. ඒ කියන්නේ මෙම ඇන්ටනාව ස්වභාවයෙන්ම සිරස් ඇන්ටනාවකි (vertical).

සටහන

Verticals

වර්ටිකල් යනු ඩයිපෝලය/ඇන්ටනා කූර (driven element) සිරස්ව පිහිටුවා තිබෙන ඇන්ටනාවකට කියන පොදු නමයි. වර්ටිකල් වර්ග ගණනාවක්ම ඇත. ඉහත ක්වාර්ටර් වේව් ඇන්ටනාවද වර්ටිකල් එකකි. වර්ටිකල් ඇන්ටනාවල වාසි කිහිපයක් තිබේ (අවාසිද තිබේ; ලෝකයේ සෑම දෙයකම ස්වභාවයෙන්ම වාසි/හොඳ හා අවාසි/නරක තිබෙනවානෙ).

1. ඇන්ටනා කූර උඩට පිහිටන නිසා ඉඩ ඇහිරෙන්නේ නැත (හරහාට තිබෙන විට වත්ත විශාල විය යුතුයිනෙ). තවද, සවි කිරීමද පහසුය.

2. ඇන්ටනාවෙන් පිටවන රේඩියෝ තරංග vertically polarized වේ. සමහර අවස්ථාවල අපට වර්ටිකලි පොලරයිස්ඩ් තරංග භාවිතා කිරීමට සිදු වෙනවා. උදාහරණයක් වශයෙන් භූමි තරංග (අවසංඛ්‍යාතයන්) වැඩි දුරකට යැවිය හැකියි වර්ටිකලි පොලරයිස්ඩ් තරංග යොදා ගැනීමෙන්. මෙවන් අවස්ථාවලදී වර්ටිකල් ඇන්ටනා අවශ්‍ය වෙනවා.

3. සාමාන්‍යයෙන් වර්ටිකල් ඇන්ටනා ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් වේ. මෙය ඉතා වටිනවා මොකද වටේටම සමාකාරව විකිරණය සම්ප්‍රේෂනය කරනවා. එනිසා ගමන් කරමින් සිදු කරන සන්නිවේදනය (mobile communication) සඳහා ප්‍රයෝජනවත්ය.

4. විකිරණ උඩට (අහසට) හා යටට (පොලොව තුලට) නොයවා (සිරස් අතට නොයවා) වටේට (තිරස් අතට) විහිදුවන ස්වභාවය වැඩිය (එනම් radiation angle එක අඩුය).

ඉතිං, පොලොව යට තිබෙන කොටසින් ඇත්තෙන්ම රේඩියෝ තරංග විකිරණය නොවේ (විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය ශූන්‍ය වේ). උඩ කූරෙන් විකිරණය සිදු වේ. රේඩියේෂන් පැටර්න් එක උලුඳු වඩේ හැඩයමයි. ඔම්නිඩිරෙක්ෂනල් වේ. මෙහි ගේන් එක හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඩයිපෝලයක මෙන් දෙගුණයකි (එනම් ඩෙසිබෙල් 3ක් එකතු කළ යුතුය). එය 2.14+3 = 5.14dB_i වේ.

මෙහි සම්බාදක අගය සොයන්නේ මෙසේය. පෙරත් පැවසූ ලෙසම මෙය හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඩයිපෝලයකි. එහෙත් එහි උඩින් සත්‍ය ලෙසම පවතින කූරෙන් පමණි විකිරණය සිදු වන්නේ; පොලොව යට තිබෙන ප්‍රතිබිම්භයෙන් විකිරණය සිදු නොවේ. ඒ කියන්නේ සරල ඩයිපෝලයට සාපේක්ෂව විකිරණ ජවය ½ කි තිබෙන්නේ. එහෙත් ධාරාවේ වෙනසක් නැත (සරල ඩයිපෝලයේ ගමන් කළ ධාරාවමයි). ජවය අඩකින් අඩු වූ නිසාත්, ධාරාව නොවෙනස්ව පවතින නිසාත් P=I²R යන සූත්‍රය අනුව, ප්‍රතිරෝධය/සම්බාදකය අඩකින් අඩු විය යුතුය. එනිසා රෙසෝනන්ට් ක්වාර්ටර්වේව් ඩයිපෝලයක සම්බාදක අගය ඕම් 75/2 = 36 ක් පමණ වේවි (මීටත් වඩා ස්වල්පයක් අඩුය).

ක්වාර්ටර්වේව් ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවද ඇතුලත් සියලු ග්‍රවුන්ඩ් ප්ලේන් ඇන්ටනා කාර්යක්ෂම වීමට නම් ග්‍රවුන්ඩ් එකේ ප්‍රතිරෝධය අඩු විය යුතුය. ප්‍රතිරෝධය වැඩි වන විට සංඥා හායනය වැඩි වේ. ප්‍රායෝගිකව, පොලොවේ ප්‍රතිරෝදය ඉතා වැඩි නිසා එය එතරම් හොඳ ග්‍රවුන්ඩ් එකක් නොවේ.

තවද, ප්‍රායෝගිකව මෙවන් ඇන්ටනාවක් හැමවිටම පොලොව සමීපයෙහි තබා ගෙන සිටිය නොහැකිය. උදාහරණයක් ලෙස, වාහනයක හෝ මොබයිල් උපකරණයක එය සිදු කළ නොහැකියිනෙ. මෙවිට වාහනයේ හෝ ඔබේ අතේ තිබෙන සන්නිවේදන උපකරණයට සවි කර තිබෙන ඇන්ටනාව පොලොවේ සිට අඩි කිහිපයක් උඩින්නෙ තිබෙන්නේ.

ඉහත ප්‍රශ්න දෙකටම සාර්ථක විසඳුමක් ඇත. එනම් කෘත්‍රිම ග්‍රවුන්ඩ් එකක් නිර්මාණය කිරීමයි. ඒ සඳහා සෛද්ධාන්තිකව නම් අතිදැවැන්ත ලෝහ තැටියක් ඇන්ටනා කූර යටින් තැබිය හැකිය. එහෙත් ප්‍රායෝගිකව ඊටත් වඩා පහසුවෙන් එය කළ හැකියි. ඒ සඳහා ඇන්ටනාවට සාපේක්ෂව තරමක විශාල (ඇඟේ තරමට ඇඳුම මහනවා වාගේ) ලෝහ තැටියක් යොදා ගත හැකියි. එනම්, සංඥා තරංග ආයාමය මෙන් තුන හතරක් වත් විශාල ග්‍රවුන්ඩ් එකක් තිබීම උචිතය.

උදාහරණයක් ලෙස, වාහනයක මෙවන් වර්ටිකල් එකක් සවි කරනවා නම්, වාහනයේ ලෝහමය වහලය හොඳ ග්‍රවුන්ඩ් එකකි (ෆයිබර් ග්ලාස්වලින් සෑදූ බොඩි/වහලවල් යොදා ගත නොහැකිය). මොබයිල් උපකරණයක (ෆෝන් වැනි) ලෝහමය කේසිං එකද ග්‍රවුන්ඩ් ලෙස භාවිතා කළ හැකියි. මොබයිල් උපකරණවලදී සාමාන්‍යයෙන් මෙම ඇන්ටනාව කුඩා වන අතර ඒවා whip antenna ලෙස හැඳින්වේ. පහත රූපයේ වම් පැත්තෙන් පෙනෙන විප් ඇන්ටනාව ඇත්තටම ඇන්ටනාව සාදා තිබෙන අයුරුයි. දකුණු පැත්තේ ඇති විප් ඇන්ටනාව භාහිර ප්ලාස්ටික්/පොලිමර් ආවරණයක් තුලයි ඇත්තේ. මෙම කලුපාට භාහිර ආවරණය ඉවත් කළොත් පෙනේවි වම් පැත්තේ ඇන්ටනාව වැනි එකක් ඒ තුල තිබෙනවා.

ඇත්තටම ලෝහමය තැටියක්ද අවශ්‍ය නොවේ. පහත රූපයේ ආකාරයට ලෝහමය කූරු කිහිපයක් (4ක් පමණ) වුවද භාවිතා කළ හැකියි. මෙලෙස ග්‍රවුන්ඩ් එක ලෙස යොදා ගන්නා කූරු radials ලෙස හැඳින් වේ (මැද පොදු ලක්ෂයක සිට ඉවතට වටේට පවතින නිසා රේඩියල් යන වචනය භාවිතා වේ). රේඩියල් එකක දිග අවම වශයෙන් λ/3.9 විය යුතුය (ආසන්න වශයෙන් තරංග ආයාමයෙන් කාලකි). රේඩියල් ගණන වැඩි වීම තවත් හොඳය. ඇත්තටම රේඩියල් 1ක් තිබුණත් එය පවා හොඳ ග්‍රවුන්ඩ් එකකි.

ග්‍රවුන්ඩ් එකේ (හෙවත් ground plane එකේ) විශාලත්වයේ බලපෑම ඇන්ටනාවේ සම්බාදක අගයට මෙන්ම රේඩියේෂන් පැටර්න් එකට බලපානවා. ග්‍රවුන්ඩ් ප්ලේන් එකට තරංග ආයාම කිහිපයක විශාලත්වයක් තිබේ නම්, ග්‍රවුන්ඩ් ප්ලේන් එකේ සයිස් එක අඩු වැඩි වීමේදී සම්බාදක අගය වෙනස් වීම ඉතා අඩුය. රේඩියේෂන් පැටර්න් එක උලුඳු වඩයක හැඩය පවත්වා ගත්තත්, ග්‍රවුන්ඩ් ප්ලේන් එකේ සයිස් එක කුඩා වන විට එහි විකිරණය තරමක ඉහල දෙසට ඇද වීමක් සිදු වෙනවා (එනම් රේඩියේෂන් ඈන්ගල් එක විශාල වෙනවා).

ඉහත රූපයට පෙර රූපයේදී රේඩියල් සවි කර තිබෙන්නේ තිරස්වයි. එහෙත් රේඩියල්වල වටේ කෙලවරවල් ආනතව තිබෙන පරිදිත් සවි කළ හැකියි (slanted radials). මෙවිට අපූරු දෙයක් සිදු වේ. එනම්, එම ආනත බව වැඩි කරගෙන යන විට ඇන්ටනාවේ සම්බාදක අගයද ක්‍රමයෙන් වැඩි වේ. උදාහරණයක් ලෙස, එම කෝණය අංශක 45ක් පමණ වන විට, සම්බාදක අගය 36 සිට ඕම් 50 දක්වා වැඩි වේ.

ග්‍රවුන්ඩ් එකේ සන්නායකතාව වැඩි වන විට රේඩියේෂන් ඈන්ගල් එකද කුඩා වේ. එනිසා නිකංම පොලොව ග්‍රවුන්ඩ් ලෙස යොදා ගන්නා විට තරමක විශාල රේඩියේෂන් ඈන්ගල් එකක් තිබිය හැකියි. එහෙත් ඉතා හොඳ සන්නායකතාවක් තිබෙන රේඩියල් භාවිතා කරන විට, එම රේඩියේෂන් කෝණය කුඩා වේ. පහත දැක්වෙන්නේ අංශක 45ට සැකසූ රේඩියල් 4ක් තිබෙන සම්බාදකය ඕම් 50ක් වන ක්වාර්ටර්වේව්ලෙන්ත් ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවකි.

පොලොව ආසන්නයේදී වුවද රේඩියල් භාවිතා කළ හැකියි නිකංම පොලොව යොදා ගන්නවාට වඩා. මෙවිට හොඳ සන්නායකතාවක් ග්‍රවුන්ඩ් එක සඳහා ලබා දිය හැකියි මෙන්ම ඇන්ටනාවේ සම්බාදක අගයද අපට අවශ්‍ය පරිදි විචලනය කළ හැකියි රේඩියල් ආනත කරමින්. අඩු රේඩියේෂන් ඈන්ගල් එකක්ද ලබා ගත හැකිය.

කොහොමත් පොලොවේ සිට ඉහලට යන විට රේඩියේෂන් ඈන්ගල් එක කුඩා වෙනවානෙ. එනිසා මෙම වර්ටිකල් එක පොලොවේ සිට වැඩි වැඩියෙන් ඉහලින් රඳවන විට රේඩියල් ගණන අඩු කළද හැකිය.

ක්වාර්ටර්වේව් මොනෝපෝලයට ඉතා ආසන්න වර්ටිකල් ඇන්ටනාවකි තරංග ආයාමයෙන් 5/8 ක් වන සේ සකස් කළ මොනෝපෝලය. මෙය 5/8 wave vertical නමි. ක්වාර්ටර්වේව් මොනෝපෝලයක හා 5/8 මොනෝපෝලයක සංසන්දනාත්මක විශාලත්වය පහත රූපයෙන් දැක්වේ.

මෙහි ගේන් එක 4dB_d පමණ වේ. මෙම ඇන්ටනාවේ තිබෙන විශේෂත්වය නම් තිරස්ව විකිරණය කරන රේඩියෝ තරංග ප්‍රමාණය වැඩිය. පහත රූපයෙන් දැක්වෙන්නේ ක්වාර්ටර්වේව් මොනෝපෝලයක (කලුපාටින්) හා ෆයිව් එයිට් වේව් මොනෝපෝලයක (රතුපාටින්) රේඩියේෂන් පැටර්න් සංසන්දනයකි. මෙහි පැහැදිලිව පෙනෙනවා රතුපාටින් පෙන්වන ලෝබ් තිරස් පැතිවලින් ඈතට ගමන් කර තිබෙනවා. ඉහල පැත්තට (අංශක 60ක පමන ඇලයකින්) සයිඩ්ලෝබ් දෙකක්ද කුඩාවට තිබෙනවා.

මෙම ඇන්ටනාවේ සම්බාදක අගය කඩෙන් මිල දී ගැනීමට තිබෙන සම්මත ෆීඩර්ලයින්වල කැරක්ටරිස්ටික් ඉම්පීඩන්ස් අගයක් නොවේ (එය අවාසියකි). එනිසා, ඇන්ටනාවේ සම්බාදක අගය සම්මත සම්බාදක අගයක් බවට පත් කර ගැනීමට මෙවැනි ඇන්ටනාවල යටම කොටසේ යම් කොයිලයක් සාදනවා (මෙම උපක්‍රමය ගැන පසුවට කතා කෙරෙනවා). පහත දකුණු රූපයේ ඇන්ටනාව භාහිර ආවරණයක් තුල තිබෙන නිසා කොයිලය හා ඇන්ටනා කූර පෙන්නේ නැත.

බොහෝවිට ඕම් 50ක් බවටයි එය සකස් කරගන්නේ. ඊට හේතුව මෙයයි. තරංග ආයාමයෙන් ¾ ක දිගක් සහිත මොනෝපෝලයක ඕම් 50ක් තිබෙනවා. 5/8 මොනෝපෝලයේ දිගද ¾ හෙවත් 6/8 දිගට ආසන්නයිනෙ. ඉතිං ෆීඩර්ලයින් එකට ඇන්ටනා කූරේ ඉලෙක්ට්‍රිකල් ලෙන්ත් එක ¾ ලෙස දැනවිය හැකියි අර කිව්ව ලෙස කොයිල් එකක් සෑදීමෙන් (මෙය ඇන්ටනාව “ඉලෙක්ට්‍රිකලි දික් කරනවා” යැයි කියන බව මීට පෙර පාඩමකදී දැන ගත්තා).

මෙම කොයිලය දික් නොඇරෙන සේ ඇන්ටනාව පරිස්සම් කර ගත යුතු වෙනවා. යාන්ත්‍රික කම්පනවලට ලක් වීමෙන් හෝ යමක පැටලීමෙන් මෙම කොයිලය වෙනස් වීම වලක්වා ගත යුතුය. ඇත්තටම මෙවන් ඇන්ටනා කූරු භාහිර පරිසරයෙන් පරිස්සම් කර ගැනීමට විශේෂිත ආවරණ (enclosure) තිබෙනවා. ඔබ දැක තිබෙන ලොකු කුඩා ලස්සන ප්ලාස්ටික් කූරු මෙන් පෙනෙන ඇන්ටනාවල ඒ පිටතින් ඔබ දකින්නේ මෙම ආවරණය තමයි. එම ආවරණය තුල ලෝහමය ඇන්ටනා කූර තිබෙනවා. මොබයිල් උපකරණවලදී මෙම ආවරණය තවත් වැදගත් වෙනවා මොකද සන්නායක ඇන්ටනා කූරු ශරීරයේ හෝ වෙනත් දෙයක සම්බන්ද වී ඇන්ටනාවේ ගතිගුණ වෙනස් වීමද ඉන් වැලකෙනවා.

මෙම ඇන්ටනා ආවරණ සාමාන්‍ය ප්ලාස්ටික්ම නොවේ. රේඩියෝ තරංගවල පවතින විද්‍යුත් හා චුම්භක ක්ෂේත්‍ර හායනය නොකරන ද්‍රව්‍යයකි (RF transparent material හෝ antenna concealing material). එනිසා අනිවාර්යෙන්ම එම ආවරණවල එතරම් සන්නායකතාවක් තිබිය නොහැකියි නේද? Polycarbonate, rubber, fiberglass, වීදුරු යනු එවැනි ද්‍රව්‍ය කිහිපයකි. PVC ද භාවිතා කළ හැකියි. මෙවැනි ද්‍රව්‍ය පොදුවේ ඇන්ටනාවට හුරුබුහුටි හා professional පෙනුමක්ද ඉන් ලැබෙනවා ආරක්ෂාවට අමතරව.