සන්නිවේදනය හා ආධුනික ගුවන් විදුලිය (Amateur radio) 112

Log-Periodic Antenna

බැලූබැල්මට යැගී ඇන්ටනාවක් සේ පෙනේ. එහෙත් නිකංම අක්‍රිය (passive) ඩිරෙක්ටර් කූරු ටිකක් වෙනුවට, එය එක්තරා විදියක ඩයිපෝල රැසක එකතුවකි. එහෙත් එම එක් එක් ඩයිපෝල සවි කරන්නේ පහත රූපවල පෙන්වා ඇති විශේෂ ආකාරයකිනි. සාමාන්‍යයෙන් මෙම ඇන්ටනාවේ ගේන් එක විශාලය. Ismel හා DuHammel යන දෙදෙනා විසින් මෙම ඇන්ටනා වර්ගය හඳුන්වා දී ඇත.

එක් ඩයිපෝලයකින් කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයක් සපෝට් කරනවානෙ. ඩයිපෝල් රැසක් තිබෙන නිසා එවන් කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයන් රැසක් සපෝට් කරනවා. සාමාන්‍යයෙන් මෙම තනි තනි කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයන් එකිනෙක මත වැටෙන (overlap) සේ සකස් කරනවා. එවිට, එම තනි තනි කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයන් ගොන්නම එකට එකතු වී තනි විශාල සංඛ්‍යාත පරාසයක් සේ දිස් වේවි. උදාහරණයක් ලෙස, එක් එක් කූරකින් මෙගාහර්ට්ස් 700-750, 745-795, 790-840, 835-885, 880-930 ආදී ලෙස කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයක් සපෝට් කරයි නම්, එය මෙගාහර්ට්ස් 700 සිට 930 දක්වා සපෝට් කරනවා යැයි කිව හැකියි. ඒ කියන්නේ ඇන්ටනාව වයිඩ්බෑන්ඩ් වී ඇත. සෛද්ධාන්තිකව කූරු ගණන වැඩි කරමින් අපට අවශ්‍ය ඕනෑම විශාල බෑන්ඩ්විත් එකක් සකසා ගත හැකියි.

මෙම ඇන්ටනාවේ වැදගත් පරාමිතින් ගැන සොයා බලමු. ඒ සඳහා පහත දැක්වෙන රූප සටහන අවශ්‍ය වේ. ඉහත රූපය හා පහත රූපය දෙකම එකයි. බලන්න රූප දෙකෙහිම කූරු පේලි (boom) දෙකක් ඇත. එක් පැත්තකට යන විට කූරු ක්‍රමයෙන් කෙටි වේ. ෆීඩ්ලයින් එකේ අග්‍ර දෙක කූරු පේලි (බූම්) දෙකට වෙන වෙනම සම්බන්ද කර ඇත. එක් බූම් එකක වම් පැත්තට කූරක් සවි කරන විට, අනෙක් බූම් එකෙහිද අනෙක් පසට එම දිගින්ම යුතු කූරක් සවි කෙරෙනවා. තවද, එක බූම් එකක වම් පැත්තට කූරක් සවි කළ පසු, එම බූම් එකෙහිම ඊළඟ කූර සවි කරන්නේ දකුණු පැත්තටයි. හොඳින් බලන්න ඉහත රූපය. පේලි දෙකේම එක ළඟ ඇති කූරු දෙකම තනි කූරක් ලෙස සලකා (මෙතැන් සිට බූම් දෙකෙහි එක ළඟ ඇති කූරු දෙකට “ඩයිපෝල් කූර” ලෙස හඳුන්වමු) දිගවල් පෙන්වා ඇත L_n-2, L_n-1, L_n, L_n+1, L_n+2 ආදී වශයෙන්. එලෙසම කූරු අතර පරතරයද d_n-1, d_n, d_n+1 ආදි ලෙස පෙන්වා ඇත.

මෙම L දිගවල් හා d පරතරයන් තමයි මෙම ඇන්ටනාවේ මූලික පරාමිතින් වන්නේ. ඒවා අතර පහත ආකාරයට සම්බන්දතාවක් තිබිය යුතුය. ඩයිපෝල් කූරුවල දිගවල් හා ඩයිපෝල් කූරු අතර පරතරයන් ඉහත රූපයේ රටාවට ලකුණු කළොත් කිසි ගැටලුවක් නැතිව පහත සම්බන්දතාව පහසුවෙන්ම ලබා ගත හැකියි. දිග අනුපාතයට ඒ පෙන්වා ඇති පරතර අනුපාතය සමාන වන අතර, එය යම් නියත අගයකි. මේ ලෙස සියලුම අනුයාත (එක ළඟ) ඇති ඩයිපෝල් කූරු හා පරතර අනුපාත යම් නියත අගයකට සමාන වේ. එම නියත පදය (k) scal‍e factor ලෙස හැඳින්වේ. සමහර පතපොතෙහි k යන ස්කේල් ෆැක්ටර් යන නියත පදය වෙනුවට 1/τ යනුවෙන් නියත පදයක් භාවිතා කරනවා. τ යන්න එවිට geometric ratio ලෙස හැඳින්වෙන අතර, k = 1/τ වේ.

දැනු සිතන්න දිගම ඩයිපෝල් කූර (ඉහත රූපයේ හැටියට L_n+1) යම් f නම් සංඛ්‍යාතයක මැදි කර ගත් කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයක් සපෝට් කරනවා කියා. ඒ කියන්නේ එම ඩයිපෝල් කූර තරංග ආයාමයෙන් ½ ක් විශාල විය යුතුය. එවිට, ඊට පසුව ඇති ඊට වඩා කුඩා ඩයිපෝල් කූරෙන් kf නම් සංඛ්‍යාතය මැදි කොටගත් කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයක් සපෝට් කරනවා. ඊටත් පසුව ඇති කුඩා ඩයිපෝල් කූරෙන් k(kf) හෙවත් k²f නම් සංඛ්‍යාතය මැදි කොට ගත් කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයක් සපෝට් කරාවි. මේ ආදි ලෙස එක් එක් අනුයාත ඩයිපෝල් කූරෙන් k³f, k⁴f ආදි ලෙස විවිධ සංඛ්‍යාතයන් සපෝට් කරනවා. මෙලස k, k², k³, k⁴ ආදි ලෙස යම් සංඛ්‍යාතයක් ක්‍රමයෙන් වැඩි වන රටාවක් තිබෙන නිසාය මෙම ඇන්ටනාවට ලොග් යන නම ලැබී තිබෙන්නේ. දැන් මෙම එක් එක් කුඩා සංඛ්‍යාත පරාසයන් තරමක් එක මත එක පිහිටන සේ සකසා ගත් විට (ඉහත විස්තර කළ පරිදි) අපට වයිඩ්බෑන්ඩ් ඇන්ටනාවක් ලැබේ. ඒ සඳහා k නියතය සුදුසු අගයකින් තැබිය යුතුය.

ඉහත විස්තර අනුව පහත ආකාරයටද අනුපාතයක් සාදා ගත හැකියි. මෙය ඉතා වැදගත් සම්බන්දතාවකි මොකද ඉන් ඇන්ටනාවේ බෑන්ඩ්විත් එක පහසුවෙන්ම ගණනය කළ හැකියි. මෙහිදී ඇන්ටනාවේ එක් ඩයිපෝල් කූරක් (විශාලතම ඩයිපෝල් කූර) ගෙන, ඊට සාපේක්ෂව ඊට ඈතින්ම ඇති ඩයිපෝල් කූර (කුඩාම ඩයිපෝල් කූර) අතර අනුපාතය ලබා ගෙන, එය k හි බලයක් ලෙස දක්වනවා (ඉහත පෙන්වූ අනුපාත සූත්‍රයෙන්මයි මෙම සූත්‍රය ලැබෙන්නේ). මෙවිට, ලොකුම ඩයිපෝල් කූරේ සංඛ්‍යාතය හා කුඩාතම ඩයිපෝල් කූරේ සංඛ්‍යාතය අතර අනුපාතය ගත් විට ඇන්ටනාවේ බෑන්ඩ්විත් අගය (අනුපාතයක් ආකාරයෙන්) ලැබේ (අවශ්‍ය නම් බෑන්ඩ්විත් අගය අනුපාතයක් ලෙස නොගෙන පරාසයක්/වෙනසක් ලෙසද ඉදිරිපත් කළ හැකියි).

ඉහත විස්තර කළ මූලික සිද්ධාන්ත මත පදනම්ව ලොග් පීරියඩික් ඇන්ටනා ආකාර කිහිපයකින්ම සාදා ගත හැකියි. ඉහත විස්තර කළේ එක් ආකාරයකි. ප්‍රචලිතම ආකාරය වන්නේ Log Periodic Dipole Array (LPDA) වේ. ඒ ගැන සොයා බලමු. පහත රූපයේ දැක්වෙන්නේ එහි මූලික සැකැස්මයි. භෞතිකව මෙම ඇන්ටනාව (පොදුවේ ලොග් පීරියඩික් ඇන්ටනාව) ක්‍රියා කරන අයුරු දැන් බලමු.

ලොග් ඇන්ටනාවක හැමවිටම කූරු පේලි 2ක් තිබෙනවානේ. ඉහත LDPA හි එම පේල් දෙක සකසා තිබෙන විදිය බලන්න (මීට පෙර ඇඳ තිබූ සාමාන්‍ය ලොග් පීරියඩික් ඇන්ටනාව සමඟ එය සසඳා බලන්න). පේලිය සිග්සැග් (criss-cross) ක්‍රමයට පවතින අතර, එමඟින් යම් පේලියක තිබෙන කූරු කූරෙන් කූරට පැති මාරු වේ. ඇන්ටනාවේ කූරු ක්‍රමයෙන් දිග වන නිසා එය ඉහත රූපයේ පෙන්වා ඇති පරිදි යම් කෝණයක් සාදයි. දෙපැත්තම එලෙස ඇලට පවතින නිසා එම කෝණය 2α ලෙස දක්වා ඇත. එවිට α කෝණය apex angle ලෙස හැඳින්වේ.

දැන් L₃ ලෙස පෙන්වා තිබෙන ඩයිපෝල් කූර මොහොතකට සලකමු. එය සරල හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඩයිපෝලයක් ලෙස සලකන්න. එවිට, එය අනුනාදි වන යම් සංඛ්‍යාතයක් තිබෙනවානෙ. ඒ කියන්නේ ඇන්ටනාවට ලැබෙන සංඥාවේ එම අනුනාදි සංඛ්‍යාතයට සංවේදි වන්නේ එම ඩයිපෝලයයි. ඊට අමතරව, එම ඩයිපෝලයට දෙපසින් තවත් ඩයිපෝල ඇත. එහෙත් ඒවා L₃ ට වඩා කුඩාය; නැතහොත් විශාලය. එනිසා එම සංඛ්‍යාතයට දෙපසින් තිබෙන අනෙක් ඩයිපෝල අනුනාදි නොවේ. එසේ වුවත්, L₃ ට දෙපසින් යාබද ඩයපෝල දෙක L₃ හි දිගට කිට්ටු නිසා, එම ඩයිපෝල දෙකද එම සංඛ්‍යාතය සපෝට් කරාවි. k අගයේ විශාලත්වය කුඩායි නම්, බොහෝවිට L₃ ට යාබද දෙපැත්තේ ඇති තවත් වැඩිපුර ඩයිපෝල ගණනක් එම සංඛ්‍යාතය සපෝට් කරාවි. එහෙත් සරල පැහැදිලි කිරීම සඳහා උපකල්පනය කරමු යම් ඩයිපෝලයකට දෙපස යාබද ඩයිපෝල දෙක පමණක් යම් සංඛ්‍යාතයක් සපෝට් කරනවා කියි. මෙවිට එම අනුනාදි ඩයිපෝලය මැදි කොට ගත් ඩයිපෝල් තුනේ සෙට් එක සක්‍රිය කලාපය (active region) ලෙස නම් කරමු. අනෙක් ඩයිපෝල අක්‍රිය කලාප (inactive region) ලෙස හඳුන්වමු.

ඉහත ආකාරයට යම් සංඛ්‍යාතයක් ගතහොත් (ඇන්ටනාවේ බෑන්ඩ්විත් එක තුල තිබෙන), හැමවිටම එම සංඛ්‍යාතයට බලපවත්වන සක්‍රිය කලාපයකුත් අක්‍රිය කලාපයකුත් ඇන්ටනාව මත පවතීවි. සංඛ්‍යාතය ක්‍රමයෙන් වැඩි කර ගෙන යන විට, සක්‍රිය කලාපය ක්‍රමයෙන් කූරු කෙටි වන පැත්තට විතැන් වේ (මොකද සංඛ්‍යාතය වැඩි වෙනවා යනු තරංග ආයාමය කුඩා වෙනවා යන්නයි). ඒ කියන්නේ සක්‍රිය කලාපය සංඛ්‍යාතය වෙනස් වන විට ඇන්ටනාව මත එහාට මෙහාට ගමන් කරනවා. මේ අනුව මෙම ඇන්ටනාවෙන් කොටසක් පමණයි බොහෝවිට විකිරණය සිදු කරන්නේ. එම විකිරණය යැගී ඇන්ටනාවක මෙන් ඇන්ටනා අක්ෂය ඔස්සේ සිදු වේ.

ඉහත විස්තර කළ ආකාරයට යම් සංඛ්‍යාතයකට (තරංග ආයාමයකට) සාපේක්ෂව එක් ඩයිපෝල් කූරක් (හා ඒ දෙපස ඇති ඩයිපෝල් කූරු සඳහා ආසන්න වශයෙන්) විතරක් අනුනාදි වේ. ඊට කුඩා ඩයිපෝල් කූරුවල ධාරිත්‍රක සම්බාදකයක් පවතින අතර, ඊට විශාල ඩයිපෝල් කූරුවල ප්‍රේරක සම්බාදකයක් පවතිනවා. එනිසා යම් සංඥාවක් එන විට, එම සංඥාවේ සංඛ්‍යාතයට ආසන්න වශයෙන් හෝ අනුනාදි වන ඩයිපෝල් කූර සොයා ගෙන එම සංඥාව ගමන් කරනවා. එය හරියට පාරවල් කිහිපයක් තිබෙන විට ඔබ ට්‍රැෆික් අඩුම පාර තෝර ගන්නවා සේය. එසේ වුවත් ප්‍රායෝගිව, අනෙක් ඩයිපෝල් කූරුවලින්ද (ඉනැක්ටිව් රීජන් එකේ) ඉතා සුලු ප්‍රමාණයකින් රේඩියෝ විකිරණය වේවි. එම විකිරණය කූරුවලට broadside එකෙන් (එනම්, ඇන්ටනාව ඉහත රූපයේ ආකාරයට තැබුවොත් කොලය/තිරය තුලටත් ඉන් පිටතටත්) පිට වේ.

ඇත්තටම මෙම ඇන්ටනාව තරමක් දුරට යැගී ඇන්ටනාවක් සේ ක්‍රියාත්මක වෙනවා. සක්‍රිය කලාපයේ ඇති ඩයිපෝල් කූර (හෝ ඩයිපෝල් කූරු කිහිපය) සාමාන්‍ය ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවක ඩයිපෝලය වැනිය. එවිට, ඊට ඉදිරියෙන් ඇති කුඩා ඩයිපෝල් කූරුවලින් ඉහත විස්තර කළ පරිදි එතරම් විකිරණයක් සිදු නොවන නිසා, ඒවා නිකංම යැගි ඇන්ටනාවක ඩිරෙක්ටර් කූරු ලෙස ක්‍රියාත්මක වේ. එලෙසම, ඊට පිටුපසින් ඇති දිග ඩයිපෝල් කූරුවලින්ද ඉහත විස්තර කළ ලෙසම එතරම් විකිරණයක් සිදු නොවන නිසා, ඒවාත් නිකංම යැගි ඇන්ටනාවක පරාවර්තක කූරු ලෙස ක්‍රියාත්මක වේ. මේ අනුව, ඇන්ටනාවෙන් විකිරණය පිට වන්නේ දිගු කූරු පැත්තේ සිට කෙටි කූරු ඇති පැත්ත දෙසට වේ.

ලොග් පීරියඩික් ඇන්ටනාව පහත ආකාරයට පරිපථ ආකෘතියකින්ද නිරූපණය කළ හැකිය. මෙහි කූරු දිග පැත්තේ අක්‍රිය කලාපය reflective region ලෙස නම් කර තිබීමට හේතුව ඉහත යැගී ඇන්ටනාව ඇසුරින් කළ විස්තරයෙන් පැහැදිලියිනෙ. එලෙසම කෙටි කූරු පැත්තේ අක්‍රිය කලාපය loaded transmission line region ලෙස නම් කර තිබේ. මෙහි unloaded transmission line region යනුවෙන් නම් කර තිබෙන්නේ ඇන්ටනාවට සම්බන්ද කර තිබෙන සාමාන්‍ය ෆීඩ්ලයින් එකයි. එම මුලු ආකෘතියම පාදක කර ගෙන තිබෙන්නේ ලොස්ලස් ෆීඩ්ලයින් එක සඳහා වූ පරිපථ ආකෘතියයි (මීට පෙර මේ ගැන අප කතා කර තිබෙනවා).

මෙම ආකෘතියෙන් ඉතා වටිනා කාරණයක්ද සැඟව පවතිනවා ඕනෑම ඇන්ටනාවක් සඳහා පොදු. එය නම් ඇන්ටනාව ෆීඩ්ලයින් එකට පෙනෙන්නේ ෆීඩ්ලයින් එකේම කොටසක් ලෙසයි (ඇත්තටම පරිපූර්ණ ඇන්ටනාවක් එසේ ෆීඩ්ලයින් එකට දැනිය යුතුය). දැන් යම් සම්ප්‍රේෂකයකින් පිටවන සංඥා ජවයක් ෆීඩ්ලයින් එකට ඇතුලු වේ. ෆීඩ්ලයින් එක අනන්තයක් දිග යැයි සිතන්න. එවිට අර සංඥාව ඉවරයක් නැතිව (අනන්ත කාලයක්) අර වයරය දිගේ ගමන් කරයි. ඒ කියන්නේ ට්‍රාන්ස්මීටරයෙන් පිටවන සියලු සංඥා ෆීඩ්ලයින් එක විසින් “උරා” ගනී (කිසිදු කොටසක් නැවත ට්‍රාන්ස්මීටරය දෙසට පරාවර්තනය නොවේ). එහෙත් ප්‍රායෝගිකව ගත් විට ෆීඩ්ලයින් එක අනන්තයක් දිග නැහැනෙ. එහෙත් ෆීඩ්ලයින් එකේ කෙලවර ඇති ඇන්ටනාව විසින් ෆීඩ්ලයින් එකෙන් එන සියලු සංඥා රේඩියෝ තරංග ලෙස විකිරණය කර යවනවා (පරිපූර්ණ ඇන්ටනාවක් නම්). ඒ කියන්නේ ෆීඩ්ලයින් එක අනන්තයක් දිග එකක් බවට පත් කර තිබේ. මෙනිසයි ඇන්ටනාවේ ඉම්පීඩන්ස් අගය හා ෆීඩ්ලයින් එකේ ඉම්පීඩන්ස් අගය මැච් විය යුතුයි කියන්නේ.

ඇක්ටිව් කලාපයේ ක්‍රියාකාරිත්වය R₀ යන ප්‍රතිරෝධයෙන් ආකෘතිගත කර තිබේ. එහි තේරුම එම කලාපයේ ඩයිපෝලවල ධාරිත්‍රක හෝ ප්‍රේරක ප්‍රතිබාදක නැතිව නිකංම ප්‍රතිරෝධ අගයක් තිබෙනවා යන්නයි (එයනෙ අනුනාදය යනුවෙන් අර්ථ දැක්වූයෙත්). එහෙත් දිගු කූරු සියල්ල L₀ ලෙස සමාන්තරගත ප්‍රේරකයකින් (shunt inductor) දක්වා තිබෙනවා (එම පෙදෙසේ ප්‍රේරක ප්‍රතිබාදකයක්/සම්බාදකයක් තිබෙනවා කියන්නේ එනිසානෙ). එලෙසම, කෙටි කූරු සියල්ල C₀ ලෙස ෂන්ට් කැපෑසිටරයකින් ආකෘතිගත කර තිබෙනවා (එනිසා එම පෙදෙසේ ධාරිත්‍රක ප්‍රතිබාදකයක්/සම්බාදකයක් තිබෙනවා යැයි පවසනවා).

කුඩා කූරු තිබෙන පැත්තෙන් ෆීඩ්පොයින්ට් එක තිබීම වැදගත්ය. මෙවිට, සංඥා සංඛ්‍යාතයට අනුනාදි වන ඩයිපෝලය වෙත එන තෙක් සංඥාව එතරම් හායනය නොවේ (එතෙක් තිබෙන කුඩා කූරුවලින් විකිරණය එතරම් සිදු නොවන නිසා). ඉන්පසුව සංඥාවට අනුනාදි වන ඩයිපෝලය විසින් සාමාන්‍ය පරිදි විකිරණය හොඳින් සිදු කරාවි. එනිසා හාෆ්වේව්ලෙන්ත් ඩයිපෝලයට පසුව ඇති කූරුවලට එතරම් සංඥා ජවයක් ඉතිරි නොවේ.

ලොග් පීරියඩික් ඇන්ටනාවක කාර්යක්ෂමතාව පහත ප්‍රස්ථාරයෙන් දැක්වෙන පරිදි හැසිරීමක් දක්වනවා. එනම් දිගම ඩයිපෝල් කූර තරංග ආයාමයට සාපේක්ෂව කොතරම් විශාලද යන්න මත එය බෙහෙවින් විචලනය වෙනවා. ප්‍රස්ථාරය අනුව පෙනෙනවා දිගම ඩයිපෝල් කූර තරංග ආයාමයෙන් හරි අඩකට වඩා ටිකක් වැඩි වන අවස්ථාව තමයි ඇන්ටනාවේ කාර්යක්ෂමතාව උපරිම වන්නේ. තවද, ෆීඩ්ලයින් එකේ සම්බාදක අගය අනුවත් කාර්යක්ෂමතාව වෙනස් වන බව පෙනෙනවා. උදාහරණයක් ලෙස, ඕම් 100 කේබලයට වඩා ඕම් 300 කේබලය යොදා ගත් විට ඇන්ටනා කාර්යක්ෂමතාව ඉහල යන බව පෙනේ.

ඉහත ප්‍රස්ථාරයෙන් නොපෙන්නුවත්, යම් ලොග් පීරියඩික් ඇන්ටනාවකින් විකිරණය පිට කිරීම ෆීඩ්පොයින්ට් එකට ආසන්න කූරුවලින් සිදු වේ නම්, එවිටත් ඇන්ටනාවේ කාර්යක්ෂමතාව ඉහල යෑමට හේතු වේ. ඒ කියන්නේ සංඥා සංඛ්‍යාතයට අනුනාදි වන ඩයිපෝලය ෆීඩ්ලයින් එකට ආසන්නයේ පිහිටීම සුදුසු බවයි.

සටහන

යම් නියත සංඛ්‍යාතයකට (තරංග ආයාමයකට) සාපේක්ෂව ඩයිපෝල් කූරක දිග වෙනස් වන විට, එම ඩයිපෝල් කූරේ සම්බාදක අගයද වෙනස් වේ. පහත දැක්වෙන්නේ දළ වශයෙන් එක් එක් දිගවල් සහිත ඩයිපෝල් කූරුවල සම්බාදක අගය සොයන සූත්‍ර වේ.