هوائيالقياس هو عملية تقييم وتحليل أداء وخصائص الهوائي كميًا. باستخدام معدات اختبار خاصة وأساليب قياس متطورة، نقيس الكسب، ونمط الإشعاع، ونسبة الموجة الموقوفة، واستجابة التردد، وغيرها من معايير الهوائي للتحقق من مطابقة مواصفات التصميم للمتطلبات، وفحص أداء الهوائي، وتقديم اقتراحات للتحسين. يمكن استخدام نتائج وبيانات قياسات الهوائي لتقييم أدائه، وتحسين التصاميم، ورفع كفاءة النظام، وتقديم التوجيه والملاحظات لمصنعي الهوائيات ومهندسي التطبيقات.
المعدات المطلوبة في قياسات الهوائيات
بالنسبة لاختبار الهوائيات، فإن الجهاز الأساسي هو جهاز تحليل الشبكة الاتجاهية (VNA). أبسط أنواع أجهزة تحليل الشبكة الاتجاهية هو جهاز تحليل الشبكة الاتجاهية ذو المنفذ الواحد، والذي يمكنه قياس معاوقة الهوائي.
يُعدّ قياس نمط إشعاع الهوائي وكسبه وكفاءته أكثر صعوبة ويتطلب معدات أكثر بكثير. سنُطلق على الهوائي المراد قياسه اسم "الهوائي قيد الاختبار" (AUT). تشمل المعدات المطلوبة لقياسات الهوائي ما يلي:
هوائي مرجعي - هوائي ذو خصائص معروفة (كسب، نمط، إلخ)
جهاز إرسال طاقة الترددات اللاسلكية - طريقة لحقن الطاقة في الهوائي قيد الاختبار
نظام الاستقبال - يحدد هذا النظام مقدار الطاقة التي تستقبلها الهوائي المرجعي
نظام تحديد المواقع - يستخدم هذا النظام لتدوير هوائي الاختبار بالنسبة لهوائي المصدر، لقياس نمط الإشعاع كدالة للزاوية.
يوضح الشكل 1 مخططًا توضيحيًا للمعدات المذكورة أعلاه.
الشكل 1. رسم تخطيطي لمعدات قياس الهوائي المطلوبة.
سنتناول هذه المكونات بإيجاز. من البديهي أن يشع الهوائي المرجعي بكفاءة عند تردد الاختبار المطلوب. غالبًا ما تكون الهوائيات المرجعية هوائيات بوقية ثنائية الاستقطاب، بحيث يمكن قياس الاستقطاب الأفقي والرأسي في آن واحد.
يجب أن يكون نظام الإرسال قادرًا على إخراج مستوى طاقة ثابت ومعروف. كما يجب أن يكون تردد الإخراج قابلاً للضبط (قابلاً للتحديد)، ومستقرًا إلى حد معقول (أي أن يكون التردد الناتج من جهاز الإرسال قريبًا من التردد المطلوب، ولا يتغير كثيرًا بتغير درجة الحرارة). يجب أن يحتوي جهاز الإرسال على طاقة ضئيلة جدًا عند جميع الترددات الأخرى (ستكون هناك دائمًا بعض الطاقة خارج نطاق التردد المطلوب، ولكن لا ينبغي أن تكون هناك طاقة كبيرة عند التوافقيات، على سبيل المثال).
يحتاج نظام الاستقبال ببساطة إلى تحديد مقدار الطاقة المستلمة من هوائي الاختبار. ويمكن القيام بذلك باستخدام مقياس طاقة بسيط، وهو جهاز لقياس طاقة الترددات الراديوية، ويمكن توصيله مباشرةً بأطراف الهوائي عبر خط نقل (مثل كابل محوري بموصلات من النوع N أو SMA). عادةً ما يكون نظام الاستقبال 50 أوم، ولكن يمكن أن يكون بمقاومة مختلفة إذا لزم الأمر.
تجدر الإشارة إلى أن نظام الإرسال/الاستقبال يُستبدل غالبًا بجهاز تحليل الشبكة الاتجاهي (VNA). يقوم جهاز قياس S21 بإرسال تردد من المنفذ 1 وتسجيل القدرة المستلمة عند المنفذ 2. لذا، يُعد جهاز تحليل الشبكة الاتجاهي (VNA) مناسبًا تمامًا لهذه المهمة؛ إلا أنه ليس الطريقة الوحيدة لإنجازها.
يتحكم نظام تحديد المواقع في اتجاه هوائي الاختبار. ولأننا نرغب في قياس نمط إشعاع هوائي الاختبار كدالة للزاوية (عادةً في الإحداثيات الكروية)، نحتاج إلى تدوير هوائي الاختبار بحيث يُضيء هوائي المصدر هوائي الاختبار من جميع الزوايا الممكنة. ويُستخدم نظام تحديد المواقع لهذا الغرض. يوضح الشكل 1 عملية تدوير هوائي الاختبار. تجدر الإشارة إلى وجود طرق عديدة لإجراء هذا التدوير؛ ففي بعض الأحيان يُدار هوائي المرجع فقط، وفي أحيان أخرى يُدار كل من هوائي المرجع وهوائي الاختبار.
الآن وقد أصبح لدينا جميع المعدات المطلوبة، يمكننا مناقشة مكان إجراء القياسات.
أين المكان الأمثل لإجراء قياسات الهوائي؟ قد ترغب في القيام بذلك في مرآبك، لكن انعكاسات الصوت من الجدران والأسقف والأرضية ستؤدي إلى عدم دقة القياسات. الموقع المثالي لإجراء قياسات الهوائي هو مكان ما في الفضاء الخارجي، حيث لا تحدث أي انعكاسات. مع ذلك، ونظرًا لأن السفر إلى الفضاء مكلف للغاية حاليًا، سنركز على أماكن القياس الموجودة على سطح الأرض. يمكن استخدام غرفة عديمة الصدى لعزل جهاز اختبار الهوائي مع امتصاص الطاقة المنعكسة باستخدام رغوة ماصة للترددات اللاسلكية.
نطاقات الفضاء الحر (غرف عديمة الصدى)
تُعدّ نطاقات الفضاء الحر مواقع قياس هوائيات مصممة لمحاكاة القياسات التي تُجرى في الفضاء. أي أنه يتم فيها كبح جميع الموجات المنعكسة من الأجسام القريبة والأرض (وهي غير مرغوب فيها) قدر الإمكان. ومن أشهر نطاقات الفضاء الحر: الغرف عديمة الصدى، والنطاقات المرتفعة، والنطاقات المدمجة.
غرف عديمة الصدى
الغرف عديمة الصدى هي ميادين اختبار هوائيات داخلية. تُبطّن جدرانها وأسقفها وأرضيتها بمادة خاصة ماصة للموجات الكهرومغناطيسية. تُفضّل الميادين الداخلية لأن ظروف الاختبار فيها أكثر دقة من تلك الموجودة في الميادين الخارجية. غالبًا ما تكون المادة المستخدمة ذات شكل مُسنّن، مما يجعل هذه الغرف مثيرة للاهتمام. صُممت الأشكال المثلثية المُسنّنة بحيث يميل ما ينعكس منها إلى الانتشار في اتجاهات عشوائية، وما يتجمع من كل هذه الانعكاسات العشوائية يميل إلى التراكم بشكل غير متماسك، وبالتالي يتم كبحه بشكل أكبر. تظهر الصورة التالية صورة لغرفة عديمة الصدى، بالإضافة إلى بعض معدات الاختبار.
(تظهر الصورة اختبار هوائي RFMISO)
من عيوب الغرف عديمة الصدى أنها غالبًا ما تتطلب مساحة كبيرة جدًا. فكثيرًا ما تحتاج الهوائيات إلى أن تكون على بُعد عدة أطوال موجية على الأقل لمحاكاة ظروف المجال البعيد. لذا، نحتاج إلى غرف كبيرة جدًا للترددات المنخفضة ذات الأطوال الموجية الكبيرة، لكن التكلفة والقيود العملية غالبًا ما تحدّ من حجمها. ومن المعروف أن بعض شركات المقاولات الدفاعية التي تقيس المقطع العرضي الراداري للطائرات الكبيرة أو غيرها من الأجسام تمتلك غرفًا عديمة الصدى بحجم ملاعب كرة السلة، مع أن هذا ليس شائعًا. أما الجامعات التي تمتلك غرفًا عديمة الصدى، فعادةً ما تكون أبعادها من 3 إلى 5 أمتار طولًا وعرضًا وارتفاعًا. ونظرًا لقيد الحجم، ولأن المواد الماصة للترددات الراديوية تعمل بكفاءة أكبر عند الترددات العالية جدًا (UHF) وما فوقها، تُستخدم الغرف عديمة الصدى في أغلب الأحيان للترددات التي تزيد عن 300 ميجاهرتز.
السلاسل الجبلية المرتفعة
تُعدّ نطاقات القياس المرتفعة نطاقات خارجية. في هذا النوع من الإعداد، يُثبّت المصدر والهوائي قيد الاختبار فوق سطح الأرض. يمكن وضع هذه الهوائيات على الجبال أو الأبراج أو المباني أو أي مكان مناسب آخر. يُستخدم هذا الأسلوب غالبًا مع الهوائيات الكبيرة جدًا أو عند الترددات المنخفضة (VHF وما دونها، أقل من 100 ميجاهرتز) حيث يصعب إجراء القياسات داخل المباني. يوضح الشكل 2 المخطط الأساسي لنطاق القياس المرتفع.
الشكل 2. توضيح النطاق المرتفع.
ليس بالضرورة أن يكون هوائي المصدر (أو الهوائي المرجعي) على ارتفاع أعلى من هوائي الاختبار، وقد أوضحتُ ذلك هنا فقط. يجب أن يكون خط الرؤية بين الهوائيين (الموضح بالشعاع الأسود في الشكل 2) خاليًا من العوائق. جميع الانعكاسات الأخرى (مثل الشعاع الأحمر المنعكس من الأرض) غير مرغوب فيها. بالنسبة للمدى المرتفع، بمجرد تحديد موقع هوائي المصدر وهوائي الاختبار، يحدد مشغلو الاختبار أماكن حدوث الانعكاسات المهمة، ويحاولون تقليل الانعكاسات من هذه الأسطح. غالبًا ما تُستخدم مواد ماصة للترددات الراديوية لهذا الغرض، أو مواد أخرى تعمل على صد الأشعة بعيدًا عن هوائي الاختبار.
نطاقات مدمجة
يجب وضع هوائي المصدر في المجال البعيد لهوائي الاختبار. والسبب هو أن الموجة التي يستقبلها هوائي الاختبار يجب أن تكون موجة مستوية لتحقيق أقصى دقة. ولأن الهوائيات تشع موجات كروية، يجب أن يكون الهوائي بعيدًا بما يكفي بحيث تكون الموجة المشعة من هوائي المصدر موجة مستوية تقريبًا - انظر الشكل 3.
الشكل 3. هوائي مصدر يشع موجة ذات جبهة موجية كروية.
مع ذلك، غالبًا ما تكون المسافة بين الهوائيات في الغرف المغلقة غير كافية لتحقيق ذلك. إحدى طرق حل هذه المشكلة هي استخدام هوائي صغير الحجم. في هذه الطريقة، يُوجَّه هوائي المصدر نحو عاكس مصمم شكله ليعكس الموجة الكروية بشكل شبه مستوٍ. يشبه هذا إلى حد كبير مبدأ عمل هوائي الطبق. يوضح الشكل 4 آلية التشغيل الأساسية.
الشكل 4. المدى المضغوط - تنعكس الموجات الكروية من هوائي المصدر لتصبح مستوية (متوازية).
يُفضّل عادةً أن يكون طول العاكس المكافئ أكبر بعدة مرات من طول هوائي الاختبار. يقع هوائي المصدر في الشكل 4 على مسافة من العاكس بحيث لا يحجب الأشعة المنعكسة. كما يجب توخي الحذر لمنع أي إشعاع مباشر (اقتران متبادل) من هوائي المصدر إلى هوائي الاختبار.
تاريخ النشر: 3 يناير 2024
