يعلم مهندسو الإلكترونيات أن الهوائيات ترسل وتستقبل إشارات على شكل موجات من الطاقة الكهرومغناطيسية، موصوفة بمعادلات ماكسويل. وكما هو الحال في العديد من المواضيع، يمكن دراسة هذه المعادلات، وخصائص انتشار الكهرومغناطيسية، على مستويات مختلفة، بدءًا من المصطلحات النوعية نسبيًا وصولًا إلى المعادلات المعقدة.
هناك جوانب عديدة لانتشار الطاقة الكهرومغناطيسية، أحدها الاستقطاب، الذي قد يكون له درجات متفاوتة من التأثير أو الإشكالية في التطبيقات وتصاميم هوائياتها. تنطبق المبادئ الأساسية للاستقطاب على جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية، بما في ذلك الترددات الراديوية/اللاسلكية، والطاقة الضوئية، وغالبًا ما تُستخدم في التطبيقات الضوئية.
ما هو استقطاب الهوائي؟
قبل فهم الاستقطاب، يجب علينا أولاً فهم المبادئ الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية. تتكون هذه الموجات من مجالات كهربائية (مجالات E) ومجالات مغناطيسية (مجالات H)، وتتحرك في اتجاه واحد. يكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض وعلى اتجاه انتشار الموجة المستوية.
يشير الاستقطاب إلى مستوى المجال الكهربائي من منظور جهاز إرسال الإشارة: بالنسبة للاستقطاب الأفقي، يتحرك المجال الكهربائي جانبياً في المستوى الأفقي، بينما بالنسبة للاستقطاب الرأسي، يتذبذب المجال الكهربائي لأعلى ولأسفل في المستوى الرأسي. (الشكل 1).
الشكل 1: تتكون موجات الطاقة الكهرومغناطيسية من مكونات المجال الكهرومغناطيسي المتعامدة بشكل متبادل
الاستقطاب الخطي والاستقطاب الدائري
تتضمن أوضاع الاستقطاب ما يلي:
في الاستقطاب الخطي الأساسي، يكون الاستقطابان المحتملان متعامدين (متعامدين) على بعضهما البعض (الشكل 2). نظريًا، لن يستقبل هوائي استقبال مستقطب أفقيًا إشارة من هوائي مستقطب رأسيًا، والعكس صحيح، حتى لو كان كلاهما يعمل على نفس التردد. كلما كانا متوازيين بشكل أفضل، زادت كمية الإشارة الملتقطة، ويصل نقل الطاقة إلى أقصى حد عند تطابق الاستقطابين.
الشكل 2: يوفر الاستقطاب الخطي خيارين للاستقطاب بزوايا قائمة على بعضهما البعض
الاستقطاب المائل للهوائي هو نوع من الاستقطاب الخطي. ومثل الاستقطاب الأفقي والرأسي الأساسي، لا يُجدي هذا الاستقطاب نفعًا إلا في البيئات الأرضية. يكون الاستقطاب المائل بزاوية ±45 درجة بالنسبة للمستوى المرجعي الأفقي. وبينما يُعد هذا في الواقع مجرد شكل آخر من أشكال الاستقطاب الخطي، فإن مصطلح "خطي" عادةً ما يشير فقط إلى الهوائيات ذات الاستقطاب الأفقي أو الرأسي.
على الرغم من بعض الخسائر، لا يمكن إرسال (أو استقبال) الإشارات عبر هوائي قطري إلا باستخدام هوائيات مستقطبة أفقيًا أو رأسيًا. تُعد الهوائيات المستقطبة بشكل غير مباشر مفيدة عندما يكون استقطاب أحد الهوائيين أو كليهما غير معروف أو يتغير أثناء الاستخدام.
الاستقطاب الدائري (CP) أكثر تعقيدًا من الاستقطاب الخطي. في هذا الوضع، يدور الاستقطاب الذي يمثله متجه المجال الكهربائي (E) مع انتشار الإشارة. عند تدويره إلى اليمين (بالنظر من جهاز الإرسال)، يُسمى الاستقطاب الدائري استقطابًا دائريًا أيمنًا (RHCP)؛ وعند تدويره إلى اليسار، يُسمى استقطابًا دائريًا أيسرًا (LHCP) (الشكل 3).
الشكل 3: في الاستقطاب الدائري، يدور متجه المجال الكهربائي للموجة الكهرومغناطيسية؛ يمكن أن يكون هذا الدوران أيمن أو أيسر
تتكون إشارة CP من موجتين متعامدتين خارج الطور. يتطلب توليد إشارة CP ثلاثة شروط: يجب أن يتكون المجال الكهربائي من مركبتين متعامدتين؛ وأن يكون المركبان مختلفين في الطور بزاوية 90 درجة ومتساويين في السعة. إحدى الطرق البسيطة لتوليد CP هي استخدام هوائي حلزوني.
الاستقطاب الإهليلجي (EP) هو نوع من الاستقطاب الإهليلجي. الموجات المستقطبة إهليلجيًا هي الكسب الناتج عن موجتين مستقطبتين خطيًا، مثل موجات الاستقطاب الإهليلجي. عند دمج موجتين مستقطبتين خطيًا متعامدتين بسعات غير متساوية، تنتج موجة مستقطبة إهليلجيًا.
يُوصف عدم تطابق الاستقطاب بين الهوائيات بمعامل فقدان الاستقطاب (PLF). يُعبَّر عن هذا المعامل بالديسيبل (dB)، وهو دالة لاختلاف زاوية الاستقطاب بين هوائي الإرسال والاستقبال. نظريًا، يتراوح معامل فقدان الاستقطاب بين 0 ديسيبل (بدون فقدان) لهوائي متوازي تمامًا وديسيبل لا نهائي (فقدان لا نهائي) لهوائي متعامد تمامًا.
في الواقع، لا يكون محاذاة (أو عدم محاذاة) الاستقطاب مثاليًا، لأن الوضع الميكانيكي للهوائي، وسلوك المستخدم، وتشوه القناة، وانعكاسات المسارات المتعددة، وظواهر أخرى قد تُسبب تشوهًا زاويًا في المجال الكهرومغناطيسي المُرسَل. في البداية، سيكون هناك "تسرب" استقطاب متقاطع للإشارة يتراوح بين 10 و30 ديسيبل أو أكثر من الاستقطاب المتعامد، وهو ما قد يكون كافيًا في بعض الحالات للتداخل مع استعادة الإشارة المطلوبة.
في المقابل، قد يكون PLF الفعلي لهوائيين متوازيين باستقطاب مثالي 10 ديسيبل أو 20 ديسيبل أو أكثر، حسب الظروف، وقد يعيق استعادة الإشارة. بمعنى آخر، يمكن للاستقطاب المتقاطع غير المقصود وPLF أن يعملا في كلا الاتجاهين، حيث يتداخلان مع الإشارة المطلوبة أو يقللان من قوتها.
لماذا نهتم بالاستقطاب؟
يعمل الاستقطاب بطريقتين: كلما كان الهوائيان أكثر محاذاةً ويتساوى استقطابهما، كانت قوة الإشارة المُستقبَلة أفضل. في المقابل، يُصعِّب ضعف محاذاة الاستقطاب على أجهزة الاستقبال، سواءً كانت مُصمَّمة أو غير مُرضية، التقاطَ ما يكفي من الإشارة المطلوبة. في كثير من الحالات، تُشوِّه "القناة" الاستقطاب المُرسَل، أو يكون أحد الهوائيين أو كليهما غير مُوجَّه في اتجاه ثابت.
عادةً ما يُحدد اختيار الاستقطاب المُستخدم بناءً على طريقة التركيب أو الظروف الجوية. على سبيل المثال، يُحسّن الهوائي المُستقطب أفقيًا أداءه ويحافظ على استقطابه عند تركيبه بالقرب من السقف؛ بينما يُحسّن الهوائي المُستقطب رأسيًا أداءه ويحافظ على استقطابه عند تركيبه بالقرب من جدار جانبي.
الهوائي ثنائي القطب المستخدم على نطاق واسع (عادي أو مطوي) مستقطب أفقيًا في اتجاه التركيب "العادي" (الشكل 4) وغالبًا ما يتم تدويره بمقدار 90 درجة ليفترض الاستقطاب الرأسي عند الحاجة أو لدعم وضع الاستقطاب المفضل (الشكل 5).
الشكل 4: عادةً ما يتم تثبيت هوائي ثنائي القطب أفقيًا على صاريته لتوفير الاستقطاب الأفقي
الشكل 5: بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب استقطابًا رأسيًا، يمكن تركيب هوائي ثنائي القطب وفقًا لذلك حيث يلتقط الهوائي
يُستخدم الاستقطاب الرأسي عادةً في أجهزة الراديو المحمولة باليد، مثل تلك التي يستخدمها المستجيبون الأوائل، لأن العديد من تصميمات هوائيات الراديو ذات الاستقطاب الرأسي توفر أيضًا نمط إشعاع شامل الاتجاهات. لذلك، لا داعي لإعادة توجيه هذه الهوائيات حتى في حال تغير اتجاه الراديو والهوائي.
عادةً ما تُصنع هوائيات التردد العالي (HF) بتردد 3 - 30 ميجاهرتز من أسلاك طويلة بسيطة مربوطة أفقيًا بين أقواس. ويُحدد طولها بطول الموجة (10 - 100 متر). يتميز هذا النوع من الهوائيات باستقطاب أفقي طبيعي.
تجدر الإشارة إلى أن تسمية هذا النطاق بـ"التردد العالي" بدأت منذ عقود، عندما كان 30 ميجاهرتز ترددًا عاليًا بالفعل. ورغم أن هذا الوصف يبدو الآن قديمًا، إلا أنه تسمية رسمية من الاتحاد الدولي للاتصالات، ولا يزال مستخدمًا على نطاق واسع.
يمكن تحديد الاستقطاب المُفضّل بطريقتين: إما باستخدام الموجات الأرضية لإرسال إشارات أقوى قصيرة المدى بواسطة معدات البث التي تستخدم نطاق الموجات المتوسطة (MW) من 300 كيلوهرتز إلى 3 ميجاهرتز، أو باستخدام الموجات السماوية لمسافات أطول عبر وصلة الأيونوسفير. بشكل عام، تتميز الهوائيات ذات الاستقطاب الرأسي بانتشار أفضل للموجات الأرضية، بينما تتميز الهوائيات ذات الاستقطاب الأفقي بأداء أفضل للموجات السماوية.
يُستخدم الاستقطاب الدائري على نطاق واسع في الأقمار الصناعية، نظرًا لتغير اتجاه القمر الصناعي بالنسبة للمحطات الأرضية والأقمار الصناعية الأخرى باستمرار. تكون كفاءة هوائيات الإرسال والاستقبال في أعلى مستوياتها عندما يكون كلاهما مستقطبين دائريًا، ولكن يمكن استخدام الهوائيات المستقطبة خطيًا مع هوائيات CP، على الرغم من وجود عامل فقدان في الاستقطاب.
الاستقطاب مهم أيضًا لأنظمة الجيل الخامس. بعض مصفوفات هوائيات الجيل الخامس متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) تحقق إنتاجية أعلى باستخدام الاستقطاب لتحسين كفاءة استخدام الطيف المتاح. ويتحقق ذلك من خلال مزيج من استقطابات الإشارة المختلفة والتعدد المكاني للهوائيات (التنوع المكاني).
يستطيع النظام إرسال تيارين من البيانات، إذ يتصل تيارا البيانات بهوائيين مستقلين مستقطبين بشكل متعامد، ويمكن استعادتهما بشكل مستقل. حتى في حال وجود بعض الاستقطاب المتقاطع بسبب تشوه المسار والقناة، والانعكاسات، وتعدد المسارات، وغيرها من العيوب، يستخدم جهاز الاستقبال خوارزميات متطورة لاستعادة كل إشارة أصلية، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات خطأ البت (BER) وتحسين استخدام الطيف.
ختاماً
الاستقطاب خاصية مهمة للهوائي، وغالبًا ما تُغفل. تُستخدم الاستقطابات الخطية (الأفقية والرأسية)، والمائلة، والدائرية، والإهليلجية في تطبيقات مختلفة. ويعتمد مدى أداء الترددات الراديوية الشامل الذي يمكن أن يحققه الهوائي على اتجاهه النسبي ومحاذاته. تتميز الهوائيات القياسية باستقطابات مختلفة، وهي مناسبة لأجزاء مختلفة من الطيف، مما يوفر الاستقطاب الأمثل للتطبيق المستهدف.
المنتجات الموصى بها:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| حدود | عادي | الوحدات |
| نطاق التردد | 20-30 | جيجاهرتز |
| يكسب | 15 نموذجيًا | dBi |
| معدل الموجة الدائمة المتغير | 1.3 نموذجي | |
| الاستقطاب | مزدوج خطي | |
| عزلة القطب المتقاطع | 60 نموذجيًا | dB |
| عزل المنفذ | 70 نموذجيًا | dB |
| موصل | SMA-Fأنثى | |
| مادة | Al | |
| التشطيب | طلاء | |
| مقاس(الطول * العرض * الارتفاع) | 83.9*39.6*69.4(±5) | mm |
| وزن | 0.074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| غرض | مواصفة | وحدة |
| نطاق التردد | 1-18 | جيجاهرتز |
| يكسب | 10 نموذجي | dBi |
| معدل الموجة الدائمة المتغير | 1.5 نموذجي | |
| الاستقطاب | خطي | |
| عزلة كروس بو | 30 نموذجيًا | dB |
| موصل | SMA-أنثى | |
| التشطيب | Pليس | |
| مادة | Al | |
| مقاس(الطول * العرض * الارتفاع) | 182.4*185.1*116.6(±5) | mm |
| وزن | 0.603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| حدود | عادي | الوحدات |
| نطاق التردد | 2-18 | جيجاهرتز |
| يكسب | 15 نموذجيًا | dBi |
| معدل الموجة الدائمة المتغير | 1.5 نموذجي |
|
| الاستقطاب | مزدوج خطي |
|
| عزلة القطب المتقاطع | 40 | dB |
| عزل المنفذ | 40 | dB |
| موصل | SMA-F |
|
| معالجة السطح | Pليس |
|
| مقاس(الطول * العرض * الارتفاع) | 276*147*147(±5) | mm |
| وزن | 0.945 | kg |
| مادة | Al |
|
| درجة حرارة التشغيل | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| حدود | عادي | الوحدات |
| نطاق التردد | 93-95 | جيجاهرتز |
| يكسب | 22 نموذجيًا | dBi |
| معدل الموجة الدائمة المتغير | 1.3 نموذجي |
|
| الاستقطاب | مزدوج خطي |
|
| عزلة القطب المتقاطع | 60 نموذجيًا | dB |
| عزل المنفذ | 67 نموذجيًا | dB |
| موصل | دبليو ار 10 |
|
| مادة | Cu |
|
| التشطيب | ذهبي |
|
| مقاس(الطول * العرض * الارتفاع) | 69.3*19.1*21.2 (±5) | mm |
| وزن | 0.015 | kg |
وقت النشر: ١١ أبريل ٢٠٢٤
