يعرف مهندسو الإلكترونيات أن الهوائيات ترسل وتستقبل الإشارات على شكل موجات من الطاقة الكهرومغناطيسية (EM) الموصوفة في معادلات ماكسويل.كما هو الحال مع العديد من المواضيع، يمكن دراسة هذه المعادلات وانتشار وخصائص الكهرومغناطيسية على مستويات مختلفة، بدءًا من المصطلحات النوعية نسبيًا وحتى المعادلات المعقدة.
هناك العديد من الجوانب لانتشار الطاقة الكهرومغناطيسية، أحدها هو الاستقطاب، والذي يمكن أن يكون له درجات متفاوتة من التأثير أو الاهتمام في التطبيقات وتصميمات الهوائيات الخاصة بها.تنطبق المبادئ الأساسية للاستقطاب على جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية، بما في ذلك الترددات اللاسلكية/اللاسلكية، والطاقة الضوئية، وغالبًا ما تستخدم في التطبيقات البصرية.
ما هو استقطاب الهوائي؟
قبل أن نفهم الاستقطاب، يجب علينا أولاً أن نفهم المبادئ الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية.تتكون هذه الموجات من مجالات كهربائية (حقول E) ومجالات مغناطيسية (حقول H) وتتحرك في اتجاه واحد.يكون المجالان E وH متعامدين مع بعضهما البعض وعلى اتجاه انتشار الموجة المستوية.
يشير الاستقطاب إلى مستوى المجال E من منظور مرسل الإشارة: بالنسبة للاستقطاب الأفقي، سيتحرك المجال الكهربائي جانبيًا في المستوى الأفقي، بينما بالنسبة للاستقطاب الرأسي، سوف يتأرجح المجال الكهربائي لأعلى ولأسفل في المستوى الرأسي. شكل 1).
الشكل 1: تتكون موجات الطاقة الكهرومغناطيسية من مكونات المجال E وH المتعامدة بشكل متبادل
الاستقطاب الخطي والاستقطاب الدائري
تتضمن أوضاع الاستقطاب ما يلي:
في الاستقطاب الخطي الأساسي، يكون الاستقطابان المحتملان متعامدين (متعامدين) مع بعضهما البعض (الشكل 2).من الناحية النظرية، هوائي الاستقبال المستقطب أفقيًا لن "يرى" إشارة من هوائي مستقطب رأسيًا والعكس صحيح، حتى لو كان كلاهما يعملان بنفس التردد.وكلما كانت محاذاتها أفضل، تم التقاط المزيد من الإشارة، وتم تعظيم نقل الطاقة عندما تتطابق الاستقطابات.
الشكل 2: يوفر الاستقطاب الخطي خيارين للاستقطاب بزوايا قائمة لبعضهما البعض
الاستقطاب المائل للهوائي هو نوع من الاستقطاب الخطي.مثل الاستقطاب الأفقي والرأسي الأساسي، يكون هذا الاستقطاب منطقيًا فقط في البيئة الأرضية.يكون الاستقطاب المائل بزاوية ±45 درجة بالنسبة للمستوى المرجعي الأفقي.في حين أن هذا مجرد شكل آخر من أشكال الاستقطاب الخطي، فإن مصطلح "خطي" عادة ما يشير فقط إلى الهوائيات المستقطبة أفقيًا أو رأسيًا.
على الرغم من بعض الخسائر، فإن الإشارات المرسلة (أو المستقبلة) بواسطة هوائي قطري تكون ممكنة فقط باستخدام هوائيات مستقطبة أفقيًا أو رأسيًا.تكون الهوائيات ذات الاستقطاب المائل مفيدة عندما يكون استقطاب أحد الهوائيين أو كليهما غير معروف أو عندما يتغير أثناء الاستخدام.
الاستقطاب الدائري (CP) أكثر تعقيدًا من الاستقطاب الخطي.في هذا الوضع، يدور الاستقطاب الذي يمثله متجه المجال E مع انتشار الإشارة.عند التدوير إلى اليمين (النظر من جهاز الإرسال)، يُسمى الاستقطاب الدائري بالاستقطاب الدائري الأيمن (RHCP)؛عند تدويره إلى اليسار، الاستقطاب الدائري الأيسر (LHCP) (الشكل 3)
الشكل 3: في الاستقطاب الدائري، يدور متجه المجال E للموجة الكهرومغناطيسية؛يمكن أن يكون هذا الدوران لليد اليمنى أو اليسرى
تتكون إشارة CP من موجتين متعامدتين خارج الطور.هناك ثلاثة شروط مطلوبة لتوليد إشارة CP.يجب أن يتكون الحقل E من مكونين متعامدين؛يجب أن يكون المكونان 90 درجة خارج الطور ومتساويان في السعة.إحدى الطرق البسيطة لتوليد CP هي استخدام هوائي حلزوني.
الاستقطاب الإهليلجي (EP) هو نوع من CP.الموجات المستقطبة بيضاويًا هي الكسب الناتج عن موجتين مستقطبتين خطيًا، مثل موجات CP.عندما يتم الجمع بين موجتين مستقطبتين خطيًا متعامدين بشكل متبادل لهما سعة غير متساوية، يتم إنتاج موجة مستقطبة إهليلجيًا.
يتم وصف عدم تطابق الاستقطاب بين الهوائيات بواسطة عامل فقدان الاستقطاب (PLF).يتم التعبير عن هذه المعلمة بالديسيبل (dB) وهي دالة للفرق في زاوية الاستقطاب بين هوائيات الإرسال والاستقبال.ومن الناحية النظرية، يمكن أن يتراوح الجهد PLF من 0 dB (بدون خسارة) لهوائي متعامد تمامًا إلى dB لا نهائي (خسارة لا نهائية) لهوائي متعامد تمامًا.
ومع ذلك، في الواقع، فإن محاذاة (أو عدم محاذاة) الاستقطاب ليست مثالية لأن الموقع الميكانيكي للهوائي، وسلوك المستخدم، وتشويه القناة، وانعكاسات المسارات المتعددة، وغيرها من الظواهر يمكن أن تسبب بعض التشوه الزاوي للمجال الكهرومغناطيسي المرسل.في البداية، سيكون هناك 10 - 30 ديسيبل أو أكثر من "تسرب" الاستقطاب المتقاطع للإشارة من الاستقطاب المتعامد، وهو ما قد يكون كافياً في بعض الحالات للتداخل مع استعادة الإشارة المطلوبة.
في المقابل، قد يكون الجهد PLF الفعلي لهوائيين متوازيين مع استقطاب مثالي 10 ديسيبل أو 20 ديسيبل أو أكثر، اعتمادًا على الظروف، وقد يعيق استعادة الإشارة.بمعنى آخر، يمكن أن يعمل الاستقطاب المتقاطع غير المقصود وPLF في كلا الاتجاهين عن طريق التداخل مع الإشارة المطلوبة أو تقليل قوة الإشارة المطلوبة.
لماذا الاهتمام بالاستقطاب؟
يعمل الاستقطاب بطريقتين: كلما كان الهوائيان أكثر محاذاة ولهما نفس الاستقطاب، كلما كانت قوة الإشارة المستقبلة أفضل.وعلى العكس من ذلك، فإن سوء محاذاة الاستقطاب يجعل من الصعب على المستقبلات، سواء كانت مقصودة أو غير راضية، التقاط ما يكفي من الإشارة محل الاهتمام.في كثير من الحالات، تشوه "القناة" الاستقطاب المرسل، أو لا يكون أحد الهوائيين أو كليهما في اتجاه ثابت ثابت.
عادةً ما يتم تحديد اختيار الاستقطاب الذي سيتم استخدامه من خلال التركيب أو الظروف الجوية.على سبيل المثال، سيعمل الهوائي المستقطب أفقيًا بشكل أفضل ويحافظ على استقطابه عند تركيبه بالقرب من السقف؛وعلى العكس من ذلك، فإن الهوائي المستقطب عموديًا سيعمل بشكل أفضل ويحافظ على أداء الاستقطاب 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 لتحمل الاستقطاب الرأسي عند الحاجة أو لدعم وضع الاستقطاب المفضل (الشكل 5).
الشكل 4: عادة ما يتم تركيب هوائي ثنائي القطب أفقيًا على ساريته لتوفير الاستقطاب الأفقي
الشكل 5: بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب الاستقطاب الرأسي، يمكن تركيب الهوائي ثنائي القطب وفقًا للمكان الذي يلتقط فيه الهوائي
يُستخدم الاستقطاب العمودي بشكل شائع في أجهزة الراديو المحمولة، مثل تلك التي يستخدمها المستجيبون الأوائل، لأن العديد من تصميمات هوائيات الراديو المستقطبة رأسيًا توفر أيضًا نمط إشعاع متعدد الاتجاهات.ولذلك، لا يلزم إعادة توجيه هذه الهوائيات حتى لو تغير اتجاه الراديو والهوائي.
هوائيات التردد العالي 3 - 30 ميجاهرتز (HF) تُبنى عادةً على شكل أسلاك طويلة بسيطة مربوطة معًا أفقيًا بين قوسين.يتم تحديد طوله بواسطة الطول الموجي (10 - 100 م).هذا النوع من الهوائيات مستقطب أفقيًا بشكل طبيعي.
ومن الجدير بالذكر أن الإشارة إلى هذا النطاق باسم "التردد العالي" بدأت منذ عقود مضت، عندما كان 30 ميجاهرتز هو التردد العالي بالفعل.وعلى الرغم من أن هذا الوصف يبدو الآن قديمًا، إلا أنه تصنيف رسمي من قبل الاتحاد الدولي للاتصالات ولا يزال مستخدمًا على نطاق واسع.
يمكن تحديد الاستقطاب المفضل بطريقتين: إما استخدام الموجات الأرضية لإشارات أقوى قصيرة المدى بواسطة معدات البث باستخدام نطاق الموجة المتوسطة (MW) 300 كيلو هرتز - 3 ميجا هرتز، أو استخدام موجات السماء لمسافات أطول عبر وصلة الأيونوسفير.بشكل عام، تتمتع الهوائيات المستقطبة عموديًا بانتشار أفضل للموجات الأرضية، بينما تتمتع الهوائيات المستقطبة أفقيًا بأداء أفضل لموجات السماء.
يستخدم الاستقطاب الدائري على نطاق واسع للأقمار الصناعية لأن اتجاه القمر الصناعي بالنسبة للمحطات الأرضية والأقمار الصناعية الأخرى يتغير باستمرار.تكون الكفاءة بين هوائيات الإرسال والاستقبال أعظم عندما يكون كلاهما مستقطبين دائريًا، ولكن يمكن استخدام الهوائيات المستقطبة خطيًا مع هوائيات CP، على الرغم من وجود عامل فقدان الاستقطاب.
الاستقطاب مهم أيضًا لأنظمة 5G.تحقق بعض مصفوفات هوائيات 5G متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) إنتاجية متزايدة باستخدام الاستقطاب للاستفادة من الطيف المتاح بشكل أكثر كفاءة.ويتم تحقيق ذلك باستخدام مزيج من استقطابات الإشارة المختلفة وتعدد الإرسال المكاني للهوائيات (التنوع المكاني).
يمكن للنظام أن ينقل دفقين من البيانات لأن تدفقات البيانات متصلة بواسطة هوائيات مستقلة مستقطبة متعامدة ويمكن استعادتها بشكل مستقل.حتى في حالة وجود بعض الاستقطاب المتقاطع بسبب تشوه المسار والقناة، والانعكاسات، وتعدد المسارات، والعيوب الأخرى، يستخدم جهاز الاستقبال خوارزميات معقدة لاستعادة كل إشارة أصلية، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات خطأ البتات (BER) وتحسين استخدام الطيف في النهاية.
ختاماً
يعد الاستقطاب خاصية مهمة للهوائي غالبًا ما يتم تجاهلها.يتم استخدام الاستقطاب الخطي (بما في ذلك الأفقي والرأسي)، والاستقطاب المائل، والاستقطاب الدائري، والاستقطاب الإهليلجي لتطبيقات مختلفة.يعتمد نطاق أداء التردد اللاسلكي من طرف إلى طرف الذي يمكن للهوائي تحقيقه على اتجاهه ومحاذاته النسبية.تتميز الهوائيات القياسية باستقطابات مختلفة وهي مناسبة لأجزاء مختلفة من الطيف، مما يوفر الاستقطاب المفضل للتطبيق المستهدف.
المنتجات الموصى بها:
| RM-دفا2030-15 | ||
| حدود | عادي | الوحدات |
| نطاق الترددات | 20-30 | غيغاهرتز |
| يكسب | 15 نوع. | dBi |
| VSWR | 1.3 النوع. | |
| الاستقطاب | مزدوج خطي | |
| عبر بول.عزل | 60 نوع. | dB |
| عزل المنفذ | 70 نوع. | dB |
| موصل | سما-Fcom.emale | |
| مادة | Al | |
| التشطيب | طلاء | |
| مقاس(الطول * العرض * الارتفاع) | 83.9*39.6*69.4(±5) | mm |
| وزن | 0.074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| غرض | تخصيص | وحدة |
| نطاق الترددات | 1-18 | غيغاهرتز |
| يكسب | 10 نوع. | dBi |
| VSWR | 1.5 النوع. | |
| الاستقطاب | خطي | |
| كروس بو.عزل | 30 نوع. | 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 الترددات | 2-18 | غيغاهرتز |
| يكسب | 15 نوع. | dBi |
| VSWR | 1.5 النوع. |
|
| الاستقطاب | مزدوج خطي |
|
| عبر بول.عزل | 40 | dB |
| عزل المنفذ | 40 | dB |
| موصل | سما-F |
|
| المعالجة السطحية | 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 الترددات | 93-95 | غيغاهرتز |
| يكسب | 22 نوع. | dBi |
| VSWR | 1.3 النوع. |
|
| الاستقطاب | مزدوج خطي |
|
| عبر بول.عزل | 60 نوع. | dB |
| عزل المنفذ | 67 نوع. | dB |
| موصل | WR10 |
|
| مادة | Cu |
|
| التشطيب | ذهبي |
|
| مقاس(الطول * العرض * الارتفاع) | 69.3*19.1*21.2 (±5) | mm |
| وزن | 0.015 | kg |
وقت النشر: 11 أبريل 2024
