1. مقدمة عن الهوائيات
الهوائي هو بنية انتقالية بين الفضاء الحر وخط النقل، كما هو موضح في الشكل 1. يمكن أن يكون خط النقل على شكل خط محوري أو أنبوب مجوف (دليل موجي)، ويُستخدم لنقل الطاقة الكهرومغناطيسية من مصدر إلى هوائي، أو من هوائي إلى مستقبل. الأول هوائي إرسال، والثاني هوائي استقبال.
الشكل 1 مسار نقل الطاقة الكهرومغناطيسية (المصدر - خط النقل - الهوائي - الفضاء الخالي)
يُمثَّل إرسال نظام الهوائي في وضع الإرسال الموضح في الشكل 1 بمكافئ ثيفينين كما هو موضح في الشكل 2، حيث يُمثَّل المصدر بمولد إشارة مثالي، ويُمثَّل خط النقل بخط ذي معاوقة مميزة Zc، ويُمثَّل الهوائي بحمل ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. تُمثِّل مقاومة الحمل RL خسائر التوصيل والعزل الكهربائي المرتبطة بهيكل الهوائي، بينما تُمثِّل Rr مقاومة إشعاع الهوائي، وتُستخدم المفاعلة XA لتمثيل الجزء التخيلي من المعاوقة المرتبطة بإشعاع الهوائي. في الظروف المثالية، يجب نقل جميع الطاقة المولدة من مصدر الإشارة إلى مقاومة الإشعاع Rr، والتي تُستخدم لتمثيل قدرة الهوائي على الإشعاع. ومع ذلك، في التطبيقات العملية، توجد خسائر موصلة-عازلة بسبب خصائص خط النقل والهوائي، بالإضافة إلى خسائر ناتجة عن الانعكاس (عدم التطابق) بين خط النقل والهوائي. مع الأخذ في الاعتبار المعاوقة الداخلية للمصدر وتجاهل خسائر خط النقل والانعكاس (عدم التطابق)، يتم توفير الحد الأقصى من الطاقة للهوائي تحت المطابقة المترافقة.
الشكل 2
بسبب عدم التوافق بين خط النقل والهوائي، تتداخل الموجة المنعكسة من السطح البيني مع الموجة الساقطة من المصدر إلى الهوائي لتكوين موجة ثابتة، تمثل تركيز الطاقة وتخزينها، وهي جهاز رنين نموذجي. يوضح الخط المنقط في الشكل 2 نمط الموجة الثابتة النموذجي. إذا لم يُصمم نظام الهوائي بشكل صحيح، فقد يعمل خط النقل كعنصر تخزين للطاقة إلى حد كبير، بدلاً من أن يكون موجهًا موجيًا وجهاز نقل للطاقة.
الخسائر الناتجة عن خطوط النقل والهوائيات والموجات المستقرة غير مرغوب فيها. يمكن تقليل خسائر الخطوط باختيار خطوط نقل منخفضة الخسائر، بينما يمكن تقليل خسائر الهوائي بتقليل مقاومة الخسارة الموضحة بـ RL في الشكل 2. يمكن تقليل الموجات المستقرة وتخزين الطاقة في الخط بمطابقة معاوقة الهوائي (الحمل) مع المعاوقة المميزة للخط.
في الأنظمة اللاسلكية، بالإضافة إلى استقبال أو إرسال الطاقة، عادةً ما تُستخدم الهوائيات لتعزيز الطاقة المُشعّة في اتجاهات مُحددة وكبتها في اتجاهات أخرى. لذلك، بالإضافة إلى أجهزة الكشف، يجب استخدام الهوائيات أيضًا كأجهزة توجيه. تتوفر الهوائيات بأشكال مُختلفة لتلبية احتياجات مُحددة، مثل سلك، أو فتحة، أو رقعة، أو مجموعة عناصر (مصفوفة)، أو عاكس، أو عدسة، إلخ.
في أنظمة الاتصالات اللاسلكية، تُعد الهوائيات من أهم المكونات. فالتصميم الجيد للهوائي يُقلل من متطلبات النظام ويُحسّن أدائه العام. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك التلفزيون، حيث يُمكن تحسين استقبال البث باستخدام هوائيات عالية الأداء. فالهوائيات لأنظمة الاتصالات بمثابة أعين البشر.
2. تصنيف الهوائي
1. هوائي سلكي
تُعد الهوائيات السلكية من أكثر أنواع الهوائيات شيوعًا، إذ تُستخدم في كل مكان تقريبًا - السيارات، والمباني، والسفن، والطائرات، والمركبات الفضائية، وغيرها. وتتوافر الهوائيات السلكية بأشكال متنوعة، مثل الخطي (ثنائي القطب)، والحلقي، واللولبي، كما هو موضح في الشكل 3. ولا تقتصر الهوائيات الحلقية على الشكل الدائري فحسب، بل يمكن أن تكون مستطيلة، أو مربعة، أو بيضاوية، أو أي شكل آخر. ويُعتبر الهوائي الدائري الأكثر شيوعًا نظرًا لبنيته البسيطة.
الشكل 3
2. هوائيات الفتحة
تلعب هوائيات الفتحة دورًا متزايدًا نظرًا للطلب المتزايد على أشكال أكثر تعقيدًا من الهوائيات واستخدام ترددات أعلى. يوضح الشكل 4 بعض أشكال هوائيات الفتحة (الهرمية، والمخروطية، والمستطيلة). يُعد هذا النوع من الهوائيات مفيدًا جدًا لتطبيقات الطائرات والمركبات الفضائية، إذ يُمكن تركيبه بسهولة على الغلاف الخارجي للطائرة أو المركبة الفضائية. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن تغطيته بطبقة من مادة عازلة لحمايته من البيئات القاسية.
الشكل 4
3. هوائي ميكروستريب
أصبحت هوائيات الميكروستريب شائعة الاستخدام في سبعينيات القرن الماضي، لا سيما في تطبيقات الأقمار الصناعية. يتكون الهوائي من ركيزة عازلة ورقعة معدنية. يمكن أن تتخذ الرقعة المعدنية أشكالًا مختلفة، ويُعد هوائي الرقعة المستطيل الموضح في الشكل 5 الأكثر شيوعًا. تتميز هوائيات الميكروستريب بانخفاض ارتفاعها، وهي مناسبة للأسطح المستوية وغير المستوية، كما أنها سهلة التصنيع وغير مكلفة، وتتميز بمتانة عالية عند تركيبها على أسطح صلبة، ومتوافقة مع تصميمات MMIC. يمكن تركيبها على أسطح الطائرات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية والصواريخ والسيارات، وحتى الأجهزة المحمولة، ويمكن تصميمها وفقًا للمواصفات.
الشكل 5
4. هوائي المصفوفة
قد لا يتحقق خصائص الإشعاع المطلوبة في العديد من التطبيقات باستخدام عنصر هوائي واحد. يمكن لمصفوفات الهوائيات تجميع الإشعاع من العناصر لإنتاج أقصى قدر من الإشعاع في اتجاه واحد أو أكثر، كما هو موضح في الشكل 6.
الشكل 6
5. هوائي عاكس
أدى نجاح استكشاف الفضاء أيضًا إلى التطور السريع لنظرية الهوائيات. ونظرًا للحاجة إلى الاتصالات لمسافات طويلة جدًا، يجب استخدام هوائيات عالية الكسب لإرسال واستقبال الإشارات على بُعد ملايين الأميال. في هذا التطبيق، يُعد الهوائي المكافئ الموضح في الشكل 7 أحد أشكال الهوائي الشائعة. يبلغ قطر هذا النوع من الهوائيات 305 أمتار أو أكثر، وهذا الحجم الكبير ضروري لتحقيق الكسب العالي اللازم لإرسال واستقبال الإشارات على بُعد ملايين الأميال. ومن أشكال العاكس الأخرى عاكس الزاوية، كما هو موضح في الشكل 7 (ج).
الشكل 7
6. هوائيات العدسات
تُستخدم العدسات بشكل أساسي لتجميع الطاقة المتناثرة الساقطة لمنعها من الانتشار في اتجاهات إشعاعية غير مرغوب فيها. بتغيير هندسة العدسة بشكل مناسب واختيار المادة المناسبة، يُمكن تحويل أشكال مختلفة من الطاقة المتباعدة إلى موجات مستوية. تُستخدم في معظم التطبيقات، مثل هوائيات العاكس المكافئ، وخاصةً عند الترددات العالية، ويصبح حجمها ووزنها كبيرين جدًا عند الترددات المنخفضة. تُصنف هوائيات العدسات وفقًا لمواد بنائها أو أشكالها الهندسية، ويوضح الشكل 8 بعضًا منها.
الشكل 8
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: ١٩ يوليو ٢٠٢٤
