أخبار - مقدمة وتصنيف بعض الهوائيات الشائعة

1. مقدمة عن الهوائيات
الهوائي عبارة عن 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 (موجه موجي)، ويُستخدم لنقل الطاقة الكهرومغناطيسية من مصدر إلى هوائي، أو من هوائي إلى جهاز استقبال. يُسمى الأول هوائي إرسال، بينما يُسمى الثاني هوائي استقبال.

الشكل 1 مسار نقل الطاقة الكهرومغناطيسية (المصدر - خط النقل - الهوائي - الفضاء الحر)

يُمثَّل إرسال نظام الهوائي في وضع الإرسال الموضح في الشكل 1 بمكافئ ثيفينين كما هو مبين 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]. تمثل مقاومة الحمل RL خسائر التوصيل والعزل المرتبطة ببنية الهوائي، بينما تمثل Rr مقاومة إشعاع الهوائي، وتُستخدم المفاعلة XA لتمثيل الجزء التخيلي من المعاوقة المرتبطة بإشعاع الهوائي. في الظروف المثالية، ينبغي أن تنتقل كل الطاقة المولدة من مصدر الإشارة إلى مقاومة الإشعاع Rr، والتي تُستخدم لتمثيل قدرة إشعاع الهوائي. مع ذلك، في التطبيقات العملية، توجد خسائر في الموصل والعزل 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 خط النقل وفقدان الانعكاس (عدم التطابق)، يتم توفير أقصى طاقة للهوائي في ظل المطابقة المترافقة.

الشكل 2

بسبب عدم التوافق بين خط النقل والهوائي، تتراكب الموجة المنعكسة من السطح الفاصل مع الموجة الساقطة من المصدر على الهوائي لتشكيل موجة مستقرة، تمثل تركيزًا وتخزينًا للطاقة، وهي نموذج نموذجي لأجهزة الرنين. يوضح الخط المنقط في الشكل 2 نمطًا نموذجيًا للموجة المستقرة. إذا لم يُصمم نظام الهوائي بشكل صحيح، فقد يعمل خط النقل كعنصر لتخزين الطاقة إلى حد كبير، بدلًا من كونه موجهًا موجيًا وجهازًا لنقل الطاقة.
تُعدّ الخسائر الناتجة عن خط النقل والهوائي والموجات المستقرة غير مرغوب فيها. يمكن تقليل خسائر الخط باختيار خطوط نقل منخفضة الخسائر، بينما يمكن تقليل خسائر الهوائي بتقليل مقاومة الفقد المُمثلة بـ RL في الشكل 2. ويمكن تقليل الموجات المستقرة وتقليل تخزين الطاقة في الخط بمطابقة معاوقة الهوائي (الحمل) مع المعاوقة المميزة للخط.
في الأنظمة اللاسلكية، بالإضافة إلى استقبال الطاقة أو إرسالها، تُستخدم الهوائيات عادةً لتعزيز الطاقة المُشعّة في اتجاهات مُحددة وكبحها في اتجاهات أخرى. لذا، إلى جانب كونها أجهزة كشف، يجب استخدام الهوائيات أيضًا كأجهزة توجيه. وتتخذ الهوائيات أشكالًا مُتنوعة لتلبية احتياجات مُحددة، فقد تكون سلكًا، أو فتحة، أو رقعة، أو مجموعة عناصر (مصفوفة)، أو عاكسًا، أو عدسة، وما إلى ذلك.

في أنظمة الاتصالات اللاسلكية، تُعدّ الهوائيات من أهمّ المكوّنات. فالتصميم الجيد للهوائيات يُقلّل من متطلبات النظام ويُحسّن أداءه العام. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك التلفزيون، حيث يُمكن تحسين استقبال البث باستخدام هوائيات عالية الأداء. تُشبه الهوائيات في أنظمة الاتصالات العيون في الإنسان.

2. تصنيف الهوائيات
1. هوائي سلكي
تُعدّ الهوائيات السلكية من أكثر أنواع الهوائيات شيوعًا، إذ توجد في كل مكان تقريبًا - السيارات، والمباني، والسفن، والطائرات، والمركبات الفضائية، وغيرها. وتتنوع أشكالها، كالهوائيات المستقيمة (ثنائية القطب)، والحلقية، واللولبية، كما هو موضح في الشكل 3. ولا تقتصر الهوائيات الحلقية على الشكل الدائري فقط، بل يمكن أن تكون مستطيلة، أو مربعة، أو بيضاوية، أو أي شكل آخر. ويُعدّ الهوائي الدائري الأكثر شيوعًا لبساطة تركيبه.

الشكل 3

2. هوائيات الفتحة
تتزايد أهمية هوائيات الفتحة 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. إضافةً إلى ذلك، يُمكن تغطيته بطبقة من مادة عازلة لحمايته من الظروف البيئية القاسية.

الشكل 4

3. هوائي الميكروستريب
أصبحت هوائيات الميكروستريب شائعة جدًا في سبعينيات القرن الماضي، وخاصةً في تطبيقات الأقمار الصناعية. يتكون الهوائي من ركيزة عازلة ورقعة معدنية. يمكن أن تتخذ الرقعة المعدنية أشكالًا متعددة، ويُعد هوائي الرقعة المستطيلة الموضح في الشكل 5 الأكثر شيوعًا. تتميز هوائيات الميكروستريب بانخفاض ارتفاعها، وملاءمتها للأسطح المستوية وغير المستوية، وسهولة تصنيعها وانخفاض تكلفتها، ومتانتها العالية عند تركيبها على الأسطح الصلبة، وتوافقها مع تصميمات الدوائر المتكاملة أحادية الليثية (MMIC). يمكن تركيبها على أسطح الطائرات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية والصواريخ والسيارات، وحتى الأجهزة المحمولة، كما يمكن تصميمها بشكل متوافق مع مختلف الأسطح.

الشكل 5

4. هوائي المصفوفة
قد لا يُمكن تحقيق خصائص الإشعاع المطلوبة في العديد من التطبيقات باستخدام عنصر هوائي واحد. تُتيح مصفوفات الهوائيات إمكانية تجميع الإشعاع من العناصر لإنتاج أقصى قدر من الإشعاع في اتجاه واحد أو أكثر من الاتجاهات المحددة، كما هو موضح في الشكل 6.

الشكل 6

5. هوائي عاكس
أدى نجاح استكشاف الفضاء إلى التطور السريع لنظرية الهوائيات. ونظرًا للحاجة إلى اتصالات فائقة المدى، لا بد من استخدام هوائيات ذات كسب عالٍ للغاية لإرسال واستقبال الإشارات على بعد ملايين الأميال. في هذا التطبيق، يُعد الهوائي المكافئ الموضح في الشكل 7 أحد الأشكال الشائعة للهوائيات. يبلغ قطر هذا النوع من الهوائيات 305 أمتار أو أكثر، وهذا الحجم الكبير ضروري لتحقيق الكسب العالي المطلوب لإرسال أو استقبال الإشارات على بعد ملايين الأميال. ومن الأشكال الأخرى للعواكس العاكسة، العاكس الزاوي، كما هو موضح في الشكل 7 (ج).

الشكل 7

6. هوائيات العدسات
تُستخدم العدسات بشكل أساسي لتجميع الطاقة المتناثرة الساقطة ومنعها من الانتشار في اتجاهات إشعاع غير مرغوب فيها. ومن خلال تغيير هندسة العدسة واختيار المادة المناسبة، يمكنها تحويل أشكال الطاقة المتباعدة المختلفة إلى موجات مستوية. ويمكن استخدامها في معظم التطبيقات، مثل هوائيات العاكس المكافئ، خاصةً عند الترددات العالية، بينما يزداد حجمها ووزنها بشكل كبير عند الترددات المنخفضة. تُصنف هوائيات العدسات وفقًا لمواد تصنيعها أو أشكالها الهندسية، ويُوضح بعضها في الشكل 8.