الأخبار - مقدمة وتصنيف لبعض الهوائيات الشائعة

1. مقدمة للهوائيات
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 (دليل موجي)، يستخدم لنقل الطاقة الكهرومغناطيسية من المصدر إلى هوائي، أو من هوائي إلى جهاز الاستقبال. الأول هو هوائي الإرسال، والثاني هو هوائي الاستقبال.

الشكل 1: مسار نقل الطاقة الكهرومغناطيسية (المساحة الخالية من الهوائي لخط نقل المصدر)

يتم تمثيل إرسال نظام الهوائي في وضع الإرسال في الشكل 1 بمكافئ Thevenin كما هو موضح في الشكل 2، حيث يتم تمثيل المصدر بمولد إشارة مثالي، ويتم تمثيل خط النقل بخط ذو مقاومة مميزة Zc، و ويتم تمثيل الهوائي بالحمل ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. تمثل مقاومة الحمل RL التوصيل وخسائر العزل الكهربائي المرتبطة بهيكل الهوائي، بينما تمثل Rr مقاومة إشعاع الهوائي، وتستخدم المفاعلة XA لتمثيل الجزء التخيلي من الممانعة المرتبطة بإشعاع الهوائي. وفي ظل الظروف المثالية، ينبغي نقل كل الطاقة المولدة من مصدر الإشارة إلى مقاومة الإشعاع Rr، التي تستخدم لتمثيل القدرة الإشعاعية للهوائي. ومع ذلك، في التطبيقات العملية، هناك خسائر في الموصل والعازل الكهربائي بسبب خصائص خط النقل والهوائي، بالإضافة إلى الخسائر الناجمة عن الانعكاس (عدم التطابق) بين خط النقل والهوائي. مع الأخذ في الاعتبار المعاوقة الداخلية للمصدر وتجاهل خسائر خط النقل والانعكاس (عدم التطابق)، يتم توفير الطاقة القصوى للهوائي في ظل المطابقة المترافقة.

الشكل 2

بسبب عدم التطابق بين خط النقل والهوائي، يتم فرض الموجة المنعكسة من الواجهة مع الموجة الساقطة من المصدر إلى الهوائي لتشكيل موجة دائمة، والتي تمثل تركيز الطاقة وتخزينها وهي جهاز رنين نموذجي. يظهر الخط المنقط في الشكل 2 نمطًا نموذجيًا للموجة الدائمة. إذا لم يتم تصميم نظام الهوائي بشكل صحيح، يمكن أن يعمل خط النقل كعنصر تخزين الطاقة إلى حد كبير، بدلاً من كونه دليل موجي وجهاز نقل الطاقة.
الخسائر الناجمة عن خط النقل والهوائي والموجات المستقرة غير مرغوب فيها. يمكن تقليل خسائر الخطوط عن طريق اختيار خطوط نقل منخفضة الخسارة، في حين يمكن تقليل خسائر الهوائي عن طريق تقليل مقاومة الخسارة التي يمثلها RL في الشكل 2. ويمكن تقليل الموجات الدائمة ويمكن تقليل تخزين الطاقة في الخط عن طريق مطابقة مقاومة الهوائي (الحمل) مع المعاوقة المميزة للخط.
في الأنظمة اللاسلكية، بالإضافة إلى استقبال أو نقل الطاقة، عادةً ما تكون الهوائيات مطلوبة لتعزيز الطاقة المشعة في اتجاهات معينة وقمع الطاقة المشعة في اتجاهات أخرى. لذلك، بالإضافة إلى أجهزة الكشف، يجب أيضًا استخدام الهوائيات كأجهزة توجيه. يمكن أن تكون الهوائيات بأشكال مختلفة لتلبية الاحتياجات المحددة. قد يكون سلكًا أو فتحة أو رقعة أو مجموعة عناصر (مصفوفة) أو عاكسًا أو عدسة وما إلى ذلك.

في أنظمة الاتصالات اللاسلكية، تعتبر الهوائيات واحدة من أهم المكونات. يمكن أن يؤدي التصميم الجيد للهوائي إلى تقليل متطلبات النظام وتحسين الأداء العام للنظام. والمثال الكلاسيكي هو التلفزيون، حيث يمكن تحسين استقبال البث باستخدام هوائيات عالية الأداء. تمثل الهوائيات بالنسبة لأنظمة الاتصالات ما تمثله العيون بالنسبة للبشر.

2. تصنيف الهوائي
1. هوائي السلك
الهوائيات السلكية هي أحد أكثر أنواع الهوائيات شيوعًا لأنها توجد في كل مكان تقريبًا - السيارات والمباني والسفن والطائرات والمركبات الفضائية وما إلى ذلك. وهناك أشكال مختلفة من الهوائيات السلكية، مثل الهوائيات ذات الخط المستقيم (ثنائي القطب)، والهوائيات الحلقية، والهوائيات الحلزونية، كما هو مبين في الشكل 3. لا تحتاج الهوائيات الحلقية إلى أن تكون دائرية فقط. يمكن أن تكون مستطيلة أو مربعة أو بيضاوية أو أي شكل آخر. الهوائي الدائري هو الأكثر شيوعاً بسبب بنيته البسيطة.

الشكل 3

2. هوائيات الفتحة
تلعب الهوائيات ذات الفتحة دورًا أكبر بسبب الطلب المتزايد على أشكال الهوائيات الأكثر تعقيدًا واستخدام الترددات الأعلى. يظهر الشكل 4 بعض أشكال الهوائيات ذات الفتحة (الهوائيات القرنية الهرمية والمخروطية والمستطيلة). وهذا النوع من الهوائيات مفيد جدًا لتطبيقات الطائرات والمركبات الفضائية لأنه يمكن تركيبها بسهولة على الغلاف الخارجي للطائرة أو المركبة الفضائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تغطيتها بطبقة من المواد العازلة لحمايتها من البيئات القاسية.

الشكل 4

3. هوائي ميكروستريب
أصبحت هوائيات Microstrip شائعة جدًا في السبعينيات، خاصة لتطبيقات الأقمار الصناعية. يتكون الهوائي من ركيزة عازلة ورقعة معدنية. يمكن أن يكون للرقعة المعدنية العديد من الأشكال المختلفة، وهوائي التصحيح المستطيل الموضح في الشكل 5 هو الأكثر شيوعًا. تتميز هوائيات Microstrip بمظهر منخفض، وهي مناسبة للأسطح المستوية وغير المستوية، وهي بسيطة وغير مكلفة في التصنيع، وتتمتع بمتانة عالية عند تركيبها على الأسطح الصلبة، ومتوافقة مع تصميمات MMIC. يمكن تركيبها على سطح الطائرات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية والصواريخ والسيارات وحتى الأجهزة المحمولة ويمكن تصميمها بشكل مطابق.

الشكل 5

4. هوائي المصفوفة
قد لا يمكن تحقيق خصائص الإشعاع التي تتطلبها العديد من التطبيقات بواسطة عنصر هوائي واحد. يمكن لمصفوفات الهوائي أن تصدر الإشعاع من العناصر المصنعة لإنتاج أقصى قدر من الإشعاع في اتجاه واحد أو أكثر، ويوضح الشكل 6 مثالًا نموذجيًا.

الشكل 6

5. هوائي عاكس
وقد أدى نجاح استكشاف الفضاء أيضًا إلى التطور السريع لنظرية الهوائي. نظرًا للحاجة إلى اتصالات لمسافات طويلة جدًا، يجب استخدام هوائيات عالية الكسب للغاية لإرسال واستقبال الإشارات على بعد ملايين الأميال. في هذا التطبيق، الشكل الشائع للهوائي هو الهوائي المكافئ الموضح في الشكل 7. يبلغ قطر هذا النوع من الهوائيات 305 مترًا أو أكثر، وهذا الحجم الكبير ضروري لتحقيق الكسب العالي المطلوب لإرسال أو استقبال الإشارات ملايين من على بعد أميال. شكل آخر من أشكال العاكس هو عاكس الزاوية، كما هو مبين في الشكل 7 (ج).

الشكل 7

6. هوائيات العدسة
تُستخدم العدسات في المقام الأول لتجميع الطاقة المتناثرة الناتجة عن الحادث لمنعها من الانتشار في اتجاهات الإشعاع غير المرغوب فيها. ومن خلال تغيير هندسة العدسة بشكل مناسب واختيار المادة المناسبة، يمكنهم تحويل أشكال مختلفة من الطاقة المتباينة إلى موجات مستوية. يمكن استخدامها في معظم التطبيقات مثل الهوائيات العاكسة القطعية وخاصة عند الترددات العالية، ويصبح حجمها ووزنها كبير جداً عند الترددات المنخفضة. يتم تصنيف هوائيات العدسات حسب مواد بنائها أو أشكالها الهندسية، والتي يظهر بعضها في الشكل 8.