ما هو الهوائي الحلقي؟
يتكون الهوائي الحلقي من ترتيب عنصر موصل واحد أو أكثر في مسار مغلق، وتغذية هذا الهيكل بإشارة ترددات لاسلكية. قد يكون شكل الحلقة دائريًا أو مربعًا أو مستطيلًا أو مثلثًا أو بيضاويًا، أو مصممًا بشكل آخر لتلبية متطلبات ميكانيكية وكهربائية محددة.
بخلاف الهوائي ثنائي القطب التقليدي، المرتبط أساسًا بعنصر التيار الكهربائي، يتصرف الهوائي الحلقي الصغير كهربائيًا تقريبًا مثل ثنائي القطب المغناطيسي. ويرتبط تشغيله ارتباطًا وثيقًا بمكون المجال المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية، مما يجعل الهوائيات الحلقية مفيدة بشكل خاص في أنظمة الاستقبال، وتحديد الاتجاه، واستشعار المجال القريب، وتقنية تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID)، وأنظمة القياس الكهرومغناطيسي.
لا تقتصر هوائيات الحلقة على نطاق تردد واحد. يعتمد تردد تشغيلها على محيط الحلقة بالنسبة للطول الموجي، وعدد اللفات، وأبعاد الموصل، ومكونات التحميل، وبنية التغذية، وبيئة التركيب المحيطة. ولذلك، يمكن إيجاد تصاميم لهوائيات الحلقة في أنظمة استقبال الترددات المنخفضة وصولاً إلى تطبيقات الترددات العالية جدًا (UHF) والميكروويف.
الهيكل الأساسي ومبدأ التشغيل
عندما يمر تيار ترددات لاسلكية حول حلقة موصلة، فإنه يُنتج مجالاً مغناطيسياً عمودياً تقريباً على مستوى الحلقة. وفي عملية الاستقبال، يُحدث المجال المغناطيسي المتغير المار عبر الحلقة جهداً كهربائياً عند طرفيها.
تعتمد قوة الإشارة المستقبلة على عدة عوامل:
منطقة الحلقة
عدد الدورات
تردد التشغيل
التوجيه بالنسبة للحقل الوارد
مقاومة الموصل
ضبط ومطابقة الشبكة
الحماية والهياكل المعدنية المجاورة
في حلقة صغيرة كهربائيًا، يمكن اعتبار شدة التيار وطوره منتظمين تقريبًا حول الموصل. تقل دقة هذا التقريب مع ازدياد محيط الحلقة. أما في حلقة كبيرة رنانة، فيختلف توزيع التيار بشكل ملحوظ حولها، مما ينتج عنه خصائص إشعاعية مختلفة عن تلك الخاصة بحلقة مغناطيسية صغيرة.
هوائيات حلقية صغيرة
يبلغ محيط هوائي الحلقة الصغير أقل بكثير من طول الموجة التشغيلية. ومن التقريبات الهندسية الشائعة الاستخدام ما يلي:
C≤0.1λ
حيث C هو محيط الحلقة وλ هو الطول الموجي.
نظراً لصغر حجمها الكهربائي، تتميز الحلقة الصغيرة عموماً بمقاومة إشعاع منخفضة. ولذلك، قد يمثل فقد الموصل جزءاً كبيراً من مقاومة الإدخال الكلية، مما يقلل من كفاءة الإشعاع عند استخدام الهوائي للإرسال.
تتميز الحلقات الصغيرة أيضاً بحثها العالي، وغالباً ما تتطلب مكثف ضبط أو شبكة مطابقة. عند ضبطها على الرنين، يمكنها توفير حساسية استقبال مفيدة، ولكن عامل الجودة العالي فيها قد يؤدي إلى نطاق تردد تشغيل ضيق نسبياً.
لا تجعل هذه الخصائص الحلقات الصغيرة هوائيات رديئة. بل على العكس، تجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي يكون فيها الحجم الصغير، والاستجابة للمجال المغناطيسي، والنقاط الصفرية الاتجاهية، أو الانتقائية ضيقة النطاق أكثر أهمية من كفاءة الإشعاع العالية.
هوائيات حلقية كبيرة
الحلقة الكبيرة، والتي تُسمى أحيانًا بالحلقة الرنانة، لها محيط لم يعد صغيرًا كهربائيًا. يستخدم التصميم الشائع محيطًا قريبًا من طول موجة واحدة.
C≈λ
في هذه الحالة، لا يكون التيار منتظمًا حول الحلقة. يتغير سعته وطوره على طول الموصل، مما ينتج عنه توزيع مجال أكثر تعقيدًا.
بالمقارنة مع الحلقات الصغيرة كهربائياً، توفر الحلقات الرنانة عادةً مقاومة إشعاع أعلى وكفاءة إرسال محسّنة. ويمكن استخدامها كهوائيات إرسال أو استقبال عملية، على الرغم من أن معاوقتها واستقطابها ونمط إشعاعها تعتمد بشكل كبير على محيطها وشكلها وموضع التغذية وبيئة التركيب.
تُعدّ الحلقات الدائرية والمربعة ذات الموجة الكاملة من التكوينات الشائعة. تتميز الحلقة المربعة بسهولة تصنيعها وتركيبها، بينما توفر الحلقة الدائرية شكلاً هندسياً أملساً ومتناظراً. عندما يكون لكليهما محيط كهربائي متقارب، قد يكون أداؤهما العام متقارباً، على الرغم من اختلاف خصائص المعاوقة ونمط الإشعاع.
الشكل 1. أمثلة على تكوينات هوائيات الحلقة الدائرية والمربعة.
نمط الإشعاع
يشابه نمط الإشعاع لحلقة صغيرة كهربائياً نمط الإشعاع لثنائي قطب مغناطيسي مثالي. يكون الإشعاع ضئيلاً على طول المحور العمودي على مستوى الحلقة، وأقوى ما يكون في الاتجاهات الواقعة تقريباً داخل مستوى الحلقة.
في ثلاثة أبعاد، يشبه النمط المثالي شكلاً حلقياً يحيط بمحور الحلقة. عندما يتم تركيب حلقة صغيرة عمودياً، يكون استجابتها في المستوى الأفقي عادةً على شكل الرقم ثمانية، مع وجود نقطتي انعدام عميقتين عموديتين على مستوى الحلقة.
تُعدّ هذه النقاط الصفرية مفيدة لتحديد الاتجاه وكبح التداخل. فمن خلال تدوير الهوائي حتى تصل الإشارة المستقبلة إلى أدنى مستوى لها، يستطيع المشغل تحديد خط الاتجاه نحو مصدر الإشارة أو بعيدًا عنه.
يعتمد اتجاه الاستجابة القصوى، وعمق نقطة الصفر، والاستقطاب على اتجاه الحلقة، وترتيب التغذية، وارتفاع التركيب، وهندسة الموصل، والهياكل المجاورة. لذا، لا ينبغي وصف الاستقطاب بناءً على موقع نقطة التغذية فقط.
الشكل 2. أنماط الإشعاع التوضيحية لهوائي حلقي عند زوايا ارتفاع مختلفة.
التغذية، والضبط، ومطابقة المعاوقة
تعتمد مقاومة الإدخال لهوائي الحلقة بشكل كبير على حجمه الكهربائي.
تتميز الحلقة الصغيرة عادةً بمفاعلة حثية ومقاومة إشعاع منخفضة. ويمكن توصيل مكثف متغير أو ثابت لتشكيل دائرة رنين عند التردد المطلوب. كما يمكن استخدام اقتران المحولات، أو مطابقة جاما، أو الاقتران السعوي، أو دوائر التضخيم النشط لربط الهوائي بجهاز استقبال أو نظام ترددات لاسلكية 50 أوم.
في تطبيقات الإرسال، يتطلب الأمر دراسة متأنية لفقدان الموصلات، وفقدان المكثفات، وقدرة تحمل التيار. قد يحدث تيار دوراني عالٍ في حلقة رنانة حتى عندما تبدو طاقة الإدخال معتدلة.
تتميز الحلقات الرنانة الكبيرة بمقاومة إشعاعية أعلى، ولكنها لا تزال تتطلب وضعًا مناسبًا للتغذية وتحويلًا للممانعة. وقد يلزم استخدام تغذية متوازنة أو محول بالون لمنع كابل التغذية من أن يصبح جزءًا من نظام الإشعاع.
شكل الحلقة وعدد اللفات
لا يشترط أن يكون الهوائي الحلقي دائريًا تمامًا. فالحلقات الدائرية والمربعة والمستطيلة هي الأكثر شيوعًا لأنها سهلة الحساب والتصنيع نسبيًا.
تؤدي إضافة لفات متعددة إلى زيادة جهد الاستقبال المستحث والحث. ومع ذلك، فإنها تزيد أيضًا من فقد الموصل، والسعة الموزعة، وتأثيرات الرنين الذاتي. زيادة عدد اللفات لا تُحسّن أداء النطاق العريض تلقائيًا.
تُستخدم قضبان الفريت أو النوى المغناطيسية بكثرة في هوائيات الاستقبال المدمجة ذات التردد المتوسط والمتوسط. تعمل المادة المغناطيسية على تركيز التدفق المغناطيسي عبر اللفائف، مما يسمح لهيكل صغير الحجم بتوفير حساسية استقبال مفيدة.
عند الترددات العالية، يمكن تصنيع الحلقات المطبوعة وحلقات الميكروستريب وهياكل الحلقات المتكاملة مباشرة على لوحات الدوائر لأجهزة تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID) والاستشعار اللاسلكي ومحطات الاتصال وأجهزة قياس الترددات الراديوية.
مزايا هوائيات الحلقة
توفر الهوائيات الحلقية العديد من المزايا العملية:
- هيكل ميكانيكي مضغوط
- أشكال وتنسيقات تركيب متعددة ممكنة
- حساسية مفيدة للمجال المغناطيسي
- نقاط انعدام اتجاهية عميقة في تصميمات الحلقات الصغيرة
- مناسب لتحديد الاتجاه ورفض التداخل
- سهولة التكامل مع دوائر الضبط والدوائر النشطة
- قابل للتطوير لتصميمات الترددات المنخفضة والعالية والعالية جدًا والميكروويف
قيود التصميم
تشمل القيود المهمة ما يلي:
- مقاومة منخفضة للإشعاع في التصاميم الصغيرة كهربائياً
- انخفاض كفاءة الإرسال عندما يكون فقد الموصل كبيرًا
- نطاق ترددي ضيق في حلقات الضبط عالية الجودة
- الحساسية للأجسام المعدنية القريبة
- تيار وجهد دوراني مرتفعان محتملان
- الحاجة إلى مطابقة دقيقة للممانعة
- تشوه النمط الناتج عن كابلات التغذية وهياكل التركيب
التطبيقات النموذجية
تُستخدم الهوائيات الحلقية على نطاق واسع في:
- أجهزة استقبال AM و MF و HF والموجات القصيرة
- معدات تحديد اتجاه الراديو
- أنظمة تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID) وأنظمة الاتصال قريب المدى
- قياسات المجال المغناطيسي للتداخل الكهرومغناطيسي والتوافق الكهرومغناطيسي
- مراقبة الطيف واختبار قوة المجال
- أنظمة الاتصالات الاستقرائية وأنظمة الطاقة اللاسلكية
- منصات استقبال محمولة ومثبتة على المركبات
- دوائر الترددات الراديوية والميكروويف المطبوعة
- أبحاث الهوائيات ومعايرتها وقياسها
في قياس التداخل الكهرومغناطيسي وقوة المجال، تُعدّ هوائيات الحلقة المُعايرة مفيدةً للغاية عند تقييم مُكوّن المجال المغناطيسي في بيئة الترددات الراديوية. وفي أنظمة الاتصالات والمراقبة، يُمكن أن تُساعد نقاطها الصفرية الاتجاهية في تقليل التداخل أو تحديد اتجاه إشارة غير معروفة.
الأهمية الهندسية
توضح الهوائيات الحلقية كيف يؤثر الحجم الكهربائي وتوزيع التيار والاقتران بالمجال المغناطيسي ومطابقة المعاوقة على أداء الهوائي.
قد تتصرف حلقة مماثلة فيزيائيًا كهوائي استقبال مغناطيسي صغير الحجم، أو مستشعر رنين ضيق النطاق، أو هوائي إرسال كامل الموجة، أو عنصر اقتران المجال القريب، وذلك اعتمادًا على محيطها وتردد التشغيل.
تُقدّم RF MISO حلولاً لمكونات الهوائيات والميكروويف لاختبارات الترددات الراديوية، والاتصالات، والرادار، وقياس الهوائيات، وتكامل الأنظمة. يُساعد فهم البنى الأساسية، مثل هوائي الحلقة، المهندسين على تقييم نطاق التردد، والكسب، والاستقطاب، والمعاوقة، وعرض النطاق الترددي، وكفاءة الإشعاع، والاستجابة الاتجاهية عند اختيار أو تطوير نظام هوائي.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
تاريخ النشر: 31 يوليو 2026
