يُعدّ الاستقطاب أحد الخصائص الأساسية للهوائيات. نحتاج أولاً إلى فهم استقطاب الموجات المستوية، ثم يمكننا مناقشة الأنواع الرئيسية لاستقطاب الهوائيات.
الاستقطاب الخطي
سنبدأ بفهم استقطاب الموجة الكهرومغناطيسية المستوية.
تتميز الموجة الكهرومغناطيسية المستوية بعدة خصائص. أولها أن الطاقة تنتقل في اتجاه واحد (لا يتغير المجال في اتجاهين متعامدين). ثانيًا، يكون المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض. ويكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متعامدين على اتجاه انتشار الموجة المستوية. على سبيل المثال، لنفترض مجالًا كهربائيًا أحادي التردد (المجال E) مُعطى بالمعادلة (1). ينتشر المجال الكهرومغناطيسي في الاتجاه +z. ويتجه المجال الكهربائي في الاتجاه +x. أما المجال المغناطيسي فيتجه في الاتجاه +y.
في المعادلة (1)، لاحظ الرمز: . هذا متجه وحدة (متجه طوله )، ويشير إلى أن نقطة المجال الكهربائي تقع في اتجاه المحور السيني. يوضح الشكل 1 الموجة المستوية.
الشكل 1. تمثيل بياني للمجال الكهربائي المنتقل في اتجاه +z.
الاستقطاب هو أثر وشكل انتشار المجال الكهربائي. على سبيل المثال، لننظر إلى معادلة المجال الكهربائي للموجة المستوية (1). سنلاحظ الموضع الذي يكون فيه المجال الكهربائي (X,Y,Z) = (0,0,0) كدالة للزمن. يوضح الشكل 2 سعة هذا المجال عند عدة لحظات زمنية. يتذبذب المجال بتردد "F".
الشكل 2. لاحظ المجال الكهربائي (X، Y، Z) = (0،0،0) في أوقات مختلفة.
يُلاحَظ المجال الكهربائي عند نقطة الأصل، متذبذبًا ذهابًا وإيابًا في السعة. ويكون المجال الكهربائي دائمًا على طول المحور السيني المُشار إليه. ولأن المجال الكهربائي يبقى على خط مستقيم، يُمكن القول إنه مستقطب خطيًا. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان المحور السيني موازيًا للأرض، يُوصف هذا المجال أيضًا بأنه مستقطب أفقيًا. أما إذا كان المجال مُوجَّهًا على طول المحور الصادي، فيُمكن القول إن الموجة مستقطبة رأسيًا.
لا يشترط أن تكون الموجات المستقطبة خطيًا موجهة على طول محور أفقي أو رأسي. فعلى سبيل المثال، موجة المجال الكهربائي التي يقع قيدها على طول خط كما هو موضح في الشكل 3 ستكون أيضًا مستقطبة خطيًا.
الصورة 3. سعة المجال الكهربائي لموجة مستقطبة خطيًا يكون مسارها بزاوية.
يمكن وصف المجال الكهربائي في الشكل 3 بالمعادلة (2). يوجد الآن مركبتان للمجال الكهربائي، إحداهما في المحور السيني والأخرى في المحور الصادي، وهما متساويتان في المقدار.
تجدر الإشارة إلى أمرٍ هام بخصوص المعادلة (2)، وهو وجود المركبة xy والمجالات الإلكترونية في المرحلة الثانية. وهذا يعني أن كلا المركبتين لهما نفس السعة في جميع الأوقات.
الاستقطاب الدائري
والآن، افترض أن المجال الكهربائي لموجة مستوية يُعطى بالمعادلة (3):
في هذه الحالة، يكون العنصران X و Y متعاكسين في الطور بمقدار 90 درجة. إذا تم رصد المجال على النحو التالي (X, Y, Z) = (0,0,0) كما في السابق، فسيظهر منحنى المجال الكهربائي مقابل الزمن كما هو موضح أدناه في الشكل 4.
الشكل 4. شدة المجال الكهربائي (X، Y، Z) = (0،0،0) مجال EQ. (3).
يدور المجال الكهربائي في الشكل 4 في دائرة. يُوصف هذا النوع من المجالات بأنه موجة مستقطبة دائريًا. وللحصول على استقطاب دائري، يجب استيفاء المعايير التالية:
- معيار الاستقطاب الدائري
- يجب أن يكون للمجال الكهربائي مركبتان متعامدتان (عموديتان).
- يجب أن تكون للمكونات المتعامدة للمجال الكهربائي سعات متساوية.
- يجب أن تكون مكونات التربيع متعاكسة في الطور بمقدار 90 درجة.
عند التنقل على شاشة الشكل الموجي 4، يُقال إن دوران المجال عكس اتجاه عقارب الساعة، ويكون الاستقطاب دائريًا يمينيًا (RHCP). أما إذا دار المجال في اتجاه عقارب الساعة، فسيكون الاستقطاب دائريًا يساريًا (LHCP).
الاستقطاب الإهليلجي
إذا كان للمجال الكهربائي مركبتان متعامدتان، بينهما فرق طور 90 درجة ولكنهما متساويتان في المقدار، فسيكون المجال مستقطبًا استقطابًا إهليلجيًا. وبالنظر إلى المجال الكهربائي لموجة مستوية تنتشر في الاتجاه +z، والموصوف بالمعادلة (4):
يوضح الشكل 5 موضع النقطة التي سيتخذها طرف متجه المجال الكهربائي
الشكل 5. المجال الكهربائي لموجة الاستقطاب الإهليلجي الفوري. (4).
يكون المجال الموضح في الشكل 5، والذي ينتشر عكس اتجاه عقارب الساعة، إهليلجيًا يمينيًا إذا خرج من الشاشة. أما إذا دار متجه المجال الكهربائي في الاتجاه المعاكس، فسيكون المجال مستقطبًا إهليلجيًا يساريًا.
علاوة على ذلك، يشير الاستقطاب الإهليلجي إلى لا مركزيته، وهي نسبة اللامركزية إلى سعة المحورين الرئيسي والثانوي. على سبيل المثال، لا مركزية الموجة من المعادلة (4) هي 1/0.3 = 3.33. تُوصف الموجات المستقطبة إهليلجيًا أيضًا باتجاه محورها الرئيسي. تحتوي معادلة الموجة (4) على محور يتكون أساسًا من المحور السيني. لاحظ أن المحور الرئيسي يمكن أن يكون بزاوية مستوية ما، ولا يشترط أن تتطابق هذه الزاوية مع المحاور س، ص، أو ع. أخيرًا، من المهم ملاحظة أن كلًا من الاستقطاب الدائري والاستقطاب الخطي هما حالتان خاصتان من الاستقطاب الإهليلجي. الموجة المستقطبة إهليلجيًا ذات اللامركزية 1.0 هي موجة مستقطبة دائريًا. الموجات المستقطبة إهليلجيًا ذات لامركزية لانهائية. الموجات المستقطبة خطيًا.
استقطاب الهوائي
الآن وقد أصبحنا على دراية بالمجالات الكهرومغناطيسية للموجات المستوية المستقطبة، فإن استقطاب الهوائي يتم تعريفه ببساطة.
استقطاب الهوائي: تقييم المجال البعيد للهوائي، وهو استقطاب المجال المشع الناتج. لذلك، غالبًا ما تُصنف الهوائيات على أنها "هوائيات مستقطبة خطيًا" أو "هوائيات مستقطبة دائريًا يمينيًا".
هذا المفهوم البسيط مهمٌّ في اتصالات الهوائيات. أولًا، لا يمكن لهوائي ذي استقطاب أفقي التواصل مع هوائي ذي استقطاب رأسي. فبحسب مبدأ التبادل، يُرسل الهوائي ويستقبل بنفس الطريقة تمامًا. لذا، تُرسل الهوائيات ذات الاستقطاب الرأسي وتستقبل مجالات ذات استقطاب رأسي. وبالتالي، إذا حاولتَ إرسال إشارة من هوائي ذي استقطاب رأسي إلى هوائي ذي استقطاب أفقي، فلن يكون هناك استقبال.
في الحالة العامة، بالنسبة لهوائيين مستقطبين خطيًا يدوران بالنسبة لبعضهما البعض بزاوية ( )، فإن فقد الطاقة الناتج عن عدم تطابق الاستقطاب هذا سيتم وصفه بواسطة عامل فقد الاستقطاب (PLF):
لذا، إذا كان للهوائيين نفس الاستقطاب، فإن الزاوية بين مجالي الإلكترونات المشعّين منهما تساوي صفرًا، ولا يوجد فقد في الطاقة نتيجةً لعدم تطابق الاستقطاب. أما إذا كان أحد الهوائيين مستقطبًا رأسيًا والآخر مستقطبًا أفقيًا، فإن الزاوية بينهما 90 درجة، ولن يتم نقل أي طاقة.
ملاحظة: تحريك الهاتف فوق رأسك بزوايا مختلفة يفسر سبب إمكانية تحسين الاستقبال أحيانًا. عادةً ما تكون هوائيات الهواتف المحمولة ذات استقطاب خطي، لذا فإن تدوير الهاتف غالبًا ما يطابق استقطابه، مما يحسن الاستقبال.
يُعدّ الاستقطاب الدائري سمةً مرغوبةً في العديد من الهوائيات. كلا الهوائيين مستقطبان دائريًا ولا يعانيان من فقدان الإشارة بسبب عدم تطابق الاستقطاب. أما الهوائيات المستخدمة في أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) فهي مستقطبة دائريًا يمينًا.
لنفترض الآن أن هوائيًا مستقطبًا خطيًا يستقبل موجات مستقطبة دائريًا. وبالمثل، لنفترض أن هوائيًا مستقطبًا دائريًا يحاول استقبال موجات مستقطبة خطيًا. ما هو عامل فقد الاستقطاب الناتج؟
تذكر أن الاستقطاب الدائري هو في الواقع موجتان مستقطبتان خطيًا متعامدتان، بينهما فرق طور 90 درجة. لذلك، فإن الهوائي المستقطب خطيًا (LP) سيستقبل فقط مُركِّبة طور الموجة المستقطبة دائريًا (CP). وبالتالي، سيُعاني الهوائي المستقطب خطيًا من خسارة عدم تطابق الاستقطاب بمقدار 0.5 (-3 ديسيبل). هذا صحيح بغض النظر عن زاوية دوران الهوائي المستقطب خطيًا.
يُشار أحيانًا إلى عامل فقد الاستقطاب باسم كفاءة الاستقطاب، أو عامل عدم تطابق الهوائي، أو عامل استقبال الهوائي. وتشير جميع هذه المسميات إلى المفهوم نفسه.
تاريخ النشر: 22 ديسمبر 2023
