يُعدّ الاستقطاب إحدى الخصائص الأساسية للهوائيات. علينا أولًا فهم استقطاب الموجات المستوية. بعد ذلك، يُمكننا مناقشة الأنواع الرئيسية لاستقطاب الهوائيات.
الاستقطاب الخطي
سنبدأ في فهم استقطاب الموجة الكهرومغناطيسية المستوية.
للموجة الكهرومغناطيسية المستوية (EM) خصائص عديدة. أولها أن الطاقة تنتقل في اتجاه واحد (لا يتغير المجال في اتجاهين متعامدين). ثانيًا، يكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض. يكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متعامدين على اتجاه انتشار الموجة المستوية. على سبيل المثال، لنفترض مجالًا كهربائيًا أحادي التردد (E) مُعطى بالمعادلة (1). ينتقل المجال الكهرومغناطيسي في الاتجاه الموجب (+z). ويتجه المجال الكهربائي في الاتجاه السالب (+x). أما المجال المغناطيسي فيتجه في الاتجاه السالب (+y).
في المعادلة (1)، لاحظ الصيغة التالية: . هذا متجه وحدة (متجه بطول)، وينص على أن نقطة المجال الكهربائي تقع في اتجاه x. الموجة المستوية موضحة في الشكل 1.
الشكل 1. التمثيل البياني للمجال الكهربائي المتحرك في الاتجاه +z.
الاستقطاب هو شكل مسار وانتشار (محيط) المجال الكهربائي. على سبيل المثال، لنأخذ معادلة المجال الكهربائي للموجة المستوية (1). سنلاحظ أن المجال الكهربائي يكون (X,Y,Z) = (0,0,0) كدالة للزمن. سعة هذا المجال موضحة في الشكل 2، في عدة نقاط زمنية. يتذبذب المجال عند التردد "F".
الشكل 2. لاحظ المجال الكهربائي (X، Y، Z) = (0،0،0) في أوقات مختلفة.
يُرصد المجال الكهربائي عند نقطة الأصل، متذبذبًا ذهابًا وإيابًا في السعة. يكون المجال الكهربائي دائمًا على طول المحور السيني المُشار إليه. ولأن المجال الكهربائي يُحافظ على خط واحد، يُمكن القول إنه مُستقطب خطيًا. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان المحور السيني موازيًا للأرض، يُوصف هذا المجال أيضًا بأنه مُستقطب أفقيًا. أما إذا كان المجال مُوجهًا على طول المحور الصادي، يُمكن القول إن الموجة مُستقطبة رأسيًا.
لا يلزم توجيه الموجات المستقطبة خطيًا على طول محور أفقي أو رأسي. على سبيل المثال، موجة مجال كهربائي ذات قيد يقع على طول خط كما هو موضح في الشكل 3 ستكون مستقطبة خطيًا أيضًا.
الصورة 3. سعة المجال الكهربائي لموجة مستقطبة خطيًا يكون مسارها عبارة عن زاوية.
يمكن وصف المجال الكهربائي في الشكل 3 بالمعادلة (2). لدينا الآن مُركّبان للمجال الكهربائي، أحدهما س والآخر ص. كلا المُركّبين متساويان في الحجم.
من الأمور الجديرة بالملاحظة في المعادلة (2) هو المكون xy والحقول الإلكترونية في المرحلة الثانية. هذا يعني أن كلا المكونين لهما نفس السعة دائمًا.
الاستقطاب الدائري
الآن افترض أن المجال الكهربائي للموجة المستوية معطى بالمعادلة (3):
في هذه الحالة، يكون العنصران X وY مختلفين في الطور بمقدار 90 درجة. إذا رُصد المجال على أنه (X، Y، Z) = (0،0،0) مرة أخرى كما في السابق، فسيظهر منحنى المجال الكهربائي مقابل الزمن كما هو موضح أدناه في الشكل 4.
الشكل 4. قوة المجال الكهربائي (X، Y، Z) = (0،0،0) مجال EQ. (3).
يدور المجال الكهربائي في الشكل 4 بشكل دائري. يُوصف هذا النوع من المجالات بأنه موجة مستقطبة دائريًا. وللحصول على استقطاب دائري، يجب استيفاء المعايير التالية:
- معيار الاستقطاب الدائري
- يجب أن يحتوي المجال الكهربائي على مكونين متعامدين (عموديين).
- يجب أن تكون للمكونات المتعامدة للمجال الكهربائي سعات متساوية.
- يجب أن تكون مكونات التربيع خارج الطور بمقدار 90 درجة.
عند التحرك على شاشة الشكل الموجي 4، يُقال إن دوران المجال يكون عكس اتجاه عقارب الساعة ومستقطبًا دائريًا أيمنًا (RHCP). أما إذا دار المجال في اتجاه عقارب الساعة، فسيكون مستقطبًا دائريًا أيسرًا (LHCP).
الاستقطاب الإهليلجي
إذا كان للمجال الكهربائي مركبتان متعامدتان، مختلفتان في الطور بزاوية 90 درجة، لكنهما متساويتان في المقدار، فسيكون المجال مستقطبًا بيضاويًا. بالنظر إلى المجال الكهربائي لموجة مستوية تنتقل في الاتجاه الموجب z، الموصوف بالمعادلة (4):
يُعطى موضع النقطة التي سيتخذها طرف متجه المجال الكهربائي في الشكل 5
الشكل 5. المجال الكهربائي لموجة الاستقطاب الإهليلجي الفوري. (4).
المجال في الشكل 5، الذي يتحرك عكس اتجاه عقارب الساعة، سيكون بيضاويًا أيمنًا إذا خرج من الشاشة. إذا دار متجه المجال الكهربائي في الاتجاه المعاكس، فسيكون المجال أيسرًا مستقطبًا بيضاويًا.
علاوة على ذلك، يشير الاستقطاب الإهليلجي إلى انحرافه. نسبة الانحراف إلى سعة المحورين الرئيسي والثانوي. على سبيل المثال، انحراف الموجة من المعادلة (4) هو 1/0.3 = 3.33. توصف الموجات المستقطبة إهليلجيًا أيضًا من خلال اتجاه المحور الرئيسي. تحتوي معادلة الموجة (4) على محور يتكون أساسًا من المحور x. لاحظ أن المحور الرئيسي يمكن أن يكون عند أي زاوية مستوية. لا يشترط أن تتناسب الزاوية مع المحور X أو Y أو Z. وأخيرًا، من المهم ملاحظة أن كلاً من الاستقطاب الدائري والخطي هما حالتان خاصتان من الاستقطاب الإهليلجي. 1.0 الموجة المستقطبة إهليلجيًا لامركزية هي موجة مستقطبة دائريًا. موجات مستقطبة إهليلجيًا ذات انحراف لا نهائي. موجات مستقطبة خطيًا.
استقطاب الهوائي
الآن بعد أن أصبحنا على دراية بحقول الموجات المستوية المستقطبة، أصبح استقطاب الهوائي محددًا ببساطة.
استقطاب الهوائي: تقييم المجال البعيد للهوائي، أي استقطاب المجال المُشع الناتج. لذلك، تُصنف الهوائيات عادةً على أنها "مستقطبة خطيًا" أو "هوائيات مستقطبة دائريًا يمينية".
هذا المفهوم البسيط مهم لاتصالات الهوائيات. أولاً، لا يتواصل هوائي مستقطب أفقياً مع هوائي مستقطب رأسياً. فبموجب نظرية التبادلية، يُرسل الهوائي ويستقبل بنفس الطريقة تماماً. لذلك، تُرسل الهوائيات المستقطبة رأسياً وتستقبل مجالات مستقطبة رأسياً. لذلك، إذا حاولتَ إرسال هوائي مستقطب رأسياً، فلن يكون هناك استقبال.
في الحالة العامة، بالنسبة لهوائيين مستقطبين خطيًا يدوران بالنسبة لبعضهما البعض بزاوية ( )، سيتم وصف فقدان الطاقة بسبب عدم تطابق الاستقطاب هذا بواسطة عامل فقدان الاستقطاب (PLF):
لذلك، إذا كان لهوائيين الاستقطاب نفسه، فإن الزاوية بين حقول الإلكترونات المشعة فيهما تساوي صفرًا، ولا يوجد أي فقدان في الطاقة بسبب عدم تطابق الاستقطاب. أما إذا كان أحد الهوائيين مستقطبًا رأسيًا والآخر أفقيًا، فإن الزاوية تكون 90 درجة، ولن تنتقل أي طاقة.
ملاحظة: يُفسر تحريك الهاتف فوق رأسك بزوايا مختلفة إمكانية زيادة الاستقبال أحيانًا. عادةً ما تكون هوائيات الهواتف المحمولة مستقطبة خطيًا، لذا فإن تدوير الهاتف غالبًا ما يُطابق استقطابه، مما يُحسّن الاستقبال.
الاستقطاب الدائري سمة مرغوبة في العديد من الهوائيات. كلا الهوائيين مستقطبان دائريًا، ولا يتعرضان لفقدان 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 معامل فقدان الاستقطاب الناتج؟
تذكر أن الاستقطاب الدائري هو في الواقع موجتان متعامدتان مستقطبتان خطيًا، متباعدتان في الطور بزاوية 90 درجة. لذلك، يستقبل هوائي الاستقطاب الخطي (LP) فقط مكون طور الموجة المستقطبة دائريًا (CP). وبالتالي، سيكون لهوائي الاستقطاب الخطي (LP) فقدان في عدم تطابق الاستقطاب قدره 0.5 (-3 ديسيبل). وينطبق هذا بغض النظر عن زاوية دوران هوائي الاستقطاب الخطي. لذلك:
يُشار أحيانًا إلى عامل فقدان الاستقطاب باسم كفاءة الاستقطاب، أو عامل عدم تطابق الهوائي، أو عامل استقبال الهوائي. جميع هذه الأسماء تُشير إلى نفس المفهوم.
وقت النشر: ٢٢ ديسمبر ٢٠٢٣
