هوائي فيفالدي ذو استقطاب خطي، كسب نموذجي 6 ديسيبل، نطاق تردد 0.2-1.2 جيجاهرتز، RM-VA0212-6

هوائي فيفالدي: مبدأ العمل، والخصائص، والتطبيقات

هوائي فيفالدي، المعروف أيضاً باسم هوائي الفتحة المخروطية، هو هوائي اتجاهي عريض النطاق يُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الترددات الراديوية والميكروويف والرادار والحرب الإلكترونية والقياس والاختبارات اللاسلكية. تسمح فتحته المخروطية المميزة بانتقال الطاقة الكهرومغناطيسية تدريجياً من بنية الإرسال الموجهة إلى الفضاء الحر، مما يساعد الهوائي على تحقيق التشغيل عريض النطاق والإشعاع الاتجاهي.

بالمقارنة مع العديد من الهوائيات الرنانة المُحسَّنة حول نطاق ترددي ضيق نسبيًا، تستخدم هوائيات فيفالدي بنية الموجة المتنقلة. وهذا ما يجعلها جذابة بشكل خاص للأنظمة التي تتطلب تغطية ترددية واسعة إلى جانب تكوين ميكانيكي بسيط نسبيًا، سواء كان مستويًا أو معدنيًا.

كيف يعمل هوائي فيفالدي؟

يتكون هوائي فيفالدي الأساسي من حافتين موصلتين تشكلان فتحة مدببة. تتسع الفتحة تدريجياً من منطقة تغذية ضيقة باتجاه فتحة إشعاع أوسع.

عندما تدخل طاقة الترددات الراديوية إلى الهوائي، تنتقل الموجة الكهرومغناطيسية على طول الفتحة المخروطية. ومع ازدياد عرض الفتحة، تتداخل الموجة الموجهة تدريجياً مع الفضاء الحر وتشع بشكل أساسي نحو الطرف المفتوح للهوائي.

يُعد هذا الانتقال التدريجي أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل هوائيات فيفالدي قادرة على توفير خصائص النطاق العريض.

يتأثر التردد القابل للاستخدام المنخفض بشدة بالحجم المادي للفتحة والمخروط، بينما يعتمد أداء التردد العالي بشكل أكبر على عوامل مثل انتقال التغذية، وهندسة المخروط، وأبعاد الموصل، ودقة التصنيع.

خصائص الإشعاع

هوائي فيفالدي هو عمومًا هوائي ذو إشعاع طرفي، مما يعني أن إشعاعه الرئيسي موجه نحو الطرف المفتوح للفتحة المدببة.

تعتمد خصائص إشعاعها على عدة معايير تصميمية، بما في ذلك:

عرض الفتحة
طول التناقص وشكله
هيكل التغذية
تردد التشغيل
هندسة التأريض والموصل
الأبعاد الميكانيكية

مع تغير التردد، تتغير أيضاً منطقة الإشعاع الفعالة على طول الهيكل المخروطي. وهذا يسمح للهوائي بالعمل عبر نطاق تردد واسع نسبياً دون الاعتماد على رنين ضيق واحد.

تُصمم هوائيات فيفالدي عادةً للاستقطاب الخطي، على الرغم من أن أداء الاستقطاب يعتمد على الهندسة المحددة وترتيب التغذية.

الأنواع الرئيسية لهوائيات فيفالدي

تُستخدم العديد من تكوينات هوائيات فيفالدي بشكل شائع في هندسة الترددات الراديوية.

هوائي فيفالدي التقليدي
يستخدم فتحة مدببة تتشكل بين منطقتين موصلتين، وهو أحد أكثر التطبيقات شيوعًا.

هوائي فيفالدي متقابل
يستخدم هذا النظام عناصر موصلة على جانبين متقابلين من ركيزة عازلة. ويمكن لهذا التصميم أن يوفر انتقالاً مناسباً من بعض خطوط التغذية إلى فتحة الإشعاع.

هوائي فيفالدي متوازن مضاد الأقطاب
يستخدم بنية متعددة الطبقات أكثر تماثلاً لتحسين توازن المجال وخصائص الاستقطاب في بعض تطبيقات النطاق العريض.

يمكن اختيار تكوينات مختلفة وفقًا لعرض النطاق الترددي، والاستقطاب، وطريقة التغذية، وعملية التصنيع، ومتطلبات تكامل النظام.

المعايير الأساسية عند اختيار هوائي فيفالدي

عند اختيار هوائي فيفالدي، فإن نطاق التردد ليس سوى نقطة البداية.

يشير الكسب إلى مدى فعالية الهوائي في تركيز الإشعاع في الاتجاه الأمامي.

يعكس معدل الموجة الموقوفة (VSWR) مطابقة المعاوقة بين الهوائي ونظام الترددات الراديوية. انخفاض معدل الموجة الموقوفة يعني عموماً انخفاض الطاقة المنعكسة.

يجب أن تتطابق الاستقطابية مع نظام الترددات اللاسلكية المستهدف لتقليل عدم تطابق الاستقطابية.

يصف عرض الحزمة 3 ديسيبل العرض الزاوي لحزمة الإشعاع الرئيسية وهو أمر مهم في تطبيقات الرادار والمراقبة والقياس الاتجاهي.

يُعد أداء الاستقطاب المتقاطع مهمًا أيضًا عندما تكون نقاوة الاستقطاب مهمة.

ينبغي أيضًا مراعاة العوامل الميكانيكية مثل نوع الموصل، وأبعاد الهوائي، والوزن، وهيكل التركيب، وقدرة تحمل الطاقة أثناء عملية دمج النظام.

على سبيل المثال، يعمل هوائي RF MISO RM-VA0212-6 ذو الاستقطاب الخطي Vivaldi من 0.2 إلى 1.2 جيجاهرتز، ويوفر كسبًا نموذجيًا قدره 6 ديسيبل، ويستخدم الاستقطاب الخطي وواجهة N-Female، وهو مصمم لتطبيقات الرادار والاتصالات عبر الأقمار الصناعية والحرب الإلكترونية واختبارات الأجهزة اللاسلكية المتطورة.

مزايا هوائيات فيفالدي

توفر هوائيات فيفالدي العديد من المزايا العملية:

نطاق تشغيل واسع
الإشعاع الموجه من نهاية النار
بنية إشعاعية بسيطة نسبياً
توافق جيد مع أنظمة الترددات اللاسلكية ذات النطاق العريض
تصميم قابل للتطوير عبر نطاقات تردد مختلفة
مناسب لتكوينات العناصر المفردة والمصفوفات

خصائصها ذات النطاق العريض تجعلها مفيدة بشكل خاص عندما يحتاج النظام إلى تغطية ترددات متعددة دون الحاجة إلى تبديل الهوائيات بشكل متكرر.

التطبيقات

تُستخدم هوائيات فيفالدي بشكل شائع في:

أنظمة الرادار
الحرب الإلكترونية
قياس الترددات اللاسلكية واسعة النطاق
اختبار لاسلكي
تحديد الاتجاهات
مراقبة الإشارة
التصوير بالميكروويف
أنظمة الاتصالات
مصفوفات الهوائيات
تطبيقات البحث والمختبر

في أنظمة المصفوفات، يمكن أيضًا ترتيب عناصر فيفالدي المتعددة للحصول على كسب أعلى، أو حزم أضيق، أو إمكانية التحكم الإلكتروني في الحزمة.

خاتمة

يجمع هوائي فيفالدي بين بنية الموجة المتنقلة ذات الفتحة المدببة، والتشغيل واسع النطاق، والإشعاع الاتجاهي، مما يجعله بنية هوائي متعددة الاستخدامات لأنظمة الترددات الراديوية والميكروويف الحديثة.

يعتمد الأداء الفعلي للهوائي على هندسة المخروط، وحجم الفتحة، وتصميم التغذية، وتردد التشغيل، والتنفيذ الميكانيكي. لذا، ينبغي على المهندسين تقييم ليس فقط عرض النطاق الترددي والكسب، بل أيضًا نسبة الموجة الموقوفة، والاستقطاب، وعرض الحزمة، وأداء الاستقطاب المتقاطع، وواجهة الترددات الراديوية، ومتطلبات التركيب عند اختيار النموذج المناسب.

بالنسبة لتطبيقات الرادار والحرب الإلكترونية وقياس النطاق العريض والاتصالات والاختبارات اللاسلكية، توفر هوائيات Vivaldi حلاً مرنًا حيث يكون كل من تغطية التردد الواسعة وأداء الترددات اللاسلكية الاتجاهي مهمين.