تُعدّ هوائيات الفتحة فئةً مهمةً من الهوائيات تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الموجات الميكروية، والموجات المليمترية، والرادار، والاتصالات، وقياس الهوائيات. وعلى عكس الهوائيات السلكية، التي تُشعّ بشكل أساسي من خلال التيارات المتدفقة عبر العناصر الموصلة، تُشعّ هوائيات الفتحة الطاقة الكهرومغناطيسية من خلال فتحة أو ثقب.
من الأمثلة الشائعة على ذلك الموجهات المفتوحة. فعندما تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر موجه وتصل إلى طرفه المفتوح، يُشع جزء من الطاقة الموجهة إلى الفضاء الحر. ومن خلال التحكم في هندسة الفتحة، وتوزيع المجال، والبنية المحيطة، يستطيع المهندسون تحسين مطابقة المعاوقة، والتوجيه، والكسب، وخصائص الإشعاع.
تشمل الهوائيات الشائعة من نوع الفتحة ما يلي:هوائيات الموجات الموجهة ذات الأطراف المفتوحة،هوائيات قرنيةوهوائيات الفتحة. كما تصنف المقالة المرجعية الأصلية هذه الهياكل الثلاثة تحت هوائيات الفتحة.
1. ما هو هوائي الفتحة؟
في هندسة الهوائيات، يمكن اعتبار الفتحة بمثابة فتحة تنتقل من خلالها المجالات الكهرومغناطيسية من هيكل موجه إلى الفضاء الحر.
صُممت الموجهات الموجية لحصر وتوجيه الطاقة الكهرومغناطيسية. إذا انتهت الموجهات الموجية بجدار موصل، فإن الطاقة تبقى محصورة أو تنعكس وفقًا لشروط الإنهاء. أما عند فتح الموجهات الموجية، فيمكن للمجال الكهرومغناطيسي عند الفتحة أن يشع في الفضاء الحر.
وبالتالي، تعمل الفتحة كمنطقة انتقالية بين نمط كهرومغناطيسي موجه وموجة كهرومغناطيسية مشعة.
تعتمد خصائص الإشعاع الفعلية على عدة عوامل، بما في ذلك:
- أبعاد الفتحة وشكلها
- طول الموجة التشغيلية
- وضع الموجه الموجي
- توزيع المجالين الكهربائي والمغناطيسي
- شفة أو هيكل موصل محيط
- مطابقة المعاوقة عند الفتحة
تُظهر الأبحاث التي أجريت على الموجهات المستطيلة ذات النهايات المفتوحة أن كلاً من مجالات الفتحة والحيود من حواف الشفة المحيطة يمكن أن يساهم في المجال المشع الناتج.
الشكل 1. مثال على بنية دليل الموجة المستطيلة المستخدمة لتوضيح إشعاع الفتحة.
2. كيف يشع الموجه الموجي المفتوح الطرف؟
عندما يصل نمط الموجة المنتشرة في الدليل الموجي إلى فتحة مفتوحة، تتغير شروط الحدود الكهرومغناطيسية فجأة. لم تعد المجالات محصورة تمامًا بالجدران الموصلة، مما يسمح لجزء من الطاقة الكهرومغناطيسية بالإشعاع في الفضاء الحر.
في الوقت نفسه، لا يكون الانتقال من الدليل الموجي إلى الفضاء الحر متطابقًا تمامًا بشكل عام. لذلك قد تنعكس بعض الطاقة عائدة إلى الدليل الموجي.
هذه العلاقة بينالإشعاع والانعكاسيُعد جزءًا مهمًا من تصميم هوائي الفتحة.
يمكن لموجه موجي بسيط مفتوح الطرف أن يعمل كهوائي، لكن كفاءة إشعاعه، ومطابقة معاوقته، وكسبه، وخصائص شعاعه قد لا تكون مثالية لكل تطبيق. يستطيع المهندسون تعديل هندسة الفتحة للحصول على أداء أفضل. أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا هوهوائي بوقي، حيث يتوسع الدليل الموجي تدريجياً باتجاه الفتحة.
3. تردد تشغيل هوائيات الفتحة
لا يوجد نطاق تردد تشغيل عالمي واحد لجميع هوائيات الفتحة.
يتحدد نطاق التردد القابل للاستخدام لهوائي الفتحة القائم على الدليل الموجي بشكل أساسي بواسطةأبعاد الدليل الموجي، ونوع الدليل الموجي، وأنماط الانتشار المدعومة، وترددات القطع.
لذلك يتم استخدام أحجام مختلفة من الموجهات الموجية القياسية لنطاقات ترددات الميكروويف والموجات المليمترية المختلفة.
يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية في أنظمة الترددات الراديوية العالية. فمع ازدياد التردد وقصر الطول الموجي، تصغر أبعاد الدليل الموجي والفتحة، مما يسمح باستخدام هوائيات الفتحة بكفاءة في أنظمة الميكروويف والموجات المليمترية وحتى أنظمة الترددات دون التيراهيرتزية.
4. نمط إشعاع هوائي الفتحة
يعتمد نمط الإشعاع لهوائي الفتحة بشكل كبير على حجم الفتحة، وتوزيع المجال، ووضع التشغيل، والطول الموجي، والهيكل المحيط.
يُنتج الموجه الموجي المفتوح عادةً حزمةً واسعةً نسبيًا، ولكن لا ينبغي وصفه تلقائيًا بأنه هوائي متعدد الاتجاهات. وتتحدد خصائص إشعاعه في المستويين E وH بتوزيع المجال الكهرومغناطيسي على الفتحة.
يمكن أن تؤثر الحافة المحيطة أيضًا على نمط الإشعاع الناتج، لأن المجالات المنعكسة من حوافها تُساهم في المجال الإشعاعي الكلي. وتُراعي الدراسات التحليلية الحديثة صراحةً كلاً من إشعاع الفتحة وانحراف حافة الحافة عند حساب سلوك المجال البعيد.
يمكن أن يؤدي زيادة حجم الفتحة الفعالة بشكل عام إلى توفير توجيه أعلى وحزمة رئيسية أضيق، وهذا أحد الأسباب التي تجعل الهوائيات القرنية وهياكل الفتحة الأكبر شائعة الاستخدام عندما تكون هناك حاجة إلى كسب أعلى.
نمط إشعاع غير موجه
5. الأنواع الرئيسية لهوائيات الفتحة
هوائي موجه مفتوح الطرف
يُعدّ الموجه الموجي المفتوح أحد أبسط مشعات الفتحة. ويجعله هيكله المدمج وتوافقه المباشر مع أنظمة الموجهات الموجية مفيدًا في مختبرات الموجات الميكروية والموجات المليمترية، وقياسات الهوائيات، والمجسات، ووحدات التغذية، وأنظمة الترددات الراديوية الأخرى.
هوائي بوق
يمكن اعتبار الهوائي البوقي بمثابة دليل موجي يتسع مقطعه العرضي تدريجياً باتجاه فتحة الإشعاع. يُحسّن هذا الانتقال التدريجي عملية التحويل من الموجات الموجهة إلى الإشعاع في الفضاء الحر، ويمكن أن يوفر مطابقة أفضل للممانعة، وكسبًا أعلى، وأنماط إشعاع أكثر تحكمًا.
تُستخدم الهوائيات القرنية على نطاق واسع في قياس الهوائيات، واختبار التوافق الكهرومغناطيسي، والرادار، وأنظمة الاتصالات، وأنظمة التغذية، وتطبيقات الموجات المليمترية.
هوائي ذو فتحة
تستخدم هوائيات الفتحة فتحةً أو شقاً محفوراً في سطح موصل لإشعاع الطاقة الكهرومغناطيسية. وبحسب شكل الفتحة، ومصدر الإثارة، والبنية المحيطة، يمكن استخدام هوائيات الفتحة بشكل فردي أو دمجها في مصفوفات.
تُستخدم هذه التقنيات على نطاق واسع في أنظمة الميكروويف حيث تكون هناك حاجة إلى هياكل منخفضة الارتفاع أو تكامل أو تكوينات مصفوفة.
6. هوائيات الفتحة في هندسة الترددات الراديوية والميكروويف
نظراً لأن هوائيات الفتحة تتكامل بشكل طبيعي مع هياكل نقل الموجات الموجهة، فإنها ذات أهمية خاصة عند ترددات الموجات الميكروية والموجات المليمترية.
تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:
- قياس كسب الهوائي ونمط الإشعاع
- اختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)
- أنظمة الرادار
- الاتصالات عبر الموجات الميكروية والموجات المليمترية
- أنظمة تغذية الهوائيات
- قياسات مختبر الترددات الراديوية
- الإرسال والاستقبال الموجه
- أنظمة الاختبار والمعايرة
بالنسبة لمهندسي الهوائيات، يتطلب اختيار هوائي الفتحة المناسب أكثر من مجرد مراعاة التردد. فبعض المعايير، مثل الكسب، وعرض الحزمة، والاستقطاب، ونسبة الموجة الموقوفة، وحجم الدليل الموجي، ونوع الحافة، وقدرة تحمل الطاقة، والأبعاد الميكانيكية، قد تؤثر جميعها على أداء النظام.
خاتمة
توفر هوائيات الفتحة طريقة فعالة لتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية الموجهة إلى إشعاع في الفضاء الحر، مما يجعلها فئة أساسية من الهوائيات في هندسة الموجات الميكروية والموجات المليمترية.
بدءًا من الموجهات الموجية البسيطة ذات النهايات المفتوحة وحتى الهياكل المحسّنة ذات البوق والفتحة، يمكن تصميم هوائيات الفتحة لمجموعات مختلفة من الكسب وعرض الحزمة والاستقطاب ونطاق التردد ومتطلبات تكامل النظام.
لذلك فإن فهم كيفية تأثير حجم الفتحة وتوزيع المجال الكهرومغناطيسي وأنماط الموجة الدليلية والهياكل المحيطة على أداء الإشعاع أمر ضروري عند اختيار أو تصميم الهوائيات لاختبار الترددات الراديوية والاتصالات والرادار وأنظمة القياس.
تاريخ النشر: 14 أغسطس 2026
