تُعد هوائيات البوق من بين أكثر الهوائيات الاتجاهية استخدامًا في هندسة الموجات الميكروية والموجات المليمترية. فبنيتها الميكانيكية البسيطة، وخصائص إشعاعها المتوقعة، وانعكاسها المنخفض نسبيًا، وقدرتها على تحقيق كسب متوسط إلى عالٍ، تجعلها ذات قيمة في قياس الهوائيات، واختبار التوافق الكهرومغناطيسي، والرادار، وأنظمة الاتصالات، وأنظمة التغذية، ومختبرات الترددات الراديوية.
يمكن اعتبار الهوائي القرني أساسًا بمثابةدليل موجي بفتحة متسعة تدريجياًبدلاً من السماح للموجات الكهرومغناطيسية بمواجهة انتقال مفاجئ من الدليل الموجي إلى الفضاء الحر، يوفر الجزء المتسع تحولاً أكثر تدرجاً. وهذا يساعد على تحسين مطابقة المعاوقة وتوجيه المزيد من الطاقة الكهرومغناطيسية إلى حزمة إشعاع مضبوطة.
يمكن تصميم هوائيات البوق بأشكال متعددة، وذلك تبعاً لهندسة الموجه واتجاه توسيع الفتحة، بما في ذلكقرون قطاعية، قرون هرمية، وأبواق مخروطيةتستخدم المقالة المرجعية الأصلية هذه التكوينات الثلاثة كمقدمة رئيسية لهياكل هوائيات البوق.
1. كيف يعمل هوائي البوق؟
يحصر الدليل الموجي الطاقة الكهرومغناطيسية داخل بنية موصلة. عندما تصل الموجة الموجهة إلى طرف مفتوح، يشع جزء من الطاقة في الفضاء الحر، بينما قد ينعكس جزء آخر بسبب الانتقال بين معاوقة الدليل الموجي ومعاوقة الفضاء الحر.
يقلل الهوائي القرني من حدة هذا الانتقال عن طريق زيادة المقطع العرضي للموجة تدريجياً باتجاه الفتحة.
عندما تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية عبر الجزء المتسع، يتوسع المجال على فتحة أكبر. ثم تشع الفتحة في الفضاء الحر وتنتج شعاعًا موجهًا.
وبالتالي، فإن الشعلة تخدم غرضين مهمين:
- فهو يوفر انتقالاً أكثر سلاسة بين الدليل الموجي والفضاء الحر.
- فهو يزيد من فتحة الإشعاع الفعالة، مما يسمح بتوجيه وكسب أكبر.
من المهم ملاحظة أن البوق يفعللا يمكن القضاء تمامًا على الانعكاسات أو الموجات المستقرةبدلاً من ذلك، يمكن للبوق المصمم بشكل مناسب أن يقلل من الانعكاس ويوفر مطابقة جيدة للممانعة، وهو ما ينعكس عادة في نسبة VSWR منخفضة نسبيًا.
الشكل 1. هوائي بوق نموذجي بفتحة موجه متوهجة تدريجياً.
2. تردد تشغيل هوائيات البوق
لا تمتلك الهوائيات القرنية نطاق تردد عالمي واحد.
يتم تحديد تردد تشغيلها إلى حد كبير بواسطةأبعاد الدليل الموجي، ونمط الدليل الموجي، وهندسة الفتحة، وبنية التغذية، وعرض النطاق الترددي المقصود.
تُعدّ هوائيات البوق التقليدية شائعةً بشكلٍ خاص عند ترددات الموجات الميكروية والموجات المليمترية، لأنّ أبعاد الموجهات الموجية تصبح عمليةً مع انخفاض الطول الموجي. ومع ذلك، يمكن لهياكل البوق ذات النطاق العريض المصممة خصيصًا أن تعمل أيضًا عند تردداتٍ أقل، بينما يمكن لهوائيات البوق الدقيقة ذات الموجهات الموجية أن تمتدّ إلى نطاقات الموجات المليمترية ونطاقات الترددات دون التيراهيرتزية.
على سبيل المثال، يمكن العثور على تصميمات هوائيات البوق في نطاق ترددات يتراوح من مئات الميغاهرتز إلى ما يزيد عن 100 غيغاهرتز. وتقدم شركة RF MISO حاليًا تكوينات هوائيات بوق عريضة النطاق تعمل ضمن نطاق ترددات محددة.300-750 ميجاهرتزبالإضافة إلى هوائيات مخروطية الشكل تغطي220-325 جيجاهرتز، مما يوضح مدى اتساع نطاق التردد العملي لهذه العائلة من الهوائيات.
3. الأنواع الرئيسية لهوائيات البوق
3.1 هوائي بوق قطاعي
يتم إنتاج البوق القطاعي عندما يتم توسيع دليل الموجة المستطيل في مستوى واحد فقط.
إذا تم توسيع الدليل الموجي فيالطائرة الإلكترونيةيُطلق على هذا الهيكل اسمبوق قطاعي للطائرة Eإذا حدث التوسع فيالمستوى H، ويطلق عليه اسمبوق قطاعي في المستوى H.
لأن بُعد الفتحة يزداد في مستوى واحد فقط، فإن تشكيل الشعاع يكون أكثر وضوحًا في ذلك المستوى المقابل.
3.2 هوائي قرني هرمي
يتشكل البوق الهرمي عندما يتم توسيع دليل الموجة المستطيل في كل من اتجاهي المستوى E والمستوى H.
يشبه الهيكل الناتج هرمًا مقطوعًا ويوفر توسيعًا للفتحة في كلا البعدين.
تُستخدم القرون الهرمية على نطاق واسع كـأبواق الكسب القياسية وهوائيات مرجعيةلأن أنماط كسبها وإشعاعها يمكن تحديدها بدقة.
على سبيل المثال، تقدم شركة RF MISO هوائيات بوقية قياسية الكسب عبر نطاقات متعددة من الموجات الميكروية والموجات المليمترية. وتشمل عائلة هوائيات WR10 البوقية القياسية الكسب نماذج تعمل منمن 75 إلى 110 جيجاهرتز، مع خصائص محددة للكسب، ونسبة الموجة الموقوفة، والاستقطاب، وعرض الحزمة.
3.3 هوائي مخروطي الشكل
يتم تشكيل البوق المخروطي بشكل عام عن طريق توسيع موجه دائري تدريجياً باتجاه فتحة دائرية.
بخلاف البوق الهرمي، الذي ينشأ من دليل موجي مستطيل، فإن البوق المخروطي له هندسة متناظرة دورانيًا.
تُستخدم هوائيات البوق المخروطية بشكل شائع في تطبيقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية والتغذية والقياس. وبحسب بنية التغذية وشبكة الاستقطاب، يمكنها أيضاً دعم تكوينات استقطاب أكثر تخصصاً.
الشكل 2. التكوينات النموذجية لهوائيات البوق: هوائي قطاعي في المستوى E، هوائي قطاعي في المستوى H، هوائيات هرمية ومخروطية.
4. زاوية التوهج، وحجم الفتحة، وطول البوق
تؤثر هندسة البوق بشكل مباشر على أدائه الكهرومغناطيسي.
ثلاثة معايير تصميمية مهمة هي:
زاوية التوهج، وحجم الفتحة، وطول البوق.
يمكن أن توفر الفتحة الأكبر عمومًا توجيهًا أعلى وشعاعًا أضيق، ولكن زيادة زاوية التوهج ببساطة لا تؤدي تلقائيًا إلى أداء أفضل.
إذا كان البوق قصيرًا جدًا بالنسبة لحجم الفتحة المحدد، فقد يظهر تباين طوري مفرط عبر الفتحة. وهذا يقلل من كفاءة الفتحة وقد يؤدي إلى تدهور نمط الإشعاع.
وعلى العكس من ذلك، فإن جعل البوق طويلاً بشكل مفرط يزيد من الحجم والوزن الميكانيكي دون أن يوفر بالضرورة تحسناً متناسباً في الأداء.
لذا، يتضمن تصميم البوق تحقيق التوازن التالي:
- حجم فتحة العدسة
- زاوية التوهج
- طول
- خطأ الطور
- يكسب
- عرض الحزمة
- الأبعاد الميكانيكية
5. نمط الإشعاع وخصائص الحزمة
تعتبر الهوائيات القرنية عموماً مشعات اتجاهية.
تتركز الطاقة الكهرومغناطيسية بشكل أساسي في الاتجاه الأمامي عبر الفتحة، مما ينتج عنه شعاع رئيسي محدد بوضوح بالإضافة إلى الفصوص الجانبية.
هناك نوعان من القطع في نمط الإشعاع لهما أهمية خاصة:
- نمط الإشعاع في المستوى E
- نمط الإشعاع في المستوى H
العرض الحزمة 3 ديسيبليستخدم عادة لوصف العرض الزاوي للشعاع الرئيسي بين النقطتين اللتين تنخفض فيهما القدرة المشعة بمقدار 3 ديسيبل عن قيمتها القصوى.
بشكل عام، تؤدي زيادة الفتحة الفعالة بالنسبة للطول الموجي إلى زيادة التوجيه وتميل إلى تضييق الشعاع.
يمكن ملاحظة هذه العلاقة أيضاً في هوائيات البوق العملية العاملة بموجات المليمتر. فعلى سبيل المثال، تحدد هوائيات البوق القياسية ذات الكسب 75-110 جيجاهرتز من RF MISO خصائص عرض الحزمة في المستويين E وH، بالإضافة إلى بيانات الكسب ونسبة الموجة الموقوفة (VSWR).
الشكل 3. رسم توضيحي لتمدد الموجة الكهرومغناطيسية وإشعاعها من خلال فتحة بوق.
6. مزايا هوائيات البوق
توفر الهوائيات القرنية العديد من المزايا لأنظمة الترددات الراديوية والميكروويف:
توجيه جيد
تعمل الفتحة الموسعة على تركيز الإشعاع باتجاه الأمام.
خصائص إشعاعية قابلة للتنبؤ
يمكن للهوائيات القرنية المصممة جيدًا أن توفر أنماطًا مستقرة ومحددة جيدًا في المستويين E و H.
مطابقة جيدة للممانعة
يمكن أن يؤدي الانتقال التدريجي من الدليل الموجي إلى الفضاء الحر إلى تقليل الانعكاس ودعم نسبة الموجة الموقوفة المنخفضة.
مكسب متوسط إلى مرتفع
يمكن تصميم أحجام فتحات وأطوال أبواق مختلفة لتوفير مستويات تضخيم مختلفة.
بنية بسيطة نسبياً
بالمقارنة مع العديد من تصميمات الهوائيات المعقدة ذات الكسب العالي، فإن الهوائيات التقليدية بسيطة ميكانيكياً وقوية.
مناسب للقياس عالي التردد
إن تصميمها القائم على الموجهات الموجية يجعل هوائيات البوق ذات قيمة خاصة في أنظمة قياس الموجات الميكروية والموجات المليمترية.
7. اعتبارات التصميم والقيود
تتضمن الهوائيات القرنية أيضاً العديد من المقايضات الهندسية.
يتطلب الكسب الأعلى عمومًا فتحة كهربائية أكبر، مما قد يزيد من الأبعاد الفيزيائية للهوائي.
يجب أيضًا التحكم بعناية في العلاقة بين حجم الفتحة وطول البوق وزاوية التوهج للحفاظ على توزيع طور مقبول عبر الفتحة.
عند الترددات العالية جدًا، تصبح دقة التصنيع وجودة السطح وأبعاد الدليل الموجي ومحاذاة الشفة ذات أهمية متزايدة لأن حتى الأخطاء الميكانيكية الصغيرة نسبيًا يمكن أن تمثل جزءًا كبيرًا من الطول الموجي.
لذلك يحتاج المهندسون إلى تقييم ليس فقط الكسب ونطاق التردد، ولكن أيضًا:
نسبة الموجة الموقوفة، والاستقطاب، وأداء الاستقطاب المتقاطع، وعرض الحزمة، ومستوى الفصوص الجانبية، وواجهة الترددات الراديوية، وقدرة تحمل الطاقة، والتحمل الميكانيكي.
8. تطبيقات هوائيات البوق
بسبب إشعاعها الموجه، وخصائصها المستقرة، وتوافقها مع أنظمة الموجات الدليلية، تُستخدم هوائيات البوق على نطاق واسع في:
- قياس كسب الهوائي
- قياس نمط الإشعاع
- اختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)
- أنظمة الرادار
- الاتصالات عبر الموجات الميكروية والموجات المليمترية
- اختبار هوائيات الأقمار الصناعية
- تحديد الاتجاهات والمراقبة
- قياسات الغرفة عديمة الصدى
- تغذية هوائي عاكس
- أنظمة البحث والمختبرات في مجال الترددات الراديوية
- تطبيقات المعايرة والهوائي المرجعي
يمكن لتصميمات الهوائيات ذات النطاق العريض أن توفر نطاقًا تردديًا واسعًا لأنظمة القياس والمراقبة. على سبيل المثال، تُستخدم هوائيات RF MISO ذات النطاق العريض بتردد 18-40 جيجاهرتز في تطبيقات تشمل اختبار الموجات الدقيقة، وقياس الهوائيات، واختبار هوائيات الأقمار الصناعية، وتحديد الاتجاه، والمراقبة، والقياسات المتعلقة بالتوافق الكهرومغناطيسي.
خاتمة
يقوم هوائي البوق بتحويل موجة كهرومغناطيسية موجهة إلى إشعاع موجه في الفضاء الحر من خلال فتحة موجهة تتوسع تدريجياً.
مزيجها منمطابقة جيدة للممانعة، وإشعاع موجه، وخصائص شعاع يمكن التنبؤ بها، وكسب مفيد، وبنية بسيطة نسبياًوقد جعل ذلك من البوق أحد أهم هياكل الهوائيات في هندسة الموجات الميكروية والموجات المليمترية.
بدءًا من الأبواق القطاعية والهرمية وصولًا إلى التصاميم المخروطية والواسعة النطاق، يمكن تحسين الهياكل المختلفة لنطاقات تردد محددة، ومتطلبات الاستقطاب، ومستويات الكسب، وبيئات القياس.
بالنسبة للمهندسين الذين يختارون هوائيًا بوقيًا، فإن نطاق التردد ليس سوى نقطة البداية. يجب تقييم كل من الكسب، ونسبة الموجة الموقوفة، وعرض الحزمة، والاستقطاب، والوصلة الموجية أو المحورية، وقدرة تحمل الطاقة، والأبعاد الميكانيكية وفقًا لمتطلبات نظام الترددات الراديوية الكامل.
تاريخ النشر: 21 أغسطس 2026
