الهوائي البوقي هو هوائي ذو فتحة يستخدم موجهًا موجيًا متسعًا لإطلاق الطاقة الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر أو تجميع الطاقة الواردة من اتجاه محدد. بفضل بنيته البسيطة، ونمط إشعاعه المتوقع، وتوجيهيته العالية نسبيًا، وقدرته على العمل ضمن نطاقات ترددات الميكروويف والموجات المليمترية المفيدة، يُعد خيارًا شائعًا لقياس الهوائيات، والرادار، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، واختبارات التوافق الكهرومغناطيسي، ومغذيات العاكسات، وأنظمة البحث.
يشرح هذا الدليل كيفية عمل هوائيات البوق، وأنواع هوائيات البوق الرئيسية، ومعايير الأداء المهمة، ومزاياها وقيودها، وكيفية اختيار تصميم مناسب لتطبيق ترددات الراديو المحدد.
ما هو الهوائي ذو البوق؟
يُصنع الهوائي البوقي بتوسيع طرف دليل موجي تدريجيًا. يحمل الدليل الموجي نمطًا كهرومغناطيسيًا موجهًا، بينما يوفر الجزء المتسع انتقالًا من المقطع العرضي الأصغر للدليل الموجي إلى فتحة إشعاع أكبر. عند الفتحة، يقترن المجال الكهرومغناطيسي بالفضاء الحر، مُشكِّلًا حزمة موجهة.
قد يكون شكل التوهج مستطيلاً أو هرمياً أو مخروطياً أو ذا حواف أو مموجاً، أو قد يكون مدمجاً مع عدسة أو شبكة استقطاب. كل شكل هندسي يغير عرض نطاق تشغيل الهوائي، وكسبه، وعرض حزمة الإشعاع، وسلوك الاستقطاب، وتوزيع الطور، ومستوى الفصوص الجانبية، وحجمه الميكانيكي.
الهوائي البوقي سلبي، فهو لا يُولّد طاقة ترددات لاسلكية ولا يُضخّم الإشارة. ويكمن كسبه الظاهري في تركيز الطاقة المُشعّة في منطقة زاوية أضيق مقارنةً بالمشعّ المتساوي الخواص. كما يُحسّن هذا السلوك الاتجاهي نفسه الاستقبال من الاتجاه المقصود.
كيف يعمل هوائي البوق؟
يمكن فهم آلية عمل هوائي البوق في أربع مراحل:
- تدخل الطاقة عبر التغذية.يقوم دليل الموجة المستطيل أو الدائري، أو الانتقال من المحوري إلى دليل الموجة، أو واجهة الترددات الراديوية الأخرى بإثارة نمط الانتشار المطلوب.
- يتمدد الدليل الموجي تدريجياً.يزيد الجزء المتوهج من مساحة المقطع العرضي ويقلل من الانتقال المفاجئ الذي قد يحدث في دليل الموجة المفتوح.
- ينتشر المجال عبر الفتحة.يتحكم شكل البوق في توزيع السعة والطور على الفتحة. ويؤثر حجم الفتحة وتجانس المجال بشكل كبير على الكسب وعرض الحزمة والفصوص الجانبية والاستقطاب المتقاطع.
- تشع الفتحة في الفضاء الحر.تتحد المجالات عند الفتحة لتكوين نمط اتجاهي في المجال البعيد. وبشكل عام، تُنتج الفتحة الكهربائية الأكبر اتجاهية أعلى وشعاعًا أضيق، شريطة أن يظل خطأ الطور والفقدان تحت السيطرة.
لا يُزيل التوهج الانعكاس أو عدم تطابق المعاوقة تمامًا. بل يُوفر التوهج المصمم جيدًا انتقالًا أكثر سلاسة، مما يُساعد على تحقيق نسبة موجة واقفة (VSWR) وكفاءة إشعاع مقبولة عبر النطاق المُستهدف. يعتمد الأداء النهائي على نمط التغذية، وزاوية التوهج، وطول البوق، وأبعاد الفتحة، ودقة التصنيع، وأي نتوءات أو تموجات أو عدسات أو هياكل استقطاب مُستخدمة في التصميم.
أهم معايير أداء هوائي البوق
نطاق تردد التشغيل
يجب أن يكون نطاق التردد القابل للاستخدام متوافقًا مع دليل الموجة أو الموصل المستخدم للتغذية ومع هندسة البوق. ينبغي فحص الأداء عبر النطاق المطلوب بالكامل، وليس فقط عند التردد المركزي. بالنسبة للبوق المُغذى بدليل الموجة، يُعد نطاق دليل الموجة والشفة المُختاران في غاية الأهمية.
الكسب وحجم الفتحة
يُشير الكسب إلى مدى تركيز الهوائي للطاقة في اتجاه معين، بما في ذلك تأثير كفاءة الهوائي. يتطلب الكسب العالي عادةً فتحة كهربائية أكبر. عند الترددات المنخفضة، يتطلب تحقيق نفس الكسب عادةً بوقًا أكبر حجمًا.
عرض الحزمة ونمط الإشعاع
يشير عرض الحزمة عند نصف القدرة إلى العرض الزاوي للحزمة الرئيسية. وعادةً ما يكون للبوق ذي الكسب الأعلى حزمة أضيق. كما ينبغي على المهندسين مراجعة مستويات الفصوص الجانبية، وسلوك الإشارة من الأمام إلى الخلف، وأنماط الإشارة في المستويين E وH، لأن بوقين ذوي كسب مماثل قد يكون لهما تغطية وخصائص فصوص جانبية مختلفة.
نسبة الموجة المرتدة وفقدان العودة
يشير كل من نسبة الموجة الموقوفة (VSWR) وفقدان العودة إلى مدى توافق مدخل الهوائي مع نظام الترددات الراديوية. يؤدي ضعف التوافق إلى زيادة القدرة المنعكسة، وقد يقلل من القدرة المُوَصَّلة إلى الهوائي. يعتمد الحد المقبول على جهاز الإرسال، وجهاز الاستقبال، وفقدان الكابل، ومتطلبات المعايرة، وهامش النظام.
الاستقطاب والاستقطاب المتقاطع
يمكن للهوائيات القرنية دعم الاستقطاب الخطي، أو الخطي المزدوج، أو الدائري، أو الدائري المزدوج عند تصميمها بهيكل تغذية واستقطاب مناسبين. يجب أن يتوافق الاستقطاب المطلوب مع النظام. ينبغي تقييم الاستقطاب المتقاطع، والنسبة المحورية للاستقطاب الدائري، وعزل المنافذ للتصاميم ثنائية الاستقطاب عندما تكون نقاوة الاستقطاب مهمة.
معالجة الطاقة وواجهة الترددات اللاسلكية
تُستخدم أبواق التغذية الموجية عادةً في أنظمة الميكروويف عالية الطاقة، لكن القدرة الفعلية للطاقة تعتمد على المجموعة الكاملة، بما في ذلك الموجه الموجي، والوصلات الانتقالية، والموصلات، ونظام الضغط، والمادة، وبيئة التشغيل. يجب أن تتوافق الحافة أو الموصل المحوري مع بقية سلسلة الترددات الراديوية ميكانيكيًا وكهربائيًا.
أنواع شائعة من هوائيات البوق
هوائي قرني هرمي
يتسع البوق الهرمي في كل من المستويين E و H لموجه مستطيل. وهو أحد أكثر أشكال البوق استخدامًا، ويُستخدم بكثرة في قياسات الهوائيات، وتطبيقات مرجع الكسب القياسي، وأنظمة الرادار، ومغذيات العاكسات.
هوائي بوق قطاعي
يتوسع البوق القطاعي في مستوى واحد فقط. يتوسع البوق القطاعي في المستوى E في هذا المستوى، بينما يتوسع البوق القطاعي في المستوى H في هذا المستوى. تُعد هذه التصاميم مفيدة عند الحاجة إلى عرض حزمة مختلف في المستويين الرئيسيين، أو عندما تُفضل القيود الميكانيكية التوسع في مستوى واحد.
هوائي مخروطي الشكل
يُغذى البوق المخروطي عادةً بموجه دائري وله فتحة دائرية. ويمكنه تلبية متطلبات الحزمة المتناظرة دورانيًا، ويمكن تهيئته للاستقطاب الخطي أو الدائري، وذلك حسب التغذية والنمط المُثار.
هوائي قرني مموج
تُستخدم التموجات للتحكم في التيارات السطحية وحقول الفتحة. يمكن للبوق المموج المصمم جيدًا أن يوفر شعاعًا متناظرًا، وفصوصًا جانبية منخفضة، واستقطابًا متقاطعًا منخفضًا، مما يجعله جذابًا لتطبيقات التغذية الدقيقة، وأنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، وعلم الفلك الراديوي، وتطبيقات القياس.
هوائي بوقي مزدوج الحواف وعريض النطاق
تعمل الحواف على تعديل توزيع المجال الموجي وخفض تردد القطع الفعال، مما يتيح نطاق تردد تشغيل أوسع من العديد من أبواق الموجات أحادية النمط التقليدية. تُستخدم أبواق الموجات العريضة ذات الحواف المزدوجة على نطاق واسع في اختبارات التوافق الكهرومغناطيسي، والمراقبة، وقياسات النطاق العريض، وأنظمة المختبرات. مع ذلك، ينبغي مراجعة كسبها ونمطها ونسبة الموجة الموقوفة (VSWR) عبر النطاق بأكمله، لأن أداء النطاق العريض ليس موحدًا بطبيعته.
هوائي بوقي ثنائي الاستقطاب ودائري الاستقطاب
تستخدم الأبواق ثنائية الاستقطاب منافذ منفصلة أو بنية نمطية متعامدة لدعم استقطابين متعامدين. أما الأبواق ذات الاستقطاب الدائري فتتضمن مستقطبًا أو بنية نمطية مناسبة لتوليد استقطاب دائري يميني أو يساري. تشمل المواصفات الرئيسية عزل المنافذ، والاستقطاب المتقاطع، والنسبة المحورية.
هوائي عدسة بوق
يضع بوق العدسة عدسة كهرومغناطيسية أمام فتحة البوق لتشكيل جبهة الطور. وبحسب التصميم، يمكن للعدسة زيادة التوجيه، أو تقليل الطول المادي المطلوب لفتحة الهدف، أو إنشاء مجال مركّز لقياس المواد وتطبيقات المجال القريب.
مزايا وعيوب هوائيات البوق
المزايا
- إشعاع موجه بأنماط يمكن التنبؤ بها في المستويين E و H
- كسب مفيد في نطاقات ترددات الميكروويف والموجات المليمترية
- كفاءة إشعاعية جيدة عند التحكم في فقدان الموصل والوصلة
- نطاق تشغيل متوسط إلى واسع، اعتمادًا على تصميم البوق والتغذية
- قدرة عالية على توليد الطاقة في التكوينات المناسبة التي تتغذى بواسطة الموجهات الموجية
- بساطة ميكانيكية وأداء قابل للتكرار
- متوفر في تكوينات خطية، وثنائية الاستقطاب، ودائرية الاستقطاب
القيود
- يزداد الحجم المادي مع انخفاض التردد أو زيادة الكسب المطلوب
- قد يتطلب الكسب العالي جدًا فتحة عدسة كبيرة أو عدسة إضافية أو عاكسًا
- يمكن أن يحد خطأ طور الفتحة من الكسب ويؤثر على أداء الفصوص الجانبية
- قد تُظهر نماذج النطاق العريض تغييرات كبيرة في الكسب وعرض الحزمة عبر النطاق
- قد تؤدي متطلبات الاستقطاب الدقيق وانخفاض الفصوص الجانبية إلى زيادة تعقيد التصميم والتصنيع
تطبيقات هوائيات البوق
قياس ومعايرة الهوائي
تُستخدم الهوائيات ذات الكسب القياسي المُحدد خصائصها غالبًا كهوائيات مرجعية في قياسات الكسب، ونمط الإشعاع، والاستقطاب، ومدى الهوائي. ويُعدّ استقرار هندستها وسلوكها المفهوم جيدًا مفيدًا لإجراء أعمال معملية وقياسية قابلة للتكرار.
اختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) واختبار التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)
تُستخدم الهوائيات ذات النطاق العريض لقياسات الانبعاثات الإشعاعية واختبارات المناعة الإشعاعية ضمن نطاقات ترددات الميكروويف. ويختار مهندسو الاختبار الهوائي وفقًا للنطاق المطلوب، وقوة المجال، ومستوى الطاقة، وتغير الكسب، وبيانات المعايرة.
الرادار والاستشعار عن بعد
يمكن استخدام هوائيات البوق كهوائيات اتجاهية مستقلة أو كمغذيات للعواكس في أنظمة الرادار والتصوير والاستشعار عن بعد وأنظمة توصيف المواد. ويُعد شكل الحزمة ونقاء الاستقطاب والتحكم في الفصوص الجانبية عوامل بالغة الأهمية في هذه التطبيقات.
الاتصالات عبر الأقمار الصناعية والاتصالات من نقطة إلى نقطة
تُستخدم هوائيات البوق كهوائيات تغذية وهوائيات توجيهية في وصلات الموجات الميكروية والموجات المليمترية. وبحسب النظام، قد يُعطي المهندسون الأولوية لكسب الإشارة، أو تناظر الحزمة، أو الاستقطاب الدائري، أو انخفاض الاستقطاب المتقاطع، أو الحماية البيئية.
عاكسات ووحدات تغذية العدسات
يمكن للبوق أن يضيء عاكسًا مكافئًا أو عدسة عازلة. يؤثر اختيار نمط التغذية على إضاءة الفتحة، والتسرب، والكفاءة، والفصوص الجانبية، ونمط الإشعاع الكلي لنظام الهوائي المدمج.
كيفية اختيار هوائي بوقي
ابدأ بمتطلبات النظام الكاملة بدلاً من الاختيار بناءً على المكاسب فقط:
- حدد نطاق التشغيل.تأكد من الحد الأدنى والحد الأقصى للترددات وما إذا كان التشغيل مطلوبًا بشكل مستمر أو بترددات محددة.
- حدد هدف الربح والتغطية.قارن الكسب مع عرض الحزمة في المستويين E و H عبر النطاق الكامل.
- حدد الاستقطاب.اختر الاستقطاب الخطي، أو الخطي المزدوج، أو الدائري الأيمن، أو الدائري الأيسر، أو الدائري المزدوج حسب الحاجة.
- تحقق من جودة النمط.قم بمراجعة الفصوص الجانبية، والاستقطاب المتقاطع، والنسبة المحورية، وأداء الأمام إلى الخلف، وعزل المنفذ عند الاقتضاء.
- تحقق من التطابق والتوافق.تأكد من نسبة الموجة المرتدة (VSWR) أو فقدان العودة، وحجم الدليل الموجي، ومعيار الشفة، ونوع الموصل، والتركيب الميكانيكي.
- ضع في اعتبارك الطاقة والبيئة.يجب مراعاة طاقة جهاز الإرسال، ودورة التشغيل، ودرجة الحرارة، والحماية من الطقس، واحتياجات غطاء الرادار، وظروف التركيب.
- استخدم البيانات المقاسة عند الحاجة.بالنسبة لأنظمة المعايرة واختبار الامتثال والدقة، استخدم ورقة البيانات الخاصة بالنموذج وبيانات المعايرة المقاسة بدلاً من الاعتماد على وصف العائلة الاسمية.
لإجراء مقارنة عملية لعوامل الاختيار، انظر إلىدليل اختيار هوائي بوقي RF MISOيمكنك أيضًا تصفح المجموعة الكاملةنطاق هوائي بوق RF MISO.
الأسئلة الشائعة
هل يقوم الهوائي ذو البوق بتضخيم الإشارة؟
لا. الهوائي البوقي هو جهاز سلبي. وينتج كسبه عن توجيه الطاقة المرسلة أو المستقبلة، وليس عن التضخيم الإلكتروني.
هل جميع هوائيات البوق عريضة النطاق؟
لا. توفر العديد من هوائيات البوق نطاق ترددي مفيد، لكن المدى الفعلي يعتمد على التغذية، وأنماط الموجة الموجهة، وهندسة التوهج، وبنية المطابقة، وشبكة الاستقطاب. صُممت هوائيات البوق ذات الحواف المزدوجة خصيصًا لنطاقات تردد أوسع.
ما الذي يحدد كسب هوائي البوق؟
يتأثر الكسب بحجم الفتحة الكهربائية، وكفاءة الفتحة، وتوزيع الطور والسعة، وفقدان الموصل، والتردد. تدعم الفتحة الكهربائية الأكبر عمومًا توجيهًا أعلى، ولكن يلزم تحكم جيد في المجال لتحويل حجم الفتحة إلى كسب مفيد.
ما الفرق بين مكبر الصوت ذي الكسب القياسي ومكبر الصوت ذي النطاق العريض؟
صُمم البوق ذو الكسب القياسي لتوفير كسب ثابت ومحدد بدقة ضمن نطاقه الترددي المحدد، ويُستخدم غالبًا كمرجع للقياس. أما البوق ذو النطاق الترددي العريض، فيُعطي الأولوية للتشغيل ضمن نطاق ترددي أوسع، مع كسب وعرض حزمة قد يختلفان بشكل ملحوظ عبر هذا النطاق.
العمل مع RF MISO
تُوفر شركة RF MISO هوائيات بوقية قياسية ومخصصة لتطبيقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية، بما في ذلك الهوائيات الهرمية والمخروطية والعريضة النطاق والمموجة وثنائية الاستقطاب ودائرية الاستقطاب وهوائيات العدسة. ويجب أن يستند الاختيار دائمًا إلى نطاق التردد المحدد لكل طراز، والكسب، ونمط الإشعاع، والاستقطاب، ونسبة الموجة الموقوفة (VSWR)، والواجهة، والمتطلبات البيئية.
استكشف مجموعتنامنتجات هوائيات البوق or اتصل بـ RF MISOلمناقشة طلبك ومتطلباتك الفنية.
المراجع ومصادر القراءة الإضافية
تاريخ النشر: 28 مارس 2024
