الهوائيات العمودية - Vertical Antennas

تشكل الهوائيات العمودية شكلاً واسع الاستخدام لهوائي الراديو حيث تُستخدم خصائصها في عدد من المجالات المحددة وتمكنها من توفير أداء لا تستطيع الهوائيات الأفقية أو غيرها من الهوائيات توفيره، ونظراً لخصائصها تُستخدم الهوائيات الرأسية في العديد من المجالات من بث الموجة المتوسطة إلى الاتصالات المتنقلة والعديد من التطبيقات الأخرى.

ما هي الهوائيات العمودية – Vertical Antennas؟

الهوائيات العمودية (Vertical Antennas): غالباً يُطلق عليها اسم الهوائيات الرأسية، وهي هوائيات يكون فيها العنصر الدافع رأسياً ومعظم القطاعات الرأسية الشائعة عبارة عن قطعة من الأسلاك أو أنابيب من الألومنيوم مثبتة رأسياً، ولكن البعض الآخر مثل تلك المصممة للاستخدام المحمول تكون أكثر تعقيداً بشكل ملحوظ.

خصائص الهوائي العمودي:

1. مخطط الإشعاع متعدد الاتجاهات – Omnidirectional radiation pattern:

تعرض الهوائيات الرأسية أحادية العنصر مخطط إشعاع شامل الاتجاهات في المستوى الأفقي، وهذا يعني أنّ الإشارة ستنتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات.

2. الإشعاع المستقطب عموديا – Vertically polarized radiation:

بوجود عنصر أو عناصر رأسية تُشع هذه الهوائيات إشارات مستقطبة رأسياً، وهذه ميزة عندما يتم استقبال الإشارة بواسطة هوائيات أخرى ذات استقطاب رأسي.

3. اعتبارات الانتشار – Propagation considerations:

للإشعاع المستقطب رأسياً بعض المزايا لأساليب انتشار التردد المنخفض، فعلى سبيل المثال يكون انتشار الموجة الأرضية المستخدم في الإرسال (LF) وبعض إرسالات الموجات الهكتومترية أفضل غالباً عند استخدام هوائي مستقطب عمودياً، أمّا بالنسبة إلى الموجات الديكامترية (HF) تعني أساليب الانتشار أنّه يمكن استخدام إشارات أي من الاستقطابين.

هناك بعض الدراسات التي تشير إلى أنّ الإشعاع ذو الزاوية المنخفضة المستقطب أفقياً أفضل للاتصالات بعيدة المدى إذا كان الهوائي قادراً على توفير زاوية إشعاع منخفضة بدرجة كافية أي يُعد بأنّ الهوائي العمودي قد ينتج إشعاعاً منخفض الزاوية أكثر، ولكن الإشعاع المستقطب أفقياً قد يوفر في بعض الحالات نتائج افضل.

4. يوفر زاوية إشعاع منخفضة – Provides low angle of radiation:

تميل الإشارة الصادرة من هوائي عمودي إلى أن يكون لها زاوية إشعاع منخفضة، وفقاً لذلك يوجد عدد أقل في الزوايا الأعلى أي موجهة نحو السماء وأكثر ممّا يمكن استقباله بواسطة محطات أرضية أخرى، كما أنّ لها مزايا للاتصالات بعيدة المدى في الغلاف المتأين حيث تساعد زاوية الإشعاع المنخفضة في اكتساب مسافة إضافية، وتم تصميم بعض الهوائيات الرأسية لزيادة إشعاع الزاوية المنخفضة ممّا يؤدي إلى زيادة تقليل المستوى عند الزوايا الأعلى وبالتالي توفير كسب إضافي على ثنائي القطب الرأسي أو رباعي الموجة الرأسية.

5. المساحة المشغولة – Space occupied:

المساحة التي يشغلها الهوائي العمودي عادةً ما تكون أقل من المساحة التي يشغلها هوائي مكافئ مستقطب أفقياً، حيث تُستخدم بعض الهوائيات الرأسية مستوى أرضياً وسيتعين أخذ المساحة التي يشغلها هذا في الاعتبار للحصول على رؤية كاملة.

6. سهولة التركيب – Ease of mounting:

من السهل عادةً تركيب أنواع الهوائي العمودي ممّا يتطلب تثبيتاً واحداً في القاعدة.

7. انحراف الرياح – Windage:

في بعض الحالات، قد تكون مقاومة الرياح للهوائي العمودي أقل من مقاومة الهواء المكافئ أفقياً حيث يجب التحقق من الأرقام لكل حالة.

تأريض الهوائيات العمودية – Grounding vertical antennas:

يُطلق على العديد من الهوائيات الرأسية اسم هوائيات أحادية القطب وتتطلب استخدام أرضي لتشغيلها بشكل صحيح، حيث يمكن تنفيذ الأرض بإحدى طريقتين رئيسيتين:

1. اتصال الأرض المادي – Physical earth connection:

الطريقة الأكثر وضوحاً هي إجراء اتصال مادي بالأرض باستخدام قضبان الأرض وما شابه.

2. نظام المستوى الأرضي – Ground plane system:

من الممكن محاكاة نظام أرضي باستخدام ما يسمى بالمستوى الأرضي، وغالباً ما يتكون هذا من عدد من نصف الأقطار ذات الطول الموجي المعتاد.

أنواع الهوائي العمودي:

1. هوائي عمودي رباعي الموجة – Quarter wave vertical:

يُعد نوع الهوائي العمودي رباعي الموجة أحد أكثر أشكال الهوائي الرأسي شيوعاً حيث إنه سهل الإنشاء ويمكن تصنيعه ليكون قوياً للغاية ويوفر مستوى جيداً من الأداء، كما يتطلب هذا الشكل من الهوائي استخدام اتصال بالأرض أي اتصال قصير قدر الإمكان أو مستوى أرضي، وهذا يزيد من المساحة المطلوبة وانحراف القذيفه بفعل الهواء للهوائي.

2. هوائي خمسة أثمان موجة رأسية – Five eighths wave vertical:

هذا الشكل من الهوائي العمودي شائع في كثير من الحالات لأنّه قادر على توفير كسب أكثر من ربع موجة رأسياً مع تركيز المزيد من الطاقة في مستوى أقرب إلى الأفقي، وعلى هذا النحو يتم استخدامه في العديد من التطبيقات مثل الموجة الربعية الأساسية الرأسية حيث يحتاج هذا الهوائي إلى مستوى أرضي للعمل عليه.

3. هوائي القطب – J pole antenna:

هذا النوع من الهوائي العمودي مناسب للهوائي الرأسي حيث إنّه يوفر بعض الكسب على مدى ربع موجة رأسية وله ميزة أنّه لا يتطلب أي أقطار شعاعية أو شكل من أشكال المستوى الأرضي للعمل مقابله.

4. هوائي ثنائي القطب العمودي – Vertical dipole:

يُستخدم ثنائي القطب الرأسي في بعض الحالات لتوفير شكل قوي من الهوائي العمودي، ولها ميزة أنّها لا تتطلب أي شعاعي ولكنها تتطلب أن يكون طولها نصف الموجة على الأقل.

الهوائي العمودي الرباعي – Quarter Wave Vertical Antenna:

الهوائي العمودي رباعي الموجة (Quarter Wave Vertical Antenna): هو أبسط أشكال الهوائي الرأسي حيث إنّه يوفر أداءً جيداً مقترناً بنمط إشعاع متعدد الاتجاهات وبساطة البناء.

يتكون الهوائي الرأسي رباعي الموجة من عنصر عمودي ربع طول الموجة حيث أنّ الهوائي يسمى غير متوازن وله اتصال واحد بالعنصر الرأسي ويستخدم اتصال أرضي محاكى لتوفير صورة للاتصال الآخر، كما يوضح شكل موجة الجهدوالتيار أنّه في النهاية يرتفع الجهد إلى الحد الأقصى بينما ينخفض ​​التيار إلى الحد الأدنى ثم عند قاعدة الهوائي عند نقطة التغذية يكون الجهد عند أدنى حد ويكون التيار عند أقصى حد له ممّا يعطي الهوائي مقاومة تغذية منخفضة وحوالي (20 درجة).

تُعد الأرض جزء مهم من هوائي التردد اللاسلكي حيث تستخدم العديد من تركيبات (MF وHF) اتصالاً أرضياً، كما يجب أن تكون هذه الأنظمة الأرضية فعالة جداً لكي يعمل الهوائي بشكل مرضٍ ويجب أن تتمتع بمقاومة منخفضة جداً وغالباً ما تستخدم مجموعات كبيرة من الشعاعات تمتد من قاعدة الهوائي لضمان أداء تردد لاسلكي ممتاز.

بالنسبة لتركيبات (VHF وUHF) يكون الارتفاع مهم ويجب رفع الهوائيات للتأكد من أنّها فوق العوائق القريبة، أمّا بالنسبة للتركيبات المتنقلة لا يمكن استخدام اتصال أرضي حقيقي وفي هذه الحالات يتم استخدام الأرض المحاكاة، وبالنسبة لتطبيقات الهاتف المحمول يتكون هذا من جسم السيارة وعادةً ما يمكّن تركيب الهوائي من إجراء اتصال مناسب بجسم السيارة باستخدام اتصال سعوي، ومع ذلك من الضروري التأكد من أنّ جسم السيارة من المعدن وليس البلاستيك بالقرب من تركيب الهوائي.

بالنسبة للمحطات الثابتة تُستخدم مجموعة من الأقطار التي تحاكي مستوى أرضي، كما يجب أن يمتد مستوى الأرض إلى ما لا نهاية ولكن في الممارسة العملية يتم استخدام عدد من الأقطار بطول ربع موجة، وعادةً ما تكون أربعة شعاعات كافية للعديد من تطبيقات (VHF).

إذا تم ثني نصف القطر لأسفل من الأفقي فسيتم رفع مقاومة التغذية، كما يتم تحقيق تطابق (50 درجة) عندما تكون الزاوية بين قضبان مستوى الأرض والأفقي (42 درجة)، وحل آخر هو تضمين عنصر مطابقة المعاوقة في الهوائي وعادةً ما يكون في شكل ملف مسدود يمكن وضعه بشكل ملائم في قاعدة الهوائي.

هوائي رأسي بموجة ربع مطوية:

في ضوء المعاوقة المنخفضة المقدمة إلى وحدة التغذية من خلال ربع الموجة الرأسية، فمن الضروري تنفيذ مخطط مطابقة للتأكد من أنّ الهوائي يقدم تطابقاً جيداً مع وحدة التغذية، كما تم تحديد زاوية الشعاع في اتجاه هبوطي وهو استخدام عنصر مطوي، وبنفس الطريقة التي يزيد بها ثنائي القطب المطوي من مقاومة تغذية الهوائي لذلك يمكن استخدام عنصر رأسي مطوي.

إذا كان قطر كلا القسمين هو نفسه فسيتم تحقيق زيادة بنسبة (4:1) كما سيؤدي إلى رفع المقاومة إلى (80 درجة) وسيوفر تطابقاً مقبولاً مع وحدة التغذية (75 درجة) وباستخدام عنصر أرضي ذو قطر أصغر يمكن تقليل مقاومة التغذية بحيث يمكن تحقيق تطابق جيد مع (50 أوم) للكابل المحوري.

يتم استخدام الهوائي الرأسي رباعي الموجة على نطاق واسع نظراً لبساطته وملاءمته، ولتحسين أدائها تتوفر أنواع أخرى من العمودي ومن الممكن استخدام المزيد من الأعمدة وتزويدها بمراحل مختلفة لتوفير كسب لنظام الهوائي الكلي.

الهوائي خمسة أثمان الطول الموجي:

إنّ ما يميز الهوائي العمودي ذي الأطوال الموجية الخمسة أنّها بربع طول الموجة حيث وجد أنّه بتمديد طول العنصر الرأسي تزداد كمية القدرة المشعة بزاوية منخفضة، وإذا تم تمديد نصف الموجة ثنائية القطب في الطول يبدأ الإشعاع عند الزوايا اليمنى للهوائي في الزيادة قبل أن ينقسم في النهاية إلى عدة أقسام، كما يتم تحقيق أقصى مستوى للإشعاع عند الزوايا اليمنى للهوائي عندما يكون ثنائي القطب حوالي (1.2 مرة) من الطول الموجي.

ولأنّه هوائياً رأسياً أحادي القطب يبلغ نصف طول ثنائي القطب فإنّ هذا يعادل حوالي خمسة أثمان طول موجي هوائي أحادي القطب رأسي، أمّا عند استخدامه كمبرد رأسي مقابل مستوى أرضي فإنّ هذا يترجم إلى طول موجي (8 / 5)، ووجد أنّ الهوائي الرأسي بطول خمسة أثمان له كسب يقترب من (4 dBd) أي كسب (4 dB) على ثنائي القطب.

مقاومة ومطابقة الهوائي ذو الطول الموجي 5/8:

بالنسبة لمعظم التطبيقات فمن الضروري التأكد من أنّ الهوائي يوفر تطابقاً جيداً مع الكابل المحوري (50 درجة)، كما وجد أنّ العنصر الرأسي ذو الطول الموجي (3/4) يوفر تطابقاً جيداً وبالتالي فإنّ أحد الحلول لتوفير مطابقة مقاومة جيدة للهوائي العمودي ذو الطول الموجي (5/8) هو جعله يظهر كمبرد (5/8) ولكن له الطول الكهربائي من عنصر (3/4)، وبهذه الطريقة يشع مثل مشع (5λ / 8) ولكن له مقاومة لهوائي (3λ / 4).