الهوائي الحلزوني Helical Antenna

تُستخدم الهوائيات الحلزونية “Helical Antenna” في تطبيقات في الاتصالات خارج الأرض، مثل مُرحّلات القمر الصناعي وما إلى ذلك، كما يقع تردد تشغيل الهوائيات الحلزونية بين “300 ميجاهرتز” و”3 جيجاهرتز”.

ما هو الهوائي الحلزوني Helical Antenna؟

الهوائي الحلزوني “Helical Antenna”: هو نوع من الهوائي تم تصميمه باستخدام سلك توصيل وهو مبني على شكل حلزون، حيث تُعتبر هذه الهوائيات من أبسط الهوائيات وتستخدم على نطاق واسع في عمليات الترددات العالية جداً.

تشع الهوائيات الحلزونية موجات مستقطبة دائرياً وتدعم وضعين من العمليات، وهما:

• الوضع العادي “Normal mode”.

• الوضع المحوري “Axial mode”.

كيفية تصميم الهوائي الحلزوني Helical Antenna:

يتم إنشاء هوائي حلزوني باستخدام سلك موصل، وبشكل عام يتم لف سلك نحاسي سميك على شكل لولب ويستخدم مع صفيحة معدنية، وهذه الصفيحة المعدنية هي الصفيحة الأرضية، كما يتم توفير الإثارة للهوائي الحلزوني في نهاية باستخدام خط نقل متحد المحور، حيث يتم توصيل الموصل المركزي باللولب ويشكل الموصل الخارجي اتصالاً مع المستوى الأرضي، كما يمثل الشكل التالي هيكل الهوائي الحلزوني:

يتم استخدام صفيحة وموصل متحدة المركز لتشكيل المستوى الأرضي، كما أنّ هناك طريقتين لتشغيل الهوائي الحلزوني، والعامل الحاسم في طريقة التشغيل هو قطر اللولب والتباعد بين دورتين متتاليتين كما أنّه بالنسبة للهوائي الحلزوني، يُشار إلى طول دورة واحدة بالرمز “L” بينما يشير “S” إلى التباعد بين المنعطفات المتتالية، بعد ذلك سيكون الطول الإجمالي للهوائي “NS”.

يُشار إلى محيط اللولب على أنّه “C” ويُعطى كـ “πD”، حيث “D” يمثل قطر الزنبرك الحلزوني، وهناك فتح منعطف واحد من اللولب، ثم يمكن تحديد المعلمات المختلفة المرتبطة به من خلال المثلث الموضح أدناه:

حيث “α” هي زاوية المثلث، لذلك سيكون هناك:

(L = √ (S ² + C ²

(L = √  (S ² + (π D) ²

تُعتبر زاوية ميل اللولب هي الزاوية الموجودة بين الخط المماسي للسلك الحلزوني والمستوى في الاتجاه، وبشكل طبيعي بالنسبة لمحوره، لذلك تكون:

tan α = S / C = S / π D

لذلك فإنّ:

α = tan ^-1 (S / π D)

وبالتالي، يمكن أن تكون خصائص الإشعاع للهوائي تتغير بتغيير هذه المعلمات وفقاً لطول الموجة.

كيفية عمل الهوائي الحلزوني:

عندما يتم تحفيز السلك الموصل باستخدام تغذية مثل الكابل المحوري أو خط النقل ثنائي الأسلاك، فإنّ التيار يتدفق عبر السلك الموصل، حيث يؤدي هذا إلى توليد خطوط المجال وانبعاث الإشعاعات، كما أنّ الهوائي الحلزوني قد يشع في أوضاع مختلفة، ولكنّ الوضعين الأكثر استخداماً هما:

أولاً: الوضع العادي للإشعاع:

يُعرف أسلوب التشغيل هذا أيضاً باسم الوضع العمودي للعملية، وذلك لأنهّ في هذا الوضع ينبعث الحد الأقصى من الإشعاع في اتجاه المستوى العمودي على محور الهوائي، والموجات مستقطبة دائرياً بطبيعتها، وهذا يعني أنّ المجال المشع يكون بحد أقصى على طول المستوى العمودي على المحور وأدنى مستوى على طول المحور، كما يتحقق أسلوب التشغيل هذا عندما تكون أبعاد الهوائي أصغر نسبياً من الطول الموجي، وهذا يعنى أنّ:

NL << λ

ومع ذلك، فإنّ هذا هوائي صغير الأبعاد يوفر كفاءة منخفضة من الإشعاع وعرض النطاق الترددي الضيق جداً، كما يُعرف الهوائي في هذا التكوين باسم هوائي حلزوني عريض، ويعمل كهوائي كهربائي ثنائي القطب قصير، كما أنّ اللولب يشبه مزيجاً من حلقة صغيرة وثنائي أقطاب قصير، وبالتالي فإنّ نمط الإشعاع الخاص به يشبه نمط الإشعاع لمزيج من ثنائي القطب قصير وحلقة صغيرة موضوعة على طول محور اللولب.

السبب في ذلك هو أنّه عند “α” تساوي صفر درجة تقريباً يتوافق اللولب كحلقة، أمّا عند “α” تساوي “90 درجة” يعمل بمثابة ثنائي أقطاب خطي، لذلك تعمل زاوية التصحيح عند “0 درجة” و”90 درجة” كظروف مقيدة للهوائي الحلزوني، لذلك إذا كان التباعد يميل إلى الصفر ولكن القطر ثابت، فإنّ اللولب يشبه الحلقة، ولكن إذا كان التباعد ثابتاً بينما يميل القطر إلى الصفر، فإنّ اللولب يتحول إلى موصل خطي، كما هو موضح أدناه:

نظراً للهيكل المدمج لهذا الهوائي، فإنّه يوفر ملاءمة للاستخدام على الأجهزة المحمولة التي تعمل على نطاقات “VHF” و”UHF”.

• “VHF” هي اختصار لـ “Very High Frequency”.

• “UHF” هي اختصار لـ “Ultra High Frequency”.

ثانياً: الوضع المحوري للإشعاع:

يشار إلى الوضع المحوري أيضاً باسم وضع نهاية إطلاق النار “end-fire mode”، حيث يحدث هنا الحد الأقصى لانبعاث الإشعاع على طول محور اللولب، كما يكون مخطط إشعاع الهوائي الحلزوني في نهاية إطلاق النار دائرياً أو شبه دائري، والعامل التفاضلي الحاسم بين الوضع العادي والوضع المحوري هو أنّه في الوضع العادي يكون الحد الأقصى الإشعاع هو على طول اتجاه عمودي على محور، أمّا أثناء التواجد في الوضع المحوري يكون الحد الأقصى للإشعاع على طول المحور نفسه.

لذلك، فإنّ وضع الهوائي الحلزوني هذا هو نتيجة هذه الأبعاد، حيث يكون المحيط والتباعد بين الحلقات مكافئاً إلى حد ما لطول موجة واحد، وهذا يعنى أنّ:

NL ≈ λ

على عكس الوضع العادي، ينتج عن هذا الوضع للهوائي الحلزوني حزمة عريضة وعالية الاتجاه في الاتجاه المحوري، وبالتالي يتم استخدام هذا الوضع للهوائي الحلزوني للتطبيقات العملية، ولأغراض عملية يتكون اللولب بمحيط يساوي تقريباً طول موجي واحد ومسافة تقارب “λ / 4″، أمّا بالنسبة للوضع المحوري تُظهر زاوية المثلث تبايناً بين “12 درجة” إلى “18 درجة”، ومع ذلك عند “14 درجة” يُظهر هذا الوضع أفضل النتائج، والطول الكامل للحلزون يقرر مكاسبه وعرض النطاق الترددي، حيث تبلغ قيمة الممانعة الطرفية “100 أوم” تقريباً وتختلف وفقاً للتردد.

نمط الإشعاع في الهوائي الحلزوني:

يمثل الشكل التالي مخطط إشعاع الهوائي الحلزوني الذي يعمل في الوضع المحوري:

مزايا الهوائي الحلزوني:

• توفر بناء بسيط.

• يُظهر الهوائي الحلزوني سلوكاً اتجاهياً عالياً.

• إنّه يوفر عرض نطاق تشغيل واسع.

• مدى التردد التشغيلي مرتفع للغاية، أي يعمل في الموجات المترية “VHF” و”UHF”.

عيوب الهوائي الحلزوني:

• يُظهر الهوائي الحلزوني وضع نهاية النار حجماً كبيراً، وبالتالي فهو ضخم.

• تعتمد كفاءة الهوائي على عدد المنعطفات، كما هو الحال مع زيادة عدد الدورات تنخفض الكفاءة.

تطبيقات الهوائي الحلزوني:

تجد الهوائيات الحلزونية بشكل رئيسي تطبيقات في الاتصالات الفضائية، حيث تعمل بساطتها واتجاهيتها العالية وعرضها الترددي العريض والاستقطاب الدائري كمعايير للعمل في الاتصالات الفضائية، وبشكل عام يتم نشر بيانات القياس عن بعد في الاتصالات الفضائية من خلال الهوائيات الحلزونية.

ويمكن أيضاً وضع هوائي حلزوني مفرد أو صفيف في السطح بهدف التحقق من انتشار الموجات الأيونوسفيرية، وهذا يسمح بإرسال واستقبال إشارات “VHF”، وبالتالي فإنّ انتشار المسبار الفضائي والفضائي يستخدم هوائيات حلزونية.

يمكن للهوائيات الحلزونية المكونة في الوضع المحوري استقبال إشارات الاستقطاب التعسفي بسهولة كما تقدم الهوائيات الحلزونية النهائية موجات مستقطبة دائرياً عبر عرض نطاق أوسع، ومن ثم فهي تستخدم على نطاق واسع من الهوائيات الحلزونية العريضة.