الهوائي الرباعي المكعب - Cubical Quad Antenna

لم يتم استخدام الهوائي الرباعي بشكل تقليدي على نطاق واسع مثل ياغي، ومع ذلك فإنّ هوائي الحزمة الرباعية التكعيبية قادر على توفير بعض المزايا في عدد من الظروف، ومنذ تقديمه لأول مرة في الأربعينيات من القرن الماضي وجد الهوائي الرباعي استخدامات في عدد من المجالات حيث تم استخدامه لبعض هوائيات التلفاز، ولكنّه شهد استخداماً كبيراً في تطبيقات راديو الهواة للاستخدام في (HF) و(VHF / UHF).

ما هو الهوائي – Antenna؟

الهوائي (Antenna): هو السطح البيني بين موجات الراديو التي تنتشر عبر الفضاء والتيارات الكهربائية التي تتحرك في الموصلات المعدنية، ويُعد استخدمه مميزاً مع جهاز إرسال أو مستقبل حيث في الإرسال يزود جهاز الإرسال اللاسلكي تياراً كهربائياً إلى أطراف الهوائي، ويشع الهوائي الطاقة من التيار كموجات كهرومغناطيسية أي موجات الراديو، أمّا في الاستقبال يعترض الهوائي بعضاً من قدرة الموجة الراديوية من أجل إنتاج تيار كهربائي عند أطرافه، كما يتم تطبيقه على جهاز استقبال ليتم تضخيمه والهوائيات هي مكونات أساسية لجميع المعدات الراديوية.

أساسيات الهوائي الرباعي – Cubical Quad Antenna:

على الرغم من أنّ الهوائي الرباعي المكعب لا يستخدم على نطاق واسع مثل (Yagi)، إلّا أنّه لا يزال يتمتع بمزايا ويمكن استخدامه لتحقيق تأثير جيد في العديد من الحالات، وكما يمكن رؤية العنصر الرباعي الأساسي على أنّه مشتق من عنصرين ثنائي القطب مكدسين أحدهما فوق الآخر ويتم تغذيتهما في الطور حيث يًعطي هذا الترتيب في حد ذاته مكاسب بسبب تأثير التدرج بين ثنائيات القطب.

تتمثل المرحلة التالية في التطور في الاحتفاظ بقطبين منفصلين مع ثني الأطراف معاً، ولقد وجد أنّ الفولتية في نهايات الهوائيات هي في طور مع بعضها البعض، ونتيجةً لذلك من الممكن توصيل هذه الأطراف معاً وإزالة أحد المغذيات لإنشاء عنصر رباعي أساسي حيث تكون الحلقة المكونة للعنصر طول موجة كامل مع كون كل جانب ربع الطول الموجي.

غالباً ما يتم إنشاء الكواد التكعيبي من خلال وجود إطار (X) مصنوع من مادة عازلة كما يمكن استخدام الخشب ثم استخدام هذا لدعم السلك أو الأنبوب الذي يشكل عنصر الإشعاع الموصل، وفي بعض الحالات التي تكون فيها الهوائيات صغيرة بما يكفي وتكون الأنابيب قوية بما فيه الكفاية، فمن الممكن الاعتماد على قوة الأنبوب وحدها من أجل القوة الميكانيكية، وعادة ما يتحقق ذلك فقط عند الترددات المترية (VHF) أو الترددات فوق العالية (UHF) الأفضل.

على الرغم من أنّ تنسيق المربع الأفقي للرباعي التكعيبي هو الشكل الأكثر وضوحاً والأكثر شيوعاً، إلّا أنّه من الممكن أيضاً تحويل تنسيق المربع إلى (45 درجة) وعند استخدام هذا التنسيق يجب أن يكون عرض الهوائي يساوي قطر المربع، بينما عند استخدام المربع الأفقي يكون العرض مساوياً لقاع المربع فقط.

يمكن أن يوفر البناء ذو ​​النمط الماسي خياراً جذاباً للبناء وعند استخدام هذا التكوين تكون نقطتي التثبيت الجانبيتين المسمى (A) للأسلاك عند نقاط الجهد القصوى، أمّا النقاط التي تم وضع علامة (B) عليها من النقاط القصوى الحالية، وبالنسبة لمستويات الطاقة الأعلى قد يكون من الضروري استخدام شكل من أشكال العازل المناسب عند نقاط الجهد القصوى.

ينتج كل من الإصدار المربع الأفقي والماسي المألوف للهوائي الرباعي المكعب إشارة مستقطبة أفقياً، ولتوليد إشارة مستقطبة عمودياً يجب تدوير الهوائي بالكامل خلال تسعين درجة بحيث تكون نقطة التغذية عند النقطة المركزية للقسم الرأسي للإصدار المربع أو في أحد الزوايا الجانبية للإصدار الماسي.

الهوائي الرباعي وتوزيع الجهد:

من خلال تطوير العنصر الرباعي الأساسي، فمن السهل إلى حد ما استنتاج مكان الحد الأقصى للتيار والجهد، ونظراً لأنّ الحد الأقصى الحالي عند نقطة التغذية فإنّ نفس الشيء ينطبق على الرباعية حيث يوجد حد أقصى آخر على الجانب الآخر من الحلقة إلى نقطة التغذية أي حيث كانت نقطة التغذية الثانية، كما يظهر الحد الأقصى للجهد عند نقاط بربع الطول الموجي بعيداً عن نقطة التغذية أي حيث سيكون طرفاً ثنائي القطب، ونظراً لموضع نقاط الجهد يُنصح غالباً بعدم وضع أي مثبتات في هذه النقاط.

مزايا الهوائي الرباعي:

1. الكسب – Gain:

يوفر هوائي الحزمة الرباعية التكعيبية حوالي (2 ديسيبل) فوق ياغي بطول مماثل، ممّا يعني أنّ الرباعي يقارن بزوج من (Yagi) المكدس حيث يوجد دائماً بعض الخسارة في ترتيبات التغذية لتكديس الهوائيين.

2. إشعاع الزاوية المنخفضة – Low angle radiation:

حقيقة أنّ الهوائي الرباعي هو فعلياً زوج من ثنائيات الأقطاب المكدسة، فإنّه يوفر زاوية إشعاع أقل من تلك التي يوفرها ياغي واحد حيث يقارن بزوج من (Yagi) مكدسة.

3. تأثيرات الأجسام القريبة – Effects of close objects:

الهوائي الرباعي أقل تأثراً بالأشياء القريبة، ممّا يمنحه ميزة فوق (Yagi) في العديد من التركيبات خاصةً تلك الموجودة بالداخل، ربما في الدور العلوي.

4. قابل للتكديس داخليا – Internally stackable:

تتمثل إحدى ميزات الهوائي الرباعي التكعيبي في إمكانية تكديس هوائيات رباعية منفصلة داخلياً لنطاقات متعددة في ظل بعض الظروف، حيث يستخدم هذا الخيار بشكل أساسي في نطاقات التردد العالي.

عيوب الهوائي الرباعي:

1. البناء – Construction:

بناء الهوائي الرباعي ليس بسيطاً مثل ياغي حيث يتطلب شكلاً أكثر تعقيداً من البناء.

2. التكلفة – Cost:

غالباً ما ينتج عن البناء الأكثر تعقيداً تكاليف أعلى للرباعية مقارنةً بـ (Yagi) وهذا يعني أنّه نادراً ما يتم استخدامه للتشغيل التجاري (VHF / UHF)، ومع ذلك بالنسبة لتشغيل راديو الهواة عالي التردد فقد مكّن البناء المنزلي باستخدام الأسلاك لتوفير بعض التركيبات الفعالة من حيث التكلفة.

3. المتانة – Robustness:

الهوائي الرباعي أكبر من نظيره (Yagi) كما أنّ ترتيب العنكبوت المستخدم في العديد من نطاقات التردد العالي غالباً ما يكون غير متين مثل (Yagi).

تعني خصائص الرباعي التكعيبي أنّه يتم استخدامه في عدد من المواقف حيث كان شائعاً منذ بضع سنوات كهوائي تلفاز (UHF)، ولكنّه الآن أقل انتشاراً ولا يزال يستخدم في عمليات راديو الهواة في كل من (HF) و(VHF / UHF) حيث تجلب ميزاته العديد من المزايا.

عاكس الشعاع الرباعي ومنتجه:

يمكن إضافة عاكس خلف العنصر المدفوع لصنع هوائي رباعي الحزمة، ولإعطاء الطور الصحيح للتيارات في عناصر هوائي الحزمة لكي تنعكس يجب جعله استقرائياً ويمكن تحقيق ذلك بضبطه أسفل الرنين، كما يمكن تحقيق ذلك بعدة طرق الأول هو جعل العاكس أطول قليلاً من الطول الموجي الكهربائي الكامل وعادةً ما يتم تصنيعه بين (3 و5% أطول)، أمّا الطريقة البديلة هي إدخال كعب دارة قصيرة وهذا له ميزة أنّه يمكن صنع العنصر بنفس حجم العنصر المدفوع، وقد يكون لهذا بعض المزايا الميكانيكية لهوائي الحزمة الرباعية.

تباعد عنصر هوائي شعاع رباعي:

بنفس الطريقة التي لعب بها تباعد العناصر دوراً كبيراً في تصميم هوائي حزمة (Yagi)، تم العثور على نفس الشيء بالنسبة للرباعية حيث يتم استخدام تباعد يتراوح بين (0.15 و0.2 من الطول الموجي) وهذا يعطي مقاومة تغذية تصل إلى حوالي (50 درجة مئوية)، حيث إذا كان لهوائي الحزمة الرباعية المكونة من عنصرين تباعداً يزيد قليلاً عن ربع طول الموجة، فإنّ مقاومة التغذية ترتفع إلى حوالي (75 درجة) وهذا مناسب للتصاميم المستخدمة لاستقبال البث (VHF FM).

إذا تم تقليل التباعد إلى أقل من (0.15) من الأطوال الموجية فإنّ الممانعة تنخفض، وإذا تم ذلك يكون هناك حاجة إلى شكل من أشكال تحويل المعاوقة لتمكين تغذية الهوائي عن طريق اقناع قياسي، أمّا التباعد له بعض التأثير على الكسب، كما في حالة (Yagi) يكون التأثير ضئيلاً إلى حد ما وتكون مطابقة المعاوقة هي المطلب الرئيسي أثناء ضبط التباعد للهوائي الرباعي الحزمة.

كسب هوائي شعاع رباعي مكعب:

إنّ مستوى الكسب لهوائي الحزمة الرباعية التكعيبية هو عامل مهم في أدائه العام حيث يكسب العنصر الأساسي المكعب الرباعي من تلقاء نفسه حوالي (2 ديسيبل) على ثنائي القطب لأنّه في الأساس زوج من ثنائيات الأقطاب المكدسة، وهو عموما حوالي (2 ديسيبل) حيث تضيف إضافة العاكس حوالي (5 ديسيبل) ويضيف المخرج (2 ديسيبل) إضافي، كما يحصل المنافذ الآخرى على معدل ديسيبل واحد تقريباً لكل منهم.

إنّ الكواد الذي يحتوي على نفس عدد العناصر مثل (Yagi) سيكون له مكاسب إضافية بمقدار (2 ديسيبل) حيث يجب إجراء المقارنة بين الهوائيات التي لها نفس الطول ومصممة بحيث يكون لها تباعد مثالي بين العناصر، ولقد وجد أنّ إضافة عدد كبير من المنافذ الرباعية ينتج عوائد متناقصة ومن المقبول عموماً أن يكون الحد حوالي أربعة أو خمسة.

إذا كانت هناك حاجة إلى قدر أكبر من الكسب والتوجيه فسيصبح من الأفضل استخدام نهج (Yagi) أو تصميم (quagi) الهجين الذي يستخدم عادةً العنصر الدافع والعاكس من هوائي رباعي الحزمة والمخرجات في شكل تلك المستخدمة من قبل (Yagi)، أمّا عند اتخاذ قرار بشأن تصميم هوائي رباعي الحزمة ذو مكاسب عالية، فإنّ الهوائيات الرباعية أكثر عرضة للتلف بسبب الرياح، ونتيجةً لذلك فإنّها تميل إلى التراجع حيث يجب أن يتم بناء أي شيء تم بناؤه بقوة إذا كان سيتم استخدامه خارجياً.