الهوائي العاكس المكافئ - Parabolic Reflector Antenna

يوفر هوائي عاكس القطع المكافئ الذي يُطلق عليه غالباً هوائي الطبق محلول هوائي قابل للتطبيق على الموجات المترية (VHF) وما فوقها، حيث يلزم كسب واتجاهية عالية، ويُعرف الهوائي العاكس المكافئ أو هوائي الطبق بشكله المميز وكسبه العالي وعروضه الضيقة، حيث إنّ الأداء الذي يمكن تحقيقه باستخدام واحد هو السبب في استخدامه على نطاق واسع في الترددات الأعلى.

ما هو الهوائي العاكس المكافئ – Parabolic Reflector Antenna؟

العاكس المكافئ أو هوائي الطبق (Parabolic Reflector Antenna): يُعد بإنّه هو شكل الهوائي الذي يجد العديد من الاستخدامات في استقبال القنوات الفضائية المحلية ووصلات بيانات الموجات الدقيقة الأرضية والاتصالات الساتلية العامة وغيرها الكثير، ويعني حجمه أنّه يقتصر بشكل عام على الاستخدام فوق (1 جيجاهرتز)، وعلى الرغم من أنّه يمكن استخدام هوائيات أكبر للترددات التي تصل إلى حوالي (100 ميجاهرتز).

نطاق التردد المستخدم في تطبيق الهوائيات العاكسة المكافئة أعلى من (1 ميجا هرتز) حيث تستخدم هذه الهوائيات على نطاق واسع للتطبيقات اللاسلكية والراديو.

أساسيات عاكس القطع المكافئ:

1. نظام الإشعاع – Radiating system:

يمكن أن يتخذ عنصر الإشعاع داخل هوائي عاكس مكافئ أشكالًا متنوعة، وفي بعض الهوائيات قد يكون ثنائي القطب بسيطاً، حيث يكون هدفها هو إضاءة العنصر الثاني للهوائي، والعاكس مع كثافة إشعاع متساوية مع الحد الأدنى من الانسكاب أو الإشعاع الذي يفتقد للعاكس ويتم إشعاعه في مكان آخر.

2. العاكس – Reflector:

العاكس: هو الجزء المميز من هوائي عاكس القطع المكافئ، وشكل القطع المكافئ هو مفتاح تشغيل هوائي التردد الراديوي لأنّ المسارات المأخوذة من نقطة التغذية عند البؤرة إلى العاكس ثم للخارج تكون متوازية، ومع ذلك فإنّ الأهم من ذلك كله أنّ المسارات التي يتم اتخاذها لها نفس الطول، وبالتالي فإنّ شكل الموجة الخارجة سيشكل موجة مستوية والطاقة التي تأخذها جميع المسارات ستكون جميعها في الطور، وهذا يمكّن الهوائي من الأداء بطريقة فعالة بشكل خاص.

معلمات الهوائي العاكس المكافئ:

يًقدم الشكل المكافئ للسطح العاكس للهوائي الحصول على شعاع دقيق للغاية، وبهذه الطريقة يشكل نظام التغذية الجزء الإشعاعي الفعلي للهوائي، ويكون السطح المكافئ العاكس سلبياً تماماً وعند النظر إلى أنظمة الهوائي العاكس المكافئ، هناك عدد من المعلمات والمصطلحات ذات الأهمية:

• التركيز البؤرة أو النقطة المحورية للعاكس المكافئ هي النقطة التي تتركز فيها أي إشارات واردة، أمّا عند الإشعاع من هذه النقطة تنعكس الإشارات على السطح العاكس وتنتقل في حزمة موازية لتوفير الكسب وعرض الحزمة المطلوبين.

• الذروة (Vertex) وهذه هي النقطة الأعمق في مركز عاكس القطع المكافئ.

• الطول البؤري للهوائي المكافئ هو المسافة من بؤرته إلى قمته.

• الفتحة حيث إنّ فتحة العاكس المكافئ هي ما يمكن تسميته المنطقة التي تغطيها، أمّا بالنسبة للعاكس الدائري يتم وصف هذا من خلال قطره حيث يمكن تشبيهه بفتحة العدسة البصرية.

• الكسب: يُعد بأنّه كسب عاكس القطع المكافئ أحد العوامل الرئيسية ويعتمد على عدد من العوامل بما في ذلك قطر الطبق وطول الموجة وعوامل أخرى.

• أنظمة التغذية كما يمكن تغذية عاكس القطع المكافئ أو هوائي الطبق بعدة طرق، أمّا التغذية المحورية أو الأمامية وخارج المحور و(Cassegrain) و(Gregorian) هي الطرق الأربع الرئيسية للتغذية.

مزايا الهوائي العاكس المكافئ:

1. مكاسب عالية – High gain:

تتميز الهوائيات العاكسة المكافئة بقدرتها على توفير مستويات عالية جداً من الكسب حيث كلما كان الطبق أكبر من حيث الأطوال الموجية زاد الربح.

2. الاتجاهية العالية – High directivity:

كما هو الحال مع الكسب فإنّ عاكس القطع المكافئ أو هوائي الطبق قادر أيضاً على توفير مستويات عالية من الاتجاهية وكلما زاد الكسب قل عرض الحزمة، كما يمكن أن تكون هذه ميزة كبيرة في التطبيقات التي تكون فيها الطاقة مطلوبة فقط لتوجيهها على مساحة صغيرة، كما يمكن أن يمنع ذلك على سبيل المثال التسبب في تداخل مع مستخدمين آخرين وهذا مهم عند الاتصال بالأقمار الصناعية لأنّه يمكّن الأقمار الصناعية التي تستخدم نفس نطاقات التردد من الفصل بينها بمسافة أو تحديداً بزاوية الهوائي.

عيوب الهوائي العاكس المكافئ:

1. يتطلب عاكس وعنصر للقيادة – Requires reflector and drive element:

يُعد الهوائي العاكس المكافئ بأنّه ليس سوى جزء من الهوائي حيث يحتاج إلى نظام تغذية يتم وضعه في بؤرة عاكس القطع المكافئ.

2. التكلفة – Cost:

يجب تصنيع الهوائي بعناية حيث هناك حاجه إلى (paraboloid) لعكس إشارات الراديو التي يجب إجراؤها بعناية، وبالإضافة إلى ذلك يلزم وجود نظام تغذية وهذا يمكن أن يضيف تكلفة إلى النظام.

3. الحجم – Size:

على الرغم من أنّ العديد من الهوائيات العاكسة المكافئة تُستخدم لاستقبال القنوات الفضائية المضغوطة للغاية يُعد الهوائي العاكس المكافئ ليس ذا حجم صغير مثل بعض أنواع الهوائي.

تطبيقات هوائي عاكس مكافئ:

1. البث التلفزيوني المباشر – Direct broadcast television:

أصبح البث المباشر أو التلفاز الفضائي شكلاً رئيسياً من أشكال توزيع المحتوى التلفزيوني حيث تتيح مناطق التغطية الواسعة التي يمكن التحكم فيها جنباً إلى جنب مع عرض النطاق الترددي الأكبر بكثير بث المزيد من القنوات وهذا يجعل القنوات الفضائية جذابة للغاية.

يتمثل العيب في أنّ الستالايت لا يمكنها بث مستويات طاقة عالية جداً، بالإضافة إلى خسارة المسار من المدار الثابت بالنسبة للأرض حيث تكون مستويات الإشارة منخفضة، وهذا يعني أنّه يجب استخدام الهوائيات التوجيهية لتوفير كسب كافٍ مع القدرة على استقبال إشارات من قمر صناعي واحد فقط.

كما يمكن وجود العديد من الأقمار الصناعية من موقع واحد والبث على نفس الترددات، ويُعد الهوائي العاكس المكافئ قادر على توفير هذه الاحتياجات وله ميزة إضافية أنّه لن يكون طويلاً.

2. وصلات الموجات الصغرية – Microwave links:

تستخدم وصلات الموجات الصغرية الأرضية للعديد من التطبيقات حيث غالباً ما تُستخدم في وصلات البنية التحتية للاتصالات الأرضية، وأحد المجالات الرئيسية التي تُستخدم فيها هذه الأيام هو توفير وصلات التوصيل لأنظمة الاتصالات المتنقلة.

3. اتصالات الأقمار الصناعية – Satellite communications:

تحتاج العديد من الوصلات الصاعدة للقمر الصناعي أو تلك المخصصة بأقمار الاتصالات إلى مستويات عالية من الكسب لضمان ظروف الإشارة المثلى وأنّ الطاقة المرسلة من الأرض لا تؤثر على الأقمار الصناعية الأخرى القريبة من الزوايا، حيث يعتبر الهوائي المثالي لمعظم التطبيقات هو الهوائي العاكس المكافئ.

4. علم الفلك الراديوي – Radio astronomy:

علم الفلك الراديوي: هو مجال يتطلب مستويات عالية جداً من الكسب والتوجيه، ووفقاً لذلك يُعد الهوائي العاكس المكافئ خياراً مثالياً.

تحتاج وجود مستويات عالية جداً من الكسب لاستقبال الإشارات القادمة التي غالباً ما تكون عند مستوى منخفض جداً في جميع هذه التطبيقات، ولإرسال هذا النوع من تصميم هوائي الترددات الراديوية يكون قادراً على تركيز القدرة المشعة المتاحة في عرض حزمة ضيق، ممّا يضمن إشعاع كل القدرة المتاحة في الاتجاه المطلوب.

أساسيات نظرية العاكس المكافئ:

يتكون عاكس القطع المكافئ من شكل يُعرف باسم مكافئ حيث يشكل هذا الشكل السطح العاكس في الهوائي الذي يمكّن الموجات المنعكسة من السطح من الاحتفاظ بعلاقة الطور، ممّا يتيح الحصول على أقصى كسب أي سوف تنعكس طاقة التردد الراديوي على شكل موجات كهرومغناطيسية تتحرك باتجاه الهوائي في واجهة موجة مستوية بواسطة العاكس وتبقى في الطور عند نقطة التركيز.

وبهذه الطريقة تبقى الإشارة بأكملها في الطور ولا يوجد إلغاء، وهذا يعني أنّه يتم الحفاظ على الحد الأقصى للإشارة، وعلى العكس من ذلك ستنعكس الإشارات المشعة من النقطة المحورية بواسطة عاكس القطع المكافئ وتشكل واجهة موجة موازية أي في الطور تنتقل إلى الخارج من الهوائي.

يستخدم العاكس شكلاً مكافئاً لضمان انعكاس كل الطاقة في حزمة تعمل فيها آثار الموجة بالتوازي مع بعضها البعض وكما أنّ كل القدرة المنعكسة تكون في نفس المرحلة لأنّ طول المسار من المصدر إلى العاكس ثم إلى الخارج هو نفسه أينما ينعكس على سطح القطع المكافئ.

تُظهر النظرية المكافئة أنّ منحنى القطع المكافئ هو موضع النقاط التي تكون على مسافة متساوية من نقطة ثابتة تُعرف بالتركيز الموجود على المحور (X)، كما يُعرف الخط الثابت الموجود خلف المنحنى الجزئي المفصل بالرمز (AB) في الرسم التخطيطي باسم الدليل كما يكون الطول (FP = PQ) أينما كان على منحنى القطع المكافئ.

نظراً لأنّ السطح يعمل كعاكس فإنّ (Directix) له نفس الخصائص عند وضعه أمام العاكس أي تُظهر نظرية العاكس المكافئ أنّ واجهة الموجة المنبعثة سيكون لها نفس المرحلة بغض النظر عن نقطة الانعكاس على منحنى القطع المكافئ.

أحد العناصر المهمة في نظرية الهوائي العاكس المكافئ هو البعد البؤري، وللتأكد من أنّ الهوائي يعمل بشكل صحيح فمن الضروري التأكد من وضع عنصر الإشعاع في نقطة الاتصال لتحديد ذلك من الضروري معرفة البعد البؤري.