الهوائي العاكس Reflector Antennas

تحمل الهوائيات العاكسة أهمية كبيرة عندما نتعامل مع الإشارات التي تعمل في نطاقات تردد الميكروويف، حيث في البداية يتم استخدامه منذ ظهور انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، حيث اقترح هيرتز فكرة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في عام 1888م، ومع ذلك اكتسبت هذه الهوائيات وجودها الرئيسي في أنظمة الرادار في وقت الحرب العالمية الثانية.

ما هو الهوائي العاكس Reflector Antennas؟

الهوائي العاكس “Reflector Antennas”: هي  الهوائيات المصممة لتعكس الموجات الكهرومغناطيسية التي تنشأ من مصدر منفصل، حيث إنّه مصمم للعمل بتردد عالي للميكروويف كما تنتمي هذه الهوائيات إلى الفئة التي توفر اتجاهية عالية أثناء الإشعاع.

مبدأ تشغيل الهوائيات العاكسة:

إن الهوائي العاكس “Reflector Antennas”يعمل على نطاق عالٍ من ترددات الميكروويف، وأيضاً عند هذا التردد، تتصرف الموجة الكهرومغناطيسية كموجة ضوئية، ومن ثم فإنّه ينعكس عندما يصطدم بسطح مصقول، ومع ذلك فإنّ النقطة الحاسمة هنا هي أنّ الهوائي العاكس هو مزيج من عنصر التغذية وسطح عاكس، وهذا يعني أنّه في حالة الهوائي العاكس، يلزم وجود سطح عاكس مع عنصر هوائي من أجل توفير الإثارة للعنصر العاكس، وهذا يعني أنّه يتكون من عنصر نشط وسلبي.

يُعرف الهوائي المستخدم في الإثارة بالعنصر النشط، وفي حين أنّ العنصر الذي يعيد إشعاع الطاقة المنبعثة من العنصر النشط هو العنصر السلبي الذي ليس سوى السطح العاكس، لذلك يمكن ببساطة أن تكون الخلاصة هي العنصر النشط بينما العاكس هو العنصر السلبي، وبشكل عام يتم استخدام الهوائيات ثنائية القطب أو البوق أو الفتحة كعناصر نشطة لتوفير الإثارة للهوائي العاكس، كما يُعرف العنصر النشط أحياناً أيضاً باسم الهوائي الأولي بينما يسمى العنصر المنفعل الهوائي الثانوي.

يلعب الهوائي العاكس دوراً مهماً للغاية في انتشار الموجات الراديوية؛ لأنّه يعدل مخطط إشعاع العناصر المشعة، كما إنّه يعمل بطريقة يتم فيها توجيه الطاقة من التغذية نحو السطح العاكس الموضوع في الموضع المناسب، والعاكس عند اكتساب الطاقة يوجهها في اتجاه معين، كما يشار إلى مخطط إشعاع التغذية على أنّه مخطط أولي، ولكنّ ذلك الناشئ من العاكس يشار إليه على أنّه مخطط ثانوي.

كما أنّ الهوائيات عالية الكسب التي تعمل على ترددات الميكروويف تمتلك حجماً مادياً صغيراً، بحيث يوفر العاكس بأي شكل مناسب الاتجاه المطلوب، وعلى الرغم من تقديم تكوينات هندسية متعددة، إلّا أنّ هناك بعض الأشكال الشائعة التي يتشكل فيها السطح العاكس للهوائي، وعلى هذا الأساس تم تصنيف الهوائيات العاكسة.

أنواع الهوائيات العاكسة:

اعتماداً على الشكل الهندسي الذي يمتلكه السطح العاكس، يتم تصنيف الهوائيات العاكسة إلى الفئات التالية:

أولاً: العاكس القضيب:

إنّ هذا النوع من العاكس يمتلك شكل قضيب، ونوع قضيب العاكس هو النوع المستخدم بشكل رئيسي في هوائي “Yagi-Uda”، حيث يقع العاكس على مسافة معينة خلف العنصر الدافع في ترتيب الهوائي هذا، ويكون طوله بشكل عام أكبر من طول العنصر الموجه، أي نصف موجة ثنائي القطب، كما يوفر العاكس تفاعلاً استقرائياً، لذا يوجه المجال المشع في الاتجاه الخلفي نحو العنصر الدافع لتقليل الخسائر بسبب الموجة المنعكسة، وبالتالي يساعد على تحسين الكسب.

لا يعمل كعضو نشط في الهيكل ولكنه عنصر طفيلي، ومع ذلك فإنّه يسبب تبايناً في مقاومة العنصر المدفوع، كما تُظهر هذه الأنواع من العاكسات خصائص حساسة للتردد.

ثانياً: عاكس المستوى:

يُشار إليه أيضاً باسم عاكس الصفيحة المسطحة ويعتبر أحد أبسط العواكس التي توجه الموجة الكهرومغناطيسية في الاتجاه المناسب، كما إنّها ليست سوى صفيحة معدنية مستوية تقع على مسافة معينة من الوسط، بالنسبة لموجات الراديو الواردة تعمل كمرآة مستوية وتسمح لها بالانعكاس من خلالها.

كما أنّ العاكس المستوي يواجه صعوبة في موازاة الطاقة الإجمالية في الاتجاه الأمامي، وبالتالي للتعامل مع الممانعة وخصائص النمط والكسب والاتجاهية للنظام، يتم استخدام استقطاب العنصر النشط إلى جانب موضعه في إشارة إلى السطح العاكس.

ثالثاً: عاكس الزاوية:

يُعتبر نسخة معدلة من عاكس الزاوية لتوجيه معظم الإشعاع في الاتجاه الأمامي، وبشكل أساسي يتم تغيير شكل عاكس المستوى من خلال ضم صفيحتين مسطحتين لتشكيل زاوية، كما يمكن أن يكون هناك أيضاً ثلاثة أسطح مستوية موصلة متعامدة بشكل متبادل، وتستخدم هذه بشكل أساسي لتعزيز قدرة توجيه الطاقة الكهرومغناطيسية في الاتجاه الأمامي، وذلك لتقليل النسبة المئوية للموجة المنعكسة.

رابعاً: العاكس الأسطواني:

تم تصميم هذا العاكس من هيكل أسطواني لذلك سمي بذلك، كما إنّه تصنيف آخر للهيكل، حيث تم تصميم العاكس، وبالتالي ليس سوى جزء من الهيكل الأسطواني، وبشكل عام توجد الأسطوانات في أشكال قطع مكافئ، ومع ذلك توجد أيضاً أشكال أخرى يمكن استخدامها في بنائها.

خامساً: العاكس الكروي:

مثل العاكس الأسطواني، يُعد العاكس الكروي هو العاكس المصمم من سطح كروي، وهذا يعني أنّ هذه العاكسات هي جزء من الأسطح الكروية، وتستخدم في موازاة الطاقة من العناصر النشطة نحو الاتجاه الأمامي.

سادساً: عاكس القطع المكافئ:

يُعرف نوع العاكس المصمم في هيكل مكافئ باستخدام خصائص القطع المكافئ بالعاكس المكافئ والعنصر النشط موجود يركز على المحور الرئيسي، وهذا يؤدي إلى انعكاس الموجة المشعة في الاتجاه الموازي للمحور الرئيسي، كما يؤدي هذا إلى ظهور نسبة صغيرة من الأقسام الصغيرة، وبالتالي تم تحسين الاتجاهية، وفي هذا العاكس يتم استخدام هوائي البوق الهرمي أو المخروطي بشكل عام كعنصر تغذية.

تطبيقات الهوائيات العاكسة:

هذه الهوائيات هي جزء رئيسي من أنظمة الاتصالات والرادار، ومن الاتصال من نقطة إلى نقطة، كما يتم استخدام هذه الهوائيات على نطاق واسع في بث الإشارات التلفزيونية إلى الاتصالات الساتلية، وإلى جانب ذلك، تشتمل التطبيقات الأخرى للهوائيات العاكسة على رادار الطقس وعلم الفلك الراديوي وكذلك في أنظمة المركبات الفضائية.

أدت الاستخدامات الحديثة للهوائيات العاكسة في الرادارات والاتصالات الساتلية والتتبع والاستشعار عن بعد وعلم الفلك الراديوي وما شابه ذلك إلى تطوير كل من تكوينات الهوائي العاكس المتطورة وتقنيات التصميم التحليلية والتجريبية، وعادةً ما تتخذ الهوائيات العاكسة تكوينات مختلفة وبعض أكثرها شعبية تكون منحنية منفردة ومزدوجة وعاكسات مفردة ومتعددة، وطبيعة التطبيقات وأنماط الإشعاع الناتجة، مثل شعاع قلم رصاص وشعاع كفافي وترددات متعددة واستقطابات وما إلى ذلك.

تحدد نظرية الفتحة معظم خصائص العاكسات المكافئة في كل من تكوينات التغذية المركزية والإزاحة للتغذية عند البؤرة أو النازحة بسبب أخطاء البناء أو مسح التغذية، كما يتم تكرار المناقشة للعاكسات المزدوجة مع كل من التغذية المركزية والأوفست، حيث يؤدي الجمع بين “RMS” السطحي وعدم تطابق التغذية؛ بسبب تشتت العاكس وفقد الانسداد وتبعثر الدعامة إلى تقليل الكسب وإنتاج الأقسام الجانبية، كما ينتج عن تصميم عاكس المحور المزاح هوائي ذو كفاءة عالية للفتحة، وتم تصميم العواكس ذات الشكل لإنتاج توزيعات الأنماط المرغوبة بواسطة “GO” باستخدام تقنيات التكامل أو التحسين.