الهوائي ثنائي القطب - Dipole Antenna

يستخدم الهوائي ثنائي القطب على نطاق واسع لمجموعة متنوعة من أنواع الاتصالات الراديوية أو مدمج في العديد من تصميمات هوائي الترددات اللاسلكية الأخرى حيث يشكل العنصر المشع أو الدافع للهوائي الكلي.

ما هو الهوائي ثنائي القطب – Dipole Antenna؟

الهوائي ثنائي القطب (Dipole Antenna): هو أحد عناصر الهوائي الأساسية المستخدمة في البث واستقبال الراديو والاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه، حيث يُعد الهوائي ثنائي القطب أحد أهم أشكال هوائي الترددات الراديوية، كما يمكن استخدام ثنائي القطب بمفرده أو يمكن أن يشكل جزءاً من مجموعة هوائي أكثر تعقيداً.

أساسيات هوائي ثنائي القطب:

يشير الاسم ثنائي القطب إلى أنّ الهوائي ثنائي القطب يتكون من قطبين أو عنصرين موصلين، حيث يتدفق التيار في هذين العنصرين الموصلين ويسبب التيار والجهد المرتبط به موجة كهرومغناطيسية أو إشارة راديو تشع إلى الخارج من الهوائي، كما يحدد طول العناصر المشعة العديد من خصائص الهوائي ثنائي القطب أي ممانعة التغذية وتردد التشغيل المركزي وما إذا كان هوائياً رناناً، وعلى هذا النحو يُعد طول ثنائي القطب جانباً مهماً من معلمات الهوائي ثنائي القطب.

يتكون الهوائي الأساسي من عنصر مشع ينقسم إلى موصلين منفصلين، وتكون عادةً على نفس المحور، حيث ينقسم الهوائي ثنائي القطب في المركز، كما يمكن استخدام الطاقة من جهاز الإرسال للإشعاع أو يمكن توصيل القدرة التي يلتقطها الهوائي بجهاز استقبال، وعادةً ما يتم توصيل جهاز الاستقبال أو المرسل بهوائي ثنائي القطب عبر وحدة تغذية وسيطة تتيح نقل القدرة من نقطة إلى أخرى.

أنواع الهوائي ثنائي القطب:

الشكل الأكثر شيوعاً للهوائي ثنائي القطب هو ثنائي القطب نصف الموجي الذي يكتسب اسمه لأنّ طوله يتوافق مع نصف طول موجي كهربائي حيث تتوفر أنواع أخرى كثيرة من الهوائي ثنائي القطب حيث تميل الأنواع أو المتغيرات المختلفة للهوائي ثنائي القطب إلى استخدامها في تطبيقات مختلفة، وبالتالي يمكن ملاحظة أنّ هوائي ثنائي القطب مرن للغاية ومفيد.

1. هوائي نصف موجة ثنائي القطب – Half wave dipole antenna:

الهوائي نصف الموجي ثنائي القطب هو الأكثر استخداماً حيث أنّ هذا النوع من الهوائي ثنائي القطب رنان، ويعمل عند نقطة يكون فيها نصف طول موجة كهربائية طويلة، يكون نصف الطول الموجي الكهربائي (n) للهوائي أقصر قليلاً من نصف الطول الموجي في الفضاء الحر بسبب تأثير السلك الذي تنتقل فيه الموجة.

عادةً ما يتم تغذية نصف الموجة ثنائي القطب وهذا يعطي نقطة تغذية مقاومة منخفضة يسهل إدارتها، ونظراً لأنّ الهوائي متوازن أي أنّه لا يوجد جانب متصل بالأرض فمن الضروري استخدام إمّا وحدة تغذية متوازنة أو إذا تم استخدام وحدة تغذية غير متوازنة، مثل الكابل المحوري، فيجب استخدام (balun) محول متوازن إلى غير متوازن.

يكون نمط إشعاع ثنائي القطب الأساسي نصف الموجي مباشراً نسبياً، حيث يكون بحد أقصى بزاوية قائمة على محور السلك، وحد أدنى على طول محور السلك حيث إذا تم رسمها فإنّها تشكل شكل ثمانية أنواع من المؤامرة.

2. هوائي ثنائي القطب متعدد الموجات الصفية – Multiple half waves dipole antenna:

على الرغم من أنّ هوائي ثنائي القطب هو الأكثر شيوعاً فمن الممكن استخدام هوائي ثنائي القطب هو مضاعف فردي لنصف الأطوال الموجية، حيث يختلف نمط الإشعاع اختلافاً كبيراً لكنّه لا يزال يعمل بفعالية في هذا الوضع، كما يتم تغذية هذا النوع من الهوائي بشكل عام من المركز ومرة ​​أخرى يوفر هذا مقاومة تغذية منخفضة، وفقط من خلال وجود عدد فردي من نصف الأطوال الموجية.

تحدث نقطة الحد الأقصى الحالي والحد الأدنى للجهد في المركز لتوفير نقطة تغذية مقاومة منخفضة تتيح تغذية الهوائي بسهولة، كما يمكن أن يكون هذا النوع من الهوائي مفيداً عند الرغبة في استخدام الهوائي بتردده الأساسي للرنين ثم عند هذا الرقم ثلاث مرات أو أكثر، ممّا يجعل خياراً ثنائي القطب متعدد النطاقات.

3. هوائي ثنائي القطب مطوي – Folded dipole antenna:

يتم طي هذا الشكل من هوائي ثنائي القطب على نفسه حيث يتم إضافة موصل نصف موجة آخر بالتوازي مع العناصر ثنائية القطب الأصلية بحيث يتم توصيل أحد طرفيه بالطرف الآخر لتقديم دائرة كهربائية قصيرة (DC) بينما لا يزال يحتفظ بالطول بين نهايات نصف طول الموجة، فإنّ الموصل الإضافي يمكّن ثنائي القطب المطوي من توفير مقاومة تغذية أعلى وعرض نطاق أوسع وكلاهما يمكن أن يكون مفيداً في العديد من الظروف.

4. هوائي ثنائي القطب قصير – Short dipole:

إنّ الهوائي ثنائي القطب القصير هو الذي يكون طوله أقصر بكثير من نصف طول موجة، وعندما يكون هوائي ثنائي القطب أقصر من نصف طول موجي تبدأ مقاومة التغذية في الارتفاع وتكون استجابتها أقل اعتماداً على تغيرات التردد حيث يصبح طوله أصغر وهذا له العديد من المزايا.

يحتاج ثنائي القطب القصير إلى ترتيبات تغذية خاصة لإتاحة استيعاب مقاومة تغذية أعلى بكثير حيث يميل الهوائي إلى أن يكون له خصائص متشابهة عبر عرض نطاق عريض، وفي مقابل هذا يمكن أن يكون مستوى الكفاءة أقل بكثير من مستوى الهوائي ثنائي القطب الذي يكون أكبر من حيث طوله في الأطوال الموجية.

5. ثنائي القطب غير طنين – Non-resonant dipole :

يمكن تشغيل هوائي ثنائي القطب بعيداً عن تردد الرنين الخاص به وتغذيته بوحدة تغذية عالية المقاومة، وهذا يمكّنها من العمل على نطاق ترددي أوسع بكثير.

تغذية ثنائي القطب ومقاومة تغذية:

إحدى الخصائص المهمة لأي هوائي هي ممانعة التغذية وينطبق الشيء نفسه على الهوائي ثنائي القطب، والنقطة الأولى التي يجب ملاحظتها هي أنّ ثنائي القطب هو هوائي متوازن أي أنّه لم يتم توصيل أي من جزأين أو جانبي الهوائي بالأرض، وهذا يعني أنّه يجب التغذية باستخدام وحدة تغذية متوازنة أو نظام تغذية.

قد يكون هذا استخدام مغذي متوازنٍ مثل سلك مفتوح أو مغذي مزدوج، وبشكل أساسي سلكان يعملان بشكل متوازٍ حيث تُستخدم هذه المغذيات في (HF) ولديها مستويات منخفضة جداً من الخسارة، وعلى الرغم من صعوبة إدارتها عند دخول المباني لأنّ الكائنات القريبة يمكن أن تدمر التوازن وتزيد من الخسارة.

ولهذا السبب يتم استخدام الكابلات المحورية على نطاق واسع، وهذا هو مغذي غير متوازن وهذا يتطلب استخدام (Balun – Balanced) إلى غير متوازن المحولات، حيث يمكن أن يتخذ أشكالاً عديدة، وهو يمنع بشكل أساسي تدفق التردد اللاسلكي على الجزء الخارجي من الكبل ممّا يؤدي إلى التقاط التداخل لأجهزة الاستقبال أو التداخل مع المستخدمين القريبين عند استخدامه مع جهاز إرسال.

العامل المهم الآخر هو مقاومة تغذية ثنائي القطب حيث يتم أخذ معاوقة التغذية القياسية لثنائي القطب بشكل عام على أنّها (73 درجة مئوية) ولكن نادراً ما يُنظر إلى هذه القيمة، حيث يتم تغيير الممانعة بعدد من العوامل المختلفة بما في ذلك الارتفاع فوق الأرض وسمك السلك والعديد من العوامل الأخرى حيث أنّ قيمة (73Ω) هي الممانعة في الفضاء الحر، كما إنّ تغذية ثنائي القطب باستخدام نظام تغذية بمقاومة صحيحة يتيح الحد الأقصى من نقل الطاقة لذلك من المهم فهم مقاومة التغذية.

تطبيقات هوائي ثنائي القطب:

تستخدم الهوائيات ثنائية القطب في العديد من المجالات سواء بمفردها أو كجزء من الهوائيات الأكثر تعقيداً حيث يمكن أن تشكل عنصر الإشعاع الرئيسي، كما يتم استخدامها في العديد من أشكال أنظمة الراديو بدءاً من روابط الاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه وحتى استقبال البث الإذاعي واستقبال الراديو العام والعديد من المجالات الأخرى حيث يعتمد بناء ثنائي القطب على التردد وكذلك الطريقة التي سيتم استخدامه بها.

1. ثنائي القطب السلكي  – HF wire dipole:

تم استخدام ثنائي القطب على نطاق واسع كهوائي سلكي في (MF وHF) حيث مكّن أدائه من إرسال الإشارات واستقبالها على هذه الترددات، كما يتم استخدام ثنائي القطب السلكي بشكل متكرر للإرسال (HF) كما في حالة راديو الهواة، وعادةً ما يتم استخدام ثنائي القطب كثنائي أقطاب نصف موجة ولكن في بعض الترددات، و كان إصدار (3λ / 2) مناسباً لأنّه مكّن من استخدام ثنائي القطب عند التردد الأساسي وكذلك بثلاثة أضعاف هذا التردد.

2. جزء من هوائي ياغي – Part of Yagi antenna:

يشكل الهوائي ثنائي القطب العنصر الدافع داخل هوائي ياغي، وغالباً ما يتم استخدام ثنائي القطب مطوي لأنّ العناصر الطفيلية داخل (Yagi) تتسبب في سقوط مقاومة التغذية ثنائية القطب، حيث عادةً ما يضمن استخدام ثنائي القطب المطوي تحسين مطابقة المعاوقة، كما لا يُستخدم هوائي (Yagi) لاستقبال التلفاز الأرضي فحسب بل يُستخدم في العديد من أشكال الاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه واستقبال الراديو العام.

3. ثنائي القطب رأسي متعدد الاتجاهات – As omnidirectional vertical dipole:

غالباً ما يستخدم الهوائي ثنائي القطب بمفرده كهوائي مستقطب رأسياً ففي هذه الحالة يكون ثنائي القطب نفسه عمودياً وليس الشكل الأفقي المعتاد ولتوفير تغطية شاملة الاتجاهات.

4. استخدامه بهذه الطريقة للراديو المحمول الخاص:

إنّ أنظمة اتصالات لاسلكية ثنائية الاتجاه تستخدمها الشركات والمنظمات الأخرى بما في ذلك خدمات الطوارئ للحفاظ على الاتصال وبالنسبة لأشكال مختلفة من الاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه المهنية، يمكن وضع سلسلة من ثنائيات الأقطاب الرأسية واحدة فوق الأخرى، بحيث يتم تحسين المخطط الاتجاهي لنظام الهوائي الكلي لإعطاء كسب إضافي عند الزوايا اليمنى للهوائي وبالتالي توفير تغطية محسنة.

5. عنصر مدفوع داخل عاكس مكافئ:

تحتاج الهوائيات العاكسة المكافئة إلى شكل من أشكال العنصر الدافع لإشعاع الهوائي للعاكس لتوجيهه في الاتجاه المطلوب، وعلى الرغم من إمكانية استخدام مجموعة متنوعة من أنواع الهوائيات المشعة فإنّ أحد الخيارات هو الهوائي ثنائي القطب.

غالباً ما تستخدم هذه الهوائيات للاتصالات الساتلية وعلم الفلك الراديوي وكذلك لوصلات الاتصالات الراديوية بأنواعها المختلفة، وغالباً ما تُرى هذه الهوائيات العاكسة المكافئة على هوائيات الهاتف المحمول، حيث توفر رابط اتصال لاسلكي بالشبكة الأساسية كما تستخدم الهوائيات العاكسة المكافئة لاستقبال القنوات الفضائية.

الهوائي ثنائي القطب هو شكل مهم بشكل خاص لهوائي الترددات الراديوية والذي يستخدم على نطاق واسع لتطبيقات الإرسال والاستقبال الراديوية كما يستخدم ثنائي القطب بمفرده كهوائي (RF)، ولكنّه يشكل العنصر الأساسي في العديد من الأنواع الأخرى لهوائي الترددات الراديوية.

التيار والجهد في الهوائي ثنائي القطب:

يختلف التيار والجهد على أي عنصر مشع على طول طوله وهذا صحيح بالنسبة لثنائي القطب وكذلك بالنسبة لأي هوائي آخر حيث يحدث التغير الحالي لأنّ الموجات الواقفة يتم إعدادها على طول العنصر المشع، وهذه النتيجة ذروتها وقيعان على طول عنصر الهوائي.

ينخفض ​​التيار إلى الصفر في النهاية ثم يتغير جيبياً ليصل إلى ذروة طول الموجة ربعاً بعيداً عن النهاية، كما يبلغ الجهد ذروته في النهاية ثم يتغير مع زيادة جيب التمام مع زيادة المسافة البعيدة عن النهاية، كما تصل إلى ربع طول الموجة على الأقل من النهاية.

اعتماداً على طول الهوائي قد يكون هناك عدة قمم وقيعان للتيار والجهد على طول طول العنصر المشع، أمّا الشكل الأكثر شيوعاً للهوائي ثنائي القطب هو نصف الموجة ولهذا يكون التيار عند الحد الأدنى عند النهايات ويرتفع إلى الحد الأقصى في الوسط حيث يتم تطبيق التغذية.