تأريض الهوائي - Aerial Earthing

يمكن أن يكون نظام الهوائي الأرضي مفتاحاً لتشغيله مع كونه ميزة أمان رئيسية، كما يمكن أن تؤدي معرفة كيفية تأريض الهوائي بشكل صحيح إلى تحسينات كبيرة على أدائه، في حين أنّ الاتصال الأرضي  الضعيف يمكن أن يعني أنّ أدائه ضعيف بشكل كبير، وعند تأريض الهوائي بشكل صحيح يجعل الهوائي آمناً للاستخدام كما أنّه يجعل أداء الهوائي إلى الأفضل.

ما هو الهوائي الأرضي – Antenna Ground؟

إنّ المستوى الأرضي للهوائي يعمل كأرض محاكاة حيث وجد أنّه بالنسبة لهوائي أحادي القطب مثل ربع الطول الموجي الرأسي، تعمل الأرض كمستوى لعكس موجات الراديو بحيث تظهر صورة النصف العلوي من الهوائي في الأرض، ومن الممكن محاكاة هذه الوظيفة عن طريق استبدال الأرض الحقيقية بمستوى موصل للعمل كمستوى أرضي للهوائي، كما يجب أن يمتد السطح الموصل لربع طول موجة على الأقل من قاعدة الهوائي.

كيفية تأريض الهوائي:

1. كيفية تأريض هوائي لأداء التردد اللاسلكي:

بعض أنواع الهوائي غير متوازنة ومصممة للعمل مع اتصال أرضي لتمكينها من العمل بشكل صحيح حيث لا تحتاج الهوائيات المتوازنة مثل ثنائيات الأقطاب إلى أرض (RF) لتشغيلها بشكل صحيح طالما أنّ التيارات ذات الوضع المشترك يتم إبعادها عن وحدة التغذية، وإنّ العديد من الهوائيات الرأسية والعديد من الأسلاك التي يتم تغذيتها بالطرف تستخدم توصيلها الأرضي (RF) كجزء لا يتجزأ من الهوائي، أمّا بالنسبة لنظام مثل هؤلاء فمن الضروري إجراء اتصال أرضي جيد.

1. نظام التأريض المادي – Physical grounded earth system:

يتكون النظام الأرضي للتردد اللاسلكي من خلال الاتصال المباشر بالأرض، ونظراً لأنّ موصلية الأرض منخفضة نسبياً فيجب تقديم مساحة سطح جيدة بواسطة الموصل إلى الأرض، أمّا الحجم الذي يمكن أن يحدث فيه التوصيل ضخم، وبالتالي بمجرد إجراء اتصال جيد بالأرض يمكن أن تكون المقاومة الفعلية منخفضة على الرغم من ارتفاع مقاومة مادة الأرض.

2. المستوى الأرضي – Ground plane:

تُستخدم العديد من الهوائيات الرأسية ما يسمى بالمستوى الأرضي، وهذا هو أرض محاكاة مصنوعة من صفيحة موصل والتي تمتد عادة إلى ربع طول الموجة من الهوائي، وغالباً ما يتم محاكاة الموصل بواسطة عدد من الأقطار وغالباً بطول ربع الموجة.

2. كيفية تأريض الهوائي من أجل السلامة:

الهوائي عبارة عن جسم معدني يمكن أن يتعرض أحياناً لخطر الحياة، كما يمكن أن يكون نتيجة التوصيل بجهاز معيب ويضع جهداً مباشراً على الهوائي، كما يمكن أن يكون نتيجة مصادفة لخطوط الكهرباء الحية حيث يمكن أن يشكل خطراً.

3. كيفية تأريض الهوائي من أجل البرق:

إنّ حدوث البرق هو حقيقة من حقائق الحياة، وهناك العديد من الصور الدرامية للصواعق تضرب المباني الشاهقة أو حتى تضرب الأرض، كما يمكن أن يكون لضربة الصواعق تأثير مدمر للغاية مع ارتفاع المستويات الحالية النموذجية إلى أي مكان يتراوح بين حوالي (3000 و140000 أمبير)، فليس من المستغرب أنّ يتضرر أي مكان يتلقى ضربة مباشرة حتى لو لم يتم اختبار الضربة المباشرة يمكن أن تكون الفولتية المحفزة عالية جداً.

مهما كان سبب الحاجة إلى تأريض الهوائي فهناك العديد من الحالات التي تتطلب ذلك، أمّا عند تأريض الهوائي فمن الضروري القيام به لمعرفة كيفية تأريض الهوائي بشكل صحيح.

تشغيل هوائي أحادي مع أرضي:

يشكل النظام الأرضي للتردد اللاسلكي جزءاً لا يتجزأ من تشغيل هوائي أحادي القطب، أمّا من حيث تشغيل أحادي القطب فإنّ الانعكاس في الأرض يعني أنّه يبدو أنّ هناك صورة للنصف العلوي من الهوائي تحت الأرض بمعنى آخر مثل ثنائي القطب العامودي ولهذا يكون مستوى الأرض كبير بما يكفي، ونتيجةً لذلك فإنّ مخطط إشعاع هوائي أحادي القطب مع أرض ترددات لاسلكية موصلة تماماً ولانهائية مطابقة للنصف العلوي من مخطط ثنائي القطب مع أقصى إشعاع له في الاتجاه الأفقي أي عمودياً على الهوائي.

كذلك لأنّ هذا الهوائي لا يمكن أن يشع إلّا فوق مستوى الأرض، فسيكون للهوائي أحادي القطب ربح قدره (3 ديسيبل) على ثنائي القطب مكافئ، وهذا يفترض أنّه لا توجد خسائر أرضية كما من الصعب جداً الحصول على نظام تأريض هوائي (RF) غير ضائع وبالتالي يصعب تحقيق هذا الكسب بالكامل.

ولأنّ ثنائي القطب نصف الموجة له ​​مقاومة إشعاع تبلغ (73 أوم) فإنّ أحادي القطب رباعي الموجة سيكون له مقاومة إشعاع تبلغ حوالي (36.8 أوم) إذا تم تركيبه فوق مستوى أرضي جيد، كما يجب أن تكون الأرض (RF) للهوائي موصلة تماماً ممّا يعني أنّه يلزم وجود أرضي (RF) هوائي جيد للغاية.

تأثير تأريض هوائي RF على كفاءة الإشعاع:

إنّ النظام الأرضي للتردد اللاسلكي سيؤدي بشكل طبيعي إلى خسائر في نظام الهوائي الكلي إذا كانت المقاومة عالية وكذلك سوف يمتص هذا نسبة كبيرة من طاقة الهوائي المقد، كما يتسم فقدان القدرة الناجم عن ضعف النظام الأرضي للترددات الراديوية في الهوائي بأهمية خاصة عندما يتم إرسال الإشارات كأرضية سيئة تؤدي إلى خسائر حقيقية في الطاقة.

بالنسبة لجوانب الاستلام يمكن أن يكون أقل أهمية حيث تميل أسباب التردد الراديوي من هذا النوع إلى الاستخدام في الموجات الهكتومترية (MF) والتردد العالي (HF)، كما لا يمثل حد حساسية جهاز الاستقبال مشكلة ولكنّه بدلاً من ذلك تنتج مستوى الضوضاء الجوية والضوضاء الأخرى التي يتم استقبالها عبر الهوائي مشكلة، ونظراً لأنّ الأرض الضعيفة ستؤدي إلى توهين جميع الإشارات بالتساوي فمن غير المرجح أنّ كسب المُستقبل لن يكون قادراً على تعويض الخسارة دون أي تأثير ملحوظ.

كما يمكن أن تنشأ المشاكل إذا كانت وحدة التغذية المحورية المستخدمة نفسها تلتقط ضوضاء غير مرغوب فيها خاصةً تلك التي تتولد محلياً، ويمكن أن ينتقل هذا على طول الجزء الخارجي من المحول ويدخل إلى جهاز الاستقبال ممّا يتسبب في زيادة مستويات التداخل مع الإشارات المطلوبة، كما من الممكن تحديد كفاءة نظام الهوائي من خلال النظر إلى مقاومة أرضية الهوائي (RF) ومقاومة إشعاع الهوائي، أمّا إهمال مقاومة سلك الهوائي والتي تكون منخفضة بالنسبة لمعظم الأنظمة ويمكن تجاهلها.

تثبيت نظام هوائي RF الأرضي:

يُعد المعدن الخام المدفون في الأرض هو الأفضل، ولكن مع مزيد من التخطيط والبصيرة من الممكن تثبيت نظام هوائي فعال للغاية لنظام (RF) الأرضي بسهولة أكبر، كما من الممكن أيضاً اتباع بعض التلميحات والنصائح والتأكد من أنّ تشغيل نظام هوائي (RF) الأرضي جيد بقدر ما يمكن أن يكون في أي موقع معين.

1. الموصلية الأرضية المحلية – Local earth conductivity:

كلما كانت الموصلية الأرضية أفضل في منطقة معينة كان الاتصال الأرضي أفضل، أمّا المناطق الموجودة على الحجر الرملي فقيرة جداً، كما من الصعب الحصول على نظام أرضي (RF) هوائي جيد بما فيه الكفاية عندما تكون على قاعدة من الحجر الرملي، ومع ذلك فإنّ المناطق الرطبة وحتى المالحة توفر فرصة أفضل بكثير لنظام الأرض.

2. مساحة سطح موصلة كبيرة – Large conductive surface area:

تتمثل الطريقة التقليدية لتركيب اتصال أرضي (DC) في الحصول على قضيب أرضي ودفعه إلى الأرض، كما قد تكون قضبان الأرض بين متر أو أكثر بقليل حتى مترين، كما قد يكون من الصعب دفع القضبان الأطول إلى الأرض إذا تم إجراؤها يدوياً ولكن يمكن تحقيق ذلك مع ذلك.

كما يمكن أن يكون الأسلوب البديل أو الإضافي هو دفن المعادن المهملة أو الفائضة في الأرض، ويمكن أن تحتوي الألواح النحاسية أو صفائح المعادن الأخرى على مساحة كبيرة يمكن أن تلامس الأرض جيداً، وقد يكون من المناسب اعتماد مزيج من كلتا الطريقتين.

3. استخدام شعاعي مدفون – Use buried radials:

يمكن إنشاء نظام أرضي (RF) فعال عن طريق دفن الشعاعات، وكلما زاد عدد الأقطار المدفونة كان ذلك أفضل بشكل عام، أمّا أحد الأساليب التي اقترحتها (Les Moxon) هو دفن ما بين (50 و100 سلك) بطول يصل إلى (3λ / 2) حيث إنّه كلما زاد عدد الأقطار الشعاعية كان ذلك أفضل ومن الأفضل أن يكون لديك عدد أكبر من الأقطار القصيرة بدلاً من عدد قليل منها، أمّا عندما يكون الإشعاع مطلوباً لتحسينه في اتجاه معين يمكن إضافة قطارات شعاعية إضافية وأطول في هذا الاتجاه العام.

مقاومة التغذية لربع الطول الموجي العامودي التي يتم تغذيتها على مستوى أرضي هي (37 أوميغا) مقابل مقاومة ثنائي القطب التي تبلغ (73 درجة) كما يمكن أن يكون هذا مشكلة إذا كان الهوائي بحاجة إلى التغذية بوحدة تغذية قياسية محورية (50 درجة)، وللتغلب على ذلك يمكن ثني موصلات مستوى الأرض لأسفل من الأفقي لرفع مقاومة التغذية، كما سيتم تحقيق تطابق (50 درجة) عندما تكون الزاوية بين قضبان مستوى الأرض والأفقي (42 درجة).

إذا تم إسقاط الشعاعات أكثر من ذلك فإنّ المعاوقة ترتفع بشكل أكبر وفي حالة الحد، كما تعمل جميع الأقطار الشعاعية في نفس المحور كعنصر الإشعاع الرئيسي لتشكيل ثنائي أقطاب رأسي تكون مقاومة الإشعاع أو مقاومة التغذية له (73Ω).

تختلف الطرق القياسية التي يتم بها صنع موصلات المستوى الأرضي باختلاف تردد التشغيل للهوائي ومن ثم طول الموصلات، أمّا في (HF) تميل الموصلات إلى أن تكون أسلاكاً عادية متصلة بالنقطة الأرضية على الهوائي حيث يتم تشغيل هذه إلى نقاط ملائمة حيث يمكن تثبيتها، وعادةً ما يلزم وجود عازل في نهاية الموصل، أمّا في الموجات المترية (VHF) وما فوقها تكون الموصلات أقصر بكثير وتميل إلى أن تكون مصنوعة من قضبان أي عادةً ما تكون نفس مادة العنصر الرأسي نفسه.