خصائص الهوائي ثنائي القطب ومغذيات هوائي ثنائي القطب

يُعتبر طول ثنائي القطب هو الاعتبار الرئيسي لتحديد تردد التشغيل الخاص به، ونتيجةً لذلك يُعد حساب الطول عنصراً أساسياً في تصميم وتركيب أي هوائي ثنائي القطب سواء كان من أجل (HF) أو (VHF) أو (UHF)، حيث يبلغ طول معظم الهوائيات ثنائية القطب نصف طول موجي، وبالتالي يكون من الضروري في كثير من الأحيان حساب الطول المادي لهوائي نصف موجي ثنائي القطب.

اختلاف طول ثنائي القطب من طول المساحة الحرة:

إنّ الطول الفيزيائي ثنائي القطب لا يتطابق تماماً مع الطول الموجي الكهربائي في الفضاء الحر فهو أقصر قليلاً، وغالباً ما يكون من الضروري حساب طول ثنائي القطب على أفضل وجه ممكن.

وعلى الرغم من أنّ الهوائي قد يكون نصف طول موجي كهربائي أو مضاعف نصف الأطوال الموجية، إلّا أنّ هذا الطول المادي لا يتطابق تماماً مع الطول الموجي للإشارة التي تنتقل في الفضاء الحر، حيث هناك عدة أسباب لذلك ممّا يعني أنّ الهوائي سيكون أقصر بقليل من الطول المحسوب لموجة تنتقل في مساحة خالية نتيجة لما يسمى بخفة تأثير النهاية.

ينتج التأثير النهائي من حقيقة أنّ الهوائي يعمل بشكل طبيعي محاطاً بالهواء وأنّ الإشارة تنتقل في موصل بطول محدود، وبشكل أكثر تحديداً ينتج تأثير نهاية الهوائي عن انخفاض في المحاثة وزيادة السعة باتجاه نهاية موصل الهوائي ممّا يعمل على إطالة الهوائي بشكل فعال.

لقد وجد أنّ تأثير نهاية الهوائي يزداد مع التردد ويختلف باختلاف التركيبات، كما أنّ قطر السلك له تأثير ملحوظ عليه، أمّا بالنسبة لثنائي القطب نصف الموجة فإنّه يتم حساب طول الموجة التي تنتقل في الفضاء الحر ويتم ضرب هذا بالعامل (A) حيث عادةً ما يتراوح بين (0.96 و0.98) ويعتمد بشكل أساسي على نسبة طول الهوائي إلى سمك السلك أو الأنبوب المستخدم كعنصر.

كمزيد من التعقيد فإنّ العوازل الداعمة وأنظمة التغذية والأشياء المحيطة الأخرى مثل الأرض والمباني والأشجار وما إلى ذلك لها تأثير ملحوظ على الطول الكهربائي، وقد يتجاوز هذا التباين في الطول الناجم عن الاختلافات العملية في قطر الموصل ممّا يجعل حساب الطول الدقيق صعباً إن لم يكن من المستحيل إجراؤه في ظل الظروف العملية، ومن المعتاد تحديد الطول الأرجح للهوائي وقطعه لفترة أطول قليلاً ممّا هو متوقع ثم التحقق من خصائص الهوائي تجريبياً مع تغيير الطول المادي حسب الضرورة.

صيغة طول الهوائي ثنائي القطب:

غالبًا ما يُنظر إلى صيغة طول ثنائي القطب بالقدم على أنّها (468 لكل تردد) حيث يمكن اشتقاق القيمة بأخذ الرقم الناتج وضربه في عامل التأثير النموذجي (A) أو عامل التأثير النهائي البالغ (0.95) والرقم الفعلي المشتق هو (467.48) ولكن هذا قريب بما يكفي لمعظم التطبيقات، خاصةً وأنّ العوامل الأخرى بما في ذلك الكائنات القريبة وما إلى ذلك لها تأثير كبير على الطول حيث تعطي الحسابات من هذه الصيغ نقطة انطلاق جيدة لتحديد طول هوائي ثنائي القطب.

ومن الأفضل دائماً جعل أي هوائي نموذجي أطول قليلاً ممّا قد تشير إليه الحسابات ثم تقصير الهوائي وقياس أدائه في كل مرة،وبهذه الطريقة يمكن الحصول على الأداء الأمثل لذلك الهوائي حيث من الأفضل قطع طول الهوائي بخطوات صغيرة لأنّه لا يمكن استبدال السلك أو الأنبوب بسهولة بمجرد إزالته.

عادةً ما تكون برامج المحاكاة الحاسوبية قادرة على حساب طول ثنائي القطب بدقة شديدة بشرط أن يتم إدخال جميع المتغيرات والعناصر التي تؤثر على تشغيل ثنائي القطب بدقة بحيث تكون المحاكاة واقعية وبالتالي دقيقة، كما تكمن المشكلة الرئيسية عادةً في القدرة على إدخال البيانات البيئية الواقعية بدقة لتمكين إجراء محاكاة واقعية.

أطوال الهوائي لنطاقات راديو هام:

تُستخدم الهوائيات ثنائية القطب في العديد من المجالات والتطبيقات، وأحد المجالات الرئيسية التي تتطلب الهوائيات المنزلية هو داخل راديو هام حيث غالباً ما يتم إنشاء الهوائيات السلكية ثنائية القطب وتركيبها لتوفير هوائي لنطاق معين أو نطاقات في بعض الأحيان.

تستخدم الأطوال الخاصة على نطاق واسع كأساس لهوائي ثنائي القطب في نطاق هام، كما يمكن أن يؤدي تأثير الأرض أو الارتفاع وكذلك الأجسام القريبة إلى تغيير طول الرنين الطبيعي المطلوب، لذلك هناك حاجة إلى القليل من التجارب عادةً.

من السهل نسبياً حساب طول الهوائي نظرياً حيث هناك العديد من العوامل الأخرى التي لها تأثير كبير على الطول، كما تساعد العديد من برامج تصميم الهوائي في تقليل الأخطاء ولكن من الناحية العملية من الصعب التنبؤ بتأثير المباني والأشجار والطوبولوجيا العامة للأرض وستؤثر هذه العوامل على الهوائي، حيث من الأفضل حساب طول ثنائي القطب على أفضل وجه ممكن وضبط عشرة للحصول على الأداء الأمثل في الموقع.

مغذيات هوائي ثنائي القطب ومقاومة تغذية:

عند استخدام هوائي ثنائي القطب كما هو الحال مع أي شكل آخر من أشكال الهوائي، فإنّ مقاومة التغذية ومعرفة أفضل طريقة لتغذيته لها أهمية خاصة، ولضمان النقل الأمثل للطاقة من وحدة التغذية أو المصدر أو الحمل، فيجب أن تكون ممانعة تغذية الهوائي ثنائي القطب هي نفسها الخاصة بالمصدر أو الحمل.

من خلال مطابقة ممانعة التغذية ثنائية القطب أو الممانعة المميزة ثنائية القطب مع المصدر أو الحمل يكون الهوائي قادراً على العمل بأقصى قدر من الكفاءة، ومن أجل ضمان الحفاظ على مطابقة المعاوقة فهناك عدة طرق يمكن من خلالها تغذية ثنائي القطب بواسطة وحدة التغذية الخاصة به.

أساسيات مقاومة تغذية هوائي ثنائية القطب:

يتم تحديد ممانعة التغذية ثنائية القطب من خلال نسبة الجهدوالتيار عند نقطة التغذية حيث يتم حسابها ببساطة باستخدام قانون أوم، وعلى الرغم من أنّه يمكن تغذية ثنائي القطب في أي وقت فمن الطبيعي أن تكون نقطة التغذية في منتصف ثنائي القطب وهذه هي النقطة الحالية القصوى والجهد الأدنى ممّا يعطي مقاومة منخفضة لثنائي القطب.

كما يمكن افتراضه من قانون أوم (V / I = R) حيث أنّه أسهل بكثير لاستيعاب ممانعة تغذية عالية المقاومة كما قد تكون الفولتية عالية جداً عند الإرسال بمستويات طاقة متواضعة، وكما أنّ الأكثر شيوعاً للثنائي القطب هو ثنائي القطب نصف الموجي إلّا أنّ البعض الآخر يمكن أن يكون مضاعفات نصف الطول الموجي.

لذلك من الممكن تغذية ثنائي القطب عند أي نقطة من نقاط الجهد الدنيا أو القصوى الحالية التي تحدث عند نقطة ربع طول الموجة من النهاية ثم على فترات نصف طول الموجة، ونظراً لأنّ ثنائيات الأقطاب الرنانة هي مضاعفات نصف طول الموجة فإنّ هذا يعني أنّ النقطة الأكثر شيوعاً لا تزال في نقطة مركز الهوائي.

مكونات الممانعة ثنائية القطب:

1. مقاومة الخسارة:

تنتج مقاومة الخسارة عن الخسائر المقاومة أو الأومية داخل العنصر المشع أي ثنائي القطب، حيث في كثير من الحالات يتم تجاهل مقاومة فقدان ثنائي القطب لأنّها قد تكون منخفضة، ولضمان انخفاضه يجب استخدام كابل أو أنابيب سميكة بدرجة كافية، وكما يجب أن يكون المعدن ذو مقاومة منخفضة.

2. مقاومة الإشعاع:

مقاومة الإشعاع: هي عنصر مقاومة الهوائي ثنائي القطب الذي ينتج عن الطاقة المشعة كموجة كهرومغناطيسية أي من حيث فقد الطاقة، كما يمكن رؤية ذلك من خلال الحمل حيث تتبدد القدرة بواسطة المقاوم، والهدف من أي هوائي هو إشعاع أو تبديد أكبر قدر ممكن من الطاقة بهذه الطريقة.

كما هو الحال مع أي هوائي (RF)، تعتمد معاوقة التغذية للهوائي ثنائي القطب على مجموعة متنوعة من العوامل بما في ذلك الطول وموضع التغذية والبيئة وكما أنّ هوائي ثنائي القطب يغذيه مركز نصف الموجة في مساحة خالية له مقاومة إشعاع تبلغ (73) ممّا يجعله مثالياً للتغذية مع مغذي (75 أوم).

أمّا بالنسبة لجميع التطبيقات الحقيقية فإنّ القرب من الأرض والأشياء الأخرى يعني أنّ الرقم (73 درجة) نادراً، حيث عادةً ما يتم استخدام المحول (50 درجة) الأكثر شيوعاً لثنائيات الأقطاب خاصةً تلك المستخدمة في تطبيقات الاتصالات الراديوية التجارية حيث يستخدم (75 أوم) كابل محوري على نطاق واسع لاستقبال الراديووالتلفاز المحلي.

العوامل التي تغير مقاومة تغذية ثنائي القطب:

على الرغم من أنّ مقاومة التغذية القياسية لثنائي القطب هي (73) ونادراً ما يُنظر إلى هذه القيمة، حيث تتغير الممانعة بعدد من العوامل المختلفة، كما يمكن أن يكون القرب من الأرض أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على ثنائيات الأقطاب المستخدمة في نطاقات (HF).

بالنسبة لثنائيات الأقطاب التي تشع عند أي تردد حيث إذا كانت تشكل عنصر الإشعاع لشكل أكثر تعقيداً من هوائي الترددات الراديوية، فسيكون لعناصر الهوائي تأثير وهذا عادةً ما يقلل من المعاوقة، حيث يمكن أن تنخفض إلى قيم (10 Ω) أو حتى أقل وبالتالي فمن الضروري ضمان الحفاظ على تطابق جيد مع وحدة التغذية.

ارتفاع ثنائي القطب فوق الأرض:

بالنسبة للهوائيات ثنائية القطب الأكبر مثل تلك المستخدمة للترددات الأقل من حوالي (30 إلى 50 ميجاهرتز) ويمكن أن يكون للارتفاع فوق سطح الأرض تأثير كبير على مقاومة التغذية، حيث في هذه الترددات قد تكون المسافة بين الهوائي والأرض مجرد طول موجي أو اثنين في كثير من الحالات.

أمّا في هذه الأنواع من الارتفاعات يمكن أن يكون للأرض تأثير كبير على الممانعة، وخاصةً عندما يكون الهوائي مُركباً أفقياً كما تظهر أكبر تأرجحات للمقاومة عندما يكون الهوائي ثنائي القطب أقرب إلى الأرض ثم يقترب من قيمة المساحة الخالية، وممّا يعني أنّ القيمة الفعلية للعديد من ثنائيات أقطاب (HF) ستكون منخفضة نسبياً، حيث لا يمكن رفعها بدرجة كبيرة في كثير من الحالات، كما تكون التغذية باستخدام وحدة التغذية المحورية (50 درجة) بمثابة حل وسط جيد.

بالنسبة لثنائيات أقطاب (VHF / UHF) فمن الممكن رفعها أعلى بكثير على الرغم من أنّ أعمدة التركيب والصواري قد تتفاعل لتقليل المعاوقة، كما لا يتم استخدام ثنائيات الأقطاب في كثير من الأحيان بمفردها، حيث يتم دمجها في الغالب في هوائيات مثل ياغي.

أسباب عدم استخدام مغذيات هوائي ثنائي القطب:

لأنّ الهوائي ثنائي القطب هو هوائي متوازن فإنّ وحدة التغذية المتوازنة ستكون الخيار الطبيعي لاستخدامه لتغذيته، وفي حين أنّ وحدة تغذية الأسلاك المفتوحة المتوازنة توفر مستويات منخفضة جداً من الفقد وهي مثالية من نواح كثيرة إلّا أنّها نادراً ما تُستخدم.

1. غير متوازن ويعاني من خسارة في المباني:

يتكون المغذي المتوازن من سلكين متباعدتين على شكل سلك مسطح مع مباعد بلاستيكي أو سلكين متوازيين مع فواصل على فترات للحفاظ على التباعد، حيث تكمن المشكلة في أنّ هذا النوع من المغذي مثالي عندما يكون في مساحة القلم ولكن من الصعب تشغيله داخل مبنى مثل المنزل وغرفة الراديو ولهذا السبب يكون الكابل المحوري غير المتوازن أكثر ملاءمة استعمال.

2. يستخدم بشكل عام فقط في HF:

يميل المغذي المتوازن إلى الاستخدام فقط في (HF)، حيث يجب أن يكون التباعد بين الأسلاك المتوازية صغيراً من حيث الطول الموجي ومع ارتفاع الترددات يمكن أن يكون هذا مشكلة في بعض الحالات، كما يُعتبر الكبل المحوري أكثر ملاءمة للاستخدام خاصةً عند الترددات العالية جداً.

يُعد استخدام الكابلات المحورية أكثر شيوعاً نظراً لملاءمتها وأدائها عند التشغيل مع الأشياء القريبة أو عند توجيهها عبر الجدران وحول الغرف، ولاستخدام كبل متحد المحور يلزم الانتقال بين متوازن وغير متوازن، حيث يتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام عنصر يسمى (balun) معزز إلى غير متوازن.

إذا لم يكن (balun) موجوداً فسيكون (RF) موجوداً على الجزء الخارجي من المحول وهذا يمكن أن يعني أنّ المحول سوف يشع أو يلتقط الإشارات، كما يمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث تداخل من الأجهزة في المبنى الذي يتم التقاطه أو التداخل الناجم عن جهاز الإرسال.

يُعد (balun) عنصراً بسيطاً وغالباً ما يكون محولاً بسيطاً أو يمكن تنفيذه عن طريق وضع حديدي فوق الجزء الخارجي من المحول لمنع الإشارات التي تنتقل إلى أسفل الجزء الخارجي من المحول أو ببساطة لف بضع لفات من الكبل المحوري بجوار الهوائي.