فتحات الهوائي Antenna Apertures

تُشير فتحة الهوائي بالمعنى العام إلى وجود فتحة على السطح، وفتحة الهوائي هي المصطلح المستخدم للهوائيات التي تحتوي على فتحة على سطحها، كما إنّ وجود فتحة على سطح يستخدم بشكل عام عندما يجب تقديم شيء معين كمدخل إليه من خلال تلك الفتحة، أو مطلوب إنتاج شيء من خلاله، كما أنّ وحدات الهوائي تستخدم لإرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية.

ما هي فتحات الهوائي Antenna Apertures؟

فتحات الهوائي “Antenna Apertures”: هي مقياس قدرة الهوائي على استقبال القدرة المشعة تجاهه بشكل فعال، كما تستخدم في إشارة إلى منطقة الهوائي، كما إنّه مرتبط بمنطقة الهوائي، ويوضح خصائص التقاط القدرة لهوائيات الاستقبال،

إن الفتحة الموجودة على سطح الهوائي تسمح للطاقة الكهرومغناطيسية بالانبعاث من خلاله أو استقبال الطاقة المرسلة ونقلها إلى الحمل، وفتحة الهوائي هي المنطقة التي يكون اتجاهها طبيعياً إلى الاتجاه الذي تأتي منه الموجة الكهرومغناطيسية، كما يتم ذلك لاعتراض القدرة المكافئة من الموجة الواردة حيث يمكن أن ينتجها الهوائي الذي يستقبلها، ويمثل الشكل أدناه هوائي قرن كهرومغناطيسي، حيث تكون الموجة الواردة موجة مستوية منتظمة:

إنّ الفتحة تتعامل مع خاصية الالتقاط للهوائي، لذلك عندما تسقط الموجة الساقطة على سطح الهوائي فإنّ الموجة الساقطة تحفز جهداً معيناً على هوائي الاستقبال، ومع ذلك فإنّ مقدار الجهد المستحث يظهر الاعتماد على خصائص الهوائي، كما تلعب الفتحة الفعالة في هوائيات الاستقبال دوراً مهماً في تحديد مقدار الجهد المستحث فيها.

أنواع فتحات الهوائي:

أولاً: الفتحة الفعالة “Effective Aperture”:

الفتحة الفعالة للهوائي “Effective Aperture”: هي تلك المنطقة من هوائي الاستقبال التي تجمع بشكل فعال الطاقة الكهرومغناطيسية من الموجة المشعة خارج منطقة الهوائي الإجمالية، وهذا يعني أنّ زيادة منطقة الإنتاج للهوائي تكون أكثر كفاءة.

عندما يتم إرسال موجة كهرومغناطيسية بواسطة هوائي الإرسال، يحاول هوائي الاستقبال الموجود في الطرف الآخر التقاط الإشعاع المنبعث، كما أنّ فتحة الهوائي مرتبطة بهوائي الاستقبال؛ لأنّها تخبر عن قدرة الإنتاج للهوائي المعني باستقبال الموجات، كما تُعرَّف بأنها نسبة القدرة التي يستقبلها الهوائي إلى متوسط ​​كثافة القدرة للموجة الواردة، وبالتالي يتم تقديمه على النحو التالي:

Ae = W / P

حيث أنّ “W” هي القدرة المستلمة “بالواط“، و”P” هو متوسط ​​كثافة القدرة بوحدات “واط / م ²” و”Ae” هي المساحة الفعالة “بالمتر ²”، وهذا يعني أنّ ناتج كثافة قدرة الموجة الكهرومغناطيسية وفتحتها يساوي القدرة التي يستقبلها الهوائي، وبالتالي فإنّ:

W =A e * P

وبعد ذلك، فإنّ الهوائي ذي الفتحة الأكبر يجمع قدرة أكبر من الهوائي ذي الفتحة الأصغر لنفس المجال الكهرومغناطيسي، وبالتالي فإنّه يظهر فائدة في حساب القدرة التي يتلقاها الهوائي، كما أنّه بسبب نظرية المعاملة بالمثل “Reciprocity”، فإنّ مكاسب الهوائي في وضعي الاستقبال والإرسال هي نفسها وبطريقة مماثلة يمكن استخدام الفتحة الفعالة لهوائي الاستقبال لتحديد أداء هوائي الإرسال أيضاً.

ثانياً: فتحة الانتشار “Scattering Aperture” وفتحة الخسارة “Loss Aperture”:

إنّ الفتحة الفعالة تتعامل مع قدرة الالتقاط، ومع ذلك إلى جانب هذا توجد بعض الفتحات الأخرى أيضاً، كما أنّه في حين أنّ إرسال واستقبال الإشارة توجد بعض الخسائر الكبيرة أيضاً، حيث تتوافق هذه الخسائر بشكل أساسي مع مقاومة الإشعاع وإعادة الإشعاع ومقاومة خسارة الهوائي، كما يُشار إلى ذلك بفتحة الانتثار وفتحة الخسارة على التوالي، كما يُعرف هذا مجتمعين بفتحات الانتثار والخسارة للهوائي، ويُرمز إلى فتحة الانتثار بالحرف “A s”، بينما يُشار إلى فتحة الخسارة بالرمز “A l”.

ثالثاً: فتحة التجميع “Collecting Aperture”:

إنّ من إجمالي الطاقة التي يجمعها الهوائي، يرتبط جزء معين بالخسائر الناجمة عن الحرارة في الحمل ومقاومة الإشعاع إلى جانب مقاومة فقدان الهوائي، كما تُشكّل هذه الفتحات الثلاث للهوائي، أي فعال وانتثار وخسارة، ولذلك فإنّ مجموع الفتحة الفعالة والانتثار والخسارة ككل يشكل فتحة تجميع الهوائي لذلك تُعطى على النحو التالي:

A c = A e + A s + A l

رابعاً: الفتحة المادية “Physical Aperture”:

إنّ المنطقة المرتبطة بالهوائي التي تستخرج معظم الطاقة المشعة من الموجة الكهرومغناطيسية، ومع ذلك، فإنّ الفتحة المادية للهوائي هي الحجم المادي الفعلي للهوائي، حيث في الهوائيات مثل البوق أو العاكس المكافئ، تكون الفتحة المادية ذات أهمية كبيرة؛ لأنّ تصميم هذه الهوائيات كبير جداً، وبالتالي بالنسبة للهوائيات ذات الحجم المادي الكبير، تُعد الفتحة المادية خاصية خاصة ومهمة للغاية.

تم تعيين الفتحة الفعالة للهوائي على أنّها خاصية فريدة لأي نوع من الهوائي، كما يُشار إليه بالرمز “A p” ويُعرَّف بأنّه مساحة المقطع العرضي المادية للهوائي، والتي تكون متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة الكهرومغناطيسية من أجل الحصول على أقصى استجابة، كما أنّه في الحالة المثالية لهوائي الاستقبال ومع اعتبار أنّ الخسائر الحرارية صفرية، تكون الفتحة الفعلية والمادية للهوائي متساوية، وهذا يؤدي إلى توفير أقصى اتجاهية للهوائي.

يمكن وصف الهوائي بفتحة في نهايته بأنّه هوائي فتحة، والدليل الموجي هو مثال على هوائي الفتحة حيث عندما تنتهي حافة خط النقل بفتحة، فإنّها تشع طاقة، وهذه الفتحة التي هي فتحة تجعلها هوائي فتحة.

الأنواع الرئيسية لهوائيات الفتحة:

• هوائي الدليل الموجي.

• هوائي القرن.

ما هو هوائي الدليل الموجي؟

الدليل الموجي قادر على أن يشع الطاقة عندما متحمس في نهاية واحدة وفتح في الطرف الآخر والإشعاع في موجه الموجة أكبر من خط نقل ثنائي الأسلاك.

أولاً: نطاق الترددات في هوائي الدليل الموجي:

يتراوح نطاق التردد التشغيلي لدليل الموجة من “300 ميجاهرتز” إلى “300 جيجاهرتز”، حيث يعمل هذا الهوائي في نطاقات تردد “UHF” و”EHF”، وهذا الدليل الموجي يعمل كهوائي، ولكن يتم إشعاع جزء صغير فقط من الطاقة، بينما ينعكس جزء كبير منها مرة أخرى في الدائرة المفتوحة، وهذا يعني زيادة قيمة نسبة الموجة الدائمة للجهد “VSWR“، حيث يوفر الانعراج حول الدليل الموجي إشعاعاً ضعيفاً ونمط إشعاع غير موجه.

• “UHF” هي اختصار لـ “Ultra high frequency”.

• “EHF” هي اختصار لـ “Extremely High Frequency”.

• “VSWR” هي اختصار لـ “Voltage Standing Wave Ratio”.

ثانياً: نمط الإشعاع في هوائي الدليل الموجي:

إشعاع هوائي الدليل الموجي ضعيف والمخطط غير موجه، ممّا يعني الاتجاهات الشاملة، والاتجاه نمط واحد هو الذي لا يوجد لديه الاتجاهية معينة، ولكن يشع في كل الاتجاهات، وبالتالي يطلق عليه كما نمط الإشعاع غير التوجيهي.

مزايا فتحة الهوائي:

• الإشعاع أكبر من خط نقل ثنائي الأسلاك.

• الإشعاع متعدد الاتجاهات.

عيوب فتحة الهوائي:

• يزيد “VSWR”.

• إشعاع ضعيف.

تطبيقات فتحة الهوائي:

• تطبيقات الموجات الدقيقة.

• تطبيقات رادار البحث السطحي.

• يجب تعديل هوائي الدليل الموجي بشكل إضافي لتحقيق أداء أفضل، ممّا ينتج عنه تكوين هوائي القرن.