إنّ المعلمات الرئيسية التي تحدد أداء نظام الهوائي في وقت إرسال الإشارة واستقبالها هي الكسب والكفاءة ومخطط الإشعاع والممانعة، وجنباً إلى جنب مع عرض الحزمة وعرض النطاق الترددي والقدرة على معالجة القدرة، لذلك باستخدام المعدات المناسبة يمكن قياس معلمات الهوائي بدقة، كما تتضمن تقنيات القياس الأكثر شيوعاً قياس خصائص الإشعاع للهوائي، حيث يتضمن هذا النمط الاتجاهي والكسب في المجال البعيد.
ما هو قياس الهوائي Antenna Impedance Measurement؟
قياس الهوائي: هو جانباً حاسماً في تصميم الهوائي، وهذا لأنّه أثناء تصميم الهوائي يتم إجراء قياس الهوائي على مستويات مختلفة تؤدي إلى المساعدة في التحقق، ممّا إذا كانت المواصفات المطلوبة قد استوفت المواصفات المطلوبة أم لا، وهي تنطوي على طريقة يتم فيها وضع هوائي المصدر، سواء الإرسال أو الاستقبال في مواضع مختلفة بالتوافق مع الهوائي قيد الاختبار “AUT”، ويتم تحديد معلمات الهوائي المختلفة لكل موقع على حدة.
هناك العديد من تقنيات التحليل النظري التي تساعد في إيجاد حلول لمختلف المشاكل المتعلقة بالهوائي، ومع ذلك فإنّ التحليل الذي يتضمن التحقق من صحة القياس الفعلي لمعلمات الهوائي يكون أكثر فائدة لهياكل الهوائيات المعقدة، لذلك وبشكل أساسي بعض تصميمات الهوائيات المحددة التي تقل فرص تحقيق النتائج المرجوة فيها من خلال الدراسة والتحقيقات التحليلية، فإنّ بعض عمليات التحقق التجريبية مهمة، ولهذا السبب يكون قياس الهوائي ضرورياً عند أخذ هوائي الاختبار في الاعتبار وإجراء التجربة.
ملاحظة:“AUT” هي اختصار لـ “Antenna Under Test”.
كيف يتم قياس ممانعة الهوائي؟
يتم تسجيل عينات من المعلمات المختلفة من موقع مختلف باستخدام هوائي المصدر والهوائي قيد الاختبار، ومع ذلك فقط من خلال تدوير “AUT” في موقعها الأصلي يمكن جمع عينات مختلفة، حيث سيكون المخطط المستلم حاداً فقط في حالة وجود مسار مباشر بين هوائي المصدر و”AUT”، ويمكن تحقيق ذلك عندما تكون بيئة الاختبار خالية من الانعكاسات.
وبالتالي، لتحقيق ذلك يتم استخدام غرفة عديمة الصدى في مساحة خالية، حيث في الأساس تكون الغرفة عديمة الصدى عبارة عن غرفة مغلقة تستخدم جدرانها وأرضيتها وسقفها مادة تمتص طاقة التردد اللاسلكي لتقليل قدرة الانعكاس للنظام، لذلك في ظل البيئة الخاضعة للرقابة يمكن اختبار الهوائيات بطريقة أفضل، كما أنّ المادة الماصة تستخدم كطبقة بسماكة حول بضعة أطوال موجية، لكن هذه المادة في الغرفة غير موجودة في مواقع هوائي الإرسال وهوائي الاختبار.
إنّ ترتيب الهوائي يتبع نظرية المعاملة بالمثل “Reciprocity”، وبالتالي يمكن أن يكون الهوائي قيد الاختبار هو الإرسال أو الاستقبال، ومع ذلك فإنّ الهوائي قيد الاختبار بشكل عام هو هوائي استقبال يجمع الإشارة التي يرسلها هوائي المصدر، لذلك يتم تصنيف قياسات الهوائي تجريبياً على النحو التالي:
قياسات الممانعة “Impedance Measurements”:
في قياس الممانعة، يتم قياس الممانعة الجوهرية والمدخلات والمقاومة الذاتية والمتبادلة، بينما يتم قياس خصائص الكسب وعرض الحزمة والاستقطاب والإشعاع في قياسات النمط، حيث يعتمد قياس مقاومة الهوائي بشكل كبير على تكرار العملية، وبالتالي على أساس مدى التردد هناك طريقتان لقياس الممانعة.
بشكل أساسي، بالنسبة لتطبيقات التردد المنخفض، أي أقل من “30 ميجاهيرتز”، تُستخدم طريقة الجسر للقياس، وفي مقابل مدى التردد العالي، أي فوق “1000 ميجاهرتز”، يتم استخدام قياس الخط المشقوق، وأيضاً في نطاق التردد بين “30 ميجاهرتز “إلى “1000 ميجاهرتز”، يمكن استخدام بعض الأساليب، ولكن هذا يعتمد على الملاءمة وتوافر المعدات.
1- قياس المقاومة بطريقة جسر ويتستون:
يتم استخدام جسر ويتستون بشكل عام لتحديد القيمة غير المعروفة للمقاومة من خلال مقارنتها بالمقاومة المعروفة، لذلك باستخدام هذه الطريقة يمكن تحديد الممانعة بترددات تصل إلى “30 ميجاهرتز” كما يتكون جسر ويتستون من “4 ممانعات” في “4 أذرع”، حيث تكون”Z a” و”Z b” هي أذرع نسبة، بينما “Z c” تقابل مقاومة الذراع المتغيرة و”Z d” هي الممانعة غير المعروفة التي يجب قياسها.
في ظل الحالة المتوازنة للجسر، لن يكون هناك فرق محتمل بين النقطتين “X” و”Z”، وبالتالي توفير قيمة فارغة في الكاشف، وبالتالي فإنّ
Z a /Z b = Z c /Z d
هنا الجسر في حالة متوازنة من حيث الحجم والمرحلة، لذلك عند إعادة كتابة المعادلة أعلاه في شكل قطبي، سوف يتم الحصول على:
(Z a < θ a) / (Z b < θ b) = (Z c < θ c) / (Z d < θ d)
Z a Z c (< θ a + <θ c ) = Z d Z b (< θ d + <θ b)
وبالتالي يجب استيفاء شروط توازن الحجم والمرحلة، وبذلك فإنّ:
Z a Z c = Z d Z b
θ a + <θ c = < θ d + <θ b >
لذلك، سيتم إعطاء قيمة الممانعة غير المعروفة “Z d” على النحو التالي:
Z d = Z c [Z a /Z b]
لذلك، عندما تكون هناك حاجة لتحديد مقاومة دخل الهوائي يجب توصيل طرف إدخال الهوائي بين النقطتين “W” و”X”، وهو يناسب الهوائيات الرأسية المؤرضة ذات التردد المنخفض، ومن أجل الحصول على النتائج المتوقعة، يجب تأريض النقطتين “W” و”Z” مبدئياً فيما يتعلق بالأرض، ولهذا السبب في البداية يكون الجسر متوازناً مع حالة الدائرة القصيرة أو الدائرة المفتوحة، وعلاوةً على ذلك أثناء العملية يتم إدخال الممانعة غير المعروفة في ذلك الذراع المعين ويتم إزالة القصير، وعلاوةً على ذلك باستخدام معادلة الممانعة، يتم تحديد الممانعة غير المعروفة.
2- قياس المعاوقة بطريقة الخط المشقوق:
يُعرف أيضاً باسم طريقة نسبة الموجة الدائمة أو طريقة الموجة الدائمة لقياس الممانعة، حيث يعتمد هذا القياس على الخصائص الشائعة لموجات الإرسال، حيث في الأساس تُعد الطريقة مناسبة للتحديد الفريد للمقاومة من خلال نسبة الجهد أو الموجة الدائمة الحالية ومسافة الفصل بين الجهد أو التيار الأدنى ونقطة المعاوقة المرجعية، كما يستخدم على نطاق واسع في ترددات “UHF” والميكروويف.
يمثل الشكل الموضح أعلاه اتصال الأجهزة اللازمة لتحديد الممانعة، لذلك يجب توصيل جميع الأجهزة بنفس الطريقة، كما أنّه في جانب واحد يوجد مصدر واحد بينما في الجانب الآخر توجد مقاومة غير معروفة ليتم قياسها، كما إنّ الإنهاء غير الصحيح للهوائي مع خط نقل التغذية يؤدي إلى ظهور موجة واقفة على طول خط النقل.
لذل يتم استبدال جزء من خط النقل المتصل بالهوائي بخط محوري مشقوق يتحرك فوقه مسبار، وأيضاً لقياس الجهد من أجل الحصول على الممانعة، يتم استخدام كاشف بلوري ومقياس التيار الكهربائي الصغير، وهكذا في المواقع المختلفة على طول الخط المشقوق بين المولد والحمل يتم تحريك المسبار كما تؤدي حركة مسبار الكاشف إلى توفير القراءة في مقياس ميكرومتر الذي يتم تدوينه، حيث يؤدي هذا إلى ظهور مخطط موجة واقفة استناداً إلى القراءات.
كما أنّ الحركة في النقطتين المتتاليتين من “V max” و”V min” للمسبار في الكابل المحوري المشقوق ملحوظة، ونتيجةً لذلك فإنّ نسبة الاثنين ستوفر “VSWR“، أي مقاومة الإدخال، وكما أنّه يجب إدخال المسبار بدقة في خط الفتحة المحورية للحصول على عينات مناسبة.
VSWR = V max / V min
ملاحظة:“VSWR” هي اختصار لـ “Voltage Standing Wave Ratio”.
ملاحظة:“UHF” هي اختصار لـ “Ultra high frequency”.
