كسب وتغذية الهوائي العاكس المكافئ

تُعد حبيبات (Casse) هي نوع آخر من التغذية يعطى للهوائي العاكس حيث توجد التغذية عند قمة المكافئ كما يتم وضع عاكس محدب الشكل يعمل كقطع زائد مقابل تغذية الهوائي، ويُعرف باسم عاكس زائد أو عاكس فرعي، كما يتم وضعه بحيث يتزامن أحد البؤر مع تركيز مكافئ وهكذا تنعكس الموجة مرتين وكما يمكن أن يصل كسب هوائي العاكس المكافئ إلى (30 إلى 40 ديسيبل) وليس من السهل تحقيق أرقام الكسب هذه باستخدام أشكال أخرى من الهوائي.

العوامل التي تؤثر على كسب هوائي عاكس مكافئ:

في ترددات الميكروويف يتم استخدام هذه الهوائيات بشكل طبيعي، لأنّها قادرة على إنتاج مستويات عالية جداً من الكسب، كما أنّها توفر بنية مريحة وقوية للغاية قادرة على تحمل قسوة الاستخدام الخارجي، أمّا على النقيض من ذلك فإنّ العديد من أنواع تصميم الهوائيات الأخرى ليست عملية في هذه الترددات.

الميزة المشتركة لجميع هذه الأمثلة هي كسب الهوائي المكافئ أو كسب طبق مكافئ، في حين أنّ الهوائيات الأكبر لديها مستويات أكبر من كسب الهوائي المكافئ، فإنّ أداء كل هذه الهوائيات له أهمية قصوى.

1. قطر السطح العاكس – Diameter of reflecting surface:

كلما زاد قطر السطح العاكس للهوائي كلما زاد كسب العاكس المكافئ.

2. الطول الموجي التشغيلي – Operational wavelength:

يقوم كسب هوائي العاكس المكافئ بالاعتماد على حجم العاكس من حيث أطوال الموجات لذلك إذا تم استخدام نفس العاكس على ترددين مختلفين فسيختلف الكسب، كما يتناسب عكسياً مع الطول الموجي المستخدم.

3. كفاءة الهوائي – Antenna efficiency:

كفاءة الهوائي لها تأثير كبير على الكسب الكلي للعاكس المكافئ حيث تتراوح الأرقام النموذجية بين (50% و70%) وتختلف الكفاءة نتيجة لعدد من العوامل المختلفة.

كيفية حساب كسب هوائي عاكس مكافئ:

يمكن حساب كسب الهوائي المكافئ بشكل سهل وذلك عن طريق توفر قطر السطح العاكس وطول موجة الإشارة وتوفر كفاءة الهوائي أو تقديرها، حيث يُقاس كسب هوائي العاكس المكافئ على أنّه الكسب على مصدر متناحٍ أي بالنسبة إلى مصدر يشع بالتساوي في جميع الاتجاهات، وهذا مصدر نظري يستخدم كمعيار يتم مقارنة معظم الهوائيات به حيث يُشار إلى الكسب بهذه الطريقة على أنّه (dBi).

كما يمكن الوصول إلى مكاسب كبيرة جداً إذا تم استخدام عاكسات كبيرة بدرجة كافية، ومع ذلك عندما يكون للهوائي كسباً كبيراً جداً يكون عرض الحزمة صغيراً جداً ويتطلب الهوائي تحكماً شديد الدقة في موضعه، أمّا في الأنظمة الاحترافية تُستخدم أنظمة المؤازرة الكهربائية لتوفير تحديد المواقع بدقة شديدة.

تُقدر قيمة كسب العاكس المكافئ يمكن أن يكون في حدود (50 ديسيبل) للهوائيات التي يبلغ قطر العاكس منها مائة طول موجي أو أكثر، في حين أنّ الهوائيات بهذا الحجم لن تكون عملية للعديد من تصميمات الهوائيات مثل (Yagi) والعديد من التصميمات الأخرى، ويمكن جعل العاكس المكافئ كبيراً جداً مقارنة بطول الموجة وبالتالي يمكنه تحقيق مستويات الكسب الهائلة هذه، والمزيد من الأحجام العادية لهذه الهوائيات هي بضعة أطوال موجية لكنّها لا تزال قادرة على توفير مستويات عالية جداً من الكسب.

كفاءة الكسب في الهوائي العاكس المكافئ:

في معادلة الكسب الإجمالية للهوائي تم تضمين عامل الكفاءة، كما قد يكون هذا عادةً بين (50% و70%) حيث يعتمد على الهوائي الفعلي، كما تعتمد كفاءة كسب هوائي عاكس القطع المكافئ على مجموعة متنوعة من العوامل ويتم ضرب كل هذه معاً لإعطاء الكفاءة الكلية.

1. كفاءة الإشعاع – Radiation efficiency kr:

يُشار إلى كفاءة الإشعاع بالرمز (k_r) حيث تحكمه الخسائر المقاومة أو الأومية داخل الهوائي، كما يتم التحكم فيه من خلال كفاءة الإشعاع لعنصر الهوائي الذي يشع طاقة التردد اللاسلكي، أمّا بالنسبة لمعظم الهوائيات فيكون مرتفع وقريب من الوحدة، لذلك ليس لكفاءة الإشعاع تأثير كبير على كسب هوائي العاكس المكافئ ويتم تجاهلها عادةً.

2. كفاءة الامتداد – Spillover Efficiency ks:

يُشار إلى كفاءة الانتشار على أنّها (ks) أي طاقة تنسكب على حافة سطح العاكس ستقلل من الكفاءة وبالتالي كسب هوائي العاكس المكافئ، وفي الحالة المثالية يجب أن يكون سطح العاكس مضاءً بشكل متساوٍ وكامل ولا ينبغي أن ينسكب أي شيء فوق الحافة، وفي الحالة الحقيقية  يكون غير قابل للتطبيق وبعض الانخفاض في الكفاءة وبالتالي يتم اختبار كسب الهوائي.

3. كفاءة الفتحة المستدقة – Aperture Taper Efficiency kt:

يُشار إلى كفاءة استدقاق الفتحة على أنّها (kt) أي إنّه يؤثر على كسب الهوائي لأنّ العاكس المكافئ بأكمله يحتاج إلى الإضاءة بشكل صحيح لتحقيق الكسب الأمثل، وإذا لم يتم إضاءة أجزاء من السطح على النحو الأمثل بواسطة الطاقة المشعة من الرادياتير فسيتم تقليل كسب العاكس المكافئ، كما يتم تحقيق الأداء الأمثل عندما يضيء المركز أكثر قليلاً من الحواف.

4. خطأ السطح – Surface Error:

بهدف توفير أعلى مستويات كسب هوائي عاكس مكافئ يجب أن يتبع السطح محيط القطع المكافئ بأكبر قدر ممكن من الدقة حيث سيؤدي الانحراف عن هذا إلى ضعف دقة الانعكاس، ومع ذلك من الممكن استخدام شاش للعاكس لتقليل الوزن ومقاومة الرياح بشرط أن تكون الفتحات الموجودة في الشاش أو الشبكة صغيرة مقارنة بطول الموجة، كما يجب أن يكون عرض الفتحات أو الثقوب في الشبكة المعدنية العاكسة أقل من (λ / 10).

5. انسداد الفتحة – Aperture Blockage:

غالباً ما تحجب البنية المادية للتغذية والعناصر الأخرى للهوائي جزءاً من العاكس، ممّا يقلل بشكل طبيعي من الكفاءة وبالتالي كسب الهوائي كما يجب استيعاب هذا العامل في حساب كسب الهوائي.

6. الاستقطاب المتقاطع – Cross Polarization:

يجب أن يتوفر تطابق استقطاب بين الإشارات المرسلة والمستقبلة كما هو الحال مع أي هوائي آخر وإلّا فسيكون هناك خسارة مساوية لجيب الزاوية بين الاستقطاب إذا تم اعتماد الاستقطاب الخطي.

7. التغذية بنقطة مفردة – Non-Single Point Feed:

تُعد النقطة المحورية للعاكس هي نقطة واحدة حيث إنّ كل الهوائيات لها حجم محدود وبالتالي فإنّ هذا يعني أنّ الهوائي يمتد خارج النقطة المحورية للعاكس، وكلما زاد عنصر الإشعاع فيما يتعلق بالسطح العاكس زادت المشكلة وزاد تأثيرها على كسب الهوائي.

كيفية تحسين كسب الهوائي المكافئ:

للقيام على توفير الإضاءة المثلى للسطح العاكس يجب أن يكون مستوى الإضاءة أكبر في المركز منه في الجانبين، كما يمكن إثبات أنّ الوضع الأمثل يحدث عندما يكون المركز أكبر بحوالي (10 إلى 11 ديسيبل) من الإضاءة عند الحافة حيث تؤدي المستويات المنخفضة من إضاءة الحواف إلى انخفاض مستويات الفصوص الجانبية.

يشكل هوائي السطح العاكس جزءاً رئيسياً من النظام بأكمله، أمّا في كثير من النواحي ليست حرجة كما يمكن استخدام شبكة سلكية، وشريطة أن تكون خطوة الشبكة صغيرة مقارنة بطول الموجة فسيُنظر إليها على أنّها سطح متصل بواسطة إشارات الراديو، وإذا تم استخدام شبكة فسيتم تقليل مقاومة الرياح وهذا يوفر مزايا ميكانيكية كبيرة.

يتميز الهوائي العاكس المكافئ بقدرته على توفير مستوى كبير من الكسب يمكن استخدامه بشكل جيد خاصةً بالنسبة لترددات الميكروويف حيث يصبح حجم الهوائي لمستوى معين من الكسب قابلاً للإدارة للغاية.

طول تغذية الهوائي العاكس المكافئ:

عند تغذية هوائي عاكس مكافئ من الضروري وضع العنصر المشع عند النقطة المحورية للعاكس، أمّا النقطة المحورية للعاكس المكافئ هي النقطة التي ستتركز فيها جميع الموجات المنعكسة، وإذا تم وضع عنصر الإشعاع للهوائي هنا فسيعمل انعكاس الهوائي بحيث يتم تحقيق أقصى قدر من الكسب والحفاظ على التشغيل الصحيح.

يؤدي الإشعاع الصادر عن عنصر التغذية إلى تدفق تيار في سطح العاكس الموصل والذي بدوره يعيد الإشعاع في الاتجاه المطلوب عمودياً على المستوى المباشر للبارابولويد، كما يمكن أن يكون عنصر التغذية أحد أنواع الهوائيات المتعددة، وأيًا كان النوع المستخدم يجب أن يُظهر اتجاهية تضيء العاكس بكفاءة ويجب أن يكون له الاستقطاب الصحيح للتطبيق أي استقطاب التغذية يحدد استقطاب نظام الهوائي بأكمله.

أبسط تغذية هو ثنائي القطب نصف الموجة والذي يستخدم بشكل شائع عند الترددات المنخفضة وأحياناً بالاقتران مع عاكس طفيلي متقارب أو لوحة دفقة، أمّا عند الترددات العالية يصبح نوع البوق أكثر جدوى وفعالية، ولتكييف البوق مع كبل هوائي متحد المحور يتم استخدام طول الدليل الموجي لإحداث الانتقال.

هناك بعدين للهوائي المكافئ لهما أهمية خاصة وهي الطول البؤري (f) والقطر (D)، حيث عادةً ما تكون إحدى المعلمات المستخدمة لهوائيات مكافئة محددة هي نسبة (f / D) ونظراً لأنّ نسبة (f / D) غالباً ما يتم تحديدها جنباً إلى جنب مع القطر فيمكن الحصول على البعد البؤري بسهولة شديدة عن طريق ضرب نسبة (f / D) في القطر المحدد D.

أنواع التغذية العاكسة المكافئة:

• التغذية البؤرية وتُعرف أيضاً باسم نظام التغذية المحوري أو الأمامي.

• نظام تغذية (Cassegrain).

• نظام تغذية ميلادي.

• خارج المحور أو تغذية الإزاحة.

نظام التغذية البؤري للهوائي العاكس:

يتكون عاكس القطع المكافئ أو هوائي الطبق من عنصر مشع قد يكون هوائي بوق ثنائي القطب أو دليل موجي بسيط حيث يتم وضع هذا في النقطة المحورية للسطح العاكس مكافئ، كما يتم ترتيب الطاقة من العنصر المشع بحيث ينير السطح العاكس، وبمجرد أن تنعكس الطاقة فإنّها تترك نظام الهوائي في شعاع ضيق ونتيجةً لذلك يمكن تحقيق مستويات كبيرة من الربح.

تحقيق ذلك ليس بالأمر السهل دائماً لأنّه يعتمد على المبرد المستخدم، أمّا بالنسبة للترددات المنخفضة فغالباً ما يتم استخدام عنصر ثنائي القطب بينما في الترددات الأعلى يمكن استخدام دليل موجي دائري حيث يوفر الدليل الموجي الدائري أحد أفضل مصادر الإضاءة.