مصفوفة الهوائي Antenna Array

تُعرف الهوائيات الفردية المختلفة التي تم تكوينها لتشكيل مجموعة الهوائي بالعناصر، كما يُعد ترتيب هوائيات متعددة كمصفوفة لتشكيل نظام واحد طريقة شائعة؛ لدمج وتشكيل مشع واحد، حيث يوفر هذا مكاسب توجيهية أكبر.

ما هي مصفوفة الهوائي Antenna Array؟

مصفوفة الهوائي “Antenna Array”: هو عنصر مشع يتكون من ترتيب مختلف الهوائيات الفردية بطريقة متباعدة ومرحلية بشكل صحيح، حيث تعمل كعنصر واحد يتم استخدامه لإرسال موجات التردد اللاسلكي واستقبالها.

كما أنّ الهوائيات في المصفوفة يجب أن تكون متباعدة بشكل صحيح وفي الطور المناسب، بحيث تتم إضافة المساهمة المستقلة لكل هوائي في التكوين في نفس الاتجاه، بينما يتم إلغاؤها في بقية الاتجاهات الأخرى، وهذا يؤدي إلى تحسين التوجيه الذي يقدمه النظام، كما يُشار إلى تكوين الهوائي الذي يتكون من ترتيب العناصر في خط مستقيم على مسافة متساوية من بعضها البعض بمصفوفة هوائي خطي.

وعلاوةً على ذلك، إذا كانت جميع العناصر متحمسة مع تيار من نفس الحجم له تحول طور متزايد باستمرار على طول الخط، فإنّه يُعرف باسم مجموعة خطية موحدة، كما أنّ المجال الكلي الذي يولده النظام على مسافة هو مجموع متجه للحقول التي يولدها كل هوائي في المصفوفة، بينما تعتمد مراحل كل مكون ميداني على التباعد المجاور بين العناصر والاتجاه.

أسباب استخدام مصفوفة الهوائي:

على الرغم من توفر  أنواع مختلفة من الهوائي إلى جانب خصائص إشعاعها، إلّا أنّ هوائياً خطياً صغيراً يوفر مجالاً مشعاً غير منتظم في الاتجاه الطبيعي لمحور الهوائي، ومخطط الإشعاع غير المنتظم المناسب للتطبيقات المتعلقة بالإذاعة، كما توفر الهوائيات ثنائية القطب نمط إشعاع شامل الاتجاهات بينما تم تصميم الهوائيات، مثل البوق والحلزون والفتحة وما إلى ذلك، لتوفير إشعاع ذي طبيعة اتجاهية عالية.

وبالتالي نظراً لتوفير الطاقة المركزة في اتجاه واحد، تشير هذه الأهداف إلى نقطة الاتصال، حيث أنّه مع زيادة المسافة بين المرسل والمستقبل، هناك حاجة إلى اتجاهية عالية، والسبب في ذلك هو زيادة خسارة المسير مع زيادة المسافة، لذلك في حالة وجود مسافة كبيرة إذا كان التوهين مرتفعاً أيضاً، فمن الممكن أن تفشل الإشارة في الوصول إلى الطرف الآخر بالقوة المطلوبة، ومع ذلك في بعض الأحيان يفشل كسب هوائي واحد في توفير إرسال مناسب من خلال التغلب على التوهين، وهذا هو سبب استخدام مصفوفة الهوائي.

أساسيات مصفوفة الهوائي:

صفيف الهوائي عبارة عن مجموعة من الهوائيات “N” مفصولة مكانياً، حيث يمكن أن يكون عدد الهوائيات في المصفوفة صغيراً مثل “2”، أو قد يصل إلى عدة آلاف، كما هو الحال في مرفق رادار المصفوفة المرحلية “AN / FPS-85″، كما يزداد أداء صفيف الهوائي لأي تطبيق يتم استخدامه مع زيادة عدد الهوائيات أي العناصر في المصفوفة، والعيب في ذلك هو زيادة التكلفة والحجم والتعقيد.

مصفوفة الهوائي هي مجموعة من الهوائيات موصولة ومرتبة في هيكل متناسق لتشكيل هوائي واحد لديه القدرة على إنتاج مخططات إشعاع لا تنتجها الهوائيات الفردية، وصفائف الهوائي هي مجموعات من مشعات الخواص للتردد الكهرومغناطيسي والطاقة، حيث أنّها توفر حلاً للمشاكل التي تسببها الهوائيات المفردة، فعلى سبيل المثال يسمح الهوائي ثنائي القطب بتحكم أفضل في الاتجاه من الهوائي المتماثل.

لكن مع زيادة طول ثنائي القطب قد ينخفض ​​اتجاه التحكم، ويمكن استعادة المزيد من التحكم والمرونة بسهولة في اتجاه الحزمة من خلال ترتيب المبرد المتعدد، أمّا في المصفوفة المدفوعة ترتبط العناصر المشعة بمصدر طاقة ولديها خسارة أقل عند مقارنتها بالمصفوفات الطفيلية، ولكنّها لا تزال تحافظ على خصائص الحزمة الضيقة، حيث تُستخدم المصفوفات المُدارة كهوائيات رادار بحث، حيث تكون الحزم الضيقة أقل أهمية عند مقارنتها بخسائر منخفضة.

أمّا عندما يتم ترتيب المصفوفات في خطوط مستقيمة، فإنّها تسمى مصفوفة خطية بينما تحتوي الهوائيات المرتبة في خطوط متوازية على مستوى واحد على مصفوفات مستوية في بعدين، ينتج عن العديد من المستويات في مجموعة الهوائيات مصفوفة ثلاثية الأبعاد، ويؤدي نفس الاتجاه إلى تعزيز شدة المجال الكهربائي ويضمن الاستقطاب في نفس الاتجاه.

كيفية عمل صفيف الهوائي:

إنّ مصفوفات الهوائيات هي مجموعة من عناصر الهوائي المتعددة، وبشكل عام تستخدم المصفوفة متعددة العناصر هوائي نصف موجة ثنائي القطب، ومع ذلك فإنّ الطول ليس في الواقع نصف طول موجي كهربائي، حيث يوجد حوالي “5%” اختلاف في الطول المسموح به؛ لأنّ هذا لا يعيق خصائص الإشعاع للعناصر.

كما أنّ هوائي نصف موجة ثنائي القطب له مخطط إشعاع شامل الاتجاهات، وبالتالي تشع الموجات بزاوية واسعة، لذلك لزيادة قدرة هذه الهوائيات على الإشعاع على وجه التحديد في اتجاه واحد، يتم ترتيبها في شكل مصفوفة، وبالتالي يتم وضع عناصر متعددة بعيداً عن بعضها البعض مع تباعد مناسب ويتم تحفيزها في وقت واحد من خلال تزويد التيار بالطور المناسب.

في مصفوفة الهوائي، إنّ التيارات في العناصر المختلفة تكون في طور إذا وصلت إلى أقصى قيمة عند التدفق في نفس الاتجاه وكذلك في نفس اللحظة الزمنية، ومن ثم عندما يتم تغذية العناصر بتيار الطور المناسب، فإنّ الموجات الكروية من كل عنصر من عناصر المصفوفة تتراكب بسبب التداخل وتولد موجة مستوية، وهي حزمة من الموجة الراديوية، كما أنّ التداخل داخل النظام يمكن أن يكون بنّاءاً أو هدّاماً وهذا يعتمد كلياً على الموجات التي تشعها العناصر.

لذلك إذا كانت الموجات المنبعثة من العناصر في طور، فإنّها تضاف بشكل بنّاء، ممّا يؤدي إلى زيادة القدرة المشعة، بينما إذا كانت الموجات المنبعثة من العناصر الفردية ليست في الطور، فإنّها تضيف بشكل مدمر وبالتالي تلغي بعضها البعض، وهذا يؤدي إلى انخفاض في القدرة المشعة، وبهذه الطريقة تُضاف الإشعاعات المنبعثة من العناصر الموجودة في الطور وتوفر حزمة اتجاهية ذات قوة عالية، ويمكن أن تنتقل إلى مسافات أطول.

لذلك يولد صفيف الهوائي مخطط إشعاع له قسم رئيسي يشير إلى شعاع قوي في اتجاه واحد مع بعض الأقسام الجانبية التي تُظهر انتشار الإشعاع في اتجاه غير مرغوب فيه، كما أنّه مع زيادة عدد عناصر الهوائي يصبح القسم الرئيسي أضيق، وأصغر الإقسام الجانبية تشير إلى زيادة في الكسب الذي يوفره الهوائي.

أنواع مصفوفة الهوائي:

• مصفوفة طفيلية “Parasitic Array”.

• مصفوفة خطية “Collinear Array”.

• المصفوفة العريضة “Broadside Array”.

• مصفوفة نهاية النار “End-Fire Array”.

مزايا مصفوفة الهوائي:

• يوفر توجيهية عالية، كما يمكن تغيير الاتجاه باختيار عدد مناسب من العناصر وفقاً للحاجة.

• تزيد قوة الإشارة المرسلة بشكل كبير.

• إنّه يوفر توجيه شعاع إلكترونياً، وبالتالي يمكن تغيير اتجاه الحزمة من نقطة إلى أخرى.

• يوفر إشارة أفضل لنسبة الضوضاء.

• مع تطبيق المدخلات غير المنتظمة على كل عنصر، يمكن تشكيل مخطط الإشعاع وفقاً للمتطلبات.

• يدعم تصميم مجموعة الهوائي أداءً أفضل للهوائي.

عيوب مصفوفة الهوائي:

• نظراً لتكوين عدد كبير من الهوائيات، فإنّ هيكل مجموعة الهوائي كبير، وبالتالي يحتاج إلى مساحة كبيرة.

• إنّ ضخامة مجموعة الهوائي تجعل صيانتها صعبة إلى حد ما.

• في المصفوفة، هناك خسائر مقاومة متزايدة.

تطبيقات مصفوفة الهوائي:

تجد هذه التطبيقات الرئيسية في مجال الاتصالات، حيث تكون هناك حاجة إلى قوة إشارة عالية للإرسال والاستقبال لمسافات طويلة، وبالتالي تُستخدم عموماً في الاتصالات الساتليةواللاسلكية جنباً إلى جنب مع التطبيقات العسكرية والرادارية بالإضافة إلى الدراسات الفلكية.