معاوقة الهوائي Antenna Impedance

ترتبط معاوقة الهوائي بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية ويتم تعريفها عند النقطة الطرفية لنظام الهوائي على أنّها نسبة الجهد أو التيار عبر طرف معين، كما أنّ معاوقة الهوائي هي معلمة حاسمة لنظام الهوائي، حيث تُستخدم خطوط النقل لتغذية الهوائيات.

ما هي معاوقة الهوائي Antenna Impedance؟

إنّ الهوائي مصمم لدمج المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي لتوليد الجهد والتيار الذي يشغل الجهاز الكهربائي، لذلك من أجل الحصول على كميات المجال والدائرة المطلوبة، يجب مراعاة انتقال المجال إلى الدائرة فيما يتعلق بمعاوقة بشكل صحيح، وبشكل أساسي تُظهر معاوقة الهوائي الاعتماد على عوامل مثل تردد التشغيل وطريقة التغذية والتوجه الهندسي جنباً إلى جنب مع تأثيرات الكائنات المحيطة.

تكون معاوقة الهوائي من حيث المجالات الكهربائية والمغناطيسية تُعرَّف على أنّها نسبة المجال الكهربائي إلى المجال المغناطيسي عند نقاط محددة، حيث من الضروري معرفة معاوقة النقطة التي سيتم توصيل خط النقل فيها، وهذا لأنّ الهوائي يمكن أن يرسل أو يستقبل بشكل أحادي، ولكن لنقل الحد الأقصى من القدرة المتاحة أو لاستقبال القدرة المرسلة بالفعل يكون للممانعة دوراً حاسماً ويجب أن تكون معروفة بالضرورة.

طرق حساب معاوقة الهوائي:

يتم استخدام طريقة القيمة الحدودية في الغالب لحساب المعاوقة، ومع ذلك تتوفر هناك عدة طرق هي:

أولاً: طريقة قيمة الحدود:

في طريقة الحدود، يتم الحصول على الممانعة من خلال تطبيق شروط الحدود التي تمثل عدم وجود مكون المجال الكهربائي العرضي عند سطح التوصيل، وهذا يحدد نسبة “emf” المطبقة إلى تلك الخاصة بالمقاومة الحالية.

ثانياً: طريقة ناقلات “Poynting”:

بينما في طريقة “Poynting vector”، يتم دمج متجه “Poynting”، أي كثافة القدرة على سطح مغلق وبشكل عام كرة ذات نصف قطر كبير للغاية “R”، حيث يجب أن تكون “R” أكبر من أو تساوي ” 2L²/λ” حيث تمثل “L” البعد الأكبر من الهوائي الذي يعتبر.

ثالثاً: طريقة خط الإرسال:

في طريقة خط الإرسال، يُفترض أن يكون الهوائي خط إرسال وهذه الطريقة هي الأكثر ملاءمة عند تطبيقها على الهوائيات ثنائية الأقطاب، لذلك من خلال استخدام أي طريقة معطاة عند حساب تدفق القدرة المشعة بالفعل باستخدام العلاقات الأساسية، يتم تحديد الممانعات الذاتية والممانعة المتبادلة.

المعاوقة الذاتية في مقاومة الهوائي:

تعتبر مقاومة الهوائي ذات أهمية كبيرة عند النقطة التي سيتم فيها توصيل خط النقل، ونظراً لأنّ خط النقل يحمل طاقة التردد اللاسلكي ويتم توصيله عند طرف الإدخال للهوائي، يُقال إنّه معاوقة إدخال الهوائي، ويُعرف أيضاً باسم معاوقة نقطة التغذية، حيث يتم تغذية الهوائي في هذه النقطة بالذات، كما يطلق عليه اسم آخر هو معاوقة نقطة القيادة، وذلك بسبب توصيل خط النقل الذي يحمل طاقة التردد اللاسلكي التي تدفع الهوائي في هذه النقطة بالذات.

قد يكون هذا هو الإرسال أو الاستقبال، ولكن يجب أن يكون خط النقل بحيث يجب أن يوفر الحد الأقصى من الطاقة من المرسل إلى الهوائي، أو يجب أن يستخرج الطاقة القصوى من الهوائي لتزويده بالمستقبل، وبالتالي فإنّ المعاوقة النهائية لها أهمية كبيرة، كما يمثل الشكل التالي معاوقة الهوائي لخط النقل باستخدام الشبكة ذات المطرافين:

حيث يتم استبدال النظام بأكمله بمعاوقة مكافئة “Z L” كما هو موضح أدناه:

لذلك، عندما يُعتقد أنّه لا يوجد فقد للحرارة مرتبط به ويتم وضعه بعيداً عن الأرض والأشياء الأخرى، فإنّ الممانعة الطرفية “Z L” ستكون مساوية للمقاومة الذاتية “Z 11” للهوائي، وفي هذه الحالة سيتم إعطاء المعاوقة الذاتية على النحو التالي:

Z11= R11 + jX11

حيث أنّ “R 11” تُشير إلى مقاومة الإشعاع، ويمثل “X 11″ التفاعل الذاتي، أمّا في حالة الهوائي الرقيق ذو نصف الموجة الخطي المغذي، يتم إعطاؤه على النحو التالي”

Z11= 73 + j42. 45 ohm

حيث أنّ المعاوقة الذاتية هي كمية معقدة، حيث تكون مقاومة الإشعاع أو المعاوقة الذاتية حقيقية بينما التفاعل الذاتي هو الجزء التخيلي، أمّا بالنسبة لنفس التكوين عندما يُعتقد أنّه تم وضعه بالقرب من أي كائن، فسيتم تعديل المعاوقة الطرفية، هذا لأنّه سيكون هناك الآن بعض التيار في العناصر النشطة القريبة التي ستؤدي إلى إحداث الحث المتبادل، وبالتالي فإنّ المعاوقة الذاتية هي مقاومة المدخلات للهوائي في غياب جميع العناصر الأخرى، كما أنّ المعاوقة الذاتية للهوائي تكون دائماً إيجابية، ويشبه أيضاً خصائص الإرسال والاستقبال للهوائي.

ما هي المعاوقة المتبادلة في الهوائي؟

المعاوقة المتبادلة في الدائرة: هي النسبة السالبة للجهد المستحث في دائرة واحدة أولى إلى التيار المتدفق في دائرة أخرى ثانية، حيث يرجع الجهد المستحث إلى تدفق التيار في الدائرة الثانية وهي الدائرة المغلقة الوحيدة الدائرة بينما الآخر مفتوح.

وبالتالي، يمكن كتابة المعاوقة المتبادلة على النحو التالي:

Z12 =V12/I12

حيث يشير هذا إلى الجهد المستحث في الدائرة “1” أي الأولية والمفتوحة، بسبب تدفق التيار في دائرة الحلقة المغلقة “2” أي الثانوية والمغلقة، كما أنّ “V 12” يمثل الجهد في الدائرة “1” بسبب التيار في الدائرة 2، وبالنسبة للحالة العكسية كما هو موضح أدناه:

يستحث التيار المتدفق في الدائرة 1 جهداً في الدائرة 2 وهكذا، لهذا ستعمل الدائرة 1 كدائرة أولية مغلقة بينما الدائرة 2 ستكون ثانوية ولكنها مفتوحة الدائرة، ومن ثم ستكون المعاوقة المتبادلة:

Z21 = V21 / I21

حيث يمثل “V 21” الجهد في الدائرة 2 بسبب تدفق التيار في الدائرة “1”، ووفقاً لنظرية المعاملة بالمثل فإنّ الممانعين المتبادلين متساويان، أي أنّ:

Z12 = – V12/I2 =Z21 =-V21/I1 =Zm

Zm= V12/I2 = V21/I1

وبعد ذلك من خلال معرفة “V 12″ و”I 2” أو “V 21″ و”I 1” يمكن حساب “Z m”، لذلك على غرار الدوائر المقترنة، يمكن أيضاً اقتران هوائيات متعددة ويمكن أن تشكل مجموعة هوائي، ولكن في حالة صفيف الهوائي لا تعتمد معاوقة الإدخال على المعاوقة الذاتية للهوائي الفردي فحسب، بل تعتمد أيضاً على المعاوقة المتبادلة للهوائيات الأخرى، وكما تظهر المعاوقة المتبادلة الاعتماد على:

• علاقة الطور الحالية بين المستحث والتيار الأصلي.

• قيمة حجم التيار المستحث في الدائرة.

• شروط ضبط الهوائيات الثانوية.

ملاحظة: في المعاوقة المتبادلة يُقال أنّ حجم التيار المستحث بسبب الاقتران يكون الحد الأقصى عندما يتم وضع الدوائر عن كثب في اتجاه متوازي، وهذا يقلل مع زيادة مسافة الفصل.

العلاقة بين نسبة VSWR وممانعة الهوائي:

إنّ ممانعة الهوائي مهمة لتقليل خسارة عدم تطابق المقاومة، حيث لن يشع الهوائي المطابق جيداً القدرة، ويمكن التخفيف من هذا إلى حد ما عن طريق مطابقة المعاوقة، على الرغم من أنّ هذا لا يعمل دائماً عبر نطاق ترددي كافٍ، ويُعرف المقياس الشائع لمدى توافق الهوائي مع خط النقل أو المستقبل باسم نسبة الموجة الدائمة للجهد “VSWR”، وهو رقم حقيقي دائماً أكبر من أو يساوي 1.

يُشير “VSWR” بقيمة 1 إلى عدم وجود خسارة عدم تطابق أي الهوائي مطابق تماماً لخط الإرسال، كما تشير القيم الأعلى لـ “VSWR” إلى المزيد من فقدان عدم التطابق، وكمثال على قيم “VSWR” الشائعة تشير “VSWR” البالغة “3.0” إلى أنّ حوالي “75%” من القدرة يتم توصيلها للهوائي، أي “1.25 ديسيبل” من خسارة عدم التطابق، كما تُشير “VSWR” البالغة “7.0” إلى أنّ “44%” من القدرة يتم تسليمها للهوائي، أي “3.6 ديسيبل” من خسارة عدم التطابق، كما يُعد “VSWR” البالغ “6” أو أكثر مرتفعاً جداً وسيحتاج عموماُ إلى التحسين.

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