معايير الهوائي Antenna Need and Parameters

تُعتبر الهوائيات جزءاً أساسياً من نظام الاتصال اللاسلكي، حيث أنّ الهوائي هو جهاز يغير إشارة التردد اللاسلكي إلى موجة كهرومغناطيسية مكافئة، وبحيث يمكن نقلها إلى مساحة خالية، كما أنّ الهوائيات مطلوبة في وقت الإرسال والاستقبال، وبالتالي يحتاج اتصال الموجات الراديوية إلى هوائيات إرسال واستقبال.

مبدأ عمل الهوائيات:

في نظام الاتصالات، يقوم هوائي الإرسال بتحويل الإشارة الكهربائية إلى موجات راديو وإرسالها إلى جهاز الاستقبال ويستقبل هوائي الاستقبال موجات الراديو ويولد إشارة كهربائية مكافئة، وبعد ذلك يتم توفير هذه الإشارة الكهربائية لخط النقل، وبالتالي يمكن أن يخدم دور عنصر انتقالي بين المساحة الحرة وخط النقل “كجهاز التوجيه”.

كما تُعتبر الهوائيات عبارة عن محولات تعمل على تغيير الإشارة الكهربائية “RF” إلى موجة كهرومغناطيسية ذات تردد مماثل، حيث يوضح الشكل التالي إرسال واستقبال موجات الراديو في الفضاء الحر:

تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية المنبعثة من الهوائيات في الفضاء الحر بسرعة الضوء “3 * 10 ⁸ م/ث”.

ملاحظة:“RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

أسباب استخدام الهوائي:

إنّ الهوائيات تُعتبر لبنة البناء الأساسية لنظام الاتصالات اللاسلكية، ونظراً لأنّ الإشارة في الفضاء الحر تنتشر في شكل موجة كهرومغناطيسية، فإنّها تتطلب بعضاً من طرفي الإرسال والاستقبال.

لذلك، يسمح الهوائي بانتشار الموجات الكهرومغناطيسية من طرف إلى آخر، حيث في شكل “EMW” دون الحاجة إلى نظام الأسلاك، كما إنّه يعمل كمحول للطاقة يحول إشارة التردد اللاسلكي إلى موجة كهرومغناطيسية عند جهاز الإرسال وموجة كهرومغناطيسية تعود إلى إشارة كهربائية في المستقبل، كما تقوم الهوائيات بذلك عن طريق إنتاج مجال كهربائي ومغناطيسي من الإشارة المطبقة، ويشكل المجالان معًا موجة كهرومغناطيسية، حيث يظهر الحقلين عمودية فيما يتعلق ببعضهما البعض، لذلك فإنّ:

EH = 0

في حياتنا اليومية، يتم استخدام الاتصالات اللاسلكية بانتظام، ونظراً لأنّه يتضمن إشارات تصل إلى التلفاز لمشاهدة العديد من البرامج للتواصل مع أي شخص على شبكة الهاتف المحمول، فكل شيء مرتبط بالاتصال اللاسلكي، هكذا يحمل الهوائي الحاجة.

ملاحظة:“EMW” هي اختصار لـ “Electromagnetic Wave”.

وظائف الهوائيات:

أولاً: محول الطاقة:

يعمل كمحول للطاقة حيث يقوم بتحويل شكل واحد من أشكال الطاقة إلى شكل مختلف.

كما هو الحال في نهاية الإرسال، يتم تحويل الإشارة الكهربائية إلى موجة راديوية ويتحول الطرف المتلقي لموجات الراديو إلى شكل كهربائي.

ثانياً: جهاز مطابقة الممانعة:

يقوم بمهمة جهاز مطابقة المعاوقة، حيث أنّ الهوائيات الموجودة في الطرفين متطابقة تماماً، كما يتم ذلك لضمان إمكانية استقبال الإشارة المرسلة بالكامل دون انعكاسات كثيرة، كما يوضح هذا أنّ الحد الأقصى من الطاقة المرسلة يتم نقله عند التحميل.

ثالثاً: الرادياتير والمستشعر:

يعمل هوائيا الإرسال والاستقبال كمشعات ومستشعرات للموجات الكهرومغناطيسية على التوالي، كما يشع هوائي الإرسال الموجة الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر، بينما يستشعر هوائي الاستقبال وجود موجة كهرومغناطيسية في الفضاء ويجمعها.

رابعاً: التوصيل:

ميزة مهمة أخرى تمتلكها الهوائيات هي التوصيل، حيث يعمل كمقرن بين الجهاز الذي يولد إشارة التردد اللاسلكي والمساحة الخالية وخطوط النقل.

آلية الإشعاع في الهوائي:

يعتبر الهوائي عموماً مزيجاً من مختلف الموصلات القصيرة، حيث أنّ هوائي الإرسال عندما يتم تزويده بإشارة كهربائية “RF”، تبدأ الشحنات الموجودة في الموصل بحركة متوازنة، وهذا يسبب تراكم التذبذبات داخل الهوائي، كما تؤدي هذه التغييرات المتكررة في الشحنات إلى توليد المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

عندما يتم توفير تيار كهربائي للموصل، فإنّ الشحنات الموجودة في الموصلات تخضع لحركة ذهاباً وإياباً وهذا يؤدي إلى توليد المجال الكهربائي والمغناطيسي الذي ينتج بالتالي إشعاعاً كهرومغناطيسياً على شكل موجات راديو، وبهذه الطريقة تنتشر الاضطرابات من الهوائي في الفضاء الحر، كما ينتشر هذا الإشعاع الكهرومغناطيسي بسرعة الضوء ويستقبله الهوائي الموجود عند الطرف المستقبل.

عندما تصل الموجة الكهرمغنطيسية إلى هوائي الاستقبال، فإنّها تهيئ الحركة في الشحنات الموجودة في الموصل، وبالتالي فإنّ الشحنات المتحركة تولد تياراً داخل الموصل، ومن ثم فإنّ إشارة التردد الراديوي المقدمة أصلاً إلى هوائي الإرسال يتم تحقيقها بواسطة هوائي الاستقبال، وتعطى كذلك للوسائط الموجهة.

خصائص الهوائي:

أولاً: نمط الإشعاع:

من المستحيل تقريباً إشعاع كمية متساوية من الطاقة في جميع الاتجاهات لأي هوائي عملي، ونظراً لأنّ الطاقة المنبعثة من الهوائي تشع بشكل خاص الحد الأقصى في اتجاه واحد والحد الأدنى في اتجاهات أخرى، لذلك يتم قياسها من حيث شدة المجال، كما تحدد شدة المجال الإشعاع المحقق عند نقطة معينة على مسافة معينة من الهوائي.

وبالتالي يمكن تحديده من خلال نسبة الفولتية بين النقطتين على خطوط القوة الكهربائية ومسافة الفصل بين هاتين النقطتين، وبالتالي فإن وحدتها هي فولت لكل متر، كما يظهر مخطط الإشعاع أهمية كبيرة؛ لأنّه يساعد في تحديد الطاقة المشعة في الفضاء.

ثانياً: شدة الإشعاع:

على عكس مخطط الإشعاع، لا تظهر شدة الإشعاع تبعية مع المسافة بين هوائي الإرسال والاستقبال كما تُعطى شدة الإشعاع على أنّها القدرة لكل وحدة زاوية صلبة، وبالتالي فإنّ وحدتها هي “واط / ستيراديان” أي “W / sr”.

ثالثاً: الاتجاهية:

إنّ الهوائيات ذات طبيعة متجانسة إذا كانت لديها ميل لإشعاع الطاقة اتجاهياً، أي بالتساوي في جميع الاتجاهات، لكن هوائيات الخواص عملياً لا وجود لها، حيث إذا تم اعتبار هوائي متاحٍ نظرياً، فيجب أن تنتشر الطاقة التي يشعها بالتساوي في اتجاهات مختلفة، وبالتالي سيتم إعطاء متوسط ​​الطاقة على النحو التالي:

P avg = P rad / A π r² W /m ²

يُعرّف الكسب التوجيهي للهوائي من حيث نسبة كثافة القدرة إلى القدرة التي يشعها الهوائي في المتوسط.

رابعاً: ممانعة الإدخال:

مطابقة الممانعة هي إحدى أهم خصائص الهوائي، ومن أجل ضمان النقل الأقصى للطاقة من الهوائي إلى خط النقل، يجب أن يكون دخل الهوائي مطابقاً تماماً لإدخال الوسائط الموجهة.

خامساً: كفاءة الإشعاع وكسب الطاقة:

تتكون الهوائيات من موصلات ذات موصلية محدودة، وبالتالي ترتبط خسائر معينة بها والتي يطلق عليها عموماً خسائر أوم، لذلك تُعرّف الكفاءة بأنّها نسبة القدرة التي يشعها الهوائي إلى قدرة الدخل المطبقة فعلاً على الهوائي.

η r = P rad / P in

وعند النظر في الخسائر المرتبطة بالهوائي ستكون قدرة الإدخال الإجمالية هي مجموع القدرة المشعة وخسارة القدرة، وبالتالي سيتم إعطاء الكفاءة على النحو التالي:

P avg = P rad / (P rad + P loss)

ومن ثم يُعطى كسب القدرة على أنّه القدرة التي يشعها الهوائي في اتجاه معين إلى قدرة الدخل المطبقة أصلاً على الهوائي.

سادساً: عرض النطاق الترددي:

يحدد النطاق الترددي مدى التردد الذي لا تظهر فيه خصائص الهوائي اختلافًا عن قيمة معينة محددة.

سابعاً: الطول الفعال:

يُحدد الطول الفعال للهوائي على أنّه طول الهوائيات الخطية التخيلية التي لها توزيع منتظم للتيار مع مجال بعيد مماثل في مستوى “π / 2”.

ثامناً: الفتحة الفعالة:

تُعرف أيضاً باسم المنطقة النشطة وتشكل علاقة مع هوائي الاستقبال، حيث يتم تعريف الفتحة الفعالة على أنّها القدرة على جمع الطاقة الكهرومغناطيسية من الفضاء.

تطبيقات الهوائي:

نظراً لأنّ الهوائيات هي أساس الاتصالات اللاسلكية، فإن لديها العديد من التطبيقات اليومية، حيث يتم استخدامها في نقل الإشارات الإذاعية والتلفزيونية جنباً إلى جنب مع نظام تحديد المواقع العالمي ونظام الملاحة، كما تستخدم الهوائيات في الاتصالات الساتليةوالاستشعار عن بعد، والتطبيقات الطبية الحيوية أيضاً.