نمط الإشعاع ثنائي القطب - Dipole Radiation Pattern

يُعد مخطط إشعاع الهوائي ثنائي القطب ذا أهمية خاصة لأسباب عديدة لأنّه يحتاج إلى توجيهه بحيث يلتقط المستوى الأقصى للإشارة أو يشع أكبر قدر من الإشارة في الاتجاه المطلوب، كما يعكس مخطط الإشعاع مقدار القدرة المشعة من ثنائي القطب في أي اتجاه معين، ونظراً لأنّ أداء الهوائي هو نفسه في الإرسال والاستقبال، فإنّه يعكس أيضاً حساسية الهوائي في اتجاهات مختلفة.

نمط الإشعاع والمخطط القطبي في الهوائي ثنائي القطب:

نظراً لأنّ الأداء الاتجاهي للهوائي هو نفسه في الإرسال والاستقبال، فلا يهم الأسلوب الذي يتم قياسه لإنتاج مخطط لمخطط الإشعاع، ونظراً لأنّه من الأسهل إجراء قياسات بالقدرة المرسلة من الهوائي بقياسات شدة الإشارة المستقبلة حوله فهذه هي الطريقة المعتمدة، حيث يمكن رسم مخطط إشعاع أي هوائي، وكما تم رسم هذا على مخطط قطبي.

المخطط القطبي (polar diagram): هو مخطط يشير إلى حجم الاستجابة في أي اتجاه وفي وسط الرسم البياني توجد نقطة يشار إليها بالأصل، وهذا محاط بمنحنى نصف قطره في أي نقطة معينة يتناسب مع حجم الخاصية المقاسة في اتجاه تلك النقطة، حيث تُستخدم المخططات القطبية لرسم أنماط إشعاع الهوائيات بالإضافة إلى تطبيقات أخرى مثل قياس حساسية الميكروفونات في اتجاهات مختلفة.

يُؤخذ نمط الإشعاع الموضح في الرسم البياني القطبي على أنّه نمط المستوى الذي يرسم فيه الرسم البياني نفسه، أمّا بالنسبة لثنائي القطب فمن الممكن النظر إلى كلٍ من طول محور الهوائي وكذلك الزوايا القائمة عليه حيث عادةً ما تكون هذه إمّا طائرات عمودية أو أفقية.

تتمثل إحدى الحقائق الأساسية حول مخططات إشعاع الهوائي والمخططات القطبية في أنّ مخطط الاستقبال أي حساسية الاستقبال كدالة للاتجاه، ومطابق لمخطط إشعاع المجال البعيد للهوائي عند استخدامه للإرسال، كما ينتج هذا من نظرية المعاملة بالمثل في الكهرومغناطيسية ووفقاً لمخططات الإشعاع يمكن اعتبار الهوائي إمّا إرسال أو استقبال أي حسب أيهما أكثر ملاءمة.

نمط إشعاع نصف موجة ثنائي القطب:

يوضح المخطط القطبي لمخطط الإشعاع لهوائي ثنائي القطب نصف موجة أنّ اتجاه الحد الأقصى للإشعاع أو الحساسية يقع عند الزوايا اليمنى لمحور هوائي التردد الراديوي، حيث ينخفض ​​الإشعاع إلى الصفر على طول محور هوائي التردد اللاسلكي كما هو متوقع، أمّا في مخطط ثلاثي الأبعاد يغلف مخطط الإشعاع لنقاط ذات كثافة إشعاع متساوية لشكل دائري مع مرور محور الهوائي عبر الفتحة وسط الدائرة.

أنماط الإشعاع لثنائيات أقطاب متعددة نصف طول الموجة:

لا يلزم بالضرورة أن يكون الهوائي ثنائي القطب بطول نصف موجة حيث كثيراً ما تستخدم أطوال أخرى لثنائيات القطب، كما يتغير مخطط الإشعاع مع طول الهوائي ومع زيادة الطول بما يتناسب مع الطول الموجي، حيث يزداد عدد النقاط الرئيسية للإشعاع الأقصى وتتحرك للخارج بمحاذاة محور الهوائي.

الهوائي ثنائي القطب مقلوب V لراديو الهواة HF:

الهوائي ثنائي القطب V المقلوب: هو شكل من أشكال ثنائي القطب على شكل (V) والذي تم عكسه بدلاً من وجود دعمين رئيسيين أحدهما لأي طرف وكلاهما يجب أن يكون مرتفعاً قدر الإمكان، ويستخدم (V) المقلوب دعمه الرئيسي العالي في المنتصف مع وجود نهايات ذات دعامات منخفضة أو نقاط تثبيت.

يمكن أن يُشكل ثنائي القطب (V) المقلوب نظام هوائي فعال للاستخدام في نطاقات راديو الهواة (HF) أو لتطبيقات أخرى في العديد من الظروف، وميزة (V) المقلوبة هي أنّها تتطلب دعماً واحداً عالياً بينما لا تزال تحقق مستوى عالٍ من الأداء أي الفرق بين (V) المقلوب مع مركزه على نفس الارتفاع مثل ثنائي القطب الأفقي هامشي للغاية، وفي معظم الحالات يكون الفرق في الأداء قد لا يكون قابلاً للاكتشاف.

عادةً ما يتم استخدام ثنائي القطب (V) المقلوب لتشغيل (HF) حيث تظهر مزايا الدعم الفردي على هذه الترددات، كما يحتوي الهوائي ثنائي القطب المقلوب على عدد من المزايا أحدهما هو أنّ الحد الأقصى للإشعاع من أي هوائي يأتي من نقاط تيار (RF) العالي وأنّ نصف الموجة ثنائية القطب لها هذا الحد الأقصى في مركزها ولعدة أقدام على جانبي توصيلات التغذية لذلك من الأفضل جعل مركز ثنائي القطب على أعلى مستوى ممكن.

إذا كان من الممكن الحصول على دعم واحد عالٍ فمن الواضح أنّ ترتيب (V) المقلوب مثالي، وبهذه الطريقة يمكن استخدام صاري واحد مرتفع إلى حد ما في وسط حديقة أو قطعة أرض في الأماكن التي يصعب فيها تركيب زوج من الدعامات المتشابهة بأسلاك الشد المصاحبة، كما قد يكون الصاري المثبت على السقف أو المدخنة بمثابة الدعم المركزي لـ (V)، ويمكن بعد ذلك أن ينزل طرفي ثنائي القطب على جانبي المنزل أو سقف طابق واحد حيث يسمح تركيب المدخنة هذا بإسقاط وحدة التغذية في الكوخ بسهولة تامة إذا كانت موجودة في المنزل.

أداء ثنائي القطب المقلوب V:

على الرغم من أنّ (V) المقلوب لديه أكبر درجة من الإشعاع عند الزوايا اليمنى لمحور الهوائي، إلّا أنّ مخطط إشعاعه شامل الاتجاهات أكثر من مخطط ثنائي القطب الأفقي نتيجةً لحقيقة أنّ الأرجل مائلة إلى الأسفل، حيث يتمتع المقلوب (V) بسمعة ممتازة للاتصال لمسافات طويلة على نطاقات الهواة ذات التردد المنخفض حيث لا يكون تركيب أعمدة رأسية كبيرة أو ثنائيات أقطاب أفقية عالية عملياً.

فعلى سبيل المثال، أداء ثنائي القطب (V) المقلوب جيد جداً عند الترددات المنخفضة وسيعطي نتائج جيدة على نطاق راديو هام (3.5 ميجا هرتز) عندما يبلغ ارتفاع الصاري حوالي (14 متراً) أو (45 قدماً) فقط، وهذا يجعلها اقتراحاً جذاباً للغاية للعديد من محطات الراديو للهواة، وبالمثل تعمل الهوائيات المقلوبة ثنائية القطب (V) للنطاقات الأخرى بشكل جيد.

بناء ثنائي القطب V مقلوب لراديو الهواة:

بناء ثنائي القطب (V) المقلوب يشبه إلى حد كبير بناء ثنائي القطب القياسي حيث هناك عدة عناصر لتركيب وتثبيت ثنائي القطب (V) المقلوب.

1. الصاري – Mast:

أحد المتطلبات الرئيسية للتركيب ثنائي القطب المقلوب هو الصاري حيث يجب أن يكون هذا قوياً ومثبتاً بإحكام في الأرض، وإذا كان البناء معدنياً فيُقترح توفير اتصال أرضي جيد حيث يجب تثبيت بكرة في الجزء العلوي للسماح برفع الهوائي ثنائي القطب المقلوب بسهولة

2. نقاط الربط النهائية – End anchor points:

عند بناء ثنائي القطب (V) المقلوب وإقامته فيجب مراعاة نقاط الربط للطرفين، كما يجب تحديد موقعها بحيث لا تشكل خطراً على أي شخص في المنطقة، ويجب أيضاً أن تكون موجودة بحيث تكون أطراف سلك الهوائي بعيدة المنال، بالإضافة إلى ذلك يجب أن تتيح نقاط الربط المقلوبة على شكل (V) للأسلاك إمكانية عرض زاوية أكبر من (90 درجة) عند أعلى نقطة مركزية.

3. سلك الهوائي – Antenna wire:

يجب أن يكون سلك الهوائي من نوعية مناسبة للاستخدام الخارجي، ومن الناحية المثالية يتم سحب الأسلاك النحاسية بقوة بحيث لا يتمدد ويمكن أن تكون مفردة أو متعددة السلاسل.

4. مركز ثنائي القطب – Dipole center:

مثل أي ثنائي القطب يجب أن تكون هناك قطعة مركزية، كما يتطلب مركز ثنائي القطب توصيل وحدة التغذية المحورية أو ذات السلك المفتوح به، وفي حين أنّه قد يكون من المغري توصيل وحدة التغذية والسماح لها بأخذ الإجهاد، إلّا أنّ هذا ليس مرضياً بشكل خاص عندما يكون هناك انخفاض طويل للمغذي أي يجب استخدام مركز ثنائي القطب.

كما يؤدي ذلك إلى تحمل الضغط الناجم عن التوتر على السلك وبالتالي تجنب تلف وحدة التغذية على مدار فترة زمنية، وسيوفر مركز ثنائي القطب أيضاً وسيلة لربط حبل لتمكين نظام البكرة من رفع مركز الهوائي، كما يجب استخدام مركز عالي الجودة كلما أمكن ذلك.

اعتبارات تركيب ثنائي القطب المقلوب:

عند التفكير في إقامة ثنائي القطب (V) معكوس فهناك عدد من الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند التخطيط لها:

1. الزاوية بين الأرجل ثنائية القطب – Angle between dipole legs:

يجب أن تكون الزاوية بين الأسلاك المنحدرة (90 درجة) على الأقل ويفضل (120 درجة أو أكثر)، حيث تحدد هذه الزاوية ارتفاع مركز الدعم وكذلك طول الأرض اللازمة لاستيعاب الهوائي، فعلى سبيل المثال عند تصميمه لنطاق (3.5 ميجا هرتز) سيحتاج حرف (V المقلوب) إلى دعم مركزي لا يقل ارتفاعه عن (14 متراً أي 45 قدماً) وطول حديقة يبلغ حوالي (34 متراً أي 110 قدماً).

وعلى النقيض من ذلك يحتاج ثنائي القطب الأفقي إلى ما لا يقل عن (40 متراً) من الحديقة وهذا يتجاهل مراعاة الشدّادات الموجودة في مؤخرة الصواري الطرفية، كما يُعتبر المقلوب (V) مثالياً للتشغيل المحمول لأنّ واحداً للتشغيل على (20 متراً أي 14 ميجاهرتز) يحتاج فقط إلى عمود خفيف الوزن يبلغ (5 أمتار أي 15 قدماً) ليحمل مركزه.

2. تحتاج الأبعاد إلى التعديل – Dimensions need adjusting:

يتسبب انحدار الأسلاك ثنائية القطب في تقليل تردد الرنين لطول ثنائي القطب، لذلك يجب طرح حوالي (5%) من أبعاد ثنائية القطب القياسية، ومع ذلك كما هو الحال مع ثنائي القطب العادي من الأفضل دائماً البدء بـ (V) المقلوب قليلاً جداً من السجل وتقليمه للعمل بأفضل أداء في مناطق النطاق الأكثر استخداماً، كما يجب قطع نفس الكمية من كل طرف بحيث يبقى ثنائي القطب مغذياً في المنتصف ولا يوجد خلل.

3. قياس الطول – Length measurement:

تذكر عند قطع سلك الهوائي أنّ الطول الكهربائي يقاس من مركز القطعة المركزية ثنائية القطب للهوائي إلى أقصى طرف في السلك، وأي سلك يستخدم للثني للخلف حول العازل لا يساهم في الطول الكهربائي، ولكن يجب مراعاته عند قطع طول السلك المادي حيث يجب عمل بدل للقطعة المركزية ثنائية القطب أيضاً.

4. مقاومة الإشعاع – Radiation resistance:

ينشأ عن انحدار الأسلاك ثنائية القطب هي التغيير في مقاومة الإشعاع، حيث تنخفض مقاومة التغذية المركزية لثنائي القطب (V) المقلوب من (75 أوم) الاسمي لثنائي القطب الأفقي إلى (50 أوم) فقط، وهذا بالطبع مثالي لمطابقة الهوائي مع كابل محوري ذو مقاومة (50 أوم) قياسي.

5. عرض النطاق الترددي – Bandwidth:

يحتوي الهوائي ثنائي القطب المقلوب على (Q) أعلى من ثنائي القطب البسيط، لذلك يميل إلى عرض نطاق ترددي أضيق.

هل ينصح بالسماح بنهايات V المقلوبة بالقرب من الأرض؟

لا يُنصح بالسماح بنهايات (V) المقلوبة بالقرب من الأرض أكثر من حوالي (3 أمتار) أو حوالي (10 أقدام) حتى في نطاقات التردد الأعلى؛ لأنّه يمكن أن يكون هناك احتمال خطر على الأشخاص وخاصة الأطفال أو الحيوانات الذين يلامسون نهايات السلك والتي ستكون ذات إمكانية تردد لاسلكي عالية عند تنشيطها، وعلى الرغم من أنّه من غير المحتمل أن تكون قاتلة إلّا أنّها قد تؤدي إلى صدمة سيئة أو حرق (RF).

يوصى بالتغذية المحورية مع حرف (V مقلوب) ويمكن استخدام أنواع الكابلات الأثقل منخفضة الخسارة للاستفادة منها؛ لأنّه لا توجد مشاكل ترهل عندما يتم تثبيت وحدة التغذية في الجزء العلوي وأسفل طول الصاري، حيث لن تفرض وحدة التغذية أي ضغط على الهوائي أو الوصلات الملحومة عند نقطة التغذية الخاصة بها، وكما هو الحال مع ثنائي القطب الأفقي العادي يمكن استخدام (balun) على الرغم من أنّها قد تعمل بشكل مرض بدونها.