نمط الإشعاع للهوائي Radiation Pattern of Antenna

يوضح نمط الإشعاع للهوائي توزيع الطاقة التي يشعها الهوائي في الفضاء، حيث إنّ مخطط الإشعاع هو تتبع يتوافق مع خصائص إشعاع الهوائي في إحداثيات الفضاء، أي فيما يتعلق بالزاوية والمسافة، كما إنّها طريقة رسومية لعرض الإشعاع الصادر من الهوائي كدالة للاتجاه وتُعرف أيضًا باسم نمط قوة المجال.

ما هو نمط الإشعاع للهوائي Radiation Pattern of Antenna؟

نمط الإشعاع للهوائي: هو توزيع الطاقة التي يشعها الهوائي بشكل غير منتظم، حيث تُقاس الطاقة التي يشعها الهوائي في اتجاه معين بالنسبة لشدة المجال عند نقطة معينة على مسافة معينة من الهوائي، وهو تمثيل رسومي يوضح كيف تتغير شدة المجال الفعلية للحقل الكهرومغناطيسي في نقاط مختلفة على مسافات متساوية من الهوائي، وبالتالي فهي ذات طبيعة ثلاثية الأبعاد وبالتالي لا يمكن تمثيلها بالكامل على ورقة.

يتم قياس مخطط الهوائي عموماً على مسافة كبيرة جداً، حيث يكون توزيع القدرة مستقلاً عن المسافة ويرجع ذلك إلى أنّ الإشارة المرسلة من الهوائي مرغوبة لنشرها على مسافات كبيرة، وبالتالي يجب النظر في توزيع القدرة المشعة في الفضاء على مسافة كبيرة كهربائياً لقياس المخطط، كما إنّ الغرض الوحيد للهوائي هو إرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية، لذلك يتم استقبال الطاقة المشعة من طرف في الطرف الآخر.

ومع ذلك، عندما نتحدث عن الطاقة المشعة من الهوائي، فإنّ التحليل العملي يشير إلى أنّ قوة الطاقة التي يشعها الهوائي ليست متماثلة في جميع الاتجاهات، وهذا يدل على عدم وجود انتظام من حيث قوة الطاقة المشعة، حيث يكون عدم انتظام شدة المجال من النوع الذي يكون أكثر في اتجاه واحد وأقل نسبياً أو صفراً في اتجاهات أخرى، كما يُعتبر مخطط الهوائي المطلب الأساسي للهوائي، لأنّه يرتبط مباشرة بكيفية توزيع الطاقة المشعة في الفضاء .

 كيف يتم حساب شدة المجال في نمط الإشعاع للهوائي؟

تُعد شدة المجال قيمة منطقية، حيث يقابل البسط الجهد عند نقطتين محددتين على الخطوط الكهربائية للقوة والمقام هو المسافة الفاصلة بين النقطتين، وبشكل عام تكون وحدة قياس مخطط الهوائي هي فولت / متر”، وبما أنّها خاصية أساسية للهوائي، فمن الضروري قياسها، ومع معرفة تردد التشغيل يمكن تحديد توزيع الطاقة في الفضاء، أي مخطط الإشعاع.

أثناء رسم مخطط الإشعاع، يتم أخذ النقطة التي يوجد بها الهوائي كنقطة مركزية ويتم النظر في المنطقة الكروية التخيلية لنصف القطر الثابت حولها، وفي كل نقطة تقع داخل المنطقة الكروية يتم قياس شدة المجال الكهربائي ويتم رسم شكل ثلاثي الأبعاد وفقاً لقراءة القياس، كما يوفر هذا نتيجة لذلك شدة المجال داخل المنطقة الكروية على مسافة محددة في الاتجاه المطلوب، ويمثل الشكل أدناه مخطط مجال ثلاثي الأبعاد للهوائي الاتجاهي، حيث يمثل “r” نصف قطر المخطط الذي يتناسب مع شدة المجال كدالة لإحداثيين كرويين “θ” و”φ”.

كما إنّ نظام الإحداثيات الكروية “r ، φ” يستخدم لتحديد شدة المجال داخل السطح الكروي، ومع ذلك فإنّ مخطط الإشعاع يكون مستقلاً عن نصف قطر الكرة حيث “r >> λ”، ويضمن نمط الإشعاع ثلاثي الأبعاد الإشعاع لجميع زوايا “θ” و”φ”، كما أنّه لا يمكن رسم الشكل ثلاثي الأبعاد على ورقة عادية وبالتالي لرسم الشكل الصلب في ورقة مستوية، يتم أخذ نقطة ثابتة “لنقل مركز الكرة”، ويتم قطعها بواسطة ذلك المستوى المحدد.

وشكلت المقاطع العرضية بشكل عام في المستوى الأفقي، أي عند “θ = °90” وفي الطائرة العمودية أي “φ = ثابت”، والمعروف باسم النمط الأفقي و نمط العمودي على التوالي، ويمثل الشكل الذي تم الحصول عليه الآن مخطط الإشعاع بالطريقة المعتادة، كما أنّ مخطط الإشعاع يختلف باختلاف الهوائيات كما أنّ موضع الهوائي بالنسبة إلى الأرض يؤثر على نفسه.

يُعرف إشعاع الهوائي عند تعريفه من حيث شدة المجال بمخطط قوة المجال، وعندما يتم تعريفه بالقدرة لكل وحدة زاوية صلبة تسمى نمط الطاقة، لكن كلاهما مرتبطان ببعضهما البعض لأنّ مخطط القدرة يتناسب مع مربع مخطط شدة المجال .

الأنماط الرئيسية لنمط الإشعاع للهوائي:

إنّ مخطط الهوائي هو معلمة حاسمة لهيكل الهوائي ويتم تحديد أدائه وفقاً لمخططه الرئيسي للمستوى “E” والمستوى “H”، وعندما يعتبر هوائي الاستقطاب خطياً ثم المستوى من ناقلات الحقل الكهربائي حيث هناك الإشعاع الأقصى كما هو معروف نمط “E المستوى” المقابل، ويسمى المستوى متجه المجال المغناطيسي كما أنّ اتجاه الإشعاع الأقصى على نمط “H- المستوى”.

في الغالب يتم توجيه الهوائيات بطريقة أنّه من بين الاثنين، ويجب أن يتداخل أحد أنماط المستوى الرئيسية على الأقل مع المستويات الأساسية الهندسية، حيث يتم تمثيل المستوى “E” بالمستوى “xz”، بينما يظهر المستوى “H” بالمستوى “xy”.

أقسام نمط الإشعاع:

بما أنّ مخطط الإشعاع يتوافق مع توزيع المجال في الفضاء، فإنّ له أجزاء مختلفة تعرف باسم الأقسام حيث تصنف هذه على أنّها القسم الرئيسي والقسم الجانبي، ويسمى القسم الرئيسي أيضاً بالقسم الطرفي، بينما يشمل القسم الجانبي القسم الصغير والقسم الخلفي، ويوضح الشكل التالي نمطاً قطبياً متماثلاً مع أقسام الإشعاع:

حيث يتم تصنيفها وفقاً لمقدار كثافة إشعاعها، الأقسام الرئيسية لديها كثافة إشعاع أكثر من الأقسام الجانبية:

• القسم الرئيسي يتوافق مع اتجاه أقصى إشعاع للهوائي.

• جميع الأقسام الموجودة باستثناء القسم الرئيسي تُعرف بالقسم الصغير، وهذان نوعان هما القسم الجانبي هو قسم صغير موجود بجوار القسم الرئيسي، والقسم الخلفي هو قسم صغير موجود على الجانب المقابل من القسم الرئيسي، والأقسام الصغيرة هي إشعاع الهوائي في اتجاه غير مرغوب فيه ويجب تقليله إلى أقصى حد ممكن.

أنماط الإشعاع:

• أنماط الحقل، حيث يتم رسم بوصفها وظيفة من الحقول الكهربائية والمغناطيسية، كما تم رسمها على مقياس لوغاريتمي،

• أنماط السلطة ويتم وصفها بوظيفة من مربع من حجم الحقول الكهربائية والمغناطيسية، يتم رسمها على أساس لوغاريتمي أو شائع على مقياس ديسيبل.

• نمط الإشعاع ثلاثي الأبعاد: هو مخطط الإشعاع هو شكل ثلاثي الأبعاد ويتم تمثيله في إحداثيات كروية “r” و”θ” و”Φ” بافتراض أنّ أصله في مركز نظام الإحداثيات الكروية.

نمط الإشعاع ثنائي الأبعاد:

يمكن الحصول على نمط ثنائي الأبعاد من نمط ثلاثي الأبعاد بتقسيمه إلى مستويات أفقية ورأسية، ومن المعروف أنّ هذه الأنماط الناتجة هي النمط الأفقي ونمط عمودي على التوالي، ويحتوي نمط الإشعاع على القسم الرئيسي والأقسام الجانبية والقسم الخلفي، والجزء الأكبر من المجال المشع الذي يغطي مساحة أكبر، هو القسم الرئيسي وهذا هو الجزء الذي توجد فيه الطاقة المشعة القصوى، كما يشير اتجاه هذا القسم إلى اتجاهية الهوائي.

الأجزاء الأخرى من النمط حيث يتم توزيع الإشعاع تُعرف الأجنحة الجانبية بالأقسام الجانبية أو الأقسام الصغيرة، وهذه هي المناطق التي تهدر فيها الطاقة، وهناك قسم آخر هو بالضبط عكس اتجاه القسم الرئيسي، ويُعرف باسم القسم الخلفي وهو أيضاً قسم صغير، حيث تهدر كمية كبيرة من الطاقة.

أنواع أنماط الإشعاع:

• نمط متعدد الاتجاهات ويسمى أيضاً النمط غير الاتجاهي، وهو عادةً ما يكون للنمط شكل دائري في عرض ثلاثي الأبعاد، ومع ذلك في العرض ثنائي الأبعاد، فإنّه يشكل نمط شكل ثمانية.

• نمط شعاع القلم الرصاص، ويحتوي الشعاع على نمط اتجاهي حاد على شكل قلم رصاص.

• نمط شعاع المروحة، ويحتوي الشعاع على نمط على شكل مروحة.

• نمط شعاع مُشكل، وهو غير المنتظم والخالي من الأنماط بالحزمة المُشكَّلة.