هوائي الفتحة Slot Antenna

يتكون هوائي الفتحة “Slot Antenna” عموماً بجعل قطع فتحة ممدود نحو “λ / 2” طول وعرض أقل جداً من “λ / 2” في صفيحة موصل معدني، حيث يتم توفير الإثارة للفتحة في المركز أو خارج المركز، كما يوفر هوائي الفتحة الأفقية إشارة مستقطبة رأسياً، بينما يعطي هوائي الفتحة الرأسية إشارة مستقطبة أفقياً.

ما هو هوائي الفتحة Slot Antenna؟

هوائي الفتحة “Slot Antenna”: هو نوع الهوائي بقطع فتح بأبعاد معينة في موصل معدني يتم تحفيزه باستخدام خط نقل ثنائي الأسلاك أو كابل متحد المحور، حيث تعمل هذه الهوائيات بتردد يتراوح بين “300 ميجاهرتز” و”30 جيجاهرتز”.

يحدد طول وعرض الفتحة، بالإضافة إلى خصائص المواد، خصائص تشغيل الهوائي، حيث عادةً ما يتم تشغيل هوائي الفتحة المستوية عند الرنين الأول أو الثاني، ولتقدير الطول المناسب للهوائي من الضروري معرفة السماحية الفعالة للشق، حيث بالنسبة للركائز العازلة السميكة جداً يتم استخدام متوسط ​​سماحية العازل الكهربائي والهواء، على سبيل المثال “ε eff = (ε r + 1) / 2″، ومع ذلك قد يكون هذا غير دقيق بالنسبة للركائز الرقيقة.

في هذه الحالة قد يكون من الأنسب استخدام السماحية الفعالة لخط نقل خط الفتحة بعرض مناسب حيث غالباً ما يتم اختيار عرض الهوائي بنسبة “10 %” من الطول، ممّا يسمح بعرض نطاق كبير نسبياً لخسارة المدخلات، ويكون هوائي الفتحة الرنانة نصف الطول الموجي مرغوباً نظراً لحجمه الصغير، ومع ذلك فإنّه يحتوي على مقاومة إدخال كبيرة، وعادةً ما تكون أكبر من “300Ω”، ممّا يجعل من الصعب مطابقتها.

يمكن التحايل على ذلك باستخدام تغذية شريطية صغيرة متوازنة أو هوائي فتحة مطوية، والتي تنبع مباشرة من ثنائي القطب المطوي بواسطة علاقة بوكير، وفي هذه الحالة يتم طي الفتحة على نفسها كما يبقى الطول الإجمالي للهوائي يقارب نصف الطول الموجي، لكن زيادة عدد الطيات تقلل من مقاومة الإشعاع، حيث سيكون للفتحة المطوية ذات الطية الواحدة ربع مقاومة الإشعاع لهوائي الفتحة القياسية كما تُستخدم الفتحة ذات الطول الموجي الواحد أيضاً مع التغذية المركزية؛ لأنّه من السهل جداً تحقيق تطابق الإدخال.

مبدأ تشغيل هوائي الفتحة Slot Antenna:

تعمل الهوائيات ذات الفتحة على مبدأ أنّه كلما كان مجال التردد العالي موجوداً عبر الفتحة في لوح معدني، يتم إشعاع الطاقة، وهذا هو السبب عندما يتم قطع فتحة من سطح اللوحة الموصلة، وبعد ذلك عند تنشيط الفتحة، يتم إشعاع الموجة الكهرومغناطيسية وبالتالي تعمل كهوائي، ونظراً لوجود فتحة يتم تسميتها كهوائي فتحة، وبالتالي يمكننا القول إنّ السطح الموصل ذي الفتحة ذات الأبعاد الخاصة يُشار إليه على أنّه هوائي فتحة.

يتم تطبيق مصدر الجهد عبر الطرف القصير لهوائي الفتحة، حيث يؤدي هذا إلى توزيع المجال الإلكتروني داخل الفتحة، وساهمت التيارات التي تنتقل حول محيط الفتحة في الإشعاع، أمّا الهوائي المزدوج مشابه للهوائي ثنائي القطب، حيث يتم تطبيق مصدر الجهد في مركز ثنائي القطب، بحيث يتم تدوير مصدر الجهد.

عمل فتحة الهوائي:

مثلاً إذا كان هناك صفيحة موصلة مستطيلة يتم قطع فتحة أفقية عليها بطول “λ / 2” وعرضها أقل بكثير من “λ / 2″، فليكن “ω”، وهذه الفتحة ذات نصف الطول الموجي تشبه ثنائي القطب نصف الموجة وفقاً للإشعاع والكسب، ومع ذلك فإنّ الهوائي ذي الفتحة والهوائي ثنائي القطب نصف الموجة يظهران تبايناً تبعاً للاستقطاب، كما أنّ الهوائي ذو الفتحة يتبع مبدأ بابنيت.

اقترح بابنيت أنّ شاشتين مكملتين تولدان نمط حيود مماثل، ويُعرف هذا بمبدأ بابنيت، ووفقاً لهذا المبدأ فإنّ بنية هوائي الفتحة وهيكل ثنائي القطب نصف الموجة المقطوع من الصفيحة الموصلة مكملان لبعضهما البعض.

لذلك، فإنّ المنطقة المقطوعة من الصفيحة الموصلة هي ثنائي القطب نصف الموجي الذي يعمل كهوائي تكميلي للفتحة، والمعروف باسم هوائي ثنائي القطب التكميلي.

يوضح هذا أساساً قابلية ارتباط المجال المشع ومقاومة الفتحة بالمجال المشع لثنائي القطب، حيث يمثل الشكل التالي الفتحة والهوائي ثنائي القطب التكميلي:

هنا يتم توفير التغذية الخارجية التي يتم استخدامها كإثارة في وسط الفتحة باستخدام خط النقل ذي السلكين، كما تعتمد مقاومة هوائي الفتحة على موضع نقطة التغذية، حيث تظهر المقاومة انخفاضاً مع تحول نقطة التغذية نحو الحافة من المركز، كما أنّ نمط إشعاع الفتحة وثنائي القطب متشابهان مع بعضهما البعض، ومع ذلك سيتم استقطاب المجال الكهربائي عمودياً للفتحة أثناء الاستقطاب الأفقي لثنائي القطب.

أولاً: فتحة الهوائي الحلقي:

تكون فتحة الهوائي فتحة مستطيلة، ولكن ليس من الضروري أن يكون لديك فتحة مستطيلة فقط، حيث يمكن صنع الفتحة الموجودة في لوح التوصيل بأي شكل مناسب، والفتحات الحلقية هي فتحات الأشكال الدائرية الموجودة على الصفيحة المعدنية، حيث تسهل سهولة البناء والتحليل بشكل كبير عمل فتحات مستطيلة أو دائرية، كما يتم إنتاج حزمة ضيقة من الإشعاع بواسطة هوائي الفتحة الحلقية.

ثانياً: هوائي الدليل الموجي مشقوق:

في هوائي الدليل الموجي المشقوق توجد فتحات متعددة في الدليل الموجي تشكل مجموعة من الهوائيات، حيث يكون الفصل بين كل فجوة بحيث توجد مسافة نصف طول موجي إرشادي بين مركز كل فجوة مجاورة، كما يتم قطع هذه الفتحات على جانبي الدليل الموجي الذي يفصل بينهما الخط المركزي وكما أنّ الطول الموجي الإرشادي أكبر من الطول الموجي في الفضاء الحر.

مقاومة فتحة الهوائي:

تُعطى العلاقة بين الممانعة الطرفية للفتحة “Z s” و”dipole” أي Z d” على النحو التالي:

 Z s Z d = (η 0) ² / 4

حيث أنّ “η 0” يدل على الممانعة الجوهرية للمساحة الحرة، كما أنّ قيمة “η 0” تساوي “376.7”، وهكذا عند الاستبدال، سوف يتم الحصول على:

Z s Z d= (376.7) ² / 4

Z s Z d = 35475.7225

لذلك تكون:

Z s = 35476 / Z d Ω

لذلك، يمكن تحديد خصائص هوائي الفتحة التكميلية إذا كانت خصائص الهوائي ثنائي القطب معروفة، أمّا لهوائي نصف موجة ثنائي القطب يكون:

Z d = 73 + j (42.5) Ω

وبعد ذلك ستكون المعاوقة الطرفية لهوائي الفتحة:

Z s = 35476 / (73 + j (42.5)) * 73 – j (42.5) / 73 – j (42.5)

عند التبسيط، فإنّها ستكون:

Z s = 363 – j (211) Ω

تطبيقات هوائي الفتحة:

تجد صفيفات هوائي الفتحة تطبيقات في الطائرات، حيث أنّ السطح المعدني للطائرة يسمح بتشكيل الفتحة مباشرة عليها، كما تُستخدم هذه أيضاً في أنظمة الرادار المتنقلة.

تستخدم الهوائيات ذات الفتحات عادةً على ترددات بين “300 ميجاهرتز” و”24 جيجاهرتز”، والهوائي ذو الفتحة شائع لأنّه يمكن قطعه من أي سطح يتم تركيبه عليه، وله أنماط إشعاع متعددة الاتجاهات تقريباً وعلى غرار هوائي السلك الخطي، كما يكون استقطاب هوائي الفتحة خطياً، حيث يوفر حجم الفتحة والشكل وما وراءها “التجويف” متغيرات تصميم يمكن استخدامها لضبط الأداء.