هوائي قضيب الفريت - Ferrite Rod Antenna

يتم استخدام هوائيات قضبان الفريت بشكل متزايد في التطبيقات اللاسلكية في مجالات مثل (RFID) حيث أنّ أحجام الهوائيات المطلوبة ضخمة ويجب أن تكون هوائيات (RFID) مضغوطة وفعالة ممّا يجعل هوائي قضيب الفريت حلاً مثالياً.

ما هو هوائي قضيب الفريت – Ferrite Rod Antenna؟

هوائي قضيب الفريت (Ferrite Rod Antenna): هو شكل من أشكال هوائي الترددات اللاسلكية الذي يستخدم بشكل عام تقريباً في مستقبلات بث الترانزستور المحمولة بالإضافة إلى العديد من موالفات (hi-fi) حيث يلزم الاستقبال على نطاقات الموجة الطويلة والمتوسطة وربما القصيرة.

ومع انخفاض شعبية ومستمعي البث على الموجات الطويلة والمتوسطة والقصيرة حيث تتوفر خدمات عالية الجودة عبر (VHF FM) والخدمات الرقمية أدى إلى تناقص استخدام  (Ferrite Rod Antenna).

أساسيات هوائي قضيب الفريت:

يتكون الهوائي من قضيب مصنوع من الفريت وهو مادة مغناطيسية قائمة على الحديد ويمكن أن يكون الملف حول قضيب الفريت ويتم إحضار هذا إلى الرنين باستخدام مكثف ضبط متغير موجود داخل دائرة الراديو وعادةً ضمن مراحل التردد اللاسلكي لجهاز الاستقبال اللاسلكي الذي سيتم استخدامه معه، وبهذه الطريقة يمكن ضبط الهوائي على الرنين.

يُنظر إلى هوائي قضيب الفريت على أنّه المحث والقلب عند الإدخال للدائرة، كما يتم تمرير الإشارة منه إلى الترانزستور الذي يعمل كمضخم (RF) وخلاط  ومذبذب وتشكل مجموعة الحث التي تربط الباعث والمجمع، أمّا مكثف الضبط مرتبط ميكانيكياً أو متشابكاً مع ضبط قضيب الفريت لهوائي (RF)، وتصل الإشارة إلى محول (IF) وتدخل الإشارة في التردد المتوسط ​​أو سلسلة (IF).

أثناء ضبط الهوائي يتم استخدامه عادةً لتوفير دائرة ضبط التردد اللاسلكي للمستقبل، ممّا يتيح دمج كلتا الوظيفتين واستخدام نفس المكونات وممّا يقلل من عدد المكونات المطلوبة وبالتالي يوفر توفيراً في التكلفة داخل جهاز الراديو، وعادةً ما تحتوي هوائيات قضبان الفريت على ملفين وذلك اعتماداً على الموقع وقد يكونان مناسبين لنطاقات البث طويلة ومتوسطة الموجة.

يعمل هوائي قضيب الفريت باستخدام مادة الفريت لتركيز المكون المغناطيسي لموجات الراديو عبر ملف الالتقاط ويحدث هذا بسبب النفاذية العالية (µ) للفريت ممّا يعني أنّ هوائي قضيب الفريت يتمتع بمستوى حساسية أكبر بكثير ممّا لو تم استخدام الملف بمفرده، وحقيقة أنّ هوائي (RF) يستخدم المكون المغناطيسي لإشارات الراديو بهذه الطريقة يعني أنّ الهوائي توجيهي ويعمل بشكل أفضل فقط عندما تتماشى خطوط القوة المغناطيسية مع الهوائي.

يحدث هذا عندما يكون هوائي قضيب الفريت بزاوية قائمة على اتجاه جهاز الإرسال ويعني أيضاً أنّ الهوائي له موضع فارغ حيث يكون مستوى الإشارة عند أدنى مستوى عندما يكون الهوائي في خط مع اتجاه جهاز الإرسال.

أداء هوائي قضيب الفريت:

هذا الشكل من تصميم هوائي الترددات اللاسلكية مناسب جداً للتطبيقات المحمولة وهذه هي فائدته الكبيرة، كما يتم مقايضة الملاءمة من أجل الكفاءة أي كفاءة هوائي قضيب الفريت أقل بكثير من هوائي (RF) الأكبر ممّا يحد أداء الفريت من استجابة التردد.

عادةً ما يكون هذا النوع من تصميم هوائي التردد الراديوي فعالاً فقط على نطاقات الموجات الطويلة وكذلك الموجات المتوسطة ولكنّ يُعد استخدمه أحياناً للترددات المنخفضة في نطاقات الموجات القصيرة على الرغم من تدهور الأداء بشكل كبير، والذي ينشأ بشكل أساسي عن الخسائر في الفريت وهذا يحد من تشغيل هوائيات قضيب الفريت لترددات (2 أو 3 ميجا هرتز).

عادةً ما تستخدم هوائيات قضيب الفريت للاستقبال فقط ونادراً ما يتم استخدامها لنقل أي شيء فوق مستويات الطاقة المنخفضة نظراً لضعف كفاءتها حيث يمكن استخدامها كشكل مضغوط للغاية من هوائي الإرسال للتطبيقات التي لا تمثل فيها الكفاءة مشكلة وحيث تكون مستويات الطاقة منخفضة للغاية، أمّا إذا ارتفعت مستويات الطاقة بشكل كبير جداً يصبح تبديد الحرارة في الفريت مشكلة.

ولأنّها أكثر إحكاما من الأشكال الأخرى لهوائي التردد اللاسلكي المنخفض أو المتوسط ​​يمكن أن يكون ذلك ميزة ونتيجةً لذلك يتم استخدامها في تطبيقات مثل (RFID).

معلمات هوائي قضيب الفريت:

هناك عدد من معلمات قضبان الفريت ذات الأهمية الرئيسية عند التفكير في استخدامها في أي تصميم لدائرة لاسلكية، والمعلمتان الرئيسيتان هما (Q) للدائرة المضبوطة ومقاومة الإشعاع حيث تتحكم هاتان المعلمتان لقضيب الفريت في المناطق التي يمكن استخدامها فيها وتصميم الدوائر التي يتم استخدامها فيها.

كما هو الحال مع أي تصميم للدائرة الإلكترونية قد يتطلب اختيار المعلمات المختلفة لهوائي قضيب الفريت بعض التنازلات، ولكن بشكل عام يمكن تحقيق مستوى جيد من الأداء ضمن الحدود الإجمالية لهذا النوع من الهوائي.

1. عامل الجودة (Q) لهوائي قضيب الفريت:

إنّ (Q) أو عامل الجودة للدائرة العامة التي يتم فيها صيانة ملف هوائي قضيب الفريت مهم في أي تصميم لاسلكي حيث يجب أن يكون لتصميم الدائرة (Q) عالياً عند الترددات التي يعمل بها هوائي قضيب الفريت إذا كان سيعمل بكفاءة، أمّا عند ترددات تبلغ بضع مئات من كيلوهرتز سيتم استخدام مادة نفاذية متوسطة داخل هوائي قضيب الفريت وهذا سيمكن من الحصول على (Q) يبلغ حوالي (1000)، ومع (Q) من هذه القيمة فهذا يعني أنّ دائرة الهوائي ستحتاج إلى ضبط إذا كانت ستعمل على أكثر من قناة أو تردد واحد.

عند استخدامه في جهاز استقبال محمول، يمكن ربط الضبط بالتوليف الكلي للمستقبل وبالفعل يوفر هوائي قضيب الفريت ضبط الإدخال للمجموعة، وعادةً ما يتم استخدام مكثفات التوليف ذات القسمين في مجموعات الراديو التقليدية، على الرغم من أنّه من المحتمل أن تستخدم المجموعات الحديثة دائرتين مضبوطتين إلكترونياً يتم توجيههما بواسطة نفس جهد التحكم تقريباً.

قد تبدو مستويات (Q) للهوائي العام لقضيب الفريت عالية جداً، وفي الواقع فإنّ الفريت في شكل قضيب له (Q) أعلى بكثير من المادة الأساسية نتيجة لحقيقة أنّ القضيب يشكل دائرة مغناطيسية مفتوحة.

ولكن قد يتم تخفيض هوائي قضيب الفريت بواسطة (Q) بسبب فقدان التباطؤ المغناطيسي المتزايد باستمرار في مادة (Ferrite) تحت كثافة مجال مغناطيسي أعلى أي مستوى طاقة مستلم أعلى، وقد يكون الفريت فعالاً فقط في ظل التردد المنخفض نسبياً، ولكن في ظل هذه الترددات المنخفضة يجعل الفريت فتحة مجال مغناطيسي عبر القلب ولكن ليس من خلال ميزة المكون الإلكتروني الموجود على اللوحة التي يتم وضعها بالقرب من اللب، وهذا يمكن أن يساهم في زيادة دائرة (Q) المكتسبة.

2. مقاومة الإشعاع لهوائي قضيب من الفريت:

تتمثل إحدى مزايا استخدام الفريت في الهوائي في أنّه يرفع مقاومة الإشعاع للهوائي الكلي إلى مستوى معقول، وهذا له أهمية كبيرة في أي هوائي وبالتالي تصميم الدائرة حيث يمكن اعتبار هوائي قضيب الفريت بمثابة هوائي حلقي صغير جداً، ونظراً لحجمها تكون الحلقة أقل بكثير من الطول الموجي وبدون الفريت سيكون لها مقاومة إشعاع منخفضة جداً.

تكون الخسائر الناتجة عن مقاومة السلك عالية جداً كما يؤدي وضع قلب الفريت في الملف إلى زيادة مقاومة الإشعاع بعامل (µ2) وهذا يجعل القيمة في حدود أكثر قبولاً ويقلل من خسائر المقاومة التي يسببها السلك، وبينما يؤدي إدخال قضيب الفريت إلى زيادة مقاومة الإشعاع للهوائي إلّا أنّه يتسبب في خسائر أخرى حيث يمتص الفريت نفسه الطاقة؛ لأنّ الطاقة مطلوبة لتغيير المحاذاة المغناطيسية للمجالات المغناطيسية داخل البنية الحبيبية للفريت، وكلما زاد التردد زاد عدد التغييرات وبالتالي زادت الخسارة ولا تستخدم هوائيات قضبان الفريت عادةً فوق ترددات قليلة من ميجا هيرتز.

يمكن تقليل حجم الهوائي الحلقي للغاية باستخدام قضبان الفريت، لكن هوائي قضيب الفريت يحتاج إلى عدد أكبر من الدورات للحصول على نفس الجهد مقارنة بهوائي الحلقة الأكبر أي أنّ هوائي قضيب الفريت المقابل له تردد رنين أقل من هوائي الحلقة الأكبر، وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل الهوائيات الحلقية أكثر ملاءمة من هوائيات قضيب الفريت الصغيرة، كما يجب ألّا يقل تردد الرنين لهوائي القضيب الحديدي لاستقبال (VLF) عريض النطاق عن (100 كيلو هرتز).

هوائي قضيب الحقل – H-Field Rod Antenna:

هوائي قضيب الحقل (H): هو قضيب من الفريت مع ملف حول القضيب وبعض المكونات المطابقة، أمّا فائدة هذا النوع من الهوائي هو حجمه وملاءمته للتطبيقات المحمولة حيث تقوم مادة الفريت بتركيز المكون المغناطيسي لإشارة التردد اللاسلكي في الملف، بعبارة أخرى يتمتع هوائي قضيب الفريت بمستوى حساسية أكبر بكثير ممّا لو كان الملف قد استخدم بمفرده.

هذا الهوائي محمي من المجال الكهربائي ولا يستجيب إلّا للمكون المغناطيسي الذي يجعل هذا النوع من الهوائي اتجاهياً حيث يستقبل المكون المغناطيسي لإشارة التردد الراديوي بزاوية قائمة لاتجاه إشارة التردد الراديوي وله قيم فارغة عميقة عندما يكون الهوائي في خط مع اتجاه الإشارة.

يُعد هوائي قضيب الفريت شكلاً مفيداً بشكل خاص لتصميم هوائي التردد اللاسلكي على الرغم من قيوده وعيوبه من حيث الكفاءة والتردد الأعلى والحاجة إلى الضبط، ومع ذلك تُستخدم هوائيات قضبان الفريت على نطاق واسع حيث تُستخدم عالمياً تقريباً كهوائي (RF) في أجهزة الراديو المحمولة لاستقبال النطاق الموجي الطويل والمتوسط ​​بالإضافة إلى استخدامها في عدد من تطبيقات (RFID).