هوائي نصف موجة ثنائي القطب والهوائي المطوي والهوائي القصير

يُعرَّف الهوائي ثنائي بأنّه نوع من أنواع هوائي الترددات الراديوية (RF) ويتكون من عنصرين موصلين، مثل القضبان أو الأسلاك، وثنائي القطب هو أي نوع من أنواع الهوائيات التي تنتج نمط إشعاع يقارب ذلك الخاص بثنائي القطب الكهربائي الأولي، والهوائيات ثنائية القطب هي أبسط أنواع الهوائيات وأكثرها استخداماً.

أساسيات هوائي نصف الموجة ثنائي القطب – Half wave dipole:

يتكون ثنائي القطب نصف الموجة من عنصر موصل وهو سلك أو أنبوب معدني بطول نصف موجي كهربائي، وعادةً ما يتم تغذية ثنائي القطب نصف الموجة في الوسط حيث تنخفض المعاوقة إلى أدنى مستوى لها، كما يتكون الهوائي من مغذي متصل بعنصرين طول موجي ربعين متصلين ببعضهما البعض.

حيث أنّ طول نصف الموجة ثنائي القطب هو نصف طول موجي كهربائي للموجة التي تنتقل في موصلات الهوائي وهذا أقصر قليلاً من الطول المكافئ لموجة تنتقل في الفضاء الحر، حيث تؤثر موصلات الهوائي على الطول الموجي حيث تتباين مستويات الجهدوالتيار على طول المقطع المشع للهوائي حيث يحدث هذا بسبب تكوين الموجات الواقفة على طول العنصر المشع، ونظراً لأنّ النهايات عبارة عن دائرة مفتوحة فإنّ التيار عند هذه النقاط هو صفر، لكن الجهد يكون في أقصى حد له.

ونظراً لأنّ النقطة التي يتم فيها قياس هذه الكميات تتحرك بعيداً عن النهايات، فقد وجد أنّها تختلف جيبياً أي انخفاض الجهد ولكن التيار يرتفع حيث يصل التيار بعد ذلك إلى الحد الأقصى والجهد الأدنى بطول يساوي ربع طول الموجة الكهربائية من الأطراف، ونظراً لأنّها نصف موجة ثنائية القطب فإنّ هذه النقطة تحدث في المركز.

هوائي نصف موجة ثنائي القطب معاوقة التغذية:

أحد الاعتبارات الرئيسية مع أي هوائي هو ترتيبات التغذية أي كيفية نقل القدرة من المغذي لكل خط النقل في الهوائي الإلكتروني نفسه حيث أنّ مطابقة المعاوقة إمّا تكون متوازنة أو غير متوازنة، كما أنّه من السهل تغذية ثنائي القطب نصف الموجي.

وعادةً ما يتم توصيل وحدة التغذية بنقطة المركز حيث يوجد حد أقصى حالي وحد أدنى للجهد، وينتج عن هذا الهوائي مقاومة منخفضة للمغذي، كما يُعد بأنّه أسهل بكثير للتغذية لأنّ الفولتية العالية للترددات اللاسلكية المرتبطة بترتيبات التغذية عالية المقاومة يمكن أن تسبب العديد من المشاكل للمغذيات والوحدات المطابقة.

بالنسبة للهوائي ثنائي القطب الذي يبلغ طوله نصف موجة كهربائية طويلة، فإنّ التفاعلات الحثية والسعة تلغي بعضها البعض عند تردد الطنين، أمّا مع مستويات التفاعل الاستقرائي والسعوي التي تلغي بعضها البعض يصبح الحمل مقاوماً تماماً وهذا يجعل تغذية هوائي نصف الموجة ثنائي القطب أسهل بكثير.

يُعد ثنائي القطب هو هوائي متوازن وبالتالي يلزم ترتيب تغذية متوازن حيث يحتاج هذا عادةً إلى شكل من أشكال التغذية المزدوجة أو المتوازنة لاستخدامها، كما من الممكن استخدام وحدة التغذية المحورية إذا تم استخدام (balun) متوازن إلى محول غير متوازن.

تقدم وحدة التغذية المحورية خياراً جذاباً للغاية عندما تكون مطابقة الممانعة جيدة ولا توجد موجات واقفة، كما أنّه من الأسهل مطابقتها مع ناتج جهاز الإرسال الذي قد يرغب فقط في رؤية حمل مقاوم حيي تؤدي الأحمال التي تتضمن تفاعلات إلى جهد أعلى من المستويات الحالية التي قد لا يستطيع المرسل تحملها.

المعاوقة لهوائي ثنائي القطب نصف الموجة في الفضاء الحر هو ثنائي القطب (73) والذي يقدم تطابقاً جيداً مع وحدة التغذية المحورية (70 درجة) وهذا أحد أسباب اختيار الاقتران بهذه الممانعة للعديد من التطبيقات، وغالباً يتم تغذية ثنائي القطب نصف الموجي بوحدة تغذية (50 درجة)، كما يقدم الهوائي تطابقاً جيداً مع نظيره لأنّ قربه من كائنات أخرى، مثل الأرض وتركيب الهوائي يعني أنّ الممانعة تنخفض إلى ما دون (73 درجة) التي تظهر في الفضاء الحر.

هوائي نصف موجة طول ثنائي القطب:

الطول الفعلي لنصف الموجة ثنائي القطب أقصر قليلاً من نصف طول الموجة في الفضاء الحر بسبب عدد من التأثيرات المرتبطة بحقيقة أنّ شكل الموجة (RF) يُحمل داخل سلك وهو على الأرجح ليس في فراغ، كما تأخذ حسابات طول الهوائي ثنائي القطب نصف الموجة في الحسبان عناصر مثل نسبة سمك أو قطر الموصل إلى الطول وثابت العزل للوسط حول العنصر المشع حيث من الضروري تقصير طول هوائي نصف موجة ثنائي القطب.

يمكن تحقيق ذلك عن طريق إضافة محث تحميل حيث يتم وضع المحث في العنصر المشع، كما إنّه يعمل لأنّ الهوائي ثنائي القطب يمكن اعتباره دائرة طنين تتكون من مكثف ومحث، كما يؤدي إضافة محاثة إضافية إلى خفض تردد الطنين أي أنّ طول الهوائي المعين سوف يتردد صدى عند تردد أقل من ذلك الذي يمكن أن يكون بدون محث موجود وبهذه الطريقة يمكن تقصير طول الهوائي، ويمكن استخدام هذا المبدأ لأي شكل من أشكال الهوائي، وغالباً ما يستخدم عندما يكون الفضاء هو الاعتبار الرئيسي.

نصائح تصميم الهوائي ثنائي القطب:

1. استخدام مغذي متوازن أو balun:

الهوائي ثنائي القطب هو هوائي متوازن لذلك من الضروري استخدام وحدة تغذية متوازنة أو إذا كانت هناك حاجة لاستخدام وحدة التغذية المحورية، فيجب استخدام (balun) كما أنّه هناك عدة أنواع يمكن إنشاؤها بسهولة.

2. نصف موجة ثنائي القطب ليس نصف موجة:

هوائي نصف موجة ثنائي القطب ليس بنفس طول نصف موجة في الفضاء الحر، كما تعني التأثيرات النهائية أنّ الطول الفعلي المطلوب أقصر قليلاً.

3. المقاطع القصوى الحالية:

يمكن إظهار أنّ مناطق الهوائي حيث يكون التيار هو أقصى مساهمة في الإشعاع أو الاستقبال حيث لضمان التشغيل الأكثر فاعلية يجب أن تكون هذه المناطق خالية من العوائق وأن يتم إعطاؤها الوضع الأمثل للإشعاع.

هذا هو الأكثر تطبيقاً للهوائيات المستخدمة للترددات المنخفضة حيث تكون الأطوال طويلة جداً، وبالنسبة للهوائيات (VHF وUHF) حيث تكون الهوائيات أقصر بكثير ومن المحتمل أن يكون لكامل طول ثنائي القطب عرض مماثل، أمّا بالنسبة للهوائيات (HF) في بعض الأحيان قد يبقى مركز الهوائي أعلى من الأطراف وبالتالي يكون لديه فرصة أفضل لإشعاع إشارة أفضل.

4. الحد الأقصى للجهد عند نهايات الهوائي:

تقع نقاط الجهد الأقصى في نهايات الهوائي حيث إذا تم استخدامها للإرسال فتأكد من عدم لمسها عرضاً وتأكد من عزلها بشكل مناسب، وهذا مهم عند استخدام الهوائيات السلكية، حيث يتم استخدام النهايات كنقاط ربط كما يجب أن تكون بعيدة عن الأشياء القريبة التي يمكن أن تعمل لامتصاص الطاقة وكبح الهوائي.

أساسيات هوائي ثنائي القطب المطوي – Folded dipole antenna:

يتكون الهوائي ثنائي القطب المطوي من ثنائي القطب الأساسي ولكن مع موصل إضافي يربط الطرفين معاً، وهذا يجعل حلقة من الأسلاك التي هي دائرة كهربائية قصيرة للتيار المستمر، وأنّ الأطراف مطوية للخلف.

الشكل الأساسي للهوائي ثنائي القطب مطوي مثل الهوائي ثنائي القطب الأساسي حيث يُعد الهوائي ثنائي القطب المطوي هوائياً متوازناً ويحتاج إلى التغذية بوحدة تغذية متوازنة، كما يمكن استخدام المغذيات غير المتوازنة بشرط استخدام (balun) غير متوازن إلى محول متوازن، وغالباً ما يتم صنع الجزء الإضافي من الهوائي ثنائي القطب المطوي باستخدام سلك أو قضيب من نفس قطر القسم ثنائي القطب الأساسي لكن هذا ليس هو الحال دائماً.

كما أنّ الأسلاك أو القضبان تكون متباعدة بشكل نموذجي على طول العناصر المتوازي ويمكن تحقيق ذلك بعدة طرق حيث غالباً ما تكون صلابة العناصر كافية للهوائيات (VHF أو UHF) ولكن عند الترددات المنخفضة قد يلزم استخدام المباعدات ولإبقاء الأسلاك منفصلة، كما أنّه إذا لم يتم عزلهم فمن الضروري منعهم من البيع على المكشوف كما في بعض الحالات يمكن استخدام وحدة التغذية المسطحة.

أحد الأسباب الرئيسية لاستخدام هوائي ثنائي القطب مطوي هو الزيادة في مقاومة التغذية التي يوفرها حيث إذا كانت الموصلات في ثنائي القطب الرئيسي والموصل الثاني أو الطي من نفس القطر، فقد وجد أنّ هناك زيادة بأربعة أضعاف أي اثنين مربعة في مقاومة التغذية، أمّا في المساحة الخالية يؤدي هذا إلى زيادة مقاومة التغذية من (73 ْ) إلى حوالي (300 ْ أوم) بالإضافة إلى ذلك يحتوي هوائي الترددات اللاسلكية على نطاق ترددي أوسع.

 نظرية زيادة مقاومة الهوائي ثنائي القطب:

في هوائي قياسي ثنائي القطب تكون التيارات المتدفقة على طول الموصلات في طور ونتيجة لذلك لا يوجد إلغاء للحقول ونتيجة لذلك يحدث إشعاع أو إشارة.

تأثير خط نقل الهوائي ثنائي القطب مطوي:

يحتوي العنصر المطوي للهوائي ثنائي القطب المطوي على تأثير خط نقل مرفق به، كما أنّ مقاومة ثنائي القطب تظهر بالتوازي مع ممانعة أقسام خط النقل المختصرة، كما يؤدي تأثير وحدة التغذية إلى استجابة هوائي ثنائي القطب مطوي أي عرض نطاق أوسع من ثنائي القطب غير المطوي.

يتأثر الطول بهذا التأثير حيث عادةً ما يتأثر الطول الموجي للموجة الواقفة في وحدة التغذية بعامل السرعة، وإذا تم استخدام الهواء فسيبلغ ذلك حوالي (95%) من قيمة المساحة الحرة، ومع ذلك إذا تم استخدام وحدة تغذية مسطحة ذات عامل سرعة أقل فسيكون لهذا تأثير تقصير الطول المطلوب، ويحدث ذلك لأنّه عند تردد بعيداً عن الرنين حيث يكون مفاعلة ثنائي القطب من الشكل المعاكس لتلك الخاصة بخط النقل المصنف ونتيجةً لذلك يكون هناك بعض إلغاء المفاعلة عند نقطة تغذية الهوائي.

مزايا ثنائية القطب المطوية:

1. زيادة في الممانعة:

عند الحاجة إلى استخدام مغذيات مقاومة أعلى أو عندما يتم تقليل مقاومة ثنائي القطب بواسطة عوامل مثل العناصر الطفيلية حيث يوفر ثنائي القطب المطوي زيادة كبيرة في مستوى الممانعة ممّا يتيح مطابقة الهوائي بسهولة أكبر مع المغذية المتاحة.

2. عرض النطاق الترددي العريض:

يحتوي الهوائي ثنائي القطب المطوي على استجابة ترددية أكثر انبساطاً وهذا يتيح استخدامه على نطاق ترددي أوسع مع العديد من عمليات الإرسال التي تستخدم مجموعة متنوعة من القنوات المختلفة القابلة للاختيار فعلى سبيل المثال التلفاز والبث الإذاعي حيث هناك حاجة إلى هوائي واسع النطاق، ولا يوفر الهوائي القياسي ثنائي القطب دائماً عرض النطاق الترددي المطلوب، كما أنّ عرض النطاق الترددي الإضافي للثنائي القطب المطوي يلبي المتطلبات.

تطبيقات هوائي ثنائية القطب المطوية:

• تُستخدم الهوائيات ثنائية القطب المطوية أحيانًا بمفردها، ولكن يجب تغذيتها بوحدة تغذية عالية المقاومة عادةً (300 أوم) ويمكن أن يكون هذا بمفرده مفيداً جداً في بعض التطبيقات حيث يمكن استخدام مغذيات متوازنة.

• تُستخدم مع جزء من هوائي آخر حيث تجد ثنائيات الأقطاب المطوية المزيد من الاستخدامات عندما يتم دمج ثنائي القطب في تصميم هوائي آخر للترددات اللاسلكية مع عناصر أخرى قريبة.

المشكلة هي أنّ دمج ثنائي القطب في هوائي مثل (Yagi) حيث العناصر متقاربة بشكل وثيق يقلل من مقاومة التغذية حيث إذا تم استخدام ثنائي القطب بسيط فيمكن بسهولة تجربة مستويات مقاومة التغذية التي تقل عن (20 Ω) أو أقل.

• زيادة عرض النطاق الترددي حيث يمكن استخدام ثنائيات الأقطاب المطوية فقط لإعطاء عرض نطاق أكبر وعند استخدامها لزيادة عرض النطاق الترددي يمكن استخدام ثنائيات الأقطاب المطوية بمفردها أو داخل نظام هوائي آخر.

أساسيات هوائي ثنائي القطب القصير – Short Dipole Antenna:

إنّ ثنائي القطب القصير هو شكل من أشكال الهوائي ثنائي القطب يتم إنشاؤه عن طريق تغذية سلك، وعادةً في المركز بإشارة حيث يجب أن يكون الطول الكهربائي لعنصر الإشعاع الكلي عادةً أقل من عُشر الطول الموجي لصنع هوائي ثنائي القطب قصير، وفي الممارسة العملية الهوائيات القصيرة وفي هذه الحالة نادراً ما يكون الهوائي ثنائي القطب مُرضياً من وجهة نظر الكفاءة لأنّ الكثير من الطاقة الداخلة إليه تتبدد كحرارة لأنّ خسائر المقاومة عادةً ما تكون عالية جداً.

ينعكس هذا العامل في حالة الاستقبال حيث تتحقق فقط كفاءة استقبال منخفضة وتنتشر مستويات إشارة منخفضة، وبناءً على ذلك تتحقق إشارة ضعيفة إلى نسب ضوضاء في المستقبل، أمّا ثنائي القطب القصير قد لا يكون فعالاً مثل ثنائي القطب الطنين نصف الموجي، فإنّه مع ذلك يلبي حاجة عند الحاجة إلى هوائي أصغر أو عندما تكون هناك حاجة إلى هوائي غير رنان.

سيقدم مقاومة عالية للمغذي حيث يتم تغذية الهوائي حيث يبقى الجهد مرتفعاً ومع ذلك لا يزال من الممكن تغذيته والاستفادة من مزاياه خاصةً عند استخدام مستويات طاقة منخفضة، أمّا في مستويات الطاقة العالية ترتفع الفولتية على ثنائي القطب القصير ويمكن أن تصبح مشكلة إذا لم تتم إدارتها بشكل جيد.