إنّ الهوائي يعمل كعنصر أساسي في نظام الاتصالات اللاسلكية، حيث يتطلب كل من طرفي الإرسال والاستقبال هوائي، وبالتالي بناءً على العملية التي يتم إجراؤها من قبلهم، تندرج الهوائيات ضمن فئة المحولات.
ما هي الهوائيات Antennas؟
الهوائيات “Antennas”: هي الأجهزة المستخدمة لتحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة كهرومغناطيسية وإرجاع الإشارة الكهرومغناطيسية إلى الشكل الكهربائي، حيث يعمل كمكون رئيسي في الاتصال اللاسلكي، ممّا يسمح بالاتصال بموجات الراديو.
لذلك، مع التطور في صناعة الاتصالات أصبح استخدام الهوائي أكثر أهمية، كما توجد فئة كبيرة من الهوائيات بأشكال وأحجام مختلفة، وقد يشتمل نظام الاتصال على هوائي واحد في نهايته أو مجموعة من الكيانات المختلفة من أجل تكوين وحدة هوائي واحدة، حيث في مثل هذه الحالة تُشكل مجموعة من الهوائيات المختلفة مجموعة الهوائيات، كما يؤدي التطبيق وتردد التشغيل إلى إحداث تباين في حجم الهوائيات، كما يمكن تشكيل الهوائيات بتكوين “1D” أو “2D” أو “3D”، وربما في هندسة خطية أو مستوية أو دائرية أو كروية.
ما هي أنواع الهوائيات؟
1- الهوائي السلكي “Wire Antenna”:
الهوائي السلكي “Wire Antenna”: هو فئة من الهوائيات التي تتكون من أسلاك ذات أطوال عشوائية، حيث يمكن أن يكون اتجاه الهوائيات السلكية فيما يتعلق بالأرض أفقياً أو رأسياً أو غير منتظم وأيضاً يمكن تغذيتها إمّا على طول المركز أو النهاية أو بين الطول.
يكون طول الهوائيات السلكية بشكل عام من مضاعفات نصف الطول الموجي أي “n λ / 2″، ومع ذلك يُشار إلى الهوائي الذي يزيد طوله عن “λ / 2” على أنّه هوائي سلك طويل.
2- هوائي ثنائي القطب “Dipole antenna”:
الهوائيات ثنائية القطب “Dipole antenna”: هي نوع الهوائي الذي يكون فيه طول الموصل أقل مقارنة بطول موجة الإشارة، وبشكل عام يبلغ طول السلك نصف الطول الموجي، وبالتالي يُشار إليها على أنّها ثنائية القطب نصف الموجة.
3- هوائي ثنائي القطب قصير “Short dipole antenna”:
هوائي ثنائي القطب قصير “Short dipole antenna”: هو من أبسط أنواع الهوائيات، حيث يكون طول السلك قصيراً مقارنة بطول الموجة، وعادةً في هوائي ثنائي القطب قصير، يكون طول السلك أقل بعشر مرات من الطول الموجي، كما يتكون من ترتيب موصلين رفيعين مفصولين بمسافة صغيرة، وهذه ليست فعالة كثيراً، وبالتالي لديها عدد أقل من التطبيقات.
4- هوائي أحادي القطب “Monopole antenna”:
الهوائي أحادي القطب “Monopole antenna”: هو فئة من الهوائيات يكون فيها طول السلك الموصل نصف طول ثنائي القطب، أي “λ / 4″، كما يُعرف هذا أيضاً باسم احتكار ربع الموجة، كما أنّ مخطط إشعاع كل من الهوائي أحادي القطب وهوائي نصف الموجة ثنائي القطب هو نفسه.
في هذا الهوائي يتم إشعاع المجال في منطقة نصف الكرة العليا، وبالتالي فإنّ القدرة المشعة الإجمالية هي نصف الهوائي ثنائي القطب، وبشكل عام تم العثور على هذه التطبيقات كهوائي مُركب على السيارة.
5- الهوائي الحلقي “Loop antenna”:
الهوائي الحلقي “Loop antenna”: هو الفئة من الهوائي التي لها هيكل يشبه الحلقة يتكون من ثني الأسلاك المنتظمة المستقيمة، حيث يمكن أن يكون اتجاه الحلقات دائرياً أو بيضاوياً أو مستطيلاً أو مربعاً، وكما تعتمد كفاءة الهوائي على محيط الحلقة.
6- هوائي الفتحة “Slot antenna”:
يتم تشكيل هوائي الفتحة عن طريق تشكيل فتحات مفردة أو متعددة على سطح الدليل الموجي، فعلى سبيل المثال في حالة الدليل الموجي المستطيل، حيث يمكن قطع الفتحات على طول جدران الهيكل العريضة أو الضيقة إمّا بطريقة أفقية أو رأسية أو مائلة، كما يُشار إلى نوع الهوائي الذي يتم فيه قطع الفتحة على طول حافة الهيكل باسم هوائي القطع.
7- هوائي البوق “Horn antenna”:
هوائي البوق “Horn antenna”: هو نوع من الهوائي بهيكل دليل موجي على شكل بوق، وهو مصممة خصيصاً للعمل على ترددات الميكروويف، حيث عندما تعمل كعناصر تغذية للهوائيات الكبيرة، فإنّها تُعرف باسم أبواق التغذية.
8- الهوائي العاكس “Reflector Antenna”:
تستخدم هذه الهوائيات لإجراء تعديل في مخطط إشعاع العناصر المشعة، حيث عندما تضرب الموجة الكهرومغناطيسية سطح هذه الهوائيات، فإنّها تسمح بانعكاس الموجة في الاتجاه المطلوب، وهذه هي في الأساس نشطة أو سلبية في طبيعتها، كما تتكون باستخدام صفائح معدنية أو مجموعة من الأسلاك يتم استخدام مصدر للطاقة لإضاءة هذه الهوائيات.
وتقدم عموما الإثارة لهوائيات العاكس بواسطة هوائيات مثل ثنائي القطب وهوائي البوق وهوائي الفتحة وهي معروفة هوائيات مثيرة كما في هوائيات الابتدائي وهوائيات العاكس وعلى النحو المشار إليه تُعتبر بأنّها هوائيات ثانوية.
9- هوائي الموجة المتنقلة “Travelling Wave Antenna”:
هوائي الموجة المتنقلة “Travelling Wave Antenna”: هو نوع من الهوائي مصمم ليكون خالٍ من الأمواج الثابتة، حيث إنّه نوع من الهوائيات غير الرنانة، كما إنه يوفر نطاقاً ترددياً أكبر، حيث يتم تغذية أحد الطرفين بإشارة دخل، بينما يتم إنهاء الطرف الآخر بمقاومة مميزة، وبالتالي تجنب الانعكاسات.
10- هوائي السلك الحلزوني “Helical wire antenna”:
هو اسم آخر له هو الهوائي الحلزوني، حيث يتم تشكيل هيكل حلزوني باستخدام سلك واحد أو أكثر يتم تحفيزه بواسطة التغذية الخارجية، كما يوفر وضعين للإشعاع، أي الوضع العادي والمحوري.
أولاً: الوضع العادي “Normal mode”:
في هذا الوضع، يعمل بمثابة ثنائي القطب قصير؛ لأنّ الأبعاد أصغر من الطول الموجي.
ثانياً: الوضع المحوري “Axial mode”:
هنا الأبعاد هي نفس الطول الموجي للإشارة، كما يمكن أن تكون التغذية الخارجية المقدمة لها إمّا بطريقة محورية أو محيطية.
11- هوائي “Yagi-Uda”:
هوائي “Yagi-Uda”: هو هوائي مصفوفة سلكية به عناصر طفيلية نشطة ومتعددة، حيث يعمل ثنائي القطب المطوي كعنصر نشط بطول “λ / 2″، بينما يتم وضع العناصر الطفيلية المكونة من عاكس وعدد قليل من المخرجين أمام العناصر النشطة.
12- هوائي التصحيح “Microstrip”:
توجد هوائيات التصحيح في أشكال مستطيلة ودائرية وبيضاوية الشكل، كما يعمل هذا الهوائي بتردد الميكروويف، حيث يتم تغذية الإشارة إلى هذه الهوائيات إمّا من منطقة المركز أو الطرف أو الإزاحة، كما يتطلب مساحة خالية لخط التغذية.
13- هوائي العدسة “Lens Antenna”:
يتكون هوائي العدسة من عدسة كهرومغناطيسية إمّا ذات طبيعة محدبة أو مقعرة أو محدبة مع تغذية خارجية، كما قد يكون معامل الانكسار الفعال لهوائي العدسة أكبر أو أصغر من الوحدة، وهوائي العدسة مع “η <1” يمتلك عرض نطاق أكبر وهو شديد التشتت بطبيعته، ومع ذلك فإنّ “η> 1” عبارة عن هوائيات عدسات غير مشتتة، كما تتكون هذه الهوائيات بشكل عام من مواد عازلة معدنية أو غير معدنية.
أساسيات الهوائي:
إنّ الهوائيات البعيدة تعتبر مصادر نقطية بغض النظر عن حجمها، وفي مقابل الهوائيات الموجودة بالقرب من نقطة المراقبة لن تكون مصدراً نقطياً حتى لو كانت أبعادها صغيرة، لذلك لا يمكن تحديد ما إذا كان الهوائي هو مصدر نقطي أم لا من حيث الأبعاد فقط، وبالتالي يمكن أن يكون العامل الذي يقرر ما إذا كان الهوائي هو مصدر نقطي أم لا هو نسبة المسافة بين الهوائي ونقطة المراقبة إلى الحجم المادي للهوائي.
لذلك، يمكن استنتاج أنّه بالنسبة لقيمة النسبة الأكبر من الوحدة، كما يُعتبر الهوائي مصدراً نقطياً، حيث أنّ العاكسات المكافئة هي مثال على مصدر النقطة بسبب وجودها على مسافة كبيرة بما فيه الكفاية من الطبق الرئيسي.
