أنواع صفيف الهوائي Types of Antenna Arrays

في الهوائي الواحد على الرغم من وجود اتجاهية جيدة يفشل إلى حد ما في إرسال الإشارة إلى جهاز الاستقبال دون خسائر، وهذا هو سبب استخدام مجموعة الهوائي، حيث يعتمد تصنيف مجموعة الهوائيات بشكل عام على اتجاه العناصر الموجودة داخلها، وهذا يعني أنّ الطريقة التي يتم بها وضع الهوائيات المختلفة في الترتيب تصنف صفيف الهوائي.

ما هو صفيف الهوائي Antenna Arrays؟

صفيف الهوائيات: هي نظام واحد يتكون من ترتيب هوائيات مختلفة بطريقة مناسبة، وبشكل أساسي يجب توفير التباعد المناسب والمرحلة المناسبة للهوائيات عند تكوينها كمصفوفة، وعندما ترسل الهوائيات إشارة إلى مسافة أطول، فمن الضروري أن تمتلك كسباً توجيهياً عالياً؛ لأنّ الإشارة في معظم الأحيان تتشوه أثناء الانتشار من طرف إلى آخر.

صفيف هوائي واسع النطاق:

صفيف هوائي عريض: هو الصفيف الذي يشكل نوع ترتيب العناصر المتشابهة المتعددة التي يتم وضعها بشكل متوازي على طول الخط الطبيعي لمحاور الهوائي، كما من المعروف أنّه تكوين عملي لمصفوفة الهوائي الأكثر استخداماً، ويمثل الشكل أدناه الترتيب العريض لمجموعة الهوائي:

في هذا النوع من الترتيب، توجد العناصر أفقياً على مسافة متساوية من بعضها البعض ويتم تغذية كل عنصر بالتيار الذي له نفس الحجم والمرحلة، حيث في هذا الترتيب عندما يتم إثارة العناصر، يحدث انبعاث الإشعاع الأقصى من الجانب العريض، أي الاتجاه الطبيعي لمحور الصفيف، بينما تنبعث كمية قليلة من الإشعاع من الاتجاهات الأخرى، وبذلك يتم توفير نمط إشعاع ثنائي الاتجاه.

أمّا سبب مخطط إشعاعها ثنائي الاتجاه هو أنّها تشع في كلا الاتجاهين على طول الجانب العرضي وبالتالي يكون ترتيب العريض هو الترتيب الذي يكون اتجاهه الرئيسي للإشعاع طبيعياً لمحور الصفيف وكذلك مستوى وضع العنصر، ويمثل الشكل التالي مخطط إشعاع ترتيب هوائي النطاق العريض:

هذا يعني أنّه بالنسبة للمحاذاة الأفقية للعناصر سيكون هناك مخطط إشعاع عمودي، وتم تحويل نمط الإشعاع ثنائي الاتجاه إلى مخطط إشعاع أحادي الاتجاه، فيمكن القيام بذلك عن طريق وضع مصفوفة مماثلة على مسافة حوالي “λ / 4” خلف هذه المجموعة، وإثارة صفيف النسخ المتماثل مع تيار له طور بزاوية “90 درجة”، وبشكل عام يُظهر عدد العناصر في الترتيب الاعتماد على المساحة المتاحة جنباً إلى جنب مع الحاجة إلى عرض الحزمة والتكلفة، بينما يتم أخذ طول الصفيف بين “2” إلى “10 λ”.

في بعض الأحيان يتم استخدام هوائي عاكس بالاقتران مع مصفوفة عريضة، حيث يساعد هذا العاكس على عكس الموجة الخلفية المرسلة، وبالتالي إضافة الفص الصغير إلى القسم الرئيسي، هذا يحسن كسب واتجاهية هذا النوع من الهوائي ويوفر مخطط إشعاع أحادي الاتجاه، كما تجد هذه التطبيقات عموماً في أنظمة البث عبر البحار.

صفيف هوائي نهاية النار End-Fire Antenna Array:

تمتلك مصفوفة نهاية النار ترتيباً مشابهاً للعناصر مثل الترتيب العريض، لكن الاختلاف الجوهري بين التكوينين يكمن في طريقة الإثارة، حيث في مصفوفة نهاية النار يتم تغذية العناصر خارج الطور بشكل عام “180 درجة”، بينما في حالة الاتساع يتم تغذية كل عنصر بالتيار من نفس المرحلة، كما إنّه ترتيب يتم الحصول على أقصى إشعاع على طول محور الصفيف، ويتم عرض المنظر الأمامي للترتيب المادي للعناصر في مجموعة نهاية إطلاق النار كالتالي:

بشكل أساسي، هذا الترتيب الكامل للعناصر المتطابقة متحمس للتيار ذي الحجم المتساوي، ولكن هناك تباين مستمر في الطور على طول الخط من أجل الحصول على مخطط إشعاع أحادي الاتجاه وبشكل أكثر بساطة، يمكن تحديده بطريقة أنّ الاختلاف في الطور يجب أن يتغير تدريجياً بشكل مشابه للمسافة بين العناصر، وبالتالي إنّ مصفوفة النهاية النهائية تقدم نمط إشعاع أحادي الاتجاه، حيث يتم تحقيق أقصى قدر من الإشعاع على طول اتجاه محور المصفوفة، ويظهر نمط الإشعاع كالتالي:

في هذا الترتيب، تُؤخذ المسافة بين العناصر عموماً على أنّها “λ / 4” أو “3λ / 4″، حيث تناسب هذه المصفوفات نطاقات التردد المنخفض والمتوسط ​​والعالي، وتستخدم بشكل رئيسي في حالة الاتصال من نقطة إلى نقطة.

صفيف الهوائي الخطي Collinear Antenna Array:

صفيف الهوائي الخطي “Collinear Antenna Array”: هو ترتيب يسمح بوضع عناصر الهوائي المختلفة في سطر واحد من طرف إلى آخر، وهذا يعني أنّ العناصر المختلفة مكدسة خلف الأخرى في سطر واحد، ويمكن أن يكون هذا الترتيب إمّا رأسياً أو أفقياً، ويوضح الشكل التالي الصفيف الخطي بترتيب أفقي:

هنا أيضاً يتم توفير الإثارة بتيارات من نفس الحجم والمرحلة لجميع العناصر، ومثل مصفوفة عريضة النطاق يقدم هذا أيضاً إشعاعاً في الاتجاه الطبيعي لمحور المصفوفة، ومن ثم فإنّ نمط الإشعاع الخاص به يشبه إلى حد ما مصفوفة عريضة، ومع ذلك تُقدم هذه المجموعة تناظراً دائرياً عبر القسم الرئيسي، وبالتالي تسهل الإشعاع متعدد الاتجاهات من نفسه.

يوفر هذا الترتيب أقصى كسب عندما تكون العناصر متباعدة على مسافة حوالي “0.3 λ إلى “0.5 λ” ولكنّ هذا يؤدي إلى حدوث مشاكل إنشائية وتغذية في المصفوفة، لذلك يتم وضع العناصر بالقرب من بعضها البعض.

نمط إشعاع المصفوفة الخطية:

كما أنّه مع زيادة طول المصفوفة، تزداد الاتجاهية أيضاً، وبشكل عام يتم استخدام المصفوفة الخطية المكونة من عنصرين في الغالب؛ لأنّها تدعم التشغيل متعدد النطاقات، حيث في بعض الأحيان تستخدم بعض التطبيقات مجموعة من المصفوفات ذات النطاق العريض والنهاية النهائية والخطية المتداخلة، حيث يؤدي ذلك إلى زيادة الكسب والاتجاهية إلى نطاق عالٍ جداً .

المصفوفات الطفيلية Parasitic Array:

المصفوفات الطفيلية “Parasitic Array”: هي المصفوفات متعددة العناصر التي توفر كسباً توجيهياً عالياً دون تغذية كل عنصر من عناصر المصفوفة، حيث تساعد مجموعة الهوائي هذه على التعامل مع مشكلة خط التغذية من خلال عدم توفير الإثارة المباشرة لكل عنصر من عناصر المصفوفة.

أساس عملها هو تغذية بعض عناصر مجموعة الهوائي بشكل طفيلي، يوضح الشكل التالي الترتيب الطفلي:

لقد رأينا أنّه في جميع أنواع مجموعة الهوائي التي تمت مناقشتها أعلاه، يتم توفير الإثارة المباشرة لكل عنصر، لكن في المصفوفة الطفيلية يدعم الترتيب إثارة العنصر الدافع فقط بشكل مباشر، بينما تكون العناصر الأخرى متحمسة بشكل طفيلي، كما تُعرف العناصر التي لا يتم تغذيتها مباشرة بالعناصر الطفيلية، وتستمد هذه القوة من الإشعاع المنبعث من العنصر الدافع الموجود بالقرب منها.

هذا يعني أنّ العناصر الطفيلية يتم تحفيزها من خلال الاقتران الكهرومغناطيسي؛ لأنّ العنصر المدفوع موجود بالقرب منه، وهذا يعني أنّ العناصر الطفيلية في صفيف الهوائي ليست متحمسة بشكل مباشر وغير مباشر تستخدم الإثارة المقدمة للعنصر الدافع، كما أنّ التيار المستحث في العنصر الطفيلي بسبب العنصر المدفوع يعتمد على المسافة بين هذين العنصرين جنباً إلى جنب مع ضبطهما.

وعلى مسافة فصل عن “λ / 4 “وفرق الطور “90 درجة” بين عناصر مدفوعة والطفيلية يوفر نمط الإشعاع أحادي الاتجاه، ونمط الإشعاع لهذه المصفوفة هو نتيجة العاكس الموجود خلف العنصر المدفوع الذي يضيف الموجات المنعكسة إلى الموجة الأمامية.

أفضل مثال على مصفوفة طفيلية هو “Yagi-Uda Antenna“، حيث تعمل صفائف الهوائي هذه في نطاق تردد بين “100 ميجاهرتز” إلى “1000 ميجاهرتز”، كما يعرض نمط إشعاع أحادي الاتجاه في الاتجاه من عنصر مدفوع إلى عنصر طفيلي ويمتلك كسباً توجيهياً عالياً.