اتجاهية الهوائي Antenna Directivity

يتم قياس اتجاهية الهوائي بالتناظر مع تركيز الطاقة المشعة بواسطة هوائي الإرسال على وجه التحديد في اتجاه معين، بينما بالنسبة لهوائي الاستقبال تمثل الاتجاهية قدرة الهوائي على جمع معظم الطاقة المشعة من اتجاه معين.

ما هو اتجاهية الهوائي Antenna Directivity؟

اتجاهية الهوائي “Antenna Directivity”: هي قياس تركيز مخطط إشعاع الهوائيات في اتجاه معين كما يتم التعبير عن الاتجاهية في ديسيبل، حيث كلما زادت الاتجاهية زاد تركيز الحزمة التي يشعها الهوائي أو تركيزها، والاتجاهية الأعلى تعني أيضاً أنّ الحزمة ستنتقل أكثر.

الاتجاهية العالية ليست دائماً أفضل، فعلى سبيل المثال تتطلب العديد من التطبيقات مثل الأجهزة المحمولة هوائيات متعددة الاتجاهات، وبالتالي تتطلب هوائيات ذات اتجاه منخفض أو معدوم، كما تُستخدم الهوائيات عالية الاتجاه في التركيبات الدائمة مثل التلفاز عبر الأقمار الصناعية ووصلات التوصيل اللاسلكي وما إلى ذلك؛ لأنّها تحتاج إلى إرسال واستقبال المعلومات عبر مسافات أطول، وفي اتجاه معين.

يرتبط كسب الهوائي باتجاهيته، والاتجاهية هي مؤشر رقمي لقدرة الهوائي على تركيز الطاقة في اتجاه معين بدلاً من نشر الطاقة بشكل موحد على مدى زاوية واسعة، حيث يُعتبر الكسب مؤشر أداء رئيسي لقدرة إدخال الهوائي في موجات الراديو باتجاه اتجاه معين، والهوائي ليس نظاماً بلا خسارة، كما يتم فقدان بعض الطاقة التي تدخل أطراف الهوائي بسبب فقد الحرارة وما إلى ذلك، وكسب الهوائي هو اتجاهه الذي يتم تقليله بفعل الخسارة التي يسببها الهوائي، كما تُسمى المعلمة التي تميز فقدان الهوائي كفاءة الإشعاع “e/r”، والتي تتراوح قيمتها بين “0” و”1″.

وتجدر الإشارة إلى أنّ الخسارة المذكورة ليست خسارة عدم التطابق، وهي الخسارة التي تحدث بين الهوائي وخط نقل التغذية المتصل به، كما إنّ الخسارة التي تتميز بها كفاءة الإشعاع هي خسارة تحدث في الهوائي على أساس مستقل، وبغض النظر عن طريقة مطابقتها لخط التغذية، كما ترتبط الاتجاهية بكسب الهوائي وكفاءة الهوائي، وبعبارة أخرى يتكون كسب الهوائي أساساً من مكونين أحدهما الاتجاهية والآخر هو الكفاءة، وبالتالي فإنّ العلاقة تعطى على النحو التالي:

كسب الهوائي = اتجاهية الهوائي * كفاءة الهوائي

وهذا يعني أنّ كسب الهوائي هو نتاج اتجاهية وكفاءة الهوائي، حيث تختلف الاتجاهية باختلاف أنواع الهوائيات، وبشكل عام بالنسبة لثنائي أقطاب قصير تبلغ قيمته “1.76 ديسيبل”، بينما تبلغ حوالي “50 ديسيبل” بالنسبة لهوائي الطبق الكبير، ويسمى أيضاً أقصى كسب للتوجيه ويرمز له “D”.

كيفية قياس اتجاهية الهوائي:

تُعد اتجاهية الهوائي بأنّها نسبة شدة الإشعاع القصوى إلى متوسط ​​شدة الإشعاع ويتم النظر في كلاهما لهوائي الاختبار، وبالتالي يمكن كتابتها على النحو التالي:

D= Φ (θ، φ) max / φ av

حيث تمثل “Φ (θ، φ) max” القدرة لكل وحدة زاوية صلبة، ممّا يدل على شدة الإشعاع القصوى، كما يُظهر “φ av” متوسط ​​شدة الإشعاع التي يتم حساب متوسطها على نظام كروي، لذلك فإنّ:

D= Φ (θ، φ) max/ φ av= P(θ، φ) max /pav

لذلك، من حيث كثافة القدرة تُعرّف الاتجاهية بأنّها نسبة كثافة القدرة القصوى إلى متوسط ​​كثافة القدرة على كرة، حيث يتم قياس كلاهما في المجال البعيد لهوائي الاختبار، كما أنّ الاتجاهية هي كمية بلا أبعاد تساوي قيمتها أو تزيد عن “1” بشكل عام، كما يتم تعريف الاتجاهية بطريقة أخرى، حيث يتم تحديد الاتجاهية بالنسبة إلى القدرة المشعة الإجمالية، كما يتم تعريف اتجاهية الهوائي بشكل بديل على أنّها نسبة القدرة الإجمالية التي يشعها الهوائي المعني إلى القدرة التي يشعها الهوائي المتناحي، حيث تكون شدة الإشعاع متساوية، حيث يمكن كتابتها على النحو التالي:

D= Power radiated by test Antenna / Power radiated from isotropic antenna

لذلك، عندما تكون شدة الإشعاع المنبعث هي نفسها، فإنّ:

‘‘ D= W ‘ / W 

حيث تمثل (‘ W) القدرة التي يشعها هوائي الاختبار، كما يُشير (‘‘ W) إلى القدرة التي يشعها الهوائي الخواص أي شامل الاتجاهات، كما أنّه للحصول على متوسط ​​كثافة الإشعاع، يجب قسمة إجمالي القدرة المشعة على “4π”، أي أنّ:

D = Φ (θ، φ) max / (Wr / 4 π )

وهذا يعني أنّ الاتجاهية مرتبطة بالقيم القصوى للهوائي، أي أنّ:

D= 4 π (Max Radiation INTENSITY) /(Total radiation Power)

تُعد الاتجاهية هي عامل حاسم مرتبط بالهوائي نظراً لسبب أنّ بعض الأنظمة تشع بشكل خاص في اتجاه معين من خلال تشكيل زاوية ضيقة بالنسبة لهوائيات الإرسال، وبينما بالنسبة لهوائي الاستقبال يتم التحقق من الاتجاهية باعتبارها قدرته على جمع الطاقة المشعة من اتجاه معين، وهذا يدل على أنّه يهتم بمستوى الاتجاهية التي يمتلكها مخطط إشعاع الهوائي، ومن ثم تُعتبر المعلمة الأساسية للهوائي.

ولكن على الرغم من كونها الخاصية الأساسية للهوائي، إلّا أنّ جميع الهوائيات لا تمتلك اتجاهية عالية، كما لا تزال تجد استخداماتها في مختلف المجالات، وبشكل عام بناءً على الاتجاهية التي يظهرها الهوائي تصنف الهوائيات على أنّها هوائي منخفض الاتجاه وعالي الاتجاه، والهوائي الذي يشع في جميع الاتجاهات تقريباً، حيث يوجد التباين الوحيد في شدة الإشعاع في الاتجاهات المختلفة، اتجاهية تبلغ “0 ديسبل” أو “1 ديسيبل”، كما تُعرف هذه الهوائيات بالهوائي متعدد الاتجاهات، ولكن في حالة هذا الهوائي تنتشر الحزمة المشعة إلى مسافات أقصر.

بشكل أساسي، عندما يمتلك الهوائي اتجاهية عالية تكون الحزمة المشعة ذات طبيعة مركزة للغاية وبالتالي تنتشر إلى مسافات أطول مقارنة بالحزمة المشعة من هوائي الاتجاه المنخفض، كما إنّ الهوائي الذي يمتلك اتجاهية منخفضة يجد أيضاً تطبيقات رئيسية، حيث يرجع ذلك إلى أنّ الاتجاهية العالية للهوائي غير مناسبة لجميع التطبيقات، وبشكل عام يتم استخدام الهوائيات ذات الاتجاهية العالية في مثل هذه التطبيقات، حيث يتم تثبيت الهوائيات بشكل دائم.

لذلك نظراً للموضع الثابت يلزم نشر الطاقة المشعة لمسافة أطول ويتم تسهيل ذلك بواسطة هوائي ذي اتجاهية عالية، والمثال الرئيسي لهذا النوع من الهوائي هو هوائي التلفاز الفضائي، ولكن عندما نتحدث عن الهوائيات منخفضة الاتجاه، فإنّ استخداماتها ترتبط بالظروف التي لا يلزم فيها تركيب الهوائيات في مكان معين ويمكن أن تكون متحركة، وهذا لأنّه في هذه الحالة يمكن لهوائيات الإرسال المتنقلة نقل الطاقة في جميع الاتجاهات المحددة، ويمكن لهوائي الاستقبال المتنقل جمع المعلومات من أي اتجاه قادم نحوه، ومثاله هو هوائي الهواتف المحمولة.

كيفية تصميم الهوائي اعتمادا على الاتجاهية:

القاعدة العامة في “Antenna Theory” هي أنّ يجب توفرإلى هوائي صغير كهربائياً لإنتاج اتجاهية منخفضة، أي إذا كنت تستخدم هوائياً بحجم إجمالي يبلغ “0.25 – 0.5 طول موجي”
من أجل الاتجاهية، فإنك ستقلل من الاتجاهية، أي أنّ الهوائيات نصف الموجة ثنائية الأقطاب أو الهوائيات ذات الفتحات نصف الموجية لها اتجاهات أقل من “3 ديسيبل”، وهي أقل اتجاهية يمكنك الحصول عليها عملياً.

في النهاية، لا يمكن جعل الهوائيات أصغر بكثير من ربع طول الموجة دون التضحية بكفاءة الهوائي وعرض النطاق الترددي للهوائي، وعلى العكس من ذلك بالنسبة للهوائيات ذات الاتجاهية العالية، سنحتاج إلى هوائيات ذات أطوال موجية عديدة، وهذا يعني أنّ الهوائيات مثل هوائي الأطباق أو الأقمار الصناعية وهوائيات البوق لها اتجاهية عالية، ويرجع ذلك جزئياً إلى أنّها ذات أطوال موجية عديدة.