استقطاب الهوائي Antenna Polarization

يُعتبر استقطاب الهوائي معلمة حاسمة ويجب مراعاتها عند اختيار الهوائي أو تركيبه، حيث إنّه مرتبط ببساطة بخصائص استقطاب الموجة، كما إنّ الهوائيات هي محولات طاقة تقوم بتغيير شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر، حيث إنّه جهاز يسمح بانتشار الموجة في الفضاء الحر عن طريق تحويل الإشارة الكهربائية إلى موجات كهرومغناطيسية.

ما هو استقطاب الهوائي Antenna Polarization؟

استقطاب الهوائي “Antenna Polarization”: هو المصطلح المستخدم في المراسلات مع الموجة الكهرومغناطيسية التي تشع من خلالها، حيث يتم اعتباره بأنّه اتجاه متجه المجال الكهربائي للموجة الكهرومغناطيسية المشعة بواسطة الهوائي مع قدر ضئيل من الخسائر.

نظراً لأنّ الهوائي مرتبط بإرسال واستقبال الموجات، فإنّ اتجاه الموجة أثناء الانتشار يصف استقطاب الهوائي، كما يتم تحديد استقطاب الهوائي بشكل أساسي على طول الحزمة الرئيسية؛ لأنّ الخصائص عادة ما تكون ثابتة على طول الحزمة الرئيسية، ومع ذلك يوجد اختلاف في استقطاب الإشعاع الصادر من الأقسام الجانبية عن الحزمة الرئيسية، وبالتالي إذا لم يتم إعطاء اتجاه الاستقطاب، فسيتم أخذ الاتجاه من حيث يتم تحقيق أقصى مكاسب في الاعتبار.

ما هو الاستقطاب Polarization؟

الاستقطاب “Polarization”: هو خاصية خاصة للموجات الكهرومغناطيسية التي توفر علاقة محددة بين الاتجاه المتغير بمرور الوقت وحجم المجال الكهربائي المهتز، كما يمثل كيفية توجيه الموجات الكهرومغناطيسية مادياً في الفضاء.

في حالة الموجات الكهرومغناطيسية المستعرضة، يوجد متجه مجال كهربائي مرتبط به يهتز في الاتجاه العمودي لاتجاه انتشار الموجة، أمّا في حالة الموجات الكهرومغناطيسية غير المستقطبة، تهتز الموجات في نفس الاتجاه ويتم توجيه المجال الكهربائي بشكل عشوائي حول محور الانتشار، كما تمتلك الموجات الكهرومغناطيسية استقطاباً خطياً عندما يكون محاذاة في الفضاء هو نفسه.

كيفية قياس استقطاب الهوائي:

يرتبط استقطاب الهوائي بالموجة التي يشعها هذا الهوائي أو يستقبلها في اتجاه معين، ومع ذلك في حالة الاتجاه غير المحدد، كما يُنظر في استقطاب الهوائي على طول الاتجاه، حيث يكون الكسب الأعلى كما أنّ استقطاب الهوائي يتغير مع تغير المسافة من مركز الهوائي، وبالتالي قد يكون لأجزاء الهوائي المختلفة استقطاب مختلف.

إنّ للموجة الكهرومغناطيسية مركبين مجاليين كهربائي ومغناطيسي، كما يكون المتجه الكهربائي والمغناطيسي متعامدين بشكل متبادل مع اتجاه انتشار الموجة، لكن يتم الرجوع إلى المتجه الكهربائي عند اعتماد الاستقطاب، لهذا السبب يتم تحديد مستوى استقطاب موجات الراديو في اتجاه المتجه الكهربائي، كما يوضح الشكل التالي تمثيل الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر مع مكون المجال الكهربائي والمغناطيسي:

يُعتبر اتجاه الهوائي واستقطابه متشابهان، ولهذا السبب يشع الهوائي الرأسي موجات مستقطبة رأسياً بينما يشع الهوائي الأفقي موجات مستقطبة أفقياً، حيث أنّ متجه المجال الكهربائي عمودي وبالتالي فإنّ الموجات مستقطبة رأسياً، وهذا يعني أنّه إذا كان متجه المجال الكهربائي موجوداً في المستوى الرأسي فوق سطح الأرض، فإنّه يُعرف بأنّه مستقطب عمودياً، وبالمثل عندما يكون متجه المجال الكهربائي على طول المستوى الأفقي، فإنّه يطلق عليه الموجات المستقطبة أفقياً.

كما يُعتبر الاستقطاب هو الخاصية المميزة للهوائي المصمم لإشعاع موجة مستقطبة خطياً، لذلك يمكن اعتبار أنّ الاتجاه المادي للهوائي في الفضاء يعطي فكرة أساسية عن استقطاب الموجات، وهذا يدل على أنّ نوع الاستقطاب هو عامل تصميم الهوائي.

أنواع استقطاب الهوائي:

أولاً: الاستقطاب الخطي “Linear Polarization”:

الاستقطاب الخطي “Linear Polarization”: هو نوع من الاستقطاب تمتلك فيه كل الموجات محاذاة متشابهة في الفراغ سواء كانت رأسية أو أفقية.

كما يُعرف الهوائي الذي يشع موجات مستقطبة رأسياً أو موجات مستقطبة أفقياً بالهوائي المستقطب خطياً، حيث يستخدم هذا النوع من الاستقطاب بشكل أساسي بواسطة الهوائي المستخدم في انتشار الموجات الفضائية.

ثانياً: الاستقطاب الدائري “Circular Polarization”:

تسمى الهوائيات المصممة للإشعاع أفقياً وعموديًا جنباً إلى جنب مع جميع المستويات الموجودة بينهما بالهوائي الدائري، وعندما يتم إنتاج موجتين مستقطبتين خطياً على وجه التحديد لهما سعات متساوية بواسطة هوائي واحد في نفس الاتجاه في اتجاه عمودي متبادل مع بعضها البعض، يتم إنتاج موجات مستقطبة دائرياً، وهذا يعني أنّ الموجتين المستقطبتين خطياً يجب أن تمتلك فرق طور قدره “90 درجة”.

ووفقاً للتنسيق الدوراني، قد يكون الاستقطاب الدائري يميناً أو يساراً، وهذا يعتمد على قطبية فرق الطور كما يناسب الاستقطاب الدائري تطبيقات “VHF” و”UHF” والميكروويف، فعلى سبيل المثال في تطبيقات الرادار لتقليل أصداء الفوضى وفي الأقمار الصناعية، كما يتم الحصول على أقصى قدر من الكفاءة بين هوائيات الإرسال والاستقبال عندما يُظهر كلا الهوائيين استقطاباً دائرياً.

ثالثاً: الاستقطاب الإهليلجي “Elliptical Polarization”:

تتولد الموجات المستقطبة بيضاوياً أي إهليلجياً مرة أخرى من الموجتين المستقطبتين خطياً، مثل الموجات المستقطبة دائرياً، كما أنّه في الموجات المستقطبة دائرياً تكون سعة الموجتين المستقطبتين خطياً، ويجب أن تكون متساوية على وجه التحديد، ولكن عندما يتم الجمع بين موجتين مستقطبتين خطياً من السعات غير المتكافئة والتي تكون متعامدة بشكل متبادل مع بعضها البعض، يتم إنتاج الموجة المستقطبة بيضاوياً.

إنّ النسبة المحورية تلعب دوراً حاسماً في تحديد نوع الاستقطاب، حيث إنّها نسبة المجال في المستوى الرأسي إلى المجال في المستوى الأفقي، كما يتم اختصاره كـ “AR” وتقع قيمته بين “1” إلى “∞” حيث بالنسبة للهوائي المستقطب دائرياً، فإنّه يقع بين “0” إلى “2”، ومع ذلك بالنسبة للقيمة التي تزيد عن “2”، يُعتبر الاستقطاب إهليلجياً وهو لانهائي للاستقطاب الخطي.

الاستقطاب المشترك والاستقطاب المتقاطع:

في بعض الأحيان يمكن أيضاً تصنيف الاستقطاب على أنّه استقطاب مشترك واستقطاب متقاطع، وبشكل عام تنبعث بعض الإشعاعات غير المرغوبة أيضاً من الهوائي المستقطب خطياً، وتسمى هذه بالاستقطاب المتقاطع واتجاهها طبيعي لاتجاه الإشعاع الفعلي، ومع ذلك فإنّ الاستقطاب المشترك هو الاستقطاب في اتجاه مستوى الإشعاع.

تأثير تركيب الهوائيات على الاستقطاب:

يُعتبر تركيب الهوائيات من الاعتبارات الحاسمة في الحصول على الأداء الأمثل خاصة في المستوى الأفقي أو الرأسي، حيث سيكون للهوائي ثنائي القطب المستقيم استقطابات مختلفة عند تركيبه أفقياً أو رأسياً، ومن الناحية العملية سيكون للهوائي المستقطب أفقياً خسارة أقل عند تركيبه بالقرب من السقف، وقد ثبت أنّ الهوائي المستقطب رأسياً سيكون له خسارة أقل عند تركيبه بالقرب من جدار جانبي.

استقطاب هوائيات احادية الاتجاه:

الهوائيات متعددة الاتجاهات لها استقطاب وأداء مختلفين مقارنة بالهوائيات الخطية أو الاتجاهية، حيث تشع هذه الهوائيات طاقة التردد الراديوي في جميع الاتجاهات، وبشكل عمودي على محور الهوائي في مخطط إشعاع مميز على شكل “دائري”، وهوائيات احادي الاتجاه عادةً ما تكون مستقطبة عمودياً، على الرغم من أنّها يمكن أن تكون مستقطبة دائرياً أو ثنائية الاستقطاب.

يمكن أن تسبب الطبيعة شاملة الاتجاهات لهذه الهوائيات انعكاسات يتم تخفيفها عن طريق الاستقطاب الدائري، والهوائي متعدد الاتجاهات المستقطب دائرياً غير حساس لاتجاه الموجة، ممّا يوفر أداءً وكسباً فعالين بشكل خاص، حيث في هوائيات الاستقبال يوفر هوائي “CP” متعدد الاتجاهات ثنائي الاستقطاب نقلاً مثالياً للطاقة الكهرومغناطيسية، كما إنّه خيار مفضل لكل من هوائيات الإرسال والاستقبال في الإرسال والشبكات اللاسلكية.

ضمن إعدادات الترددات الراديوية، يعمل الهوائي كواجهة كهربائية لنشر الطاقة الكهرومغناطيسية وتوصيل التيار الكهربائي، كما يُعد الاختيار الصحيح للهوائي أمراً بالغ الأهمية لإنشاء إعداد تردد لاسلكي يعمل على النحو الأمثل، حيث تكون الهوائيات مطابقة دقيقة للحجم والميكانيكا والأداء البيئي للتطبيق المطلوب.

• “CP” هي اختصار لـ “Circularly Polarized”.