خصائص الهوائيات في الاتصالات

يستخدم الهوائي لتحويل الطاقة الكهربائية إلى موجات راديو تتيح الاتصال أو التعليمات بين نقطتين، حيث عادةً ما تكون هذه أجهزة إرسال واستقبال لاسلكية، ولن يعمل أي جهاز لاسلكي بدون جهاز، واعتماداً على التطبيق يمكن أن تكون الهوائيات في بعض الأحيان بسيطة مثل قطعة من الأسلاك، كما تعمل عندما تصل موجات الراديو إلى هوائي وتتسبب في اهتزاز الإلكترونات الموجودة بداخله وينتج عن هذا تيار كهربائي يكرر الإشارة الأصلية.

ما هو الهوائي Antenna

الهوائي “Antenna”: هو جهاز طرفي أساسي في جميع أنواع أنظمة الاتصالات والرادار، كما تتطلب كل أنظمة الاتصالات والرادار هوائياً بشكل أو بآخر، وبدون هوائي لن يكون هناك نظام اتصال ولا نظام رادار والهوائي هو مصدر وكذلك جهاز استشعار للموجة الكهرومغناطيسية.

أساسيات الهوائيات

الهوائي هو جهاز يحول التيارات الكهربائية إلى موجات كهرومغناطيسية والعكس صحيح، كما يمكن اعتبارها شبكة مقاومة حثية وسعوية معقدة “RLC”، وفي بعض الترددات سيظهر كمفاعل استقرائي وفي البعض الآخر كمفاعلة سعوية، وعند تردد معين يكون كلا التفاعلين متساويين في الحجم ولكنّهما متعاكسان في التأثير، وبالتالي يلغي كل منهما الآخر.

وعند هذا التردد المحدد تكون المعاوقة مقاومة بحتة ويقال إنّ الهوائي طنين، حيث يلتقي المادي بالنظرية، وسيحدث الرنين عند مضاعفات العدد الصحيح أو كسور تكرار الاهتمام وتتوافق هذه الترددات مع الطول الموجي، وهذا الطول الموجي هو طول الهوائي المطلوب وهذا الطول هو ما يجب دمجه في المنتج النهائي إمّا مدمجاً داخل العلبة أو مرفقاً خارجياً بالجهاز.

يُعرَّف عرض حزمة الهوائي على أنّه عرض الحزمة عند مستوى قدرة “3 ديسيبل” نزولاً من ذروة الفص الرئيسي أي ما يعادل نصف عرض حزمة القدرة، كما يسمى الفرق بين قمم القسم الرئيسي والقسم الجانبي الأكبر مستوى القسم الجانبي، ويُعطى كسب الهوائي على أنه نسبة كثافة قدرة الهوائي إلى الهوائي المرجعي بقوة ثابتة معينة عند زاوية معينة.

يُطلق على كسب الهوائي الذي يتم الحصول عليه بواسطة هوائي متناح باعتباره الهوائي القياسي الكسب القياسي، ونسبة كثافة القدرة عند زاوية معينة إلى متوسط ​​كثافة القدرة المحددة من كل القدرة الإشعاعية تسمى الاتجاهية.

• “RLC” هي اختصار لـ “Resistance, Inductance, Capacitance”.

ما هو كسب الهوائي

الكسب: هو مؤشر أداء رئيسي يجمع بين اتجاهية الهوائي والكفاءة الكهربائية، ويصف “Gain” مدى جودة تغطية الهوائي لقدرة الإدخال في موجات الراديو الموجهة في اتجاه محدد أو العكس، وبشكل أساسي يشير إلى مدى جودة عمل الهوائي لاستقبال أو إرسال إشارة مقارنة بما إذا لم يكن لديك واحدة.

يقاس الكسب بالديسيبل “dBi” وكلما زاد “dBi” زاد الكسب، كما تعتبر الهوائيات عالية الكسب مفيدة في معالجة الإشارة للمضي قدماً في اتجاه واحد وأقل في اتجاه آخر، ولكنّها لا تزيد من قوة الإشارة بشكل عام، وعلى سبيل المثال سيؤدي استخدام هوائي عالي الكسب على جهاز توجيه “wi-fi” الخاص بك إلى تحسين وصول الإشارة على الأرض، ولكن من المحتمل أن تواجه الغرف في الطوابق الأخرى من المنزل بعض المشاكل في الاتصال بالإنترنت.

الاتجاهية أم تعدد الاتجاهات في الهوائي

يمكن تصنيف معظم الهوائيات على أنّها اتجاهية أو شاملة الاتجاهات، كما تستقبل الهوائيات متعددة الاتجاهات وترسل في دائرة نصف قطرها “360 درجة”، وتشع المسحوق بشكل موحد في جميع الاتجاهات على مستوى واحد وعادة ما يكون هذا النوع على الهوائي على شكل قطب، ويقع على مستوى معدني أي سقف السيارة على سبيل المثال والذي يعمل كنصف سفلي من ثنائي القطب.

يتم استخدامها بشكل شائع لتطبيقات “GPS” والمركبات وراديو الطوارئ ولها مكاسب أعلى في الاتجاهات الأفقية، كما تستقبل الهوائيات الاتجاهية وتنقل الطاقة بشكل أساسي من اتجاه واحد والنوع الأكثر شيوعاً من الهوائي الاتجاهي هو “Yagi“، وعادةً ما يستخدم كهوائي للتلفاز ويعزز الطاقة في اتجاه واحد باستخدام شوكات متعددة لتشجيع الكسب الكلي.

والهوائيات الاتجاهية جيدة للاستخدام المنزلي أو التجاري، حيث يمكنك ضبط النظام للحصول على تغطية مثالية، ومع الهوائي الاتجاهي كلما زادت تركيز الطاقة أي كلما كانت النسبة المئوية التي تشعها الإشارة “360 درجة” أصغر زادت المسافة التي يمكن الوصول إليها.

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

ما هي خصائص الهوائي

1- نمط الإشعاع

• الخصائص الرئيسية للهوائي هي مخطط الإشعاع.

• مخطط الهوائي هو تمثيل رسومي في ثلاثة أبعاد لإشعاع الهوائي كدالة للاتجاه الزاوي.

• عادة ما يتم قياس أداء إشعاع الهوائي وتسجيله في مستويين رئيسيين متعامدين أي “المستوى E” و”المستوى H” أو المستوي الرأسي والأفقي.

• يحتوي نمط معظم هوائيات المحطة الأساسية على فص رئيسي وعدة أقسام صغيرة تسمى الأقسام الجانبية.

• يسمى القسم الجانبي الذي يحدث في الفضاء في الاتجاه المعاكس للقسم الرئيسي القسم الخلفي.

2- كسب الهوائي

• كسب الهوائي هو مقياس لكفاءة الهوائيات.

• الكسب هو نسبة الحد الأقصى للإشعاع في اتجاه معين إلى نسبة إشعاع هوائي مرجعي من أجل قدرة دخل متساوية.

• بشكل عام الهوائي المرجعي هو هوائي متناح.

• يُقاس الكسب عموماً بـ “ديسيبل أعلى من الخواص (ديسيبل)” أو “ديسيبل فوق ثنائي القطب (ديسيبل)”.

• المبرد الخواص هو هوائي مثالي يشع القدرة مع كسب وحدة بشكل موحد في جميع الاتجاهات. ديسيبل = ديسيبل + 2.15

• يعتمد كسب الهوائي على الحجم الميكانيكي ومنطقة الفتحة الفعالة ونطاق التردد وتكوين الهوائي.

• يمكن أن تحقق هوائيات “GSM1800” زيادة بمقدار “5 ديسبل” إلى “6 ديسيبل” أكثر من هوائيات “GSM900” مع الحفاظ على نفس الحجم الميكانيكي.

ملاحظة:“GSM” هي اختصار لـ “Global System for Mobile”.

3- نسبة الاتجاهية للأمام إلى الخلف

• هي نسبة الاتجاهية القصوى للهوائي إلى اتجاهه في اتجاه خلفي محدد.

• يجب استخدام الهوائي بنسبة عالية من الأمام إلى الخلف.

• أول عرض شعاع فارغ

• عرض الحزمة الفارغ الأول “FNBW” هو الامتداد الزاوي بين أصفار المخطط الأولى المجاورة للفص الرئيسي.

• يصف هذا المصطلح التغطية الزاوية للخلايا المائلة.

ملاحظة:“FNBW” هي اختصار لـ “First Null Beam width”.

4- جوانب الهوائي

• الجانب الرئيسي هو الفص الإشعاعي الذي يحتوي على اتجاه أقصى قدر من الإشعاع.

• تتضمن الجانب الجانبي.

• عرض الحزمة نصف الطاقة.

• عرض الحزمة نصف القدرة “HPBW” هو الزاوية بين النقاط الموجودة على الفص الرئيسي والتي تقل بمقدار “3 ديسيبل” في الكسب مقارنة بالحد الأقصى.

• الزوايا الضيقة تعني التركيز الجيد للقوة المشعة.

ملاحظة:“HPBW” هي اختصار لـ “Half Power Beam width”.

5- الاستقطاب

• الاستقطاب هو انتشار متجه المجال الكهربائي.

• عادة ما تكون الهوائيات المستخدمة في الاتصالات الخلوية مستقطبة رأسياً أو مستقطبة عرضية.

6- عرض النطاق الترددي

• هو مدى الترددات التي يتوافق فيها أداء الهوائي ومع بعض الخصائص ومع معيار محدد.

• “VSWR” للهوائي هو العامل الرئيسي الذي يحد من عرض النطاق الترددي.

ملاحظة:“VSWR” هي اختصار لـ “Voltage Standing Wave Ratio”.

7- مقاومة الهوائي

• يمكن تحقيق أقصى قدر من اقتران القدرة في الهوائيات عندما تتطابق مقاومة الهوائي مع معاوقة الكابلات.

• القيمة النموذجية هي “50 أوم”.

8- الحجم الميكانيكي

• يرتبط الحجم الميكانيكي بكسب الهوائي الذي يمكن تحقيقه.

• توفر الهوائيات الكبيرة مكاسب أعلى ولكنّها تحتاج أيضاً إلى عناية في النشر وتطبيق عزم دوران مرتفع على سارية الهوائي.