هوائي العدسة Lens Antenna

تُستخدم هوائيات العدسة السطح المنحني للإرسال والاستقبال، حيث تتكون هوائيات العدسة من الزجاج، كما يتم اتباع الخصائص المتقاربة والمتباينة للعدسة، وتستخدم هوائيات العدسة لتطبيقات التردد العالي.

ما هو هوائي العدسة Lens Antenna؟

هوائي العدسة “Lens Antenna”: هو الهوائي المصمم لتوحيد الطاقة المتباعدة الناتجة من أجل تحويلها إلى موجات مستوية باستخدام مادة العدسة المناسبة، وهو هوائي ميكروويف يستخدم مبدأ الانكسار الذي تستخدمه العدسة الضوئية للضوء من أجل إعادة إشعاع الطاقة المستقبلة في الاتجاه المطلوب.

يبدأ نطاق تردد التشغيل الذي يوفره هوائي العدسة عند “1 جيجا هرتز”، ولكنّه يستخدم بشكل رئيسي فوق “3 جيجاهرتز”، وهذا يعني أنّها مصممة للعمل بتردد عالٍ جداً، كما أنّه في حالة العمليات منخفضة التردد، تصبح الأبعاد كبيرة جداً، وبالتالي يصبح ترتيب الهوائي ضخماً، وهذا هو السبب في أنّها مناسبة لعمليات التردد العالي جداً، كما يُعتبر هوائي العدسة بمثابة مشعاع يعمل على العمل الموازي للعدسة البصرية، حيث أنّ تشغيله مشابه للهوائيات العاكسة.

الهوائي العاكس الذي يسمح للطاقة المتساقطة على سطحه بالترابط في الاتجاه المطلوب، وبالتالي ينتج عن تحويل الموجات الكروية إلى موجات مستوية، حيث يؤدي هذا إلى زيادة الكسب التوجيهي الذي يوفره ترتيب الهوائي، وعلى غرار العاكس المكافئ، تم تصميم هوائي العدسة لتجميع الطاقة الساقطة المتباينة في الطبيعة، في الاتجاه المطلوب، وهذا يمنع الانتشار غير المرغوب فيه للطاقة وبالتالي تحسين الكفاءة.

مبدأ تشغيل هوائي العدسة Lens Antenna:

تستخدم هوائيات العدسة مبدأ العدسة المتقاربة من أجل تجميع الطاقة التي تسقط عليها، وذلك بنفس طريقة قيام عدسة بصرية بسيطة بأداء عمل الموازنة، حيث في العاكس المكافئ تكون الطاقة المنبعثة من عنصر التغذية الموجود في بؤرة العاكس عندما يصل إلى سطحه، وبعد ذلك يحول الموجات الدقيقة المشعة كروياً إلى موجات مستوية، وبعدها يُحسن الاتجاهية.

بطريقة مماثلة في حالة هوائي العدسة، يعمل مصدر النقطة كغذاء ينبعث طاقة الميكروويف باتجاه سطح العدسة البصرية، كما يجبر هذا السطح البصري على تغيير جهات الموجة الكروية المشعة إلى واجهة موازية، حيث أنّه في الممارسة العامةّ فإنّ العدسة الموازية مصنوعة من مادة عازلة تمتلك القيمة المحدودة لثابت العزل الكهربائي، ولكن يمكن أيضاً إنشاء هذه المواد بمواد تظهر أقل من وحدة معامل الانكسار عند الترددات الراديوية، كما إنّه يعرض إلى حد ما نظرية المعاملة بالمثل، وبالتالي يتم استخدامها عند طرفي الإرسال والاستقبال.

عمل عدسة الهوائي:

يتوفر نوعاً متقارباً من العدسات البصرية الموجودة في موضع معين من حيث يتم إطلاق الطاقة الموجودة في النقطة المحورية على مسافة البعد البؤري على طول محور العدسة البصرية.

كما أنّه من وجهة النظر البصرية، وعندما يسقط الضوء على سطح العدسة، فإنّه ينحني بسبب الانكسار وطريقة انحناء الطاقة الضوئية تعتمد على الانحناء، وكذلك المادة التي صنعت منها العدسة، لذلك عندما يكون هوائي التغذية، بشكل عام البوق أو هوائي ثنائي القطب موجوداً في النقطة المحورية، أي الموجودة على الجانب الأيسر للعدسة، فإنّ واجهة الموجة الكروية الخارجة من المصدر والتي تتباعد في طبيعة الحادث على سطح العدسة هوائي.

وهكذا، بعد السقوط عندما تمر الأشعة من خلاله تتصادم الأشعة المتباعدة بسبب الانكسار، ويتم تحويلها إلى واجهات موجة مستوية، وبعد ذلك يتم الحصول على الأشعة المتوازية في الجانب الأيمن من العدسة البصرية، وبهذه الطريقة يتم إرسال الإشارة من هوائي العدسة باستخدام عنصر تغذية، وبطريقة مماثلة إذا كان هذا الهوائي مصنوعاً من مادة عازلة للكهرباء، فإنّ الموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد الراديوي يتم موازنتها بطريقة مماثلة ويتم نقلها بشكل أكبر، كما أنّ عكس الإجراء الموضح أعلاه لهوائي العدسة صحيح أيضاً، وضع في اعتبارك الشكل الموضح أدناه:

هنا تتلاقى الأشعة الموازية التي تقع على سطح العدسة المتقاربة على الجانب الأيسر من العدسة عند نقطة التركيز بسبب آلية الانكسار، وبالتالي يتم استخدام هذه العملية عند استخدامها في وضع الاستلام، وهذا يدل على أنه يتبع مبدأ نظرية المعاملة بالمثل، وهناك نقطة مهمة يجب ملاحظتها هنا وهي أنّه لتحقيق خصائص تركيز أفضل عند الترددات الراديوية، كما يجب أن يكون للوسيط معامل انكسار أقل من الوحدة، حيث يؤدي هذا إلى توفير واجهات موجة مستقيمة حتى عندما يكون معامل الانكسار للمادة مرتفعاً أو منخفضاً.

أنواع هوائي العدسة:

التصنيفان الرئيسيان لهوائيات العدسة هما كما يلي :

أولاً: هوائي Delay Lens:

هوائي العدسة المتأخر “Delay Lens Antenna”: هو نوع هوائي العدسة الذي يسبب التخلف في جبهات الموجة المتنقلة بسبب وسائط العدسة بهوائي العدسة المتأخر، وتُعرف هذه العدسات أحياناً باسم العدسة العزلة، والسبب في ذلك هو أنه بسبب وسط العدسة، حيث يزداد طول المسار الكهربائي وتخضع الموجة للتشوه.

يتم تصنيفها كذلك إلى فئتين، وهما عدسة عازلة غير معدنية وعدسة عازلة معدنية، حيث يعتمد التصنيف على نوع المادة العازلة، أي المعدنية أو غير المعدنية المستخدمة في البناء.

ثانياً: هوائي العدسة السريع “Fast Lens Antenna”:

في هذا النوع، يتم تسريع واجهات الموجة المتنقلة بواسطة وسائط العدسة، ونظراً لوسط العدسة ينخفض ​​طول المسار الكهربائي وتتسارع جبهات الموجة،كما يُعرف أيضاً باسم هوائي اللوحة المعدنية للمستوى “E”، كما يوضح الشكل التالي هوائي العدسة السريع:

مزايا هوائي العدسة:

• على عكس العاكس المكافئ وفي هوائي العدسة، لا يتم إعاقة فتحة الهوائي بنقطة التغذية.

• يوفر مزيداً من المرونة في تحمل التصميم ، وهذا يعني إمكانية التواء في هوائي العدسة، ويرجع ذلك إلى سبب حدوث الموجة من جانب وخروجها من الجانب الآخر.

• يتم استخدامه للتطبيقات عالية التردد.

عيوب هوائي العدسة:

• استخدام التردد المنخفض لهوائي العدسة يجعل ترتيب الهوائي ثقيلاً وضخماً.

• هذه الهوائيات أغلى من الهوائي العاكس لنفس الكسب وعرض النطاق الترددي.

تطبيقات هوائي العدسة:

هذه هي هوائيات النطاق العريض التي يشار إليها باسم هوائيات الميكروويف وهي مناسبة للتردد فوق “3 جيجاهرتز”، وهوائيات العدسة العازلة حساسة للتردد، وبالتالي لا يتم استخدام هذا النوع المحدد على مدى تردد واسع.

نطاق الترددات في هوائي العدسة:

يبدأ نطاق تردد استخدام هوائي العدسة من “1000 ميجاهرتز”، ولكن استخدامه أكبر عند “3000 ميجاهرتز” وما فوق، وللحصول على فهم أفضل لهوائي العدسة، يجب معرفة مبدأ عمل العدسة، حيث تعمل العدسة الزجاجية العادية على مبدأ الانكسار.

إنشاء وتشغيل هوائي العدسة:

إذا كان من المفترض أن يكون مصدر الضوء موجوداً في نقطة محورية للعدسة، والتي تكون على مسافة بؤرية من العدسة، فإنّ الأشعة تمر عبر العدسة كأشعة موازية أو متوازية على واجهة الموجة المستوية، كما تكون الأشعة التي تمر عبر مركز العدسة أقل انكساراً من الأشعة التي تمر عبر حواف العدسة، حيث يتم إرسال جميع الأشعة بالتوازي مع مقدمة الموجة المستوى، وتسمى ظاهرة العدسة هذه بالاختلاف.

يتم عكس نفس الإجراء إذا تم إرسال شعاع ضوئي من الجانب الأيمن إلى اليسار من نفس العدسة، وبعد ذلك ينكسر الشعاع ويلتقي عند نقطة تسمى النقطة المحورية، وعلى مسافة بؤرية من العدسة، هذه الظاهرة تسمى التقارب.