في هذا العصر الحديث اتصالات لاسلكية يبدي العديد من المهندسين اهتمامًا بالتخصص في مجالات الاتصالات ، لكن هذا يتطلب معرفة أساسية بمفاهيم الاتصال الأساسية مثل أنواع الهوائيات والإشعاع الكهرومغناطيسي والظواهر المختلفة المتعلقة بالانتشار وما إلى ذلك. في حالة أنظمة الاتصالات اللاسلكية ، تلعب الهوائيات دورًا بارزًا دورهم في تحويل الإشارات الإلكترونية إلى موجات كهرومغناطيسية بكفاءة.

أنواع الهوائيات

الهوائيات هي المكونات الأساسية لأي دائرة كهربائية لأنها توفر روابط ربط بين جهاز الإرسال والمساحة الخالية أو بين المساحة الحرة والمستقبل. قبل أن نناقش أنواع الهوائيات ، هناك بعض الخصائص التي يجب فهمها. بصرف النظر عن هذه الخصائص ، فإننا نغطي أيضًا أنواعًا مختلفة من الهوائيات المستخدمة في نظام الاتصالات بالتفصيل.

خصائص الهوائيات

كسب الهوائي
فتحة
الاتجاهية وعرض النطاق الترددي
الاستقطاب
طول فعال
مخطط قطبي

كسب الهوائي: تُعرف المعلمة التي تقيس درجة اتجاهية المخطط الشعاعي للهوائي بالكسب. يعتبر الهوائي ذو الكسب الأعلى أكثر فعالية في مخطط إشعاعه. تم تصميم الهوائيات بحيث ترتفع الطاقة في الاتجاه المطلوب وتنخفض في الاتجاهات غير المرغوب فيها.

G = (القدرة التي يشعها هوائي) / (القدرة التي يشعها هوائي المرجع)

فتحة: تُعرف هذه الفتحة أيضًا بالفتحة الفعالة للهوائي الذي يشارك بنشاط في إرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية. ترتبط القدرة التي يتلقاها الهوائي بمنطقة التجميع. تُعرف هذه المنطقة المجمعة من الهوائي بالفتحة الفعالة.

Pr = Pd * A واط
A = العلاقات العامة / pd m2

الاتجاهية وعرض النطاق الترددي: يُعرَّف توجيه الهوائي بأنه مقياس إشعاع القدرة المركّز في اتجاه معين. يمكن اعتبارها قدرة هوائي على توجيه القدرة المشعة في اتجاه معين. يمكن ملاحظته أيضًا على أنه نسبة شدة الإشعاع في اتجاه معين إلى متوسط كثافة الإشعاع. عرض النطاق الترددي هو أحد المعلمات المطلوبة لاختيار الهوائي. يمكن تعريفه على أنه نطاق الترددات التي يمكن للهوائي من خلالها أن يشع الطاقة بشكل صحيح ويستقبل الطاقة.

الاستقطاب: قد يتم استقطاب الموجة الكهرومغناطيسية التي يتم إطلاقها من هوائي عموديًا وأفقيًا. إذا تم استقطاب الموجة في الاتجاه الرأسي ، فإن المتجه E يكون عموديًا ويتطلب هوائيًا رأسيًا. إذا كان المتجه E في الاتجاه الأفقي ، فإنه يحتاج إلى هوائي أفقي لتشغيله. في بعض الأحيان ، يتم استخدام الاستقطاب الدائري ، وهو مزيج من الطرق الأفقية والعمودية.

طول فعال: الطول الفعال هو معلمة الهوائيات التي تميز كفاءة الهوائيات في إرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية. يمكن تحديد الطول الفعال لكل من هوائيات الإرسال والاستقبال. تُعرف نسبة EMF عند دخل المستقبِل إلى شدة المجال الكهربائي الذي حدث على الهوائي بالطول الفعال للمستقبلات. يمكن تعريف الطول الفعال للمرسل على أنه طول المساحة الحرة في الموصل ، وتوزيع التيار عبر طوله يولد نفس شدة المجال في أي اتجاه للإشعاع.

الطول الفعال = (المنطقة تحت التوزيع الحالي غير المنتظم) / (المنطقة تحت التوزيع الحالي المنتظم)

الرسم التخطيطي القطبي: أهم خصائص الهوائي هو مخطط إشعاعه أو مخططه القطبي. في حالة هوائي الإرسال ، هذا مخطط يناقش شدة مجال القدرة المشعة من الهوائي في اتجاهات زاوية مختلفة كما هو موضح في الرسم البياني أدناه. يمكن أيضًا الحصول على قطعة أرض لكل من الطائرات الرأسية والأفقية - وتسمى أيضًا بالأنماط الرأسية والأفقية ، على التوالي.

حتى الآن قمنا بتغطية خصائص الهوائيات ، والآن سنناقش أنواعًا مختلفة من الهوائيات المستخدمة في تطبيقات مختلفة.

أنواع الهوائيات

تسجيل الهوائيات الدورية

القوس التعادل الهوائيات
صفيف ثنائي القطب لوغاريتمي دوري

هوائيات سلكية

هوائي ثنائي القطب قصير
هوائي ثنائي القطب
هوائي أحادي القطب
هوائي حلقي

هوائيات الموجة المتنقلة

هوائيات حلزونية
هوائيات ياغي أودا

هوائيات الميكروويف

هوائيات شريطية صغيرة مستطيلة الشكل
الهوائيات المستوية F المقلوبة

هوائيات عاكس

عاكس الزاوية
عاكس مكافئ

1. هوائيات لوغاريتمية دورية

سجل الهوائي الدوري

يسمى الهوائي اللوغاريتمي الدوري أيضًا بمصفوفة لوغاريتمية دورية. وهو عبارة عن هوائي متعدد العناصر ذو حزمة ضيقة الاتجاه يعمل على نطاق واسع من الترددات. يتكون هذا الهوائي من سلسلة من ثنائيات الأقطاب الموضوعة على طول محور الهوائي على فترات زمنية مختلفة من الزمن متبوعة بوظيفة لوغاريتمية للتردد. يستخدم الهوائي اللوغاريتمي الدوري في مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب عرض نطاق متغير جنبًا إلى جنب مع كسب الهوائي والاتجاهية.

الهوائيات القوس التعادل

هوائي القوس التعادل

يُعرف الهوائي القوسي أيضًا باسم هوائي ثنائي القطب أو هوائي الفراشة. الهوائي ثنائي المخروط هو هوائي واسع النطاق متعدد الاتجاهات. وفقًا لحجم هذا الهوائي ، له استجابة منخفضة التردد ، ويعمل كمرشح تمرير عالي. عندما ينتقل التردد إلى حدود أعلى ، بعيدًا عن التردد التصميمي ، يتشوه مخطط إشعاع الهوائي وينتشر.

معظم الهوائيات القوسية مشتقة من الهوائيات ثنائية المخروطية. القرص هو نوع من الهوائي نصف ثنائي المخروط. الهوائي القوسي مستوٍ ، وبالتالي هوائي اتجاهي.

صفيف ثنائي القطب لوغاريتمي دوري

سجل هوائي ثنائي القطب الدوري

أكثر أنواع الهوائي شيوعًا المستخدمة في تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية هي مجموعة ثنائية القطب لوغاريتمية دورية تتكون أساسًا من عدد من العناصر ثنائية القطب. هذه الهوائيات ذات المصفوفة ثنائية القطب تقل حجمها من النهاية الخلفية إلى النهاية الأمامية. يأتي الشعاع الرئيسي لهوائي التردد اللاسلكي هذا من الواجهة الأمامية الأصغر.

العنصر الموجود في النهاية الخلفية للصفيف كبير الحجم مع نصف طول موجة يعمل في نطاق التردد المنخفض. يتم تقليل تباعد العنصر باتجاه النهاية الأمامية للمصفوفة حيث يتم وضع المصفوفات الأصغر. أثناء هذه العملية ، مع اختلاف التردد ، يحدث انتقال سلس على طول مصفوفة العناصر ، مما يؤدي إلى تكوين منطقة نشطة.

2. الهوائيات السلكية

هوائي سلكي

تعرف الهوائيات السلكية أيضًا بالهوائيات الخطية أو المنحنية ، وهذه الهوائيات بسيطة جدًا ورخيصة وتستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات ، وتنقسم هذه الهوائيات إلى أربعة كما هو موضح أدناه.

هوائي ثنائي القطب

يعد الهوائي ثنائي القطب أحد أكثر محاذاة الهوائي مباشرة. يتكون هذا الهوائي ثنائي القطب من قضيبين معدنيين رقيقين مع فرق جهد جيبي بينهما. يتم اختيار طول القضبان بحيث يكون لها ربع طول الموجة عند الترددات التشغيلية. تستخدم هذه الهوائيات في تصميم الهوائيات الخاصة بها أو غيرها من الهوائيات. إنها سهلة التركيب والاستخدام.

هوائي ثنائي القطب

يتكون الهوائي ثنائي القطب من قضيبين معدنيين يتدفق عبرهما التيار والتردد. ينتج عن تدفق التيار والجهد هذا موجة كهرومغناطيسية وتشع إشارات الراديو. يتكون الهوائي من عنصر مشع يقوم بتقسيم القضبان ويجعل التيار يتدفق عبر المركز باستخدام مغذي في جهاز الإرسال يخرج من المستقبل ، وتستخدم الأنواع المختلفة من الهوائيات ثنائية القطب هوائيات RF تشمل نصف موجة ، متعددة ، مطوية ، غير رنانة ، وهكذا.

هوائي ثنائي القطب قصير:

“الفرق بين محول وجهاز الإرسال ”

هوائي ثنائي القطب قصير

إنه أبسط أنواع الهوائيات. هذا الهوائي عبارة عن سلك مفتوح دائري حيث يشير الاختصار إلى 'نسبة إلى الطول الموجي' ، لذا فإن هذا الهوائي يعطي الأولوية لحجم السلك بالنسبة إلى الطول الموجي لتردد التشغيل. لا يأخذ أي اعتبار بشأن الحجم المطلق للهوائي ثنائي القطب. يتكون الهوائي ثنائي القطب القصير من موصلين خطيين يتم وضعهما من طرف إلى طرف ، مع وجود فجوة صغيرة بين الموصلات بواسطة وحدة التغذية. يعتبر ثنائي القطب قصيرًا إذا كان طول العنصر المشع أقل من عُشر الطول الموجي.

إل<λ/10

يتكون الهوائي ثنائي القطب القصير من موصلين خطيين يتم وضعهما من طرف إلى طرف ، مع وجود فجوة صغيرة بين الموصلات بواسطة وحدة التغذية.

نادرًا ما يكون الهوائي ثنائي القطب مُرضيًا من وجهة نظر الكفاءة لأن معظم الطاقة الداخلة إلى هذا الهوائي تبدد حيث تصبح الخسائر الحرارية والمقاومة أيضًا مرتفعة بشكل تدريجي.

هوائي أحادي القطب

الهوائي أحادي القطب هو نصف هوائي ثنائي القطب بسيط يقع فوق مستوى أرضي كما هو مبين في الشكل أدناه.

سيكون مخطط الإشعاع فوق المستوى المؤرض هو نفسه الهوائي ثنائي القطب نصف الموجة ، ومع ذلك ، فإن القدرة الإجمالية المشعة هي نصف تلك الموجودة في ثنائي القطب حيث يشع الحقل فقط في منطقة نصف الكرة العلوي. اتجاهية هذه الهوائيات تصبح مزدوجة مقارنة بالهوائيات ثنائية القطب.

تستخدم الهوائيات أحادية القطب أيضًا كهوائيات مركبة على المركبات لأنها توفر المستوى الأرضي المطلوب للهوائيات المركبة فوق الأرض.

هوائي حلقي

هوائي حلقي

تشترك الهوائيات الحلقية في خصائص متشابهة مع كل من الهوائيات ثنائية القطب وأحادية القطب لأنها بسيطة وسهلة التركيب. الهوائيات الحلقية متوفرة بأشكال مختلفة مثل الهوائي الدائري ، الإهليلجي ، المستطيل ، إلخ. الخصائص الأساسية للهوائي الحلقي مستقلة عن شكله. يتم استخدامها على نطاق واسع في روابط الاتصال بتردد حوالي 3 جيجاهرتز. يمكن أيضًا استخدام هذه الهوائيات كمجسات مجال كهرومغناطيسي في نطاقات الميكروويف.

يحدد محيط الهوائي الحلقي كفاءة الهوائي المشابهة لتلك الخاصة بالهوائيات ثنائية القطب أو أحادية القطب. يتم تصنيف هذه الهوائيات أيضًا إلى نوعين: صغير كهربائيًا وكبير كهربائيًا بناءً على محيط الحلقة.

هوائي حلقي صغير كهربائيًا ———> محيط 10

هوائي حلقي كبير كهربائيًا ———> محيط ≈λ

تتميز الحلقات الصغيرة كهربائياً ذات الدورة الواحدة بمقاومة إشعاع صغيرة مقارنة بمقاومة الخسارة. يمكن تحسين مقاومة الإشعاع للهوائيات ذات الحلقة الصغيرة عن طريق إضافة المزيد من الدورات. تتمتع الحلقات متعددة الدورات بمقاومة أفضل للإشعاع حتى لو كانت أقل كفاءة.

هوائي حلقي صغير

ونتيجة لذلك ، يتم استخدام هوائي الحلقة الصغيرة في الغالب كهوائيات استقبال حيث لا تكون الخسائر إلزامية. لا تُستخدم الحلقات الصغيرة كهوائيات إرسال بسبب كفاءتها المنخفضة.

الهوائيات الحلقية الرنانة كبيرة نسبيًا ، ويتم توجيهها من خلال تشغيل الطول الموجي ، وتُعرف أيضًا باسم الهوائيات ذات الحلقة الكبيرة حيث يتم استخدامها عند الترددات العالية ، مثل VHF و UHF ، حيث يكون حجمها مناسبًا. يمكن النظر إليها على أنها هوائي ثنائي القطب مطوي وتشوهها إلى أشكال مختلفة مثل الكروية والمربعة وما إلى ذلك ، ولها خصائص مماثلة مثل كفاءة الإشعاع العالية.

3. هوائيات الموجة المتنقلة

هوائيات حلزونية

تعرف الهوائيات الحلزونية أيضًا باسم الهوائيات الحلزونية. لديهم هياكل بسيطة نسبيًا مع واحد أو اثنين أو أكثر من الأسلاك كل جرح لتشكيل حلزون ، وعادة ما تكون مدعومة بمستوى أرضي أو عاكس على شكل ومدفوع بواسطة تغذية مناسبة. التصميم الأكثر شيوعًا هو سلك واحد مدعوم من الأرض ويتم تغذيته بخط متحد المحور.

بشكل عام ، ترتبط خصائص الإشعاع للهوائي الحلزوني بهذه المواصفات: الحجم الكهربائي للهيكل ، حيث تكون مقاومة الإدخال أكثر حساسية للخطوة وحجم السلك.

هوائي حلزوني

الهوائيات الحلزونية لها وضعان سائدان للإشعاع: الوضع العادي والوضع المحوري. يستخدم الوضع المحوري في مجموعة واسعة من التطبيقات. في الوضع العادي ، تكون أبعاد اللولب صغيرة مقارنة بطول الموجة. يعمل هذا الهوائي بمثابة هوائي ثنائي القطب أو هوائي أحادي القطب. في الوضع المحوري ، أبعاد اللولب هي نفسها مقارنة بطول الموجة. يعمل هذا الهوائي كهوائي اتجاهي.

هوائي ياغي أودا

هوائي ياغي أودا

هوائي آخر يستخدم العناصر السلبية هو هوائي Yagi-Uda . هذا النوع من الهوائي غير مكلف وفعال. يمكن بناؤه باستخدام عنصر عاكس واحد أو أكثر وعنصر مخرج واحد أو أكثر. يمكن صنع هوائيات Yagi باستخدام هوائي بعاكس واحد ، وعنصر نشط ثنائي القطب مطوي ، وموجهات ، مثبتة للاستقطاب الأفقي في الاتجاه الأمامي.

“كيفية التعرف على أنماط بصمات الأصابع ”

4. هوائيات الميكروويف

تُعرف الهوائيات التي تعمل على ترددات الميكروويف باسم هوائيات الميكروويف . تستخدم هذه الهوائيات في مجموعة واسعة من التطبيقات.

هوائيات شريطية صغيرة مستطيلة الشكل

هوائيات شريطية صغيرة مستطيلة الشكل

بالنسبة لتطبيقات المركبات الفضائية أو الطائرات - بناءً على المواصفات مثل الحجم والوزن والتكلفة والأداء وسهولة التركيب وما إلى ذلك - يفضل استخدام الهوائيات منخفضة الارتفاع. تُعرف هذه الهوائيات باسم هوائيات microstrip المستطيلة أو هوائيات التصحيح ، فهي لا تتطلب سوى مساحة لخط التغذية الذي يتم وضعه عادةً خلف مستوى الأرض. العيب الرئيسي لاستخدام هذه الهوائيات هو عرض النطاق الترددي غير الفعال والضيق للغاية ، والذي عادة ما يكون جزءًا صغيرًا من نسبة مئوية أو على الأكثر بضعة في المائة.

الهوائيات المستوية F المقلوبة

يمكن اعتبار الهوائي المستوي F المقلوب نوعًا من أنواع الهوائي الخطي المقلوب (IFA) حيث يتم استبدال عنصر الإشعاع السلكي بلوحة لزيادة عرض النطاق. ميزة هذه الهوائيات هي أنه يمكن إخفاؤها في غلاف الهاتف المحمول عند مقارنتها بأنواع مختلفة من الهوائيات مثل الهوائي السوطي أو القضيب أو الهوائيات الحلزونية ، إلخ. والميزة الأخرى هي أنها يمكن أن تقلل من الإشعاع المتخلف باتجاه الجزء العلوي من الهوائي عن طريق امتصاص الطاقة ، مما يعزز الكفاءة. أنها توفر مكاسب عالية في كل من الحالتين الأفقية والعمودية. هذه الميزة هي الأكثر أهمية لأي نوع من الهوائيات المستخدمة في الاتصالات اللاسلكية.

5. هوائيات عاكسة

هوائي عاكس الزاوية

هوائي عاكس الزاوية

يُعرف الهوائي الذي يشتمل على عنصر ثنائي القطب أو أكثر موضوعة أمام عاكس الزاوية بهوائي عاكس الزاوية ، ويمكن زيادة اتجاهية أي هوائي باستخدام عاكسات. في حالة وجود هوائي سلكي ، يتم استخدام ورقة موصلة خلف الهوائي لتوجيه الإشعاع في الاتجاه الأمامي.

هوائي عاكس مكافئ

السطح المشع لهوائي مكافئ له أبعاد كبيرة جدًا مقارنة بطول موجته. تستخدم البصريات الهندسية ، التي تعتمد على الأشعة وواجهات الموجة ، لمعرفة بعض ميزات هذه الهوائيات. يمكن دراسة بعض الخصائص المهمة لهذه الهوائيات باستخدام بصريات الأشعة ، وهوائيات أخرى باستخدام نظرية المجال الكهرومغناطيسي.

هوائي مكافئ

تتمثل إحدى الخصائص المفيدة لهذا الهوائي في تحويل مقدمة موجة كروية متباعدة إلى جبهة موجة متوازية تنتج حزمة ضيقة من الهوائي. تشمل الأنواع المختلفة من الأعلاف التي تستخدم عاكس القطع المكافئ الأعلاف ذات القرون والأعلاف الديكارتية والأعلاف ثنائية القطب.

في هذا المقال ، درست أنواعًا مختلفة من الهوائيات وتطبيقاتها في الاتصالات اللاسلكية واستخدام الهوائيات في إرسال واستقبال البيانات. للحصول على أي مساعدة بخصوص هذه المقالة ، اتصل بنا من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه.

اعتمادات الصورة: