هوائي أحادي القطب: التصميم والعمل والأنواع وتطبيقاته

اخترع رائد راديو يُدعى 'Guglielmo Marconi' هوائيًا أحادي القطب في عام 1895 وحصل على براءة اختراع عام 1896 أثناء تجاربه التاريخية الأولى في الاتصالات اللاسلكية. لذلك يُعرف هذا الهوائي أيضًا باسم هوائي ماركوني. هذا نصف أ هوائي ثنائي القطب مرتبة فوق مستوى أرضي موصل. لذا فإن هوائي ربع الموجة أحادي القطب هو النوع الأكثر شيوعًا حيث يكون هذا الهوائي حوالي 1/4 من الطول الموجي لموجات الراديو. هؤلاء الهوائيات تستخدم في شبكات الإنترنت واتصالات الجوال. لذا تتناول هذه المقالة نظرة عامة على ملف هوائي أحادي القطب - العمل مع التطبيقات.

تعريف هوائي أحادي القطب

يُعرف نوع هوائي الراديو الذي يشتمل على موصل على شكل قضيب مستقيم يتم تركيبه بشكل عمودي فوق مستوى أرضي باسم هوائي أحادي القطب. هذا الهوائي عبارة عن هوائي بسيط أحادي السلك ، يستخدم بشكل أساسي لكل من إشارات الإرسال والاستقبال ، ويستخدم على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات اللاسلكية.

في هوائي أحادي القطب ، يعمل قضيب الموصل مثل مرنان مفتوح بشكل أساسي لموجات الراديو ويتذبذب من خلال الوقوف على موجات الجهد والتيار عبر طولها. يتم تحديد طول الهوائي ببساطة اعتمادًا على الطول الموجي المطلوب لموجة الراديو. يتراوح نطاق تردد الهوائي أحادي القطب من 1.7 إلى 2 جيجاهرتز ، بمتوسط ​​كسب قدره 3.7 ديسيبل.

تصميم هوائي أحادي القطب

الهوائي أحادي القطب هو ½ (نصف) هوائي ثنائي القطب مركب تقريبًا على قمة نوع من المستويات الأرضية. لذلك ، تم تركيب هذا الهوائي على مستوى أرضي لانهائي بطول 'L' كما هو موضح أدناه. من خلال نظرية الصورة ، يمكن العثور على الحقول على مستوى الأرض من خلال الهوائي داخل الفضاء الحر الذي يظهر في الرسم التخطيطي الثاني. هذا مجرد هوائي ثنائي القطب بهوائي L (الطول) أحادي القطب مرتين.

في الشكل الأول ، الحقول الموجودة على مستوى الأرض تساوي الحقول. مجالات الهوائي أحادي القطب تحت مستوى الأرض ضمن هذا الشكل هي صفر. اتجاهية الهوائي أحادي القطب مرتبطة مباشرة بهوائي ثنائي القطب. إذا كانت اتجاهية الهوائي ثنائي القطب بطول 2L هي D1 ، فإن اتجاهية الهوائي أحادي القطب بطول 'L' سيكون لها D1 + 3 مما يعني أن اتجاهية الهوائي أحادي القطب هي ضعف اتجاهية الهوائي ثنائي القطب. والسبب الرئيسي لذلك هو عدم حدوث أي إشعاع تحت مستوى سطح الأرض ؛ وبالتالي ، يتم مضاعفة الهوائي بكفاءة باعتباره 'توجيهي'.

مبدأ عمل الهوائي أحادي القطب

مبدأ عمل هوائي أحادي القطب هو ؛ عندما يتم تغذية القدرة إلى أحادي القطب ، يتم إشعاعها بالمثل في جميع الاتجاهات رأسيًا على طول الهوائي فوق مستوى الأرض الذي تم تركيبه عليه. مخطط إشعاع هذا الهوائي شامل الاتجاهات ، لذلك يشع بقوة مكافئة في جميع الاتجاهات عند الزوايا اليمنى للهوائي. تتغير القدرة المشعة من الهوائي بزاوية الارتفاع من خلال انخفاض الإشعاع إلى الصفر عند ذروة محور الهوائي.

نمط إشعاع الهوائي أحادي القطب

مخطط الإشعاع هو تمثيل انبعاث أو استقبال الهوائي لواجهة الموجة لتحديد قوتها بحيث يمكن للمرء أن يتعرف بسهولة على وظيفة الهوائي واتجاهيته.

عندما تنبعث الطاقة من الهوائي ، يكون لها تأثير على مناطق المجال البعيد والقريب. يمكن رسم مخطط الإشعاع بيانياً كموقع زاوي ووظيفة مسافة شعاعية من أي هوائي. يظهر مخطط إشعاع الهوائي أحادي القطب أدناه.

مخطط إشعاع الهوائي أحادي القطب هو شامل الاتجاهات ، لذلك فهو يصدر طاقة متساوية في جميع الاتجاهات التي تكون رأسية للهوائي أحادي القطب. تتغير القدرة المشعة للهوائي مع زاوية الارتفاع من خلال انخفاض الإشعاع إلى الصفر عند القمة على محور الهوائي. يشع عموديا موجات الراديو المستقطبة.

في الرسم البياني أعلاه ، تُركب مخططات الإشعاع الرأسية لثلاثة رسوم بيانية للهوائيات أحادية القطب بأطوال مختلفة فوق أرضية موصلة بالكامل.

المسافة الشعاعية للخط من المصدر عند أي زاوية ارتفاع تتناسب ببساطة مع كثافة القدرة المشعة عند هذا الارتفاع. يتم ضبط المحور الشعاعي ضمن كثافة القدرة التي تتناسب مع ربع موجة أحادية القطب وديسيبل متناحرة. لذلك ، فإن الموجة أحادية القطب ذات اللون الأزرق 0.25 أزرق لها نموذج يساوي النصف الأعلى من نمط هوائي ثنائي القطب. يشع أحادي القطب نصف الموجي باللون الأخضر 0.5λ مزيدًا من الطاقة في الاتجاهات الأفقية. يمكن تحقيق أعلى إشعاع أفقي للهوائي أحادي القطب ببساطة على طول موجة اللون الأحمر بمقدار 0.625 درجة.

ينقسم مخطط الإشعاع عند أطوال نصف موجية تزيد عن 0.5 درجة إلى فصين من خلال فص مخروطي ثانٍ يتم توجيهه إلى السماء. يحدث أعلى مستوى عند 0.625 درجة لأن إشعاع الطور العكسي للفصين عند الزوايا العالية يلغي ضغط المزيد من الطاقة في الفص الرأسي.

أنواع الهوائي أحادي القطب

هناك أنواع مختلفة من الهوائيات أحادية القطب مثل السوط ، الحلزوني ، السلك العشوائي المطاطي ، المظلة ، المشعاع الصاري ، الهوائي المقلوب L ، الهوائي T ، المستوى الأرضي ، أحادي القطب المطوي و F المقلوب والتي تمت مناقشتها أدناه.

هوائي سوطي

الهوائي السوطي هو نوع من الهوائي أحادي القطب وهو مرن للغاية بحيث لا يتصدع ببساطة. تم اشتقاق اسم هذا الهوائي من حركة تشبه السوط تظهر مرة واحدة مضطربة. يتضمن هذا الهوائي ببساطة قضيبًا أو سلكًا مرنًا مستقيمًا ويتم توصيل الجزء السفلي من هذا الهوائي ببساطة بجهاز الإرسال أو الاستقبال اللاسلكي.

بالنسبة لأجهزة الراديو المحمولة ، غالبًا ما يتم تصميم هذه الهوائيات بمجموعة من الأنابيب المعدنية المتداخلة المتداخلة ، وبالتالي يمكن سحبها مرة أخرى بمجرد عدم استخدامها. تم تصميم السياط الأطول بشكل أساسي لتثبيته على المركبات بالإضافة إلى الهياكل المصممة بقضيب من الألياف الزجاجية المرنة تقريبًا من الأسلاك الأساسية ويمكن أن يصل طولها إلى 11 مترًا. يمكن تحديد الطول المثالي لهذا الهوائي من خلال الطول الموجي لموجات الراديو.

هذه هي الهوائيات أحادية القطب الأكثر استخدامًا في نطاقات الراديو HF و UHF و VHF. تُستخدم على نطاق واسع لأجهزة راديو FM ، والهواتف اللاسلكية ، وأجهزة الراديو المحمولة باليد ، والأجهزة التي تدعم Wi-Fi ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ، وصناديق الازدهار. هذه متصلة بالمركبات لأجهزة راديو السيارة وكذلك أجهزة راديو ثنائية الاتجاه للمركبات والطائرات.

هوائي حلزوني

يشتمل الهوائي الحلزوني على سلك موصل واحد أو أعلى على الأقل يتم جرحه في شكل حلزوني. عندما يتم تصميم هوائي حلزوني بسلك حلزوني واحد ، يُعرف هذا الهوائي باسم أحادي الطور ، بينما يُطلق على الهوائيات المصممة بحد أدنى من 2 أو 4 أسلاك داخل حلزون حلزونيًا اسم quadrifilar / bifilar. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن - هوائي حلزوني .

هوائي سلك عشوائي

يتضمن هوائي السلك العشوائي سلكًا طويلًا معلقًا على الأرض حيث يكون السلك مستقيمًا أو قد يكون مدببًا ذهابًا وإيابًا بين الجدران أو الأشجار فقط للحصول على السلك الكافي في الهواء. بسبب التباين الهائل في هيكل الهوائي ، يمكن أن تتغير الكفاءة من إصلاح إلى آخر.

تُستخدم الهوائيات السلكية العشوائية على نطاق واسع كهوائيات استقبال على نطاقات الموجة القصيرة والمتوسطة والموجة الطويلة ، وتُستخدم هذه الهوائيات كهوائيات إرسال على هذه النطاقات بشكل أساسي لمحطات الإرسال الطارئة أو المؤقتة ، وفي الأماكن الخارجية الصغيرة وفي الأماكن التي لا يمكن فيها استخدام الهوائيات الدائمة يتم تركيبها.

هوائي المطاط الحبيب

الهوائي المطاطي الحبيب هو هوائي أحادي القطب قصير يعمل إلى حد ما كهوائي سوطي محمل بقاعدة. يشتمل هذا الهوائي على سلك نابض ضيق على شكل حلزون مغلق داخل سترة بلاستيكية أو مطاطية لحماية الهوائي. تُستخدم هذه الهوائيات بشكل أساسي في معدات الراديو المحمولة باليد بترددات UHF و VHF.

تُستخدم هذه الهوائيات في العديد من أجهزة الراديو المحمولة مثل أجهزة الاتصال اللاسلكي وأجهزة الإرسال والاستقبال المحمولة ، حيث يكون للأمان والمتانة الأولوية فوق الأداء الكهرومغناطيسي. هذا الهوائي مرن للغاية ومناسب للتشغيل اليدوي ، خاصة عند ارتدائه على الحزام مقارنة بهوائيات من النوع المتداخل الصلب السابق.

المبرد الصاري

المبرد الصاري هو نوع من الهوائي أحادي القطب. هذا برج مشع أو سارية راديو حيث يتم تنشيط الهيكل المعدني ويعمل كهوائي. يستخدم هذا عادةً لإرسال الهوائيات التي تعمل بترددات منخفضة داخل نطاقي MF و LF ، خاصةً لمحطات البث الإذاعي AM. عادة ما يتم تركيب قاعدة الهوائي على دعامة غير موصلة لحمايتها من الأرض.

هوائي مظلة

الهوائي المظلي هو هوائي أحادي القطب يمكن استخدامه كهوائيات إرسال أقل من 1 ميجاهرتز في نطاقات التردد المنخفض جدًا ، والترددات الفائقة ، وبشكل أساسي في نطاقات التردد المنخفض جدًا على ترددات منخفضة بدرجة كافية بحيث يكون من غير العملي أو غير العملي صنع هوائي أحادي القطب كامل الحجم رباعي الموجة. الطرف الخارجي لكل سلك شعاعي ينحدر لأسفل من قمة الهوائي ومتصل بحبل داعم من خلال عازل متصل بالأرض. ستجعل الأسلاك الشعاعية هذا الهوائي مظلة عملاقة بإطار سلكي.

هوائي T

هوائي T هو هوائي راديو أحادي القطب يُعرف أيضًا باسم هوائي علوي مسطح أو هوائي على شكل حرف T. يتضمن هذا الهوائي سلكًا أفقيًا واحدًا أو أعلى يتم موازنته بين صاري راديو بخلاف المباني ومحمية في نهاياتها. يتم توصيل السلك الأفقي ببساطة بمنتصف الأسلاك الأفقية ، ويتدلى لأسفل بالقرب من الأرض ، ومتصل بجهاز الإرسال (أو) جهاز الاستقبال. تُستخدم الهوائيات T عادةً في نطاقات MF و LF و VLF والموجات القصيرة. تستخدم هذه الهوائيات على نطاق واسع كهوائيات إرسال بشكل أساسي لمحطات راديو الهواة ومحطات البث ذات الموجة المتوسطة والموجة الطويلة AM. للاستماع على الموجات القصيرة ، تستخدم هذه الهوائيات كهوائيات استقبال.

هوائي أحادي القطب مطوي

هذا هو نوع واحد من هوائي الرادياتير أحادي القطب المستخدم بشكل أساسي كهوائي إرسال ضمن نطاق الموجة المتوسطة لمحطات البث الإذاعي AM. يشتمل هذا الهوائي بشكل أساسي على صاري أو قضيب معدني رأسي متصل بنظام التأريض الخاص به والذي يتضمن أسلاكًا مدفونة. يتم ببساطة إحاطة الصاري بأسلاك رأسية متصلة كهربائيًا عند قمة الصاري. يتم توصيل هذه الأسلاك ببساطة بواسطة حلقة معدنية قريبة من قاعدة الصاري ويتم توصيل قوة التغذية لخط التغذية من جهاز الإرسال بين الحلقة والأرض. هذا الهوائي هو الخيار الأفضل عندما تشترك محطة راديو AM في برج مع هوائيات أخرى مثل هوائيات البث FM.

هوائي F مقلوب

يستخدم هوائي F المقلوب في الغالب في ترددات الميكروويف و UHF داخل الاتصالات اللاسلكية. يتضمن هوائيًا أحادي القطب يعمل بالتوازي مع مستوى أرضي ومؤرض في أحد طرفيه. يتم تغذية هذا الهوائي من نقطة وسطية من مسافة الطرف المؤرض. هذا الهوائي أكثر إحكاما ، مما يسمح له بإصدار الطاقة بكفاءة ، وما إلى ذلك. تستخدم هذه الهوائيات على نطاق واسع في الأجهزة المحمولة اللاسلكية المدمجة. هذه تستخدم في نطاقات الاختبار العسكرية داخل تطبيقات القياس عن بعد.

هوائي أحادي القطب مقابل هوائي ثنائي القطب

تتم مناقشة الفرق بين الهوائي أحادي القطب والهوائي ثنائي القطب أدناه.

المميزات والعيوب

ال مزايا هوائي أحادي القطب تشمل ما يلي.

• الهوائيات أحادية القطب سهلة البناء والتركيب أيضًا
• هذه متينة وليست باهظة الثمن.
• يحتوي هذا الهوائي على مقاومة تفاعلية عالية إلى حد ما أعلى من معظم مدى تردده.
• عندما يطول هذا الهوائي وتقل الخسائر الأرضية ، تتحسن كفاءة الهوائي.
• يستخدم هوائي أحادي القطب من النوع الرأسي لأي تردد أقصر من ثلثي الطول الموجي.
• هذه هوائيات بسيطة متعددة الاتجاهات تستخدم مساحة أقل مقارنة بمصفوفة من الهوائيات ذات العجلات المثبتة فوق بعضها البعض.
• تتعامل هذه الهوائيات مع الاتصالات داخل أي مسار ما عدا عموديًا أعلى الهوائي.
• تُستخدم الهوائيات أحادية القطب المطبوعة على نطاق واسع بسبب العديد من الفوائد مثل التكلفة المنخفضة ، والانظار ، والتصنيع البسيط ، والوزن الأقل ، والجمع بين الأجهزة النشطة الأخرى.

ال عيوب الهوائي أحادي القطب تشمل ما يلي.

• له إشعاع ضعيف في جميع الاتجاهات لأنه يشع بالتساوي في جميع الاتجاهات.
• هذه غالية الثمن.
• يمكن أن تحدث انعكاسات الإشارة بسبب الأجسام المعدنية والأرض ، لذلك قد تحصل على إشارات مستقطبة رأسيًا وأفقيًا.
• غالبًا ما تكون قيود التصميم والحجم المطلوبة لمستوى أرضي في هذا الهوائي مقيدة.
• يعتمد مخطط إشعاع هذا الهوائي بشكل أساسي على اتجاه المستوى الأرضي.

التطبيقات

ال استخدامات / تطبيقات هوائيات أحادية القطب ae تشمل ما يلي.

• تستخدم الهوائيات أحادية القطب في مجالات مختلفة مثل علوم الفضاء ، وتكنولوجيا الرادار ، والطب الحيوي ، والبحث ، وما إلى ذلك.
• كثيرًا ما يستخدم monopole كهوائي رنان حيث يعمل قضيب هذا الهوائي كرنان مفتوح ، خاصة لموجات الراديو وتتأرجح من خلال الموجات الثابتة للتيار والجهد عبر طوله. لذلك ، يتم تحديد أطوال الهوائي ببساطة من خلال الطول الموجي المفضل لموجات الراديو.
• يستخدم هذا النوع من الهوائي على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات اللاسلكية.
• تم تصميم هوائي أحادي القطب بنموذج خماسي منخفض الأضلاع واستخدامه في التطبيقات القابلة للارتداء.
• يستخدم هذا الهوائي على نطاق واسع في السيارات وأجهزة الراديو المحمولة AM أو FM ، إلخ
• يتم استخدام هوائي أحادي القطب ذو كفاءة عالية ومنخفضة التكلفة ومنخفض في تطبيقات النطاق المزدوج والمتعدد النطاقات وتطبيقات UWB (النطاق العريض للغاية).

وهكذا ، هذا هو لمحة عامة عن هوائي أحادي القطب - أنواع العمل مع التطبيقات. ال خصائص الهوائي أحادي القطب تعتمد بشكل أساسي على المستوى الأرضي وهندسة المبرد. تستخدم هذه الهوائيات على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل علوم الفضاء وتكنولوجيا الرادار وأنظمة الاتصالات اللاسلكية والبحوث الطبية الحيوية بسبب العديد من الفوائد مثل التكلفة الأقل ، والانظار ، والوزن الخفيف ، وسهولة التصنيع والجمع من خلال الأجهزة النشطة الأخرى. إليك سؤال لك ، ما هو الهوائي ثنائي القطب؟