صفيف الهوائي: التصميم والعمل والأنواع وتطبيقاتها

الهوائي عبارة عن جهاز متخصص يمكنه أن يشع قدرًا من الطاقة في اتجاه معين لتحسين نقل الخرج. للحصول على إخراج أكثر كفاءة ، تمت إضافة عدد قليل من عناصر الهوائي والتي تُعرف باسم صفائف الهوائي. يتمتع الهوائي الفردي بتوجيهية جيدة ولكنه يفشل إلى حد ما في إرسال الإشارة إلى المستقبل مع فقدان لذلك يتم استخدام صفيف الهوائي. لذلك في العديد من التطبيقات ، نحتاج الهوائيات بخصائص توجيهية عالية للغاية يمكن تحسينها عن طريق زيادة الحجم الكهربائي للهوائي. لزيادة أبعاد الهوائي دون زيادة حجم العناصر الفردية هو تشكيل عناصر صفيف الهوائي. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على مجموعة الهوائي - الأنواع وعملها مع التطبيقات.

ما هي مصفوفة الهوائي؟

تعريف صفيف الهوائي هو ؛ مجموعة من الهوائيات التي يتم ترتيبها لتكوين هوائي واحد لتوليد مخططات إشعاع ولكن لا يتم إنشاؤها بواسطة الهوائيات الفردية. لذلك ستعمل مجموعة من الهوائيات معًا لإرسال أو استقبال إشارات الراديو. تصميم وصيانة هذا الهوائي فعال من حيث التكلفة حيث أن كل هوائي أصغر. يظهر مخطط صفيف الهوائي أدناه.

بالنسبة لصفيف الهوائي ، يجب إعطاء التباعد والطور المناسبين أثناء التكوين. بمجرد أن ترسل الهوائيات إشارة إلى مسافة طويلة جدًا ، فقد تطلب الأمر أن يمتلكوا كسبًا توجيهيًا عاليًا حيث تتشوه الإشارة وتشوهها أثناء الإرسال من طرف إلى آخر. على الرغم من أن هوائي واحد يرسل بتوجيهية جيدة ، إلا أنه يفشل في إرسال إشارة من المرسل إلى المستقبل دون خسائر. لذلك هذا هو السبب الرئيسي لاستخدام مجموعة الهوائي.

تصميم هوائي صفيف

تم تصميم صفيف الهوائي من خلال ترتيب عدة هوائيات لإنشاء نظام واحد لتوفير كسب توجيه عالي. يجب تباعد الهوائيات داخل المصفوفة بشكل صحيح وفي الطور المناسب بحيث تتم إضافة المساهمة المستقلة لكل هوائي داخل الترتيب في نفس الاتجاه بينما يتم إلغاؤها في جميع الاتجاهات الأخرى. هذا النوع من الترتيب يحسن توجيهية النظام. بمجرد ترتيب جميع الهوائيات داخل النظام في خط مستقيم ، يُعرف بمصفوفة الهوائي الخطي.

صفيف الهوائي يعمل

مجموعة الهوائي عبارة عن مجموعة من عناصر الهوائي المختلفة. بشكل عام ، تستخدم المصفوفة متعددة العناصر هوائي نصف موجة ثنائي القطب. يحتوي هذا الهوائي على مخطط إشعاع شامل الاتجاهات بحيث تنبعث الموجات فوق زاوية واسعة. لتعزيز قدرة هذه الهوائيات على الانبعاث خاصة في اتجاه واحد ، يتم ترتيب هذه الهوائيات ببساطة في شكل مصفوفة مع تباعد مناسب. يتم تحفيز هذه المصفوفات في وقت واحد من خلال توفير التيار حسب الطور المناسب.

بشكل عام ، في مصفوفة من الهوائيات ، تكون التيارات داخل عناصر الهوائي المختلفة في طور إذا حققت أعلى قيمة للتدفق عبر اتجاه مماثل في نفس الوقت. وهكذا ، بمجرد تغذية عناصر الهوائي بالطور المناسب من كل عنصر من عناصر المصفوفة ، تتداخل الموجات الكروية بسبب التداخل وتولد موجة راديوية. هنا في النظام ، يمكن أن يكون التداخل إما بناء (أو) مدمرًا ويعتمد كليًا على الموجات المشعة بواسطة العناصر.

نتيجة لذلك ، إذا كانت الموجات المنبعثة من عناصر الهوائي في طور ، فإنها تضاف بشكل مفيد ، بحيث تزيد من القدرة المشعة. بينما ، إذا كانت الموجات المنبعثة من العناصر الفردية ليست في الطور ، فإنها تضاف بشكل مدمر لإلغاء بعضها البعض. لذلك يمكن أن يتسبب هذا في انخفاض القدرة المشعة.

على هذا النحو ، تكون الإشعاعات المنبعثة من عناصر المصفوفة في طور وتضيف ما يصل إلى توفير حزمة اتجاهية ذات قوة قصوى بحيث يمكنها السفر لمسافات طويلة جدًا. وبالتالي ، فإن مخطط الإشعاع الذي توفره صفيف الهوائي له فص رئيسي يحدد حزمة قوية في اتجاه واحد. عندما يزداد عدد العناصر في المصفوفة ، يصبح الفص الرئيسي أضيق وتحدد الفصوص الجانبية الأصغر زيادة في الكسب الذي يوفره الهوائي.

أنواع هوائي المصفوفة

تصنف هوائيات المصفوفة إلى أربعة أنواع من مصفوفة الهوائيات ذات الجوانب العريضة والنهائية والمتداخلة والطفيلية حيث تتم مناقشة كل نوع أدناه.

صفيف هوائي واسع النطاق

يظهر ترتيب صفيف الهوائي العريض أدناه حيث يتم ترتيب العديد من العناصر المتطابقة بشكل متوازي على طول خط محور الهوائي. في هذا النوع من الترتيب ، يتم ترتيب العناصر أفقياً على مسافة مكافئة لبعضها البعض ويتم تغذية كل عنصر بتيار من الطور والحجم المماثل.

عندما يتم تنشيط العناصر الموجودة في هذا الترتيب ، سيتم إصدار أقصى قدر من الإشعاع من الجانب العريض مما يعني الاتجاه الطبيعي لمحور الصفيف بينما ستنبعث بعض كمية الإشعاع من الاتجاهات الأخرى. لذلك فهو يوفر مخطط إشعاع ثنائي الاتجاه لأنه يشع في كلا الاتجاهين على طول الجانب العرضي. لذلك ، في هذا الترتيب ، يكون اتجاه مبدأ الإشعاع شائعًا لمحور الصفيف ومستوى موضع العنصر. يظهر مخطط إشعاع صفيف الهوائي العريض أدناه.

يكون مخطط إشعاع صفيف الهوائي العريض عموديًا لأن محاذاة العنصر أفقية.

إذا أردنا تغيير نمط الإشعاع من ثنائي الاتجاه إلى أحادي الاتجاه ، فإن مصفوفة مماثلة تحتاج إلى الترتيب عند مسافة / 4 خلف صفيف الهوائي هذا وإثارة مجموعة النسخ المتماثلة من خلال تيار به سلك طور 90 درجة. عادة ، يعتمد عدد العناصر ضمن هذا الترتيب على المساحة المتاحة مع الحاجة إلى التكلفة وعرض الحزمة بينما يتم أخذ طول الصفيف بين 2 λ إلى 10 λ. بشكل عام ، تُستخدم صفائف الهوائي هذه في أنظمة البث الخارجية.

صفيف هوائي نهاية النار

ترتيب صفيف هوائي نهاية النار هو نفسه العناصر الموجودة في ترتيب العريض ولكن الاختلاف الرئيسي بين هذين التكوينين هو طريقة الإثارة. في هذا الترتيب ، يتم تغذية العناصر بشكل عام خارج الطور بزاوية 180 درجة ، بينما في الترتيب العريض يتم تغذية كل عنصر بتيار مرحلة مماثلة. في هذا الترتيب ، يتم الوصول إلى الحد الأقصى من الإشعاع على طول محور الصفيف.

وبالتالي ، من أجل الحصول على مخطط إشعاع أحادي الاتجاه ، يتم تنشيط هذا الترتيب الكامل للعناصر المتطابقة ببساطة بتيار اتساع مكافئ ، ومع ذلك ، تتغير المرحلة باستمرار على طول الخط. لذلك ، يمكن القول أن مصفوفة نهاية النار تولد مخطط إشعاع أحادي الاتجاه بأعلى إشعاع يحدث عبر محور صفيف الهوائي.

في الرسم التخطيطي لمخطط الإشعاع أعلاه ، تُفهم المسافة الرئيسية بين العناصر ضمن هذا الترتيب عادةً على أنها λ / 4 (أو) 3λ / 4. لذلك يتم استخدام هذه المصفوفات بشكل متكرر في الاتصال من نقطة إلى نقطة وهي مناسبة لنطاقات التردد العالية والمتوسطة والمنخفضة.

مصفوفة خطية متداخلة

في مصفوفة متداخلة ، يتم ترتيب عناصر الهوائي ببساطة في سطر واحد من طرف إلى آخر مما يعني واحدًا تلو الآخر. لذلك يمكن أن يكون هذا الترتيب إما أفقيًا أو رأسيًا. يتم عرض المصفوفة الخطية ذات الترتيب الأفقي أدناه.

يتم توفير الإثارة لجميع عناصر الهوائي بواسطة تيارات من نفس الطور والحجم لجميع العناصر. على غرار مصفوفة عريضة ، يوفر هذا أيضًا إشعاعًا في الاتجاه الطبيعي لمحور صفيف الهوائي. وبالتالي ، فإن مخطط إشعاع المصفوفة الخطية يرتبط إلى حد ما بمصفوفة الهوائي العريض.

يوفر هذا الترتيب ببساطة أعلى كسب عندما تكون العناصر متباعدة على مسافة 0.3 إلى 0.5 درجة ولكن هذا يمكن أن يتسبب في حدوث مشكلات إنشائية وتغذية داخل صفيف الهوائي. لذلك ، يتم ترتيب العناصر بالقرب من بعضها البعض.

يظهر مخطط إشعاع المصفوفة الخطية أعلاه. وتجدر الإشارة هنا إلى أنه مع زيادة طول المصفوفة ، تزداد الاتجاهية أيضًا. بشكل عام ، يتم استخدام مصفوفة خطية متداخلة من عنصرين بشكل عام لأنها تدعم التشغيل متعدد النطاقات ، ولكن في بعض الأحيان ، تستخدم بعض التطبيقات مجموعة من المصفوفات المتعامدة والنهائية والخطية لأن هذا يعزز الاتجاهية والكسب إلى نطاق عالٍ جدًا.

مصفوفة طفيليات

يتم ترتيب المصفوفات متعددة العناصر مثل عناصر الهوائي الطفيلية بشكل طفيلي مما يوفر أقصى كسب اتجاهي دون تغذية كل عنصر من عناصر الصفيف. يساعد هذا النوع من الترتيب ببساطة في التعامل مع مشكلة خط التغذية من خلال عدم توفير الإثارة المباشرة لكل عنصر من عناصر مصفوفة الهوائي. ترتيب الهوائي الطفيلي مبين أدناه.

تُعرف العناصر التي لا يتم تغذيتها مباشرة بالعناصر الطفيلية وهي ببساطة تستمد قوتها من الإشعاع المنبعث بواسطة العنصر الدافع الموجود في الجوار. نتيجة لذلك ، يتم تنشيط العناصر الطفيلية عن طريق الاقتران الكهرومغناطيسي لأن عنصر القيادة قريب.

العناصر الطفيلية لمصفوفة الهوائي ليست متحمسة بشكل مباشر ولكنها تعتمد على الإثارة التي يتم تسليمها نحو عنصر القيادة. لذلك ، يتم تحديد التيار المستحث داخل العنصر الطفيلي الناتج عن العنصر المدفوع من خلال المسافة بين هذين العنصرين وضبطهما.

وبالتالي ، يتم إنتاج نمط إشعاع أحادي الاتجاه بمسافة فصل 'λ / 4' وفرق طور 90 درجة بين عناصر القيادة والعناصر الطفيلية. وبالتالي ، فإن نمط الإشعاع لهذه المصفوفة يتم إنشاؤه ببساطة بواسطة عاكس تم ترتيبه بعد عنصر القيادة ، والذي يتضمن موجات عكسية باتجاه الموجة الأمامية. يتراوح مدى تردد هذه الأنواع من صفائف الهوائي من 100 إلى 1000 ميجاهرتز.

ما هو Antenna Array Gain؟

يمكن تعريف كسب صفيف الهوائي على أنه نسبة الشدة في اتجاه محدد إلى شدة الإشعاع الذي تم الحصول عليه إذا تم إشعاع قدرة مماثلة بواسطة مشع واحد متناح.

ما هو الغرض من مجموعة الهوائي؟

الغرض من صفيف الهوائي هو إرسال / استقبال موجات الراديو من خلال العمل كهوائي واحد.

ما هو كسب هوائي جيد؟

الخير كسب الهوائي هو 3 ديسيبل ، 6 ديسيبل ، إلخ.

ما هي المصفوفة في الهوائي؟

المصفوفة في الهوائي هي مجموعة من الهوائيات المتصلة لتكوين هوائي واحد.

ما هو عامل مصفوفة الهوائي؟

عامل مصفوفة الهوائي هو دالة لمواضع الهوائي داخل المصفوفة والأوزان المستخدمة. لذلك يمكن لهذا العامل أن يغير بشكل كبير خصائص الاتجاهية لعنصر الهوائي المعين. لذلك يتم ملاحظة هذه الظاهرة بشكل أساسي بمجرد توصيل الهوائيات معًا.

المميزات والعيوب

مزايا مجموعة الهوائي تشمل ما يلي.

• تزداد قوة الإشارة بشدة.
• يمكن تحقيق اتجاهية عالية.
• يتم تقليل حجم الفصوص الصغيرة بشكل كبير.
• من الممكن الحصول على نسبة S / N عالية.
• يمكن الحصول على مكاسب كبيرة.
• يتم تقليل مقدار هدر الطاقة.
• من الممكن تحقيق نتائج أفضل.
• يدعم تصميم مجموعة الهوائي ببساطة الأداء الأفضل للهوائي.

تشمل عيوب مجموعة الهوائي ما يلي.

• صفائف الهوائي باهظة الثمن.
• ستزداد الخسائر المقاومة.
• يتطلب صيانة عالية.
• التركيب صعب.
• تحتل مساحة خارجية ضخمة.

التطبيقات

تتضمن تطبيقات صفيف الهوائي ما يلي.

• صفيف الهوائي مفيد جدًا في زيادة الكسب الكلي ، وزيادة SINR (الإشارة إلى التداخل بالإضافة إلى نسبة الضوضاء) ، وإلغاء التداخل ، وتوفير استقبال التنوع ، وتحريك المصفوفة في اتجاه معين ، وقياس وصول اتجاه الإشارات الواردة ، إلخ.
• يتم استخدام مجموعة الهوائي في اللاسلكي والعسكري رادار ، و اتصالات الأقمار الصناعية .
• يتم استخدام هذه ضمن المراقبة الفلكية.
• هذه قابلة للتطبيق في الغالب في الاتصالات بعيدة المدى وكذلك اتصالات الهاتف المحمول.
• يتم استخدامها حيثما تكون قوة الإشارة العالية مطلوبة للإرسال والاستقبال لمسافات طويلة.

وهكذا ، هذا هو لمحة عامة عن الهوائي المصفوفات - العمل مع التطبيقات. تستخدم مصفوفة الهوائي ببساطة عدة هوائيات لالتقاط ونقل الإشارات في اتجاهات مختلفة. لذلك يتم استخدام مجموعة الهوائي بشكل أساسي لزيادة جودة ومدى إشارتنا. إليك سؤال لك ، ما هي وظيفة الهوائي؟