الهوائي هو جهاز يعمل كواجهة بين الدائرة الكهربائية والفضاء ، وهو مصمم لإرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق تردد معين وفقًا لحجمه وشكله. إنه مصنوع من المعدن ، وخاصة النحاس أو الألومنيوم ، ويمكن لهوائيات الإرسال تحويل التيار الكهربائي إلى إشعاع كهرومغناطيسي والعكس صحيح. يحتوي كل جهاز لاسلكي على هوائي واحد على الأقل.
موجات راديو الشبكة اللاسلكية
عند الحاجة إلى اتصال لاسلكي ، يلزم وجود هوائي. لديه القدرة على إرسال أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية للتواصل حيث لا يمكن تركيب نظام سلكي.
الهوائي هو العنصر الأساسي في هذه التقنية اللاسلكية. يتم إنشاء موجات الراديو بسهولة واستخدامها على نطاق واسع لكل من الاتصالات الداخلية والخارجية نظرًا لقدرتها على المرور عبر المباني والسفر لمسافات طويلة.
الملامح الرئيسية لهوائيات الإرسال:
- لأن الإرسال اللاسلكي شامل الاتجاهات ، فإن الحاجة إلى المطابقة الماديةمطلوب الارسال والاستقبال
- يحدد تردد موجات الراديو العديد من خصائص الإرسال.
- عند الترددات المنخفضة ، يمكن أن تمر الموجات بسهولة عبر العقبات. ومع ذلك ، تنخفض قوتهم مع عكس مربع المسافة.
- من المرجح أن يتم امتصاص موجات التردد العالي وتنعكس على العوائق. نظرًا لنطاق الإرسال الطويل لموجات الراديو ، فإن التداخل بين عمليات الإرسال يمثل مشكلة.
- على نطاقات VLF و LF و MF ، يتبع انتشار الموجة ، الذي يُطلق عليه أيضًا موجات الأرض ، انحناء الأرض.
- أقصى نطاقات الإرسال لهذه الموجات في حدود عدة مئات من الكيلومترات.
- تُستخدم هوائيات الإرسال للإرسال ذي النطاق الترددي المنخفض مثل بث تعديل السعة (AM).
- يمتص الغلاف الجوي بالقرب من سطح الأرض إرسالات النطاقين HF و VHF. ومع ذلك ، ينتشر جزء من الإشعاع ، يُدعى بالموجات السماوية ، للخارج وللأعلى باتجاه طبقة الأيونوسفير في الغلاف الجوي العلوي. يحتوي الأيونوسفير على جسيمات متأينة تكونت بفعل إشعاع الشمس. تعكس هذه الجسيمات المتأينة موجات السماء عائدة إلى الأرض.
انتشار الموجة
- خط انتشار البصر. من بين جميع طرق التوزيع ، هذا هو الأكثر شيوعًا. تقطع الموجة الحد الأدنى للمسافة التي يمكن رؤيتها بالعين المجردة. بعد ذلك ، تحتاج إلى استخدام جهاز إرسال مكبر الصوت لزيادة الإشارة وإرسالها مرة أخرى. لن يكون هذا الانتشار سلسًا إذا كان هناك أي عائق في مسار الإرسال.يستخدم هذا الإرسال لنقل الأشعة تحت الحمراء أو الميكروويف.
- انتشار الموجة الأرضية من هوائي إرسال. يحدث انتشار الموجة على الأرض على طول محيط الأرض. تسمى هذه الموجة الموجة المباشرة. تنحني الموجة أحيانًا بسبب المجال المغناطيسي للأرض وتضرب جهاز الاستقبال. يمكن تسمية هذه الموجة بموجة منعكسة.
- تُعرف الموجة التي تنتشر عبر الغلاف الجوي للأرض بموجة الأرض. تعطي الموجة المباشرة والموجة المنعكسة معًا إشارة في محطة الاستقبال. عندما تصل الموجة إلى جهاز الاستقبال ، يتوقف التأخير. بالإضافة إلى ذلك ، يتم ترشيح الإشارة لتجنب التشويه والتضخيم من أجل إخراج واضح. تنتقل الموجات من مكان واحد وحيث يتم استقبالها بواسطة العديد من هوائيات جهاز الإرسال والاستقبال.
نظام إحداثيات قياس الهوائي
عند النظر إلى النماذج المسطحة ، سيواجه المستخدم مؤشرات سمت المستوى وارتفاع مستوى النموذج. عادة ما يحدث مصطلح السمت بالنسبة إلى "الأفق" أو "الأفقي" ، بينما يشير مصطلح "الارتفاع" عادة إلى "عمودي". في الشكل ، المستوى xy هو مستوى السمت.
يقاس مخطط المستوى السمتي عند إجراء قياس بتحريك المستوى xy بأكمله حول هوائي جهاز الإرسال والاستقبال قيد الاختبار. مستوى الارتفاع هو مستوى متعامد مع المستوى xy ، مثل مستوى yz. يسافر مخطط الارتفاع في مستوى yz بأكمله حول الهوائي قيد الاختبار.
غالبًا ما يتم عرض العينات (السمت والارتفاعات) كمخططات في القطبإحداثيات. يمنح هذا المستخدم القدرة على تصور كيف يشع الهوائي بسهولة في جميع الاتجاهات ، كما لو كان "مدببًا" أو مثبتًا بالفعل. من المفيد أحيانًا رسم أنماط إشعاع في الإحداثيات الديكارتية ، خاصةً عندما يكون هناك العديد من الفصوص الجانبية في الأنماط وحيث تكون مستويات الفص الجانبي مهمة.
خصائص الاتصال الأساسية
الهوائيات هي مكونات أساسية لأي دائرة كهربائية لأنها توفر التوصيل البيني بين جهاز الإرسال والمساحة الخالية أو بين المساحة الحرة وجهاز الاستقبال. قبل الحديث عن أنواع الهوائيات يجب أن تعرف خصائصها.
Antenna Array - النشر المنتظم للهوائيات التي تعمل معًا. عادة ما تكون الهوائيات الفردية في المصفوفة من نفس النوع وتقع على مقربة شديدة ، على مسافة ثابتة من بعضها البعض. تسمح لك المصفوفة بزيادة الاتجاهية والتحكم في الحزم الرئيسية للإشعاع والحزم الجانبية.
جميع الهوائيات مكسب سلبي. يقاس الكسب السلبي بوحدة dBi ، والذي يرتبط بهوائي متناحٍ نظري. يُعتقد أنه ينقل الطاقة بالتساوي في جميع الاتجاهات ، لكنه غير موجود في الطبيعة. كسب هوائي نصف موجة مثالي هو 2.15 ديسيبل.
EIRP ، أو القدرة المشعة المتناحية المكافئة لهوائي الإرسال ، هي مقياس للقدرة القصوى التي يشعها هوائي متناحٍ نظري في الاتجاهأقصى ربح. تأخذ EIRP في الاعتبار الخسائر من خطوط الطاقة والموصلات وتتضمن الكسب الفعلي. يسمح EIRP بحساب القدرة الحقيقية وقوة المجال إذا كان كسب المرسل الفعلي وقدرة الخرج معروفين.
كسب الهوائي في الاتجاهات
تعرف بأنها نسبة كسب القدرة في اتجاه معين إلى كسب القدرة للهوائي المرجعي في نفس الاتجاه. من الممارسات القياسية استخدام مشع متناحٍ كهوائي مرجعي. في هذه الحالة ، سيكون باعث الخواص بلا خسارة ، يشع طاقته بالتساوي في جميع الاتجاهات. هذا يعني أن كسب المبرد الخواص هو G=1 (أو 0 ديسيبل). من الشائع استخدام وحدة ديسيبل (ديسيبل نسبة إلى مشع متناح) لكسب نسبة إلى مشعاع متناح.
يتم حساب الكسب ، المعبر عنه بوحدة dBi ، باستخدام الصيغة التالية: GdBi=10Log (GNumeric / GISotropic)=10Log (GNumeric).
في بعض الأحيان يتم استخدام ثنائي القطب النظري كمرجع ، لذلك سيتم استخدام الوحدة dBd (ديسيبل بالنسبة إلى ثنائي القطب) لوصف الكسب بالنسبة إلى ثنائي القطب. تُستخدم هذه الكتلة عادةً عندما يتعلق الأمر بتضخيم الهوائيات متعددة الاتجاهات ذات الكسب العالي. في هذه الحالة ، يكون مكاسبهم أعلى بمقدار 2.2 ديسيبل. لذا إذا كان للهوائي ربح قدره 3 ديسيبل ، فإن الكسب الإجمالي سيكون 5.2 ديسيبل.
3 ديسيبل عرض الحزمة
يتم تحديد عرض الحزمة (أو نصف عرض الحزمة) للهوائي عادة لكل من المستويات الرئيسية. يُعرَّف عرض الحزمة البالغ dB 3 في كل مستوي بأنه الزاوية بين نقاط الفص الرئيسية التي تنخفض من الكسب الأقصى بمقدار dB 3. عرض الحزمة 3 ديسيبل - الزاوية بين الخطين الأزرقين في المنطقة القطبية. في هذا المثال ، يبلغ عرض الحزمة 3 ديسيبل في هذا المستوى حوالي 37 درجة. عادةً ما يكون للهوائيات ذات عرض الحزمة العريض كسب منخفض ، بينما تتمتع الهوائيات ذات عرض الحزمة الضيقة بكسب أعلى.
وهكذا ، فإن الهوائي الذي يوجه معظم طاقته إلى حزمة ضيقة ، في مستوى واحد على الأقل ، سيكون له كسب أعلى. تُستخدم النسبة الأمامية إلى الخلفية (F / B) كمقياس للجدارة الذي يحاول وصف مستوى الإشعاع من الجزء الخلفي للهوائي الاتجاهي. في الأساس ، نسبة الأمام إلى الخلف هي نسبة كسب الذروة في الاتجاه الأمامي إلى الكسب 180 درجة خلف القمة. بالطبع ، على مقياس DB ، فإن نسبة الأمام إلى الخلف هي ببساطة الفرق بين كسب الذروة الأمامية والكسب 180 درجة خلف القمة.
تصنيف الهوائي
هناك العديد من أنواع الهوائيات لتطبيقات مختلفة مثل الاتصالات والرادار والقياس ومحاكاة النبض الكهرومغناطيسي (EMP) والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC) وما إلى ذلك ، تم تصميم بعضها للعمل في نطاقات تردد ضيقة ، بينما الآخرينمصممة لإصدار / استقبال نبضات عابرة. مواصفات هوائي الإرسال:
- التركيب المادي للهوائي
- نطاقات التردد.
- وضع التطبيق.
فيما يلي أنواع الهوائيات وفقًا للهيكل المادي:
- سلك ؛
- فتحة ؛
- عاكس ؛
- عدسة الهوائي
- هوائيات microstrip ؛
- هوائيات ضخمة.
فيما يلي أنواع هوائيات الإرسال حسب تردد التشغيل:
- تردد منخفض جدا (VLF).
- التردد المنخفض (LF).
- متوسط التردد (MF).
- عالي التردد (HF).
- تردد عالي جدا (VHF).
- الترددات الفائقة (UHF).
- التردد العالي الفائق (SHF).
- موجة الميكروويف.
- موجة راديو.
فيما يلي هوائيات الإرسال والاستقبال وفقًا لأوضاع التطبيق:
- اتصال من نقطة إلى نقطة.
- تطبيقات البث.
- اتصالات الرادار.
- اتصالات الأقمار الصناعية.
ميزات التصميم
هوائيات الإرسال تخلق إشعاع تردد لاسلكي ينتشر عبر الفضاء. تقوم هوائيات الاستقبال بإجراء العملية العكسية: فهي تتلقى إشعاع تردد الراديو وتحويله إلى الإشارات المطلوبة ، مثل الصوت والصورة في هوائيات الإرسال التليفزيونية والهاتف المحمول.
أبسط نوع من الهوائي يتكون من قضيبين معدنيين ويعرف باسم ثنائي القطب. أحد أكثر الأنواع شيوعًا هوهوائي أحادي القطب يتكون من قضيب يوضع عموديًا على لوح معدني كبير يعمل كمستوى أرضي. عادة ما يكون التركيب على المركبات أحادي القطب ويعمل السقف المعدني للمركبة كأرضية. يحدد تصميم هوائي الإرسال وشكله وحجمه تردد التشغيل وخصائص الإشعاع الأخرى.
من أهم سمات الهوائي اتجاهه. في الاتصال بين هدفين ثابتين ، كما هو الحال في الاتصال بين محطتي إرسال ثابتتين ، أو في تطبيقات الرادار ، يلزم وجود هوائي لإرسال طاقة الإرسال مباشرة إلى المستقبل. على العكس من ذلك ، عندما لا يكون المرسل أو المستقبل ثابتًا ، كما هو الحال في الاتصالات الخلوية ، يلزم وجود نظام غير اتجاهي. في مثل هذه الحالات ، يلزم وجود هوائي شامل الاتجاهات يستقبل جميع الترددات بشكل موحد في جميع اتجاهات المستوى الأفقي ، وفي المستوى الرأسي يكون الإشعاع غير متساوٍ وصغير جدًا ، مثل هوائي الإرسال عالي التردد.
إرسال واستقبال المصادر
المرسل هو المصدر الرئيسي لإشعاع التردد اللاسلكي. يتكون هذا النوع من موصل تتقلب شدته بمرور الوقت ويحوله إلى إشعاع تردد لاسلكي ينتشر عبر الفضاء. هوائي الاستقبال - جهاز لاستقبال الترددات الراديوية (RF). ينفذ الإرسال العكسي الذي يقوم به المرسل ، ويستقبل إشعاع التردد اللاسلكي ، ويحوله إلى تيارات كهربائية في دائرة الهوائي.
محطات البث التلفزيوني والراديوي تستخدم هوائيات الإرسال لنقل أنواع معينة من الإشارات التي تنتقل عبر الهواء. يتم الكشف عن هذه الإشارات من خلال هوائيات الاستقبال ، والتي تحولها إلى إشارات ويتم استقبالها بواسطة جهاز مناسب مثل التليفزيون والراديو والهاتف المحمول.
تم تصميم هوائيات استقبال الراديو والتلفزيون لتلقي إشعاع التردد اللاسلكي فقط ولا تنتج إشعاع تردد الراديو. تمتلك أجهزة الاتصالات الخلوية ، مثل المحطات القاعدية والمكررات والهواتف المحمولة ، هوائيات إرسال واستقبال مخصصة تنبعث منها طاقة تردد الراديو وتخدم الشبكات الخلوية وفقًا لتقنيات شبكة الاتصالات.
الفرق بين الهوائي التناظري والرقمي:
- للهوائي التناظري ربح متغير ويعمل في مدى 50 km من أجل DVB-T. كلما كان المستخدم بعيدًا عن مصدر الإشارة ، كانت الإشارة أسوأ.
- لاستقبال التلفزيون الرقمي - يتلقى المستخدم إما صورة جيدة أو صورة على الإطلاق. إذا كان بعيدًا عن مصدر الإشارة ، فلن يستقبل أي صورة.
- يحتوي الهوائي الرقمي للإرسال على مرشحات مدمجة لتقليل الضوضاء وتحسين جودة الصورة.
- يتم إرسال الإشارة التناظرية مباشرة إلى التلفزيون ، بينما يجب فك تشفير الإشارة الرقمية أولاً. يسمح لك بتصحيح الأخطاء وكذلك البيانات مثل ضغط الإشارة لمزيد من الميزات مثل القنوات الإضافية و EPG و Pay TV والألعاب التفاعلية ، إلخ.
مرسلات ثنائية القطب
الهوائيات ثنائية القطب هي النوع متعدد الاتجاهات الأكثر شيوعًا وينتشر طاقة التردد اللاسلكي (RF) بزاوية 360 درجة أفقيًا. تم تصميم هذه الأجهزة لتكون طنينًا عند نصف أو ربع الطول الموجي للتردد المطبق. يمكن أن تكون بسيطة مثل طولين من الأسلاك ، أو يمكن تغليفها.
يستخدم ثنائي القطب في العديد من شبكات الشركات والمكاتب الصغيرة والاستخدام المنزلي (SOHO). لها ممانعة نموذجية لمطابقتها مع المرسل لتحقيق أقصى قدر من نقل الطاقة. إذا لم يتطابق الهوائي وجهاز الإرسال ، فستحدث انعكاسات على خط الإرسال ، مما سيؤدي إلى تدهور الإشارة أو حتى إتلاف جهاز الإرسال.
التركيز الموجه
الهوائيات الاتجاهية تركز الطاقة المشعة في حزم ضيقة ، مما يوفر ربحًا كبيرًا في هذه العملية. خصائصه متبادلة أيضًا. تنطبق خصائص هوائي الإرسال ، مثل المعاوقة والكسب ، أيضًا على هوائي الاستقبال. هذا هو السبب في أنه يمكن استخدام نفس الهوائي لإرسال واستقبال إشارة. يعمل كسب الهوائي المكافئ الاتجاهي على تضخيم إشارة ضعيفة. هذا هو أحد أسباب استخدامها غالبًا للاتصالات بعيدة المدى.
هوائي اتجاهي شائع الاستخدام هو مصفوفة Yagi-Uda تسمى Yagi. تم اختراعه بواسطة Shintaro Uda وزميله Hidetsugu Yagi في عام 1926. يستخدم هوائي yagi عدة عناصر لتشكيل مجموعة موجهة. يقوم عنصر مدفوع واحد ، وهو عادةً ثنائي القطب ، بنشر طاقة التردد اللاسلكي ، والعناصر الموجودة قبل العنصر الدافع وخلفه مباشرة تعيد إشعاع طاقة التردد اللاسلكي داخل وخارج الطور ، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارة وإبطائها على التوالي.
تسمى هذه العناصر بالعناصر الطفيلية. يسمى العنصر خلف العبد العاكس والعناصر الموجودة أمام العبد تسمى المخرجين. هوائيات ياغي لها عروض حزمة تتراوح من 30 إلى 80 درجة ويمكن أن توفر أكثر من 10 ديسيبل من الكسب السلبي.
الهوائي المكافئ هو أكثر أنواع الهوائي الاتجاهي شيوعًا. القطع المكافئ هو منحنى متماثل ، والعاكس المكافئ هو سطح يصف منحنى أثناء دوران 360 درجة - طبق. تستخدم الهوائيات المكافئة للوصلات بعيدة المدى بين المباني أو المناطق الجغرافية الكبيرة.
مشعات مقطعية نصف اتجاهية
هوائي التصحيح هو مشعاع نصف اتجاهي باستخدام شريط معدني مسطح مركب فوق الأرض. يتم قطع الإشعاع من الجزء الخلفي للهوائي بشكل فعال بواسطة المستوى الأرضي ، مما يؤدي إلى زيادة الاتجاهية الأمامية. يُعرف هذا النوع من الهوائي أيضًا باسم هوائي microstrip. عادة ما تكون مستطيلة الشكل ومغلفة في علبة بلاستيكية. يمكن تصنيع هذا النوع من الهوائي بواسطة طرق PCB القياسية.
يمكن أن يكون لهوائي التصحيح عرض شعاع من 30 إلى 180 درجة والكسب النموذجي هو 9 ديسيبل. الهوائيات المقطعية هي نوع آخر من الهوائيات شبه الاتجاهية. توفر الهوائيات القطاعية مخطط إشعاع قطاعي وعادة ما يتم تثبيتها في مصفوفة. يمكن أن يتراوح عرض الحزمة للهوائي القطاعي من 60 إلى 180 درجة ، مع 120 درجة نموذجية. في مصفوفة مقسمة ، يتم تثبيت الهوائيات بالقرب من بعضها البعض ، مما يوفر تغطية كاملة بزاوية 360 درجة.
صنع هوائي Yagi-Uda
خلال العقود الماضية ، كان هوائي Yagi-Uda مرئيًا في كل منزل تقريبًا.
يمكن ملاحظة أن هناك العديد من المخرجين لزيادة اتجاهية الهوائي. وحدة التغذية عبارة عن ثنائي القطب مطوي. العاكس هو عنصر طويل يوضع في نهاية الهيكل. يجب تطبيق المواصفات التالية على هذا الهوائي.
| العنصر | المواصفات |
| طول العنصر المتحكم فيه | 0.458λ إلى 0.5λ |
| طول العاكس | 0، 55λ - 0.58λ |
| مدة المخرج 1 | 0.45λ |
| طول المخرج 2 | 0.40λ |
| مدة المخرج 3 | 0.35λ |
| الفاصل الزمني بين المديرين | 0.2λ |
| عاكس للمسافة بين ثنائيات الأقطاب | 0.35λ |
| المسافة بين ثنائيات القطب والمخرج | 0.125λ |
فيما يلي فوائد هوائيات Yagi-Uda:
- مكاسب عالية.
- تركيز عالي.
- سهولة التعامل والصيانة
- إهدار أقل للطاقة
- تغطية تردد أوسع.
فيما يلي عيوب هوائيات Yagi-Uda:
- عرضة للضوضاء.
- عرضة للتأثيرات الجوية.
إذا تم اتباع المواصفات المذكورة أعلاه ، فيمكن تصميم هوائي Yagi-Uda. يعتبر المخطط الاتجاهي للهوائي فعالاً للغاية ، كما هو موضح في الشكل. يتم كبت الفصوص الصغيرة وزيادة اتجاهية الضربات الرئيسية بإضافة موجهات للهوائي.
