الهوائيات هي المكونات الأساسية لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الحديثة، وهي المسؤولة عن تحويل طاقة الموجات الموجهة إلى موجات كهرومغناطيسية تشع في الفضاء الحر، والقيام بعملية الاستقبال العكسي. وتكمن عمليتها الأساسية في تحويل أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية والإشعاع المكاني الموجه. تشرح هذه المقالة بشكل منهجي المبادئ الفيزيائية والمعايير الأساسية والاعتبارات الهندسية الكامنة وراء هذا التحويل من منظور مهندس اتصالات البث.
1. الأساس الفيزيائي لتشغيل الهوائي: من خط الإرسال إلى الرادياتير
في أنظمة الاتصالات، تنتقل الإشارات على طول خطوط الإرسال (مثل الكابلات المحورية وخطوط الشرائط الدقيقة) على شكل موجات موجهة. تنحصر الطاقة الكهرومغناطيسية للموجات الموجهة داخل حدود الموصلات أو العازلة، مع وجود مجالات كهربائية ومغناطيسية متعامدة على بعضها البعض وعلى اتجاه الانتشار. ومع ذلك، فإن هياكل خطوط النقل غير فعالة بشكل عام في الإشعاع الكهرومغناطيسي لأن المسافات بين موصلاتها أصغر بكثير من الطول الموجي، مما يجعل طاقة المجال تبقى محصورة إلى حد كبير في مكان قريب.
وتتمثل الوظيفة الأساسية للهوائي في كسر هذا الحبس. فعندما يكون هيكل الهوائي متصلاً بخط نقل ويفي بمعايير أبعاد محددة (عادةً ما تكون مماثلة للطول الموجي)، يتم استثارة تيارات متناوبة عالية التردد على طول موصل الهوائي. وعندئذ يمكن للمجالات الكهرومغناطيسية المصاحبة أن تتحرر من قيود الموصل، مكونة موجات كهرومغناطيسية تنتشر بحرية عبر الفضاء. هذه العملية متجذرة بعمق في معادلات ماكسويل، خاصة قانون فاراداي للحث وقانون أمبير-ماكسويل:
∇×E= -∂B/∂t
∇×H= J+ ∂D/∂t
توضح هذه المعادلات أن المجال الكهربي المتغير يولد مجالاً مغناطيسيًا متغيرًا، والعكس صحيح، مما يخلق تذبذبات كهرومغناطيسية ذاتية الاستدامة تنتشر إلى الخارج [1].
2. عملية التحويل الرئيسية: كيفية تحقيق الهوائيات للإشعاع الفعال
2.1 مطابقة المعاوقة: عتبة نقل الطاقة
تعد مطابقة المعاوقة بين الهوائي وخط الإرسال الشرط الأساسي لنقل الطاقة بكفاءة. عادةً ما يكون لخطوط الإرسال معاوقة مميزة ثابتة (على سبيل المثال، 50Ω أو 75Ω)، في حين أن معاوقة مدخلات الهوائي هي دالة للتردد، وتتكون من جزء حقيقي (مقاومة الإشعاع R_r ومقاومة الفقد R_l) وجزء تخيلي (المفاعلة X_a). تتطلب المطابقة المثالية أن تكون معاوقة الهوائي هي المرافق المركب للمعاوقة المميزة لخط الإرسال. في هذه الحالة، تقترب نسبة الموجة الدائمة للجهد (VSWR) من 1:1، ويتم تقليل الانعكاس إلى الحد الأدنى، وتنتقل معظم الطاقة من الخط إلى الهوائي. ويتسبب عدم التطابق في انعكاس الطاقة، مما يقلل من كفاءة الإشعاع ومن المحتمل أن يتلف جهاز الإرسال. غالبًا ما يستخدم المهندسون موالف هوائي أو يحسنون هيكل الهوائي لتحقيق مطابقة النطاق العريض [2].
2.2 التوزيع الحالي وآلية الإشعاع
يحدد التوزيع الحالي على الهوائي مباشرة خصائص الإشعاع الخاصة به. إذا أخذنا الهوائي التقليدي ثنائي القطب ثنائي الموجة نصف الموجة كمثال، عندما يكون طوله نصف الطول الموجي التشغيلي تقريباً، فإن التيار على الموصل يتبع توزيعاً جيبياً تقريباً - الحد الأقصى عند المركز (نقطة التغذية) وصفر عند الأطراف. يثير هذا التيار المتغير بمرور الوقت مجالات كهرومغناطيسية في الفضاء المحيط الذي ينفصل عن هيكل الهوائي. ووفقاً للنظرية الكهرومغناطيسية، فإن الشحنات المتسارعة (التيارات المتغيرة زمنياً) هي مصدر الإشعاع. تعتمد قوة المجال المشع على مقدار التيار والطول الفعال للهوائي واتجاه الرصد.
2.3 تشكيل إشعاع المجال البعيد
يمكن تقسيم منطقة المجال حول الهوائي إلى المجال القريب المتفاعل والمجال القريب المشع ومنطقة المجال البعيد (منطقة فراونهوفر). فقط في منطقة المجال البعيد (على مسافة
ص > 2د2/λ)، حيث D هو البُعد الأقصى للهوائي) تُظهر الموجات الكهرومغناطيسية خصائص الموجات المستوية: فالمجالات الكهربية والمغناطيسية متعامدة ومتطابقة في الطور، ونسبتها تساوي مقاومة موجة الفضاء الحر (377Ω تقريبًا)، وتنتشر شعاعيًا. يمكن وصف كثافة القدرة (القدرة لكل وحدة مساحة) في المجال البعيد بمتجه بوينتينج:
S =1/2 E × H∗
يمثل هذا الشكل النهائي للطاقة التي يطلقها الهوائي في الفضاء الحر [3].
3. معلمات الأداء الأساسية: لغة التصميم الخاصة بالمهندس
3.1 الاتجاهية والكسب
كسب الهوائي هو معلمة أساسية تقيس قدرته الإشعاعية الاتجاهية. ويُعرَّف بأنه نسبة كثافة الإشعاع في أقصى اتجاه إشعاع للهوائي إلى كثافة الإشعاع لمبرد مثالي متساوي الخواص (متعدد الاتجاهات)، بالنظر إلى نفس طاقة الإدخال. وعادة ما يتم التعبير عنه بوحدة dBi. ويرتبط الكسب ارتباطاً وثيقاً بإخراجية الهوائي، لكن الكسب يتضمن كفاءة الإشعاع الخاصة بالهوائي. وتركز الهوائيات ذات الكسب العالي الطاقة بشكل أضيق في قطاعات محددة، وبالتالي توسيع نطاق الاتصالات، وهو أمر بالغ الأهمية لوصلات الموجات الدقيقة من نقطة إلى نقطة أو الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.
3.2 نمط الإشعاع وعرض الشعاع
نمط الإشعاع الهوائي هو تمثيل بياني ثلاثي الأبعاد يصف التوزيع المكاني للطاقة المشعة. يستخدم المهندسون عادةً مخططات مقطعية ثنائية الأبعاد في مستويين رئيسيين (المستوى E والمستوى H). عرض شعاع نصف الطاقة (HPBW) هو العرض الزاوي بين النقاط على النمط حيث تنخفض الطاقة المشعة إلى نصف قيمة ذروتها. وهو يعكس بشكل بديهي تركيز حزمة الهوائي. مستوى الفص الجانبي هو مقياس مهم آخر لقمع التداخل وتحسين أداء النظام [4].
3.3 عرض النطاق الترددي والاستقطاب
يشير عرض النطاق الترددي التشغيلي للهوائي إلى نطاق التردد الذي تستوفي فيه معلمات الأداء الرئيسية (مثل VSWR، والكسب، والنمط) المواصفات. تختلف متطلبات عرض النطاق الترددي حسب التطبيق؛ فقد تتطلب هوائيات البث التلفزيوني أكثر من 101 تيرابايت في النطاق الترددي النسبي، في حين أن بعض هوائيات الاتصالات الساتلية قد تتطلب نطاقاً ترددياً ضيقاً جداً لقمع التداخل.
يصف استقطاب الهوائي مسار الاتجاه المكاني لمتجه المجال الكهربائي المشع مع مرور الوقت، والأنواع الشائعة هي الاستقطاب الخطي (الرأسي/الأفقي) والاستقطاب الدائري. وتُعد مطابقة الاستقطاب بين هوائيات الإرسال والاستقبال عاملاً رئيسياً آخر لزيادة نقل الطاقة إلى أقصى حد؛ ويمكن أن يكون فقدان الاستقطاب كبيراً في حالة عدم التطابق.
4. الخاتمة: الهوائي - جسر يربط بين الأنظمة المغلقة والفضاء الواسع
الهوائي أبعد ما يكون عن مجرد موصل معدني بسيط؛ فهو محول كهرومغناطيسي دقيق يتيح تحويل الأشكال الموجية. يبدأ مبدأ عمله بالإثارة عن طريق الموجات الموجهة، ويمر بمطابقة معاوقة الهوائي وإثارة التيار، وينتهي بالإشعاع الفعال للموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر. ينطوي تصميم كل هوائي على مفاضلة دقيقة بين بارامترات مثل مقاومة الإشعاع والاتجاهية وعرض النطاق الترددي والاستقطاب لسيناريو تطبيق معين. بالنسبة لمهندسي اتصالات البث، يعد الفهم العميق للسلسلة الكاملة من الموجات الموجهة إلى موجات الفضاء الحر أمرًا أساسيًا لتصميم الهوائي وتكامل النظام وحل مشاكل التداخل المعقدة. مع التطور السريع لشبكات الجيل الخامس وإنترنت الأشياء والإنترنت عبر الأقمار الصناعية، سيستمر الطلب على تكنولوجيا الهوائي المتكاملة عالية الأداء في دفع عجلة التقدم في هذا المجال القديم والنابض بالحياة.