هوائي

الهوائي هو محول طاقة تم تصميمه ليقوم بنقل أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية. وبمعنى آخر فإن الهوائيات تقوم بتحويل الموجات الكهرومغناطيسية إلى تيارات الكترونية والعكس. وتستعمل الهوائيات في أنظمة مثل بث الراديو والتلفزيون ، واستكشاف الفضاء. وتعمل الهوائيات عادة في الهواء و الفضاء الخارجي ، بكلن يمكن أيضا أن يتم تشغيلها تحت الماء أو حتى تحت التربة والصخور للحصول على بعض الترداد لمسافات قصيرة.

Short Wave "Curtain" Antenna (Moosbrunn, Austria)

يمكن استخدام عدة أنواع من الهوائيات لاستقبال إشارات الراديو أو التلفاز. توضح الرسوم أعلاه أربعة من أنواع هوائيات الاستقبال الأكثر شيوعًا.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تعريف

الهوائي جهاز يرسل ويستقبل إشارات الراديو والتلفاز والرادار. تُحْمَل تلك الإشارات بوساطة موجات كهرومغنطيسية ، وتتنقل الموجات الكهرومغنطيسية عبر الفضاء بسرعة الضوء. وهي تختلف من حيث الطول الموجي ، ذات الصلة المباشرة بترددها، أي نسبة اهتزازها. وتبث محطات الإذاعة، والتلفاز، والرادار على أطوال موجات مختلفة، لكي لا تتداخل إشاراتها بعضها ببعض. ونوعا البث بوساطة محطات الإذاعة هما تضمين الاتساع، وتضمين التردد. وعمومًا، تستخدم محطات تضمين الاتساع أطوالاً موجية تتراوح بين 10 و2000م، بينما تستخدم محطات تضمين التردد، ومحطات التلفاز أطوالاً موجية طولها 3م فأقل. أما إشارات الرادار، فإنها تستخدم أطوالاً موجية يبلغ طولها بضعة سنتمترات. ^[1]

أنواع الهوائيات

هوائيات الاستقبال

يعتمد حجم تعقُّد الهوائي وشكله ومداه على طول الموجة المستقبلة ومداها. كما يمكن تصميم الهوائيات بخواص اتجاهية مختلفة، بحيث لا تضطر لإرسال والتقاط الإشارات بدرجة متساوية في الاتجاهات كافة.

يتكون أبسط هوائي من سلك واحد معلَّق أفقيًا، أو من قضيب معدني مستقيم. ويوصَّل أحد جانبي الهوائي بجهاز الاستقبال. ويعمل مثل هذا الهوائي الذي يسمَّى أحياناً القطب الأحادي، على نحو أفضل عندما يتماثل طوله مع رُبع الموجة المستقبلة أو المرسلة. وتستخدم الهوائيات القضيبية مع أجهزة استقبال تضمين التردد والتلفاز النقَّالة، ومع أجهزة الإرسال والاستقبال النقالة، مثل أجهزة راديو الميدان. وتستخدم الهوائيات أحادية السلك مع العديد من مستقبلات الموجات القصيرة.

وهوائي التلفاز الأوسع استخدامًا هو ثنائي القطب، الذي يتكون من قضيب معدني مستقيم، أو من سلك منشطر في الوسط. ويتكون الهوائي الثنائي المنطوي من قطبين ثنائيين يتصلان عند الطرفين، مع كون أحدهما مشطورًا. وينبغي أن يكون مجمل طول القطب الثنائي نصف الطول الموجي المستخدم لها. كما يمكن تقوية أداء الهوائي ثنائي القطب بإضافة العاكسات، والموجِّهَات المكوَّنة من قضبان معدنية، مماثلة في الطول تقريبًا للقطب الثنائي، وموضوعة وراء القطب الثنائي وأمامه. وتُوصَّل معظم هوائيات التلفاز مع أجهزة الاستقبال بوساطة حزمة أسلاك محمية، مما يحول دون التقاط جهاز الاستقبال للتداخل من الأجهزة الكهربائية المنزلية.

تُوجد أنواع أخرى عديدة من الهوائيات. وتحوي أجهزة استقبال تضمين الإتساع الحديثة هوائيًا مكونًا من مِلّف ملفوف حول قضيب مصنوع من الفرّيت. والفرِّيت مادة مغنطيسية تقوِّي الإشارات في الملف.

هوائيات الإرسال

تماثل في التصميم هوائيات الاستقبال. ويستخدم العديد من أنظمة الاتصال والرادار الهوائي نفسه للإرسال والاستقبال؛ إلاَّ أن تصميم هوائيات الإرسال، يجب أن يكون أكثر دقة وضبطًا. فالهوائي خاطئ البعد، سيرسل مجرد جزء صغير من الطاقة المنتجة من جهاز الإرسال، كما أن موقع هوائيات الإرسال من الأهمية بمكان، إذ يجب أن توضع هوائيات تضمين التردد والتلفاز في أعلى موضع ممكن، لزيادة مداها. وسبب ذلك هو أن إشارات تضمين التردد والتلفاز تنتشر أفقيًا، ولا يمكن استقبالها وراء الأفق كما هو مُشَاهَد من هوائي الإرسال. أما إشارات تضمين الإتساع فإنها ترتد من الغلاف الجوي العلوي، ويمكنها الوصول إلى ما وراء تقوُّس الكرة الأرضية.

هوائيات الأطباق

تتخذ شكل الطبق. كما أن الطبق جزء من قطع مكافئ، والهوائي الحقيقي موضوع في بؤرته. وفي إمكان هوائي الطبق إرسال موجات الراديو في حزمة موجية ضيِّقة، أو استقبال الموجات من اتجاه محدّد للغاية. ولذلك، فإن هوائيات الأطباق تستخدم في أنظمة الرادار، ولإرسال الإشارات إلى مسافات طويلة بين المحطات الأرضية وسفن الفضاء، على سبيل المثال. كما أن أضخم هوائيات الأطباق هي الخاصة بالتلسكوبات الراديوية. ويوجد أكبرها، الذي يبلغ قُطْره 305 م، في أريسيبو، بورتوريكو. ويتزايد حاليًا إحلال الروابط الراديوية التي تستخدم هوائيات الأطباق محل خطوط الهاتف بعيدة المدى. وتوضع هذه الهوائيات في أبراج خاصة، أو فوق المباني العالية بالمدن الكبيرة.

المتغيرات

تردد الرنين

Gain

نمط الاشعاع

مقاومة التيار

الكفاءة

Bandwidth

الاستقطاب

النقل والاستقبال

النماذج الأساسية للهوائيات

هوائي تلفزيون

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الهوائيات العملية

تأثير الأرض

The wave reflected by earth can be considered as emitted by the image antenna

The vertical component of the current reflects without changing sign. The horizontal component reverses sign at reflection.

This means that a receiving antenna "sees" the image antenna with the current in the same direction if the antenna is vertical or with the current inverted if the antenna is horizontal.

For a vertical polarized emission antenna the far electric field of the electromagnetic wave produced by the direct ray plus the reflected ray is:

\textstyle {\left|E_{\perp }\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\cos \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}

The sign inversion for the parallel field case just changes a cosine to a sine:

\textstyle {\left|E_{=}\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\sin \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}

In these two equations:

$\scriptstyle {E_{\theta _{1}}}$ is the electrical field radiated by the antenna if there were no ground.
$\scriptstyle {k={2\pi \over \lambda }}$ is the wave number.
$\scriptstyle {\lambda }$ is the wave length.
$\scriptstyle {d}$ is the distance between antenna and its image (twice the height of the center of the antenna).

Radiation patterns of antennas and their images reflected by the ground. At left the polarization is vertical and there is always a maximum for

\scriptstyle {\theta =0}

. If the polarization is horizontal as at right, there is always a zero for

\scriptstyle {\theta =0}

.

المقاومة المتبادلة والتفاعل بين الهوائيات

Mutual impedance between parallel

\scriptstyle {\lambda  \over 2}

dipoles not staggered. Curves Re and Im are the resistive and reactive parts of the impedance.

From this definition, the currents and voltages applied in a set of coupled antennas are:

{\begin{matrix}v_{1}&=&i_{1}Z_{11}&+&i_{2}Z_{12}&+&\cdots &+&i_{n}Z_{1n}\\v_{2}&=&i_{1}Z_{21}&+&i_{2}Z_{22}&+&\cdots &+&i_{n}Z_{2n}\\\vdots &&\vdots &&\vdots &&&&\vdots \\v_{n}&=&i_{1}Z_{n1}&+&i_{2}Z_{n2}&+&\cdots &+&i_{n}Z_{nn}\end{matrix}}

where:

$\scriptstyle {v_{i}}$ is the voltage applied to the antenna $i$
$\scriptstyle {Z_{ii}}$ is the impedance of antenna $i$
$\scriptstyle {Z_{ij}}$ is the mutual impedance between antennas $i$ and $j$

Note that, as is the case for mutual inductances,

\scriptstyle {Z_{ij}\,=\,Z_{ji}}

If some of the elements are not fed (there is a short circuit instead a feeder cable), as is the case in television antennas (Yagi-Uda antennas), the corresponding $\textstyle {v_{i}}$ are zero. Those elements are called parasitic elements. Parasitic elements are unpowered elements that either reflect or absorb and reradiate RF energy.

In some geometrical settings, the mutual impedance between antennas can be zero. This is the case for crossed dipoles used in circular polarization antennas.

معرص الصور

الهوايات ومصفوفات الهوائيات

A Yagi-Uda beam antenna.
A multi-band rotary directional antenna for amateur radio use.
Rooftop TV antenna. It is actually three Yagi antennas. The longest elements are for the low band, while the medium and short elements are for the high and UHF band.
A terrestrial microwave radio antenna array.
Examples of US 136-174 MHz base station antennas.
Low cost LF time signal receiver, antenna (left) and receiver (right).
Rotatable log-periodic array for VHF and UHF.
Shortwave antennas in Delano, California.

الهوائيات وبنى التدعيم

A building rooftop supporting numerous dish and sectored mobile telecommunications antennas (Doncaster, Victoria, Australia.
A water tower in Palmerston, Northern Territory with radio broadcasting and communications antennas.
A three-sector telephone site in Mexico City.
Telephone site concealed as a palm tree.

رسوم بيانية كجزء من النظام

Antennas may be connected through a multiplexing arrangement in some applications like this trunked two-way radio example.
Antenna network for an emergency medical services base station.

انظر أيضا

ملاحظات

^ الموسوعة المعرفية الشاملة

المصادر

مصادر عامة

Antenna Theory (3rd edition), by C. Balanis, Wiley, 2005, ISBN 0-471-66782-X;
Antenna Theory and Design (2nd edition), by W. Stutzman and G. Thiele, Wiley, 1997, ISBN 0-471-02590-9;
Antennas (3rd edition), by J. Kraus and R. Marhefka, McGraw-Hill, 2001, ISBN 0-072-32103-2;
Antennenbuch, by Karl Rothammel, publ. Franck'sche Verlagshandlung Stuttgart, 1991, ISBN 3-440-05853-0; other editions (in German)
Antennas for portable Devices, Zhi Ning Chen (edited), John Wiley & Sons in March 2007
Broadband Planar Antennas: Design and Applications, Zhi Ning Chen and M. Y. W. Chia, John Wiley & Sons in February 2006
The ARRL Antenna Book (15th edition), ARRL, 1988, ISBN 0-87259-207-5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

"هوائي عملي" مصادر

النظرية والمحاكاة

EM Talk, "Microstrip Patch Antenna", (Theory and simulation of microstrip patch antenna)
"Online Calculations and Conversions " Formulas for simulating and optimizing Antenna specs and placement
"Microwave Antenna Design Calculator" Provides quick estimation of antenna size required for a given gain and frequency. 3 dB and 10 dB beamwidths are also derived; the calculator additionally gives the far-field range required for a given antenna.
Sophocles J. Orfanidis, "Electromagnetic Waves and Antennas", Rutgers University (20 PDF Chaps. Basic theory, definitions and reference)
Hans Lohninger, "Learning by Simulations: Physics: Coupled Radiators". vias.org, 2005. (ed. Interactive simulation of two coupled antennas)
Justin Smith "Aerials". A.T.V (Aerials and Television), 2009. (ed. Article on the (basic) theory and use of TV aerials)
Antennas Research Group, "Virtual (Reality) Antennas". Democritus University of Thrace, 2005.
"Support > Knowledgebase > RF Basics > Antennas / Cables > dBi vs. dBd detail". MaxStream, Inc., 2005. (ed. How to measure antenna gain)
Yagis and Log Periodics, Astrosurf article.
Raines, J. K., "Virtual Outer Conductor for Linear Antennas," Microwave Journal, Vol. 52, No. 1, January, 2009, pp. 76-86

Effect of ground references

Electronic Radio and Engineering. F.R. Terman. MacGraw-Hill
Lectures on physics. Feynman, Leighton and Sands. Addison-Wesley
Classical Electricity and Magnetism. W. Panofsky and M. Phillips. Addison-Wesley

براءات الاختراع و USPTO

CLASS 343, Communication: Radio Wave Antenna

[1] الموسوعة المعرفية الشاملة

[1]