الهوائيات

1- نبذة تاريخية مختصرة :

يرجع تأريخ الهوائيات إلى جيمس كلارك ماكسويل (G. K. Maxwell) الذي وضع نظريات المغناطيسية من خلال معادلاته وذلك عام1873 م، وقد تم تصميم أول هوائي راديوي بواسطة هين ريتش هيرتز (Heinrich Hertz ) عام 1886م في ألمانيا .. وقد صمم نظام كامل للإرسال والاستقبال وكان الهوائي المرسل هوائي ثنائي القطب (dipole) والمستقبل هوائي حلقي مربع  (Square Loop Antenna) ، كان اكتشاف هيرتز داخل معمله ولم يخرجه للبشرية لمدة عشرين عاماً حتى جاء ماركوني ( Marconi ) من إيطاليا وأضاف دوائر رنين (Resonance Circuits) ساعدت في إرسال الإشارات خلال مسافات بعيدة وذلك في منتصف ديسمبر عام 1901 م ، وبعد ماركوني وحتى عام 1940 م تعلقت تكنولوجيا الهوائيات بعناصر إشعاع لا سلكية بترددات تصل إلى (UHF)، وخلال الحرب العالمية الثانية ظهرت أشكال جديدة من الهوائيات مثل هوائيات البوق (Horn) والعواكس (Reflector) وموجهات الموجة (Wave Guides)، و تبعاً للتطورات التي حدثت في مجال الكمبيوتر، تطورت هندسة الهوائيات وذلك في الفترة من 1960 م إلى عام 1990 م ، شملت هذه التطورات تقديم طرق وتقنيات عددي ساعدت في حل معضلات الهوائيات ,شهد القرن الحالي ظهور هوائيات الاتصالات المتنقلة ووصل التطور إلى استخدام الهوائيات الذكية...الخ

ماهي الهوائيات :

الهوائي عبارة عن جهاز يستخدم من أجل إرسال أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية كما يعرف بأنه الوسط الانتقالي بين الفضاء الحر والأجهزة الموجهة (Guiding Devices)، الأجهزة الموجهة يمكن أن تكون خطوط نقل في صورة خط كيبل محوري (Coaxial Line) ، أو في صورة موجة موجهة (Wave Guide)  والجهاز الموجه يستخدم لتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية من مصدر الإرسال إلى الهوائي أي يقوم بتحويل الجهود والتيارات في المرسل إلى موجات كهرومغناطيسية ، ثم يقوم الهوائي بإرسالها كما يقوم بالعملية العكسية ؛ أي تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية من الهوائي إلى المستقبل .. حيث يقوم بتحويل الموجات الكهرومغناطيسية الساقطة عليه إلى جهود وتيارات عند المستقبل .. في الحالة الأولى يسمى الهوائي بالهوائي المرسل ، وفي الحالة الثانية يسمى الهوائي بالهوائي المستقبل ...

والفرق بين هوائي الإرسال والاستقبال:

هوائي الإرسال	هوائي الاستقبال
يعتبر محرض للأمواج  أي حمل للمرسل	يعتبر متحرضا بالأمواج  دخل للمستقبل
يحول قدرة التيار المتناوب عالي التردد إلى أمواج كهرومغناطيسية تنتشر في الهواء	يحول الأمواج الكهرومغناطيسية الحرة إلى تيار متناوب عالي التردد

واستنادا إلى مبدأ التبادل يمكن أن يقوم كل هوائي بدور الأخر ولكن في هذه الحالة الخصائص الأساسية ستتغير، ويمكن أن تختلف هوائيات الإرسال أو الاستقبال عن بعضها البعض حسب تصميمها أو الصلابة الكهربائية أو بعض البارامترات الأخرى. 

* كيف يعمل الهوائي على بث  المجالات الكهرو مغناطيسية في الهواء؟

يعتمد الإشعاع من الهوائي (Radiation from an Antenna) على وجود حقلين – كهربائي

 ومغناطيسي حيث تنتج خطوط الحقل الكهربائي بين ألواح المكثف كما هو موضح في الشكل

وبفرد المكثف بزاوية(180) واستبدال مصدر الشحن المستمر بمصدر شحن متناوب مما يجعل اتجاه

خطوط المجال الكهربائي تتغير بشكل مستمر كما هو موضح في الشكل

وبمرور التيار الكهربائي في السلك يتكون حقل مغناطيسي حول السلك وفق قاعدة اليد اليسرى ، وبما أن المصدر تيار متناوب سيكون اتجاه خطوط الحقل المغناطيسي متغيرة بشكل مستمر والشكل التالي يوضح اتجاه الحقل الكهربائي والمغناطيسي. 

يعتمد الدمج بين الحلقين على حقيقة أن وجود أحد الحقول يفرض وجود الحقل الأخر بقدر (90

) ، هذه الحقول متغيرة السرعة بنفس تغير سرعة تردد مصدر التغذية واتجاهها في دورة عكس الدورة السابقة ، يعمل تتالي توالد الحقل الكهرومغناطيسي بأن يدفع الحقل الجديد الحقل القديم الذي لم ينهار بعد وذلك لتشابه  الموجات وقطبيتها كما في الشكل 

يؤدي تنافر هذه الحقول من الهوائي إلى انفصالها بقوة في الفضاء مكونة أمواج كهرومغناطيسية لها سرعة تساوي سرعة الضوء؛

يتواجد الحقل الكهرومغناطيسي حول الهوائي في ثلاث مناطق هي:

- منطقة الحقل القريب التفاعلية :(Reactive Near Field Region) -

  وهي المنطقة المحيطة بالهوائي والحد الأبعد لهذه المنطقة من سطح الهوائي يعطى بالعلاقة

(R1 = 0.62 √D² / λ)

- منطقة الحقل القريب :(Near Field Region) -

 و تسمى بمنطقة ( فرنل)  وتعرف بأنها المنطقة المحصورة بين منطقة الإشعاع البعيدة ومنطقة الحقل القريبة التفاعلية والحد الأبعد لهذه المنطقة يعطى بالعلاقة

 ( R2 =2 D² / λ)  

-    منطقة الحقل البعيد :(Far Field Region) -

وتسمى بمنطقة ( فرن هوفر) ويسمى الحقل هنا بالحقل الزاوي لاعتماده على الإحداثيات لزاوية للمكان المراقب .(∅,Ѳ,r)

يوجد مستويين لتمثيل الحقل الكهرومغناطيسي في الإحداثي الكروي هي مستوى الحقل المغناطيسي (H) ومستوى الحقل الكهربائي (E) كما يوضح الشكل ادناه

مع تحيات الخبراء للهندسة

موقعنا