تصميم الهوائيات هو الانضباط الأساسي في الاتصالات اللاسلكية، تشكيل مباشر لأداء كل شيء من اتصال الواي فاي ذو السماعات الذكية بالوصلات الساتلية في الفضاء العميق، حجم وجيولوجيا الهوائيات ليست خيارات تعسفية، إنها معايير أساسية تحكم نطاق الإشارة ونوعيتها وموثوقيتها، ويجب على المهندسين أن يبحروا في حيز تجاري معقد، ويوازنوا القيود المادية مع المتطلبات الكهربائية اللازمة لخلق امتحانات فعالة في الحجم.

العلاقة الأساسية بين حجم ووافلنغث

أكثر العلاقات مباشرة في نظرية الهوائيات هو أن بين حجم الهوائي وطول الموجة من الإشارة التي صممت لإرسالها أو استقبالها هذه العلاقة ليست تقريبية

الترددات والآفات المادية

(أطنان) أكثر كفاءة عندما تعمل في ترددها المتردي، والذي يحدث عندما يكون طولها المادي مطابقاً لجزء من موجة الإشارة، أكثر طولاً شيوعاً هو نصف قطرة من الـ (ديون) و (وايف) من أجل مقياس (ديبول) و (أير)

حجم الإشارات وضبابتها

وفوق النسيج البسيط، يصبح مفهوم حجم الفتح بالغ الأهمية بالنسبة للهوائيات المتجهة، والاختراع هو المجال الفعّال الذي يلتقط فيه الهوائي الطاقة الكهرومغناطيسية، وفتح شبكة أكبر من الطاقة، وتحسّن نسبة الأشعة إلى الغلاف الجوي مباشرة عند جهاز الاستقبال.

كيف أنائيا تضغط بشكل مباشر على التأثيرات

نطاق الإشارة هو في المقام الأول تحديد من خلال مكسب الهوائي، وهو مقياس مدى كفاءة تركيزات الهوائيات في توجيه معين مقارنة بمشعات الأيزوتروبيك (هوائي افتراضي يشع بالتساوي في جميع الاتجاهات).

القوة المولدة للطاقة الذرية

ويُعبَّر عن الغاموس في شكل مضللات قياسية إلى جهاز إشعاعي (DBi) - ويزيد ارتفاع معدل إنتاج الهوائيات في اتجاهه المقصود، وتزيد العلاقة بين حجم المكسب والمكسب المباشر: إذ تحقق الهوائيات الأكبر عموما زيادة في تركيز الطاقة المشعّة بدرجة أكبر، وعلى سبيل المثال، فإن ارتفاعا في نطاق الترددات المكوَّنة على المركبة بمقدار ربع الجرعة يزيد على نحو 2 دبليغ.

مقايضة الحجم - الرانغ العملية عبر نطاق الترددات

أما حجمها ونطاقها فهو يعتمد على الترددات، ففي نطاق التردد العالي (3-30 ميغاهيرتز)، فإن الأصابع الموجية تدوم (100 متر)، مما يتطلب وجود هوائيات كبيرة من أجل التشغيل الفعال، وهذه الأنهار الكبيرة قادرة على نشر الموجات السحابية، والإشارات الفوقية من الغلاف الأيوني لتحقيق النطاقات المتراوحة بين القارات.

Antenna Shapes: A Detailed look at Radiation Patterns and Signal Quality

ويحدد شكل الهوائي نمط الإشعاع الذي يُشكل ثلاثة أبعاد للقوام الميداني النسبي المشع من الهوائي، وتنتج أشكال مختلفة أنماطا مختلفة تناسب كل منها تطبيقات محددة.

الهوائيات غير المباشرة (ديبول، مونوبولي، روبير داكي)

حيث يُنتج أبسط أشكال الإشعاعات الشاملة، ويُشعّر الطاقة بالتساوي في جميع الاتجاهات في طائرة واحدة (مثلاً الطائرة الأفقية)

الهوائيات المباشرة (ياغ - أودا، لوغ - بيريوديتش، باتش، القرن)

ويُركز الهوائيون المباشرون على الطاقة في اتجاه محدد، حيث يوفرون قدراً أكبر من المكسب ويحسنون نوعية الإشارة في هذا الاتجاه، بينما يرفضون التدخل في اتجاهات أخرى، ويتكون الأنيسان الياغ - أودا من عنصر مدفوع، ومفكر، وجهاز توجيهي أو أكثر، ويُعدّون جميعهم على شكل ازدهار، ويُستخدمون في عمليات قياس التلفزيونية ووصلات من نقطة إلى أخرى.

Antennas (Parabolic Dish, Helical)

الطبق المظلي يستخدم مفكراً مُحتالاً لتركيز إشاراته القادمة أو المنتشرة على شعاع ضيق، شكل الصحون هو مُشوّه للثورة، والذي يضمن أنّ جميع الأشعة من التركيز تنعكس على المحور،

Gain, Directivity, and Beamwidth: The Key Metrics

فهم العلاقة بين شكل الهوائي وكسبه وزواجه أمر أساسي لتصميم النظام هذه القياسات مترابطة وتملي منطقة التغطية ونوعية الإشارة

فهم المكاسب والتوجيه

إن الكسب في الوقت الحاضر هو ناتج التوجيه والكفاءة، إذ يصف الاتجاه مدى تركيز نمط الإشعاع، بينما تُعزى الكفاءة إلى فقدان الأورام في مواد الهوائيات وضبابات الارتداد، إذ أن وجود موجة مباشرة مصممة جيدا يمكن أن يكون أقرب إلى مكاسبها لأن الكفاءة عالية، مثلاً، فإن نسبة التسارع في الياقوت ذات التردد العالي ستترتب على ارتفاع في معدل القوة إلى درجة منخفضة من الازدهار.

Beamwidth and Its Practical Implications

و تطابقت مع المواصفات الصوتية لـ 65 درجة من المضاعفات الصوتية و الـ 60 درجة من الـ (بيوث) و الـ (بيوث)

الاستقطاب: كيف يحدد تحديد الشايب التوجيه اللافتي

إن شكل الهوائي يحدد استقطاب الموجة المشع، الذي يؤثر على نشر الإشارة وأداء الربط، ويصف الاستقطاب توجه الموصلات الميدانية الكهربائية للموجة المشعّة، وينتج التخصيب الرأسي الذي يُستخدم في شكله القطبي موجات مُستقطبة الرأسية.

النظر في مسألة رسم الخرائط والربط بين الأزواج

كما أن حجم وشكل الهوائيات يحددان ازدحامها، الذي يجب أن يطابق الاختلال الافتراضي لخط الانتقال (من 50 إلى 75 أوما) بالنسبة إلى أقصى حد لنقل الطاقة، حيث أن هناك نقصاً في شكل لوجات متعددة الترددات، وهو ما يقترب من تصاميم النظام الموحد.

المبادلات الحقيقية في مجال تصميمات الهوائيات

ومن الناحية العملية، ينطوي تصميم الهوائي على التكرار بين متطلبات التضارب في الحجم والشكل والأداء والتكلفة، ويقضي التطبيق على الحالات التي يتم فيها التوصل إلى حلول توفيقية.

الأجهزة المتنقلة وأجهزة التفجير

وفي الهواتف الذكية، والأقراص، ومستشعرات الإيوت، فإن الحيز المتاح للهوائيات محدود للغاية، ويجب على المصممين أن يستخدموا الهوائيات الصغيرة التي تكون بطبيعتها غير فعالة، وتكون لها نطاق ضيق، كما أن التقنيات مثل التقلبات الكثيفة، والتحميل الخصبي، واستخدام مواد ثابتة عالية الديوية تساعد على تحقيق الارتداد في حجم صغير.

محطات القاعدة والهياكل الأساسية

إن الهوائيات الموجودة في قاع البحار بالنسبة للشبكات الخلوية والشبكة اللاسلكية كبيرة من الناحية المادية لأنها تحتاج إلى مكاسب عالية (12-20 د بي) لتوفير تغطية موثوقة على مساحة واسعة، وتستخدم هذه الهوائيات صفائف من عناصر الترقوة أو الديبول، وكثيرا ما تكون ذات قدرات على التضليل، وعادة ما يكون شكلها طويلا، ويسمح عامل الشكل الكبير بتشكيل اعتراضات عالية على الحجم وعلى وجه الدقة، ولكنه يخلق أيضا قيودا على تصميم محطات الريح.

الاتصالات الساتلية والجسمية

وبالنسبة للمحطات الأرضية الساتلية، فإن حجم الهوائيات هو الأهم، إذ أن أكبر الهوائيات توفر أعلى مكسب، وهو أمر أساسي للاتصال بالمركبات الفضائية البعيدة حيث تكون الخسائر في المسار كبيرة، حيث يتم اختيار أطباق الـ 70 مترا لشبكة الفضاء العميق من أجل ارتطامها الهائل، حيث إن الشكل، وهو سطح شبه متماثل، يضمن الحد الأدنى من الخطأ في المرحلة وأكبر قدر من المكاسب، بل ويضاهي في حجم الاختلالات الخفيفة.

تكنولوجيات الهوائيات الناشئة

وتُغيّر أوجه التقدم في مجال علوم المواد والتصميم الحاسوبي المبادلات التقليدية بين حجم الهوائي وشكله وأدائه.

MIMO and Phased Arrays

وتستخدم تكنولوجيا متعددة المدخلات متعددة الأجهزة ذات المدخلات المتعددة الهوائيات في جهاز الإرسال والاستقبال على السواء لتحسين المخرجات والموثوقية، وفي شبكات المجموعات الخمس، يتم نشر صفائف ضخمة من هذه المنظمة تضم عشرات أو مئات من عناصر الهوائيات، وكل عنصر صغير، ولكن المجموعة ككل يمكن أن تحقق مكاسب كبيرة من خلال التصفيق، ويتيح شكل المجموعة المتحركة من الإشعاعات ذات العناصر المتعددة.

Metamaterial and 3D Printed Antennas

وتُعدُّ الميثامات هياكل تُظهر خصائص الكهرومغناطيسية غير موجودة في طبيعتها، مثل مؤشر سلبي للانتعاش، ويمكن استخدامها لإنشاء هوائيات صغيرة كهربائية ولكنها تؤدي كما لو كانت أكبر بكثير، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُعاد تشكيل تركيب الهوائيات المميتة إلى درجة أقل بكثير من حجمها المادي، مما يتيح التقليل إلى أدنى حد من حجم النسيج التقليدي.

خاتمة

ويحتاج حجم وشكل الهوائيين الرئيسيين لنطاق الإشارة ونوعية أي نظام اتصالات سلكي لاسلكي، ويحقق الهوائي الأكبر درجة أكبر من المكاسب وطول المدى، في حين يحدد الشكل نمط الإشعاع والاستقطاب وحجم النطاق الترددي، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بدقة هذه العوامل في حدود القيود التي يفرضها التطبيق، سواء كان جهازا محمولا، أو محطة قاعدية عالية الجودة، أو وجود علاقة واسعة النطاق في الفضاء.