العلم خلف الهوائي باندويث وعلامة في نظم الاتصالات

ومن الأهمية بمكان الاعتراف بأن نطاق التردد ليس رقما واحدا؛ فمقاييس الأداء المختلفة تؤدي إلى تعاريف مختلفة لزوارق النطاق الترددي، وقد يكون له عرض نطاقي يتراوح بين 300 و400 ميغاهيرتز، ولكن نمطا أوسع نطاقا إذا كانت أشكال الإشعاع تشوه حواف النطاق الترددي، ولذلك يجب أن تحدد مواصفات الهوائيات بوضوح المعيار المستخدم.

External reference: Antenna Theory – Bandwidth] provides an preliminary overview of these definitions.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على الأنتينا باندويث

وينظم عرض النطاق الترددي للهائي مزيج من تصميمه المادي، والمواد التي بني منها، ونوعية مطابقته الكهربائية، والبيئة التي يعمل فيها، ويمكِّن فهم هذه العوامل المهندسين من إجراء مبادلات مستنيرة بين الحجم والتكلفة والأداء.

الهياكل الجيولوجية والمتقاربة

إن قياس الهوائي هو العامل الرئيسي في تردداته وثباته المتردية، فالهياكل المبسطة، مثل ديسبول نصف الموجات أو هوائي رقعة، تميل إلى تضييق نطاق الترددات لأنها تعتمد على تردد قوي واحد، وزيادة الحجم الذي يشغله الهوائيون بالنسبة للتصميمات الواسعة النطاق التي تضيف عادة إلى النطاق الترددي.

فعلى سبيل المثال، فإن الهوائي المصغر الذي يحتوي على رقعة مائلة من نوعها، عادة ما يكون له عرض جزئي لحجم النطاق الترددي يتراوح بين 2 و5 في المائة فقط، كما أن إدخال فتحة من نوع U-shaped، باستخدام جهاز فرعي أكثر سميكا، أو استخدام تشكيلة رقعة مقطوعة يمكن أن يوسع نطاق نطاق الضمادات إلى 20 في المائة أو أكثر.

Properties and Dielectric Loading

وتؤثر المواد الغذائية المحيطة بهوية أو التي تدعمها تأثيرا عميقا على نطاق الترددات، كما أن المقاييس الغذائية العالية القوة (مثل المضاربات السماوية) تقلل الحجم المادي للهائي، ولكنها تميل أيضا إلى تضييق نطاق التردد لأنها تزيد من معامل القدوة، كما أن المواد ذات القدرة المنخفضة على الحركة (مثلا، الضباب، الهواء) تقدم على نطاق أوسع.

In many modern designs, engineers use metamaterials] or ]artificial dielectrics] to create effective permittivity and permeability that vary with frequency, thereby shaping the antenna’s response. For example, a substrate with a high dielectric constant

Impedance Matching and VSWR

وحتى الهوائي المصمم جيدا سيظهر سوءا في نطاق التردد إذا لم يتطابق خط التغذية بشكل سليم مع تخلف مدخلاته، ويتسبب سوء الفهم في انعكاسات تؤدي إلى تدهور القوة المشعية وتضييق نطاق الترددات القابلة للاستخدام، والعلاقة بين VSWR و bandwidth أساسية: بالنسبة لغير المطابقة، فإن النطاق الترددي يرتبط على نحو عكسي بعامل فقدان التردد العالي.

أما شبكات المطابقة - مثل محولات الموجات ربعية، أو مصاريف التن، أو دوائر ل. س. - فيمكن أن تُدرج بين البث والهوائي لتوسيع نطاق الترددات العازلة، غير أن هذه الشبكات نفسها لديها قيود على الترددات وقد تُحدث خسائر، وفي تطبيقات واسعة النطاق، تستخدم تقنيات مثل خطوط مصغرة ملصقة أو محولات متعددة القطاعات (مضاهاة للارتباط أو تصميمات ثنائية).

الآثار البيئية

ويمكن أن تؤدي بيئة التشغيل إلى تغيير كبير في نطاق التردد الهوائي، كما أن التقريب إلى إجراء السطح (مثل الطائرات الأرضية والضغوط المعدنية) يتحول إلى صمامات ويمكن أن يوسع نطاق النطاق الترددي ويضيقه تبعا للمباعدة بين الزمن، كما أن الظروف الطبيعية مثل الجليد أو المطر أو الرطوبة العالية تغير القدرة الرخصية الفعالة حول النطاق الترددي، مما يؤدي إلى الحد من ذلك.

أنواع باندويث في أنتينا

وكما ذكر آنفا، فإن " النطاق الترددي " مصطلح متعدد الأوجه في هندسة الهوائيات، ويجب على المهندسين أن يحددوا ما هو القياس الذي يشار إليه لتجنب الغموض.

Impedance Bandwidth

أما أكثر عرضاً للعرض الترددي فهو نطاق التردد الذي يظل فيه الازدحام في مدخلاته داخل جهاز معين من أجهزة التردد VSWR (عادةً ما يكون مقياسه 2: 1)، وهذا أبسط ما يمكن قياسه بمحلل شبكة ناقلات، واتباع النطاق الترددي حاسم لأنه يحدد مقدار الطاقة التي يتم تسليمها إلى الهوائي مقابل إعادة إرسالها إلى جهاز الإرسال، وبالنسبة للعديد من التطبيقات التجارية، فإن هذا هو تحديد النطاق الترددي الوحيد.

Pattern Bandwidth

يشير نطاق الترددات إلى مدى التردد الذي يحافظ عليه نمط الإشعاع على شكله وتوجهه ودرجة استقطابه، وبالنسبة للهائيات الموجهة، فإن نسبة الشعاع من القوى النصفية والتردد قد تتدهور مع انجراف الترددات بعيدا عن مركز التصاميم، وقد يكون لعنصر التونة من الترددات العالية ولكن تشوهات النطاق الترددي الضيقة في نطاق الترددات.

Gain Bandwidth

أما " غين ستودث " فهي النطاق الذي يظل فيه تحقيق أقصى مكاسب الذروة في حدود التسامح المحدد (مثلاً 1-3 دي بي من الحد الأقصى)، ويتوقف عادة عن الكسب في نهايتي فرقة العمل بسبب الخسائر وسوء المطابقة والنمط، وبالنسبة لتطبيقات السواتل أو الرادار التي تكون فيها ميزانيات الربط ضيقة، فإن الحفاظ على التفاوت بين النطاقين أمر أساسي.

External reference: Wikipedia — Bandwidth (antenna)] offers a brief table of these definitions and their common criteria.

أهمية أنتينا باندويت في نظم الاتصالات

ويترجم اتساع نطاق التردد الهوائي مباشرة إلى تحسين قدرة النظام، والمرونة، والقوة، وفي عالم اليوم اللاسلكي المتجانس، تمثل القدرة على التعامل مع النطاقات والمعايير المتعددة الترددات ذات الهوائي الواحد ميزة رئيسية.

ارتفاع معدلات قدرات البيانات

ووفقا لنظرية شانون - هارتلي، فإن القدرة على القنوات متناسبة مع النطاق الترددي، ففي نظم الاتصالات الحديثة مثل 4G/5G cellular، وWINFi 6/6E، والقنوات الساتلية ذات النطاق العريض، تعتبر النطاقات الأوسع نطاقا أساسية لدعم معدلات البيانات من نوع جيغابيت إلى الثاني، ويمكن أن تحقق الهوائي الذي يمكن أن يعمل في إطار مجموعة من الطيفات تبلغ 500 ميغاهرتز قدرا أكبر بكثير من الناتج الإجمالي الممتد إلى 20 ميغارتز.

فعلى سبيل المثال، تحتاج فرق الموجات الخمسية من طراز GMMMLTMBD (مثل 24-29 GHz، 37 إلى 40 GHz) إلى هوائيين ذوي عرضيات فطرية بنسبة 20 في المائة أو أكثر لاستيعاب مخصصات القنوات الكبيرة، وبدون هوائي واسع النطاق بما فيه الكفاية، لا يمكن تحقيق كامل إمكانات هذه الترددات.

العملية المتعددة النطاقات والمتعددة المعايير

ويمكن أن تدعم الأجهزة الحديثة - السمفونات، ومحطات الأساس، وممرات إيوت - أكبر عدد من المعايير اللاسلكية (LTE، WCDMA، وWINFi، و Bluetooth، وGPS، وما إلى ذلك) التي تعمل في نطاقات منفصلة، بدلاً من تركيب هوائيات منفصلة لكل فرقة، يمكن أن تغطي مجموعة واحدة واسعة النطاق أو متعددة النطاقات معايير متعددة في آن واحد، وهذا يقلل من تكلفة الخلايا وحيزها وتعقيدها.

الموثوقية وميزانية الربط

وفي وصلات الاتصالات الحرجة مثل خدمات الطوارئ، والإذاعة العسكرية، أو القياس عن بعد في الفضاء العميق، فإن الحفاظ على الاتصال عبر مختلف الظروف أمر بالغ الأهمية، ويسهم نطاق التردد الأنتينا في موثوقية النظام بضمان عدم دفع الانجرافات الطفيفة (التي تسببها الشيخوخة أو الآثار الحرارية) الهوائي إلى خارج منطقة التشغيل الكفؤة، كما يساعد توسيع نطاق الترددات على تخفيف أثر تدخل الميكانيكي المشترك عن طريق توفير درجات أكبر.

التكنولوجيات المستقبلية (5G, IoT, Satellite)

وتطالب التكنولوجيات الناشئة بزوارع أكبر من الترددات الترددية للهوائيين. وتستخدم إذاعة جديدة من طراز 5G النطاق الترددي 1 (FR1: 410-7125 MHz) و FR2 (24.25-52.6 GHz) وتقترح مفاهيم من الفئة " المستقبل " النطاقات الفرعية (100-300 GHz) حيث قد تكون هناك حاجة إلى نطاقات ضوئية تبلغ 50 في المائة أو أكثر.

ويجب أن تعالج الاتصالات الساتلية، ولا سيما مع مجموعات المدار المنخفض المدى، نوبات دوبلر المختلفة والاستقطابات المتعددة، كما أن الهوائيات ذات النطاق الواسع مثل الصفوف المرحلية التي تحتوي على عناصر مشعة ذات النطاق العريض هي عوامل التمكين الرئيسية لهذه النظم.

External reference: MathWorks — Antenna Bandwidth] includes simulation examples showing bandwidth implications for real-world designs.

التقنيات اللازمة لتعزيز باندويدث

وقد وضع المهندسون استراتيجيات عديدة لدفع الهوائيات إلى ما يتجاوز القيود الضيقة التي يفرضها المذيبات البسيطة، وكثيرا ما تنطوي هذه التقنيات على زيادة الحجم الكهربائي للهائي، أو إدخال عدة صعود، أو استخدام هياكل غير صبورة.

تصميمات الهوائيات ذات النطاق العريض

وهناك عدة أجسام هوائية ذات نطاق واسع في جوهرها:

• Log-periodic antennas – Consist of a series of dipole elements of progressively increasing length. The active region shifts with frequency, yielding bandwidths of 10:1 or more.
• Spiral antennas] – Equiangular or Archimedean spirals are frequency-in dependent structures that can operate over several octaves.
• Horn antennas] — Pyramidal and conical horns are inherently wideband due to their smooth impedance transition from waveguide to free space. Typical bandwidths cover a waveguide band (e.g., 1.7:1 to 2:1).
• Bowtie and Vivaldi antennas – Tapered slot antennas (TSA), such as the Vivaldi design, can achieve ultrawide bandwidth (e.g., 2 -40 GHz) with moderate gain.

استخدام أجهزة القياس والجهاز الديليكتري

ويمكن أن تؤدي المجازر إلى إنشاء ممتلكات اصطناعية كهرومغناطيسية غير موجودة في طبيعتها، مثل الرخصة السلبية أو القدرة على تحملها، حيث أن تحميل هوائي به خلايا وحدة الميتامتيرية (مثلاً، أجهزة الفرز المقسمة أو وحدات الدمج التكميلية) يمكن للمهندسين أن يقلصوا حجم الهوائي مع الحفاظ على النطاق الترددي.

تقنيات آري

ويمكن أن تحقق الهوائيات المصنوعة من صفائح متعددة المستويات على مستوى المنظومة، تتجاوز كثيرا نطاق العنصر الوحيد، إذ يمكن تصميم المجموعة الشاملة، بتوزيع الطاقة على عناصر عديدة، بحيث تكون محدودة نسبيا، بحيث تعمل على نطاق أوسع بكثير إذا ما تم تخصيص هذه العناصر بشكل مناسب، وشبكة التغذية ذات النطاق الترددي الواسع، مثل تطبيقات النطاق الترددي الحقيقي، على أجهزة الاتصال الساتلية الواسعة النطاق.

Measuring Antenna Bandwidth

(أ) قياس الضمادات هو جزء معياري من توصيف الهوائيات، ويقاس استخدام جهاز تحليل لشبكة ناقلات المركبات (VNA)، وS_([FLT:])(]() (خسارة العودة) على نطاق الترددات دون [10].

وبالنسبة لسلسلة النطاق الترددي، فإن الهوائي مركب على متناوب في غرفة كهربية، وتسجل أنماط الإشعاع في ترددات متعددة، ثم يكون المقياس الذي لا يزال فيه نصف القوى المتقلبة أو الاختلاف في الأرباح في مواصفات محددة.

ومن المهم ملاحظة أن دقة القياس تتوقف على معايرة نظام تقييم الأداء، ونوعية الكابلات التي يمكن أن تتباين مع التردد، واستقرار بيئة الاختبار، وقد يلزم، بالنسبة للمحيطات ذات النطاق الواسع، معايير متعددة للمقاييس عبر النطاق.

External reference: RF Page – Understanding Antenna Bandwidth] provides practical measurement tips and typical bandwidth values for common antenna types.

خاتمة

إن نطاق التردد الهوائي أكثر بكثير من مجرد مواصفات؛ فهو مظلة متعددة الأوجه تحد أساسا من أداء نظم الاتصالات اللاسلكية، ومن الفيزياء التي تسود الهياكل المتردية إلى القيود العملية للمواد والبيئة، وفهم ما يقرره نطاق الترددات يتيح للمهندسين إجراء عمليات تبادل ذكية، ومع تزايد الطلب على معدلات البيانات، وعملية النطاقات المتعددة، وما زالت المخصصات ذات الترددات الجديدة تنمو.

وللمزيد من القراءة، تقدم المراجع المقدمة أمثلة على النظرية التأسيسية والتصميم الحديث، فالعلم الذي خلفه عرض النطاق الترددي الهوائي غني بالكهرباء الكلاسيكية والهندسة المبتكرة - وسيظل حجر الزاوية في نظم الاتصالات لعقود قادمة.