هوائيات التردّدات فوق العلوية UHF والموجات المكروية
2013 تبسيط علم الإلكترونيات
ستان جيبيليسكو
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
تكون حجومُ وأوزانُ الهوائيّات ذات الاكتساب العالي طيّعةً عند تردّدات راديوية أعلى من 300 ميغا هرتز تقريباً، لأن الطول الموجي عندها يكون قصيراً بشكلٍ يكفي لجعل الهوائيّات ذات الأبعاد بعدّة أطوال موجيّة عمليّةً.
– الهوائيّ ذو الصحن (الطبق)
كلّنا يعرف كيف يبدو الهوائي ذو الصحن(Dish Antenna) ، ولكن قلّةً تُقدِّر الدقّةَ في التصميم وموسطات الارتصاف حقّ قَدْرها. 
يستخدم أكثرُ أنواع هوائيّات الصحن فعاليةً عاكِساً على شكل مجسَّمِ قطع مكافئ، أي شكلِ مقطعٍ من مجسَّم قطع مكافئ نحصل عليه عند تدوير منحنٍ مُعيَّن ندعوه بـ القطع المكافئ حول محوره في الفضاء الثلاثي الأبعاد.
هناك بديلٌ أقلُّ دقّةً – ولكنه قابلٌ للعمل في أغلب الحالات – هو العاكِس الكروي، بشكلٍ يُشكِّل مقطعاً من كرة ثلاثيّة الأبعاد.
نضع في تغذية الصحن الاصطلاحية (الشكل 12-11A) مُضخِّماً مسبقاً مُستقبِلاً صغيراً مع وحدةِ إرسالٍ عند نقطة محرق العاكِس. تشتغل هذه الأجهزة بواسطة تحكُّمٍ عن بعد من خلال كابِلات محورية.
وبشكلٍ بديل، يمكن وضعُ الهوائيّ أو المُضخِّم/ المُرسِل وراء الصحن الرئيس، حيث تنعكِس الإشارات عن "مرآة كهرو مغنطيسيّة EM" مُحدَّبة موضوعة عند نقطة المحرق. يدعو المهندسون مُخطَّطَ التصميمِ هذا بـ تغذية صحن كاسغران (الشكل 12-11B).
عندما نُزيد قطرَ عاكسِ صحنٍ ما، فإن الاكتساب نحو الأمام يكبر بينما يضيق الفصّ الرئيس. على قطر هوائي الصحن عند قيمته الأصغرية المطلقة أن يكون مساوياً لعدّة أطوال موجية إذا أردنا الحصولَ على تشغيلٍ جيّد مع اكتساب معقول.
يمكننا أن نُشكِّلَ المكون العاكِس من صفيحةِ معدن، أو من شاشة، أو من شبكةِ أسلاك. إذا استخدمنا شاشةً أو شبكةً فإن المسافةَ الفاصلةَ بين الأسلاك المتجاوِرة ينبغي ألاّ تتجاوزَ جزءاً طفيفاً من طول الموجة.
– الهوائي الحلزوني
الهوائي الحلزوني [اللولبي] (Helical Antenna) عبارة عن هوائي أحادي الاتّجاه، باكتساب كبير، وذي شكلٍ شبيهٍ بالنابض، ويكون غالباً مترافقاً مع شاشةٍ عاكِسةٍ مستوية، كما يُبيِّن الشكلُ 12-12.
يمكن للهوائي الحلزوني أن يعملَ ضمن حزمةٍ عريضةٍ من التردّدات تقع فوق حدّ أدنى محدد.
ينبغي على العاكِس في الهوائيّ الحلزوني لتحقيق الأداء الأفضل أن يقيسَ قطرُه على الأقلّ 0.8 طول موجة، ممّا يوافق تردّد التشغيل الأكثر انخفاضاً.
يجب على نصف قطر الحلزون أن يساوي تقريباً 0.17 طول موجة عند مركز مجال تردّدات التشغيل المنشود. ينبغي على المسافة الطولانيّة بين الدورات أن تُساويَ تقريباً 0.25 طول موجة عند مركزِ حيز تردّد التشغيل، بينما ينبغي على الطول الإجمالي للحلزون ألاّ يقلّ عن 1.0 طول موجة من النهاية إلى النهاية عند تردّد التشغيل الأدنى.
يمكن للهوائي الحلزوني أن يُؤمِّنَ اكتساباً نحو الأمام بقيمةٍ حوالي 15 dBd. من المألوف في نُظُم الفضاء واتّصالات السواتِل أن توضَعَ زمرٌ (أو خلجان) من هوائيّات حلزونيّة جنباً إلى جنب في مصفوفةٍ مُربَّعة مع عاكِسٍ كبيرٍ واحِدٍ. تُوفِّر خلجانُ الهوائيّات الحلزونيّة اكتساباً أكبرَ واتّجاهيّةً أفضلَ ممّا يستطيع هوائيٌّ حلزونيٌ وحيدٌ تقديمَه.
– هوائي عاكس زاويّ
يُبيِّن الشكل 12-13 مثالاً لـهوائيّ عاكس زاويٍّ (Corner-Reflector Antenna) بسيطٍ بعنصر مَساقٍ ذي نصف موجة. 
يؤمِّن هذا النظام اكتساباً متوسّطاً بالنسبة لهوائي القطب الثنائي بنصف موجة. يمكن للعاكِس أن يتألّف من شبكة أسلاك، أو من قطعةٍ من صفيحة معدنية.
تُستخدَم العواكِسُ الزاويّة للاستقبال التلفزيوني (TV) في الأماكن التي لا تتوفّر فيها خدمة الكبل (Cable)، وحيث لا يرغب المُستخدِم بدفع نقودٍ للحصول على خدمة تلفزيون ساتِل.
سوف نرى أيضاً هوائيّاتٍ من هذا النوع مُستخدَمةً في الوصلات المكرويّة -مثل تلك التي تربط علب الاتّصال على الأوتوسترادات مع المحطّات المركزية-.
يمكن تغذيةُ عدّةِ أقطاب ثنائية بنصف موجة بحيث تكون على توافقٍ في الطور، وتوضَع على طول محورٍ مشترَكٍ مع عاكِسٍ وحيدٍ متطاوِل، ممّا يُشكِّل مصفوفة عاكس زاويٍّ خطّيةً.
– الهوائي بشكل القرن (البوق)
توجد تشكيلاتٌ عديدةٌ مختلفة للهوائي بشكل القرن، ولكنها تبدو جميعُها بالشكل نفسه.
يُقدِّم الشكل 12-14 رسماً تمثيليّاً لهذا الهوائيّ، الذي يُقدِّم إشعاعاً أحاديَّ الاتّجاه ونمطَ استجابٍة موافِقٍ لاتّجاهٍ مُفضَّلٍ ينطبق مع اتّجاه فُتحة القرن.
تضمّ منظومةُ التغذية المُفضَّلة مُوجِّهاً موجيّاً (Waveguide) (كما سوف نشرح بالتفصيل قريباً) يتّصل بالهوائيّ عند نقطة التضيُّق الأكبر للقرن. تُؤدّي هوائيّاتُ القرن عملَها بشكلٍ أفضل عند الأطوال الموجية القصيرة للغاية، ولها تطبيقاتٌ كثيرة عند تردّدات الموجات المكروية.
فكرة مفيدة: تُستخدَم هوائيّات القرن أحياناً لتغذية هوائيّات الصحن الكبيرة. يمتدّ القرنُ نحو الخلف باتّجاه مركز عاكِس الصحن. "يشحذ" هذا الترتيبُ الفصَّ الرئيسَ بشكلٍ يجعل استجابةَ الإشارةِ المُستقبَلة وإشعاعَ الإشارة المُرسَلة أصغريَّين.
– مسألة 12-9 :
ما هو الطول الإجمالي الأصغري لهوائيّ حازونيّ إذا أردنا استخدامَه ليعملَ فعليّاً عند التردّد 900 ميغا هرتز ؟
الحلّ:
يجب أن يكون طولُ الحلزونِ الإجماليّ على الأقلّ 1.0 طول موجي في الفضاء الحرّ. عبر تذكُّر عبارات الطول الموجي في الفضاء الحرّ المُعطاة سابقاً في هذا الفصل، وعبر "إدخال" الأعداد، نجد:
