الهوائيّاتُ ذاتُ ربع طول الموجة

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

إن الهوائيات التي تقيس ربعَ طول الموجة (/4λ) شائعةُ الاستعمال في الاتّصالات اللاسلكيّة.

سوف يشتغل الهوائي ذو ربع طول الموجة جيّداً إذا تمّ تصميمُه وتوضُّعُه بشكل مناسِب. يوجِّه أغلب اختصاصيّي الاتّصالات المكونات المُشِعّة بربع طول الموجة شاقوليّاً.

 

– الصيغ والعبارات

يرتبط ربع طول الموجة في الفضاء الحرّ مع التردّد وفقاً للمعادلة

حيث يرمز H_m إلى ربع طول الموجة مُقدَّراً بالأمتار، وf_MHz يمثّل التردّد مُقدَّراً بالميغا هرتز. إذا عبّرنا عن ارتفاع الهوائي بالأقدام ورمزنا لذلك بـ H_ft، غدت العلاقةُ ما يلي:

إذا مثّل v عامِل السرعة في الوسط بدلاً من الفضاء الحرّ، أصبحت العلاقتان السابقتان على النحو

لدينا لناقلٍ سلكيٍّ نموذجي القيمةُ v=0.95 (95%)، بينما يمكن لـ v لأنابيب معدنية أن تنخفض إلى 0.90 (90%) تقريباً. لهوائي شاقولي مصنوع من أنبوب معدني بـ v=0.92 مثلاً، لدينا العلاقتان 

 

فكرة مفيدة: على هوائي ربع طول الموجة أن يشتغل مقابل منظومة أرضيّة جيّدة للتردّد RF. علينا عملُ كلَّ ما في وسعنا (ضمن حدود المعقول) لتصغير الهدر في الأرض، وإلاّ لانخفضت فعاليةُ منظومة الهوائي الإجماليةُ.   

 

– الهوائيات الشاقولية المثبتة في الأرض

يضم أبسط الهوائيات الشاقوليّة الممكنة مُشِعّاً بربع موجة موضوعاً على مستوى الأرض.

يُغذّى المُشِعُّ بواسطة كبل محوري. يوصَل الناقِلُ في مركز الكبل بالطرفِ (أو القاعدة) السفليّ للمُشِعّ، بينما يوصل درعُ حماية الكبل مع منظومة أرضيّة تضمّ سطحَ الأرضِ نفسه. 

من الصعب عند التردّدات المنخفضة والمتوسّطة إنشاءُ هوائيّاتٍ شاقوليةٍ بربع طولِ موجةٍ كاملةِ المقاس، ثم المحافظة عليها بسبب ارتفاعها الكبير. يمكن لتقنيّةٍ معروفة باسم الحِمْل (التحميل) المستحث أن تُنقِص الطول الفيزيائي للمُشِعّ، دون التأثير على طوله الكهربائي.

 

يمكننا أن نجعل هوائيَّ الشاقول ذا ربع الموجة يشتغل على  تردّدات عديدة عبر إدخال وشائع تحميل مُتعدّدة، أو عبر إدخال دارات LC على التوازي معروفة باسم المصائد عند نقاط محددة على طول العنصر المُشِعّ. يُمثِّل تصميمُ مثل هذا الهوائي تحديّاً لأنه عند ضبطِ أيٍّ من التردّدات الطنينيّة تتغير جميعها.

ما لم يكن للهوائي الشاقولي المثبت في الأرض منظومةُ أرضية شعاعية وشاملة ومنصوبة، فإننا نتوقّع له فعاليّةً سيّئةً. يتسبّب التحميلُ المستحث بجعل الوضع أكثرَ سوءاً لأنه يتضمّن استخداماً لمُشِعّ أقصر مادياً، حيث قيمةُ R_R أصغر منها في مُشِعّ بربع طول موجة مكتمل الارتفاع.

نموذجياً، تستقبل الهوائياتُ الشاقوليّة ضجيجاً من صنع البشر أكثرَ ممّا تستقبله الهوائيات الأفقيّة. علاوةً على ذلك، فإن احتمال تسبُّبِ الحقولِ الكهرو مغنطيسيّةِ EM الصادرةِ عن الهوائيّات المُرسِلة المثبتة في الأرض بتداخلٍ مع أجهزة المُستهلِك الإلكترونيّة المجاوِرة تكون أكبر منها في حالة حقول الـ FM الصادرة عن الهوائيّاتِ المُنَصوبةِ على ارتفاع 1/4 طول موجة -أو أكثر- فوق سطح الأرض.

 

– الهوائيّات ذات الأرضيّة المنبسطة

الهوائي ذو الأرضية المنبسطة عبارة عن مُشِعّ شاقولي (يبلغ مقاسُ ارتفاعِه نموذجياً حوالي 1/4 طول موجة) يعمل مقابل منظومة من شعاعيات (قضبان -أشعة- مُشِعّة) بـ 1/4 موجة موضوعة على ارتفاع 1/4 طول موجة على الأقلّ فوق سطح الأرض.

عندما نضع قاعدةَ الهوائي بهذا العلو فإننا نحتاج إلى ثلاث أو أربع شعاعات للحصول على منظومة أرضية بهدر منخفض عند التردّد الراديوي RF.

يُبيِّن الشكل 12-3A هوائيّاً ذا أرضيّة منبسطة حيث يبلغ مقاس العنصر المُشِعّ 1/4 طول موجة بينما تمتدّ الشعاعات للخارج أفقيّاً انطلاقاً من نقطة التغذية.

ينقل خطّ تغذيةٍ ذو كبل محوري طاقةً بتردّد راديوي RF من المُرسِل إلى الهوائي. يُرسِل خطُّ التغذية أيضاً طاقةَ إشارة الدخل من الهوائي إلى المُستقبِل.

في بعض نُظُم الهوائيّات ذات الأرضيّة المنبسطة "تتدلّى" بعض الشعاعات بزاويةٍ يمكن أن تصل لـ 60° أو 70° بالنسبة إلى الأفق.

وكبديلٍ للتصميمِ ذي الأرضيّة المنبسطة، يمكن للشعاعات أن تمتدّ بشكلٍ مستقيمٍ نحو الأسفل انطلاقاً من نقطة التغذية على شكل رُدْنٍ (كُمّ) اسطواني، بطول ربع موجة، يُحيط بخطِّ التغذية المحوري ويتمركز معه. يمرّ الكبل المحوري عبر الرُّدْن نحو الأعلى، كما يُبيّن الشكل 12-3B. يدعو المهندسون هذا النوع من الهوائيّات بـ الهوائي المحوري.

 

– مسألة 12-3 : 

كم ينبغي أن يبلغ طولُ الهوائي الشاقولي ذي ربع طول الموجة والمصنوع من أنبوب ألمنيوم لكي يتمّ استخدامُه عند التردّد 50.1 ميغا هرتز؟ عبِّر عن الإجابة بالأمتار، وكذلك بالأقدام. افترِض أن عامِل السرعة للمكون المُشِعّ يساوي 0.900 (90.0%).

الحلّ: 

عندما نُدخِل الأعدادَ إلى الصيغ والعبارات المُعطاة أعلاه ونقوم بإجراء بعض الحساب، نحصل على

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]