الهوائيّات الحلقيّة
2013 تبسيط علم الإلكترونيات
ستان جيبيليسكو
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
يُشكِّل أيُّ هوائيّ مُستقبِل أو مُرسِل يتألّف من حلقةٍ واحِدة أو أكثر من السلك – مُشكِّلةً دارةَ قَصْرٍ للتيّار المستمرّ DC عند نقطة التغذية – هوائيّاً حلقيّاً. يمكننا تصنيفُ هذه الهوائيّات بحلقات صغيرة أو بحلقات كبيرة.
– الهوائي بحلقة صغيرة
يكون محيطُ العروة في الهوائي بحلقة صغيرة أقلَّ من 0.1 من الطول الموجي الكهربائي. يعمل هذا الهوائي بشكلٍ جيّد للاستقبال، ولكنه لا يعمل جيّداً في الإرسال، ما لم نتّبع التدابير الاستثنائية لجعل مقاومةِ الحلقة والمُكوِّنات المرتبطة بها أصغريّةً.
تكون استجابةُ الإشارة في الهوائي بحلقة صغيرة أسوأ ما يمكن على طول محوره (أي المستقيم العمودي على المستوي الذي يحتوي الحلقة)، بينما تكون استجابةُ الإشارة أفضلَ ما يمكن في المستوي المحتوي على الدارة-الحلقة.
يمكننا أن توصِلَ مكثِّفةً على التسلسل أو على التوازي مع حلقة صغيرة لتحقيق الطنين عند تردّد خاصّ مُعطى، ممّا يُحسِّن بالتالي من الحساسيّة عند هذا التردّد.
يُبيِّن الشكلُ 12-4 مُكثِّفةً متغيّرةً على التوازي مع دارةٍ-حلقةٍ صغيرة ممّا يسمح بضبطِ التردّد الطنينيّ.
فكرة مفيدة: تعمل الحلقات الصغيرة جيّداً في إيجاد الاتّجاه المناسِب للمذياع (RDF)، وكذلك في إنقاص التداخُل الذي يتسبّب به ضجيج بشري أو إشارات محلّيّة قويّة عند تردّدات أقل من 20 ميغا هرتز. يكون الصفر (أي اتّجاه الاستجابة الأصغريّة) حادّاً وعميقاً على طول محور الحلقة. عندما نقوم بتدوير حلقةٍ صغيرة، فإننا نلاحظ انخفاضاً كبيراً في شدّة الإشارة المُستقبَلة عندما يُشير محور الحلقة مباشرةً إلى هوائي مُرسِل مجاوِر أو إلى مصدرٍ للتداخل.
– إصبع الحلقات
يمكننا من أجل تطبيقاتِ الاستقبالِ عند تردّداتٍ عاليةٍ لغاية 20 ميغا هرتز تقريباً أن نستخدِمَ هوائياً ذا قضيبٍ (إصبع) الحلقات (Loopstick)، وهو شكلٌ مختلف قليلاً عن هوائيّ الحلقة الصغيرة. يضمّ إصبعُ الحلقات وشيعةً من سلكٍ معزولٍ أو مطليٍّ بالمينا، تلتفّ حول قلبٍ من الحديد المسحوق لولبيّ الشكل (بهيئة القضيب).
تُشكِّل مُكثِّفةٌ موصولةٌ على التسلسل أو على التوازي مع الملفّ الوشيعي دارةً مُوَلَّفةً لتعزيز الحساسيّة ولتوفير بعض الانتقائيّة. إذا أردنا لهذا النوع من الهوائيّات أن يعمل، علينا تجنُّبُ إغراءِ نصبه داخل حجرةِ أجهزةٍ، وخاصةً إذا احتوت هذه الحجرةُ على أيّ معدن.
تُؤمِّن أصابع الحلقات راحةً في الاستعمال لأنه يمكن وضعُها بالقرب من مُستقبِلٍ حتى فوقَه مباشرةً أو عند لوحته الخلفيّة.
لإصبع الحلقات مُميّزات اتّجاهيّة مماثلة لتلك المتعلّقة بالحلقة الصغيرة ونُبيّنها في الشكل 12-4. تحدث الحساسيّة الأكبر خارجَ أطراف الملفّ الوشيعي في المستوي العمودي على محوره.
يحدث انعدامٌ (قيمة الصفر) حادّ عند النهايات الطرفية على طول الخطّ المستقيم الموافِق لمحور الملفّ الوشيعي. يمكننا استخدامُ هذا الانعدام لجعل التداخلِ الآتي من إشاراتٍ محلّيّة أو من مصادِرَ ضجيجٍ مصنوعةٍ بشريّاً أصغريّاً، تماماً كما نستطيع عملَه مع حلقةٍ صغيرة.
لبعض أصابع الحلقات المصنوعة تجاريّاً مِسندان، واحدٌ أفقي (لتحديد السَّمْت) والآخر شاقولي (لتحديد الارتفاع)، وبالتالي يمكننا أن نوجِّهَ صفرَ الجهاز كما نريد في الفضاء الثلاثي الأبعاد.
– الهوائي بحلقة كبيرة
إذا كان مُحيط الهوائي ذي الحلقة أكبر من 0.1 من طول الموجة، دعوناه هوائيّاً بحلقةٍ كبيرة. يبلغ محيطُ هذا النوع من الهوائيّات نموذجياً إمّا نصفَ طولِ موجة أو طولَ موجةٍ كاملاً، وهو يُبدي طنيناً لوحده دون الحاجة إلى مُكثِّفة مُولِّفة. نستطيع استخدامَ هوائيَّ الحلقة الكبيرة للإرسال أو الاستقبال.
يحدث الإشعاعُ والاستجابةُ الأعظميّان لحلقةٍ بنصف طول موجة في المستوي الذي يحوي الحلقة. يمكننا أن نُعِدَّ الحلقةَ بحيث يتوجّه محورُها شاقوليّاً، وبالتالي تُشِعّ وتستقبل بشكلٍ جيّدٍ نوعاً ما في جميع الاتّجاهات الأفقيّة.
يحدث الإشعاعُ والاستجابةُ الأعظميّان لحلقةٍ بطولِ موجةٍ كامِلٍ على طول المحور. يمكننا إرساءُ هذا النوع من هوائيّات الحلقة بحيث يتوجّه محور العروة أفقيّاً، وبالتالي تُرسِلُ الحلقةُ وتستقبلُ أفضلَ ما يمكن في اتّجاهَي بوصلة متعاكِسَين.
نستطيع حينها تدوير الحلقة في المستوي الأفقي لتغيير ما يُدعى بـاتّجاهاتها المُفضَّلة (الاتجاهات الموافقة لأكبر مقدارٍ من الإشعاع والاستجابة).
– مُحيط الحلقة ذات الموجة الكاملة
يمكننا أن نحسب محيطَ حلقةٍ بطولِ موجةٍ كامِل، كبيرةٍ ، مُربِّعةِ الشكل، مصنوعةٍ من سلك، حيث يقيسُ كلُّ طرفٍ منها 1/4 طولَ موجة، باستخدام العبارة:
حيث Cm رمزُ المحيط مُقدَّراً بالأمتار، أو العبارة:
حيث يمثِّل الرمزُ Cft المحيطَ مُقدَّراً بالأقدام.
ألا تزال تكافح؟
هل تلاحظ أمراً غريباً يتعلّق بالعبارات السابقة؟ تقترح هذه الصيغ أنك عندما تطوي الهوائيَّ لجعله ذا حلقةٍ بطولِ موجةٍ كامِلٍ، فإنك تجعلُ طولَه المادي إلزاميّاً أكبرَ من طولِ هوائيٍّ مساوٍ له بشكلِ خطٍّ مستقيمٍ في الفضاء الحرّ، كما لو أن عامِلَ السرعة تجاوز القيمةَ 1 بطريقةٍ ما، ممّا يعني أن حقولَ الـ EM تنتشر أسرعَ من الضوء!
يتجاوزُ التفسيرُ التقني لهذا الأمر غيرِ الطبيعي نطاقَ هذا الكتاب، فهو يتضمّن الطريقةَ التي يتآثر بها حقل الـ EM حول حلقةٍ بطولٍ موجي كامِل مع نفسِه.
ابقَ متأكِّداً مع ذلك أن هذا الأثر لا يجعل حقولَ الـ EM تنتشر حولَ الحلقة أسرعَ من سرعة الضوء، التي تطابِق سرعةَ جميع حقول الـ EM في الفضاء الحرّ (حوالي 300000 كم/ ثا أو 186000 ميل/ ثا).
– مسألة 12-4 :
ما هو محيط حلقةٍ بطول موجة كامِلٍ مصنوعةٍ من سلك، تمّ تصميمُها لتعمل عند تردّد طنينيّ قيمته 14.0 ميغا هرتز؟ عبِّر عن الإجابة بالأمتار، وأيضاً بالأقدام.
الحلّ:
نضع الأعداد المناسبة في العبارات السابقة، فنحصل على:
