Antennas) الهوائيات

يتم توليد الموجات الكهرومغناطيسية باستخدام ما يسمى بهوائيات الإرسال التي تقوم بتحويل الإشارات
إلى موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء. (transmitter) الكهربائية التي تغذى إليها من المرسل
ويتم التقاط هذه الموجات المنتشرة في الفضاء بما يسمى هوائيات الاستقبال التي تقوم بتحويلها إلى
وتمتاز الهوائيات ببساطة تركيبها حيث .(reciever) إشارات كهربائية مرة ثانية لتسلمها إلى المستقبل
يمكن لأي سلك أو سطح معدني إشعاع والتقاط الموجات الكهرومغناطيسية ولكن الهوائيات العملية لها
أشكال وأبعاد معينة تحدد حسب الغرض الذي صنعت من أجله. إن من أهم مواصفات الهوائيات هو ما
والذي يحدد طريقة توزيع الطاقة الذي يبثها أو يلتقطها (radiation pattern) يسمى بنسق الإشعاع
يبث طاقته بالتساوي في جميع (isotropic antenna) الهوائي في الاتجاهات المختلفة فالهوائي المثالي
الاتجاهات أما الهوائيات العملية فقد يكون بثها في اتجاهات معينه أعلى منها في اتجاهات أخرى. ففي
بعض التطبيقات كأنظمة الأقمار الصناعية وأنظمة الأمواج الدقيقة يتطلب تركيز البث في إتجاه واحد فقط
حيث يوجد المستقبل وذلك على شكل شعاع ضيق وذلك لتوفير كمية الطاقة المبثوثة. وفي تطبيقات أخرى
كأنظمة البث الراديوي والتلفزيوني يتطلب أن يكون البث في جميع الاتجاهات الموازية لسطح الأرض وذلك
لتغطية جميع المستقبلات التي تتوزع حول محطة الإرسال. ومن مواصفات الهوائيات ما يسمى بكسب
والذي يحدد قدرة الهوائي على تركيز طاقة البث في إتجاه الفص الأعظم (antenna gain) الهوائي
beam ) من نسق الإشعاع وكلما زاد كسب الهوائي كلما قل ما يسمى بعرض الشعاع (major lobe)
ومن المواصفات الأخرى للهوائي مدى طيف الترددات التي يمكن للهوائي إشعاعها أو . (width
والذي (input resistance or impedance) التقاطها وكذلك مقدار معاوقة أو مقاومة المدخل للهوائي
يستخدم لأغراض موائمة الهوائيات عند ربطها بخطوط النقل. ولكي تتمكن الهوائيات من الاستقبال من
(antenna polarization) بعضها البعض فيجب أن يكون لها نفس الاستقطاب ويعرف إستقطاب الهوائي
بأنه إتجاه المجال الكهربائي للموجة التي يبثها الهوائي في الفضاء. ولا بد من القول من أن أي هوائي
يمكن أن يستخدم للإرسال والاستقبال وأن جميع مواصفته تبقى كما هي في الحالين. ويوجد أنواع كثيرة
من الهوائيات تتفاوت أبعادها وأشكالها بشكل كبير جدا حسب نوع نظام الاتصالات فمن الهوائيات السلكية
المستخدمة في الراديو والتلفزيون والهواتف الخلوية والتي تتراوح أطوالها بين عدة سنتيمترات وعدة
أمتار إلى الهوائيات البوقية والصحنية المستخدمة في أنظمة الموجات الدقيقة وأنظمة الأقمار الصناعية
والرادارات والتلسكوبات الراديوية والتي تتراوح أقطارها بين عشرات السنتيمرات وعشرات الأمتار.
Wire ) الهوائيات السلكية
(Antennas

تتميز الهوائيات السلكية ببساطة تركيبها
حيث يمكن لأي سلك معدني أن يعمل
كهوائي إرسال أو إستقبال ولكن في كثير من التطبيقات يتطلب الأمر استخدام أسلاك بأشكال وأطوال مختلفة
للحصول على مواصفات محددة للهوائيات. إن أبسط وأشهر أنواع الهوائيات السلكية هو سلك يبلغ طوله
نصف طول الموجة المراد بثها أو إلتقاطها ويتم ربط خط النقل بهذا الهوائي عند منتصفه وذلك بعد قطعه
ولقد (half-wave dipole antenna) إلى نصفين ويسمى هذا النوع هوائي نصف الموجة ثنائي القطبية
وذلك في (Heinrich Hertz) تم اختراع هذا الهوائي على يد عالم الفيزياء الألماني هينرتش هيرتز
عام ١٨٨٦ م. وتبلغ مقاومة هذا الهوائي ٧٥ أوم ولهذا السبب نجد أن كثير من خطوط النقل لها معاوقة
مميزة تبلغ ٧٥ أوم لكي تتوائم مع هذا النوع من الهوائيات عند ربطها بها. وفي هذا النوع يكون البث أو
الاستقبال أعلى ما يكون في الاتجاه المتعامد مع السلك ويقل تدريجيا إلى أن يصل إلى الصفر في الاتجاه
الموازي للسلك ولذا يستخدم هذا الهوائي في جميع المرسلات التي يكون البث فيها في جميع الاتجاهات
الموازية لسطح الأرض أو في المستقبلات التي تلتقط إشاراتها من جميع الاتجاهات كما في أجهزة إرسال
واستقبال البث الراديوية والتلفزيونية والهواتف الخلوية. ويوجد أشكال معدلة لهذا الهوائي لتنناسب مع
والذي يتكون من سلك يبلغ طوله ربع طول (whip antenna) بعض التطبيقات مثل الهوائي السوطي
الموجة ويتم تغذيته بخط النقل عند طرفه وعند وضعه فوق سطح معدني وربط الطرف الثاني من خط النقل
بالسطح المعدني فإنه يعمل كالهوائي ثنائي القطبية ويكثر استخدام هذا النوع في المركبات. وفي هوائي
يتم ثني سلك بطول أطول قليلا من طول الموجة ليصبح على (folded dipole) ثنائي القطبية المطوي
شكل حلقة مستطيله بطول يساوي نصف طول الموجة وبعرض يقل كثيرا عن طول الموجة ويتم ربط خط
النقل بمنتصف أحد ضلعي المستطيل الطويلين بعد فتحه. ويستخدم هذا النوع في هوائيات استقبال
التلفزيون وذلك بسبب ارتفاع عرض نطاقه (مدى الترددات التي يمكن للهوائي التقاطها بكفاءة) بالمقارنة
مع هوائي ثنائي القطبية العادي ولكن عيبه أن مقاومته ترتفع إلى ٣٠٠ أوم بدلا من ٧٥ أوم ولذلك يحتاج
لدائرة موائمة لربطه مع خطوط النقل الدارجة والتي تبلغ مقاومتها ٧٥ أوم. وتستخدم الهوائيات المصفوفة
لزيادة قدرة الهوائيات في البث أو الإستقبال من اتجاه واحد وفي هذه الهوائيات يتم (array antennas)
استخدام عدد كبير من الهوائيات ثنائية القطبية مرتبة على شكل مصفوفة توضع هذه الهوائيات بشكل
متوازي ويفصل بينها مسافات محددة. ويتم تحديد إتجاه البث أو الاستقبال من خلال تحديد المسافات
الفاصلة بين الهوائيات والكيفية التي يتم بها تغذية هذه الهوائيات بالتيارات من حيث قيم هذه التيارات
وأطوارها بالنسبة لبعض البعض. ومن أبسط أنواع الهوائيات المصفوفة هي النوع المستخدم لإستقبال
نسبة للمخترعين (Yagi - Uda antenna) الإشارات التلفزيونية والمسمى هوائي ياغي- يودا
اليابانيين الذين اخترعا هذا النوع في عام ١٩٣٠ م. ويمكن التحكم باتجاه البث إلكترونيا وليس يدويا في
الهوائيات المصفوفة من خلال التحكم بأطوار التيارات المغذية لعناصر هذه المصفوفة إلكترونيا ولذا تسمى
وهناك أنواع أخرى لا حصر لها من (phased array antennas) هوائيات المصفوفة الطورية
( loop antenna ) الهوائيات السلكية تصمم لأغراض مختلفة وعند ترددات مختلفة كالهوائيات الحلقية
.(helix antenna) واللولبية (square antenna ) والمربعة
Horn & ) الهوائيات البوقية والصحنية  (Dish Antennas

نظرا لأن أبعاد الهوائيات يجب أن لا تزيد عن طول
الموجة التي تبثها أو تستقبلها فإن الهوائيات السلكية
تصبح صعبة التصنيع وقليلة الكفاءة عند الترددات التي تزيد عن ألف ميغاهيرتز حيث يبلغ طول الموجة
عند هذا التردد ثلاثة سنتيمترات. ولذلك فإن الموجات التي يزيد ترددها عن واحد جيقاهيرتز أي في مدى
تستخدم مرشدات الموجات (microwave) الموجات الدقيقة
لنقلها والهوائيات البوقية والصحنية لبثها (wave guides)
أو إلتقاطها. فالهوائيات البوقية ما هي إلا مرشدات أمواج
بشكل تدريجي ابتداءا (aperture) يتم زيادة أبعاد فوهتها
من أبعاد مرشد الأمواج الذي يغذيها وتأتي على عدة أشكال

والهوائي المخروطي (pyramid) كالهوائي الهرمي
وتبث هذه الهوائيات الموجات بشكل موجه .(conical)
وذلك بالاتجاه العامودي على فوهة الهوائي ويتحدد مقدار
كسب الهوائي من مساحة الفوهة وطول البوق وهي المسافة
من نقطة التغذية إلى الفوهة. وعلى الرغم من أنه يمكن الحصول على قيم عالية للكسب باستخدام هذه
الهوائيات إلا أن أبعادها تصبح كبيرة جدا وتستهلك كمية كبيرة من المعدن. ولهذا السبب فإن هذه الهوائيات
وبأحجام صغيرة لتغذية الهوائيات (primary antenna) البوقية غالبا ما تستخدم كهوائيات ابتدائية
الصحنية والتي تتميز بكسبها العالي بأقل مساحة معدنية ممكنة. والهوائي الصحني هو سطح معدني يتم
تشكيله على شكل قطع مكافئ ولذلك تسمى أيضا
parabolic ) الهوائيات ذات القطع المكافئ
وعندما تسقط موجة سطحية مستوية .(antennas
على هذا السطح فإنها (uniform planewave)




تنعكس عنه وتتجمع في بؤرته حيث يتم جمعها
بالهوائيات القرنية وإذا ما استخدمت كهوائي إرسال
فإنه يتم وضع الهوائي القرني عند بؤرة الصحن
وعند إشعاع هذا الصحن بالموجة المنبعثة من
الهوائي الإبتدائي فإنها تنعكس عنه على شكل خطوط مستقيمة مما يؤدي للحصول على كسب عالي.
ويتناسب كسب الهوائيات الصحنية مع مربع حاصل قسمة قطر فوهة الصحن على طول الموجة المستخدمة
وهذا يعني أنه إذا كان قطر الصحن ثابتا فإننا نستطيع رفع مقدار الكسب من خلال زيادة التردد حيث أن
طول الموجة يتناسب عكسيا مع مقدار التردد. وتستخدم الهوائيات الصحنية في معظم الأنظمة التي تعمل
في مجال الموجات الدقيقة كأنظمة الميكروييف الأرضي وأنظمة الأقمار الصناعية وأنظمة الرادار
والتلسكوبات الراديوية وتتراوح أقطار الصحون المستخدمة في هذه الأنظمة من عدة عشرات من
السنتيمترات كما في الصحون المستخدمة في إلتقاط الإشارات التلفزيونية من الأقمار الصناعية إلى مائة
.(radio telescopes) متر في التلسكوبات الراديوية