منتديات ليلاس - كيف يعمل الهوائي ( الإريال / Antenna )

أسس نظرية الهوائيات والارسال - Basic Antenna Theory and Transmitting

النظرية الأساسية في الهوائيات:

نظرية عمل الهوائي هو موضوع واسع ولكن هنا نقدم لكم مقدمة مختصرة
مركزين على بعض المواضيع الهامة عن الهوائيات وكيفية ربطها الى الدارات الالكترونية

بشكل مبسط الهوائي عبارة عن سلك
- في حالة الاستقبال يعمل على تحويل القدرة الكهرومغناطيسية الموجودة في الوسط المحيط الى جهد مستقبل .
- أما في حالة الإرسال فبالعكس الهوائي يحول الطاقة الكهربائية – الجهد المهتز – إلى طاقة كهرومغناطيسية تنتشر في الوسط على شكل موجة كهرومغناطيسية مرسلة

الموجة الكهرومغناطيسية هي تغيرات في الحقول الكهربائية والمغناطيسية التي حولنا والتي تنتقل في الفراغ بسرعة 300,000,000 متر في الثانية ( سرعة الامواج الكهرومغناطيسية في الوسط المحيط ) سرعة الضوء .

ويمكن حساب طول الموجة المنتشرة من العلاقة الرياضية التالية

http://www.qalqilia.edu.ps/ant1.gif

هي بالتعريف المسافة الفاصلة بين بداية الموجة وبداية موجة لاحقة

حيث طول الموجة wavelength يقاس بواحدة المتر
بينما التردد frequency يقاس بواحدة MHz الميغاهرتز

اما لو التردد بالهرتز تكون

wavelength = 300000000 / Fequency

وبشكل مشابه يمكننا حساب التردد من العلاقة

http://www.qalqilia.edu.ps/ant2.gif

يوجد العديد من أنواع الهوائيات
الاتجاهي – السوطي – مصفوفة العناصر
وتختلف عن بعضها بالخصائص حسب توجيه الموجة المطلوب والدارة الالكترونية التي تربط
بشكل عام قطعة من السلك المستقيم تشكل الهوائي التلسكوبي السوطي- يشبه السوط – عندما يوضع عاموديا فانه يرسل او يستقبل في كل الاتجاهات ويعرف أيضا بالهوائي الايزوتروبي isotropic antenna
هوائي الدايبول يمكن استخدامه في وضع أفقي أو عامودي حسب اتجاه الانتشار المطلوب حيث تكون الموجه المنتشرة أفقية او عمودية حسب توضع هذا الهوائي
ويجب ان يكون كل من هوائي الإرسال والاستقبال بنفس الاتجاه

خصائص الهوائي تختلف باختلاف تصميمه وتردد التشغيل يوجد عدة عوامل تؤثر في أداء الهوائي
والقياسات التي يجب أخذها يجب أن تكون في منطقة الحقل البعيد

Far Field

حيث المنطقة القريبة من الهوائي Near Field تعرف بمنطقة الحقل التحريضي
والذي حدوده تظهر في الرسم

http://www.qalqilia.edu.ps/ant3.gif

في المركز يوجد خط عامودي يمثل طول الهوائي
L بالمتر
R نصف قطر الحقل القريب والمنطقة التي خارج هذه الدائرة تعرف بالحقل البعيد والتي يجب أخذ قياس شدة الحقل فيها
حيث تكون القدرة التي يتم استقبالها من هوائي ايزوتروبي يتم حسابها بالعلاقة الرياضية التالية

http://www.qalqilia.edu.ps/ant4.gif

وهذه المعادلة تشير الى أن الاستطاعة المستقبلة Pr تتناسب عكسا مع مربع البعد d عن المرسل الذي يبث استطاعة قدرها Pt

والذي يعني أن ابتعادك عن المرسل ضعف المسافة التي كنت عليها سيخفض من استطاعة الاشارة التي كانت تصلك الى ربع القيمة التي كنت عليها

العديد من أجهزة الاستقبال – الراديو – له كتيب خصائص أحد هذه الخصائص ستجد أنها sensitivity أو الحساسية
والتي تدل على اخفض مستوى إشارة يمكن لهذا الراديو ان يستقبلها
وتعطى الحساسية بواحدة الحقل الكهربائي أي ( فولت / المتر) V/m

والمعادلة التالية تعطينا قيمة الحقل الكهربائي في المنطقة البعيدة تبعا لاستطاعة المرسل Pt والبعد عنه d

http://www.qalqilia.edu.ps/ant5.gif

استطاعة المرسل Ptبالوات
اما البعد عن المرسل d بالمتر
وشدة الحقل بال V/m

E is field strength in V/m,
d is distance in meters
Pt is the power of the transmitter in watts.
مع مراعاة ان الاستطاعة المرسلة هي الفعلية 100% عبر الهوائي وليست التي تقدمها دارة الإرسال لأن للهوائي ضياعات يجب ادخالها في الحسبان كذلك للربط بين الدارة الإلكترونية المرسلة للإشارة والهوائي هناك استطاعة منعكسة
يبقى الحساب صحيحا إذا اعتبرنا أن ربح الهوائي يساوي الواحد والذي يكون اقرب ما يكون إليه هوائي الدايبول.

الإرسال:
ما البعد الذي يمكن للموجة الكهرومغناطيسية أن تصله ؟
نظريا هذه الموجة الراديوية يمكنها أن المستقبل
فالأشجار والأبنية والتلال تخمد الإشارات الراديوية قبل وصولها إلى جهاز الاستقبال
تسافر الى اللانهاية طالما لا شيء يحدها في الوسط الذي تنتشر به وتستمر الى الأبد .
ولكن في الحقيقة فإن الأمواج الكهرومغناطيسية ستخمد في طبقة الاتموسفير المتأينة المحيطة بالأرض وبعوامل أخرى وذلك مهما كانت استطاعة الإرسال التي نبثها
والإشارة المستقبلة سوف تضعف بالابتعاد عن المرسل وبعد نقطة –حد – معين تصبح الإشارة ضعيفة حيث أن ضجيج طبقة الاتموسفير المحيط بالأرض والضجيج الطبيعي يصبحان أعلى قيمة من الاشارة الأصلية التي تم إرساله .

الحساسية Sensitivity:
إذا قدرت حساسية جهاز استقبال – راديو مثلا – ب 20uV/m عندها تكون هذه هي اضعف إشارة مخصص هذا الراديو لاستقبالها ويمكننا سماعها.
لاستقبال إشارات أو محطات اضعف من ذلك عنها نحتاج إلى هوائي استقبال ذو ربح عالي High gain Antenna أو مكبر إشارة أولي Amplifier
المشكلة التي تواجهنا عند استخدام عمليات التكبير فإن الضجيج الذي يصاحب الإشارة- الضجيج الخلفي – يتم تكبيره أيضا وما يجب استخدامه هو مكبر يقوم بتكبير الإشارة دون الضجيج الخلفي – قدر الإمكان – أو ما يسمى برفع نسبة الإشارة إلى الضجيج
كما ويجب أن يكون ضجيج المكبر الذاتي الناتج عن سريان التيار في قطعه الإلكترونية ومصادر أخرى داخلية تتلق بنوع الترانستورات المستخدمة يجب أن تكون اقل ما يمكن وهنا تتميز ترانزستورات المكبرات الأولية للترددات الراديوية بانخفاض ضجيجها الذاتي .
ويجب أن نذكر أن هناك مصدر مهم جدا من مصادر الضجيج وهو الحرارة فبارتفاع درجة حرارة هوائي الاستقبال يزداد الضجيج بشكل واضح.

مثال :
محطة راديو إذاعية ترسل إشارتها من مرسل باستطاعة حقيقية 100 وات كم يبلغ عندها شدة الحقل الكهرطيسي لهذه الإشارة على بعد 10 كيلو متر ؟
الحل : باستخدام العلاقة المذكورة آنفا يمكن تحديد E المطلوب بسهولة

http://www.qalqilia.edu.ps/ant5.gif

http://www.qalqilia.edu.ps/ant6.gif

هذا على افتراض أن كل الاستطاعة التي تغادر جهاز الارسال تحول إلى قدرة راديوية وليس هناك ضياعات في هوائيات الإرسال أو الاستقبال
كذلك لا يوجد ضياعات في الممر عبر الوسط الذي تسلكه الأمواج حتى تصل من المرسل إلى المستقبل
في حال من الاحوال لن تتوفر هذه الشروط التي ذكرت وستكون هناك ضياعات في الاستقبال وتخامد للموجات في طريقها إلى
انتشار الأمواج :
الانتشار هو الحد الذي يصف حسن سلوك الموجة الكهرطيسية أثناء انتقالها . حيث هناك عدة عوامل تؤثر في الانتشار:
- تردد الموجة الكهرطيسية
- طبقة الايونسفير
- ارتفاع كل من هوائيي الإرسال والاستقبال وإبعادهما عن الأجسام المعدنية العاكسة والمخمدة للأمواج
- قمت بأجراء بعض القياسات باستخدام مرسل FM وسنطلع على النتائج في نفس هذه السلسلة مع التحليل.

منقول بعد عمل بحث مني