الهوائي الحلقي: التصميم والعمل وأنواعه ونمط الإشعاع وتطبيقاته

الهوائي عبارة عن هيكل هوائي أو معدني يحول التيار الكهربائي إلى موجات كهرومغناطيسية. وتستخدم هذه بشكل رئيسي لنقل واستقبال المجالات الكهرومغناطيسية غير المؤينة، والتي تشمل الموجات الدقيقة وموجات الراديو والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي. الهوائيات متوفرة بأنواع وأحجام وأشكال مختلفة. تُستخدم الهوائيات الصغيرة على سطح منزلك لمشاهدة التلفزيون بينما تُستخدم الهوائيات الكبيرة لالتقاط الإشارات منه الأقمار الصناعية . وبالمثل، يعد الهوائي الحلقي في الاتصالات الراديوية محولًا شائعًا جدًا للطاقة بسبب خصائصه الفريدة بالإضافة إلى تطبيقاته المتنوعة. ومن خلال معرفة المفاهيم الأساسية لهذا الهوائي وفوائده، يمكننا معرفة أهميته ضمن أنظمة الاتصالات الحديثة. لذلك، توفر هذه المقالة معلومات موجزة عن هوائي حلقة وأنواعها وأعمالها وتطبيقاتها.

ما هو الهوائي الحلقي؟

تعريف الهوائي الحلقي هو؛ نوع من هوائيات الراديو يتكون من ملف من الأسلاك أو الحلقة عن طريق الانحناء في شكل حلقة. تحمل حلقة هذا الهوائي تيارًا تردديًا لاسلكيًا. يمكن أن تختلف حلقة الهوائي في الشكل والحجم والاتجاه مما يؤثر على أداء الهوائي. ال رمز هوائي الحلقة هو مبين أدناه.

يتم تحديد كفاءة الهوائي الحلقي بشكل أساسي من خلال أبعاده وتردد التشغيل. الأنواع الأصغر حساسة، خاصة للمكون المغناطيسي للمجال الكهرومغناطيسي، لذلك تُعرف هذه الهوائيات بالهوائيات الحلقية المغناطيسية. ستجعل خاصية هذا الهوائي أقل عرضة للتداخل والضوضاء الكهربائية، لذلك فهو مفيد جدًا لتطبيقات مثل الاتصالات اللاسلكية للهواة واستقبال الراديو على الموجات القصيرة.

تصميم وعمل الهوائي الحلقي

تم تصميم هذا الهوائي بملف يحمل تيار تردد الراديو. يمكن أن تكون هذه الحلقة بأي شكل من الأشكال عن طريق ثني السلك إلى أشكال مختلفة أشكال هوائي حلقة نكون؛ مستطيلة، دائرية، مربعة، سداسية، أو مثلثة حسب ما يناسب المصمم. سيكون التيار عبر هذا الهوائي ضمن الطور ويكون المجال المغناطيسي متعامدًا مع الحلقة الكاملة التي تحمل التيار.

تعمل هذه الهوائيات عادةً بناءً على الحث الكهرومغناطيسي المبدأ الذي يعني أنه كلما كانت طاقة التردد الراديوي موجودة، فإنها تولد مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا، والذي بدوره يحفز تيارًا داخل الحلقة، وبالتالي يتيح إرسال (أو) استقبال الإشارات. سيخلق التيار داخل الحلقة مجالًا كهربائيًا ينبعث منه طاقة مثل الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق السماح بالاتصالات اللاسلكية. ال تردد هوائي الحلقة يتراوح من 300 ميجا هرتز - 3 جيجا هرتز. يمكن تعزيز أداء هذا الهوائي من خلال العديد من التدابير مثل التحسينات في شكل الهوائي ومواد بناء الحلقة.

خصائص الهوائي الحلقي هي نفس خصائص أحاديات القطب وثنائيات القطب حيث أنها منخفضة التكلفة وسهلة البناء للغاية. تتوفر هذه الهوائيات بأشكال مختلفة على الرغم من أن الخصائص الأساسية لمخطط الإشعاع مستقلة بشكل أساسي عن شكل الحلقة. كما هو الحال مع الطول الكهربائي لأحاديات وثنائيات القطب، فإنه يؤثر على كفاءة الهوائي، وسيحدد الحجم الكهربائي للحلقة كفاءة الهوائي.

أنواع الهوائي الحلقي

هناك أنواع مختلفة من الهوائيات الحلقية بناءً على عوامل مختلفة مثل؛ حجم الحلقة والتكوين والتوجيه التي سيتم مناقشتها أدناه.

هوائيات حلقة صغيرة

أنواع صغيرة أو مغناطيسية

يكون محيطها أصغر < 1/10 من الطول الموجي لتردد التشغيل. هؤلاء أنواع الهوائيات فهي مضغوطة جدًا، لذا تُستخدم في التطبيقات والتركيبات المحمولة ذات المساحة المحدودة. يمكن لهذه الهوائيات أن تعطي أداءً جيدًا على الرغم من صغر حجمها؛ الكسب وكفاءة الإشعاع وخاصة عند ضبطها من خلال مكثف.

تُستخدم هذه بشكل أساسي كهوائيات استقبال، على الرغم من أنها نادرًا ما تستخدم للإرسال على الرغم من انخفاض كفاءتها وصغر حجم حلقات محيطها. أفضل مثال على الهوائي الحلقي الأصغر هو هوائي الفريت أو الهوائي العصاي الذي يستخدم تقريبًا في أجهزة الراديو AM. ويكون مخطط إشعاع هذه الهوائيات في أعلى مستوياته في اتجاهات مستوى الحلقة، وبالتالي فهو متعامد مع الحد الأقصى للحلقات الكبيرة.

هوائيات حلقة كبيرة

تُعرف هذه الهوائيات أيضًا باسم حلقات الموجة الكاملة أو هوائيات الحلقة ذاتية الرنين حيث يكون محيط هذه الهوائيات أكبر من 1/10 من تردد التشغيل الطول الموجي . تعتبر هذه الهوائيات فعالة للغاية مقارنة بأنواع الهوائيات الأخرى من حيث الإرسال والاستقبال. تتمتع هذه الهوائيات بكسب أعلى مقارنة بالهوائيات ذات الحلقة الصغيرة.

لذلك يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة مثل؛ تحديد الاتجاه الراديوي، وعلم الفلك الراديوي، والاتصالات لمسافات طويلة. نمط إشعاع هذا الهوائي عبارة عن نمط إشعاع ثنائي الفص عند افتتاحه، ويبلغ ذروته في كلا الاتجاهين وتكون رنينات الموجة الكاملة متعامدة مع مستوى الحلقة.

هوائيات حلقة متعددة المنعطفات

تحتوي هذه الهوائيات على لفات مختلفة من الأسلاك (أو) مواد موصلة أخرى مما يزيد من كفاءة المنطقة في الحلقة. لقد قامت هذه الهوائيات بتحسين الكسب ومقاومة أعلى للإشعاع مقارنة بالحلقات القائمة على دورة واحدة. وتستخدم هذه الهوائيات في تطبيقات مختلفة مثل؛ العثور على اتجاه الراديو، والاتصالات ذات التردد المنخفض واستشعار المجال المغناطيسي.

هوائيات حلقة أفقية

يُعرف الهوائي الحلقي الموجه أفقيًا بالهوائي الحلقي الأفقي. تُسمى هذه الأنواع من الهوائيات أيضًا هوائيات الموجة السماوية والتي تُستخدم عادةً للاتصالات طويلة المدى نظرًا لقدرتها على التقاط الإشارات المنعكسة من طبقة الأيونوسفير.

هوائيات حلقة عمودية

يُعرف الهوائي الحلقي الموجه عموديًا بالهوائي الحلقي العمودي. هذه الهوائيات فعالة للغاية أثناء التقاط إشارات الموجات الأرضية. تُستخدم هذه الأنواع من الهوائيات بشكل متكرر لتحديد الاتجاه والاتصالات قصيرة المدى.

نمط الإشعاع

ال نمط الإشعاع للهوائي الحلقي هو مبين أدناه. يشبه نمط إشعاع هذا الهوائي نمطًا أفقيًا قصيرًا هوائي ثنائي القطب . في الشكل التالي، تظهر بوضوح أنماط الإشعاع لزوايا الحلقات المختلفة. تشير خطوط المماس عند درجة صفر إلى الاستقطاب الرأسي بينما يشير الخط عند 90 درجة إلى الاستقطاب الأفقي.

ال استقطاب الهوائي الحلقي يكون مستقطبًا أفقيًا أو رأسيًا بناءً على موضع التغذية. يتم تحديد الاستقطاب الأفقي في منتصف الجانب الأفقي بينما يتم تحديد الاستقطاب الرأسي في منتصف الجانب الرأسي بناءً على شكل الهوائي. بشكل عام، الهوائي الحلقي الصغير هو هوائي مستقطب خطيًا، لذلك عندما يقع هذا الهوائي أعلى جهاز استقبال متحرك حيث يتم توصيل o/p لجهاز الاستقبال مباشرة بجهاز قياس، فإنه يصبح جهاز تحديد اتجاه كبير.

المميزات والعيوب

ال مزايا الهوائيات الحلقية تشمل ما يلي.

• حجم الهوائي الحلقي صغير الحجم وسهل التصميم مما يسمح بالمرونة وسهولة النقل في موضعه.
• هذه منخفضة التكلفة ولا يتم ضبطها ببساطة بحركات اليد.
• هذه قادرة على العمل بالقرب من أنواع أخرى من الهوائيات دون أي تدخل.
• هذه الهوائيات خفيفة الوزن.
• وهو مناسب للتطبيقات المحمولة مثل تحديد الاتجاه وما إلى ذلك.
• تتوفر هذه الهوائيات بأنواع مختلفة مثل؛ هوائي Adcock، وهوائي ورقة البرسيم، وحلقة Alford، وهوائي Bellini-Tosi، وغيرها الكثير.
• تحتوي هذه الهوائيات على حلقات صغيرة بشكل خاص والتي توفر العديد من الفوائد الرئيسية في الاتصالات الراديوية لأنها تظهر ضوضاء منخفضة في المجال الكهربائي وتجعلها رائعة للاستخدام في المواقع ذات التداخل العالي.
• تُظهر هذه الهوائيات أنماط إشعاع اتجاهية وهي مفيدة جدًا في مواقف معينة.
• تُستخدم عادةً حلقة صغيرة من هذا الهوائي كثنائي قطب مغناطيسي.
• هذا الهوائي له خصائص اتجاهية.
• في هذا الهوائي، يجب أن تكون المجالات الكهرومغناطيسية المستحثة حول حلقة الهوائي مكافئة للتغير بين الوجهين الرأسيين فقط.
• ولا يعتمد نمط إشعاع هذا الهوائي على شكل الحلقة.
• تكون التيارات في مراحل وأحجام متشابهة في جميع أنحاء حلقة الهوائي.

ال عيوب الهوائي الحلقي  تشمل ما يلي.

• كفاءة إرسال حلقة الهوائي سيئة للغاية.
• هذا الهوائي غير مناسب للترددات العالية.
• يمكن أن يؤدي وجود النموذجين الفارغين لهذا الهوائي إلى 180 درجة من الغموض.
• تتميز هذه الهوائيات بكسب ضعيف، ويصعب ضبطها، كما أنها ضيقة النطاق للغاية.
• لقد خفضت قابلية النقل.
• الهوائيات الحلقية، باعتبارها أجهزة تحديد الاتجاه، غير قادرة على التمييز بين محمل المرسل البعيد وحمله المتبادل
• تعتبر كفاءة الهوائيات ذات الحلقات الصغيرة ضعيفة، لذلك يتم استخدامها عند الترددات المنخفضة كهوائيات استقبال.
• تتمتع الهوائيات ذات الحلقات الصغيرة بقيم مقاومة إشعاع منخفضة للغاية، وبالتالي هناك فقدان للطاقة على شكل حرارة بسبب المستوى العالي لتدفق التيار.

التطبيقات/الاستخدامات

تتضمن استخدامات أو تطبيقات الهوائيات الحلقية ما يلي.

• وتستخدم هذه الهوائيات في الاتصالات اللاسلكية نظم الاتصالات يحب شبكات الاستشعار اللاسلكية (شبكات WSN)، نقل الطاقة لاسلكيا أنظمة (WPT) و تتفاعل أنظمة.
• وتستخدم هذه الهوائيات في مجموعة واسعة من التطبيقات.
• تُستخدم هذه في أنظمة استقبال البث وفي راديو AM، فهي بمثابة هوائيات مدمجة.
• تُستخدم هوائيات الحلقة الكبيرة في معدات تحديد الاتجاه في أجهزة استقبال الطائرات وأنظمة RFID منخفضة التردد.
• وتستخدم هذه في أجهزة الاستقبال HF، MF، والموجات القصيرة.
• تُستخدم هذه الهوائيات داخل أجهزة إرسال UHF.
• تستخدم هذه الهوائيات لاستقبال موجات عالية التردد داخل أجهزة الاستقبال الراديوية.
• يتم استخدامها لاستقبال إشارة البث ضمن نطاقات الموجات الطويلة والمتوسطة.
• تحظى هذه الهوائيات بشعبية كبيرة داخل مجتمع هواة الراديو لاستخدام النطاق عالي التردد.
• تستخدم هذه الهوائيات في الأجهزة اللاسلكية قصيرة المدى وأنظمة RFID مع زيادة الاتصالات اللاسلكية و انترنت الأشياء (إنترنت الأشياء).

هكذا هذا نظرة عامة على هوائي الحلقة عملها، أنواعها، مميزاتها، عيوبها، وتطبيقاتها. هذه الهوائيات عبارة عن أجهزة اتصالات راديوية مرنة معروفة بخصائصها الاتجاهية وتعدد استخداماتها ومقاومتها للتداخل الكهربائي وحجمها الصغير. تعمل هذه الهوائيات على أساس الحث الكهرومغناطيسي وتستخدم في أنظمة الاتصالات الحديثة، والاتصالات الراديوية، والعثور على الراديو، واستقبال الراديو على الموجات القصيرة، وما إلى ذلك. هنا سؤال لك، ما هو الهوائي ثنائي القطب؟