أنواع الهوائيات

تُعرف تقنية تنوع الهوائيات، أو التنوع المكاني ، بأنها إحدى تقنيات التنوع اللاسلكي التي تستخدم هوائيين أو أكثر لتحسين جودة وموثوقية الاتصال اللاسلكي. في كثير من الأحيان، وخاصة في البيئات الحضرية والداخلية، لا يوجد خط رؤية مباشر بين المرسل والمستقبل. بدلاً من ذلك، تنعكس الإشارة على مسارات متعددة قبل استقبالها. يمكن أن يُحدث كل ارتداد من هذه الانعكاسات تغيرات في الطور، وتأخيرات زمنية، وتوهين، وتشوهات، مما قد يؤدي إلى تداخلات مدمرة عند فتحة هوائي الاستقبال.

يُعدّ تنوّع الهوائيات فعالاً للغاية في التخفيف من آثار تعدد المسارات . ويعود ذلك إلى أن الهوائيات المتعددة تُتيح للمستقبل رصد الإشارة نفسها من زوايا مختلفة. ويتعرض كل هوائي لبيئة تداخل مختلفة. لذا، إذا كان أحد الهوائيات يعاني من ضعف شديد في الإشارة ، فمن المرجح أن يكون لدى هوائي آخر إشارة كافية. وبذلك، يُمكن لهذا النظام مجتمعاً توفير وصلة قوية. وبينما يُلاحظ هذا بشكل أساسي في أنظمة الاستقبال ( استقبال التنوّع )، فقد أثبت نظيره التناظري جدواه أيضاً في أنظمة الإرسال ( تنوّع الإرسال ).

يتطلب نظام تنويع الهوائيات بطبيعته أجهزةً وتكاملاً إضافيين مقارنةً بنظام الهوائي الواحد، ولكن نظرًا لتشابه مسارات الإشارة، يمكن مشاركة قدر كبير من الدوائر الإلكترونية. كما أن تعدد الإشارات يزيد من متطلبات المعالجة على جهاز الاستقبال، مما قد يؤدي إلى متطلبات تصميم أكثر دقة. ومع ذلك، عادةً ما تكون موثوقية الإشارة هي الأهم، ويُعد استخدام هوائيات متعددة وسيلة فعالة لتقليل حالات انقطاع الإشارة وفقدان الاتصالات.

يمكن تحقيق تنوع الهوائيات بعدة طرق. وبحسب البيئة والتداخل المتوقع، يمكن للمصممين استخدام طريقة واحدة أو أكثر من هذه الطرق لتحسين جودة الإشارة. في الواقع، تُستخدم طرق متعددة في كثير من الأحيان لزيادة الموثوقية.

• تعتمد تقنية التنوع المكاني على استخدام هوائيات متعددة، عادةً ما تكون لها نفس الخصائص، وتفصل بينها مسافة فيزيائية. وبحسب المسافة المتوقعة لوصول الإشارة، قد تكفي مسافة تقارب طول موجة واحدة في بعض الأحيان، بينما تتطلب حالات أخرى مسافات أكبر بكثير.
  • التنوع الكلي هو عندما تكون المسافة بين أجهزة الإرسال أكبر بكثير من طول الموجة. أما عندما تكون المسافة من نفس رتبة طول الموجة أو أصغر منها، فيُطلق عليه التنوع الجزئي .
  • تُعدّ تقنية تقسيم الشبكات إلى خلايا أو قطاعات ، على سبيل المثال، إحدى تقنيات التنوع المكاني التي تسمح بوضع الهوائيات أو محطات البث على مسافات شاسعة. وهذا مفيدٌ للغاية لقطاع الاتصالات المتنقلة، إذ يُتيح لعدة مستخدمين مشاركة نطاق ترددي محدود وتجنب التداخل بين القنوات .
• تعتمد تقنية تنويع الأنماط على هوائيين أو أكثر متجاورين في نفس الموقع، ولكل منهمانمط إشعاع. يستخدم هذا النوع من التنوعهوائيات اتجاهيةتفصل بينها عادةً مسافة معينة (غالباً قصيرة). تستطيع هذه الهوائيات مجتمعةً تغطية مساحة زاوية واسعة، وتوفر كسباً أعلى مقارنةً بمشعّ واحد متعدد الاتجاهات.
• يجمع تنوع الاستقطاب بين أزواج من الهوائيات ذاتاستقطاباتاستقطاب دائرييساري/يميني،إلخ). يمكن أن تخضع الإشارات المنعكسة لتغيرات في الاستقطاب تبعًا للوسط الذي تنتقل عبره. يؤدي اختلاف الاستقطاب بمقدار 90 درجة إلى عامل توهين يصل إلى 34 ديسيبل في قوة الإشارة. من خلال الجمع بين استقطابين متكاملين، يمكن لهذا النظام حماية النظام من عدم تطابق الاستقطاب الذي قد يتسبب في تلاشي الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، أثبت هذا التنوع جدواه في محطات الاتصالات اللاسلكية والمتنقلة نظرًا لكونه أقل تأثرًا بالاتجاهات العشوائية تقريبًا لهوائيات الإرسال. ^{[ 1 ]}
• تستخدم تقنية تنويع الإرسال/الاستقبال هوائيين منفصلين متجاورين لوظائف الإرسال والاستقبال. يُغني هذا التكوين عن الحاجة إلىمُزدوج الإرسال والاستقبال، كما يحمي مكونات جهاز الاستقبال الحساسة من الطاقة العالية المستخدمة في الإرسال.
• يمكن أن تكون المصفوفات التكيفية هوائيًا واحدًا بعناصر فعّالة أو مصفوفة من هوائيات مماثلة قادرة على تغيير نمط إشعاعها المُجمّع تبعًا لتغير الظروف. وتقوم المصفوفات النشطة الممسوحة إلكترونيًا (AESA) بمعالجةمُغيّرات الطوروالمُخفّفات على سطح كل موقع إشعاع لتوفير قدرة مسح شبه فورية، بالإضافة إلى التحكم في نمط الإشعاع واستقطابه. ويُعدّ هذا مفيدًا بشكل خاص لتطبيقات الرادار، إذ يُتيح للهوائي الواحد إمكانية التبديل بين عدة أوضاع مختلفة، مثل البحث والتتبع ورسم الخرائط وتدابير التشويش المضادة.

تتطلب جميع التقنيات المذكورة أعلاه نوعًا من المعالجة اللاحقة لاستعادة الرسالة المطلوبة. ومن بين هذه التقنيات:

• التبديل: في جهاز الاستقبال التبديل، تُغذّى الإشارة من هوائي واحد فقط إلى جهاز الاستقبال طالما بقيت جودة تلك الإشارة أعلى من عتبة محددة. عند تدهور الإشارة، يتم التبديل إلى هوائي آخر. يُعدّ التبديل أسهل تقنيات معالجة تنويع الهوائي وأقلها استهلاكًا للطاقة، ولكن قد تحدث فترات من التلاشي وعدم التزامن أثناء تدهور جودة أحد الهوائيات وإنشاء وصلة الهوائي الآخر.
• الاختيار: كما هو الحال في التبديل، لا تعرض عملية الاختيار سوى إشارة هوائي واحد للمستقبل في أي لحظة. ومع ذلك، يُختار الهوائي بناءً على أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) بين الإشارات المُستقبلة. يتطلب هذا إجراء قياس مسبق، وأن تكون جميع الهوائيات متصلة (على الأقل أثناء قياس نسبة الإشارة إلى الضوضاء)، مما يؤدي إلى زيادة متطلبات الطاقة. يمكن أن تتم عملية الاختيار الفعلية بين حزم المعلومات المُستقبلة، مما يضمن الحفاظ على اتصال هوائي واحد قدر الإمكان. بعد ذلك، يمكن إجراء التبديل على أساس كل حزمة على حدة عند الضرورة.
• الدمج: في عملية الدمج، تحافظ جميع الهوائيات على اتصالاتها القائمة باستمرار. ثم تُدمج الإشارات وتُرسل إلى جهاز الاستقبال. وبحسب مدى تطور النظام، يمكن جمع الإشارات مباشرةً (دمج متساوي الكسب) أو ترجيحها وجمعها بشكل متماسك ( دمج النسبة القصوى ). يوفر هذا النظام أعلى مقاومة للتلاشي، ولكنه يستهلك أيضًا أكبر قدر من الطاقة نظرًا لضرورة بقاء جميع مسارات الاستقبال مُفعّلة.
• التحكم الديناميكي: تتميز أجهزة الاستقبال ذات التحكم الديناميكي بقدرتها على اختيار أحد أنظمة المعالجة المذكورة أعلاه حسب الحاجة. ورغم تعقيدها، إلا أنها تُحسّن المفاضلة بين استهلاك الطاقة والأداء. ويتم الإشارة إلى الانتقالات بين الأوضاع أو توصيلات الهوائي من خلال تغير في جودة الإشارة المُدركة. في حالات التلاشي المنخفض، يمكن لجهاز الاستقبال الاستغناء عن تقنية التنوع واستخدام الإشارة المُقدمة من هوائي واحد. ومع تدهور الظروف، يمكن لجهاز الاستقبال حينها اعتماد الأوضاع الأكثر موثوقية ولكنها تستهلك طاقة أكبر، كما هو موضح أعلاه.

يُعدّ استقبال التنوع أحد التطبيقات العملية المعروفة في الميكروفونات اللاسلكية ، وفي الأجهزة الإلكترونية المشابهة مثل أنظمة الغيتار اللاسلكية . يكون الميكروفون اللاسلكي المزود بمستقبل أحادي الهوائي عرضةً لانقطاعات عشوائية، وتلاشي الإشارة، والتشويش ، أو غيرها من التداخلات ، خاصةً إذا كان جهاز الإرسال (الميكروفون اللاسلكي) متحركًا. أما الميكروفون اللاسلكي أو نظام الصوت الذي يستخدم استقبال التنوع، فينتقل تلقائيًا إلى الهوائي الآخر في غضون أجزاء من الثانية إذا تعرض أحد الهوائيين للتشويش، مما يوفر إشارة بجودة محسّنة مع تقليل الانقطاعات والتشويش. في الوضع الأمثل، لا يحدث أي انقطاع أو تشويش في الإشارة المستقبلة.

يُستخدم هذا الأسلوب أيضاً بشكل شائع في أجهزة شبكات الواي فاي والهواتف اللاسلكية للتعويض عن تداخل الإشارات المتعددة . تقوم المحطة الأساسية بتحويل الاستقبال إلى أحد هوائيين بناءً على الهوائي الذي يستقبل إشارة أقوى. وللحصول على أفضل النتائج، يُوضع الهوائيان عادةً على بُعد طول موجي واحد. في نطاقات الميكروويف ، حيث يقل الطول الموجي عن 100  سم، يمكن تحقيق ذلك غالباً باستخدام هوائيين متصلين بنفس الجهاز. أما بالنسبة للترددات المنخفضة والأطوال الموجية الأطول، فيجب أن يكون الهوائيان على بُعد عدة أمتار، مما يجعل هذا الأسلوب أقل جدوى.

تستفيد أبراج الهواتف المحمولة أيضاً من تقنية التنوع، حيث يحتوي كل جانب (قطاع) من البرج عادةً على هوائيين؛ أحدهما للإرسال والاستقبال، والآخر للاستقبال فقط. ويُستخدم جهازا استقبال لتحقيق استقبال التنوع.

يؤدي استخدام هوائيات متعددة في كل من الإرسال والاستقبال إلى نظام متعدد المدخلات والمخرجات (MIMO). ويُطلق على استخدام تقنيات التنوع في طرفي الوصلة اسم ترميز الفضاء الزمني .

تُعدّ تقنية التشفير المتنوع إحدى تقنيات التشفير المكاني المستخدمة في أنظمة MIMO في القنوات اللاسلكية. تعاني هذه القنوات بشدة من ظاهرة التلاشي، مما يؤدي إلى عدم موثوقية فك تشفير البيانات. تقوم هذه التقنية أساسًا بإرسال نسخ متعددة من البيانات عبر هوائيات إرسال متعددة، وذلك لتحسين موثوقية استقبال البيانات. في حال فشل أحد الهوائيات في الاستقبال، تُستخدم الهوائيات الأخرى لفك تشفير البيانات. وبذلك، تحقق تقنية MIMO التنوع المكاني والتعدد المكاني .

• برامج التنوع
• رمز الزمكان
• مستقبل المشط
• الاتصالات متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO)
• نظام هوائي موزع
• التنوع الكلي
• دمج التنوع
• تنوع الإرسال
• اكتساب التنوع
• التنوع التعاوني

• ج. مون وي. كيم. "تنوع الهوائيات يعزز الشبكات المحلية اللاسلكية". تصميم أنظمة الاتصالات، الصفحات 15-22، يناير 2003
• إس إم ليندنمير، إل إم رايتر، دي إي باري، وجيه إف هوبف. "تنوع الهوائيات لتحسين معدل خطأ البت في استقبال الراديو الرقمي المتنقل، خاصة في المناطق ذات الغطاء النباتي الكثيف." المؤتمر الدولي للهوائيات، ISBN 978-3-00-021643-5، الصفحات 45-48. 30 مارس 2007.
• "المصفوفات التكيفية وتكوينات هوائيات التنوع لمحطات الاتصالات اللاسلكية المحمولة" بقلم كارل ديتريش الابن، 15 فبراير 2000.
• "دليل الهوائي التكيفي: الكفاءة الطيفية والمعالجة المكانية" بقلم مارك غولدبرغ. مكتب الهندسة والتكنولوجيا التابع للجنة الاتصالات الفيدرالية. 7 سبتمبر 2001.
• "نهج قائم على برنامج MATLAB وموجه للكائنات لمحاكاة قناة التلاشي متعدد المسارات" ورقة بحثية من إعداد سي دي إسكندر. فبراير 2008.