هوائي سوطي

الهوائي السوطي هو هوائي يتكون من سلك أو قضيب مستقيم ومرن. يتم توصيل الطرف السفلي للسوط بجهاز استقبال أو إرسال الراديو . يُعد الهوائي السوطي نوعًا من الهوائيات أحادية القطب . صُمم هذا الهوائي ليكون مرنًا حتى لا ينكسر بسهولة. غالبًا ما تُصنع الهوائيات السوطية لأجهزة الراديو المحمولة من سلسلة من الأنابيب المعدنية المتشابكة والقابلة للتمديد ، بحيث يمكن سحبها عند عدم استخدامها. أما الهوائيات السوطية الأطول، المصممة للتركيب على المركبات والهياكل، فتُصنع من قضيب مرن من الألياف الزجاجية ملفوف حول سلك داخلي، وقد يصل طولها إلى 11 مترًا (35 قدمًا) . 

يُحدد طول هوائي السوط بطول موجة الموجات الراديوية المستخدمة معه. ويتراوح طوله من هوائيات كهربائية قصيرة وصغيرة الحجم ( بطول 1/10 من طول الموجة )  إلى هوائيات أطول (بطول 5/8 من طول الموجة) لتحسين التوجيه. النوع الأكثر شيوعًا هو هوائي السوط ربع الموجة ، والذي يبلغ طوله حوالي 1/4 من طول الموجة .  

تُعدّ الهوائيات السوطية النوع الأكثر شيوعًا من الهوائيات أحادية القطب ، وتُستخدم في نطاقات الترددات العالية HF و VHF و UHF . وتُستخدم على نطاق واسع كهوائيات لأجهزة الراديو المحمولة، والهواتف اللاسلكية ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ، وأجهزة راديو FM ، وأجهزة الراديو المحمولة ، والأجهزة المزودة بتقنية Wi-Fi ، كما تُثبّت على المركبات كهوائيات لأجهزة راديو السيارات وأجهزة الاتصال اللاسلكي ثنائية الاتجاه للمركبات ذات العجلات والطائرات. أما النسخ الأكبر حجمًا، والمثبتة على الأسطح والشرفات وأعمدة الراديو، فتُستخدم كهوائيات لمحطات البث اللاسلكي للهواة، وللشرطة، والإطفاء، والإسعاف، وسيارات الأجرة، وغيرها من مراكز إرسال المركبات.

(يسار) ثلاثة هوائيات كبيرة من الألياف الزجاجية مثبتة على سارية. (يمين) هوائي من الألياف الزجاجية لنطاقات الراديو للهواة 2 متر و70 سم.

الهوائي السوطي هو هوائي أحادي القطب ، ومثل الهوائي ثنائي القطب الرأسي، يتميز بنمط إشعاع شامل الاتجاهات ، حيث يشع طاقة راديوية متساوية في جميع الاتجاهات السمتية (العمودية على محور الهوائي)، مع انخفاض الطاقة المشعة تدريجيًا مع زاوية الارتفاع حتى تصل إلى الصفر على محور الهوائي. ^{[ 1 ]} تحتوي الهوائيات السوطية التي يقل طولها عن نصف طول موجة، بما في ذلك الهوائي السوطي الشائع ربع الموجة، على فص رئيسي واحد ، ومع وجود سطح أرضي موصل تمامًا أسفله، تكون أقصى شدة للمجال في الاتجاهات الأفقية، وتتناقص بشكل مطرد حتى تصل إلى الصفر على المحور. أما مع وجود سطح أرضي صغير أو غير موصل تمامًا أو بدون سطح أرضي أسفله، فإن النتيجة العامة هي إمالة الفص الرئيسي لأعلى بحيث لا تُشع الطاقة القصوى أفقيًا بل بزاوية نحو السماء.

الهوائيات التي يزيد طولها عن نصف الطول الموجي لها أنماط تتكون من عدة "فصوص" مخروطية؛ مع وجود قيم قصوى للإشعاع عند عدة زوايا ارتفاع؛ كلما زاد الطول الكهربائي للهوائي، زاد عدد الفصوص التي يحتويها النمط.

يشع سوط رأسي موجات راديو مستقطبة رأسياً ، مع كون المجال الكهربائي رأسياً والمجال المغناطيسي أفقياً.

تُستخدم هوائيات السوط العمودية على نطاق واسع في الاتصالات اللاسلكية غير الموجهة على سطح الأرض، حيث يكون اتجاه الإرسال (أو الاستقبال) غير معروف أو متغير باستمرار، كما هو الحال في أجهزة استقبال راديو FM المحمولة ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ، وأجهزة الراديو ثنائية الاتجاه في المركبات. ويعود ذلك إلى أنها تُرسل (أو تستقبل) بكفاءة متساوية في جميع الاتجاهات الأفقية، مع إشعاع كمية ضئيلة من الطاقة اللاسلكية في السماء حيث تُهدر.

تُصمم هوائيات السوط عادةً كهوائيات رنانة ؛ حيث يعمل القضيب كمرنان للموجات الراديوية، مع انعكاس موجات الجهد والتيار ذهابًا وإيابًا من طرفيه. لذلك، يتم تحديد طول قضيب الهوائي بواسطة الطول الموجي (${\displaystyle \lambda }$) من الموجات الراديوية المستخدمة. الطول الأكثر شيوعًا هو ما يقارب ربع الطول الموجي (${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$يُطلق عليه اسم "هوائي ربع الموجة" (مع أنه غالبًا ما يُقصر باستخدام ملف تحميل ؛ انظر قسم "هوائيات قصيرة كهربائيًا " أدناه). على سبيل المثال، يبلغ طول هوائيات ربع الموجة الشائعة الاستخدام في أجهزة راديو FM في الولايات المتحدة الأمريكية حوالي 75 سم (2.5 قدم) ، وهو ما يُعادل ربع طول موجات الراديو في نطاق FM تقريبًا ، والتي يتراوح طولها بين 2.78 و3.41 متر (9 إلى 11 قدمًا) .  

سوطات نصف الموجة (${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda }$(طويلة) والتي تتمتع بكسب أكبر ، وموجات خماسية الأثمان (${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda }$تُعد الأطوال الطويلة (التي تتمتع بأقصى كسب أفقي يمكن تحقيقه بواسطة الهوائي أحادي القطب) من الأطوال الشائعة أيضًا.

يعتمد كسب ومقاومة دخل الهوائي على طول عنصر السوط، مقارنةً بالطول الموجي، وكذلك على حجم وشكل سطح الأرض المستخدم (إن وُجد). يبلغ كسب هوائي رأسي ربع موجة يعمل على سطح أرضي موصل مثالي لانهائي 5.19 ديسيبل ، ومقاومة إشعاع تبلغ حوالي 36.8 أوم . مع ذلك، لا يُقترب من هذا الكسب في الهوائيات الفعلية إلا إذا كان قطر سطح الأرض عدة أطوال موجية. يُعد كسب 2 ديسيبل أكثر شيوعًا لهوائي سوطي ذي سطح أرضي...   ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda ~.}$تستخدم الهوائيات السلكية المثبتة على المركبات الهيكل المعدني للمركبة كسطح أرضي. أما في الأجهزة المحمولة، فلا يوجد عادةً سطح أرضي واضح، ويتم توصيل الجانب الأرضي لخط تغذية الهوائي بالأرض (الطرف المشترك) على لوحة الدائرة الكهربائية للجهاز. ^{[ 2 ]} لذلك، يعمل جهاز الراديو نفسه كسطح أرضي بدائي. إذا لم يكن هيكل الراديو أكبر بكثير من الهوائي نفسه، فإن الهوائي السلكي وجهاز الراديو معًا يعملان كهوائي ثنائي القطب غير متماثل أكثر من كونهما هوائيًا أحادي القطب . ^{[ 3 ] [ 4 ]} سيكون الكسب أقل نوعًا ما من ثنائي القطب، أو من هوائي سلكي ربع موجة مع سطح أرضي مناسب.

عادةً ما تُغذّى الهوائيات غير المثبتة على جهاز الراديو نفسه بكابل محوري ذي مقاومة 50 أوم أو 75 أوم. في هوائيات الإرسال، يجب مطابقة مقاومة الهوائي مع مقاومة الكابل المحوري لضمان نقل الطاقة بأقصى قدر.  

هوائي سوطي نصف موجة (طوله${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda }$يتميز هذا النوع من الهوائيات بكسب أعلى قليلاً من هوائي ربع الموجة، ولكنه يحتوي على عقدة تيار عند نقطة التغذية في قاعدة القضيب، مما يجعله ذا مقاومة دخل عالية جدًا. لو كان رقيقًا للغاية، لكانت مقاومة دخل الهوائي لانهائية، ولكن عرضه المحدود يُعطي هوائيات نصف الموجة العملية النموذجية مقاومة تتراوح بين 800 و1500  أوم. عادةً ما تُغذى هذه الهوائيات عبر محول مطابقة مقاومة أو قسم مطابقة ربع موجة (مثل هوائي J-pole ). ومن مزاياه أنه يعمل كثنائي قطب، فلا يحتاج إلى سطح أرضي.

يتم تحقيق أقصى كسب أفقي لهوائي أحادي القطب عند طول يساوي خمسة أثمان الطول الموجي.${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda }$لذا، يُعد هذا الطول شائعًا أيضًا للهوائيات السلكية. مع ذلك، عند هذا الطول، ينقسم نمط الإشعاع إلى فص أفقي وفص ثانٍ صغير بزاوية 60 درجة، مما يجعل الإشعاع بزاوية عالية ضعيفًا. تبلغ مقاومة الدخل حوالي 40  أوم.

هوائيات المستوى الأرضي

في الهوائي السوطي غير المثبت على سطح موصل، كالهوائي المثبت على سارية، يؤدي نقص الموجات الراديوية المنعكسة من السطح الأرضي إلى ميل فص نمط الإشعاع نحو السماء، مما يقلل من الطاقة المشعة في الاتجاهات الأفقية، وهو أمر غير مرغوب فيه للاتصالات الأرضية. ^{[ 5 ]} كما أن عدم توازن معاوقة عنصر أحادي القطب يتسبب في تيارات ترددات لاسلكية في السارية الداعمة وعلى السطح الخارجي لموصل التدريع الأرضي لخط التغذية المحوري، مما يؤدي إلى إشعاع هذه الهياكل موجات راديوية، وهو ما يؤثر سلبًا عادةً على نمط الإشعاع.

ولمنع ذلك، عند تركيب هوائيات ثابتة على هياكل، يُستخدم غالبًا "سطح أرضي" اصطناعي يتكون من ثلاثة أو أربعة قضبان بطول ربع طول الموجة، متصلة بالجانب المقابل لخط التغذية، وتمتد أفقيًا من قاعدة الهوائي. ^{[ 5 ]} يُطلق على هذا النوع من الهوائيات اسم هوائي السطح الأرضي . ^{[ 6 ]} تعمل هذه العناصر السلكية القصيرة على استقبال تيار الإزاحة من العنصر المُشغَّل وإعادته إلى الموصل الأرضي لخط النقل، مما يجعل الهوائي يتصرف كما لو كان لديه سطح موصل مستمر تحته.

تبلغ مقاومة الإشعاع لهوائي ربع موجة ذي سطح أرضي وأسلاك أرضية أفقية حوالي 22  أوم، وهو ما يُعدّ غير متوافق مع خط تغذية الكابل المحوري ، ويبقى الفص الرئيسي لنمط الإشعاع مائلاً نحو السماء. غالبًا (انظر الصور) تكون قضبان السطح الأرضي مائلة للأسفل بزاوية 45 درجة، مما يؤدي إلى خفض الفص الرئيسي لنمط الإشعاع، وبالتالي إشعاع جزء أكبر من الطاقة في الاتجاهات الأفقية، ويزيد من مقاومة الإدخال لتحقيق توافق جيد مع الكابل المحوري القياسي 50 أوم . ولمواءمة الكابل المحوري 75 أوم، يمكن ثني أطراف السطح الأرضي للأسفل أو استخدام عنصر أحادي القطب مطوي.

لتقليل طول هوائي السوط وجعله أقل حجمًا، يُضاف إليه غالبًا ملف حث ( ملف تحميل ) على التوالي. يسمح هذا بصنع هوائي أقصر بكثير من الطول الطبيعي لهوائي ربع الموجة، مع الحفاظ على الرنين ، وذلك بإلغاء المفاعلة السعوية للهوائي القصير. يُسمى هذا النوع من الهوائيات " هوائي السوط قصير كهربائيًا" . يُضاف الملف عند قاعدة السوط (يُسمى "هوائي السوط المُحمّل قاعديًا") أو أحيانًا في المنتصف (يُسمى "هوائي السوط المُحمّل مركزيًا"). في الشكل الأكثر شيوعًا، وهو هوائي "البطة المطاطية" ، يُدمج ملف التحميل مع الهوائي نفسه بصنع السوط من حلزون ضيق من سلك مرن. يوزع الحلزون الحث على طول الهوائي، مما يُحسّن نمط الإشعاع، ويجعله أكثر مرونة. من البدائل الأخرى المستخدمة أحيانًا لتقصير الهوائي إضافة "غطاء سعوي"، وهو عبارة عن شبكة معدنية أو أسلاك مشعة، في النهاية. مع ذلك، فإن جميع هذه الهوائيات القصيرة كهربائيًا تتميز بكسب أقل من هوائي السوط كامل الطول ربع الموجة.

يمكن تشغيل النطاقات المتعددة باستخدام ملفات عند حوالي النصف أو الثلث أو الثلثين والتي لا تؤثر على الهوائي كثيرًا في النطاق الأدنى، ولكنها تخلق تأثير ثنائيات الأقطاب المكدسة في نطاق أعلى (عادةً ×2 أو ×3 تردد).

عند الترددات العالية ^{، يمكن أن يمتد كابل التغذية المحوري داخل أنبوب. يتم تغذية الوصلة المعزولة بين الأنبوب والهوائي السوطي من الكابل المحوري، ويحتوي الطرف السفلي للأنبوب، حيث يدخل الكابل المحوري، على قاعدة معزولة. هذا النوع من الهوائيات السوطية العمودية ثنائي القطب بالكامل ،} وبالتالي لا يحتاج إلى سطح أرضي. يعمل هذا النوع بشكل أفضل عمومًا على ارتفاع عدة أطوال موجية فوق سطح الأرض، ومن هنا يأتي اقتصار استخدامه عادةً على نطاقات الموجات الميكروية.

• نظام هوائي للسترة التكتيكية
• موجات (جونو) (تستخدم هوائيين سوطيين لأحد أجهزة الاستشعار الخاصة بها)
• الحقول (تستخدم أربعة هوائيات سوطية على مسبار باركر الشمسي )