هوائي اتجاهي

مصفوفة ثنائية القطب متعددة العناصر ذات دورية لوغاريتمية

هوائي راديو Cassegrain بطول 70 مترًا في GDSCC ، كاليفورنيا

الهوائي الاتجاهي أو الهوائي الشعاعي هو هوائي يبث أو يستقبل طاقة موجات راديوية أكبر في اتجاهات محددة. يمكن للهوائيات الاتجاهية بث الموجات الراديوية في حزم، عندما يكون التركيز الأكبر للإشعاع مطلوبًا في اتجاه معين، أو استقبال الموجات الراديوية من اتجاه محدد فقط. هذا من شأنه أن يزيد الطاقة المرسلة إلى أجهزة الاستقبال في ذلك الاتجاه، أو يقلل التداخل من المصادر غير المرغوب فيها. وهذا يختلف عن الهوائيات متعددة الاتجاهات ، مثل هوائيات ثنائي القطب، التي تبث الموجات الراديوية بزاوية واسعة، أو تستقبلها من زاوية واسعة.

يُقاس مدى تركيز التوزيع الزاوي للطاقة المُشعّة للهوائي، أو نمط إشعاعه ، في اتجاه واحد، بمعامل يُسمى كسب الهوائي . يُعدّ الهوائي عالي الكسب ( HGA ) هوائيًا اتجاهيًا ذو حزمة ضيقة ومركزة ، مما يسمح بتوجيه إشارات الراديو بدقة أكبر. ^{[ 1 ]} ويُستخدم هذا النوع من الهوائيات ، الذي يُشار إليه غالبًا في مهمات الفضاء ، ^{[ 2 ]} كما يُستخدم في جميع أنحاء الأرض ، ويُحقق نجاحًا كبيرًا في المناطق المسطحة والمفتوحة الخالية من الجبال التي قد تُعيق وصول موجات الراديو.

في المقابل، يُعدّ الهوائي منخفض الكسب ( LGA ) هوائيًا متعدد الاتجاهات ، يتميز بعرض حزمة موجات راديوية واسع، مما يسمح للإشارة بالانتشار بشكل جيد حتى في المناطق الجبلية، وبالتالي فهو أكثر موثوقية بغض النظر عن التضاريس. غالبًا ما تُستخدم الهوائيات منخفضة الكسب في المركبات الفضائية كنسخة احتياطية للهوائي عالي الكسب ، الذي يُرسل حزمة أضيق بكثير، وبالتالي يكون عرضة لفقدان الإشارة. ^{[ 3 ]}

جميع الهوائيات العملية موجهة إلى حد ما على الأقل، مع أن الاتجاه في المستوى الموازي للأرض هو ما يُؤخذ في الاعتبار عادةً، ويمكن أن تكون الهوائيات العملية متعددة الاتجاهات في مستوى واحد. أكثر أنواع الهوائيات الموجهة شيوعًا هي

• هوائي ياغي -أودا ،
• الهوائي ذو التردد اللوغاريتمي الدوري ، و
• هوائي عاكس الزاوية .
• هيكسبيم​

تُباع هذه الأنواع من الهوائيات، أو مزيج من عدة إصدارات أحادية التردد من نوع واحد، أو (نادرًا) مزيج من نوعين مختلفين، تجاريًا بشكل متكرر كهوائيات تلفزيونية منزلية . غالبًا ما تستخدم مُكررات شبكات الهاتف المحمول هوائيات خارجية موجهة لتوفير إشارة أقوى بكثير مما يمكن الحصول عليه من هاتف محمول عادي . تستخدم أجهزة استقبال التلفزيون عبر الأقمار الصناعية عادةً هوائيات مكافئة . أما بالنسبة للترددات ذات الأطوال الموجية الطويلة والمتوسطة ، فتُستخدم في معظم الحالات مصفوفات الأبراج كهوائيات موجهة.

عند الإرسال، يسمح الهوائي ذو الكسب العالي بتوجيه جزء أكبر من الطاقة المرسلة نحو جهاز الاستقبال، مما يزيد من قوة الإشارة المستقبلة. وعند الاستقبال، يلتقط الهوائي ذو الكسب العالي جزءًا أكبر من الإشارة، مما يزيد من قوتها أيضًا. وبسبب مبدأ التبادلية ، يتساوى هذان التأثيران؛ فالهوائي الذي يجعل الإشارة المرسلة  أقوى بمئة ضعف (مقارنةً بمشع متساوي الإشعاع ) سيلتقط أيضًا  طاقةً أكبر بمئة ضعف عند استخدامه كهوائي استقبال. ونتيجةً لتوجيهها، تُرسل الهوائيات الاتجاهية إشارات أقل (وتستقبل إشارات أقل) من الاتجاهات الأخرى غير الحزمة الرئيسية. قد تُجنّب هذه الخاصية التداخل من أجهزة الإرسال الأخرى خارج الحزمة، وتُقلل دائمًا من ضوضاء الهوائي. (تأتي الضوضاء من جميع الاتجاهات، لكن الإشارة المطلوبة ستأتي من اتجاه واحد تقريبًا، لذا كلما كانت حزمة الهوائي أضيق، كان معدل الإشارة إلى الضوضاء أفضل ).

توجد طرق عديدة لصنع هوائي عالي الكسب؛ وأكثرها شيوعًا الهوائيات المكافئة ، والهوائيات الحلزونية ، وهوائيات ياغي-أودا ، والمصفوفات الطورية لهوائيات أصغر من أي نوع. كما يمكن بناء هوائيات بوقية ذات كسب عالٍ، ولكنها أقل شيوعًا. وهناك تكوينات أخرى ممكنة أيضًا؛ فقد استخدم مرصد أريسيبو مزيجًا من خط تغذية مع عاكس كروي ضخم (بدلًا من العاكس المكافئ الأكثر شيوعًا)، لتحقيق كسب عالٍ للغاية عند ترددات محددة.

غالبًا ما يُذكر كسب الهوائي نسبةً إلى هوائي افتراضي يُشعّ بالتساوي في جميع الاتجاهات، أي مُشعّ متساوي الخواص . يُسمى هذا الكسب، عند قياسه بالديسيبل ، dBi. ينص قانون حفظ الطاقة على أن الهوائيات ذات الكسب العالي يجب أن تتميز بحزم ضيقة. على سبيل المثال، إذا جعل هوائي ذو كسب عالٍ جهاز إرسال بقدرة 1 واط يبدو وكأنه جهاز إرسال بقدرة 100 واط، فإن الحزمة لا يمكنها تغطية أكثر من 1/100 من السماء (وإلا فإن إجمالي الطاقة المُشعّة في جميع الاتجاهات سيتجاوز قدرة جهاز الإرسال، وهو أمر غير ممكن). وهذا بدوره يعني أن الهوائيات ذات الكسب العالي يجب أن تكون كبيرة الحجم، لأنه وفقًا لحدود الحيود ، كلما كانت الحزمة المطلوبة أضيق، كلما كان حجم الهوائي المطلوب أكبر (مقاسًا بالأطوال الموجية).  

يمكن قياس كسب الهوائي أيضًا بوحدة dBd، وهي الكسب بالديسيبل مقارنةً باتجاه أقصى شدة لهوائي ثنائي القطب نصف موجي. في حالة هوائيات ياغي، يُعادل هذا تقريبًا الكسب المتوقع من الهوائي قيد الاختبار مطروحًا منه جميع الموجهات والعاكسات. من المهم عدم الخلط بين dBi و dBd ؛ إذ يختلفان بمقدار 2.15  ديسيبل، حيث تكون قيمة dBi أعلى، لأن الهوائي ثنائي القطب يتمتع بكسب قدره 2.15  ديسيبل مقارنةً بالهوائي متساوي الإشعاع.

يعتمد كسب الهوائي أيضًا على عدد عناصره وضبطها. يمكن ضبط الهوائيات لتكون رنانة على نطاق أوسع من الترددات، ولكن مع ثبات العوامل الأخرى، سيكون كسب الهوائي أقل من كسب الهوائي المضبوط على تردد واحد أو مجموعة من الترددات. على سبيل المثال، في حالة هوائيات التلفزيون عريضة النطاق، يكون انخفاض الكسب كبيرًا بشكل خاص في الجزء السفلي من نطاق بث التلفزيون. في المملكة المتحدة، يُعرف هذا الثلث السفلي من نطاق التلفزيون بالمجموعة  أ.

تشمل العوامل الأخرى التي قد تؤثر على الكسب فتحة الهوائي (المساحة التي يستقبل منها الإشارة، وترتبط بشكل شبه كامل بحجم الهوائي، ولكن يمكن زيادتها في الهوائيات الصغيرة بإضافة قضيب من الفريت )، والكفاءة (التي تتأثر أيضًا بالحجم، بالإضافة إلى مقاومة المواد المستخدمة ومطابقة المعاوقة). يسهل تحسين هذه العوامل دون تعديل خصائص أخرى للهوائيات، أو قد تتحسن بالصدفة بفعل نفس العوامل التي تزيد من التوجيه، ولذلك لا يتم التركيز عليها عادةً.

تُعدّ الهوائيات عالية الكسب عادةً أكبر مكونات مجسات الفضاء السحيق، وتُعتبر هوائيات الراديو ذات الكسب الأعلى هياكل ضخمة للغاية، مثل مرصد أريسيبو . تستخدم شبكة الفضاء السحيق  أطباقًا قطرها 35 مترًا بأطوال موجية تبلغ حوالي 1  سم. يُعطي هذا المزيج كسبًا للهوائي يبلغ حوالي 100 مليون (أو 80  ديسيبل، كما هو مُعتاد)، مما يجعل جهاز الإرسال يبدو  أقوى بحوالي 100 مليون مرة، وجهاز الاستقبال أكثر حساسية بحوالي 100  مليون مرة، بشرط ^أن يكون الهدف ضمن نطاق الشعاع . لا يُمكن لهذا الشعاع أن يُغطي أكثر من جزء من مئة مليون ( 10⁻⁸ ) من السماء، لذا يتطلب الأمر دقة توجيه فائقة.

يؤدي استخدام تقنية الكسب العالي وتقنية الاتصالات بالموجات المليمترية في شبكات WPAN إلى زيادة احتمالية جدولة عمليات الإرسال المتزامنة غير المتداخلة في منطقة محددة، مما ينتج عنه زيادة هائلة في إنتاجية الشبكة. ومع ذلك، فإن الجدولة المثلى لعمليات الإرسال المتزامنة تُعد مسألة صعبة الحل (NP-hard) . ^{[ 4 ]}

• 
  مثال مبكر (1922) لجهاز إرسال راديو AM اتجاهي يستخدم هوائي سلكي طويل ، تم بناؤه لمحطة WOR ، التي كانت آنذاك في نيوارك، نيو جيرسي، وكان يستهدف كلاً من مدينة نيويورك وفيلادلفيا بالإضافة إلى نيوارك.
• 
  كارل جانسكي وهوائي الراديو الاتجاهي الدوار الخاص به (1932) في هولمديل، نيو جيرسي ، والذي كان أول تلسكوب راديوي في العالم، والذي اكتشف الانبعاثات الراديوية من درب التبانة .
• 
  هوائي غروت ريبر المصنوع يدويًا في ويتون، إلينوي (1937)، ثاني تلسكوب راديوي في العالم وأول تلسكوب راديوي مكافئ
• 
  هوائي هولمديل القرني في هولمديل، نيو جيرسي (الستينيات). بُني لدعم برنامج الاتصالات عبر الأقمار الصناعية إيكو ، ^{[ 5 ]} واستُخدم لاحقًا في تجارب كشفت عن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي الذي يملأ الكون. ^{[ 6 ]}
• 
  هوائي مكافئ –  الهوائي الذي يبلغ طوله 70 مترًا في مجمع غولدستون للاتصالات الفضائية العميقة في صحراء موهافي، كاليفورنيا
• 
  المركبة الفضائية فوياجر 2. الهوائي المكافئ (HGA) هو الجسم الكبير على شكل وعاء.
• 
  رادار ضخم ذو مصفوفة طورية في ألاسكا
• 
  هوائي ياغي -أودا . من اليسار إلى اليمين، تُسمى العناصر المثبتة على ذراع الهوائي: العاكس، والعنصر المُحرك، والموجه. يسهل تمييز العاكس لكونه أطول قليلاً (بنسبة 5% أو أكثر) من جميع العناصر الأخرى، بينما يكون الموجه (أو الموجهات) أقصر قليلاً (بنسبة 5% أو أكثر).

• "ما هو الكسب العالي والكسب المنخفض؟" . qrg.northwestern.edu . الاتصالات. إيفانستون، إلينوي: جامعة نورث وسترن .