هوائي أحادي القطب

الهوائي أحادي القطب هو فئة من هوائيات الراديو تتكون من موصل مستقيم على شكل قضيب، غالبًا ما يتم تركيبه بشكل عمودي على نوع من السطح الموصل ، يسمى مستوى الأرض . ^{[1] [2] [3]} يتم تطبيق إشارة القيادة من المرسل ، أو بالنسبة لهوائيات الاستقبال، يتم أخذ إشارة الإخراج إلى المستقبل ، بين الطرف السفلي من أحادي القطب ومستوى الأرض. يتم توصيل جانب واحد من خط تغذية الهوائي بالطرف السفلي من أحادي القطب، ويتم توصيل الجانب الآخر بمستوى الأرض، والذي غالبًا ما يكون الأرض. يتناقض هذا مع الهوائي ثنائي القطب الذي يتكون من موصلين قضيبيين متطابقين، مع الإشارة من المرسل المطبقة بين نصفي الهوائي.

غالبًا ما يستخدم أحادي القطب كهوائي رنيني . يعمل القضيب كمرنان مفتوح للموجات الراديوية ويتذبذب مع موجات ثابتة من الجهد والتيار على طوله. وبالتالي، يتم تحديد طول الهوائي بناءً على الطول الموجي للموجات الراديوية المطلوبة. الشكل الأكثر شيوعًا هو أحادي القطب ربع الموجة ، حيث يكون طول الهوائي ربع الطول الموجي للموجات الراديوية تقريبًا. ومع ذلك، في هوائيات أحادية القطب الإذاعية، تكون الأطوال مساوية لـ ⁠5/8كما تحظى أطوال الموجات بشعبية كبيرة لأن هذا الطول في أحادي القطب يزيد من الطاقة المنبعثة عموديًا على محور المبرد، والذي يعمل مع المبرد الرأسي على تحسين الكفاءة للبث الأرضي. تم اختراع هوائي أحادي القطب في عام 1895 بواسطة رائد الراديو جولييلمو ماركوني ؛ ولهذا السبب يُطلق عليه أحيانًا هوائي ماركوني . ^{[4] [5] [6]}

تبلغ معاوقة الحمل للهوائي أحادي القطب ربع الموجة نصف معاوقة الهوائي ثنائي القطب أو 37.5  أوم .

الأنواع الشائعة من الهوائي أحادي القطب هي

تم اختراع الهوائي أحادي القطب في عام 1895 وحصل على براءة اختراعه في عام 1896 ^[7] بواسطة رائد الراديو جولييلمو ماركوني خلال تجاربه التاريخية الأولى في الاتصالات اللاسلكية. بدأ باستخدام هوائيات ثنائية القطب التي اخترعها هاينريش هيرتز والتي تتكون من سلكين أفقيين متطابقين ينتهيان بألواح معدنية. وجد من خلال التجربة أنه إذا تم توصيل جانب واحد من المرسل والمستقبل بسلك معلق في الأعلى بدلاً من ثنائي القطب، وكان الجانب الآخر متصلاً بالأرض، فيمكنه الإرسال لمسافات أطول. لهذا السبب يُطلق على أحادي القطب أيضًا هوائي ماركوني ، ^{[4] [5] [6]} على الرغم من أن ألكسندر بوبوف اخترعه بشكل مستقل في نفس الوقت تقريبًا. ^{[8] [9] [10] [11]}

مثل هوائي ثنائي القطب المعلق رأسياً ، يتمتع أحادي القطب بنمط إشعاع متعدد الاتجاهات : فهو يشع بقوة متساوية في جميع الاتجاهات السمتية العمودية على الهوائي. وتتغير القوة المشعة مع زاوية الارتفاع، حيث ينخفض ​​الإشعاع إلى الصفر عند سمت الرأس على محور الهوائي. وهو يشع موجات راديو مستقطبة رأسياً . ونظرًا لأن ثنائيات القطب ذات نصف الموجة الرأسية يجب أن يكون مركزها مرتفعًا بمقدار ربع موجة على الأقل فوق الأرض، بينما يجب تركيب أحادي القطب مباشرة على الأرض، فإن أنماط إشعاع أحادي القطب تتأثر بشكل أكبر بالمقاومة في الأرض، ويختلف نمط الإشعاع مع الارتفاع بطبيعته.

يمكن تصور أحادي القطب ( يمينًا ) على أنه يتشكل عن طريق استبدال النصف السفلي من هوائي ثنائي القطب الرأسي (ج) بمستوى موصل ( مستوى أرضي ) بزاوية قائمة على النصف المتبقي. إذا كان مستوى الأرض كبيرًا بما يكفي، فإن الموجات الراديوية من النصف العلوي المتبقي من ثنائي القطب (أ) المنعكسة من مستوى الأرض ستبدو وكأنها تأتي من هوائي صورة (ب) يشكل النصف المفقود من ثنائي القطب، والذي يضاف إلى الإشعاع المباشر لتشكيل نمط إشعاع ثنائي القطب. لذا فإن نمط أحادي القطب مع مستوى أرضي لانهائي موصل تمامًا يكون مطابقًا للنصف العلوي من نمط ثنائي القطب.

حتى طول نصف الطول الموجي ( ) يحتوي الهوائي على فص واحد بأقصى مكسب في الاتجاهات الأفقية، عموديًا على محور الهوائي. أسفل رنين ربع الطول الموجي ( ) يكون نمط الإشعاع ثابتًا تقريبًا مع الطول. فوق ( ) يصبح الفص مسطحًا، ويشع المزيد من الطاقة في الاتجاهات الأفقية. ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda }$

فوق نصف طول الموجة، ينقسم النمط إلى فص رئيسي أفقي وفص مخروطي صغير ثانٍ بزاوية ارتفاع 60 درجة في السماء. ومع ذلك، يستمر المكسب الأفقي في الزيادة ويصل إلى أقصى حد عند طول خمسة أثمان الطول الموجي: (هذا تقريب صالح لهوائي سمك نموذجي، بالنسبة إلى أحادي القطب الرقيق بشكل لا نهائي، يحدث الحد الأقصى عند ). يحدث الحد الأقصى عند هذا الطول لأن إشعاع الطور المعاكس من الفصين يتداخل بشكل مدمر ويلغى عند زوايا عالية، مما "يضغط" المزيد من الطاقة في الفص الأفقي. ${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda =0.625\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {2}{\,\pi \,}}\lambda =0.637\lambda }$

يصبح الفص الأفقي أصغر حجمًا بسرعة ويصبح الفص ذو الزاوية العالية أكبر حجمًا، مما يقلل من الطاقة المنبعثة في الاتجاهات الأفقية، وبالتالي يقلل من المكسب. وبسبب هذا، لا تستخدم العديد من الهوائيات أطوالًا أعلى من أو 0.625  موجة . مع زيادة طول الهوائي، ينقسم النمط إلى المزيد من الفصوص، مع وجود فصوص فارغة (اتجاهات الطاقة المنبعثة صفرية) بينها. ${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda }$

التأثير العام للمستويات الأرضية الصغيرة كهربائيًا، بالإضافة إلى الأراضي الأرضية غير الموصلة بشكل كامل، هو إمالة اتجاه الإشعاع الأقصى إلى زوايا ارتفاع أعلى وتقليل المكسب. ^[12] يبلغ مكسب هوائيات الربع الموجة الفعلية مع أنظمة الأرض النموذجية حوالي 2-3 ديسيبل.

نظرًا لأنه يشع فقط في الفضاء فوق مستوى الأرض، أو نصف مساحة هوائي ثنائي القطب، فإن الهوائي أحادي القطب فوق مستوى أرضي لا نهائي موصل تمامًا سيكون له مكسب ضعف (3  ديسيبل أكبر من) مكسب هوائي ثنائي القطب المماثل، ومقاومة إشعاع نصف تلك الخاصة بهوائي ثنائي القطب. نظرًا لأن ثنائي القطب نصف الموجة له ​​مكسب 2.19  ديسيبل ومقاومة إشعاع 73 أوم، فإن ربع الموجة ( 1/ 4 سيكون للقطب الأحادي λ ) كسب 2.19 + 3.0 = 5.2 ديسيبل ومقاومة إشعاع تبلغ حوالي 36.5 أوم. ^[13] يكون الهوائي رنانًا عند هذا الطول، لذا فإن معاوقة مدخله مقاومة بحتة. تتمتع معاوقة المدخل بمفاعلة سعوية أقل من 1/ 4 λ والمفاعلة الحثية من​​ 1/ 4 الى​​1/ 2 ⁠ λ .

لا يمكن تحقيق المكاسب المذكورة في هذا القسم إلا إذا تم تركيب الهوائي فوق مستوى أرضي لانهائي موصل تمامًا . مع مستويات أرضية اصطناعية نموذجية أصغر من عدة أطوال موجية، سيكون المكسب أقل بمقدار 1 إلى 3 ديسيبل، لأن بعض الطاقة المشعة الأفقية سوف تنحرف حول حافة المستوى إلى النصف السفلي من المساحة، حيث تتبدد في التربة. وبالمثل، على أرض أرضية مقاومة، سيكون المكسب أقل بسبب الطاقة الممتصة في الأرض.

مع زيادة الطول ليقترب من نصف الطول الموجي (1/ 2 ⁠  λ ) - الطول الرنان التالي - يزداد المكسب بعض الشيء، إلى 6.0  ديسيبل . نظرًا لأن الهوائي عند هذا الطول يحتوي على عقدة تيار عند نقطة تغذيته ، فإن معاوقة الإدخال عالية جدًا. سيكون للهوائي النحيف للغاية افتراضيًا معاوقة لا نهائية، ولكن بالنسبة للسمك المحدود للأقطاب الأحادية النموذجية، يكون حوالي 800-2000 أوم؛ مرتفع، ولكن يمكن التحكم فيه عن طريق التغذية من خلال محول رفع كبير.

يستمر المكسب الأفقي في الزيادة حتى يصل إلى حد أقصى يبلغ حوالي 6.6  ديسيبل عند طول خمسة أثمان الطول الموجي 5/ 8 ⁠ λ لذا فإن هذا الطول شائع الاستخدام لهوائيات الموجات الأرضية وهوائيات الاتصالات الأرضية، للترددات حيث يكون حجم الهوائي الأكبر ممكنًا. تنخفض معاوقة الإدخال إلى حوالي 40 أوم عند هذا الطول. تكون مفاعلة الهوائي سعوية من ⁠ 1/ 2 الى​​3/ 4 λ . ومع ذلك ، أعلاه 5/ 8 ⁠ λ ينخفض ​​المكسب الأفقي بسرعة لأنه يتم إشعاع المزيد من الطاقة بشكل تدريجي عند زوايا ارتفاع عالية في الفص الثاني.

بالنسبة للهوائيات أحادية القطب العاملة بترددات أقل، أقل من 20 ميجا هرتز، تكون الأرض عادةً هي المستوى الأرضي؛ في هذه الحالة يكون الهوائي عبارة عن صاري رأسي مثبت على الأرض على عازل لعزله كهربائيًا عن الأرض. يتم توصيل أحد جانبي خط التغذية بالصاري والجانب الآخر بالأرض عند قاعدة الهوائي. في هوائيات الإرسال لتقليل مقاومة الأرض، غالبًا ما تكون هذه شبكة شعاعية من الأسلاك المدفونة الممتدة للخارج من محطة بالقرب من قاعدة الهوائي. يستخدم هذا التصميم لهوائيات إرسال مشع الصاري المستخدمة في البث الإذاعي في نطاقي MF و LF . عند الترددات المنخفضة يكون صاري الهوائي قصيرًا كهربائيًا مما يمنحه مقاومة إشعاعية صغيرة جدًا ، لذلك لزيادة الكفاءة والطاقة المشعة، يتم استخدام أحاديات القطب المحملة بالسعة العلوية مثل هوائي T وهوائي المظلة .

عند ترددات VHF و UHF ، يكون حجم المستوى الأرضي المطلوب أصغر، لذلك تُستخدم المستويات الأرضية الاصطناعية للسماح بتركيب الهوائي فوق الأرض. ^[14] يتكون النوع الشائع من الهوائي أحادي القطب عند هذه الترددات للتركيب على الصواري أو الهياكل من هوائي سوطي ربع موجة مع مستوى أرضي يتكون من 3 أو 4 أسلاك أو قضبان بطول ربع موجة تشع أفقيًا أو قطريًا من قاعدتها متصلة بالجانب الأرضي لخط التغذية؛ وهذا ما يسمى هوائي المستوى الأرضي . عند ترددات جيجاهيرتز، يشكل السطح المعدني لسقف السيارة أو جسم الطائرة مستوى أرضيًا جيدًا، لذلك تتكون هوائيات الهاتف المحمول في السيارة من سوط قصير مثبت على السطح، ^[14] وغالبًا ما تتكون هوائيات اتصالات الطائرات من موصل قصير في غطاء ديناميكي هوائي بارز من جسم الطائرة؛ وهذا ما يسمى هوائي الشفرة . ^[13]

الهوائيات ذات الموجة الربعية والهوائيات ذات البط المطاطي المستخدمة مع أجهزة الراديو المحمولة مثل أجهزة اللاسلكي وأجهزة الراديو FM المحمولة هي أيضًا هوائيات أحادية القطب. في هذه الأجهزة المحمولة، لا يحتوي الهوائي على مستوى أرضي فعال، حيث يتم توصيل الجانب الأرضي من جهاز الإرسال فقط بوصلة الأرض على لوحة الدائرة الخاصة به . نظرًا لأن أرضية لوحة الدائرة غالبًا ما تكون أصغر من الهوائي، فقد تعمل مجموعة الهوائي والأرض كهوائي ثنائي القطب غير متماثل أكثر من كونه أحادي القطب. قد تعمل يد وجسم الشخص الذي يحملهما كمستوى أرضي بدائي.

تستخدم الأجهزة اللاسلكية والهواتف المحمولة نوعًا أحادي القطب يسمى هوائي F المقلوب . ^[15] ينحني عنصر أحادي القطب بشكل موازٍ لمنطقة الأرض على لوحة الدائرة ، لذلك يمكن وضعه في علبة الجهاز؛ وعادةً ما يكون الهوائي مصنوعًا من رقائق نحاسية على لوحة الدائرة المطبوعة نفسها. ^{[15] [16]} من شأن هذا الشكل الهندسي أن يمنح الهوائي معاوقة منخفضة للغاية إذا تم تشغيله عند القاعدة. لتحسين تطابق المعاوقة مع دائرة التغذية (عادةً معاوقة 50  أوم )، يتم تغذية الهوائي بشكل تحويلي ، ويتم توصيل خط التغذية بدلاً من ذلك بنقطة وسيطة على طول العنصر، ويتم توصيل نهاية العنصر بالأرض.

• "إشعاع أحادي القطب بطول ربع الموجة".