الهوائيات

ما هو الهوائي

 

  ببساطة الهوائي هوا الجهاز الذي يبث آو يستقبل الموجات الراديوية .

ويقال آن  الهوائي الجيد يظهر جودة  كل ما قبله من أجهزة ومقدرات  يمتلكها الهاوي.

 

تعتبر الهوائيات من أكثر الأشياء التي يخوض فيها الهاوي نظريا وعمليا وذلك

 لوجود عدة  خيارات للتجربة والتطوير يمكن الاستمتاع بدراستها وتطبيقها .

 

  تذكر آن هوائي واحد بسيط لا يسمح بتغطية كامل نطاقات الهواة وذلك نسبة لوجود عدة نطاقات  في أماكن مختلفة من مدى الطيف الترددي .

ST2NH

بعض أنواع الهوائيات

·       الهوائي الراسي                Vertical antenna  

·       هوائيات الحزمة من نوع ياغي               Yagi

·       هوائي السلك الطويل      long wire antenna 

·       هوائي نصف الموجة الدايبول             Dipole 

·       الهوائي المربع                                 Quad

ST2NH

Radiation angle

  زاوية الانتشار للهوائي

تنتشر الموجات الراديوية من الهوائي في كل الاتجاهات .و لتأثير الأرض تحت الهوائي تسلك الموجات اتجاه بزاوية معينة نحو الفضاء , هذه الزاوية تدعى زاوية الانتشار للهوائي,هناك عدة عوامل تؤثر على تلك الزاوية منها ارتفاع الهوائي , نوع الهوائي, نوعية وخصائص الأرض للتوصيل الكهربائي .وعموما كلما كان الهوائي مرتفع كلما انخفضت زاوية الانتشار له  , وتعتبر الزاوية المنخفضة ميزة جيدة لانتشار الموجات للمسافات البعيدة .ولتوضيح ذلك انظر للرسم التالي .

الشكل الأول:  زاوية الانتشار  كبيرة ولذلك الموجة الراحلة والمرتدة لا ترحلان لمسافة بعيدة.

ST2NH

الشكل الثاني: زاوية الانتشار منخفضة ولذلك الموجة الراحلة والمرتدة ترحلان لمسافات بعيدة

ST2NH

  الجزء الرابع من كتاب هواية الاتصالات للدكتور نادر عبد الحميد على عمر  ST2NH

الشكل الثالث : زاوية الانتشار للهوائي القائم منخفضة  

ST2NH

يلاحظ أن الهوائي المنخفض في الشكل الأول له زاوية انتشار كبيرة ولذلك الموجة الراحلة منه تنعكس مرتدة لمسافة قليلة مقارنة مع نفس الهوائي إذا ذاد ارتفاعه كما في الشكل الثاني حيث الزاوية منخفضة وبالتالي ترحل الموجة لمسافة أطول عند ارتدادها.

في الشكل الثالث يلاحظ آن الهوائي الراسي (Vertical Antenna)   له زاوية انتشار منخفضة.

ممانعة الهوائي

لا أحب أن أخوض في المعادلات الهندسية المرعبة . فقط أحب أن اذكر حقائق قد يسهل للهاوي فهمها بأجراء القليل من الاختبارات بما يتوفر عند كل هاوي من أجهزة.

لكي يشع الهوائي الطاقة الواصلة  له من  الجهاز المرسل , يفترض  وجود مقاومة للهوائي تعادل مقاومة الخرج للجهاز المرسل .  تسمى مقاومة الهوائي هذه  بمقاومة البث Radiation Resistance

حسنا ولمزيد من التبسيط تذكر آلاتي:

تصمم اغلب إذا لم يكن كل أجهزة الإرسال للهواة على مقاومة إخراج تساوى 50 اوم . وبالتالي يلزم من الهوائي المستخدم آن يكون له مقاومة بث تساوى 50 اوم.

وكذلك يلزم أن يكون السلك الرابط ما بينهم ذو مقاومة تساوى أل 50 اوم .

هذه المقاومات للهوائي وسلك التغذية تعرف بمقاومة الإعاقة وتقاس بالاوم للتيار المتذبذب فقط وتختلف عن المقاومة للتيار المستمر آلتي يسهل قياسها بجهاز الفولتميتر . 

سيكون ألان أمامنا ثلاث مقاومات يجب علينا أن نتأكد من  آن جميعها متساوية :

 

الأولى  مقاومة الخرج للجهاز وتلك تتحصل عليها من الدليل المرفق مع الجهاز وعموما كما أشرت سابقا إن كل الأجهزة الحديثة تعمل على إخراج 50 اوم.

 

سلك التغذية المعروف اختصارا باسم COAX))  يتوفر بعدة مقاومات فيسهل اختياره حسب الاومية والطاقة التي سيعمل عليها.

 

يتبقى لنا مقاومة الهوائي وكيفية قياسها.

مقاومة الهوائي مقاومة متغيرة وتعتمد على عدة أشياء, يجب العمل بها جميعا لأفضل النتائج.

 

·       نوع الهوائي.

·       تردد عمل الهوائي.

·       ارتفاع الهوائي عن الأرض.

·       الأشياء والأجسام المحيطة بالهوائي.

 

آن قياس المقاومة للهوائي بطريقة مباشرة  تحتاج لأجهزة قد لا تتوفر بسهولة لكل هاوي.

ولكن يمكن قياسها بطرق غير مباشرة.

ولنأخذ مثال عملي لتصميم  هوائي ومن ثم العمل عليه بأجراء الاختبار لمعرفة مقاومته بطريقة غير مباشرة ولكنها عملية وسهلة وشيقة جدا  .

  الجزء الرابع من كتاب هواية الاتصالات للدكتور نادر عبد الحميد على عمر  ST2NH

ST2NH

مثال عملي لتصميم  هوائي

·       نوع الهوائي:-

 سأختار هنا الدايبول نسبة لسهولة بنائه وتنصيبه وسهولة حساب أطواله. 

 

·       نطاق التردد للهوائي:-

سأختار التردد 14.200 ميغاهرتز

 

·       حساب طول الهوائي :-

 

ربع طول الموجة بالقدم  =234÷التردد(ميغاهرتز)

 

ربع نصف الدايبول بالقدم = 234÷التردد(ميغاهرتز)

                                           =234÷14.200

                             =16.5 قدم

آذن الطول الكامل للدايبول =16.5+16.5

                                  =33 قدم

 

ST2NH

·       بناء الدايبول:-

سأختار سلك نحاسي مجدول ذو طول حولي  34 قدم واقسمه لنصفين, لاحظ  أضفت قدم أو أكثر وذلك لسببين , الأول لوجود جزء من السلك  لربطه وتثبيته , والسبب الثاني للمعايرة كما سنرى لاحقا .

 

·       طريقة ربط الهوائي:-

يربط السلكيين على قطعة من الخزف بها ثقبين لا يزيد طولها عن 5 سم ثم أوصلها بسلك التغذية كما موضح بالشكل التالي. 

  الجزء الرابع من كتاب هواية الاتصالات للدكتور نادر عبد الحميد على عمر  ST2NH

ST2NH

تنصيب الهوائي:-

اربط الهوائي بين صاريتين ارتفاعهما لا يقل عن 5 متر كما في الشكل التالي .

ST2NH

لاحظ ارتفاع الدايبول يساوى 5 متر.وذلك  يساوى ربع طول الموجة لل 20 متر.

اختيار هذا الارتفاع مهم جدا حيث يؤثر ذلك على مقاومة الهوائي. وكذلك يؤثر على زاوية الانتشار كما سبق ذكره.وكقاعدة عامة كلما كان الهوائي مرتفع كلما تحسن أدائه.

 

أبعد أي جسم من حول الهوائي خصوصا الأجسام المعدنية حيث أنها تمتص الطاقة من الهوائي وتجعله يعمل في اتجاه معين فقط .كما وجودها حول الهوائي يعوق استقبال للإشارات اللاسلكية.

 

وقبل الشروع في محاولة قياس المقاومة للهوائي الذي بنيناه أحب أن أوضح الشي القليل عن الأجهزة التي سنستعملها .لا تنزعج قد لا تحتاج لآي جهاز إضافي إذا كان المرسل به ما يسمى أل SWR METER  فاهوا آل SWR METER وماذا يقيس؟ وكيف نستعمله ؟

 للرد على الأسئلة السابقة يجب علينا أولا فهم ما هي الطاقة المرتدة.

ST2NH

ما هي الأمواج المرتدة   وال     SWR

إذا لم تتوفر في السلسلة المكونة من الجهاز المرسل, سلك التغذية و الهوائي, المعاوقة الاومية الموحدة كما ذكرنا سابقا, فان جزءا من الطاقة آلتي يجب آن تنفذ من الهوائي للفضاء سترتد للجهاز مسببة بما يعرف بالأمواج المرتدة. vswr.

 

 فإذا أمكن لنا آن نقيس مقدار هذه الطاقة المرتدة يمكننا معرفة  درجة عدم توافق مقاومة الهوائي مما يستدعى معايرته بتغير أطوال مكوناته آو بتغير ارتفاعه.

 

 فمقياس أل SWR    عبارة عن عداد  نقيس  به الفولتية أو القدرة المرتدة . جهاز بسيط التكلفة واغلب الأجهزة الحديثة تحتوى على واحد .  فكر باقتناء واحد أو بناء واحد .

ST2NH

المعايرة للهوائي بالقطع والوصل

ST2NH

 

نوصل الأجهزة كما موضح في الشكل إعلاءه ونضع  المرسل على التردد 14.200 مجاهيرتز, وكذاك نضع المرسل على اقل قدرة له للإرسال في حدود 5 او 10 وات.

 

نبداء أولا بمعايرة جهاز SWR  بوضعه في حالة القدرة او الفولتية الخارجة ثم نرسل بأقل قدرة إرسال ويحبذ آن يكون الإرسال على فترات زمنية قصيرة . ثم

وبواسطة مفتاح المعايرة نعاير جهاز ال SWR   أثناء الإرسال.

 

بعد المعايرة نضع جهاز ال SWR   في حالة القدرة او الفولتية الراجعة ونبدأ

نرسل حتى نقرأ مقدار الفولتية المرتدة .في تدريج مقسم من 1 الى 5 ثم الى علامة

اللانهاية.

 

إذا كانت القراءة للمؤشر عند الرقم 1 دل هذا على اتزان المجموعة بأكملها ,وبالتالي    لا  توجد هناك أي قدرة مرتدة من الهوائي للجهاز, و ضمنيا نعتبر آن مقاومة  الهوائي تساوى 50  اوم.

 

 

وكقاعدة إذا اتزن الهوائي في تردد أعلى من المطلوب يكون الهوائي قصير ويحتاج لزيادة في طوله. إما إذا اتزن في تردد اقل من المطلوب فيكون طويلا ويجب التقصير من طوله.

 

 

الدايبول المقصوص لنطاق معين لا يمكن العمل به آلا على هذا النطاق. ففي مثالنا السابق كان الدايبول مقصوص على التردد 14.200 ميجاهيرتز واخترنا هذا التردد بالذات لأنه يقع في وسط النطاق الممتد من 14.00 حتى 14.350 , وليس هذا معناه ان الدايبول لن يعمل في كل هذا النطاق , بل يعمل و لكن قد تزيد مقدار القدرة المرتدة عند تغير التردد . هذا الارتفاع لا يحتاج إطلاقا لأي معايرة إضافية للهوائي.

ويمكن العمل بهذا الهوائي بقراءة تصل حتى  1:1.5 بدون أي انزعاج. أما إذا زادت القراءة عن 1.5 فيجب عليك القيام بقص آو وصل جزء من الأسلاك للهوائي الدايبول عند طرفية حتى تحصل على النتيجة المطلوبة  وهى 1:1.

تحذير: لا تستعمل المرسل أبدا , إذا ارتفعت القراءة لأكثر من 2:1

 

 ولكن الحال سيختلف اختلاف كثيرا إذا حاولت العمل  به على نطاق آخر فما هو الحل إذا كنت تحب العمل على اكثر من نطاق بهوائي واحد ؟. الحل هو استخدام ما يسمى بمحول توفيق الممانعة .فما هوا محول توفيق الممانعة؟.

ST2NH

محول توفيق الممانعة

(ATU)

ANTENNA TUNING UNIT

 

 ذكرت  أن مقاومة الهوائي تتغير بتغير التردد العامل عليه المرسل,  مما يسبب ذلك في خلق قدرة مرتدة من الهوائي إلى المرسل. وقد تسبب هذه القدرة المرتدة الكثير من المشاكل مثل تدمير مرحلة دائرة مكبر الاستطاعة الالكترونية  في المرسل.  ولتفادى ذلك نقوم بوضع محول توفيقي كما موضح بالشكل أعلاه.

وظيفة هذا المحول  توفير مقاومة ثابتة يراها المرسل, مهما تغيرت المقاومة للهوائي بتغير التردد,.وبذلك نحمى الجهاز المرسل من العطب .

آما في الناحية الأخرى حيث الهوائي فانه سيشع  الموجات الراديوية على كل حال مع الكثير من الموجات التوافقية, آلتي قد تسبب تداخلات لاسلكية! مع نسبة  ضياع  للقدرة قد تكون كبيرة!

على كل حال ما كسبناه هوا العمل على عدة نطاقات بهوائي واحد !

 

تتوفر بعض الأجهزة مدمج معها محول توفيقي يقوم آليا بالعمل إذا تغير التردد مما يوفر الحماية للجهاز.

 

ST2NH

هوائيات الحزمة الموجه

 Directional beam antenna

آن الهوائي الذي يشع في جميع الاتجاهات يبدو لنا كالمصباح الكهربائي الموضوع في مكان مفتوح ,لكن إذا وضع عاكس لهذا المصباح فانه سيعكس جميع  الضوء المنبعث منه في  اتجاه معين .

الإشعاعات الراديوية الصادرة من الهوائي يمكن أيضا تركيزها في اتجاه معين بواسطة إضافة عناصر أخري للهوائي تسمى العناصر الطفيلية .هناك أنواع مختلفة من هوائيات الحزمة , ومن أشهرها والذي يستخدم بكثرة من الهواة  , هوائي ياغي (YAGI)   .

يتوفر ياغي تجاريا لنطاق واحد أو عدة نطاقات من أكثرها  شيوعا  14 , 21 و 28MHz  . ويتكون من ثلاثة عناصر بأطوال مختلفة,  كما موضح في الشكل التالي.

المسافة بين العاكس والمشع حوالي 0.15   من طول الموجة, إما المسافة بين الموجه والمشع حوالي 0.1    من طول الموجة

بالإضافة لتركيز الموجات الراديوية عند البث كذلك يتميز هوائي الحزمة بالانتقاء عند الاستقبال , حيث يعمل باستقبال الإشارة بوضوح وانتقائية أكثر في اتجاه معين  مما يساعد  ذلك على العمل في  النطاقات المزدحمة التي يكثر بها الضجيج QRM.

 

.يبني الكثير من الهواة ياغي بأنفسهم .HOME-BREW ANTENNA.

 و يزيد استخدامه في النطاقات العالية التردد وذلك نسبة لصغر  حجمه هنا وقلة تكلفت  بناءه.

يحتاج الهوائي الموجه لمحرك كهربائي يربط على الصاري الرافع له حتى يتم تحريكه على كل الاتجاهات المختلفة . ANTENNA ROTATOR

ST2NH

  الجزء الرابع من كتاب هواية الاتصالات للدكتور نادر عبد الحميد على عمر  ST2NH

BACK TO ST2NH  e-HOME PAGE