هوائي حلزوني

الهوائي الحلزوني هو هوائي يتكون من سلك موصل واحد أو أكثر ملفوفة على شكل حلزون . يُطلق على الهوائي الحلزوني المصنوع من سلك حلزوني واحد، وهو النوع الأكثر شيوعًا، اسم الهوائي أحادي السلك ، بينما تُسمى الهوائيات التي تحتوي على سلكين أو أربعة أسلاك في حلزون بالهوائي ثنائي السلك أو رباعي السلك ، على التوالي.

في معظم الحالات، تُركّب الهوائيات الحلزونية الاتجاهية فوق سطح أرضي ، بينما قد لا تُركّب الهوائيات متعددة الاتجاهات كذلك. يُوصل خط التغذية بين قاعدة الحلزون والسطح الأرضي. يمكن للهوائيات الحلزونية العمل في أحد نمطين رئيسيين: النمط العادي أو النمط المحوري.

في الوضع العادي أو الهوائي الحلزوني ذي الاتجاه العريض ، يكون قطر الهوائي وخطوته صغيرين مقارنةً بالطول الموجي . يعمل الهوائي بشكل مشابه لهوائي ثنائي القطب أو أحادي القطب قصير كهربائيًا ، أي ما يعادل هوائيًا رأسيًا بطول ربع موجة ، ويكون نمط الإشعاع ، كما هو الحال في هذه الهوائيات، شامل الاتجاهات ، مع أقصى إشعاع بزاوية قائمة على محور الحلزون. في التصاميم أحادية السلك، يكون الإشعاع مستقطبًا خطيًا موازيًا لمحور الحلزون. تُستخدم هذه الهوائيات في الهوائيات المدمجة لأجهزة الراديو ثنائية الاتجاه المحمولة باليد والمثبتة على المركبات ، وفي نطاق أوسع لهوائيات بث التلفزيون UHF. في التطبيقات ثنائية أو رباعية الأسلاك، يمكن تحقيق إشعاع مستقطب دائريًا باتجاه عريض.

في الوضع المحوري أو الهوائي الحلزوني ذي الإشعاع الطرفي ، يكون قطر الحلزون وخطوة لولبه مقاربين لطول الموجة. يعمل هذا الهوائي كهوائي اتجاهي ، حيث يشع شعاعًا من طرفي الحلزون على طول محوره. ويشع موجات راديوية مستقطبة دائريًا ، تُستخدم في الاتصالات عبر الأقمار الصناعية. وقد اكتشف الفيزيائي جون د. كراوس ^{[ 1 ] تشغيل الوضع المحوري.}

الوضع الطبيعي الحلزوني

إذا كان محيط اللولب أقل بكثير من طول الموجة، وكانت خطوة اللولب (المسافة المحورية بين اللفات المتتالية) أقل بكثير من ربع طول الموجة، يُطلق على الهوائي اسم هوائي لولبي عادي . يعمل هذا الهوائي بشكل مشابه لهوائي أحادي القطب ، بنمط إشعاع شامل الاتجاهات ، حيث يشع طاقة متساوية في جميع الاتجاهات العمودية على محور الهوائي. مع ذلك، وبسبب الحث الناتج عن الشكل الحلزوني، يعمل الهوائي كهوائي أحادي القطب مُحمّل حثيًا ؛ فعند تردد رنينه ، يكون طوله أقل من ربع طول الموجة. لذلك، يمكن استخدام الهوائيات اللولبية العادية كهوائيات أحادية القطب قصيرة كهربائيًا ، كبديل لهوائيات السوط المُحمّلة من المركز أو القاعدة ، في التطبيقات التي يكون فيها الهوائي أحادي القطب كامل الحجم (ربع طول الموجة) كبيرًا جدًا. وكما هو الحال مع الهوائيات القصيرة كهربائيًا الأخرى، سيكون كسب الهوائي اللولبي، وبالتالي مدى الاتصال، أقل من كسب الهوائي كامل الحجم. حجمها الصغير يجعل الهوائيات الحلزونية مفيدة كهوائيات لأجهزة الاتصالات المتنقلة والمحمولة على نطاقات HF وVHF وUHF.

يُتيح التحميل الذي يوفره التصميم الحلزوني للهوائي أن يكون أقصر فعليًا من طوله الكهربائي الذي يبلغ ربع طول الموجة. هذا يعني، على سبيل المثال، أن هوائيًا بطول ربع موجة عند تردد 27 ميجاهرتز يبلغ طوله 2.7 متر (110 بوصات؛ 8.9 أقدام)، وهو غير مناسب عمليًا للتطبيقات المتنقلة. يوفر الحجم المصغر للهوائي الحلزوني نفس نمط الإشعاع بحجم أصغر بكثير مع انخفاض طفيف فقط في أداء الإشارة.

يؤدي استخدام موصل حلزوني بدلاً من موصل مستقيم إلى تغيير معاوقة المطابقة من 50 أوم الاسمية إلى ما بين 25 و35 أوم كمعاوقة أساسية. ولا يبدو أن هذا يؤثر سلبًا على التشغيل أو المطابقة مع خط نقل عادي ذي معاوقة 50 أوم ، شريطة أن يكون تيار التغذية المتصل مكافئًا كهربائيًا لنصف طول موجة عند تردد التشغيل.

حلزونات التردد العالي المتنقلة

مثال آخر على هذا النوع من الهوائيات، المستخدم في الاتصالات المتنقلة، هو الهوائي ذو اللفات الثابتة المتباعدة ، حيث تُلف لفة خطية واحدة أو أكثر على قالب واحد، وتُباعد بينها لتحقيق توازن فعال بين السعة والحث لعنصر الإشعاع عند تردد رنين محدد. وقد استُخدمت العديد من الأمثلة من هذا النوع على نطاق واسع في أجهزة راديو CB بتردد 27 ميجاهرتز ، مع مجموعة متنوعة من التصاميم التي نشأت في الولايات المتحدة وأستراليا في أواخر الستينيات. وحتى الآن، تم إنتاج ملايين من هذه "الهوائيات الحلزونية" بكميات كبيرة، لاستخدامها بشكل أساسي في المركبات، وبلغ إنتاجها ذروته خلال فترة ازدهار راديو CB في الفترة من السبعينيات إلى أواخر الثمانينيات، واستُخدمت في جميع أنحاء العالم.

أصبحت الهوائيات متعددة الترددات المزودة بمنافذ توصيل يدوية هي الخيار الأمثل لاتصالات النطاق العالي متعددة النطاقات بتقنية تعديل النطاق الجانبي الأحادي (SSB)، حيث تغطي نطاق الترددات الكامل من 1 ميجاهرتز إلى 30 ميجاهرتز، مع ما بين 2 إلى 6 نقاط توصيل ترددية مخصصة ومضبوطة على ترددات محددة في نطاقات الاتصالات المتنقلة البرية والبحرية والجوية. وقد حلت محل هذه الهوائيات مؤخرًا أجهزة مطابقة الهوائيات المضبوطة إلكترونيًا. كانت معظم هذه الهوائيات تُلف بسلك نحاسي باستخدام قضيب من الألياف الزجاجية كقالب. ثم يُغطى المشع، الذي يكون عادةً مرنًا أو صلبًا، بأنبوب قابل للانكماش الحراري من مادة PVC أو البولي أوليفين، مما يوفر غطاءً متينًا ومقاومًا للماء للهوائي المتنقل النهائي. بعد ذلك، كان يتم لصق قضيب الألياف الزجاجية أو تثبيته بوصلة نحاسية، ثم يُثبت ببرغي على قاعدة معزولة مثبتة على سقف السيارة أو واقيها أو دعامة المحرك. يوفر هذا التثبيت سطحًا أرضيًا أو عاكسًا (توفره السيارة) لنمط إشعاع رأسي فعال.

لا تزال هذه التصاميم الشائعة مستخدمة على نطاق واسع حتى عام 2018وقد تم اعتماد تصميم الدوران المستمر، الذي نشأ في أستراليا، على نطاق واسع كهوائيات استقبال FM قياسية للعديد من المركبات المصنعة، بالإضافة إلى النمط الأساسي الحالي للهوائيات الحلزونية المحمولة HF وVHF المتوفرة في السوق. ومن الاستخدامات الشائعة الأخرى للهوائيات الحلزونية ذات الاتجاه العريض ما يُعرف بهوائي " البطة المطاطية" الموجود في معظم أجهزة الراديو المحمولة VHF وUHF، حيث يستخدم موصلًا فولاذيًا أو نحاسيًا كعنصر مشع، وعادةً ما يتم توصيله بموصل من نوع BNC/TNC أو موصل لولبي لسهولة الفك والتركيب.

هوائيات البث الحلزونية

تُستخدم هوائيات حلزونية متخصصة ذات نمط عادي (انظر الصورة) كهوائيات إرسال لمحطات البث التلفزيوني على نطاقي VHF وUHF. ^{[ 2 ]}^{: 342} تتكون هذه الهوائيات من موصل حلزوني ملفوف حول عمود فولاذي أنبوبي، مثبت على عوازل فاصلة. يتألف العنصر من حلزونين متساويين في الطول، أحدهما أيمن والآخر أيسر، متصلين في المنتصف. ^{[ 2 ]}^{: 362} يعمل القضيب وسطح العمود أسفله كخط نقل مُسرِّب ، يشع موجات راديوية عمودية على العمود. يُغذى الهوائي من الأسفل، وعلى عكس الهوائيات الحلزونية الأخرى ذات النمط العادي، يعمل كهوائي موجة متحركة ، حيث يتناقص سعة التيار كلما ارتفعنا في العمود مع إشعاع الطاقة. في الأعلى، ينخفض التيار بمقدار 40 ديسيبل، لذا يكون الانعكاس ضئيلاً. للإشعاع عموديًا، يجب أن يكون طول كل لفة من مضاعفات الطول الموجي ، وفي معظم الهوائيات ضعف الطول الموجي. يبلغ عرض نطاق الهوائي 6-7% فقط، لذا لجعله قابلاً للتعديل على ترددات مختلفة، يُقسّم العنصر إلى عدة "أجزاء" رأسية، مع وجود "حلقة" لضبط الطور بين كل جزء، للحفاظ على ثبات الطور على طول البرج.

حلزوني في الوضع المحوري

عندما يقترب محيط اللولب من طول موجة التشغيل، يعمل الهوائي في الوضع المحوري . هذا وضع موجة متحركة غير رنانة ، حيث تنتقل موجات التيار والجهد في اتجاه واحد، صعودًا من نقطة التغذية في هوائي الإرسال، ونزولًا باتجاه نقطة التغذية في هوائي الاستقبال. وبدلًا من إشعاع موجات مستقطبة خطيًا عمودية على محور الهوائي، فإنه يشع حزمة من الموجات الراديوية ذات استقطاب دائري على طول المحور، من طرفي الهوائي. تقع الفصوص الرئيسية لنمط الإشعاع على طول محور اللولب، من كلا الطرفين. ولأن المطلوب في الهوائي الاتجاهي هو الإشعاع في اتجاه واحد فقط، يُنهى الطرف الآخر للولب بصفيحة معدنية مسطحة أو عاكس شبكي لعكس الموجات إلى الأمام.

في مجال الإرسال اللاسلكي ، يُستخدم الاستقطاب الدائري غالبًا عندما يتعذر التحكم بسهولة في التوجيه النسبي لهوائيات الإرسال والاستقبال، كما هو الحال في تتبع الحيوانات والاتصالات الفضائية ، أو عندما يكون استقطاب الإشارة قابلًا للتغيير، لذا تُستخدم الهوائيات الحلزونية ذات الإطلاق النهائي بكثرة في هذه التطبيقات. ونظرًا لصعوبة بناء الهوائيات الحلزونية الكبيرة وصعوبة توجيهها وضبطها، فإن هذا التصميم يُستخدم عادةً فقط عند الترددات العالية، بدءًا من الترددات العالية جدًا (VHF) وصولًا إلى ترددات الميكروويف .

يمكن أن يلتف حلزون الهوائي في اتجاهين محتملين: يمينًا أو يسارًا، ويأخذ الأول شكلًا مشابهًا للمفتاح اللولبي الشائع. يستخدم مصفوفة الحلزونات الأربعة في الرسم التوضيحي الأول حلزونات يسارية، بينما تُظهر جميع الرسوم التوضيحية الأخرى حلزونات يمينية. في الهوائي الحلزوني ذي النمط المحوري، يحدد اتجاه التواء الحلزون استقطاب الموجة المنبعثة. يُستخدم اصطلاحان غير متوافقين لوصف الموجات ذات الاستقطاب الدائري ، لذا غالبًا ما تُوصف العلاقة بين اتجاه التواء (يسارًا أو يمينًا) للهوائي الحلزوني ونوع الإشعاع المستقطب دائريًا الذي يُصدره بطرق تبدو غامضة. مع ذلك، يذكر جيه دي كراوس (مخترع الهوائي الحلزوني) أن "الحلزون اليساري يستجيب للاستقطاب الدائري اليساري، والحلزون اليميني يستجيب للاستقطاب الدائري اليميني (تعريف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات)". ^[³^] يُعرّف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) مفهوم الاستقطاب على النحو التالي:

"يُطلق على إحساس الاستقطاب، أو اليد ... اسم اليد اليمنى (اليد اليسرى) إذا كان اتجاه الدوران في اتجاه عقارب الساعة (عكس اتجاه عقارب الساعة) بالنسبة للمراقب الذي ينظر في اتجاه الانتشار" ^{[ 4 ]}

وهكذا فإن اللولب الأيمن يشع موجة يمينية، ويكون متجه المجال الكهربائي يدور في اتجاه عقارب الساعة عند النظر في اتجاه الانتشار.

يمكن للهوائيات الحلزونية استقبال الإشارات بأي نوع من الاستقطاب الخطي ، مثل الاستقطاب الأفقي أو الرأسي، ولكن عند استقبال الإشارات المستقطبة دائريًا ، يجب أن يكون اتجاه هوائي الاستقبال هو نفسه اتجاه هوائي الإرسال؛ تعاني الهوائيات المستقطبة يسارًا من فقدان شديد في الكسب عند استقبال الإشارات المستقطبة دائريًا يمينًا، والعكس صحيح.

تُحدد أبعاد اللولب بطول الموجة ( $λ$ ) للموجات الراديوية المستخدمة، والذي يعتمد بدوره على التردد . وللعمل في الوضع المحوري، يجب أن يكون محيط اللولب مساويًا لطول الموجة. ^{[ 5 ]} يجب أن تكون زاوية الميل 13 درجة، أي مسافة ميل (المسافة بين كل لفة) تساوي 0.23 من $المحيط$ ، مما يعني أن المسافة بين الملفات يجب أن تكون ربع طول الموجة تقريبًا ( λ / 4 ) . يحدد عدد لفات اللولب مدى توجيه الهوائي: فزيادة عدد اللفات تُحسّن الكسب في اتجاه محوره عند كلا الطرفين (أو عند طرف واحد عند استخدام لوحة أرضية)، على حساب الكسب في الاتجاهات الأخرى. عندما يكون $C$ $<$ $λ،$ يعمل الهوائي في الوضع العادي حيث يكون اتجاه الكسب على شكل حلقة دائرية إلى الجانبين بدلًا من الأطراف.

تتراوح معاوقة الطرف في الوضع المحوري بين 100 و200 أوم تقريبًا ^{[ 6 ]}^{: 292}

Z\simeq 140\left({\frac {C}{\lambda }}\right)

حيث $C$ هو محيط اللولب، و $λ$ هو الطول الموجي. غالبًا ما تتم مطابقة المعاوقة (عندما $C = λ$ ) مع كابل محوري قياسي 50 أو 75 أوم بواسطة قسم خط شريطي ربع موجة يعمل كمحول معاوقة بين اللولب واللوحة الأرضية.

يبلغ الحد الأقصى لكسب التوجيه تقريبًا: ^{[ 7 ]}

{\text{Gain}}\simeq 15\left({\frac {C}{\lambda }}\right)^{2}\left({\frac {NS}{\lambda }}\right)

حيث $N$ هو عدد اللفات وS هي المسافة بين اللفات. تستخدم معظم التصاميم $C = λ$ و $S = 0.23 C$ ، لذا فإن الكسب عادةً ما يكون $G = 3.45 N.$ ويُقاس الكسب بالديسيبل . $G_{\text{dBi}}=10\log _{10}\left(3.45N\right)~.$

عرض الحزمة عند نصف الطاقة هو: ^{[ 7 ]}

{\text{HPBW}}\simeq {\frac {52}{{\frac {C}{\lambda }}{\sqrt {\frac {NS}{\lambda }}}}}\ {\text{degrees}}

عرض الحزمة بين النقاط الصفرية هو:

{\text{FNBW}}\simeq {\frac {115}{C}}{\sqrt {\frac {\lambda ^{3}}{NS}}}\ {\text{degrees}}

يعتمد كسب الهوائي الحلزوني بشكل كبير على العاكس. ^{[ 8 ]} تفترض الصيغ الكلاسيكية المذكورة أعلاه أن العاكس على شكل رنان دائري (صفيحة دائرية ذات حافة) وأن زاوية الميل مثالية لهذا النوع من العواكس. ومع ذلك، تبالغ هذه الصيغ في تقدير الكسب بعدة ديسيبل . ^{[ 9 ]} تتراوح زاوية الميل المثلى التي تزيد الكسب إلى أقصى حد لسطح أرضي مستوٍ بين 3 و10 درجات، وتعتمد على نصف قطر السلك وطول الهوائي. ^{[ 9 ]}

انظر أيضاً

تيلستار

مراجع

↑ كراوس، جيه دي (مارس 1949). "الهوائي الحلزوني". وقائع معهد مهندسي الراديو . 37 (3): 263-272 . doi : 10.1109/JRPROC.1949.231279 .
1 2 دليل الهندسة الصادر عن الرابطة الوطنية للمذيعين، الطبعة السادسة (ملف PDF) . واشنطن العاصمة: الرابطة الوطنية للمذيعين. 1975.
^ كراوس، دينار (1988). هوائيات ( الطبعة الثانية). ماكجرو هيل.
↑ إجراءات اختبار معيارية للهوائيات (تقرير) ( طبعة مُعاد تأكيدها) من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. مجلس معايير IEEE-SA / المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (نُشر في 10 ديسمبر 2008). 9 أكتوبر 2003 [15 ديسمبر 1977]. § 11.1، ص 61. doi : 10.1109/IEEESTD.1979.120310 . ISBN 0-471-08032-2. IEEE Std 149-1979 (R2008).
↑ "مكسب الحلزون" .
↑ كراوس، جون د.؛ ماريفكا، رونالد ج. (2003). الهوائيات: لجميع التطبيقات، الطبعة الثالثة . شركة ماكجرو هيل. ISBN 0-07-123201-X.
1 2 توماسي، واين (2004). أنظمة الاتصالات الإلكترونية - من الأساسيات إلى المتقدمة . جورونغ، سنغافورة: بيرسون إديوكيشن جنوب شرق آسيا. ISBN 981-247-093-X.
↑ ديورديفيتش، أ. ر.؛ زاييتش، أ. ج.؛ وإيليتش، م. م. (2006). "تحسين كسب الهوائيات الحلزونية عن طريق تشكيل الموصل الأرضي". رسائل IEEE للهوائيات وانتشار الموجات اللاسلكية . 5 (1): 138-140 . رمز Bibcode : 2006IAWPL...5..138D . doi : 10.1109/LAWP.2006.873946 . S2CID 31971392 .
1 2 دجوردجيفيتش، AR؛ زاجيتش، AG. إليتش، إم إم وستوبر، جي إل (ديسمبر 2006). “تحسين الهوائيات الحلزونية”. معاملات IEEE على الهوائيات والانتشار . 48 (6): 107-115 . دوى : 10.1109/MAP.2006.323359 . S2CID 30832513 .

عام

كراوس، جيه دي ؛ ماريفكا، رونالد جيه. (2002). الهوائيات: لجميع التطبيقات ( الطبعة الثالثة). ماكجرو هيل للتعليم العالي. رمز Bibcode : 2002aaa..book.....K .
بالانيس، قسطنطين (1982). نظرية الهوائيات وتحليلها وتصميمها . جون وايلي وأولاده.
ستوتزمان، وارن؛ ثيل، غاري (1998). نظرية وتصميم الهوائيات ( الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده.

روابط خارجية

"الهوائيات الحلزونية" . نظرية الهوائيات .
سليد، بيل (2015). "أساسيات هوائيات الحلزون الرباعي" (ملف PDF) . أوربان مايكروويف . تاريخ الاسترجاع: 6 مارس 2023 .

[1] كراوس، جيه دي (مارس 1949). "الهوائي الحلزوني". وقائع معهد مهندسي الراديو . 37 (3): 263-272 . doi : 10.1109/JRPROC.1949.231279 .

[NAB1975-2] 1 2 دليل الهندسة الصادر عن الرابطة الوطنية للمذيعين، الطبعة السادسة (ملف PDF) . واشنطن العاصمة: الرابطة الوطنية للمذيعين. 1975.

[3] كراوس، دينار (1988). هوائيات ( الطبعة الثانية). ماكجرو هيل.

[4] إجراءات اختبار معيارية للهوائيات (تقرير) ( طبعة مُعاد تأكيدها) من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. مجلس معايير IEEE-SA / المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (نُشر في 10 ديسمبر 2008). 9 أكتوبر 2003 [15 ديسمبر 1977]. § 11.1، ص 61. doi : 10.1109/IEEESTD.1979.120310 . ISBN 0-471-08032-2. IEEE Std 149-1979 (R2008).

[5] "مكسب الحلزون" .

[:John_d.-6] كراوس، جون د.؛ ماريفكا، رونالد ج. (2003). الهوائيات: لجميع التطبيقات، الطبعة الثالثة . شركة ماكجرو هيل. ISBN 0-07-123201-X.

[:0-7] 1 2 توماسي، واين (2004). أنظمة الاتصالات الإلكترونية - من الأساسيات إلى المتقدمة . جورونغ، سنغافورة: بيرسون إديوكيشن جنوب شرق آسيا. ISBN 981-247-093-X.

[8] ديورديفيتش، أ. ر.؛ زاييتش، أ. ج.؛ وإيليتش، م. م. (2006). "تحسين كسب الهوائيات الحلزونية عن طريق تشكيل الموصل الأرضي". رسائل IEEE للهوائيات وانتشار الموجات اللاسلكية . 5 (1): 138-140 . رمز Bibcode : 2006IAWPL...5..138D . doi : 10.1109/LAWP.2006.873946 . S2CID 31971392 .

[helix-9] 1 2 دجوردجيفيتش، AR؛ زاجيتش، AG. إليتش، إم إم وستوبر، جي إل (ديسمبر 2006). “تحسين الهوائيات الحلزونية”. معاملات IEEE على الهوائيات والانتشار . 48 (6): 107-115 . دوى : 10.1109/MAP.2006.323359 . S2CID 30832513 .

[ 1 ] تشغيل الوضع المحوري.

[ 2 ]

[

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗