يقوم هوائي الإرسال بتحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات كهرومغناطيسية، حيث يتعامل عادةً مع مستويات طاقة تتراوح من 10 واط إلى 50 كيلو واط. أما هوائي الاستقبال فيلتقط هذه الموجات ويعيد تحويلها إلى إشارات كهربائية، ويعمل عادةً بقدرة منخفضة، مثل -50 ديسيبل ميلي واط إلى -20 ديسيبل ميلي واط.
Table of Contents
الاستخدام
تُستخدم هوائيات الإرسال في محطات الراديو، وأبراج إشارات التلفزيون، ومحطات قاعدة الاتصالات المحمولة. تعمل هوائيات الإرسال لمحطات راديو FM في نطاق 88 إلى 108 ميجاهرتز، ويمكن أن تصل قدرة الإرسال إلى 5000 واط أو أكثر. يمكن لهذه القدرة تغطية نصف قطر يبلغ حوالي 80 كيلومترًا، مما يضمن وصول الإشارة بوضوح للمستخدمين ضمن هذا النطاق. وتتراوح قدرة هوائي الإرسال لمحطة قاعدة الاتصالات المحمولة بين 20 واط و100 واط حسب الحاجة لتغطية المنطقة، وتكون قدرة المحطة أكبر في الضواحي أو المناطق الريفية، وأصغر في المدينة نظراً لكثافة المحطات.
يمكن لهوائي الاستقبال الخاص بالتلفزيون المنزلي استقبال الإشارات من أبراج التلفزيون التي تبعد من بضعة كيلومترات إلى عشرات الكيلومترات. في حالة التلفزيون الرقمي، يستخدم المستخدم هوائي استقبال بحساسية تتراوح بين 25 و35 ديسيبل إيزوتروبي (dBi)، ويمكن لمثل هذا الهوائي استقبال الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق قوة إشارة يتراوح من 1 ميكرو فولت إلى 50 ميكرو فولت. يتراوح سعر هوائي الاستقبال المنزلي عمومًا من 200 يوان إلى 600 يوان.
سعة التعامل مع الطاقة
تصل قدرة هوائيات الإرسال المستخدمة في إذاعات الموجات المتوسطة إلى 50 كيلو واط، بينما تبلغ قدرة هوائيات الإرسال الصغيرة للاستخدام المنزلي بضع عشرات من الواط فقط، مثل هوائيات أجهزة راوتر Wi-Fi التي تتراوح قدرتها بين 0.1 واط و1 واط. تم تحسين تصميم هوائي الراوتر أيضاً لنطاقات تردد مختلفة، مثل نطاق 2.4 جيجاهرتز، وهو مناسب لنطاق تغطية أوسع، ونطاق 5 جيجاهرتز الذي يتميز بمعدل نقل بيانات أعلى.
يمكن معالجة قدرة إشارة هوائي استقبال التلفزيون عبر الأقمار الصناعية بين -50 ديسيبل ميلي واط و-20 ديسيبل ميلي واط، ويمكن أن تصل حساسية هوائي القمر الصناعي بقطر 1.8 متر إلى أكثر من 45 ديسيبل إيزوتروبي (dBi).
تشمل مواد هوائيات الإرسال شائعة الاستخدام النحاس وسبائك الألومنيوم، وتبلغ موصلية الأسلاك النحاسية 5.96 × 10^7 سيمينز/متر، وهي أعلى بكثير من المواد الشائعة الأخرى. يمكن أن يكلف هوائي إرسال عالي القدرة لمحطة راديو مئات الآلاف من اليوان، ويتراوح عمره الافتراضي من 10 إلى 15 عامًا.
يمكن أن يستمر هوائي الاستقبال الخارجي القياسي لمدة تتراوح من ثماني إلى 12 عامًا، ويتراوح السعر من 300 يوان إلى 1000 يوان، اعتمادًا على مواصفات الهوائي ومادته. يبلغ عمر هوائي الاستقبال الداخلي عمومًا من 5 إلى 8 سنوات، وسعره منخفض نسبيًا يتراوح بين 100 و300 يوان.
يمكن أن تصل تكلفة تركيب هوائي الإرسال لمحطة الراديو إلى مئات الآلاف أو حتى ملايين اليوان، وقد يلزم أن تكون قدرة هوائي الإرسال أعلى بنسبة تزيد عن 30% من تلك الموجودة في المناطق السهلية للتغلب على عوائق التضاريس. وتتطلب تكاليف الصيانة عشرات الآلاف من الدولارات سنويًا لإجراء عمليات التفتيش المنتظمة ومعايرة المعدات واستبدال الأجزاء التالفة.
تتراوح تكلفة تركيب هوائي استقبال التلفزيون عبر الأقمار الصناعية من 500 يوان إلى 2000 يوان، اعتمادًا على موقع التركيب وصعوبة استقبال الإشارة. تكاليف الصيانة أرخص، وعادة ما يحتاج المستخدمون المنزليون فقط إلى ضبط اتجاه الهوائي كل بضع سنوات، بتكلفة تبلغ حوالي 100 إلى 200 دولار.
اعتبارات التصميم
يستخدم هوائي إرسال إذاعي AM نموذجي هوائيًا أحادي الاتجاه مستقطبًا رأسيًا، وبالنسبة لمحطات راديو AM التي تزيد قدرتها عن 10 كيلو واط، يتراوح ارتفاع الهوائي بين 100 و200 متر. يجب أن يكون ارتفاع الهوائي ربع طول موجة الإشارة لضمان كفاءة الإرسال. عند التشغيل في نطاق 1000 كيلو هرتز، يبلغ ارتفاع الهوائي حوالي 75 مترًا.
عادة ما يتم تصميم هوائيات إرسال إشارات التلفزيون ذات التردد العالي جدًا (UHF) باستخدام هوائيات صفيف (Array antennas)، والتي يمكنها تركيز قدرة الإرسال في اتجاه معين لزيادة قوة الإشارة وتقليل فقد الطاقة في الاتجاهات الأخرى. تتراوح قدرة إرسال هوائيات تلفزيون UHF بين 5 كيلو واط و20 كيلو واط، ويختلف حجم صفيف الهوائيات وفقًا لاحتياجات التغطية المحددة، ويمكن أن يتجاوز طول صفيف الهوائيات لبعض أبراج التلفزيون الحضرية الكبيرة 50 مترًا.
تتطلب الإشارات عالية التردد (مثل إشارات راديو FM والتلفزيون) هوائيات قصيرة نسبيًا، فمثلاً راديو FM الذي يتراوح نطاق تردده من 88 إلى 108 ميجاهرتز وطول موجته حوالي 3 إلى 4 أمتار، يكون الطول النموذجي للهوائي ربع أو نصف طول موجي، أي بين 0.75 متر و2 متر. وتكون أحجام هوائيات إرسال الإشارات منخفضة التردد مثل هوائيات البث طويل الموجة التي تعمل في نطاق تردد 30 إلى 300 كيلو هرتز كبيرة، حيث يتراوح طول الموجة بين 1 كم و10 كم.
بأخذ هوائي استقبال التلفزيون المنزلي كمثال، تستخدم إشارة التلفزيون في نطاق UHF (470 إلى 862 ميجاهرتز) طول موجة هوائي يتراوح من 30 إلى 60 سم، لذا فإن حجم هوائي الاستقبال يتراوح بين 10 سم و30 سم. يعمل هوائي استقبال التلفزيون عبر الأقمار الصناعية في نطاق تردد أعلى من 10 جيجاهرتز، ويتراوح قطر طبق الاستقبال من 60 سم إلى 1.8 متر، اعتمادًا على قدرة إشارة القمر الصناعي والموقع الجغرافي لنقطة الاستقبال.
يستخدم هوائي الإرسال النحاس أو الألومنيوم كمادة أساسية، ويمتلك النحاس موصلية كهربائية تبلغ حوالي 5.96 × 10^7 سيمينز/متر، وهي واحدة من أعلى الموصلية بين المعادن الشائعة. على الرغم من أن موصلية الألومنيوم تبلغ 2.38 × 10^7 سيمينز/متر فقط، إلا أنه لا يزال مادة شائعة لهوائيات الإرسال عالية التردد بسبب خفة وزنه ومقاومته للتآكل. بالنسبة لمحطات الإرسال قصيرة الموجة عالية القدرة بقدرة 50 كيلو واط، فإن أداء تبديد الحرارة لمادة الهوائي مهم للغاية ويجب التحكم فيه عن طريق أنظمة التبريد بالهواء أو السائل.
يجب تصميم الأبراج والهوائيات لتحمل رياح تزيد سرعتها عن 200 كيلومتر في الساعة. وفقًا لمعايير الصناعة، يجب أن يكون هوائي الإرسال الفعال قادرًا على الحفاظ على أداء مستقر لمدة 20 إلى 30 عامًا، وتمثل تكاليف الصيانة 10% إلى 15% من تكلفة المعدات، وتمتلك الهوائيات الشائعة وظائف مضادة للتداخل اللاسلكي والدرع الكهرومغناطيسي، ويتراوح السعر من 100 يوان إلى 300 يوان.
كسب الهوائي
كسب الهوائي هو مقياس مهم لقدرة الهوائي على توجيه الإشعاع أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية، ويتم التعبير عنه بـ dBi (الكسب بالنسبة لهوائي متماثل المناحي) أو dBd (الكسب بالنسبة لهوائي ثنائي القطب). يمتلك هوائي الإرسال الشامل النموذجي كسبًا يبلغ 3 dBi، مما يعني أنه يمكنه تركيز الإشارة أفقيًا وزيادة قوة الإشارة مقارنة بهوائي متماثل المناحي. يمكن للهوائيات الاتجاهية عالية الكسب تركيز الطاقة في اتجاه معين، مع إمكانية تحقيق كسب يتراوح من 10 dBi إلى 20 dBi. تمتلك بعض هوائيات الإرسال عالية الكسب لـ Wi-Fi كسبًا يصل إلى 12 dBi ويمكنها تغطية مسافات تصل لمئات الأمتار.
في مجال البث، يمتلك هوائي إرسال إذاعة FM النموذجي عادةً كسبًا يبلغ 10 dBi، مما يضمن تغطية الإشارة في نصف قطر يتراوح من 50 كم إلى 100 كم، اعتمادًا على قدرة الإرسال. وفي حالة محطة راديو ترسل بقدرة 5000 واط، يمكن لهوائي بكسب 10 dBi الحفاظ على جودة الإشارة عبر مسافات طويلة. في محطات قاعدة الاتصالات المحمولة، يتراوح كسب هوائي الإرسال عادةً بين 14 dBi و18 dBi. يمكن لمثل هذه الهوائيات عالية الكسب تحقيق تغطية دقيقة في المدينة، مما يحسن استقرار وكفاءة الاتصال. وبأخذ محطة قاعدة حضرية نموذجية كمثال، فإن محطة قاعدة بقدرة إرسال 50 واط تمتلك كسب هوائي يبلغ 16 dBi، يمكنها تغطية نصف قطر يبلغ عدة كيلومترات.
يمتلك هوائي استقبال الأقمار الصناعية النموذجي كسبًا يتراوح من 30 dBi إلى 45 dBi، وكلما زاد الكسب، كانت الإشارة المستقبلة أقوى ووضوح الإشارة أعلى. في أوروبا، يمتلك هوائي استقبال الأقمار الصناعية بقطر 1.2 متر كسبًا يتراوح بين 38 dBi و40 dBi، مما يضمن بقاء ضعف الإشارة ضمن الحدود المقبولة حتى في الأحوال الجوية السيئة. إذا كان كسب هوائي الاستقبال أقل من 30 dBi، فقد لا يستقبل إشارة تلفزيونية واضحة في الطقس العاصف.
بالنسبة لهوائيات استقبال التلفزيون الرقمي المنزلي، يتراوح الكسب بين 15 dBi و25 dBi. هوائي استقبال تلفزيون رقمي بسعر سوق يبلغ 200 يوان وكسب 20 dBi، يمكنه استقبال إشارات التلفزيون من مسافة عشرات الكيلومترات. أما الهوائي بكسب 25 dBi، فسعره حوالي 500 يوان، وهو مناسب للمستخدمين الذين يعيشون في مناطق نائية.
تمتلك الهوائيات شاملة الاتجاهات التي تغطي منطقة واسعة عادةً كسبًا منخفضًا، حيث يتراوح كسب الهوائي شامل الاتجاهات النموذجي بين 2 dBi و5 dBi، وهو مناسب للسيناريوهات التي تتطلب تغطية متزامنة للإشارات في اتجاهات متعددة، مثل أجهزة راوتر Wi-Fi المنزلية. يمكن لهوائي Wi-Fi بكسب 2 dBi تغطية نصف قطر يبلغ حوالي 30 مترًا، بينما يمكن للهوائي بكسب 5 dBi الامتداد إلى 50 مترًا أو أكثر. تستخدم العديد من أجهزة الراوتر عالية الأداء هوائيات بكسب يتراوح من 5 dBi إلى 9 dBi لضمان تغطية المنزل والحديقة بالكامل.
تزيد الهوائيات الاتجاهية من التغطية عن طريق تركيز الإشارات في اتجاه واحد. بأخذ الهوائي الاتجاهي المكافئ الشائع كمثال، يكون كسبه عادةً فوق 20 dBi، وهو قادر على تغطية مسافة عدة كيلومترات أو أكثر. يمكن لبعض الهوائيات الاتجاهية المستخدمة لنقل Wi-Fi لمسافات طويلة تحقيق كسب يصل إلى 24 dBi، مما يسمح بنقل الإشارة لعدة كيلومترات فوق المناطق المفتوحة. في الاتصالات السلكية واللاسلكية أو الاتصالات الراديوية، تعد الهوائيات الاتجاهية عالية الكسب شائعة بشكل خاص. فعلى سبيل المثال، يمكن لبعض الهوائيات المستخدمة في الاتصالات العسكرية أو الفضائية تحقيق كسب يتراوح بين 30 dBi و40 dBi، ويمكنها نقل الإشارات بفعالية لمئات الكيلومترات، مما يضمن استمرار استقبال تغذية راجعة قوية للإشارة في البيئات القاسية.
