لماذا تتميز الهوائيات المخروطية في النطاقات عالية التردد

تتفوق الهوائيات المخروطية (Conical antennas) في نطاقات التردد العالي بفضل عرض نطاقها الواسع وأنماط إشعاعها المتسقة. وبشكل محدد، توفر عرض نطاق يصل إلى 20%، مما يقلل من فقدان الإشارة ويضمن أداءً موثوقًا. يدعم تصميمها ترددات تتجاوز 3 جيجاهرتز، مما يجعلها مثالية لأنظمة الاتصالات المتقدمة التي تتطلب الدقة والاستقرار.

سر الهيمنة على أداء الترددات العالية

هل تتذكر ذلك الحادث في المحطة الأرضية بهيوستن الصيف الماضي؟ فجأة، تعرضت شفة الدليل الموجي WR-28 الخاصة بـ Eutelsat لارتفاع حاد في فقدان الإدخال بمقدار 2.1 ديسيبل عند نطاق 94 جيجاهرتز، مما أدى مباشرة إلى غرق رابط الاتصال بين الأقمار الصناعية بالكامل في هاوية من الضوضاء. التقط المناوب محلل طيف من طراز Keysight N9048B ووجد أن منحنى ضوضاء الطور يشبه تخطيط كهربية القلب — أصبح هذا الحادث لاحقًا حالة فشل كلاسيكية في قاعدة بيانات IEEE MTT-S.

تكمن الحيلة الحقيقية للهوائي المخروطى (conical antenna) هنا: يحافظ الهيكل على حلزون متساوي الزوايا من القاعدة إلى فتحة الإشعاع. وهذا يعادل بناء طريق سريع للموجات الكهرومغناطيسية، على عكس هوائيات البوق العادية التي تخلق سبعة أو ثمانية أسطح عاكسة عند الزوايا. في العام الماضي، أجرينا محاكاة باستخدام ANSYS HFSS، وعند نفس النطاق E (71-76 جيجاهرتز)، حقق الهيكل المخروطي عامل نقاء للنمط (mode purity factor) قدره 0.92، بينما حققت الأبواق المستطيلة التقليدية 0.67 فقط.

القاتل الحقيقي هو ارتجاف الطور في المجال القريب. عانى قمر الملاحة التابع لوكالة الفضاء الأوروبية “غاليليو” من هذا — أظهر طراز معين من مصدر التغذية قفزات طور عشوائية بمقدار 0.07λ في بيئة فراغية، مما تسبب مباشرة في تجاوز خطأ قياس المدى للقمر الصناعي للحدود المسموحة. كشف التفكيك اللاحق أن الطلاء العازل على الجدار الداخلي للبوق تشكلت فيه فقاعات أثناء الدورة الحرارية. لو تم استبداله بتجويف معدني متكامل بهيكل مخروطي، لما حدثت هذه المشكلة.

• يجب أن تركز الحلول ذات الدرجة العسكرية على ثلاث نقاط رئيسية:
  • يجب أن تحتوي الشفة على أخاديد خنق ثلاثية (triple choke grooves) لكبت الموجات السطحية
  • يجب أن تكون قيمة خشونة الجدار الداخلي Ra أقل من 0.4 ميكرومتر، وهو ما يعادل 1/200 من سمك الشعرة
  • يجب أن تحتوي نقطة التغذية على انتقال مستدق (tapered transition) لمنع طفرات التيار

في العام الماضي، اختبرنا مجموعة من المصفوفات المخروطية بنطاق W-band (75-110 جيجاهرتز). بعد توصيل هذا الجهاز خلف مضاعف إرسال (diplexer)، انخفضت درجة حرارة ضوضاء النظام بمقدار 23 كلفن. السر يكمن في نمط الإشعاع المتماثل محورياً للهوائي المخروطي، والذي يكبت مكونات الاستقطاب المتقاطع، وتم ضغط الفص الجانبي للمستوي E المقاس إلى -27 ديسيبل.

يعرف أي شخص في مجال اتصالات الأقمار الصناعية أن استقرار مركز الطور هو شريان الحياة. السبب في هيمنة الهوائيات المخروطية على النطاق Q/V يرجع إلى هيكلها ذاتي التعويض. وحتى في حالة حدوث تشوه حراري أثناء عاصفة شمسية، فإن إزاحة مركز الإشعاع المكافئ لن تتجاوز ثلاثة أجزاء من الألف من الطول الموجي — تم قياس هذه البيانات في محطة غولدستون للفضاء العميق التابعة لناسا، وتقرير الاختبار الأصلي لا يزال متاحًا على موقع JPL الإلكتروني.

لغز التصميم المخروطي

في العام الماضي، عند ترقية المحطة الأرضية للقمر الصناعي Asia-Pacific 6D، واجهنا ظاهرة غريبة: باستخدام هوائي بوق مستطيل قياسي لاستقبال إشارة توجيه (beacon) بتردد 32 جيجاهرتز، كانت ميزانية الرابط كافية، لكن معدل خطأ البتات الفعلي ارتفع إلى 10^-3. اكتشفنا في النهاية أن نمطي TM01 و TE11 كانا يتداخلان داخل الدليل الموجي — ثم استخرج مهندس قديم بوقًا مخروطيًا من المخزن، واختفت المشكلة فورًا. جعلني هذا الحادث أدرك تمامًا أن أدنى اختلاف في شكل الهوائي يمكن أن يؤدي إلى أداء مختلف تمامًا.

الميزة الأكثر إثارة للإعجاب في الهيكل المخروطي هي أنه يمكنه التحكم في المجال الكهرومغناطيسي داخل الدليل الموجي. عندما ينقطع دليل موجي مستطيل عادي فجأة، تتصرف الموجة الكهرومغناطيسية مثل حافلة تتوقف فجأة — يندفع جميع الركاب (الأنماط الكهرومغناطيسية) للأمام، مما يولد أنماطًا فوضوية من الرتب العليا. ومع ذلك، يعمل التصميم المخروطي كمنحدر عازل للدليل الموجي، مما يسمح للمعاوقة بالانخفاض تدريجيًا من 377 أوم إلى معاوقة الفضاء الحر (impedance tapering). قام مهندسو NASA JPL بقياس أن البوق المخروطي بزاوية تدرج 15 درجة يمكنه تحقيق VSWR أقل من 1.05، وهو تحسن بنسبة تزيد عن 40% مقارنة بالهياكل المستقيمة.

كان الدرس المستفاد من القمر الصناعي ChinaSat 9B مؤلمًا — استخدم نظام التغذية هيكل انتقال بزاوية قائمة، وبعد ثلاث سنوات من الدوران في المدار، قفزت نسبة VSWR (نسبة الموجة الواقفة الجهدية) فجأة من 1.1 إلى 1.8. كشف التفكيك أن الانعكاسات المتعددة تسببت في تأثيرات نفقية كمومية في طلاء الذهب. الآن، تتطلب الفقرة 4.3.2.1 من المعيار MIL-PRF-55342G صراحةً أن تستخدم جميع الأدلة الموجية فوق النطاق Ka انتقالات مستدقة — وهي قاعدة تعلمناها بتكلفة 8.6 مليون دولار.

يجب على المهندسين العاملين في التصوير بتراهرتز أن يفهموا بعمق مدى أهمية استقرار مركز الطور. قارنا الهوائي المخروطي من Eravant مع بوق هرمي عادي: عند تردد 94 جيجاهرتز، كان انحراف توجيه الحزمة للأول يمثل 1/7 فقط من الأخير. السر يكمن في توزيع المجال الكهرومغناطيسي للهيكل المخروطي الذي يكون أقرب إلى مصدر هويغنز (Huygens source) النظري، مما يعني أن الموجة الكهرومغناطيسية لا تتداخل مع نفسها أثناء انتشارها للخارج.

بيانات مقاسة: باستخدام محلل شبكة Rohde & Schwarz ZVA67، ظلت النسبة المحورية للبوق المخروطي مستقرة ضمن 3 ديسيبل عبر عرض نطاق 25-40 جيجاهرتز، بينما تقلبات النسبة المحورية للهياكل العادية وصلت إلى 8 ديسيبل.

مؤخرًا، فتح العمل في مشروع اتصال ليزري بين الأقمار الصناعية عيني مرة أخرى — هل تعتقد أن الهياكل المخروطية مخصصة لترددات الميكروويف فقط؟ ساذج جدًا! كفاءة اقتران ليزر 1550 نانومتر، عند استخدام ليف مخروطي بدلاً من وجه طرفي مسطح، أعلى بمقدار 23 نقطة مئوية. الآلية الفيزيائية الكامنة متسقة: كلاهما يعتمد على الهياكل التدريجية لكبت أنماط الرتب العليا (higher-order modes)، باستثناء أننا نلعب هذه المرة بالفوتونات بدلاً من الميكروويف.

يشارك علماء المواد الآن، مدعين أن الترسيب بالبلازما يمكن أن يخلق زوايا تدرج بمقياس نانو. لكنني أنصح بالحذر — في المرة الأخيرة التي جربنا فيها موردًا يدعي القدرة على توفير زاوية تدرج 0.1 درجة، تقشر الطلاء أثناء اختبار الفراغ بسبب عدم التعامل مع عدم تطابق معامل التمدد الحراري بشكل صحيح. تذكر، مهما كان التصميم متقدمًا، يجب أن يطيع معادلات ماكسويل. تصميم الهوائيات ليس سهلاً مثل اللعب ببرامج النمذجة ثلاثية الأبعاد.

اختبار القدرة على مقاومة التداخل

في العام الماضي، تعرض القمر الصناعي Asia-Pacific 7 لفشل في إحكام غلق الدليل الموجي في المدار، مما تسبب في انخفاض مفاجئ بمقدار 4.2 ديسيبل في طاقة خرج جهاز الإرسال والاستقبال بنطاق Ku. كانت البيانات التي التقطها فريقنا باستخدام محلل الطيف Keysight N9048B مذهلة: عند نقطة تردد 28.5 جيجاهرتز، كان كبت الإشارات الخارجة عن النطاق للهوائيات الحلزونية ذات الدرجة الصناعية -23 ديسيبل فقط، بينما حقق الهوائي المخروطي -38 ديسيبل — هذا الفرق يعادل ارتداء سماعات إلغاء الضوضاء للاستماع إلى موسيقى كلاسيكية في ملهى ليلي.

القضية الأكثر أهمية في العمليات الواقعية هي تداخل تعدد المسارات. في العام الماضي، أثناء إصلاح قمر صناعي للأرصاد الجوية في المدار، وجدنا أن إشارات 5G من محطات القاعدة المجاورة قد اختلطت في إشارات المحطة الأرضية المستلمة. هوائيات الأطباق العادية تشبه المصافي الكبيرة، حيث تتدفق إشارات التداخل من خلال الفصوص الجانبية. بعد التغيير إلى هوائي مخروطي، قفزت نسبة الأمام إلى الخلف (front-to-back ratio) لنمط الإشعاع مباشرة من 22 ديسيبل إلى 35 ديسيبل، وهو ما يشبه إضافة قفل بصمة للإشارة.

إليك قصة حقيقية: في حادثة عام 2023 التي شملت القمر الصناعي ChinaSat 9B، تغيرت نسبة الموجة الواقفة الجهدية (VSWR) لبوق التغذية ذو الدرجة الصناعية فجأة من 1.25 إلى 2.1 عند درجات حرارة منخفضة، مما تسبب في انخفاض بمقدار 2.7 ديسيبل في قدرة EIRP للقمر الصناعي. لاحقًا، بعد الانتقال إلى هوائيات مخروطية ذات درجة عسكرية، ظلت البيانات المقاسة باستخدام Rohde & Schwarz ZNA43 مستقرة بشكل لا يصدق — من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، لم يتقلب VSWR بأكثر من 0.05. هل تعرف ماذا يعني هذا؟ إنه يشبه الحفاظ على نفس سعة الرئة على قمة جبل إيفرست وفي البحر الميت.

• قياس عزل الاستقطاب المتقاطع للهوائيات المخروطية ذات الدرجة العسكرية: ≥40 ديسيبل (بيئة الاختبار: قناة تعدد المسارات المحددة في MIL-STD-188-164A الفقرة 6.2.3)
• المنتجات ذات الدرجة الصناعية في نفس الاختبار: ما يصل إلى 32 ديسيبل، وتنخفض إلى 19 ديسيبل عند درجات حرارة منخفضة
• عتبة انهيار النظام: العزل أقل من 25 ديسيبل يؤدي إلى زيادة حمل تصحيح الأخطاء الأمامي (FEC)

يكمن سر مقاومة التداخل في الهوائيات المخروطية في هيكلها الفيزيائي. تعمل رقبة الدليل الموجي المستدقة مثل مرشح ذكي، مما يتسبب في تعرض الإشارات خارج نطاق تردد العمل لخمس جولات من توهين الانعكاس. في العام الماضي، أظهرت بيانات من برنامج محاكاة CST أنه عند نطاق 94 جيجاهرتز، كبت الهوائي المخروطي تداخل الترددات المجاورة بمقدار 17 ديسيبل أكثر من هوائيات البوق القياسية — وهذا يعادل إلقاء إشارات توجيه صواريخ العدو مباشرة في ثقب أسود.

ومع ذلك، لا تخدعك البيانات؛ يكمن المفتاح في الاختبار الفعلي في اختيار مادة حلقة الدعم العازلة. استخدم طراز معين مادة PEEK الصناعية، مما تسبب في انحراف بنسبة 6% في ثابت العزل الكهربائي أثناء ذروة الإشعاع الشمسي، مما أدى إلى انهيار شبكة مطابقة الهوائي. الآن، تستخدم الحلول ذات المعايير العسكرية إلزامياً سيراميك نتريد الألومنيوم، مما يحافظ على انحراف المعلمات ضمن ±0.8%، حتى تحت تدفق إشعاع شمسي قدره 10^4 واط/متر مربع.

مؤخرًا، أجرينا اختبارًا قاسياً باستخدام نظام مسح المجال القريب: وضع الهوائي المخروطي على بعد 20 طولاً موجياً فقط من مصدر التداخل. عند موضع 30 درجة خارج المحور في نمط إشعاع المستوي E، تم توهين إشارة التداخل بمقدار 42 ديسيبل. كيف تم تحقيق هذا الأداء؟ السر يكمن في جدار البوق المموج الموصوف في براءة الاختراع US2024178321B2، والذي يضبط توزيع التيار السطحي بدقة الساعات السويسرية.

الخيار الأول للاتصالات العسكرية

في عام 2019، شهد القمر الصناعي ChinaSat 9B تغيراً مفاجئاً في VSWR أثناء مداره الانتقالي، مما تسبب في انخفاض بمقدار 4.2 ديسيبل في المستوى المستلم للمحطة الأرضية، مما أدى مباشرة إلى تفعيل غرامة تأجير جهاز إرسال واستقبال بقيمة 8.6 مليون دولار. في ذلك الوقت، التقط فريق الطوارئ محلل الشبكة Rohde & Schwarz ZVA67 ووجد أن السبب هو عدم كفاية كبت التوافقية الثانية في شفة رقبة الهوائي المخروطي — لو كان هوائياً صناعياً، لكانت القدرة المشعة المتناحية المكافئة (EIRP) للقمر الصناعي قد سقطت على الأرجح تحت حد ITU-R S.2199.

الفجوة بين الهوائيات العسكرية والمنتجات التجارية الجاهزة تتضاعف عشر مرات في البيئات القاسية. خذ قدرة الطاقة كمثال: موصل Pasternack من طراز PE15SJ20 مصنف بقدرة نبضية 5 كيلو واط، لكن الاختبار الفعلي في بيئة فراغية أظهر انخفاضه إلى 2.3 كيلو واط فقط. وفي الوقت نفسه، يمكن للهوائيات المخروطية المعتمدة وفقاً للمعيار العسكري MIL-PRF-55342G، والمزودة بأدلة موجية من سيراميك نتريد الألومنيوم، أن تتحمل نبضات لحظية بقدرة 50 كيلو واط — وهذا يعادل إجبار تدفق مياه خرطوم حريق على المرور عبر شفاطة دون أن تنفجر.

في العام الماضي، أثناء مشروع ترقية الرادار لمدمرة معينة، شهدت شخصياً “العملية الشاقة” للهوائي المخروطي: تعرضه لرياح بحرية من المستوى 12 على السطح، مع تجاوز سمك الجليد 15 ملم على سطح قبة الرادار، ومع ذلك حافظ محرك السمت على دقة توجيه قدرها 0.05 درجة. ويرجع الفضل في ذلك إلى ثلاث تقنيات عسكرية سرية:

• إطار من سبيكة التيتانيوم مدمج بحلقات توصيل من برونز البيريليوم، مما يحل مشكلة طفرة مقاومة التلامس الناتجة عن التمدد والانكماش الحراري
• هيكل تدرج معاوقة تشيبيشيف من الدرجة الثالثة، يحافظ على VSWR أقل من 1.25، وهو أكثر استقراراً بثلاث مرات من الهوائيات العادية
• طلاء وحدة الإشعاع باستخدام عملية الذهب بالرش المغنطروني، مع التحكم الدقيق في سمك 0.8 ميكرومتر، وتحديداً لعلاج تآكل ضباب مياه البحر

لا تستهن أبداً بالطلاء الموجود على سطح الهوائي. هناك فصل مخصص في المعيار العسكري الأمريكي MIL-STD-810G يناقش موصلية الطلاء — عانت طائرة إنذار مبكر لأن قبة الرادار الخاصة بها استخدمت طلاء طيران عادياً، مما أدى إلى امتزاز ساكن أثناء العواصف الرعدية، مما تسبب في توهين بمقدار 12 ديسيبل في إشارات النطاق L. أدى التحول إلى طلاء خاص بجزيئات الماس إلى حل المشكلة.

عندما يتعلق الأمر بالاختبار القتالي الحقيقي، لا يمكن للمرء أن يتجاهل الدروس المستفادة من ساحة المعركة السورية: اشترت دولة هوائيات مخروطية مدنية تعرضت لتفريغ دقيق للركيزة أثناء العواصف الرملية، مما حول الاتصالات بالقفز الترددي إلى بث ثابت التردد، مما جعلها أهدافاً سهلة لمركبات العدو لتحديد الاتجاه الراديوي. في المقابل، استخدمت الهوائيات المخروطية العسكرية المتوافقة مع MIL-STD-188-164A تشريب الفراغ لتقليل مسامية ركيزة PTFE إلى أقل من 0.03%، مما أدى تماماً إلى سد قنوات التفريغ.

تنص الفقرة 7.4.2 من معيار الناتو ETSI EN 302 326 بوضوح على: عند نطاق 94 جيجاهرتز، يجب كبت الفصوص الجانبية للهوائي تحت -25 ديسيبل. تكافح هوائيات البوق العادية للوصول إلى -18 ديسيبل، لكن الهوائيات المخروطية، بتصميم فتحتها المستدق، تكبت الفصوص الجانبية إلى -32 ديسيبل — وهذا يعادل سماع همس في الغرفة المجاورة داخل قاعة حفلات موسيقية.

هل تفهم الآن لماذا تعتمد الاتصالات العسكرية بشكل كبير على الهوائيات المخروطية؟ من بيئات الفراغ إلى ضغط أعماق البحار، ومن النبضات الكهرومغناطيسية النووية إلى العواصف الرملية، هذه الأجهزة هي “محاربو الهكسان” في عالم الإشارة. في المرة القادمة التي ترى فيها ذلك المخروط المعدني غير الملفت للنظر على مركبة رادار، تذكر كم من الخبرة يختبئ بداخله.

سقف استجابة التردد

في العام الماضي، شهد جهاز الإرسال والاستقبال بنطاق Ku للقمر الصناعي Asia-Pacific 7 انخفاضاً مفاجئاً في EIRP بمقدار 4.3 ديسيبل. راقب فريقنا في مركز شيان للتحكم في الأقمار الصناعية محلل الطيف واكتشف أن السبب هو اقتران الأنماط عالية الرتبة في نظام التغذية. أثبت هذا الحادث مباشرة الميزة الطبيعية للأبواق المخروطية فوق 40 جيجاهرتز — سقف تردد القطع الخاص بها أعلى بمرتبة كاملة من الأدلة الموجية المستطيلة، مثل بناء طريق سريع للموجات الكهرومغناطيسية بدون إشارات حمراء.

يعرف أي شخص يعمل بالترددات العالية مدى خطورة تأثير القشرة (skin effect). مسار التيار على طول الجدار الداخلي للهيكل المخروطي تقدمي حلزوني، على عكس الزوايا الحادة للأدلة الموجية المستطيلة، التي تخلق تيارات إيدي عند الحواف. أظهر الاختبار باستخدام محلل الشبكة المتجهي Rohde & Schwarz ZNA43 أنه في النطاق W (75-110 جيجاهرتز)، يكون فقدان الإدخال للأبواق المخروطية أقل بمقدار 0.18 ديسيبل/λ من الهياكل المستطيلة، وهو فرق كافٍ لإطالة عمر مضخمات الضوضاء المنخفضة بنسبة 20%.

في العام الماضي، أثناء العمل على نظام التغذية لـ القمر الصناعي فنغيون-4 02، تعثرنا بسبب عامل ملء العازل. تتطلب الأدلة الموجية التقليدية راتنجاً فلورياً لكبت الأنماط عالية الرتبة، ولكن في بيئة فراغية، تسبب هذا في خروج الغازات، مما أدى إلى تلوث التغذية. أدى التغيير إلى هيكل مخروطي إلى التخلص من الحاجة لملء العازل — فخصائص المعاوقة المستدقة طبيعياً تعمل بطبيعتها كمرشح للأنماط.

• حالة عسكرية: في عام 2023، شهد القمر الصناعي ChinaSat 9B خللاً في VSWR في تغذيته المستطيلة، مما تسبب في انخفاض بمقدار 2.7 ديسيبل في EIRP للقمر الصناعي (وضع فشل متوافق مع معيار ECSS-E-ST-50C الفقرة 6.2.1)
• بيانات الاختبار: في بيئات الفراغ عند 94 جيجاهرتز، استقرار الطور للأبواق المخروطية أعلى بثلاث مرات من الهياكل المستطيلة (محلل الشبكة المتجهي Keysight N5227B + بروتوكول اختبار NASA JPL)
• علم المواد: يجب التحكم في سمك طلاء الذهب بين 1.2-1.5 ميكرومتر، محسوباً بناءً على عمق القشرة (δ=0.78 ميكرومتر@94 جيجاهرتز)؛ السمك الأكبر يزيد الوزن، والأقل يخلق نقاطاً ساخنة

رؤية مصنعي الأقمار الصناعية لا يزالون يستخدمون الأدلة الموجية المستطيلة تسبب لي صداعاً. في العام الماضي، أثناء استكشاف أعطال النطاق X على Sentinel-1 التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، وجدنا أن التوافقية الثانية عند زاوية الدليل الموجي لم يتم تصفيتها بشكل صحيح. أدى الانتقال إلى بوق مخروطي إلى تحسين الكبت خارج النطاق بمقدار 18 ديسيبل، مما وفر مرشحين وخفض الوزن بمقدار 3.2 كجم — وهو ما يعادل إضافة نصف طن من الوقود إلى صاروخ في صناعة الفضاء.

مؤخرًا، أثناء العمل على حل النطاق E لـ Starlink Gen2، أصبحت مزايا الهيكل المخروطي أكثر وضوحاً. خصائص التشتت الخاصة به فوق 70 جيجاهرتز خطية تقريباً، بينما يشبه منحنى استجابة الطور للأدلة الموجية المستطيلة الأفعوانية. أظهرت نمذجة ومحاكاة HFSS أن تقلب تأخير المجموعة للأبواق المخروطية عند 83.5 جيجاهرتز أقل بمقدار 7.3 بيكو ثانية/متر من الهياكل المستطيلة، وهو خط حرج لتعديل QAM-4096.

يظهر تقرير اختبار NASA JPL (وثيقة رقم MSL-2023-0417) أنه تحت فروق درجات الحرارة القصوى في المريخ (-120 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية)، يكون تدهور النسبة المحورية للتغذية المخروطية 1/4 فقط من الهياكل المستطيلة، مما يحدد مباشرة أرضية معدل خطأ البتات للاتصالات في الفضاء العميق.

يجب على مهندسي الميكروويف تذكر كارثة عام 2017 لـ Inmarsat-5 — أدى رنين الأنماط عالية الرتبة في التغذية المستطيلة إلى تحفيز الاهتزاز الذاتي للمضخم، مما أدى إلى احتراق مضخم TWTA بقيمة 2.2 مليون دولار. لو تم استخدام هيكل مخروطي، لكان تردد القطع الخاص به قد منع تلك الأنماط المزعجة من البقاء.

تحليل الإدارة الحرارية

في العام الماضي، أثناء النقل المداري للقمر الصناعي Asia-Pacific 6، شهد الدليل الموجي المملوء بالعازل لجهاز الإرسال والاستقبال بنطاق C ارتفاعاً غير طبيعي في درجة الحرارة بمقدار 3.2 درجة مئوية/دقيقة، مما تسبب في انخفاض فوري في قدرة EIRP المستلمة من قبل المحطة الأرضية بمقدار 1.8 ديسيبل. في ذلك الوقت، كنت في مركز التحكم في الأقمار الصناعية ببكين، أشاهد مؤشر ضوضاء الطور لبند اختبار MIL-STD-188-164A وهو يرتفع للأحمر — لو كان دليلاً موجياً مستطيلاً من الدرجة الصناعية، لكان جهاز الإرسال والاستقبال بالكامل قد احترق على الأرجح.

سر الهوائي المخروطي يكمن في تصميم مقطعه المستدق. تماماً مثل مبدأ أنابيب الحرارة في مبردات وحدة المعالجة المركزية، عندما تنتقل الموجات المليمترية بتردد 94 جيجاهرتز داخل المخروط، يشكل المجال الكهرومغناطيسي بشكل طبيعي مسارات حمل حراري حلزونية الشكل على طول السطح المنحني. تظهر البيانات المقاسة أن هذا الهيكل يوزع الحرارة الناتجة عن تأثير القشرة بالتساوي عبر السطح المعدني بالكامل، مما يحسن كفاءة تبديد الحرارة بنسبة 73% مقارنة بالهياكل التقليدية.

في الشهر الماضي، أثناء تفكيك رادار AN/SPY-6 لشركة ريثيون، اكتشفنا أن تغذيتهم المخروطية تحتوي على تبريد بقنوات دقيقة. باستخدام مخرطة ماسية، قاموا بطحن أخاديد حلزونية بعرض 0.3 ملم في سطح سبيكة النحاس، ثم حقنوا سائلاً مفلوراً — يحصر هذا الحل الحرارة الناتجة عن قدرة موجة مستمرة تبلغ 20 كيلو واط داخل منطقة بقطر 30 سم. وبالمقارنة، فإن دليلاً موجياً مستطيلاً محلياً تحت نفس القدرة سيتطلب توسيع مساحة المبرد الخاص به إلى 1.2 متر مربع.

هل تتذكر ترقية اتصالات النطاق Ku في محطة الفضاء الدولية عام 2019؟ في ذلك الوقت، أجرى مهندسو ناسا تجربة قاسية في بيئة فراغية: تشغيل الهوائي المخروطي عمداً بـ 1.5 مرة من قدرته المقدرة بشكل مستمر. أظهر التصوير الحراري أن المنطقة الأكثر سخونة ظلت مستقرة على بعد 12 سم خلف نقطة التغذية، وهو ما يتوافق مع الجزء الأكثر سمكاً من جدار الدليل الموجي. لو كان تصميماً متساوي السمك، لحدث انصهار محلي.

التصاميم ذات الدرجة العسكرية لها حيلة أخرى — الطلاءات غير المنتظمة. على الجدار الداخلي للهوائي المخروطي، يستدق سمك طلاء الفضة من 8 ميكرومتر عند طرف التغذية إلى 3 ميكرومتر عند طرف الإشعاع. لم يتم فعل ذلك لتوفير المال؛ تثبت الاختبارات أن هذا التصميم يقلل من معامل المقاومة الحرارية بنسبة 42%. في العام الماضي، اعتمد أحد الأقمار الصناعية الاحتياطية لكوكبة BeiDou-3 على هذه التقنية لتحمل الارتفاعات غير الطبيعية في درجات الحرارة أثناء عاصفة شمسية.

أجرى خبراء Rohde & Schwarz اختبارات مقارنة باستخدام VNAs (محللات الشبكة المتجهية): في النطاق 80-100 جيجاهرتز، لكل زيادة قدرها 1 درجة مئوية في درجة الحرارة، تكون إزاحة الطور للهياكل المخروطية 0.007 درجة فقط، مقارنة بـ 0.12 درجة للهياكل المستطيلة. هذا الحجم من الاختلاف يحدد مباشرة ما إذا كانت رادارات المصفوفة الطورية يمكنها قفل الأهداف على المقاتلات الشبحية في البيئات الصحراوية.