هوائي راوتر واي فاي
استقطاب الهوائي: ما هو ولماذا يهم
الوقت المقدر للقراءة: 15 دقيقة
يعرف كل مهندس إلكترونيات أن الهوائيات ترسل وتستقبل الإشارات على شكل موجات كهرومغناطيسية (موجات طاقة كهرومغناطيسية)، ويمكن وصف خصائصها بواسطة معادلات ماكسويل. وكما هو الحال في العديد من الموضوعات التقنية المتخصصة، يمكننا تفسير هذه المعادلات، إلى جانب قواعد انتشار الموجات الكهرومغناطيسية وخصائصها، من أبعاد متعددة—بدءًا من الأوصاف النوعية المباشرة نسبيًا وصولًا إلى الصيغ الرياضية المعقدة والمتشابكة.
الاستقطاب هو أحد الخصائص العديدة لانتشار الطاقة الكهرومغناطيسية. تختلف آثاره ومدى الحاجة إلى أخذه في الاعتبار بشكل كبير بين سيناريوهات التطبيقات المختلفة وتصميمات الهوائيات المقابلة لها. تنطبق المبادئ الأساسية للاستقطاب على جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية، بما في ذلك إشارات التردد اللاسلكي (RF)/الإشارات اللاسلكية وطاقة الموجات الضوئية، ويُستخدم الاستقطاب على نطاق واسع في مجال البصريات. تغطي هذه المقالة فقط نطاق تردد RF.
ما هو استقطاب الهوائي؟
لفهم الاستقطاب، يجب أولًا إتقان أساسيات الموجات الكهرومغناطيسية. تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من مجال كهربائي (E-field) ومجال مغناطيسي (H-field) ينتقلان في الاتجاه نفسه. يكون المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي متعامدين مع بعضهما، وكلاهما متعامد مع اتجاه انتشار الموجة المستوية.
يُعرّف الاستقطاب بأنه مستوى اهتزاز المجال الكهربائي عند النظر من جهة الإرسال باتجاه انتقال الموجة. في حالة الاستقطاب الأفقي، يتذبذب المجال الكهربائي من جانب إلى آخر ضمن المستوى الأفقي؛ أما في حالة الاستقطاب الرأسي، فيهتز المجال الكهربائي صعودًا وهبوطًا ضمن المستوى الرأسي (انظر الشكل 1).
الشكل 1: موجة كهرومغناطيسية ذات مكونات مجال كهربائي ومغناطيسي متعامدة بشكل متبادل
تشكل هوائيات الإرسال والاستقبال زوجًا من الهوائيات، ويصل أداء جهاز الإرسال والاستقبال إلى ذروته عندما يشترك الاثنان في مستويات استقطاب متطابقة. وكإشارة إلى العبارة الشهيرة من فيلم عام 1979 Alien—«في الفضاء، لا يستطيع أحد سماع صراخك»—لا يوجد تمييز جوهري بين الاستقطاب الأفقي والرأسي في الفضاء الخارجي. ومع ذلك، تظل نظريات مطابقة الاستقطاب ومحاذاة الهوائي صحيحة لتحقيق أقصى نقل واستقبال لطاقة الإشارة.
الاستقطاب الخطي والدائري
تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بأنماط استقطاب متعددة:
- يشمل الاستقطاب الخطي الأساسي شكلين من الاستقطاب المتعامدين بشكل متبادل (متعامدين) (انظر الشكل 2). نظريًا، لا يستطيع هوائي استقبال مستقطب أفقيًا التقاط أي إشارة صادرة من هوائي إرسال مستقطب رأسيًا يعمل على التردد نفسه، والعكس صحيح. كلما اقتربت اتجاهات استقطاب الهوائيين من بعضها، زادت قوة الإشارة المستقبلة؛ وتبلغ كفاءة نقل طاقة الإشارة ذروتها عند تطابق الاستقطاب تمامًا.
الشكل 2: يوفر الاستقطاب الخطي شكلين من الاستقطاب المتعامدين بشكل متبادل
- الاستقطاب المائل هو نوع من الاستقطاب الخطي. وكما هو الحال في الاستقطاب الأفقي والرأسي القياسي، ينطبق هذا التعريف فقط على السيناريوهات الأرضية. يشكل الاستقطاب المائل زاوية ±45° بالنسبة إلى المستوى الأفقي. وعلى الرغم من أن الاستقطاب المائل خطي في الأساس، فعندما يشير متخصصو الصناعة إلى «الاستقطاب الخطي»، فإنهم يقصدون عادةً هوائيات الاستقطاب الأفقي أو الرأسي فقط.
- يمكن التقاط الإشارات المرسلة أو المستقبلة بواسطة هوائيات الاستقطاب المائل بواسطة هوائيات مستقطبة أفقيًا أو رأسيًا بشكل خالص، ولكن مع قدر معين من فقدان الإشارة. وتعد هوائيات الاستقطاب المائل مثالية لحالات الاستخدام التي تكون فيها حالة استقطاب أحد الهوائيين أو كليهما غير معروفة، أو عندما يتغير الاستقطاب أثناء التشغيل.
- الاستقطاب الدائري (CP) أكثر تعقيدًا من الاستقطاب الخطي. في هذا النمط من الاستقطاب، يدور متجه المجال الكهربائي باستمرار أثناء انتشار الإشارة. عند النظر إلى الخارج من جهة الإرسال، يُسمى دوران متجه المجال الكهربائي باتجاه عقارب الساعة الاستقطاب الدائري الأيمن (RHCP)؛ أما الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة فيسمى الاستقطاب الدائري الأيسر (LHCP) (انظر الشكل 3).
الشكل 3: يدور متجه المجال الكهربائي للموجات الكهرومغناطيسية المستقطبة دائريًا، وينقسم إلى نوعين: يميني ويساري
تتكون الإشارات المستقطبة دائريًا من تراكب موجتين كهرومغناطيسيتين متعامدتين مع فرق طور مقداره 90°. يجب استيفاء ثلاثة معايير لتوليد الاستقطاب الدائري: يجب أن يحتوي المجال الكهربائي على مكونين متعامدين؛ ويجب أن يكون بين المكونين فرق طور مقداره 90°؛ ويجب أن يحمل كلا المكونين سعة متساوية. توفر الهوائيات الحلزونية حلًا بسيطًا لتوليد موجات مستقطبة دائريًا.
- الاستقطاب الإهليلجي (EP) هو مشتق من الاستقطاب الدائري. وكما هو الحال في الموجات المستقطبة دائريًا، تُركّب الموجات المستقطبة إهليلجيًا من موجتين مستقطبتين خطيًا. يتشكل الاستقطاب الإهليلجي عندما يتم تراكب موجتين مستقطبتين خطيًا ومتعامدتين بشكل متبادل ذات سعة غير متساوية.
يتم قياس درجة عدم تطابق الاستقطاب بين هوائيين بواسطة عامل فقدان الاستقطاب (PLF)، ويُقاس بالديسيبل (dB). وتحدد قيمته زاوية الاستقطاب بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال. نظريًا، يساوي PLF مقدار 0 dB عند التطابق المثالي للاستقطاب (فقدان صفري)؛ وإذا كان الهوائيان مستقطبين بشكل متعامد تمامًا، فإن PLF يقترب من اللانهاية (توهين كامل للإشارة).
ومع ذلك، في التطبيقات الواقعية، لا تستطيع الهوائيات تحقيق تطابق مثالي أو استقطاب متعامد تمامًا. يؤدي عدم المحاذاة أثناء التركيب الميكانيكي، وأخطاء التشغيل البشري، وتشوه القناة، والانعكاسات متعددة المسارات، وعوامل أخرى إلى انحراف زاوي في اتجاه استقطاب المجال الكهربائي المرسل. وحتى إذا صُمم الهوائيان لاستقطاب متعامد، فإن تسرب الاستقطاب المتقاطع بمقدار 10 إلى 30 dB أو أكثر يحدث عمليًا. وفي بعض السيناريوهات، تكون هذه الإشارة المتسربة قوية بما يكفي للتداخل مع فك تضمين الإشارة المطلوبة.
وعلى العكس، حتى مع الاستقطاب المثالي والمحاذاة الدقيقة لهوائيين، قد تدفع العوامل البيئية الواقعية PLF إلى 10 dB أو 20 dB أو أكثر، مما يؤدي إلى تدهور استقبال الإشارة. وبعبارة بسيطة، ينتج عن الاستقطاب المتقاطع غير المقصود وعوامل فقدان الاستقطاب العالية تأثيران سلبيان: إدخال إشارات متداخلة وإضعاف قوة الإشارة المفيدة المستهدفة.
لماذا تهم خصائص الاستقطاب
يتبع الاستقطاب قاعدة ثنائية الاتجاه: كلما كانت أنواع استقطاب الهوائيين أكثر توافقًا واتساقًا، زادت قوة الإشارة المستقبلة. وعلى العكس، يجعل ضعف تطابق الاستقطاب من الصعب على مستقبلات الإشارة المستهدفة ومستقبلات التداخل التقاط إشارات قابلة للاستخدام بشكل كافٍ. في معظم السيناريوهات، تغير القناة اللاسلكية حالة استقطاب الإشارة المرسلة، أو لا يستطيع أحد جهازي الإرسال والاستقبال أو كلاهما الحفاظ على اتجاه ثابت ومستقر للهوائي.
يُحدد اختيار نمط الاستقطاب عمومًا بواسطة بيئة التركيب وظروف انتشار الغلاف الجوي. على سبيل المثال، توفر الهوائيات المستقطبة أفقيًا أداء إشارة أفضل واستقطابًا أكثر استقرارًا عند تركيبها بالقرب من الأسقف؛ وعلى النقيض، تُظهر الهوائيات المستقطبة رأسيًا المثبتة مقابل الجدران الجانبية سلوك استقطاب أقرب إلى مواصفات تصميمها الاسمية.
تعمل هوائيات ثنائي القطب الشائعة (ثنائيات القطب القياسية / ثنائيات القطب المطوية) في الاستقطاب الأفقي عند التركيب التقليدي (انظر الشكل 4). وإذا لزم ملاءمتها لنمط استقطاب محدد، يمكن تدوير الهوائي 90° للتحويل إلى الاستقطاب الرأسي (انظر الشكل 5).
SHAPE \* MERGEFORMAT
الشكل 4: تُثبت هوائيات ثنائي القطب عادةً أفقيًا على الصواري للحصول على استقطاب أفقي
SHAPE \* MERGEFORMAT
الشكل 5: يمكن تثبيت هوائيات ثنائية القطب عموديًا على الصواري لتحقيق الاستقطاب الرأسي عند الحاجة إليه وفقًا للتطبيق
يُستخدم الاستقطاب الرأسي على نطاق واسع في أجهزة الاتصال اللاسلكي المحمولة باليد، مثل الأجهزة التي يحملها أفراد الإنقاذ في حالات الطوارئ. ويرجع ذلك إلى أن معظم الهوائيات الراديوية ذات الاستقطاب الرأسي تتميز بأنماط إشعاع شاملة الاتجاهات، مما يعني أن المستخدمين لا يحتاجون إلى إعادة ضبط سمت الهوائي حتى مع تغير اتجاه الجهاز المحمول باستمرار.
معظمالهوائياتالتي تعمل في نطاق التردد العالي (HF) من 3–30 ميغاهرتز تعتمد على هياكل هوائيات سلكية طويلة بسيطة ممتدة أفقيًا بين الدعامات. ويحدد طولها الفيزيائي الكبير الطول الموجي المقابل (10–100 متر)، كما أن هذه الهوائيات مستقطبة أفقيًا بطبيعتها.
ومن المثير للاهتمام أن النطاق سُمّي «التردد العالي» منذ عقود عندما كان 30 ميغاهرتز يُعد نطاق تردد عالٍ. وعلى الرغم من أن التسمية تبدو قديمة اليوم، فإنها لا تزال التسمية الرسمية للنطاق التي حددها الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) وما زالت مستخدمة عالميًا.
يمتد نطاق الموجة المتوسطة (MW) من 300 كيلوهرتز إلى 3 ميغاهرتز. ويعتمد نوع الاستقطاب الذي تختاره محطات البث في هذا النطاق على ما إذا كانت المحطة تعتمد على الموجات الأرضية لتغطية الإشارة القوية قصيرة المدى أو على الموجات السماوية الأيونوسفيرية للإرسال لمسافات طويلة. وبشكل عام، توفر الهوائيات ذات الاستقطاب الرأسي انتشارًا أفضل للموجات الأرضية، بينما تكون الهوائيات ذات الاستقطاب الأفقي أكثر ملاءمة لاتصالات الموجات السماوية.
تعتمد الاتصالات عبر الأقمار الصناعية بشكل كبير على الاستقطاب الدائري. إذ تغيّر الأقمار الصناعية وضعيتها باستمرار بالنسبة إلى المحطات الأرضية والأقمار الصناعية الأخرى. وتبلغ كفاءة إرسال الإشارة ذروتها عندما تستخدم جهتا الإرسال والاستقبال هوائيات ذات استقطاب دائري؛ كما أن إقران الهوائيات ذات الاستقطاب الخطي مع الهوائيات ذات الاستقطاب الدائري ممكن، لكنه يسبب عامل فقد استقطاب قابلًا للقياس.
تُعد خصائص الاستقطاب مهمة بالقدر نفسه لأنظمة الجيل الخامس 5G. فبعض مصفوفات هوائيات الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد (MIMO) في أنظمة 5G تستفيد من تقنية الاستقطاب لاستخدام موارد الطيف بكفاءة أكبر، مما يعزز سرعات النقل. ويتحقق ذلك من خلال دمج أوضاع الاستقطاب المختلفة للإشارات مع التعدد المكاني للهوائيات (التنوع المكاني). وتنقل هذه الأنظمة تدفقين مستقلين من البيانات في الوقت نفسه، بحيث يُغذّى كل تدفق إلى هوائيات منفصلة ذات استقطاب متعامد، مما يسمح للمستقبل بفك تضمين التدفقين بشكل منفصل. وعلى الرغم من أن العوامل غير المثالية، بما في ذلك مسارات الانتشار وتشوه القناة والانعكاسات وتأثيرات تعدد المسارات، تسبب تداخلًا طفيفًا بين الاستقطابات، فإن أجهزة الاستقبال تخفف من ذلك داخليًا.
الخلاصة
يُعد الاستقطاب خاصية حيوية للهوائيات، لكنها غالبًا ما تُغفل. فكل من الاستقطاب الخطي (بما في ذلك الأنواع الأفقية والرأسية)، والاستقطاب المائل، والاستقطاب الدائري، والاستقطاب الإهليلجي يناسب سيناريوهات تطبيقية مختلفة. ويحدد الاتجاه النسبي ودرجة التطابق بين الهوائيات في طرفي الإرسال والاستقبال مباشرةً الأداء الإجمالي لوصلة الترددات الراديوية (RF) الكاملة. تتوفر تجاريًا مجموعة واسعة من الهوائيات القياسية التي تغطي جميع أنواع الاستقطاب ونطاقات تردد RF، لتوفير مخططات استقطاب مخصصة لجميع التطبيقات المستهدفة.
