الإخبارية
استقطاب الهوائي: ما هو ولماذا يهم
وقت القراءة المقدر: 15 دقيقة
يعرف كل مهندس إلكترونيات أن الهوائيات ترسل وتستقبل الإشارات على شكل موجات كهرومغناطيسية (موجات طاقة كهرومغناطيسية)، التي يمكن وصف خصائصها بواسطة معادلات ماكسويل. وكما هو الحال في العديد من الموضوعات التقنية المتخصصة، يمكننا تفسير هذه المعادلات، إلى جانب قواعد الانتشار وخصائص الموجات الكهرومغناطيسية، من أبعاد متعددة — تتراوح من الأوصاف النوعية المباشرة نسبيًا إلى الصيغ الرياضية المعقدة والدقيقة.
الاستقطاب هو أحد الخصائص العديدة لانتشار الطاقة الكهرومغناطيسية. تختلف آثاره ودرجة الحاجة إلى أخذه في الاعتبار بشكل كبير عبر 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 البعض، وكلاهما متعامد مع اتجاه انتشار الموجة المستوية.
يُعرّف الاستقطاب بأنه مستوى اهتزاز المجال الكهربائي عند المراقبة من جهة الإرسال باتجاه انتشار 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. وإشارةً إلى العبارة الأيقونية من فيلم 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 لتعظيم نقل طاقة الإشارة واستقبالها.
الاستقطاب الخطي والدائري
تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بأنماط استقطاب متعددة:
- يشمل الاستقطاب الخطي الأساسي شكلين من الاستقطاب المتعامدَيْن بشكل متبادل (انظر الشكل 2). نظريًا، لا يستطيع هوائي استقبال مستقطب أفقيًا التقاط أي إشارة صادرة عن هوائي إرسال مستقطب رأسيًا يعمل على التردد نفسه، والعكس صحيح. وكلما اقترب اتجاه استقطاب الهوائيين من بعضهما، كانت الإشارة المستقبلة أقوى؛ وتبلغ كفاءة نقل طاقة الإشارة ذروتها عندما يكون الاستقطاب متطابقًا تمامًا.
الشكل 2: يوفر الاستقطاب الخطي شكلين من الاستقطاب المتعامدَيْن بشكل متبادل
- الاستقطاب المائل هو نوع مختلف من الاستقطاب الخطي. مثل الاستقطاب الأفقي والرأسي القياسي، ينطبق هذا التعريف فقط على السيناريوهات الأرضية. يشكل الاستقطاب المائل زاوية ±45° بالنسبة إلى المستوى الأفقي. وبينما يكون الاستقطاب المائل خطيًا في الأساس، فعندما يشير المتخصصون في الصناعة إلى «الاستقطاب الخطي»، فإنهم يقصدون عادةً فقط هوائيات الاستقطاب الأفقي أو الرأسي.
- يمكن التقاط الإشارات المنبعثة أو المستقبلة بواسطة هوائيات الاستقطاب المائل بواسطة هوائيات مستقطبة أفقيًا أو رأسيًا فقط، وإن كان ذلك مع قدر معين من فقدان الإشارة. تعد 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، يسمى دوران متجه المجال الكهربائي باتجاه عقارب الساعة الاستقطاب الدائري الأيمن (RHCP)؛ بينما يسمى الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة الاستقطاب الدائري الأيسر (LHCP) (انظر الشكل 3).
الشكل 3: يدور متجه المجال الكهربائي للموجات الكهرومغناطيسية المستقطبة دائريًا، وينقسم إلى نوعين: أيمن وأيسر
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 قدره 90°؛ ويجب أن يحمل كلا المكونين سعة متساوية. توفر الهوائيات الحلزونية حلًا بسيطًا لتوليد موجات مستقطبة دائريًا.
- الاستقطاب الإهليلجي (EP) هو اشتقاق من الاستقطاب الدائري. مثل الموجات المستقطبة دائريًا، تُركّب الموجات المستقطبة إهليلجيًا من موجتين مستقطبتين خطيًا. يتشكل الاستقطاب الإهليلجي عندما تتراكب موجتان مستقطبتان خطيًا ومتعامدتان بشكل متبادل ولهما سعة غير متساوية.
تُقاس درجة عدم تطابق الاستقطاب بين هوائيين بواسطة معامل فقدان الاستقطاب (PLF)، ويُقاس بالديسيبل (dB). تُحدد قيمته بواسطة زاوية الاستقطاب بين هوائي الإرسال وهوائي الاستقبال. نظريًا، يساوي PLF مقدار 0 dB عند المطابقة المثالية للاستقطاب (فقدان صفري)؛ وإذا كان الهوائيان مستقطبين بشكل متعامد تمامًا، فإن PLF يقترب من اللانهاية (توهين كامل للإشارة).
في التطبيقات الواقعية، لا تستطيع الهوائيات تحقيق تطابق مثالي أو استقطاب متعامد بالكامل. إذ تؤدي أخطاء المحاذاة الناتجة عن التركيب الميكانيكي، وأخطاء التشغيل البشري، وتشوه القناة، والانعكاسات متعددة المسارات، وعوامل أخرى إلى انحراف زاوي في اتجاه استقطاب المجال الكهربائي المرسل. وحتى إذا صُممت هوائيات للاستقطاب المتعامد، يحدث تسرب للاستقطاب المتقاطع بمقدار 10 إلى 30 dB أو أكثر عمليًا. وفي بعض السيناريوهات، تكون هذه الإشارة المتسربة قوية بما يكفي للتداخل مع إزالة 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. ببساطة، 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 هوائيين أكثر محاذاة واتساقًا، زادت قوة الإشارة المستقبلة. وعلى العكس، يجعل ضعف مطابقة الاستقطاب من الصعب على كل من المستقبلات 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.
يتحدد اختيار نمط الاستقطاب عمومًا بواسطة بيئة التركيب وظروف الانتشار الجوي. على سبيل المثال، توفر الهوائيات المستقطبة أفقيًا أداء إشارة أفضل واستقرارًا أكبر للاستقطاب 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) باستقطاب أفقي عند التركيب التقليدي (انظر الشكل 4). وإذا لزم ملاءمتها لنمط استقطاب محدد، يمكن تدوير الهوائي 90° للتحويل إلى الاستقطاب الرأسي (انظر الشكل 5).
الشكل \* MERGEFORMAT
الشكل 4: تُثبت هوائيات ثنائي القطب عادةً أفقيًا على الصواري للحصول على استقطاب أفقي
الشكل \* MERGEFORMAT
الشكل 5: يمكن تركيب هوائيات ثنائية القطب عموديًا على الصواري للاستقطاب العمودي عند الحاجة إلى ذلك وفقًا للتطبيق
يُستخدم الاستقطاب العمودي على نطاق واسع في أجهزة الاتصال اللاسلكي المحمولة باليد، مثل الأجهزة التي يحملها أفراد الإنقاذ في حالات الطوارئ. وذلك لأن معظم الهوائيات الراديوية المستقطبة عموديًا تتميز بأنماط إشعاع شاملة الاتجاهات—أي أن المستخدمين لا يحتاجون إلى إعادة ضبط سمت الهوائي حتى مع تغير اتجاه الجهاز المحمول باليد باستمرار.
معظم الهوائياتالتي تعمل في نطاق التردد العالي (HF) من 3 إلى 30 ميغاهرتز تعتمد هياكل هوائيات سلكية طويلة بسيطة ممتدة أفقيًا بين الدعامات. ويحدد حجمها الفيزيائي الكبير الطولَ الموجي المقابل (10–100 متر)، كما أن هذه الهوائيات تكون مستقطبة أفقيًا بطبيعتها.
ومن المثير للاهتمام أن النطاق سُمّي "التردد العالي" قبل عقود عندما كان 30 ميغاهرتز يُعد نطاق تردد عالٍ. وعلى الرغم من أن هذا الاسم يبدو قديمًا اليوم، فإنه لا يزال التسمية الرسمية للنطاق التي حددها الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) ولا يزال مستخدمًا عالميًا.
يمتد نطاق الموجات المتوسطة (MW) من 300 كيلوهرتز إلى 3 ميغاهرتز. يعتمد نوع الاستقطاب الذي تختاره محطات البث في هذا النطاق على ما إذا كانت المحطة تعتمد على الموجات الأرضية لتغطية إشارة قوية قصيرة المدى أو على الموجات السماوية الأيونوسفيرية للإرسال لمسافات طويلة. وبشكل عام، توفر الهوائيات المستقطبة عموديًا انتشارًا أفضل للموجات الأرضية، بينما تكون الهوائيات المستقطبة أفقيًا أكثر ملاءمة للاتصالات بالموجات السماوية.
تعتمد الاتصالات عبر الأقمار الصناعية بشكل كبير على الاستقطاب الدائري. تغيّر الأقمار الصناعية وضعيتها باستمرار بالنسبة إلى المحطات الأرضية والأقمار الصناعية الأخرى. وتبلغ كفاءة إرسال الإشارة ذروتها عندما تستخدم جهتا الإرسال والاستقبال هوائيات مستقطبة دائريًا؛ كما أن إقران الهوائيات المستقطبة خطيًا مع الهوائيات المستقطبة دائريًا يعمل، لكنه يسبب عامل فقدان استقطاب قابلًا للقياس.
تُعد خصائص الاستقطاب بالغة الأهمية أيضًا لأنظمة الجيل الخامس 5G. تستفيد بعض مصفوفات هوائيات الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد (MIMO) في أنظمة 5G من تقنية الاستقطاب لاستخدام موارد الطيف بكفاءة أكبر، مما يعزز سرعات النقل. ويتم تحقيق ذلك من خلال دمج أوضاع استقطاب مختلفة للإشارات مع التعدد المكاني للهوائيات (التنوع المكاني). تنقل هذه الأنظمة مجريي بيانات مستقلين في الوقت نفسه، حيث يُغذّى كل مجرى إلى هوائيات منفصلة ذات استقطاب متعامد، مما يسمح للمستقبل بفك تضمين المجرَيَيْن بشكل منفصل. وعلى الرغم من أن العوامل غير المثالية، بما في ذلك مسارات الانتشار وتشوه القناة والانعكاسات وتأثيرات تعدد المسارات، تُدخل تداخلًا طفيفًا بين الاستقطابات، فإن أجهزة الاستقبال تخفف ذلك داخليًا.
الخاتمة
يُعد الاستقطاب خاصية مهمة للهوائيات، لكنه غالبًا ما يُغفل. يناسب الاستقطاب الخطي (بما في ذلك النوعان الأفقي والعمودي)، والاستقطاب المائل، والاستقطاب الدائري، والاستقطاب البيضاوي سيناريوهات تطبيق مختلفة. ويحدد الاتجاه النسبي ودرجة التطابق بين الهوائيات في طرفي الإرسال والاستقبال الأداءَ العام لوصلة الترددات الراديوية بالكامل بشكل مباشر. تتوفر تجاريًا مجموعة واسعة من الهوائيات القياسية التي تغطي جميع أنواع الاستقطاب ونطاقات تردد RF لتوفير مخططات استقطاب مصممة لتلبية جميع التطبيقات المستهدفة.
