هوائي
سهل الفهم! بعد قراءته أنت نصف خبير هوائي
يقدر بـ 20 دقيقة لإنهاء القراءة
كما نعلم جميعًا، يتم استخدام الهوائيات بواسطة المحطات الأساسية والهواتف المحمولة لنقل الإشارات.
كلمة هوائي باللغة الإنجليزية هي هوائي، والتي تعني في الأصل مخالب. اللوامس عبارة عن سلكين رفيعين وطويلين موجودين أعلى رأس الحشرة. لا تقلل من شأن هذا الشيء غير الواضح، لكن الإشارات الكيميائية التي ترسلها هذه المجسات هي التي تنقل معلومات اجتماعية متنوعة.
وبالمثل، في العالم البشري، تستخدم الاتصالات اللاسلكية أيضًا هوائيات لنقل المعلومات، لكن الموجات الكهرومغناطيسية هي التي تحمل معلومات مفيدة. الصورة أدناه هي مثال للهاتف الخليوي والمحطة الأساسية التي تتواصل مع بعضها البعض.
إذا رفعت رأسك للتدقيق في المحطة الأساسية، ستجد أنه في أعلى البرج، توجد بعض الأشياء التي تشبه اللوحة، وهو بطل هذا المقال: هوائي الاتصالات، والهاتف الخليوي في أغلب الأحيان، والاتصال المباشر بالعين . هل هذه البضائع.
ويسمى هذا الهوائي هوائي اتجاهي، كما يوحي الاسم، هو أن انبعاث الإشارة موجه. إذا كان مواجهًا لك، فالإشارة فقط؛ إذا كنت تقف وراء ذلك، ثم آسف، وليس في منطقة الخدمة!
في الوقت الحاضر، الغالبية العظمى من المحطات الأساسية التي تستخدم الهوائيات الاتجاهية، تحتاج عمومًا إلى ثلاثة هوائيات لإكمال التغطية بزاوية 360 درجة. ولكشف النقاب عن الحجاب الغامض لهذه البضائع، لا بد من تفكيكها لمعرفة ما تم تحميله بالفعل بداخلها.
الفارغة الداخلية، هيكلها غير معقد بشكل جيد، وتتكون من هزازات، لوحة عاكسة، شبكة تغذية ورادوم. ماذا تفعل هذه الهياكل الداخلية، وكيفية تحقيق وظيفة الإرسال الاتجاهي واستقبال الإشارات؟
هذا كله من الموجة الكهرومغناطيسية للبدء.
تقشير طبقة الهوائي للخلف
الهوائيات قادرة على نقل المعلومات بسرعات عالية لأنها تبعث موجات كهرومغناطيسية تحتوي على معلومات في الهواء، وتنتقل بسرعة الضوء وتصل في النهاية إلى هوائي الاستقبال .
إنه مثل نقل الركاب في قطار فائق السرعة. إذا قارنت المعلومات بالركاب، فإن السيارة التي تنقل الركاب: القطار فائق السرعة هو الموجة الكهرومغناطيسية، والهوائي هو ما يعادل المحطة، التي تدير إرسال الموجة الكهرومغناطيسية.
إذن ما هي الموجات الكهرومغناطيسية؟
لقد درس العلماء القوتين الغامضتين للكهرباء والمغناطيسية لمئات السنين، وبلغت ذروتها في اقتراح ماكسويل الإنجليزي بأن التيار الكهربائي يمكن أن ينتج مجالًا كهربائيًا في المنطقة المجاورة له، والمجال الكهربائي المتغير ينتج مجالًا مغناطيسيًا، والمجال المغناطيسي المتغير ينتج مجال كهربائي. وفي النهاية تم تأكيد هذه النظرية من خلال تجارب هيرتز.
مع وجود المجال الكهرومغناطيسي في مثل هذا التحول الدوري، تشع الموجات الكهرومغناطيسية وتنتشر في الفضاء. لمزيد من التفاصيل، راجع المقال، "الموجات الكهرومغناطيسية لا يمكن رؤيتها أو لمسها، فكرة هذا الشاب الغريبة غيرت العالم."
كما هو موضح في الشكل أعلاه، يمثل الخط الأحمر المجال الكهربائي، والخط الأزرق يمثل المجال المغناطيسي، ويكون اتجاه انتشار الموجة الكهرومغناطيسية عموديًا على اتجاه المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي في نفس الوقت.
إذًا، كيف يرسل الهوائي هذه الموجات الكهرومغناطيسية؟ بعد النظر إلى الشكل أدناه، سوف تفهم.
يُطلق على السلكين اللذين يولدان الموجات الكهرومغناطيسية اسم "المذبذبات". بشكل عام، يكون حجم المذبذب بنصف الطول الموجي عند الحصول على أفضل النتائج، لذلك يطلق عليه غالبًا "مذبذب نصف الموجة".
باستخدام المذبذب، يمكن انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية بشكل مستمر. هذا هو مبين في الشكل أدناه:
المذبذب الحقيقي يبدو هكذا.
يقوم مذبذب نصف الموجة بنشر الموجة الكهرومغناطيسية إلى الفضاء بشكل مستمر، ولكن قوة الإشارة ليست موزعة بشكل موحد في الفضاء، مثل حلقة مثل الإطار. الإشارة قوية أفقياً، لكنها ضعيفة عمودياً.
في الواقع، يجب أن تكون تغطية محطتنا الأساسية أبعد قليلاً في الاتجاه الأفقي، بعد كل شيء، نحتاج إلى استدعاء الأشخاص الموجودين على الأرض؛ الاتجاه الرأسي إلى الارتفاعات العالية، والارتفاع في الهواء ليس هناك حاجة كبيرة للطيران أثناء تنظيف الأشخاص في Jitterbug (تغطية الطريق موضوع مختلف، يتبعه حديث).
لذلك، في انبعاث طاقة الموجات الكهرومغناطيسية، على الرغم من أن الاتجاه الرأسي لطاقة مذبذب نصف الموجة كان ضعيفًا نسبيًا، ولكنه يحتاج أيضًا إلى زيادة تعزيز الاتجاه الأفقي، فإن الاتجاه العمودي يضعف بعض الشيء أكثر.
وفقا لمبدأ حفظ الطاقة، فإن الطاقة لا تزيد ولا تنقص، وإذا أردنا تعزيز الطاقة المنبعثة في الاتجاه الأفقي، فلا بد من إضعاف الطاقة في الاتجاه العمودي. لذلك، فإن الطريقة الوحيدة لتسطيح خريطة اتجاه إشعاع الطاقة القياسية لصفيف نصف الموجة، كما هو موضح في الشكل أدناه.
فكيف تتسطح ذلك؟ الجواب هو زيادة عدد مذبذبات نصف الموجة. انبعاث هزازات متعددة في مركز التقارب، تم إضعاف حافة الطاقة، اتجاه الإشعاع لتحقيق تسطيح التصفيق، تركيز الطاقة في الاتجاه الأفقي للغرض.
تُستخدم الهوائيات الاتجاهية بشكل شائع في أنظمة المحطات الأساسية العامة. بشكل عام، تنقسم المحطة الأساسية إلى 3 قطاعات ومغطاة بـ 3 هوائيات، يغطي كل هوائي نطاقًا قدره 120 درجة.
من الشكل أعلاه يمكننا أن نرى بوضوح أن هذه المحطة الأساسية تتكون من ثلاثة قطاعات، باستخدام ثلاث وحدات RF، الأمر الذي يتطلب ثلاثة أزواج من الهوائيات الاتجاهية لتحقيقها.
التخطيطي أعلاه أكثر بديهية بعض الشيء. وتقع المحطة الأساسية في وسط الدائرة، وهي عبارة عن فطيرة كبيرة مقسمة إلى ثلاثة أجزاء، كل منها قطاع بزاوية 120 درجة، ولذلك يطلق عليها ثلاثة قطاعات.
إذًا كيف يحقق الهوائي انبعاثًا اتجاهيًا للموجات الكهرومغناطيسية؟
بالتأكيد ليس من الصعب التغلب على مصمم ذكي. لإضافة عاكس إلى المذبذب، ينبغي أن تشع الإشارة إلى الجانب الآخر من الانعكاس مرة أخرى إليه؟
لذلك قم بزيادة الهزاز بحيث تكون الموجة الكهرومغناطيسية في الاتجاه الأفقي أبعد، ثم قم بزيادة العاكس للتحكم في الاتجاه، وبعد رميتين، ولد النموذج الأولي للهوائي الاتجاهي، واتجاه انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية إلى الشكل التالي.
ينطلق الجانب الأفقي من الرفرف الرئيسي إلى مسافة بعيدة، أما الاتجاه العمودي فينتج الجانب العلوي من الرفرف والجانب السفلي من الرفرف، وفي نفس الوقت بسبب عدم اكتمال الانعكاس، يوجد ذيل عند الظهر، المعروف باسم الجزء الخلفي من الرفرف.
عند هذه النقطة، يأتي دور شرح المقياس الأكثر أهمية للهوائي: "الكسب".
وكما يوحي الاسم، فإن الكسب يعني أن الهوائي يعزز الإشارة. ومن المعقول أن نقول إن الهوائي لا يحتاج إلى طاقة، فقط ينقل الموجة الكهرومغناطيسية المرسلة إليه، فكيف يمكن أن يكون هناك "كسب"؟
في الواقع، ليس هناك "مكسب"، المفتاح لمعرفة من، وكيفية المقارنة.
كما هو موضح في الشكل أدناه، بالنسبة لمصدر الإشعاع النقطي المثالي ومذبذب نصف الموجة، يمكن للهوائي جمع الطاقة في اتجاه البتلة الرئيسية، ويمكنه إرسال الموجة الكهرومغناطيسية أبعد، أي ما يعادل اتجاه البتلة الرئيسي للتعزيز . وهذا يعني أن ما يسمى بالكسب يكون في اتجاه معين بالنسبة إلى مصدر الإشعاع النقطي أو مذبذب نصف الموجة.
لذا، في النهاية، كيفية قياس تغطية الصمام الرئيسي للهوائي وكسبه؟ وهذا يتطلب إدخال مفهوم "عرض الحزمة". نحن نطلق على الرفرف الرئيسي على جانبي الخط المركزي توهين شدة الموجة الكهرومغناطيسية إلى نصف نطاق عرض الحزمة.
نظرًا لأن شدة التوهين تبلغ النصف، أي 3 ديسيبل، فإن عرض الشعاع يُسمى أيضًا "زاوية طاقة نصف" أو "زاوية طاقة 3 ديسيبل".
هوائي مشترك بنصف زاوية الطاقة إلى 60 درجة على الأكثر، وهناك أيضًا بعض الهوائيات الأضيق بمقدار 33 درجة. كلما كانت زاوية نصف الطاقة أضيق، كلما انتشرت الإشارة في اتجاه الصمام الرئيسي، وكلما زاد الكسب.
نجمع في الأسفل بين مخططات الهوائي الأفقية والرأسية، ونحصل على مخطط إشعاع ثلاثي الأبعاد، ويبدو أكثر سهولة.
من الواضح أن وجود الغطاء الخلفي يدمر اتجاه الهوائي الاتجاهي، ويجب تقليله. تسمى نسبة الطاقة بين الغطاء الأمامي والخلفي "قبل النسبة وبعدها"، وكلما زادت القيمة كلما كان ذلك أفضل، وهي مؤشر مهم للهوائي.
يتم إطلاق القوة القيمة للجانب العلوي من الرفرف في السماء مجانًا، ولكنها أيضًا ليست هدرًا صغيرًا، لذلك في تصميم الهوائيات الاتجاهية، يجب محاولة تقليل الجانب العلوي من قمع الرفرف.
بالإضافة إلى ذلك، يوجد بين الرفرف الرئيسي والرفرف الجانبي السفلي بعض الثقوب، والمعروفة أيضًا بالجزء السفلي من الترهل الصفري، مما يؤدي إلى اقتراب الهوائي من مكان الإشارة بشكل غير جيد، في تصميم الهوائي لتقليل هذه الثقوب، وهو ما يعرف بـ"حشوة نقطة الصفر".
أن نكون صادقين مع الهوائي
مفهوم آخر مهم للهوائيات هو الاستقطاب.
كما ذكرنا سابقًا، فإن انتشار الموجات الكهرومغناطيسية هو في الأساس انتشار للمجالات الكهرومغناطيسية، والمجالات الكهربائية لها اتجاه.
إذا كان اتجاه المجال الكهربائي عموديًا على الأرض، فإننا نسميها موجة مستقطبة رأسيًا. وبالمثل، فهي موجة مستقطبة أفقيًا، موازية للأرض.
إذا كان اتجاه المجال الكهربائي يشكل زاوية 45° مع الأرض، فإننا نسميها الاستقطاب ±45°.
بسبب خصائص الموجات الكهرومغناطيسية، تقرر أن انتشار الاستقطاب الأفقي للإشارة بالقرب من الأرض سينتج تيار استقطاب على سطح الأرض، بحيث توهين إشارة المجال الكهربائي بسرعة، والاستقطاب العمودي ليس من السهل إنتاج تيار الاستقطاب ، وبالتالي تجنب التوهين الكبير للطاقة، لضمان الانتشار الفعال للإشارة.
كمخطط تحسين، يتم الآن استخدام الهوائيات السائدة ± 45 درجة طريقتين للاستقطاب متراكبتين بواسطة مذبذبين في وحدة لتشكيل موجتي استقطاب متعامدتين، تُعرف باسم الاستقطاب المزدوج. هذا الإدراك من أجل ضمان الأداء في نفس الوقت، يؤدي أيضًا إلى تحسين تكامل الهوائي بشكل كبير.
هذا هو السبب الذي يجعل مخططات الهوائي ترسم عددًا من الشوكات بالداخل، وتمثل هذه الشوكات مجازيًا اتجاه الاستقطاب وعدد المذبذبات.
مع هوائي اتجاهي عالي الكسب ، يمكن تعليقه مباشرة على البرج؟
من الواضح أن المباني المنخفضة المعلقة تغطي مساحة كبيرة جدًا، لا؛ معلقة عالياً، لا أحد في الهواء، إهدار للإشارة، والسماح للإشارة بالانتشار بعيدًا، بالكاد تقبل المحطة الأساسية، ولكن قوة إرسال الهاتف الخلوي صغيرة جدًا، لا يمكن استقبال المحطة الأساسية المرسلة.
لذلك، يجب على هذا الهوائي أن ينقل الإشارات إلى الأرض التي يوجد بها أشخاص، ويجب التحكم في التغطية. ويتطلب ذلك أن يكون الهوائي مائلاً إلى الأسفل بزاوية، مثل مصباح الشارع، ويكون كل هوائي مسؤولاً عن تغطية المناطق المخصصة له.
يقدم هذا مفهوم إمالة الهوائي للأسفل.
تحتوي جميع الهوائيات على مقبض بمقياس زاوية على دعامة التثبيت الخاصة بها، ومن خلال لف المقبض للتحكم في الحركة الميكانيكية للدعامة، يمكن تعديل زاوية الميل لأسفل. لذا، فإن ضبط الإمالة لأسفل بهذه الطريقة يسمى أيضًا الإمالة الميكانيكية لأسفل.
ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها عيبان واضحان.
الأول هو المتاعب. من أجل تحسين الشبكة لضبط الزاوية، تحتاج إلى مهندسين لتسلق البرج في المحطة، والتأثير الفعلي ليس جيدًا بما يكفي ليقوله، فهو غير مريح، وتكلفة عالية.
والثاني هو أن تعديل الميل الميكانيكي بسيط للغاية وخشن، وأن سعة المكون الرأسي والمكون الأفقي للهوائي لم تتغير، لذلك سيؤدي ذلك إلى تسطيح خريطة اتجاه التغطية، مما يؤدي إلى تشويه.
بعد الكثير من الجهد، تم تغيير التغطية قبل التعديل وبعده بالكامل، ومن الصعب تحقيق التأثير المطلوب، ولكن أيضًا بسبب الانحناء التصاعدي للبتلة الخلفية يؤدي إلى زيادة تداخل المحطة الأساسية الأخرى أيضًا، وبالتالي فإن زاوية الميل الميكانيكية لا يمكن تعديلها إلا بزيادات صغيرة.
فهل هناك طريقة أفضل؟
هناك حقًا طريقة، وهي استخدام الميل الإلكتروني. مبدأ الميل الإلكتروني للأسفل هو تغيير مرحلة مذبذب هوائي صفيف الخط المشترك، وتغيير سعة المكون الرأسي وحجم المكون الأفقي، وتغيير قوة مجال المكون المركب، بحيث يكون الاتجاه الرأسي لشكل الهوائي لأسفل.
وهذا يعني أن الإمالة الإلكترونية لأسفل لا تحتاج حقًا إلى السماح بإمالة الهوائي، بل تحتاج فقط إلى مهندسين أمام الكمبيوتر، والإشارة والنقر بالماوس، مع إمكانية تعديل البرنامج. علاوة على ذلك، فإن الميل الإلكتروني لن يسبب تشويه خريطة اتجاه الإشعاع.
إن بساطة وراحة الميل الإلكتروني لا تأتي من العدم، ولكن من خلال الجهود المشتركة التي تبذلها الصناعة لتحقيقها.
في عام 2001، اجتمع العديد من مصنعي الهوائيات معًا، وأنشأوا منظمة تسمى AISG (مجموعة معايير واجهة الهوائي)، ويريدون توحيد واجهة هوائي ESC.
حتى الآن، كان هناك نسختان من الاتفاقية: AISG 1.0 وAISG 2.0.
باستخدام هذين البروتوكولين، حتى لو تم إنتاج الهوائي والمحطة الأساسية من قبل شركات مصنعة مختلفة، طالما أنهم جميعًا يتبعون نفس بروتوكول AISG، فيمكنهم تمرير معلومات التحكم في إمالة الهوائي لبعضهم البعض، وتحقيق ضبط الإمالة عن بعد زاوية.
مع التطور العكسي لبروتوكول AISG، لا يمكن تعديل زاوية الميل الرأسي عن بعد فحسب، بل حتى زاوية السمت الأفقية، كما يمكن تعديل عرض وكسب الغطاء الرئيسي عن بعد.
علاوة على ذلك، نظرًا للعدد المتزايد من النطاقات اللاسلكية لكل مشغل، إلى جانب الزيادة الكبيرة في عدد منافذ الهوائي التي تتطلبها تقنية MIMO الخاصة بـ 4G وغيرها من التقنيات، فإن الهوائي يتطور أيضًا تدريجيًا من منفذ مزدوج أحادي التردد إلى متعدد المنافذ. تردد متعدد المنافذ.
يبدو مبدأ الهوائي بسيطًا، لكن السعي لتحقيق التميز في الأداء ليس له نهاية. هذه المقالة حتى هذه اللحظة، ليست سوى وصف نوعي للمعرفة الأساسية للمحطة الأساسية، أما بالنسبة للغموض الأعمق في الداخل، وكيفية دعم التطور إلى 5G بشكل أفضل، فإن موجة الاتصالات لا يزال الناس صعودًا وهبوطًا ويسعون!
