مقدمة عن الهوائيات وعلاقتها بالمجالات الكهرومغناطيسية

بسم الله الرحمن الرحيم

النقاط الدراسية :

الحقل الكهرومغناطيسي و انتشار الأمواج الكهرطيسية -الهوائيات
مقارنة بين ترددات العمل المختلفة و مجال استخدام كل منها
أنظمة التعديل المطالي و الترددي و الطوري ..
جهاز الارسال و جهاز الاستقبال
المازج – استخدام التردد المتوسط IF
أنظمة التعديل الرقمي

مقدمة :
ليس الهدف من هذه المحاضرات الدخول في التفاصيل المعقدة و المعادلات الرياضية ذات المستوى العالي لدراسة الحقول الكهرومغناطيسية و ما إلى ذلك من محاضرات اختصاصية نظرية بحتة ..
بل فسح الفرصة للرواد أن يتمكنوا من تفهم طبيعة وسائل الاتصال المختلفة المحيطة بهم كما هي بشكلها النهائي و مفهومها المبسط
أرجو أن أوفق في هذا الهدف

"و ما أوتيتم من العلم إلا قليلاً "

و إن أخطأنا فصححوا لنا .. فليس بين البشر من هو معصوم

الجزء الأول:

أولاً نبدأ الدراسة من الحقل الكهرومغناطيسي :
إن مرور تيار متناوب عالي التردد في سلك ناقل يسبب نشوء حقل كهربائي و حقل مغناطيسي حول السلك و يتشكل نتيجة تراكب الحقلين حقلاً مركباً من كلا الحقلين يسمى الحقل الكهرومغناطيسي ..
هذا الحقل الكهرومغناطيسي يتميز بخاصية الانتشار أي أن الطاقة المنبعثة عن المنبع الكهربائي يستهلك جزء منها و يتبدد في الجو حيث تنتشر الطاقة على شكل أمواج كهرطيسية مبتعدة عن منبعها الأساسي .
و تتناسب القدرة المشعة مع استطاعة المرسل من جهة و مواصفات الهوائي (سلك الدارة ) من جهة أخرى و طبعاً مع تردد الإرسال ..
بحيث يمكن أن نقول أن طول سلك الهوائي يرتبط بشكل هندسي مع تردد عمل المهتز المولد للإشارة ذات التردد العالي بحيث يكون طول السلك قريب من طول الموجة ..
هناك عدة أنواع من الهوائيات و يعتبر الهوائي العمودي الهوائي الأقصر

حيث يلزم طول للهوائي يساوي ربع طول الموجة كي تنتشر الاشارة بالشدة الأعظمية …
حيث تدخل الإشارة من قاعدة الهوائي و تكون شدة التيار عند هذه النقطة أعظمية تتوزع بشكل متناقص باتجاه الرأس حيث تكون معدومة بطبيعة الحال بينما يتوزع الجهد بشكل معاكس حيث يكون أصغرياً عند القاعدة و أعظمياً عن رأس الهوائي ..
أما إن لم يتوفر هذا الشرط فلن يحدث انتشار للطاقة في الفراغ

إذاً يبرز سؤال هام كم هو طول الموجة الذي نتحدث عنه ؟؟
تنتشر الأمواج الكهرطيسية في الفراغ بسرعة تعادل تقريباً سرعة الضوء ..
وهي 300000 كم / ساعة
و من المعروف أن :
طول الموجة = سرعة الضوء \ تردد الإشارة

و بحساب بسيط يتبين لدينا إن كنا بحاجة لإرسال إشارة بواسطة هوائي عمودي يجب علينا أن نختار تردد عالي قدر الإمكان و إلا اضطررنا لاستخدام هوائي عالي للغاية …. !!

تطبيق حسابي :
نريد أن نستخدم هوائي عمودي لإرسال إشارة لاسلكية ذات تردد 100 كيلو هرتز . كم يجب أن يكون طول الهوائي ؟؟
الجواب :
أولاً نحسب طول الموجة :
طول الموجة = 300000000 \100000
طول الموجة =3000 م
طول الهوائي العمودي اللازم = طول الموجة /4
طول الهوائي = 750 م
طبعاً هذا الهوائي العمودي المطلوب لمثل هذه الإشارة طويل للغاية و قد لا يمكن من الناحية العملية إنجازه و بالتالي

تعليل :
لماذا لا تنتشر الطاقة المنتشرة في شبكة التغذية الكهربائية 50 هرتز في الجو ؟؟؟
احسب طول السلك اللازم لانتشار الطاقة
الجواب طول السلك اللازم = (300000000 \ 50 ) / 4 = 1500000 م
و هذا مستحيل أن يتوفر عملياً .. و بالتالي لن يحدث انتشار الطاقة على شكل أمواج كهرطيسية من الكبلات التي تنقل الكهرباء

انتشار الحقل الكهرومغناطيسي :
ينتشر الحقل الكهرومغناطيسي منطلقاً من الهوائي العمودي بمحور عمودي على هوائي البث
بحيث تنشأ مركبة الحقل الكهربائي موازية للهوائي و عمودية على اتجاه الانتشار
بينما تكون مركبة الحقل المغناطيسي عمودية على اتجاه الانتشار و عمودية أيضاً على مر كبة الحقل الكهربائي
معظم الهوائيات تستفيد من مركبة الحقل الكهربائي و بعضها يعتمد على مركبة الحقل المغناطيسي في الاستقبال مثل هوائي المحطات الراديوية المعدلة مطالياً AM العاملة على مجال الأمواج المتوسطة ..
و تتعلق خصائص انتشار الإشارة بطبيعة الأرض من حيث الخواص الفيزيائية و التضاريسية و المجال الترددي المستخدم و طبعاً طبيعة وسط الانتشار
و سيأتي تفصيل ذلك لاحقاً إن شاء الله ..

الجزء الثاني :

إذاً تبين لنا أن قدرة إشعاع الهوائي مرتبطة بشكل أساسي بموضوع التوافق ما بين تردد الإشارة الذي يغذي الهوائي و طول الهوائي حيث أن هناك علاقة وثيقة بينهما
ففي حالة الهوائي العمودي ذكرنا أن الإشعاع الأمثل يكون حين يعير طول الهوائي بحيث يساوي ربع طول الموجة
و نرى ذلك واضحاً في الأجهزة المستخدمة في حياتنا اليومية
فهوائي الاستقبال الخاص بالمحطات التلفزيونية VHF أكبر بشكل ملموس من الهوائي التلفزيوني الخاص بمحطات UHF كما أن هوائي جهاز الهاتف الخليوي أقصر من هوائي الراديو العادي .. بينما هوائي استقبال الأقمار الصناعية فهو صغير للغاية و موجود ضمن كتلة LNB على شكل شريحة معدنية صغيرة للغاية

سؤال :

نجد أنه في معظم أجهزة الإرسال و الاستقبال فإن تردد العمل يختلف من محطة لأخرى .. و ليس من المنطقي استخدام هوائي جديد في كل مرة .. و مع ذلك الجهاز يعمل بنفس الهوائي كيف يتوافق هذا مع القاعدة المذكورة أعلاه ؟؟؟

الجواب

طبعاً إن لم يتحقق هذا الشرط فإن الهوائي يبث الإشارة المغذاة على مدخله بشدة أقل من حالة التوافق التام ..
حيث أن الهوائي المستخدم له عرض مجال للاستجابة و تكون الاستجابة أعظمية عند تردد معين ..
كما أن محطات الإرسال القوية تولد شدة حقل كهرطيسي كافية لاستقبالها حتى لو لم يكن التوافق تاماً ..
و لكن الشرط يصبح هاماً في حال استقبال المحطات الضعيفة
مع ملاحظة تزويد بعض أجهزة الاستقبال بإمكانية تغيير طول الهوائي.. و أحياناً اتجاهه (هوائي تلسكوبي قابل للطي و الفرد) بحيث يعيره الشخص للاستقبال الأمثلي .
كما أن هذا الشرط يوفر جزء كبير من القدرة في حال مراعاته في أجهزة الإرسال ..

نتيجة هامة :

من الناحية العملية و بما أن هناك محددات قاسية لطول الهوائي المستخدم بحيث لا نستطيع عملياً أن يكون طويلاً للغاية فقد فرض ذلك علينا بشكل إجباري استخدام مولدات تردد عالي لتحقيق قدرة إشعاع جيدة من ناحية و إمكانية استقبالها بهوائيات مناسبة ..

نتيجة هامة :

لا يمكن إرسال إشارة الصوت البشري بشكل مباشر في الجو بواسطة هوائيات فقط .. للأسباب التالية :
- إن تردد الصوت البشري ينحصر ضمن المجال 1-20000هرتز و طبعاً هذا التردد ضئيل للغاية و يحتاج إلى هوائي عملاق لا يمكن تحقيقه عملياً ..
- بما أن التردد ليس ثابتاً بل هو مجال كامل .. فليس من الممكن انتقاء طول معين للهوائي الافتراضي (المستحيل طبعاً ) و بالتالي يمكن اعتبار هذا عاملاً ثانياً يدعو لحل لهذه المشكلة …
التعديل و فك التعديل (كشف الإشارة )
- إن حل هذه المشاكل كان بتطوير أنظمة التعديل المختلفة و يقصد بها استخدام إشارات حاملة ذات تردد عالي يمكنها أن تنتشر في الجو بسهولة و تعديل هذه الإشارات بإشارة المعلومات المفيدة و المطلوب إرسالها أساساً مثل معلومات الصوت في الراديو و اللاسلكي أو معلومات إشارة الصورة في التلفزيون ..
- و إعادة فك التعديل و استخلاص إشارة المعلومات من الإشارة الحاملة في طرف الاستقبال .

سؤال :
كيف نختار التردد لعملية الإرسال ؟؟

يتعلق هذا الأمر بطبيعة الهدف من الإرسال من حيث نوعية المعلومات المرسلة و المسافة التي يجب عليها أن تقطعها
و ظروف الانتشار من حيث وسط الانتشار و حجم جهاز الارسال و الاستقبال و القدرة المطلوب إرسالها .. حيث أن خواص انتشار الإشارة تختلف بشكل كبير بحسب ترددها بشكل كبير

دعونا ننظر إلى تصرف بعض العناصر فى الترددات المختلفة فمثلا
· المكثف :

إن المكثف من أهم العناصر فى دوائر الترددات العالية وسبب أهميته أن معاوقته تتغير مع تغير التردد.

حيث Xc هى إعاقة الترانزستور الذى سعته هى C عندما تمر به إشارة ترددها F

لاحظ التناسب العكسى بين قيمة الإعاقة وقيمة تردد الأشارة والذى نستنبط منه أن إعاقة المكثف تكون أقل مايمكن كلما زاد التردد وهذا ما يستفاد به لتمرير بعض الترددات وحجز ترددات الأخرى . كما يستفاد منه فى عزل الدوائر عن بعضها.

الملف :

لاحظ التناسب الطردى بين الإعاقة والتردد أى أن معاوقة الملف تزيد مع التردد . وذلك ما يستفاد به فى عمل المرشحات التى تمرر بعض الترددات ولا تمرر الترددات الأخرى.

المرشحات Filters :
=================

تقوم المرشحات بفصل الإشارات المفيدة عن الضجيج غير المرغوب فيه وهى نوعان :

1- مرشح LC وهو مرشح غير فعال Passive Filter
2- مرشح RC +مضخم عملياتى وهو مرشح فعال Active Filters

إن هذين النوعين من المرشحات يتمم أحدهما الأخر بدون أن يطغى عليه.......

فالمرشح الفعال RC يغطى مجال الترددات المنخفضة حتى أجزاء صغيرة من الهرتز وهذا عمليا يصعب تحقيقة باستخدام مرشح LC غير فعال وذلك لكبر حجم وغلاء ثمن عناصر هذا المرشح عند هذه الترددات فى حين أن المرشحات الفعالة تتعرض لبعض المشاكل عند الترددات التى تقع فى مجال البضعة ميغاهرتز ولحسن الحظ فإن المرشحات LC غير الفعالة تكون مناسبة جدا لهذا الحيز من الطيف الترددى وهى تكون فعالة حتى تردد 200MHz

الجزء الثالث :

ندرس الآن خصائص وسط الانتشار الفيزيائية و تأثيرها على توزع الطاقة الكهرومغناطيسية و انتشارها .

المواصفات و المحددات الفيزيائية لوسط الانتشار – تأثير وسط الانتشار :
مواصفات وسط الانتشار الفيزيائية و هنا نسرد أهمها :

* ثابت العازلية :
قد يبدو للوهلة الأولى من خلال التسمية أنه خاص بالمواد العازلة كهربائياً و يميز بين الأوساط المختلفة من حيث الناقلية الكهربائية .. و الحقيقة أن هذا غير صحيح بل هو يعبر عن سماحية انتشار الحقل الكهربائي ضمن الأوساط المختلفة .
و هذا العامل لا يرتبط بوجود حوامل الشحنة الحرة (الالكترونات) ضمن المادة المدروسة بل يتناول فقط مقدار القدرة المختزنة في الوسط على شكل حقل كهربائي .
وحدة القياس : فاراد/ م
و هو يحدد خواص الاستقطاب الكهربائي لمادة الوسط حيث أن الأوساط المختلفة تتميز بثوابت عازلية مختلفة .. ففي حالة المكثفة المستوية مثلاً تتغير سعة المكثف بحسب نوع العازل المستخدمة في هذا الوسط حيث تزداد السعة عند زيادة ثابت العازلية ..
عند تطبيق جهد كهربائي ثابت بين طرفي المكثف المستوي يسري تيار لحظي يشحن لبوسي المكثف بشحنة معينة و تخزن طاقة على شكل حقل كهربائي في العازل بين صفيحتي المكثف حيث يختلف مقدار الطاقة المخزنة بحسب طبيعة العازل المستخدمة ..
و بالتالي يعبر ثابت العازلية عن مقدار الطاقة المخزنة على شكل حقل كهربائي ضمن العازل
ثابت العازلية للخلاء المطلق =
8.85*10e-12 F/m

مثلاً الماء المقطر عازل ممتاز .. و لكن يتمتع بثابت عازلية عالي للغاية إذ أنه أعلى من ثابت عازلية الفراغ بثمانين مرة ..
و هذا ناتج عن الطبيعة القطبية للماء المتمثلة بوجود زاوية 108 درجة بين الذرات في جزيء الماء .

* ثابت النفوذيه المغناطيسية :
وحدة القياس : هنري / م
تختلف الأوساط المختلفة من حيث قدرتها على نقل الحقل المغناطيسي .. الهواء ذو ثابت مغناطيسية معين أما الحديد فهو ذو ثابت نافذية عالي .. الكروم ذو ثابت نفوذية أعلى من الحديد

عند عمل ملف أو وشيعة كهربائية و تمرير تيار ثابت ضمن الوشيعة ينشأ حقل مغناطيسي منتظم داخل الوشيعة يسبب جذب المواد الحديدية لداخل الحقل أو قد يتنافر مع حقل مغناطيسي خارجي ..
المهم و بشكل مشابه لحالة الحقل الكهربائي .. تختلف الأوساط المختلفة بقدرة تخزين الطاقة على شكل حقل مغناطيسي فإن كانت مادة القلب للملف المذكور هوائية تكون الطاقة المغناطيسية المتولدة ضئيلة مقارنة مع قلب حديدي للملف ..

ثابت نفوذيه الخلاء المطلق تساوي
4*pi * 10e-7 H/m
pi=3.14

* ثابت الناقلية الكهربائية : ن
وحدة القياس : سيمنس/م
علماً أن السيمنس هو مقلوب الأوم
و يعبر عن توفر حوامل الشحنة في المادة .. حيث أن هذا الثابت يكون مرتفعاً في النواقل و منخفضاً في المواد العازلة
في الأوساط التي تكون ناقليتها النوعية منخفضة مثل التربة الرطبة .. فإن ذلك العامل يسبب استهلاكاً كبيراً في طاقة الأمواج الكهرطيسية على شكل حراري و يسبب تخامدها .

إن العوامل الثلاثة المذكورة أعلاه تحدد الخواص الفيزيائية لانتشار الحقل الكهرطيسي
و أهمها
سرعة انتشار الحقل الكهرطيسي ضمن الوسط :
سرعة الانتشار = 1 / جذر (ع . ف)

و هكذا نرى أن سرعة انتشار الأمواج الكهرطيسية في الخلاء تساوي
v=1/sqrt
(8.85 * 10e-12 * 4 * 3.14 *10e-7)
v=3*10e8 m/s
و هي سرعة انتشار الضوء في الفراغ ..

نتيجة :

في أي وسط مادي فإن ثوابت العازلية الكهربائية و النفاذية المغناطيسية قد تأخذ قيماً أكبر من هذه القيم الخاصة بالخلاء المطلق .. و هكذا تكون سرعة الانتشار أقل في مثل هذه الأوساط من سرعة الانتشار في الفراغ المطلق .

في الهواء الجاف تكون سرعة انتشار الأمواج الكهرطيسية مقاربة لسرعة الانتشار في الفراغ المطلق

طول الموجة :
يرتبط طول الموجة بالتردد بالعلاقة البديهية التالية:
عندما تنتشر الإشارة مقداراً يساوي طولاً موجياً كاملاً
فإن هذا يوافق زمناً مقداره دورة كاملة للتردد
و لما كان التردد هو مقلوب الدور الزمني
و
المسافة = السرعة * الزمن
طول الموجة = السرعة * الدورة الزمنية و بالتالي :

طول الموجة = السرعة / تردد الإرسال

سؤال : ماذا تتوقع أن يحدث لطول الموجة عندما ينفذ في وسط مائي علماً أن ثابت عازلية الماء كبير جداً مقارنة مع الخلاء و يساوي ثمانين ضعفاً ؟؟؟

الجواب : أولاً من القانون الخاص بحساب السرعة فمن الواضح أن سرعة الانتشار ستنقص
و بالتالي سينقص الطول الموجي بنفس النسبة .. و تساوي 0.111 مرة

و هذه النتيجة ممتازة من الناحية التطبيقية .........حيث أن: الغواصات تحتاج لهوائيات إرسال أقصر بكثير من الهوائيات الموجودة في الهواء ..

الممانعة المميزة لوسط الانتشار
تخامد شدة الحقل الكهرطيسي أثناء الانتشار

طبيعة و سط الانتشار (الهواء) من حيث المواصفات الفيزيائية الكهربائية و طبيعة الطقس ..
و طبيعة الأرض من حيث المواصفات الفيزيائية الكهربائية
و طبيعة التضاريس
و حسب طول موجة الانتشار أو التردد

سؤال : نسمع كثيراً عن ممانعة الهواء و ممانعة الكبلات المقدرة بالأوم .. و لكن الهواء عازل و الكبلات مصنوعة من النحاس فمن أين تأتي هذه المقاومة ؟؟؟؟ و ماذا تعني ؟؟؟؟

الممانعة المميزة للهواء :

عندما تصل الإشارة الكهربائية إلى هوائي الإرسال قادمة من منبع التردد العالي عبر كبل النقل يقوم هذا الهوائي بتوليد حقلاً كهرومغناطيسياً ينتشر مبتعداً عن هوائي الإرسال .
و بالتالي فإن القدرة التي يرسلها المولد عبر الكبل تستهلك عند هوائي الإرسال و كأنه عبارة عن مقاومة أومية
بحتة ..
و يمكن فهم ذلك بطريقة أخرى وهي أن الحقل الكهرطيسي الذي يتم إشعاعه بعيداً عن هوائي الإرسال عبارة عن مركبتين متعامدتين حقل كهربائي متناوب و آخر مغناطيسي له نفس التردد .. و متفقان بالطور .
وحدة قياس الحقل الكهربائي فولت / م
وحدة قياس الحقل المغناطيسي أمبير / م

الحقيقة أن حاصل قسمة شدة الحقل الكهربائي / شدة الحقل المغناطيسي ذو وحدة هي فولت / أمبير أي أوم
و هي نفسها المقاومة المكافئة للخلاء (و بشكل مساوي تقريباً الهواء ) و تساوي 377 أوم
وهي تساوي من الناحية العملية
الممانعة الموجية = جذر (ف/ع)
و يمكن التحقق من ذلك بتعويض القيم ن و ع في المعادلة .

الممانعة المميزة لكابلات النقل و توافق الممانعات :

تنتقل الإشارة الكهربائية من المنبع باتجاه النهاية البعيدة للكبل .. و عندما يكون تردد العمل عالياً يكون طول الموجة قصيراً و بالتالي تختلف قيمة الجهد الكهربائي و التيار في لحظة معينة بين النقاط المختلفة للكبل و هكذا يحدث توزع معين للطاقة على طول الكبل .. و غالباً ما يحدث انعكاس للطاقة عند الحمل فلا يكون الاستهلاك عند الحمل مثالياً و تتداخل الأمواج القادمة من المنبع و المنعكسة عن الحمل بهذا الشكل .. و هذه المشكلة تسبب الكثير من المشاكل الفنية لأجهزة الإرسال أهمها :
عدم التمكن من إرسال الطاقة بالقدرة الأعظمية التي يولدها المولد و بالتالي انخفاض طاقة الإرسال ..
وجود الأمواج المنعكسة قد تسبب ضرراً للمرسل بحد ذاته
في بعض أنظمة الشبكات التي تحتاج إلى توافق (مثل شبكات الكومبيوتر )قد يؤدي وجود أمواج منعكسة إلى ضجيج لا يسمح باتمام عملية الاتصال بشكل صحيح ..

سؤال : ما المقصود بتوافق الممانعات بين المولد – المرسل – و الحمل – الهوائي-
المقصود هو انتقال الطاقة من المنبع إلى الحمل دون انعكاس . و بالتالي تحقيق المردود الأعظمي من عملية النقل .
الحالة الأولى : لو كان الكبل طويلاً أو لا نهائي الطول فلن يحدث أي انعكاس
الحالة الثانية : أن يكون الحمل ذو قيمة محددة تسمى الممانعة المميزة .
الحالة الثالثة : استخدام دارات توفيق الممانعات و هي عبارة عن مجموعة من العناصر الكهربائية تشكل شبكة بسيطة تغير من الممانعة المنظورة بين الكبل و الحمل بحيث يحدث التوافق المطلوب .

لكل هوائي إرسال ممانعة مميزة تتحدد من خلال بنيته التصميمية و طبيعة الوسط الذي يتوضع به و هو في معظم الأحيان الهواء
و كذلك كبلات الإرسال تتميز بممانعة مميزة أيضاً تتعلق ببنية الكبل و شكله .
يتم وضع محول أو شبكة توفيق ممانعات بين هوائي الإرسال و كبل نقل الإشارة بحيث يتم نقل الإشارة بالشدة العظمى الممكنة .

و صلى الله على محمد صلى الله عليه وسلم

يا حظ قسم كهرباء بمشاركاتك العظيمه

» الكهرومغناطيسية
» شاهد صور هذه الملعونة وعلاقتها بالشباب
» الموسوعة الشاملة عن البوذية
» المسيحية
» مقدمة في الarray