الوحدة 7 · الدرس 1

كيف تُشعّ الهوائيات وتستقبل

13 دقيقة قراءة
مقال

كل ما جرى في الدورة حتى الآن جرى داخل سلك. اخترنا حاملاً، وضمّنّاه، وشكّلنا نبضاته، وأحصينا بتاته لكل هرتز. لكن الرابط اللاسلكي ليس سلكاً — فلا بدّ للإشارة في لحظةٍ ما أن ترحل، وأن تقطع غرفةً أو قارّةً كموجةٍ في الفضاء الحرّ، ثم أن تُلتقَط من جديد. والعنصر الذي ينجز شطري هذه الحيلة هو الهوائي، وهو أكثر أجزاء أي راديو ماديّةً وأقلّها تجريداً.

الإشعاع يبدأ من التعجيل

ابدأ بما لا يُشعّ. شحنةٌ ساكنة لها مجال كهربائي حولها، لكن ذلك المجال ساكنٌ هو أيضاً — لا شيء يسافر. ادفع تلك الشحنة في سلكٍ بمعدّلٍ ثابت فتحصل على تيّار مستمر يضيف مجالاً مغناطيسياً ساكناً يلتفّ حول السلك. ولا شيء يسافر بعد. دارةٌ بتيّارٍ مستمر، مهما حملت من تيّار، لا تُشعّ قدرةً على الإطلاق: ولهذا فأسلاك جدران بيتك ليست مرسِلاً.

الشيء الوحيد الذي يجعل الشحنة تُشعّ هو التعجيل. فحين تغيّر الشحنة سرعتها لا تستطيع خطوط المجال المرتبطة بها أن تُعيد ترتيب نفسها لحظيّاً — إذ يسافر خبر الموضع الجديد نحو الخارج بسرعة c، فتظهر ثنيةٌ في المجال وترتحل بعيداً عن الشحنة إلى الأبد. وتلك الثنية، القائمة بذاتها لأن مجالاً كهربائياً متغيّراً يولّد مجالاً مغناطيسياً وبالعكس (الوحدة 1)، هي الموجة الكهرومغناطيسية. والقدرة المُشعّة تتناسب مع مربّع التعجيل:

قدرة لارمور المُشعّة
P_{\text{rad}} = \frac{q^2 a^2}{6\pi \varepsilon_0 c^3}
شحنةٌ واحدة متعجّلة q تُشعّ قدرةً كليّة تتناسب مع a². ونتيجتان تُقرآن مباشرةً من الصيغة: لا تعجيل يعني لا إشعاع، والاهتزاز الأسرع يُشعّ أقوى بكثير — وهذا هو السبب العميق لصعود الراديو في التردّد على مدى قرن.

ضع الآن تيّاراً متردّداً على سلكٍ مستقيم. تُدفَع الإلكترونات نحو أحد الطرفين، فتتباطأ، فتنعكس، فتعود مسرعةً في الاتجاه الآخر، ملايين المرّات في الثانية. إنها تتعجّل باستمرارٍ تقريباً، ومتناسقةً، على طول السلك كلّه — ومساهماتها تتجمع على الطور في بعض الاتجاهات. هذا هو الهوائي. لا يُشترط شيء أغرب من ذلك: موصلٌ يحمل تيّاراً متذبذباً يُشعّ، شئت أم أبيت، ولهذا صار الإشعاع غير المقصود من مسارات الساعة تخصّصاً هندسياً كاملاً.

الهوائي محوّل طاقة

أنقى تصوّرٍ للهوائي أن تراه محوّل طاقة، بالمعنى نفسه الذي يكون به مكبّر الصوت كذلك. مكبّر الصوت يحوّل إشارةً كهربائية إلى موجة ضغطٍ في الهواء؛ والهوائي يحوّل موجةً كهرومغناطيسية موجَّهة — تلك التي تسافر في كابل محوري أو في مسارٍ على لوحة، مقيّدةً بموصلاتها — إلى موجةٍ غير موجَّهة تنتشر وحدها بلا موصلٍ تتبعه. إنه يغيّر صورة الطاقة، لا المعلومة التي تحملها.

وكمكبّر الصوت، عليه أيضاً أن يوافق ما يقوده. فخطّ التغذية يقدّم ممانعةً مميّزة (50 أوم في كل مكانٍ من الراديو تقريباً)؛ والهوائي يقدّم ممانعة دخله الخاصة، وأي عدم توافقٍ يعكس القدرة راجعةً في الخطّ بدل أن يطلقها. ثنائي القطب نصف الموجة في الفضاء الحرّ يقع قرب 73 أوم، وهذا جزءٌ كبير من سبب استقرار 50 أوم و75 أوم كمعياريْن. أمّا الوسائط التي تقيس جودة أداء هذا المحوّل — الكسب، ونمط الإشعاع، والاستقطاب، وعرض النطاق — فهي مادة الدرس M7-L2 كلّها؛ ويكفينا هنا التصوّر.

الهوائي لا يُكبّر. تعثر هذه الفكرة الجميع تقريباً في المرّة الأولى. الهوائي السلبي لا يضيف طاقة، فـ«كسبه» ليس تكبيراً — بل إعادة توزيع. فتركيز الإشعاع في حزمةٍ ضيّقة يجعل الإشارة أقوى في ذلك الاتجاه وأضعف بالمقدار المكافئ في كل ما عداه. القدرة المُشعّة الكليّة يحدّدها المرسِل؛ والهوائي لا يقرّر إلا إلى أين تذهب.

لماذا يتبع حجم الهوائي طول الموجة

لكي تتجمع الشحنات على طول السلك بناءً لا أن تتنازع، لا بدّ أن يكون السلك كسراً معقولاً من طول موجة التيّار الذي يجري فيه. اجعله أقصر بكثير فينضغط توزيع التيّار في حيّزٍ ضئيل، وتنهار مقاومة الإشعاع، وتذهب معظم قدرتك إلى تسخين الموصل بدل الرحيل عنه. والحجم الطبيعي، حيث يرنّ السلك ويجري التيّار بحرّية، هو نصف طول موجة — وعبر c = fλ (الدرس M1-L2) يثبّت ذلك طولاً ماديّاً انطلاقاً من تردّد:

طول ثنائي القطب نصف الموجة
L = \frac{\lambda}{2} = \frac{c}{2f}
عند 100 ميغاهرتز، λ = 3×10⁸/10⁸ = 3 أمتار، فيكون ثنائي القطب نصف الموجة 1.5 متر. وعند 2.4 غيغاهرتز، λ = 3×10⁸/2.4×10⁹ = 0.125 متر، فيصير الثنائي نفسه 6.25 سم — صغيراً بما يكفي ليختفي في غطاء حاسوبٍ محمول. وثنائيات القطب الحقيقية تُقصّ أقصر بنحو 5% من λ/2 مراعاةً لتأثيرات الأطراف.
النطاقالتردّدλ = c/fثنائي القطب نصف الموجة
بثّ تضمين السعة1 ميغاهرتز300 م150 م (وعمليّاً سارية λ/4 بطول 75 م فوق الأرض)
بثّ تضمين التردّد100 ميغاهرتز3 م1.5 م
خلوي (GSM)900 ميغاهرتز33.3 سم16.7 سم
WiFi / Bluetooth2.4 غيغاهرتز12.5 سم6.25 سم
أقمار / رادار10 غيغاهرتز3 سم1.5 سم
5G ملّيمتري28 غيغاهرتز1.07 سم5.4 مم

يشرح هذا الجدول قسطاً وافراً من العالم المادي بنظرةٍ واحدة. محطّات تضمين السعة تحتاج أرضاً لا رفوف أجهزة، لأن سواريها ربع الموجيّة بارتفاع 75 متراً. وهوائي سيّارةٍ قديم من نوع السوط كان مقصوصاً لنطاق 100 ميغاهرتز. ومصفوفة 5G عند 28 غيغاهرتز تضع عشرات العناصر في مساحة ظفرٍ — وهذا بالضبط سبب صيرورة تشكيل الحزمة عمليّاً عند الموجة الملّيمترية لا عند التردّدات العالية جدّاً.

المجال القريب والمجال البعيد

قرب الهوائي تكون المجالات فوضوية. تتقاذف الطاقة بين الهوائي والفضاء المجاور له مباشرةً دون أن تفلت أبداً، ولا تكون E وB في النسبة المتعامدة الأنيقة لموجةٍ مسافرة، ويتبدّل شكل المجال كلّما تحرّكت. وبعيداً، يهدأ ذلك كلّه: تصبح الموجة محليّاً موجةً مستوية، وتصير E وB متعامدتين ومتوافقتي الطور، وتهبط القدرة كـ1/r²، ويتوقّف شكل النمط عن التغيّر — ولا يتغيّر إلا مقداره. لذلك يقسّم المهندسون الفضاء حول هوائيٍّ أكبر أبعاده D إلى ثلاث مناطق:

حدود مناطق المجال
r_{\text{reactive}} < 0.62\sqrt{\frac{D^3}{\lambda}} \qquad r_{\text{far}} > \frac{2D^2}{\lambda}
ما دون المسافة الأولى هو المجال القريب التفاعلي؛ وما بين المسافتين هو المجال القريب المُشِعّ (منطقة فرينل)، حيث تكون الموجة راحلةً فعلاً لكن النمط لم يتشكّل بعد؛ وما بعد الثانية هو المجال البعيد (منطقة فراونهوفر)، وهو ما يفترضه كل رقم كسبٍ منشور وكل نموذج انتشار.

مثال محسوب: طبق بقطر متر عند 10 غيغاهرتز

خُذ D = 1 متر وf = 10 غيغاهرتز، فيكون λ = 3×10⁸/10¹⁰ = 0.03 متر. الحدّ التفاعلي هو 0.62√(D³/λ) = 0.62√(1/0.03) = 0.62 × 5.774 = 3.6 م. وحدّ المجال البعيد هو 2D²/λ = 2 × 1² / 0.03 = 66.7 م. أي:

سبعةٌ وستون متراً رقمٌ غير مريح، وهذا هو المقصود: توصيف هوائيٍّ كبيرٍ عالي التردّد يحتاج إمّا مدىً خارجياً طويلاً جدّاً أو ماسحاً للمجال القريب يقيس عن قربٍ ثم يحوّل النتيجة رياضيّاً. وتحذيرٌ صادقٌ واحد — معيار 2D²/λ يفترض أن D أكبر من λ بمريح. أمّا الهوائي الصغير (ثنائي قطبٍ بطول 6.25 سم مثلاً) فالصيغة تعيد له سنتيمترات، وهذا هُراء؛ فالشرط المُلزِم هناك هو ببساطة r > بضعة أطوال موجة، واصطلاحاً r > 3λ. فطبّق دائماً الأكبر من الاثنين.

لماذا يهمّ هذا خارج المختبر. تُكتب حدود تعرّض الإنسان للترددات الراديوية بدلالة كثافة القدرة في المجال البعيد، لكن هاتفاً ملتصقاً برأسك يقع في عمق المجال القريب لهوائيه — وهذا بالضبط سبب قياس مطابقة الهواتف بدلالة SAR (القدرة الممتصّة لكل كيلوغرام من النسيج) عوضاً عن ذلك. وهو أيضاً سبب عمل بطاقة NFC أو الشاحن اللاسلكي أصلاً: فتلك أجهزة مجالٍ قريب، تتزاوج تفاعليّاً عند بضعة سنتيمترات، وهي لا تحاول أن تُشعّ.

التقابل: هوائي واحد، اتجاهان

وهذه أنفع حقيقةٍ في الموضوع كلّه. فلأي هوائيٍّ مبنيٍّ من موادّ خطّية سلبية عادية، تضمن مبرهنة التقابل أن سلوكه واحدٌ سواءً كان يُرسل أو يستقبل. النمط نفسه، والكسب نفسه، وممانعة الدخل نفسها، واستجابة الاستقطاب نفسها، وعرض النطاق نفسه. فالهوائي الذي يُشعّ نحو الأفق أقوى بـ20 ديسيبل منه إلى الأعلى هو كذلك أكثر حساسيةً نحو الأفق بـ20 ديسيبل، وبالأرقام ذاتها.

وما يشتريه ذلك للمهندس هائل: تقيس مرّةً وتستعمل النتيجة في الاتجاهين. فمدارج قياس الهوائيات تختبر في وضع الإرسال غالباً لأن تجهيزه أيسر، ثم تذكر الأرقام للاستقبال بلا تردّد. وميزانيات الروابط تستعمل رقم كسبٍ واحداً لكل هوائي مهما كان الاتجاه. والقطاع في محطّة القاعدة الذي يغطّي منطقةً في الوصلة الهابطة يغطّي المنطقة نفسها في الصاعدة. ويستطيع الهاتف أن يستعمل هوائياً واحداً للاثنين، مبدَّلاً أو مزدوجاً في الزمن أو التردّد، بدل أن يحمل هوائيين.

حيث يتوقّف التقابل. تحتاج المبرهنة موادّ خطّية سلبية متقابلة، فتنكسر لحظة إضافة ما ليس كذلك: عازل فرّيتي دوّار، أو بلازما ممغنطة، أو عنصر نشط داخل بنية الهوائي. وحاشيتان عمليّتان أيضاً — التقابل شأن الهوائي لا الراديو كلّه، فسلسلة الإرسال وسلسلة الاستقبال تبقى مختلفتين في مكبّراتهما وخسائرهما؛ وهو لا يقول شيئاً عن تناظر القناة حين يستعمل الطرفان تردّدين مختلفين، ولهذا لا تستطيع أنظمة الازدواج الترددي أن تفترض ببساطة أن قناة الوصلة الصاعدة تشبه الهابطة (الوحدة 10).

صورة الاستقبال: الفتحة الفعّالة

الإرسال سهل التصوّر — ترجّ الشحنات فتنبعث الموجات. والاستقبال هو الفيزياء نفسها معكوسةً: يدفع المجال الكهربائي لموجةٍ واصلة الشحنات الحرّة في الموصل، فيسري تيّارٌ صغير يُكبّره المستقبِل. لكن الأنفع غالباً أن ترى الهوائي المستقبِل مساحةً جامعة: الموجة الواردة تحمل كذا واط لكل متر مربّع، والهوائي يعترض رقعةً فعّالة منها. تلك الرقعة هي الفتحة الفعّالة، والتقابل يربطها بالكسب مباشرةً:

الفتحة الفعّالة
A_e = \frac{\lambda^2}{4\pi}\, G
الكسب والمساحة الجامعة هما العبارة الواحدة بوحدتين مختلفتين. وللطبق يكون الأمر بديهياً — فطبقٌ بقطر متر عند 10 غيغاهرتز له 0.785 م² مساحةً مادية، وعند كفاءة فتحةٍ نموذجية 55% تكون Ae ≈ 0.43 م²، فيعطي G = 4πAe/λ² = 6030، أي 37.8 dBi. وأمّا في ثنائي قطبٍ سلكي فالـ«مساحة» أداة حسابية، لكن المعادلة تبقى صحيحة تماماً.

اقرأ الـλ² فتحصل على أهمّ نتيجةٍ منفردة في هندسة الهوائيات. فعند كسبٍ ثابت، تتقلّص الفتحة الفعّالة كمربّع التردّد. الهوائي متساوي التوزيع (G = 1) يجمع λ²/4π: عند 100 ميغاهرتز يكون ذلك 9/12.57 = 0.72 م²، وعند 2.4 غيغاهرتز 0.015625/12.57 = 12.4 سم²، وعند 10 غيغاهرتز 9×10⁻⁴/12.57 = 0.72 سم². وعلى امتداد ذلك المدى الترددي بنسبة 100:1 تهبط المساحة الجامعة بنسبة 10,000:1.

ولهذا تحتاج التردّدات المنخفضة هوائيات ضخمة ماديّاً، وتحتاج العالية كسباً لتنجو أصلاً — فرابط الموجة الملّيمترية لا يُغلَق إلا لأن طبقاً أو مصفوفةً مطوّرة الطور تسترد الفتحة التي أخذها λ². وهو أيضاً الحدّ الذي يجعل خسارة المسار في الفضاء الحرّ تبدو متعلّقةً بالتردّد، وهي عبارةٌ أدقّ ممّا تبدو وأوّل ما يفكّه الدرس M8-L1 عند اشتقاق معادلة فرايس. ويكفي الآن إشارةٌ واحدة: الكسب والفتحة والمسافة تتضافر في صيغةٍ للقدرة المستقبَلة، وتلك الصيغة شغل الوحدة 8.

أبرز النقاط

السابق: المقايضات — النطاق مقابل القدرة مقابل معدّل الخطأ نظرة عامة التالي: بارامترات الهوائي