ما هو هوائي الميكروويف؟

هوائي الميكروويف هو هوائي اتصالات متخصص مصمم للعمل في نطاق تردد الميكروويف، والذي يتراوح عادةً من 3 جيجاهرتز إلى 300 جيجاهرتز (ما يعادل أطوال موجية من 1 مليمتر إلى 10 سنتيمترات). وتكمن الميزة الأساسية لهوائيات الميكروويف في قدرتها على تحقيق "تصاميم مصغرة" بفضل قصر طول الموجة بشكل ملحوظ، مع تلبية متطلبات اتصالات الميكروويف، بما في ذلك نطاق ترددي عالٍ، وفقدان منخفض، ونقل لمسافات طويلةتُستخدم هذه الهوائيات على نطاق واسع في صناعات مثل الاتصالات المتنقلة، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، وشبكات البيانات اللاسلكيةفيما يلي شرح مفصل للتعريف الأساسي والخصائص الرئيسية والأنواع النموذجية والتطبيقات الصناعية لهوائيات الميكروويف:

1. التعريف الأساسي ونطاق التردد

العلاقة بين التردد والطول الموجي
وفقًا لطيف الترددات الراديوية، يعمل هوائي الميكروويف ضمن SHF (التردد العالي للغاية) النطاق (3 جيجاهرتز - 30 جيجاهرتز، الطول الموجي 1 سم - 10 سم) و EHF (تردد عالي للغاية) النطاق (30 جيجاهرتز - 300 جيجاهرتز، الطول الموجي 0.1 مم - 1 سم)، كما هو موضح في "جدول نطاق طيف الترددات الراديوية والطول الموجي" في الوثيقة. ويمكن التعبير عن العلاقة بين التردد والطول الموجي كما يلي:

(على سبيل المثال، عند 3 جيجاهرتز، يكون الطول الموجي 10 سم؛ عند 30 جيجاهرتز، يكون الطول الموجي 1 سم؛ عند 300 جيجاهرتز، يكون الطول الموجي 0.1 سم).

الوظائف الأساسية
تتمثل الوظيفة الأساسية لهوائي الميكروويف في نقل واستقبال إشارات الميكروويف بكفاءةفي طرف الإرسال، يحول الجهاز إشارات الترددات الراديوية من أجهزة مثل المحطات الأساسية أو الأقمار الصناعية إلى موجات كهرومغناطيسية ميكروية. أما في طرف الاستقبال، فيحول الموجات الكهرومغناطيسية الميكروية من الهواء إلى إشارات كهربائية، مما يتيح الاتصالات اللاسلكية بعيدة المدى وعالية النطاق الترددي، مثل اتصالات محطات قاعدة الجيل الخامس و استقبال إشارة التلفزيون عبر الأقمار الصناعية.

2. الخصائص الرئيسية لهوائيات الميكروويف

بالمقارنة مع هوائيات التردد المنخفض (مثل VLF وLF) وهوائيات التردد المتوسط إلى العالي (مثل MF وHF)، تتميز هوائيات الميكروويف بخصائص فريدة نظرًا لـ نطاقات التشغيل عالية التردد و أطوال موجية قصيرة للغاية:

التصغير
يجب أن يتناسب حجم الهوائي مع الطول الموجي (كما هو مذكور في الوثيقة، "الحجم الأساسي للهوائي L = λ/4"). ونظرًا لأن أطوال الموجات تتراوح من 1 مم إلى 10 سم، فإن هوائيات الميكروويف تكون أصغر حجمًا بكثير. على سبيل المثال، هوائيات الميكروويف لمحطات قاعدة الجيل الخامس عادةً ما تكون في حدود عشرات السنتيمترات، بينما هوائيات الميكروويف المدمجة في الهواتف المحمولة يبلغ حجم الهوائيات (مثل هوائيات الواي فاي وهوائيات الجيل الخامس بترددات أقل من 6 جيجاهرتز) بضعة ملليمترات إلى بضعة سنتيمترات فقط. ويحل هذا التصغير مشكلة كبر حجم الهوائيات في نطاقات الترددات المنخفضة، حيث قد تشغل الهوائيات مساحة ملعب كرة قدم (مثل هوائيات الموجات الطويلة منخفضة التردد).

الاختلافات بين التصميم والتصنيع
بسبب التصغير، تختلف عمليات تصميم وتصنيع هوائيات الميكروويف اختلافًا كبيرًا عن الهوائيات التقليدية:

غالباً ما تكون الهوائيات التقليدية منخفضة التردد "هوائيات سلكية" (مثل هوائيات أحادية القطب معزولة القاعدة)، بينما تستخدم هوائيات الميكروويف غالباً هوائيات مستوية (مثل الهوائيات المكافئة، وهوائيات الرقعة الشريطية الدقيقة) أو هوائيات ثنائية القطب مصغرة.

تتطلب عمليات التصنيع تصنيع عالي الدقة، مثل حفر الرقع المعدنية لهوائيات الميكروستريب على لوحات الدوائر المطبوعة، مع التحكم في التفاوتات ضمن سماكة 0.1 ملم لضمان التوافق المناسب مع الأطوال الموجية القصيرة.

اتصال عالي النطاق الترددي ومنخفض الفقد
يُعدّ عرض نطاق ترددات الميكروويف أكبر بكثير من عرض نطاقات الترددات المنخفضة (على سبيل المثال، يشغل عرض نطاق 1 جيجاهرتز نسبة صغيرة من نطاق ترددات الميكروويف). ونتيجة لذلك، يمكن لهوائيات الميكروويف دعم عمليات نقل البيانات بمعدلات عالية (على سبيل المثال، هوائيات الميكروويف من الجيل الخامس يدعم سرعات تتجاوز 10 جيجابت في الثانية، و هوائيات الميكروويف لشبكة Wi-Fi 6 تدعم سرعات تصل إلى عدة جيجابت في الثانية). بالإضافة إلى ذلك، تتميز إشارات الميكروويف بفقدان انتشار منخفض نسبيًا (على سبيل المثال، تتلاشى بشكل أقل في الغلاف الجوي)، مما يجعلها مناسبة لـ الاتصال من نقطة إلى نقطة لمسافات طويلة (على سبيل المثال، نقل البيانات عبر موجات الميكروويف بين المحطات الأساسية).

تحسين الاتجاهية والكسب
معظم هوائيات الميكروويف هوائيات الاتجاه (مثل الهوائيات المكافئة، وهوائيات محطات القاعدة الاتجاهية)، التي تركز طاقة الإشارة في عرض حزمة محدد، مما يزيد من الكسب (على سبيل المثال، يمكن أن يكون للهوائيات المكافئة للميكروويف كسب يتجاوز 20 ديسيبلوهذا يسمح باتصال مستقر لمسافات طويلة. في بعض الحالات (مثل هوائيات الميكروويف في الهواتف المحمولة)، تصاميم متعددة الاتجاهات تُستخدم للتكيف مع احتياجات الأجهزة المحمولة، ولكن مصفوفات هوائيات متعددة (كما في MIMO تُستخدم التقنيات لتعويض النقص في المكاسب.

3. الأنواع والتطبيقات النموذجية

تُستخدم هوائيات الميكروويف في تطبيقات متنوعة، وخاصة في الاتصالات السلكية واللاسلكية، الاتصالات عبر الأقمار الصناعيةو شبكات البيانات اللاسلكيةحجمها الصغير وأداؤها العالي وقدرتها على التعامل مع نطاقات تردد كبيرة تجعلها لا غنى عنها في أنظمة الاتصالات الحديثة.