الهوائي أحادي القطب والهوائي ثنائي القطب Monopole antenna and dipole antenna

كما ذكرنا في مقالات سابقة, أي أداة قادرة على تحويل التيار الكهربائي المار عبرها الى موجة كهرومغناطيسية والعكس (أي أنه قادر بالمقابل على استقبال الموجة الكهرومغناطيسية وتحويلها الى تيار كهربائي يمر عبره) يمكن أن نسميه هوائي بغض النظر عن شكلها وحجمها والمادة المصنوعة منها. ونظرا لهذه الحقيقة تتعد الهوائيات في استعمالها. فالهوائي المستخدم داخل الهاتف المحمول غير الهوائي المستخدم في أبراج الاتصالات غير الهوائي المستخدم في استقبال البث الفضائي والإذاعي وهكذا.
من بين هذه الهوائيات المتنوعة سنتحدث اليوم عن الهوائي ثنائي القطب والهوائي أحادي القطب.

ينتمي هذان الهوائيان إلى ما يسمى بهوائيات السلك wire antenna والتي تعد النوع الأساسي للهوائيات وهي من أقدم وأبسط وأرخص أنواع الهوائيات وأسهلها تصنيعا حيث أننا -ببساطة- نستخدم في تصميمها سلكا معدنيا يعمل على نقل التيار الكهربائي من طرف إلى طرف آخر,فإذا كان طرفا السلك عبارة عن دائرة كهربائية مغلقة, فإن التيار الكهربائي سوف يرسل ويستقبل بين طرفي السلك وينتهي به الحال الى التحول الى طاقة حرارية نتيجة لمقاومة السلك الذاتية resistivity.. أما إذا كان السلك مفتوح والدائرة كهربائية غير مغلقة, فإن الطاقة سوف تحاول أن تهرب من السلك السلك انتقالا لاسلكيا عبر تحولها الى موجة كهرومغناطيسية.
بحسب موقع مصدر تغذية السلك (الذي سيعمل في هذه كهوائي) بالتيار الكهربائي يمكننا التمييز بين نوعين من الهوائيات السلكية: الهوائي الثنائي القطب والهوائي الأحادي القطب.
الهوائي ثنائي القطب Dipole antenna
عندما تتم تغذية السلك المعدني بتيار كهربائي من وسطه فإننا نحصل على الهوائي ثنائي القطب. والسبب في ذلك واضح. فالتيار الكهربائي سوف يجري في اتجاهي السلك المعدني. بحيث يتزايد مع هروب الموجة الكهرومغناطيسية كلما اقترب السلك من نقطة التغذية ويقل مع هروب الموجة المغناطيسية كلما ابتعد السلك عن مصدر التغذية. إلكترونيا هذا يعني ان التيار المتدفق يتوزع في سلك الهوائي بشكل متماثل بالنسبة للمركز ويساوي صفر عند الأطراف, أما الجهد الكهربائي فتكون قيمته أكبر ما يمكن عند الأطراف وتنخفض تدريجيا نحو الوسط. يشبه الإشعاع المنبثق من الهوائي ثنائي القطب حبة الدونات ويزداد كسب gainالهوائي ثنائي القطب بزيادة طوله. تظهر الصورة رقم (1) الهوائي ثنائي القطب وتوضح الصورة رقم (2) نمط اشعاعه.

عندما يوضع الهوائي ثنائي القطب بشكل موازي لسطح الأرض, فإن المجال الكهربائي للموجة الكهرومغناطيسية المنبعثة من الهوائي سيكون أيضا موازي لسطح الأرض. أي أن الهوائي والمجال الكهربائي كلاهما سيكونان بوضع أفقي وبهذه الحالة نقول عن الهوائي أنه مستقطب أفقيا horizontally polarized. وفي حال وضع الهوائي ثنائي القطب بشكل عامودي بالنسبة لسطح الأرض, فإنه يستقطب عموديا vertically polarized. يعتبر اتجاه الاستقطاب للهوائي عامل مهم; مثلا يستصعب الهوائي المستقطب أفقيا أن يستقبل أي إشارة مرسلة من هوائي مستقطب عموديا, والعكس إذ يستصعب الهوائي المستقطب عموديا أن يستقبل إشارة مرسلة من هوائي مستقطب أفقيا. حيث تختلف خصائص أداء الهوائي بشكل كبير إذا كان مستقطب عموديا عن إذا كان مستقطب أفقيا خاصة إذا كان الهوائي قريب من سطح الأرض. خاصية الاستقطاب هذه وإن كانت أكثر بروزا في هوائيات القطب إلا أنها موجودة في جميع أنواع الهوائيات وتؤثر (إما إيجابا أو سلبا) على عملية الاتصال.
توضح الصورة رقم (3) الاستقطاب العمودي والأفقي:

إستخداماته:
يستخدم بكثرة في أجهزة استقبال الراديو والتلفاز لإنها أجهزة تستخدم ترددات منخفضة نسبيا مقارنة بغيرها من أجهزة الاتصال الراديوية (كأجهزة الموبايل والواي فاي) ما يعني أنها تحتاج إلى هوائيات كبيرة الحجم إذا أن انخفاض تردد frequency الموجة يتناسب طراديا مع ازدياد حجم (الطول عادة) الهوائي.
أنواع الهوائي ثنائي القطب:
1)Half wave dipole antenna هوائي نصف الموجة ثنائي القطب:
النوع الأكثر شيوعا.طوله يساوي تقريبا نصف طول الموجة المستخدم للبث (أقصر بقليل من نصف الطول الموجي).
2) Multiple half waves dipole antenna: يكون طوله مساوي أضعاف فردية لنصف الطول الموجي المستخدم.
3) Short dipole: طوله أقصر بكثير من نصف الطول الموجي.

الهوائي أحادي القطب Monopole antenna
إذا ما نقلنا مصدر التغذية في هوائي السلك من منتصف السلك الى أحد طرفيه يتحول الهوائي من هوائي ثنائي القطب الى هوائي أحادي القطب. ولذلك فإن شكل شعاع الهوائي أحادي القطب عبارة عن نصف شكل شعاع الهوائي ثنائي القطب. هذه الخاصية قد تكون مفيدة كونها تضمن اتجاهية الشعاع المنبثق من الهوائي في نصف كرة كما هو مبين في الصورة رقم (b4 ) ما يعني انه يمكننا توجيه الإشارة في نصف الكرة المراد إيصال الإشارة الكهرومغناطيسية إليه وحدها في نصف الكرة الآخر.

يتم اختيار طول الهوائي الأحادي القطب عادة بشكل مساوي لربع الطول الموجي. يتم تغذيته عن طريق الكيبل المحوري coaxial cable والذي يتكون من موصلين داخلي وخارجي يفصل بينهما مادة عازل. حيث يتم ربط سلك الهوائي بالموصل الداخلي عن طريق فتحة صغيرة في اللوح الأرضي, ويتم ربط الموصل الخارجي مع السطح الأرضي كما توضح الصور رقم (4a).
تعتمد خصائص البث والاستقبال لهذا الهوائي على أبعاد الهوائي واللوح الأرضي المثبت عليه. نظرا لثبات وضعيته على شكل عامودي فإنه يعمل عادة باستقطاب عمودي.

المصدر :

Fundamental of applied electromagnetics, seventh edition, Fawwaz T.Ulaby, Umberto Ravaioli (1

2) Basics antennas, understanding practical antennas and design, Joel R. Hallas, W1Zr

3) Antenna engineering handbook, third edition, Richard C. Johnson

4)Monopole antenna,
https://www.researchgate.net/profile/Omar_Saraereh/publication/284311662_Monopole_Antenna/links/56519afb08aefe619b1789b2/Monopole-Antenna.pdf