هوائي الرقعة – Patch antenna

كما هو معروف فالهوائي أداه تقوم بتحويل التيار الكهربائي إلى موجة كهرومغناطيسة تبث في الهواء وذلك في حالة الإرسال. أو كأداة تحول الموجة الكهرومغناطيسية الى تيار كهربائي في حال عمله كمستقبل. وبواسطته تتم عملية تتم عملية التواصل اللاسلكي. بناء على هذا التعريف فإن أي أداة تحول التيار الكهربائي الى موجة كهرومغناطيسية والعكس يمكن اعتبارها هوائي. بغض النظر عن شكلها وحجمها والمادة المصنوعة منها. نتيجة لهذه الحقيقة تتعدد الهوائيات في أنواعها و أشكالها و أحجامها وتطبيقات استخدامها. فالهوائي المستخدم داخل الهاتف المحمول غير الهوائي المستخدم في أبراج الإتصالات غير الهوائي المستخدم في استقبال البث الفضائي والإذاعي وهكذا.

من بين هذه الهوائيات المتنوعة سنتحدث اليوم عن الهوائي الأكثر شيوعا في محطات الإرسال اللاسلكية ألا وهو هوائي الرقعة. تم تطوير هذا النوع من الهوائيات في خمسينيات القرن الماضي ولم تتم الاستفادة منها عمليا إلا بعد مرور عشرين سنة من تطويره وذلك لصعوبة التحكم بالتردد الذي يعمل عليه هذا النوع من الهوائيات أولا وغياب التطبيقات الملائمة لاستخدامه ثانيا.

كما هو مبين في الشكل رقم 1 في التعليق الأول, يتكون هوائي الرقعة من مادة عازلة تكون بمثابة القاعدة توضع على سطح موصل من أحد جانبيها (الموصل الأرضي), ويعلو المادة العازلة في الجانب الآخر سطح نحاسي موصل رفيع مسؤول عن عملية البث عادة ما يكون مستطيل الشكل إلا أنه ليس بالضرورة الشكل المستخدم الوحيد. ويسمى هذا السطح النحاسي العلوي بالرقعة ويتصل بشكل مباشر مع خط التغذية الكهربائي كما هو مبين في الشكل رقم 2 في التعليق الثاني.

يمتاز هذا النوع من الهوائيات بأنه:

1. رخيص الثمن وسهل التصنيع لأنه ليس أكثر من دائرة كهربية مطبوعة printed circuit board – PCB
2. مستقر ميكانيكيا. يتمتع بالمرونة ويمكن تثبيته ببراغي صغيرة على كافة أنواع الأسطح.
3. حجمه صغير ووزنه خفيف لذلك يعد مناسبا في التطبيقات التي تحتاج أحجام وأوزان صغيرة من الهوائيات كما هي الحال مع محطات الإرسال الراديوية التي تخدم الهواتف النقالة.
4. إلا أن الأهمية الكبرى لهوائي الرقعة تكمن في قدرتنا على التحكم بشكل الشعاع الراديوي الذي يبثه لاعتماد شكل الشعاع على شكل الرقعة النحاسية العلوية التي تمثل الهوائي.

لهذه الأسباب يستخدم في الوقت الحالي في أنظمة الاتصالات اللاسلكية لبساطته وتكامله مع الدوائر الكهربائية المطبوعة. ويستخدم في الهواتف وفي اتصالات الأقمار الاصطناعية والطائرات والمركبات الفضائية والصواريخ.

طول الرقعة المستطيلة يجب أن يساوي ثلث إلى نصف الطول الموجي wavelength المستخدم للبث, ويعتمد الطول أيضا على ثابت العزل الكهربائي للمادة العازلة , فكلما كانت قيمة ثابت العزل الكهربائي أقل كانت كفاءة الهوائي أعلى. أما عرض الرقعة فيحدد قيمة مقاومة الإدخال للهوائي. وسمك القاعدة العازلة يعتبر معيار مهم لكفاءة الهوائي وتحديد عرض نطاق الترددات المستخدمة للبث carrier frequencies.

تعتمد خصائص هذا الهوائي على سمك القاعدة العازلة ونوعها وأبعاد الرقعة وشكلها. ويتناسب حجم الهوائي عكسيا مع التردد المستخدم. يبث هوائي الرقعة الموجة الكهرومغناطيسية على وسع مساحة الرقعة النحاسية العليا إلا أن القوة الاعلى للموجة المبثوثة تحقق حول الخط المتعامد مع الرقعة عند مركزها. كما هو مبين في الشكل رقم 3 في التعليق الثالث.

من سلبيات هذا الهوائي:

1. يزداد حجمه كلما انخفض تردد الموجة المزمع استخدامها (كترددات المايكرويف مثلا) مما يقلل من فائدته كثيرا.
2. ضيق نطاق الترددات التي يغطيها هذا الهوائي. إلا أن هذه المشكلة يمكن حلها بزيادة سمك المادة العازلة التي تتوسط السطحين النحاسيين.
3. إلا أن زيادة سمك المادة العازلة سيقلل من قوة الإشعاع بسبب مقاومتها للتيار الكهربائي العابر داخلها وبالتالي انخفاض الإشعاع.

لمواجهة ضيق نطاق التردد الذي يغطيه هوائي الرقة يمكن عمل شقوق وفتحات بأشكال معينة وأبعاد معينة في الرقعة, وتقليل قيمة ثابت العزل للقاعدة العازلة, (باستخدام مواد بلاستيكية أخرى) و زيادة عرض الرقعة.

الصورة رقم 4 في التعليق الرابع توضح شكل الإشعاع المنبثق من هوائي الرقعة. الصورة على اليسار عبارة عن مقطع فوقي والصورة على اليمين صورة ثلاثية الأبعاد تمثلان كيفية انتشار الموجة الراديوية ونطاق قوتها. كما نلاحظ في الشكل ينتج الهوائي موجة ارتدادية خلفية عادة ما تسبب مشاكل لأجهزة الاتصال كونها موجة مبثوثة في الإتجاه المعاكس وعادة ما يتم فلترتها باستخدام تقنيات الكترونية متقدمة.

fₒ لتصميم هوائي رقعة يعمل على تردد

fₒ والذي يعتمد على سرعة الضوء وثابت العزل الكهربائي للمادة العازلة وعلى التردد W 1) نحسب مقدار عرض الرقعة

والذي يعتمد على سمك المادة العازلة وثابت العزل الكهربائي لها ويعتمد أيضا ε_eff2) حساب ثابت العزل الكهربائي الفعال.

على عرض الرقعة.

.والذي يعتمد على سرعة الضوء وثابت العزل الكهربائي الفعال والتردد المستخدم L_eff 3) حساب الطول الفعال

ΔL4) حساب تمدد الطول

5) حساب الطول الفعلي للرقعة

معادلات الحساب موضحة في الصورة 5 في التعليق الخامس.

المصادر:

1) https://www.mwrf.com/technologies/components/article/21849437/a-brief-tutorial-on-microstrip-antennas-part-1

2) كتاب الهوائيات وانتشار الموجات (موقع مكتبة البخاري)

)https://books.makktaba.com/2012/12/Book-basic-antennas-and-feeding-methods.html (

3) https://www.microwaves101.com/encyclopedias/microstrip-patch-antennas

4) https://www.tutorialspoint.com/antenna_theory/antenna_theory_micro_strip.htm

5) An Overview of Microstrip Antenna, Ranjan Mishra, Open International Journal of Technology Innovations and Research (IJTIR).

6) https://www.everythingrf.com/rf-calculators/microstrip-patch-antenna-calculator?fbclid=IwAR3k5i3CNz_jsJGicrc6kdspCXoIY6CdZnXzpqK21NCUPFrq2cxnIa5ptVo