وقد تطورت تكنولوجيا الهوائيات بشكل كبير مع الهوائيات النشطة، التي تدمج المكونات الإلكترونية النشطة بما في ذلك المضخمات والمرشحات ووحدات معالجة الإشارات لتوفير أداء محسن. تعتبر الهوائيات النشطة أكثر نجاحًا في الحالات التي تكون فيها قوة الإشارة مشكلة لأنها تستخدم إلكترونياتها المدمجة لتعزيز الإشارات، على عكس الهوائيات المنفعلة التي تستخدم تصميمها المادي فقط لالتقاط الإشارات.
تدعم الهوائيات النشطة الاستقبال الفعال للإشارة عبر نطاق تردد أوسع بسبب المضخمات المدمجة؛ ومع ذلك، قد يؤدي التعزيز الإضافي إلى إرسال مستوى الإشارة بقدرة خرج أعلى من المسموح به. وهذا هو سبب استخدام الهوائيات النشطة عادةً لاستقبال الإشارات وليس إرسالها. علاوة على ذلك، نظرًا لأن بعض الهوائيات الاتجاهية تضيف كسبًا مدمجًا بالفعل، فقد يكون الكسب الإضافي على الهوائي النشط غير ضروري، بل قد يكون ضارًا لبعض الأنظمة. تستكشف هذه المقالة أنواع ووظائف وفوائد واستخدامات وصعوبات الهوائيات النشطة. كما يقارن بينها وبين الهوائيات السلبية ويتضمن دراسات حالة ذات صلة.
ما هو الهوائي النشط وكيف يعمل؟
الهوائي النشط هو جهاز يقوم بتضخيم الإشارات أو تعديلها من خلال دمج بنية الهوائي التقليدية مع المكونات الإلكترونية النشطة. يمكن للهوائي أن يقوم بأكثر من مجرد استقبال الإشارات وإرسالها بفضل دمج مكونات نشطة مثل معالجات الإشارات أو مضخمات منخفضة الضوضاء (LNAs).
مضخم الصوت هو أحد مكونات الهوائي النشط. يمكن تمديد الكابل لفترة أطول دون التضحية بجودة الإشارة بفضل هذا المضخم، الذي يقوي إشارات التردد اللاسلكي التي يستقبلها الهوائي. بالإضافة إلى ذلك، يعمل مضخم الصوت على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء من خلال تضخيم الإشارات المرغوبة بشكل أكثر فعالية، وغالباً ما يقترن ذلك بالترشيح لتقليل التداخل. لهذا السبب، تُعد الهوائيات النشطة مثالية للاستخدام في أماكن مثل المدن أو المصانع حيث يوجد الكثير من التداخل الكهرومغناطيسي.
يمكن أيضًا استخدام الهوائيات النشطة للتغلب على فقدان الإشارة من المقسمات أو معدات التوزيع الأخرى أو لتعويض فقدان الإشارة في مسارات الكابلات الطويلة. ولهذا السبب، فهي مفيدة في تطبيقات مثل أنظمة الميكروفونات اللاسلكية والتوزيع التلفزيوني الكابلي. في جميع الأحوال، توفر الهوائيات النشطة وسيلة لتحسين جودة الإشارة والاستقبال في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مما يجعلها أداة لا تقدر بثمن لمختلف القطاعات.
مبدأ العمل
عادة، يتم ربط دائرة مضخم الصوت بعنصر هوائي صغير، مثل حلقة أو ثنائي القطب، لإنشاء هوائي نشط. يستقبل عنصر الهوائي الإشارات الواردة الضعيفة، والتي يتم تضخيمها بواسطة دائرة المضخم. يستقبل جهاز الاستقبال أو بقية النظام اللاسلكي هذه الإشارة المعززة بعد ذلك.
يمكن لبطارية أو مصدر طاقة متصل بالهوائي تشغيل المضخم في الهوائي النشط. يتم توفير الطاقة اللازمة لعمل المضخم وتضخيم الإشارات من مصدر الطاقة هذا.
تتضمن الوظيفة الأساسية للهوائي النشط ما يلي:
- استقبال الإشارة: يستقبل الهوائي الموجات الكهرومغناطيسية.
- التضخيم: تعزز المكونات النشطة المضمنة الإشارات الضعيفة لتعزيز الوضوح والقوة.
- معالجة الإشارة: يمكن للهوائيات النشطة المتقدمة معالجة الإشارة لتصفية الضوضاء أو الترددات غير المرغوب فيها.
- نقل الإشارة: في وضع الإرسال، تضمن المكونات النشطة الانتشار الفعال من خلال تضخيم قوة الإشارة.
من خلال دمج هذه المكونات النشطة، يمكن للهوائيات النشطة أن تعمل بفعالية أكبر في البيئات الصعبة، مثل تلك التي بها تداخلات عالية أو إشارات ضعيفة.
أنواع الهوائيات النشطة
يمكن تصنيف الهوائيات النشطة بناءً على التصميم والتطبيق. فيما يلي الأنواع الأساسية وتعريفاتها.
- هوائيات الاستقبال النشطة: هذه الأنواع مصممة لتضخيم الإشارات الواردة، وتستخدم فقط في أنظمة الاتصالات المشتركة حيث تكون قوة الإشارة عاملاً حاسماً.
- هوائيات الإرسال النشطة: تتضمن هذه الهوائيات مضخمات مدمجة لتعزيز قوة الإشارات المرسلة، مما يضمن وصولًا أوسع وموثوقية أكبر. ولكن، تستخدم الهوائيات النشطة في المقام الأول لاستقبال الإشارات.
- الهوائيات الذكية: يمكن لهذه الهوائيات، المزودة بخوارزميات معالجة الإشارات، توجيه الحزم بشكل ديناميكي للتركيز على الاتجاهات المرغوبة.
- هوائيات الصفيف المرحلي: تتألف هذه الهوائيات من عناصر متعددة ذات إشارات يتم التحكم في طورها، وتسمح بتشكيل الحزمة وتوجيهها بدون حركة ميكانيكية.
- هوائيات نشطة عريضة النطاق: تعمل هذه الهوائيات على نطاق تردد واسع، مما يجعلها مناسبة لأنظمة الاتصال المشتركة متعددة التردداتmmunication.
مزايا الهوائيات النشطة
توفر الهوائيات النشطة العديد من المزايا مقارنة بالهوائيات السلبية التقليدية. عندما يجب استخدام الهوائي مع العديد من الأجهزة أو في مواقع ذات استقبال ضعيف، توفر الهوائيات النشطة طريقة عملية يمكن الاعتماد عليها لاستقبال إشارات عالية الجودة.
تتضمن بعض المزايا الرئيسية للهوائيات النشطة ما يلي.
- جودة إشارة محسنة - عادةً ما تأتي الهوائيات النشطة مزودة بمضخمات مدمجة تقوي الإشارة، مما يحسن الاستقبال وجودة الإشارة. وهذا مفيد بشكل خاص في الأماكن التي تكون فيها الإشارات ضعيفة أو بعيدة. يضمن دمج LNAs المدمجة استقبال إشارة مضخمة، مما يجعلها فعالة في بيئات الإشارات الضعيفة.
- نطاق ممتد - بالمقارنة مع الهوائيات غير النشطة، يمكن للهوائيات النشطة استقبال الإشارات من مسافة أكبر بسبب التضخيم الذي تقدمه. تعمل المكونات النشطة على تعزيز قوة الإشارة المرسلة، مما يوسع نطاق التغطية. ويمكن أن يكون ذلك مفيداً للغاية في المواقع الريفية أو المعزولة حيث تكون أبراج البث بعيدة.
- الاستقبال متعدد الاتجاهات - يمكن أن تكون الهوائيات النشطة متعددة الاتجاهات، حسب تصميمها، مما يسمح لها باستقبال الإشارات من اتجاهات متعددة. لم يعد العثور على الإشارة المثلى يتطلب إجراء تعديلات مستمرة على الهوائي بسبب توفر الاستقبال متعدد الاتجاهات أو متعدد الاتجاهات.
- كفاءة استهلاك الطاقة - على الرغم من قدراتها المحسّنة، فإن الهوائيات النشطة الحديثة مصممة لتستهلك الحد الأدنى من الطاقة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات المحمولة.
- الحجم الصغير - بالمقارنة مع الهوائيات التقليدية، عادةً ما تكون الهوائيات النشطة أكثر إحكاماً وأصغر حجماً. ولهذا السبب، أصبح من الممكن الآن وضعها على الجدران أو النوافذ أو حتى في الداخل، وأصبح تركيبها أكثر بساطة. من خلال دمج العناصر النشطة مباشرة في الهوائي، يمكن تقليل الحجم الكلي للنظام.
- الوظائف الديناميكية - توفر هوائيات المصفوفات الذكية والمرحلية إمكانات مثل تشكيل الحزم، وتحسين كفاءة الاتصال المشترك1TP15.
- تداخل أقل - نظرًا لأن الهوائيات النشطة تحتوي على مضخمات مدمجة وقدرات معالجة إشارات مدمجة، فهي أقل عرضة للتداخل من المعدات أو الهياكل الكهربائية المجاورة. ويمكنها إنتاج إشارة أكثر دقة عن طريق إزالة الضوضاء غير الضرورية.
- التوافق مع مختلف الأجهزة - صُممت العديد من الهوائيات النشطة لتعمل مع مجموعة من الأجهزة، مثل أجهزة البث وأجهزة التلفاز والراديو. إنها خيار عملي لمختلف البيئات والتطبيقات بسبب قدرتها على التكيف.
- سهولة التركيب - عادةً ما يكون تركيب الهوائيات النشطة وتهيئتها أمراً بسيطاً. للمساعدة في تحديد أفضل موقع، غالباً ما تتضمن أجهزة التركيب وتعليمات مفصلة وأحياناً مؤشرات قوة إشارة مدمجة.
- الاستخدام المستقبلي - من المرجح أن يتم دعم معايير وترددات البث الجديدة بشكل متزايد بواسطة الهوائيات النشطة مع تطور التكنولوجيا. وهذا يعني أن شراء هوائي نشط الآن سيضمن التوافق مع أي تطورات أو تعديلات قادمة في تكنولوجيا البث.
تطبيقات الهوائيات النشطة
تُعد الهوائيات النشطة ضرورية لتعزيز موثوقية الإشارة وجودتها ونطاقها في مجموعة متنوعة من تطبيقات الاتصال اللاسلكي المشترك1TP15. فيما يلي التطبيقات التي تُستخدم فيها الهوائيات النشطة لأغراض متنوعة.
- تحسين الاستقبال التلفزيوني: تستخدم في البث الإذاعي والتلفزيوني لتحسين جودة الإشارة والتغطية. في الأماكن التي يوجد فيها تداخل أو قوة إشارة ضعيفة، يمكن استخدام الهوائيات النشطة لتحسين جودة الاستقبال التلفزيوني.
- الاتصال اللاسلكي communication: تستخدم أجهزة توجيه Wi-Fi وغيرها من أجهزة communication اللاسلكية هوائيات نشطة لإرسال الإشارات واستقبالها.
- البنية التحتية للاتصالات الهاتفية mmunications: تستخدم المحطات القاعدية وغيرها من معدات الاتصالات هوائيات نشطة لإرسال واستقبال الإشارات للاتصالات المتنقلة المشتركةmmunication.
- الشبكات الخلوية: تستخدم الشبكات الخلوية الهوائيات النشطة لزيادة التغطية وقوة الإشارة. تُستخدم أيضًا في البنية التحتية للجيل الخامس 5G لتحسين الاتصال.
- ملاحة GPS: من أجل استقبال الإشارات من الأقمار الصناعية وتقديم بيانات موضعية دقيقة، تحتاج أنظمة GPS إلى هوائيات نشطة.
- أنظمة الرادار: تستخدم أنظمة الرادار هوائيات نشطة لإرسال واستقبال موجات الراديو من أجل تعقب الأشياء واكتشافها.
- الاتصال عبر الأقمار الصناعية communication: تستخدم أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية هوائيات نشطة لإرسال واستقبال الرسائل من الأقمار الصناعية وإليها. تُستخدم أيضاً في الطائرات للملاحة والاتصالات المشتركة.
- التطبيقات العسكرية: للاتصال الموثوق والآمن، تستخدم أنظمة communication العسكرية هوائيات نشطة. تطبق في أنظمة الرادار والمراقبة وشبكات communication الآمنة.
- إنترنت الأشياء (IoT): تستخدم أجهزة إنترنت الأشياء هوائيات نشطة لتسهيل الاتصال والاتصال اللاسلكي المشترك1TP15.
مقارنة مع الهوائيات الخاملة
النوع الأساسي من أنظمة الهوائي هو النظام السلبي. مع هذه، تنتقل الإشارات اللاسلكية عبر النظام دون أي تداخل إضافي بعد مرورها من الشبكة إلى وحدة التحكم. قوة الإشارة الواردة هي كل ما يمكن أن تستخدمه الهوائيات السلبية؛ فهي غير قادرة على تضخيم الإشارة. وهي أكثر ملاءمة للحالات التي تكون فيها التكلفة اعتباراً رئيسياً لأنها أسهل وأقل تكلفة.
في المقابل، يتم تعزيز الإشارة بطريقة ما قبل التوزيع في نظام هوائي نشط. وعادةً ما يتم استخدام مضخم مرتبط بوحدة التحكم لهذا الغرض، ولكن يمكن أيضاً استخدام تقنيات بديلة لتعزيز الإشارة. يتم استخدام وصلات الألياف الضوئية، على سبيل المثال، في بعض الأحيان لزيادة الأداء الوظيفي. عادةً ما يتم استخدام الهوائيات النشطة في الأماكن ذات الكثافة العالية للمستخدمين والمناطق الحضرية الكثيفة حيث تضعف العوائق مثل الأشجار والمباني الإشارة. وللتعويض عن فقدان الإشارة الناتج عن هذه العوائق، يمكن للهوائيات النشطة أن تعززها، مما يضمن اتصالاً قوياً ويمكن الاعتماد عليه.
كثيراً ما يتم استخدام الهوائيات السلبية في المناطق الأقل اكتظاظاً بالسكان مع قوة إشارة عالية وقلة العوائق. وهي كافية لتوفير اتصال يمكن الاعتماد عليه دون الحاجة إلى تضخيم الإشارة.
وفي الختام، فإن الهوائيات غير النشطة هي الأنسب للمواقع الحضرية الأقل قوة إشارة، في حين أن الهوائيات النشطة، وخاصة أنظمة المصفوفات المرحلية، تلعب دوراً حاسماً في مواجهة تحديات طيف الترددات العالية للجيل الخامس في المناطق الحضرية.
التحديات والقيود
على الرغم من مزاياها، تواجه الهوائيات النشطة بعض التحديات:
في المباني الضخمة، تكون أنواع كثيرة من أنظمة الهوائي مفيدة في المباني الضخمة. ففي نهاية المطاف، من المرجح أن تتداخل الاتصالات اللاسلكية في هذه الأنواع من المباني. ومع ذلك، يمكن أن يعمل حجم المبنى في نهاية المطاف ضد نظام الهوائي. التوهين هو العملية التي تضعف من خلالها الإشارة عندما تحمل الكابلات البيانات عبر مسافات أكبر من أي وقت مضى. يتطلب عكس هذه العملية هوائيات نشطة. فهي تقوي الإشارة وتتيح الإرسال لمسافات أطول. لذلك، فإن الهوائيات النشطة مفيدة جداً في المباني الكبيرة. في هذه الحالات، يمكنها في هذه الحالات معالجة المشكلات المتأصلة الناجمة عن حجم المبنى.
- الاعتماد على الطاقة: تتطلب الهوائيات النشطة مصدر طاقة، وهو ما يمكن أن يكون قيدًا في البيئات النائية أو المحدودة الطاقة.
- التعقيد: يزيد تكامل المكونات النشطة من تعقيد التصميم والتصنيع.
- التكلفة: يمكن أن تؤدي تكاليف الإنتاج المرتفعة إلى جعل الهوائيات النشطة أقل سهولة في المشاريع ذات الميزانية المحدودة.
- مشكلات الموثوقية: تكون المكونات النشطة أكثر عرضة للفشل مقارنةً بالعناصر السلبية، مما يستلزم مراقبة صارمة للجودة.
- إدارة التداخلات: يمكن أن تكون إدارة التداخل في أنظمة الهوائيات النشطة المكتظة بكثافة أمراً صعباً.
دراسات الحالة
- نشر شبكة الجيل الخامس 5G
عندما يتعلق الأمر بنشر شبكات الجيل الخامس، كانت الهوائيات النشطة ضرورية. على سبيل المثال، في البيئات الحضرية، أتاحت هوائيات المصفوفات المرحلية المزودة بقدرات تشكيل الحزمة إمكانية نقل البيانات بسرعات عالية وبزمن انتقال أقل.
- أنظمة الرادار العسكرية
يتم ضمان الفوائد الاستراتيجية في التطبيقات الدفاعية من خلال الأداء العالي لأنظمة الرادار المتقدمة التي تستخدم الهوائيات النشطة في تحديد الأهداف منخفضة الرصد.
- قمر صناعي Co1TP15الاتصال عبر الأقمار الصناعية
توفر الأقمار الاصطناعية المزودة بهوائيات نشطة اتصالات يمكن الاعتماد عليها حتى في الظروف الجوية غير المواتية، مما يؤكد أهميتها للاتصال وأبحاث الفضاء.
- هوائي GPS
تُستخدم الهوائيات النشطة في هوائيات GPS الموجودة في الهواتف الذكية وأنظمة الاتصال عبر الأقمار الصناعية المشتركة، حيث من الضروري الحفاظ على قوة الإشارة على مسافات طويلة.
- جهاز توجيه لاسلكي
هوائي Wi-Fi الموجود في أجهزة التوجيه اللاسلكية هو مثال آخر على الهوائي النشط. يتم زيادة نطاق الشبكة اللاسلكية، ويتم تضخيم إشارة Wi-Fi بمساعدة الهوائي النشط.
الخاتمة
من خلال الجمع بين الترشيح والتضخيم في حزمة صغيرة، غيرت الهوائيات النشطة معالجة الإشارات والاتصالات المشتركة بشكل كامل. وهي ضرورية في الاستخدامات الحديثة التي تتراوح من الاستخدامات العسكرية إلى الاتصالات عن بُعد نظرًا لقدرتها على زيادة قوة الإشارة، وخفض الضوضاء، والتكيف ديناميكيًا مع الظروف المتغيرة. ستزداد أهمية الهوائيات النشطة في أنظمة الاتصالات المشتركة في المستقبل نتيجة للتحسينات التكنولوجية المستمرة التي تعد بمعالجة القيود المستمرة مثل التكلفة والاعتماد على الطاقة.
عند الاختيار بين الهوائيات النشطة وغير النشطة، يجب أن تأخذ في الاعتبار عدداً من المعايير، بما في ذلك السعر والتطبيق وعدد الأجهزة المدعومة. قد تكون بعض الهوائيات غير النشطة أقل تكلفة من نظيراتها النشطة بسبب عدم وجود مضخم صوت، على الرغم من أن الهوائيات النشطة عادة ما تكون أكثر إحكاماً ويمكنها تقليل الضوضاء والتداخل. تقدم هذه المقالة مراجعة شاملة للهوائيات النشطة.
AR 
EN 
FR 
NL 
DE 
IT 
PT 
ES 
RU 
KO 
PL