ما هو استقطاب الهوائي وسبب أهميته

الاستقطاب ظاهرة مهمة مفيدة في التحليلات المختلفة للموجات الكهرومغناطيسية (EM). ويلعب فهم الاستقطاب دورًا مهمًا في الإرسال الأقصى للإشارة. الإرسال الأقصى للإشارة هو الحدث الذي يتم فيه الحفاظ على دقة الإشارة أثناء الإرسال. لتحقيق أقصى إرسال للإشارة، يجب أن تحافظ عناصر هوائي المرسل والمستقبل على نفس استقطاب الهوائي. في حالة عدم وجود تطابق في الاستقطاب ستنخفض قوة الإشارة في حالة عدم وجود تطابق في الاستقطاب.

سنناقش في هذه المقالة أهمية فهم استقطاب الهوائي. يتضمن ذلك مناقشة تاريخ موجز للاستقطاب، وأنواع استقطاب الهوائي، والعوامل المؤثرة على الاستقطاب. علاوة على ذلك، سوف نستكشف بعض تطبيقات استقطاب الهوائي وكيفية استخدامها في مجالات مختلفة. يمكن أن تكون هذه المقالة بمثابة دليل شامل موجز ومختصر للاستقطاب الهوائي.

أساسيات استقطاب الهوائي

تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من مجالين متعامدين. هذان المجالان هما:

• المجال الكهربائي (E-المجال الكهربائي)
• المجال المغناطيسي (H-المجال المغناطيسي)

هذان المجالان متعامدان على بعضهما البعض وعلى اتجاه انتشار الموجة. يُعرَّف استقطاب الهوائي بناءً على اتجاه المجال الكهربي. وبناءً على ذلك، يمكننا تعريف استقطاب الهوائي على أنه اتجاه المجال الكهربي للموجة الكهرومغناطيسية التي يشعها هوائي المرسل. وهذا مفهوم مهم، حيث إن المجال الكهرومغناطيسي E مهم عندما نفكر في قوة الإشارة.
عندما يتعلق الأمر بتاريخ الاستقطاب الهوائي، فإن جيمس ماكسويل هو أحد أكثر العلماء تأثيرًا، وهو الذي صاغ معادلات ماكسويل لوصف انتشار الموجات الكهرومغناطيسية والتفاعل بين المجال الكهرومغناطيسي والمجال الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، كان هاينريش هيرتز هو الذي أظهر الاستقطاب تجريبيًا باستخدام هوائي ثنائي القطب في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر.

إن الفهم الموجز لتعريف استقطاب الهوائي، وتاريخ الاستقطاب الهوائي، ضروري لفهم العلاقة الأساسية بين استقطاب الهوائي والموجات الكهرومغناطيسية. بشكل أساسي، يمكن أن يؤثر استقطاب الهوائي على الموجات الكهرومغناطيسية,

• قوة الإشارة في طرف الاستقبال
• مستوى تداخل الإشارة بسبب التداخل متعدد المسارات وعدم تطابق الاستقطاب

بصرف النظر عن هاتين الفكرتين الأساسيتين، يمكن أن يحد الاستقطاب أيضًا من تصميم الهوائي إلى حد كبير. لذلك، من الضروري أن يكون لديك فهم صحيح لاستقطاب الهوائي قبل تصميم الهوائي.

أنواع استقطاب الهوائي

توجد عدة أنواع من أنماط استقطاب الهوائي تبعاً للظروف المختلفة التي تعتمد على الظروف البيئية وتصميمات الهوائي. وعلاوة على ذلك، واعتماداً على مزايا وعيوب كل نوع من أنواع الاستقطاب الهوائي يتم استخدامها في أشكال مختلفة من وسائط الاتصال اللاسلكي المشتركة.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية لاستقطاب الهوائي، وهي,

1. الاستقطاب الخطي
2. الاستقطاب الدائري
3. الاستقطاب الإهليلجي

الاستقطاب الأفقي والرأسي

استقطاب مائل مزدوج

الاستقطاب الخطي

الاستقطاب الخطي هو أكثر أنواع الاستقطاب شيوعًا التي يمكن أن نراها في التطبيقات العملية. في الاستقطاب الخطي، ينحصر كل الإشعاع الذي يتم إرساله في مستوى واحد. ببساطة، سيتذبذب المجال E هنا في اتجاه واحد فقط. اعتمادًا على اتجاه تذبذب المجال الإلكتروني، هناك ثلاث فئات فرعية للاستقطاب الخطي. وهي:

• الاستقطاب الأفقي - هنا يتأرجح المجال E من جانب إلى آخر ويمكن التقاطه بواسطة العناصر الأفقية للهوائي.
• الاستقطاب الرأسي - هنا يتأرجح المجال E لأعلى ولأسفل ويمكن التقاطه بواسطة عناصر رأسية. ومن المزايا المهمة لاستخدام الاستقطاب الرأسي أنه يشع بالتساوي حول المستوى الأفقي.
• الاستقطاب المائل - هنا يتأرجح المجال E بزاوية مع مستوى أفقي أو رأسي. يمكن التقاط الاستقطاب المائل بواسطة كل من العناصر الأفقية والرأسية للهوائي.

الاستقطاب الدائري

هنا، يدور المجال E أثناء انتشار الإشارة. وهذا شكل معقد من أشكال الاستقطاب عند مقارنته بالاستقطاب الخطي الذي يُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الاتصال عبر الأقمار الصناعية. علاوة على ذلك، لكي يحدث الاستقطاب الدائري، من الضروري استيفاء ثلاثة شروط. وهي:

• يجب أن يكون للمجال E مركبتان متجهتان متعامدتان
• يجب أن تكون هذه المركبات المتجهة 90 درجة خارج الطور
• يجب أن تكون هذه المركبات المتجهة متساوية في المقدار

اعتمادًا على اتجاه دوران المجال الإلكتروني يوجد نوعان من الاستقطاب الدائري، وهما

• الاستقطاب الدائري الأيمن (RHCP)
• الاستقطاب الدائري الأيسر (LHCP)

الاستقطاب الإهليلجي

الاستقطاب الإهليلجي هو مزيج من الاستقطاب الخطي والدائري. ويُعزى هذا المزيج إلى عدم تطابق مقادير مكونات المتجهات المتعامدة للمجال E التي وصفناها سابقًا في الاستقطاب الدائري. وعلى غرار الاستقطاب الدائري، يُستخدم الاستقطاب الإهليلجي على نطاق واسع في الاتصالات الساتلية المشتركة بين الأقمار الصناعية وكذلك في أنظمة الرادار.

العوامل المؤثرة في استقطاب الهوائي

يمكن أن تؤثر عدة عوامل على استقطاب الهوائي لأن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر بحرية في الفضاء. ومع ذلك، يمكننا حصر بعض العوامل الرئيسية التي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على استقطاب الهوائي. هذه العوامل هي:

• العوامل البيئية: تمثل التضاريس هنا مصدر قلق رئيسي. واعتمادًا على طبيعة التضاريس، أي المناطق الحضرية والريفية وما إلى ذلك، تتأثر درجة الاستقطاب بسبب انعكاس الإشارة وانحرافها وتشتتها. علاوة على ذلك، يمكن أن تتفاعل العوائق الموجودة في البيئة مع الإشارة من خلال الانعكاس والامتصاص.
• التردد: سيحدد تردد الإرسال درجة الاستقطاب، حيث تكون الترددات الأعلى أكثر عرضة للاستقطاب.
• تصميم الهوائي: كما يمكن أن يؤثر حجم الهوائي وشكله واتجاهه وعناصره المختلفة على الاستقطاب لأنها تحدد كيفية استقبال الإشارة وإرسالها.
• اعتبارات انتشار الإشارة: يمكن أن تؤثر عوامل أخرى مثل الظروف الجوية وتشوهات القناة أيضًا على الاستقطاب.

تطبيقات استقطاب الهوائي

بعد أن تكون لدينا فكرة شاملة عن استقطاب الهوائي، دعونا الآن نبحث في بعض التطبيقات المستخدمة على نطاق واسع لاستقطاب الهوائي. عندما يتعلق الأمر بأنظمة الاتصالات اللاسلكية المشتركة، يُستخدم الاستقطاب لتقليل التداخلات التي قد تحدث أثناء سير الإرسال. علاوة على ذلك، سيؤدي تحقيق الاستقطاب المرغوب فيه إلى زيادة وضوح الإشارة وقوة الإشارة. وأخيراً، في أنظمة الاتصالات اللاسلكية المشتركة مثل الشبكات الخلوية، يُستخدم الاستقطاب لزيادة سعة القناة من خلال تحقيق أشكال مختلفة من الاستقطاب داخل نفس القناة. أيضاً، في أنظمة تحديد الهوية اللاسلكية يمكن أن يكون الاستقطاب عاملاً مؤثراً في تحديد نطاق قراءة أنظمة تحديد الهوية اللاسلكية بسبب التداخلات في البيئة.

وعلاوة على ذلك، يُستخدم الاستقطاب الدائري والاستقطاب الإهليلجي على نطاق واسع في أنظمة الأقمار الصناعية والرادار بسبب ارتفاع درجة التداخل في هذه الأنظمة. في حالة الاتصال المشترك بالأقمار الصناعية، يمكن أن يؤدي إدخال الاستقطاب الدائري إلى التعويض الفعال عن تشويه الإشارة الذي قد يحدث بسبب دوران الأقمار الصناعية. علاوة على ذلك، يمكن أيضًا استخدام هذين النوعين من الاستقطاب لدراسة حركة الأجرام السماوية الكبيرة في علم الفلك الراديوي.

تنوع الاستقطاب

تنوع الاستقطاب هو حالة خاصة من الاستقطاب حيث يتم إرسال واستقبال نسخ متعددة من الإشارة باستخدام عدة أنواع من الاستقطاب. وهذا مفيد في التخفيف من عدم تطابق الاستقطاب حيث سيتم استقبال الإشارة بأنواع مختلفة من الاستقطاب. علاوة على ذلك، سيقلل أيضًا من تدهور الإشارة بسبب التداخل متعدد المسارات.

هذه التقنية مفيدة في أنظمة MIMO حيث إنه سيقلل من حجم المحطات الطرفية MIMO وعدد هوائيات MIMO. وتتحقق هذه الميزة باستخدام عدة أنواع من الإشارات المستقطبة والارتباطات المنخفضة بينها. ومع ذلك، على الرغم من ميزة تنوع الاستقطاب، فإن تحقيق هذه الميزة سيزيد من تكلفة النظام الكلي.

اعتبارات عملية لاستقطاب الهوائي

أخيرًا، دعونا نفهم بعض الاعتبارات العملية المهمة التي نحتاج إلى أخذها في الاعتبار عند استخدام استقطاب الهوائي. يمكن تصنيف العوامل الرئيسية على النحو التالي:

• المحاذاة والتوجيه المناسبين: هذا عامل حاسم يجب مراعاته لأنه سيؤثر على وضوح الإشارة وقوتها. وعلاوة على ذلك، ينبغي توخي الحذر الشديد عند استخدام وصلات الاتصال الاتصالية الاتجاهية.
• تخفيف عدم تطابق الاستقطاب: يمكن أن يؤدي عدم تطابق الاستقطاب في النهاية إلى فشل في استقبال الإشارة الصحيحة. لذلك، يمكننا استخدام تقنيات مثل تنوع الاستقطاب والاستقطاب التكيفي.
• معايير اختيار الهوائي: على سبيل المثال، يُفضَّل الاستقطاب الرأسي في أجهزة الراديو المحمولة باليد، ومن ثم يتم تركيب الهوائي ثنائي القطب عمودياً. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام الهوائيات السلكية في نطاق الترددات العالية، وبالنسبة للإشارات المستقطبة ذات الترددات الأعلى، يتم استخدام طرق الاستقطاب الخطي.

الاتجاهات والتطورات المستقبلية

مع التطورات في الجيل الخامس والجيل السادس من الاتصالات اللاسلكية المشتركة، يمكننا أن نرى زيادة في الأبحاث في تقنيات الاستقطاب التكيفي واستخدام تقنيات التعلم الآلي في الاتصالات اللاسلكية المشتركة. علاوةً على ذلك، يُعد البحث في الأسطح العاكسة الذكية للهوائيات التكيفية مجالاً بحثياً ناشئاً آخر في الصناعة. يمكن أن تساهم هذه الاتجاهات البحثية في أنظمة الاتصالات المشتركة الناشئة التي تسهّل تطبيقات إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء)، والاتصالات المشتركة للطائرات بدون طيار، وشبكات المركبات.

الخاتمة

في الختام، يمكننا أن نرى أن الاستقطاب مفهوم مهم نحتاج إلى فهمه للتعامل مع التطبيقات التي تتضمن الهوائيات وأنظمة الاتصالات المشتركة1TP14. في هذه المقالة، ناقشنا أهمية استقطاب الهوائيات وأنواعها المختلفة وتطبيقاتها. يمكن استخدام هذه المقالة القصيرة كمرجع لفهم مفهوم الاستقطاب.