هوائي Yagi-Uda وطريقة تصميمه

هوائي Yagi-Uda هو هوائي اتجاهي يستخدم على نطاق واسع في الاتصالات الراديوية، ويشتهر بكسبه العالي وتوجيهه القوي وبنيته البسيطة نسبيًا. اخترعها العالمان اليابانيان هيديتسوغو ياغي وشينتارو أودا في عشرينيات القرن الماضي، ويتم تطبيقها بشكل أساسي في مجالات مثل الاستقبال التلفزيوني، والاتصالات اللاسلكية، وأنظمة الرادار. ستتناول هذه المقالة بالتفصيل المبادئ الأساسية والتركيب الهيكلي وطرق تصميم هوائي Yagi-Uda.

I. المبادئ الأساسية لهوائي Yagi-Uda

هوائي Yagi-Uda عبارة عن مصفوفة هوائيات نهاية النار، ويعتمد مبدأ عملها على إشعاع واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية. إنه يحقق إشعاعًا اتجاهيًا من خلال مذبذبات متعددة متوازية مرتبة (عادةً قضبان معدنية). تتضمن هذه المذبذبات عنصرًا نشطًا واحدًا (عادةً ما يكون ثنائي القطب نصف موجة) وعناصر سلبية متعددة (بما في ذلك العاكسات والموجهات). يرتبط العنصر النشط مباشرة بوحدة التغذية ويكون مسؤولاً عن إرسال أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية؛ تتفاعل العناصر المنفعلة مع العنصر النشط من خلال الاقتران الكهرومغناطيسي لضبط اتجاه إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية.

تعتمد اتجاهية هوائي Yagi-Uda بشكل أساسي على ترتيب العناصر المنفعلة وطولها. يقع العاكس خلف العنصر النشط، وعادة ما يكون أطول قليلاً من العنصر النشط، ويستخدم لعكس الموجات الكهرومغناطيسية لتعزيز الإشعاع الأمامي للهوائي. يقع المخرج أمام العنصر النشط، وعادة ما يكون أقصر قليلاً من العنصر النشط، ويستخدم لتوجيه الموجات الكهرومغناطيسية لزيادة تعزيز الإشعاع الأمامي. من خلال تصميم معقول للطول والتباعد بين العاكس والمخرج، عالي الكسب وضيق - ب

يمكن تحقيق خصائص الإشعاع.

ثانيا. التركيب الهيكلي لهوائي Yagi-Uda

يتضمن الهيكل الأساسي لهوائي Yagi-Uda الأجزاء التالية:

العنصر النشط: العنصر النشط هو الجزء الأساسي من هوائي Yagi-Uda، وعادةً ما يكون ثنائي القطب نصف موجة، وهو المسؤول عن إرسال أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية. وهو متصل مباشرة بوحدة التغذية ويقع عادة في وسط الهوائي.

العاكس: يقع العاكس خلف العنصر النشط، وعادة ما يكون أطول بنسبة 5% - 10% من العنصر النشط. وتتمثل مهمتها في عكس الموجات الكهرومغناطيسية، وتقليل الإشعاع الخلفي، وتعزيز الإشعاع الأمامي. عادة ما يكون هناك عاكس واحد فقط، ولكن يمكن أيضًا تصميم عاكسات متعددة لزيادة تحسين الاتجاهية.

المخرج: يقع المخرج أمام العنصر النشط، وعادة ما يكون أقصر بنسبة 5% - 10% من العنصر النشط. ويتمثل دورها في توجيه الموجات الكهرومغناطيسية وزيادة تعزيز الإشعاع الأمامي. يمكن ضبط عدد الموجهين وفقا لمتطلبات الكسب والاتجاه للهوائي، والتي تتراوح عادة من 1 إلى 10.

ذراع الرافعة: يستخدم لتثبيت العنصر النشط والعاكس والمخرج، وعادة ما يكون عبارة عن قضيب طويل مصنوع من المعدن أو المواد غير المعدنية. يحتاج تصميم ذراع الرافعة إلى مراعاة القوة الميكانيكية وتوزيع وزن الهوائي

خط التغذية: يتم استخدام خط التغذية لتوصيل العنصر النشط بجهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال، وعادةً ما يكون كبلًا متحد المحور أو زوجًا ملتويًا. يجب أن تتوافق مقاومة خط التغذية مع مقاومة العنصر النشط لتقليل انعكاس الإشارة وفقدانها.

ثالثا. طريقة تصميم هوائي Yagi-Uda

عند تصميم هوائي Yagi-Uda، يجب أخذ العديد من المعلمات في الاعتبار، بما في ذلك تردد التشغيل والكسب والاتجاهية ومطابقة المعاوقة. فيما يلي الخطوات الأساسية لتصميم هوائي Yagi-Uda:

تحديد تردد التشغيل: أولاً، من الضروري تحديد نطاق تردد التشغيل للهوائي. يرتبط حجم هوائي Yagi-Uda ارتباطًا وثيقًا بتردد التشغيل؛ كلما زاد التردد، قل حجم الهوائي. بشكل عام، يتراوح نطاق تردد التشغيل لهوائي Yagi-Uda من عدة عشرات من ميغاهرتز إلى عدة غيغاهرتز.

تحديد نوع العنصر النشط: العنصر النشط عادة ما يكون ثنائي القطب نصف موجة، وطوله ما يقرب من نصف الطول الموجي العامل. يمكن حساب طول ثنائي القطب نصف الموجة بالصيغة التالية:

（حيث L هو طول المذبذب و lect هو طول موجة التشغيل. 0.95 هو معامل التقصير.)

تصميم العاكس والمخرج: طول العاكس عادة ما يكون أطول بنسبة 5% - 10% من طول العنصر النشط، وطول المخرج عادة أقصر بنسبة 5% - 10% من طول العنصر النشط. عادة ما تكون المسافة بين العاكس والعنصر النشط 0.15 - 0.25 طول موجى، والمسافة بين المخرج والعنصر النشط عادة 0.1 - 0.15 طول موجى. يمكن تحسين الطول والتباعد المحددين من خلال برامج المحاكاة أو الصيغ التجريبية.

تحديد عدد الموجهين: يؤثر عدد الموجهين بشكل مباشر على كسب واتجاه الهوائي. كلما زاد عدد المخرجين، زاد كسب الهوائي وقل عرض الحزمة. ومع ذلك، فإن العدد الزائد من المخرجين سيزيد من تعقيد وحجم الهوائي. عادة يتراوح عدد المديرين من 1 إلى 10، ويجب وزن العدد المحدد حسب متطلبات التطبيق

مطابقة المعاوقة: عادة ما تكون مقاومة العنصر النشط 50 أوم أو 75 أوم، والتي تحتاج إلى مطابقة مقاومة وحدة التغذية. يمكن تحقيق مطابقة المعاوقة عن طريق ضبط طول وقطر العنصر النشط أو استخدام شبكة مطابقة المعاوقة.

المحاكاة والتحسين: بعد اكتمال التصميم، يمكن استخدام برامج المحاكاة الكهرومغناطيسية (مثل HFSS، CST، وما إلى ذلك) لمحاكاة الهوائي للتحقق من أدائه. يمكن تحسين مطابقة الكسب والاتجاه والمقاومة للهوائي عن طريق ضبط المعلمات مثل طول المذبذبات وتباعدها.

التصنيع والاختبار: يتم تصنيع النموذج الأولي للهوائي وفقًا لنتائج التصميم، ويتم اختباره باستخدام معدات مثل محلل الشبكة ومحلل الطيف للتحقق من الأداء الفعلي للهوائي. يتم إجراء المزيد من التحسين وفقًا لنتائج الاختبار.

رابعا. مزايا وعيوب هوائي Yagi-Uda

المزايا

· مكاسب عالية: يتمتع هوائي Yagi-Uda بكسب مرتفع نسبيًا، عادةً ما يتراوح بين 10 - 20 ديسيبل، وهو مناسب للاتصالات بعيدة المدى.

· اتجاهية قوية: يتميز هوائي Yagi-Uda بعرض شعاع ضيق واتجاه قوي، مما يمكن أن يقلل التداخل بشكل فعال.

· الهيكل البسيط: هيكل هوائي Yagi-Uda بسيط نسبيًا، مما يجعل من السهل تصنيعه وصيانته.

· التكلفة المنخفضة: التكلفة المادية لهوائي Yagi-Uda منخفضة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات واسعة النطاق.

العيوب:

· عرض النطاق الترددي الضيق: عرض النطاق الترددي لهوائي Yagi-Uda ضيق نسبيًا، وعادة ما يكون 5% - 10% من تردد التشغيل، لذا فهو غير مناسب لتطبيقات النطاق العريض.

· الحجم الكبير: يتناسب حجم هوائي Yagi-Uda عكسياً مع تردد التشغيل. تتميز الهوائيات الموجودة في نطاق التردد المنخفض بحجم كبير، وهو غير مناسب للتطبيقات ذات المساحة المحدودة.

الاتجاه الثابت: اتجاه هوائي Yagi-Uda ثابت، ويحتاج إلى تعديله يدويًا، لذا فهو غير مناسب للسيناريوهات التي يحتاج فيها الاتجاه إلى تغيير بشكل متكرر.

V. تطبيقات هوائي Yagi-Uda

يستخدم هوائي Yagi-Uda على نطاق واسع في المجالات التالية:

· الاستقبال التلفزيوني: هوائي Yagi-Uda هو شكل شائع من هوائيات الاستقبال التلفزيونية، يستخدم لاستقبال إشارات التلفزيون الأرضية.

· الاتصالات الراديوية: يستخدم هوائي Yagi-Uda في أنظمة الاتصالات مثل راديو الهواة ومحطات البث والشبكات المحلية اللاسلكية.

· أنظمة الرادار: يستخدم هوائي Yagi-Uda لكشف الأهداف وتتبعها في أنظمة الرادار.

الاتصالات عبر الأقمار الصناعية: يستخدم هوائي Yagi-Uda لاستقبال إشارات القنوات الفضائية وإشارات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

سادسا. خاتمة

هوائي Yagi-Uda هو هوائي اتجاهي كلاسيكي يتميز بخصائص الكسب العالي والاتجاه القوي والبنية البسيطة. يمكن تحقيق أداء إشعاعي ممتاز من خلال التصميم المعقول للطول والتباعد بين العنصر النشط والعاكس والمخرج. على الرغم من أن هوائي Yagi-Uda له عيوب مثل النطاق الترددي الضيق والحجم الكبير، إلا أن تطبيقه الواسع في مجالات مثل الاستقبال التلفزيوني والاتصالات الراديوية وأنظمة الرادار يثبت أهميته وعمليته. مع تطور تكنولوجيا المحاكاة الكهرومغناطيسية، أصبح تصميم وتحسين هوائي Yagi-Uda أكثر كفاءة ودقة، وسيظل يلعب دورًا مهمًا في مجال الاتصالات اللاسلكية في المستقبل.