هوائي ياغي-أودا

هوائي ياغي-أودا ، أو هوائي ياغي ببساطة ، هو هوائي اتجاهي يتكون من عنصرين هوائيين رنينيين متوازيين أو أكثر في مجموعة نهايات النار ؛ ^[1] غالبًا ما تكون هذه العناصر عبارة عن قضبان معدنية (أو أقراص) تعمل كثنائيات أقطاب نصف موجية . ^[2] تتكون هوائيات ياغي-أودا من عنصر مدفوع واحد متصل بجهاز إرسال أو استقبال لاسلكي (أو كليهما) من خلال خط نقل ، ومشعات سلبية إضافية بدون اتصال كهربائي، وعادة ما تتضمن ما يسمى عاكسًا واحدًا وأي عدد من المخرجات . ^{[2] [3] [4]} اخترعه شينتارو أودا في عام 1926 من جامعة توهوكو الإمبراطورية باليابان ، ^[5] مع دور أقل لعبه رئيسه هيديتسوغو ياغي . ^{[5] [6]}

تكون عناصر العاكس (عادةً ما يتم استخدام عنصر واحد فقط) أطول قليلاً من ثنائي القطب المدفوع وتوضع خلف العنصر المدفوع، في الاتجاه المعاكس لاتجاه الإرسال المقصود. من ناحية أخرى، تكون عناصر التوجيه أقصر قليلاً وتوضع أمام العنصر المدفوع في الاتجاه المقصود. ^[4] عادةً ما تكون هذه العناصر الطفيلية عبارة عن عناصر ثنائية القطب قصيرة الدائرة غير مضبوطة، أي أنه بدلاً من الانقطاع عند نقطة التغذية (مثل العنصر المدفوع) يتم استخدام قضيب صلب. وهي تستقبل وتعيد إشعاع الموجات الراديوية من العنصر المدفوع ولكن في مرحلة مختلفة تحددها أطوالها الدقيقة. ويتمثل تأثيرها في تعديل نمط إشعاع العنصر المدفوع. تتراكب الموجات من العناصر المتعددة وتتداخل لتعزيز الإشعاع في اتجاه واحد، مما يزيد من مكسب الهوائي في ذلك الاتجاه.

يُطلق عليه أيضًا هوائي الشعاع ^[4] والمصفوفة الطفيلية ، ويُستخدم Yagi على نطاق واسع كهوائي اتجاهي على نطاقات HF و VHF و UHF . ^{[3] [4]} وله مكسب متوسط ​​إلى مرتفع يصل إلى 20  ديسيبل ، ^[3] حسب عدد العناصر المستخدمة، ونسبة أمامية إلى خلفية تصل إلى 20 ديسيبل. ويشع موجات راديو مستقطبة خطيًا ^[3] وعادةً ما يتم تركيبه للاستقطاب الأفقي أو الرأسي. وهو خفيف الوزن نسبيًا وغير مكلف وسهل البناء. ^[3] عرض النطاق الترددي لهوائي Yagi، وهو نطاق التردد الذي يحافظ خلاله على مكسبه ومعاوقة نقطة التغذية ، ضيق، بنسبة قليلة فقط من التردد المركزي، ويتناقص للنماذج ذات المكسب الأعلى، ^{[3] [4]} مما يجعله مثاليًا لتطبيقات التردد الثابت. الاستخدام الأكبر والأشهر هو استخدام هوائيات التلفزيون الأرضية على الأسطح ، ^[3] ولكن يتم استخدامه أيضًا في روابط الاتصالات الثابتة من نقطة إلى نقطة، ^[2] والرادار، ^{[4] والاتصالات} بالموجات القصيرة طويلة المدى بواسطة محطات البث والهواة اللاسلكيين . ^[2]

تم اختراع الهوائي بواسطة شينتارو أودا من جامعة توهوكو الإمبراطورية باليابان، [ 5 ^] في عام 1926، مع لعب هيديتسوغو ياغي دورًا أقل . ^{[6] [7]}

ومع ذلك، أصبح اسم ياغي أكثر شيوعًا، في حين غالبًا ما يتم حذف اسم أودا، الذي طبق الفكرة عمليًا أو أسس المفهوم من خلال التجربة. ويبدو أن هذا كان بسبب حقيقة أن ياغي استند في عمله على إعلان أودا المسبق ^[5] وطور مبدأ ظاهرة الامتصاص التي أعلن عنها ياغي في وقت سابق. ^[8] قدم ياغي طلب براءة اختراع في اليابان على الفكرة الجديدة، دون اسم أودا فيها، ونقل براءة الاختراع لاحقًا إلى شركة ماركوني في المملكة المتحدة. ^[9] بالمناسبة، في الولايات المتحدة، تم نقل براءة الاختراع إلى شركة RCA Corporation . ^[10]

تم استخدام هوائيات ياغي لأول مرة على نطاق واسع أثناء الحرب العالمية الثانية في أنظمة الرادار من قبل اليابان وألمانيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة. ^[7] بعد الحرب، شهدت تطورًا واسع النطاق كهوائيات تلفزيونية منزلية .

جزء من سلسلة عن
الهوائيات
أنواع شائعة ثنائي القطب كسورية حلقة احادي القطب طبق القمر الصناعي تلفزيون سوط
عناصر بالون محول كتلة كابل محوري موازنة (نظام الأرض) يٌطعم خط التغذية محول خفض الضوضاء المنخفض مشع سلبي المتلقي محور دوار كعب جهاز الإرسال الموالف الرصاص المزدوج
الأنظمة مزرعة الهوائيات راديو الهواة الشبكة الخلوية نقطة اتصال الشبكة اللاسلكية البلدية راديو أبراج وأبراج الراديو واي فاي لاسلكي
السلامة والتنظيم إشعاعات الأجهزة اللاسلكية والصحة الأجهزة الإلكترونية اللاسلكية والصحة الاتحاد الدولي للاتصالات ( لوائح الراديو ) المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية
مصادر الإشعاع/المناطق خط البصر السحابة البؤرية مستوى الارض الفص الرئيسي المجال القريب والبعيد الفص الجانبي المستوى العمودي
صفات كسب المصفوفة الاتجاهية كفاءة الطول الكهربائي نصف القطر المكافئ عامل معادلة انتقال فريس يكسب ارتفاع نمط الإشعاع مقاومة الإشعاع انتشار الراديو طيف الراديو نسبة الإشارة إلى الضوضاء انبعاث زائف
التقنيات توجيه الشعاع إمالة الشعاع تشكيل الشعاع خلية صغيرة مختبرات بيل للزمكان الطبقي (BLAST) نظام الإدخال المتعدد والمخرجات المتعدد الضخم (MIMO) إعادة التكوين طيف الانتشار الوصول المتعدد بتقسيم المساحة عريض النطاق (WSDMA)
ف ت هـ

يتكون هوائي ياغي-أودا عادةً من عدد من عناصر القضبان الرفيعة المتوازية، يبلغ طول كل منها نصف موجة تقريبًا. ونادرًا ما تكون العناصر عبارة عن أقراص وليست قضبانًا. وغالبًا ما تكون مدعومة على عارضة عمودية أو "ذراع" على طول مراكزها. ^[2] وعادةً ما يكون هناك عنصر ثنائي القطب مدفوع يتكون من قضيبين متوازيين متصلين كل منهما بجانب واحد من خط النقل، وعدد متغير من العناصر الطفيلية ، عاكسات على جانب واحد واختياريًا موجه واحد أو أكثر على الجانب الآخر. [ 2 ^{] [3] [4] لا يتم توصيل العناصر الطفيلية كهربائيًا} بخط النقل وتعمل كمشعات سلبية ، تعيد إشعاع الموجات الراديوية لتعديل نمط الإشعاع . ^[2] تتراوح المسافات النموذجية بين العناصر من حوالي 1 ⁄10 إلى 1 ⁄4 من الطول الموجي، اعتمادًا على التصميم المحدد. تكون الموجهات أقصر قليلاً من العنصر المدفوع، بينما تكون العاكسات أطول قليلاً. ^[4] نمط الإشعاع أحادي الاتجاه، حيث يكون الفص الرئيسي على طول المحور عموديًا على العناصر في مستوى العناصر، بعيدًا عن النهاية مع المخرجين. ^[3]

من الملائم أن العناصر الطفيلية ثنائية القطب لها عقدة (نقطة جهد تردد راديوي صفري ) في مركزها، لذلك يمكن ربطها بدعامة معدنية موصلة في تلك النقطة دون الحاجة إلى عزل، دون إزعاج تشغيلها الكهربائي. ^[4] وعادة ما يتم تثبيتها بمسامير أو لحامها بذراع الدعم المركزي للهوائي. ^[4] الشكل الأكثر شيوعًا للعنصر المدفوع هو عنصر يتم تغذيته في مركزه، لذلك يجب عزل نصفيه حيث يدعمهما الذراع.

تزداد المكسبات مع عدد العناصر الطفيلية المستخدمة. ^[4] عادةً ما يتم استخدام عاكس واحد فقط نظرًا لأن تحسين المكسب باستخدام عاكسات إضافية يكون صغيرًا، ولكن يمكن استخدام المزيد من العاكسات لأسباب أخرى مثل عرض النطاق الترددي الأوسع. تم بناء Yagis بـ 40 موجهًا ^[3] وأكثر. ^[11]

عرض النطاق الترددي للهوائي هو، وفقًا لأحد التعريفات، عرض نطاق الترددات الذي يتمتع بمكسب في حدود 3 ديسيبل (نصف القدرة) من أقصى كسب له. تتمتع مجموعة ياغي-أودا في شكلها الأساسي بعرض نطاق ضيق، 2-3 في المائة من التردد المركزي. ^[4] هناك مقايضة بين المكسب وعرض النطاق الترددي، حيث يضيق عرض النطاق الترددي مع استخدام المزيد من العناصر. ^[4] بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب نطاقات تردد أوسع، مثل التلفزيون الأرضي ، تتميز هوائيات ياغي-أودا عادةً بعاكسات مثلثة وموصلات ذات قطر أكبر، من أجل تغطية الأجزاء ذات الصلة من نطاقي VHF وUHF. ^[12] يمكن أيضًا تحقيق عرض نطاق ترددي أوسع باستخدام "الفخاخ"، كما هو موضح أدناه.

أحيانًا ما يتم تصميم هوائيات Yagi-Uda المستخدمة في الراديو للهواة للعمل على نطاقات متعددة. تخلق هذه التصميمات المعقدة انقطاعات كهربائية على طول كل عنصر (كلا الجانبين) وعند هذه النقطة يتم إدخال دائرة LC ( محث ومكثف ) متوازية. هذا الفخ المزعوم له تأثير قطع العنصر عند نطاق التردد الأعلى، مما يجعله بطول نصف الطول الموجي تقريبًا. عند التردد المنخفض، يكون العنصر بالكامل (بما في ذلك المحاثة المتبقية بسبب الفخ) قريبًا من رنين نصف الموجة، مما يؤدي إلى تنفيذ هوائي Yagi-Uda مختلف . باستخدام مجموعة ثانية من المصائد، يمكن أن يكون الهوائي "ثلاثي النطاق" رنينًا عند ثلاثة نطاقات مختلفة. نظرًا للتكاليف المرتبطة بإقامة نظام هوائي ودوار فوق برج، فإن الجمع بين الهوائيات لثلاث نطاقات هواة في وحدة واحدة هو حل عملي. ومع ذلك، فإن استخدام المصائد ليس خاليًا من العيوب، حيث إنها تقلل من عرض النطاق الترددي للهوائي على النطاقات الفردية وتقلل من الكفاءة الكهربائية للهوائي وتعرض الهوائي لاعتبارات ميكانيكية إضافية (تحميل الرياح، ودخول المياه والحشرات).

لنفترض أن ياغي-أودا يتكون من عاكس وعنصر مدفوع وموجه واحد كما هو موضح هنا. العنصر المدفوع هو عادةً ثنائي القطب 1 ⁄ 2 λ أو ثنائي القطب المطوي وهو العضو الوحيد في الهيكل الذي يتم إثارته بشكل مباشر (متصل كهربائيًا بخط التغذية ). تعتبر جميع العناصر الأخرى طفيلية . أي أنها تعيد إشعاع الطاقة التي تتلقاها من العنصر المدفوع. كما تتفاعل مع بعضها البعض، ولكن هذا الاقتران المتبادل مهمل في التفسير المبسّط التالي، والذي ينطبق على ظروف المجال البعيد .

إحدى طرق التفكير في تشغيل مثل هذا الهوائي هي اعتبار العنصر الطفيلي عنصرًا ثنائي القطب عاديًا بقطر محدود يتم تغذيته عند مركزه، مع وجود دائرة قصر عبر نقطة تغذيته. يتم توزيع الجزء الرئيسي من التيار في هوائي الاستقبال المحمل كما هو الحال في الهوائي الموجه بالمركز. إنه يتناسب مع الطول الفعال للهوائي ويكون في طور مع المجال الكهربائي الوارد إذا تم إثارة ثنائي القطب السلبي تمامًا عند تردد رنينه. ^[13] الآن نتخيل التيار كمصدر لموجة طاقة عند منفذ (الدائرة القصيرة) للهوائي. كما هو معروف جيدًا في نظرية خط النقل ، تعكس الدائرة القصيرة الجهد الوارد 180 درجة خارج الطور. لذلك يمكن للمرء أيضًا نمذجة تشغيل العنصر الطفيلي باعتباره تراكبًا لعنصر ثنائي القطب يستقبل الطاقة ويرسلها عبر خط نقل إلى حمل مطابق، وجهاز إرسال يرسل نفس القدر من الطاقة لأعلى خط النقل مرة أخرى نحو عنصر الهوائي. إذا كانت موجة الجهد المرسلة خارج الطور بمقدار 180 درجة مع الموجة المستقبلة عند تلك النقطة، فإن تراكب موجتي الجهد سيعطي جهدًا صفريًا، وهو ما يعادل حدوث قصر في ثنائي القطب عند نقطة التغذية (مما يجعله عنصرًا صلبًا، كما هو). ومع ذلك، فإن تيار الموجة العكسية يكون في طور مع تيار الموجة الواردة. هذا التيار يحرك إعادة إشعاع عنصر ثنائي القطب (السلبي). على مسافة ما، يتم وصف المجال الكهربائي المعاد إشعاعه بواسطة مكون المجال البعيد لحقل الإشعاع لهوائي ثنائي القطب . يتضمن طوره تأخير الانتشار (المتعلق بالتيار) وإزاحة طور متأخرة إضافية بمقدار 90 درجة. وبالتالي، يمكن اعتبار المجال المعاد إشعاعه على أنه يحتوي على طور متأخر بمقدار 90 درجة فيما يتعلق بالمجال الوارد.

العناصر الطفيلية المشاركة في هوائيات ياغي-أودا ليست رنينية تمامًا ولكنها أقصر إلى حد ما (أو أطول) من 1 ⁄ 2 λ بحيث يتم تعديل طور تيار العنصر فيما يتعلق بإثارته من العنصر المدفوع. يتمتع ما يسمى بالعنصر العاكس ، الذي يكون أطول من 1 ⁄ 2 λ ، بمفاعلة حثية ، مما يعني أن طور تياره يتأخر عن طور جهد الدائرة المفتوحة الذي سيتم تحريضه بواسطة المجال المستقبل. وبالتالي فإن تأخير الطور أكبر من 90 درجة، وإذا تم تصنيع عنصر العاكس لفترة طويلة بما يكفي، فيمكن تصور أن تأخير الطور يقترب من 180 درجة، بحيث تتداخل الموجة الواردة والموجة المعاد إصدارها بواسطة العاكس بشكل مدمر في الاتجاه الأمامي (أي النظر من العنصر المدفوع نحو العنصر السلبي). من ناحية أخرى، فإن عنصر التوجيه، كونه أقصر من 1 ⁄ 2 λ ، لديه مفاعلة سعوية مع طور الجهد المتخلف عن التيار. ^[14] وبالتالي فإن تأخير الطور أصغر من 90 درجة، وإذا تم جعل عنصر التوجيه قصيرًا بدرجة كافية، فيمكن تصور أن تأخير الطور يقترب من الصفر وتتداخل الموجة الواردة والموجة المعاد إصدارها بواسطة العاكس بشكل بناء في الاتجاه الأمامي.

يحدث التداخل أيضًا في الاتجاه الخلفي. ويتأثر هذا التداخل بالمسافة بين العنصر المدفوع والعنصر السلبي، لأنه يجب أخذ تأخيرات انتشار الموجة الواردة (من العنصر المدفوع إلى العنصر السلبي) والموجة المعاد إشعاعها (من العنصر السلبي إلى العنصر المدفوع) في الاعتبار. ولتوضيح التأثير، نفترض صفرًا و180 درجة تأخير طور لإعادة انبعاث الموجه والعاكس، على التوالي، ونفترض مسافة ربع الطول الموجي بين العنصر المدفوع والعنصر السلبي. وفي ظل هذه الظروف، تتداخل الموجة المعاد انبعاثها من الموجه بشكل مدمر مع الموجة المنبعثة من العنصر المدفوع في الاتجاه الخلفي (بعيدًا عن العنصر السلبي)، وتتداخل الموجة المعاد انبعاثها من العاكس بشكل بناء.

في الواقع، لا يصل تأخير الطور لعناصر ثنائي القطب السلبي إلى القيم القصوى صفر و180 درجة. وبالتالي، يتم إعطاء العناصر الأطوال والمسافات الصحيحة بحيث تصل الموجات الراديوية التي يشعها العنصر المدفوع وتلك التي يشعها العناصر الطفيلية مرة أخرى إلى مقدمة الهوائي في نفس الطور، وبالتالي تتراكب وتضاف، مما يزيد من قوة الإشارة في الاتجاه الأمامي. بعبارة أخرى، تصل قمة الموجة الأمامية من عنصر العاكس إلى العنصر المدفوع تمامًا كما تنبعث قمة الموجة من ذلك العنصر. تصل هذه الموجات إلى عنصر التوجيه الأول تمامًا كما تنبعث قمة الموجة من ذلك العنصر، وهكذا. تتداخل الموجات في الاتجاه المعاكس بشكل مدمر ، وتلغي بعضها البعض، وبالتالي تكون قوة الإشارة المشعة في الاتجاه المعاكس صغيرة. وبالتالي يشع الهوائي شعاعًا أحادي الاتجاه من الموجات الراديوية من مقدمة (نهاية التوجيه) للهوائي.

في حين أن التفسير النوعي المذكور أعلاه مفيد لفهم كيف يمكن للعناصر الطفيلية أن تعزز إشعاع العناصر المدفوعة في اتجاه واحد على حساب الآخر، فإن افتراض حدوث تحول طور إضافي بمقدار 90 درجة (متقدم أو متأخر) للموجة المعاد إرسالها غير صحيح. عادةً، يكون تحول الطور في العنصر السلبي أصغر بكثير. وعلاوة على ذلك، لزيادة تأثير المشعات السلبية، يجب وضعها بالقرب من العنصر المدفوع، بحيث يمكنها جمع وإعادة إرسال جزء كبير من الإشعاع الأساسي.

• 
  كيف يعمل الهوائي. يتم إصدار الموجات الراديوية من كل عنصر بتأخير طور، بحيث تكون الموجات الفردية المنبعثة في الاتجاه الأمامي (أعلى) في طور، بينما تكون الموجات في الاتجاه المعاكس خارج الطور. لذلك، تتجمع الموجات الأمامية معًا، ( تداخل بناء ) مما يعزز القدرة في ذلك الاتجاه، بينما تلغي الموجات الخلفية بعضها البعض جزئيًا ( تداخل مدمر )، وبالتالي تقلل من القدرة المنبعثة في ذلك الاتجاه.
• 
  توضيح للكسب الأمامي لمصفوفة ياغي-أودا ثنائية العنصر باستخدام عنصر مدفوع فقط (على اليسار) وموجه (على اليمين). تثير الموجة (باللون الأخضر) من العنصر المدفوع تيارًا في الموجه السلبي الذي يعيد إشعاع موجة (باللون الأزرق) ذات تحول طور معين (انظر الشرح في النص، لاحظ أن الأبعاد ليست متناسبة مع الأرقام في النص). تتم زيادة إضافة هذه الموجات (في الأسفل) في الاتجاه الأمامي، ولكنها تؤدي إلى إلغاء جزئي في الاتجاه العكسي.

يوضح الرسم التخطيطي المصاحب نموذجًا أكثر واقعية لمصفوفة ياغي-أودا باستخدام عنصر مدفوع وموجه فقط. تنتشر الموجة التي يولدها العنصر المدفوع (باللون الأخضر) في كل من الاتجاهين الأمامي والعكسي (وكذلك اتجاهات أخرى غير موضحة). يستقبل الموجه تلك الموجة متأخرة قليلاً في الوقت (ما يعادل تأخيرًا في الطور يبلغ حوالي 45 درجة وهو أمر مهم لحسابات الاتجاه العكسي لاحقًا). نظرًا لقصر طول الموجه، يتقدم التيار المتولد في الموجه في الطور (بحوالي 20 درجة) فيما يتعلق بالحقل الوارد وينبعث منه مجال كهرومغناطيسي، يتأخر (في ظل ظروف المجال البعيد) عن هذا التيار بمقدار 90 درجة. التأثير الصافي هو موجة ينبعثها الموجه (باللون الأزرق) والتي تتأخر بحوالي 70 درجة (20 درجة - 90 درجة) فيما يتعلق بالموجة الصادرة عن العنصر المدفوع (باللون الأخضر)، في هذا التصميم المعين. تتحد هذه الموجات لإنتاج الموجة الأمامية الصافية (أسفل، يمين) بسعة أكبر قليلاً من الموجات الفردية.

من ناحية أخرى، في الاتجاه المعاكس، يؤدي التأخير الإضافي للموجة من المخرج (الأزرق) بسبب التباعد بين العنصرين (حوالي 45 درجة من تأخير الطور الذي تم اجتيازه مرتين) إلى خروجها عن الطور بحوالي 160 درجة (70 درجة + 2 × 45 درجة) مع الموجة من العنصر المدفوع (الأخضر). التأثير الصافي لهاتين الموجتين، عند إضافتهما (أسفل، يسار)، هو الإلغاء الجزئي. وبالتالي، حصل الجمع بين موضع المخرج والطول الأقصر على استجابة أحادية الاتجاه بدلاً من ثنائية الاتجاه للعنصر المدفوع (ثنائي القطب نصف الموجة) وحده.

عندما يتم وضع مشع سلبي بالقرب (أقل من ربع مسافة الطول الموجي) من ثنائي القطب الموجه، فإنه يتفاعل مع المجال القريب ، حيث لا تخضع العلاقة بين الطور والمسافة لتأخير الانتشار، كما هو الحال في المجال البعيد. وبالتالي، لا يمكن فهم العلاقة بين السعة والطور بين العنصر الموجه والعنصر السلبي باستخدام نموذج التجميع وإعادة البث المتتالي لموجة أصبحت منفصلة تمامًا عن العنصر المشع الأساسي. بدلاً من ذلك، يشكل عنصرا الهوائي نظامًا مقترنًا، حيث تتأثر، على سبيل المثال، المعاوقة الذاتية (أو مقاومة الإشعاع ) للعنصر الموجه بشدة بالعنصر السلبي. يتطلب التحليل الكامل لمثل هذا النظام حساب المعاوقات المتبادلة بين عناصر ثنائي القطب ^[15] والتي تأخذ في الاعتبار ضمناً تأخير الانتشار بسبب التباعد المحدود بين العناصر وتأثيرات اقتران المجال القريب. نقوم بنمذجة العنصر رقم j على أنه يحتوي على نقطة تغذية في المركز بجهد V _j وتيار I _j يتدفق إليه. بمجرد النظر إلى هذين العنصرين، يمكننا كتابة الجهد عند كل نقطة تغذية من حيث التيارات باستخدام المعاوقات المتبادلة Z _ij :

${\displaystyle V_{1}=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}}$

${\displaystyle V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}}$

Z ₁₁ و Z ₂₂ هما ببساطة معاوقات نقطة القيادة العادية لثنائي القطب، وبالتالي 73 + j43 أوم لعنصر نصف الموجة (أو مقاوم بحت لعنصر أقصر قليلاً، كما هو مطلوب عادةً للعنصر المتحرك). نظرًا للاختلافات في أطوال العناصر، فإن Z ₁₁ و Z ₂₂ لهما مكون تفاعلي مختلف بشكل كبير. نظرًا للمعاملة بالمثل، نعلم أن Z ₂₁ = Z _12. الآن الحساب الصعب هو في تحديد تلك المعاوقة المتبادلة Z ₂₁ والتي تتطلب حلًا رقميًا. تم حساب ذلك لعنصرين ثنائي القطب نصف الموجة الدقيقين عند مسافات مختلفة في الرسم البياني المصاحب.

الحل للنظام إذن هو كما يلي. لنفترض أن العنصر المتحرك يُسمى 1 بحيث يكون V ₁ و I ₁ هما الجهد والتيار الذي يوفره المرسل. يُسمى العنصر الطفيلي 2، وبما أنه مُقصر عند "نقطة التغذية" الخاصة به، فيمكننا كتابة أن V ₂  = 0. باستخدام العلاقات أعلاه، يمكننا حل I ₂ من حيث I ₁ :

${\displaystyle 0=V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}}$

وهكذا

${\displaystyle I_{2}=-{Z_{21} \over Z_{22}}\,I_{1}}$.

هذا هو التيار المستحث في العنصر الطفيلي بسبب التيار I ₁ في العنصر المحرك. يمكننا أيضًا إيجاد الجهد V ₁ عند نقطة تغذية العنصر المحرك باستخدام المعادلة السابقة:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}=Z_{11}I_{1}-Z_{12}{Z_{21} \over Z_{22}}\,I_{1}\\&=\left(Z_{11}-{Z_{21}^{2} \over Z_{22}}\right)I_{1}\end{aligned}}}$

حيث قمنا باستبدال Z ₁₂ = Z _21. نسبة الجهد إلى التيار عند هذه النقطة هي معاوقة نقطة القيادة Z _dp لجهاز Yagi المكون من عنصرين:

${\displaystyle Z_{dp}=V_{1}/I_{1}=Z_{11}-{Z_{21}^{2} \over Z_{22}}}$

مع وجود العنصر المحرك فقط، فإن معاوقة نقطة القيادة كانت لتكون ببساطة Z ₁₁ ، ولكن تم تعديلها الآن بوجود العنصر الطفيلي. والآن، فإن معرفة طور (وسعة) I ₂ فيما يتعلق بـ I ₁ كما تم حسابه أعلاه يسمح لنا بتحديد نمط الإشعاع (المكسب كدالة للاتجاه) بسبب التيارات المتدفقة في هذين العنصرين. يستمر حل مثل هذا الهوائي بأكثر من عنصرين على نفس الخطوط، مع ضبط كل V _j  = 0 لجميع العناصر باستثناء العنصر المحرك، وحل التيارات في كل عنصر (والجهد V ₁ عند نقطة التغذية). ^[16] بشكل عام، يميل الاقتران المتبادل إلى خفض معاوقة المبرد الأساسي، وبالتالي، تُستخدم هوائيات ثنائية القطب المطوية بشكل متكرر بسبب مقاومتها الإشعاعية الكبيرة، والتي يتم تقليلها إلى النطاق النموذجي من 50 إلى 75 أوم عن طريق الاقتران بالعناصر السلبية.

لا توجد صيغ بسيطة لتصميم هوائيات Yagi-Uda بسبب العلاقات المعقدة بين المعلمات الفيزيائية مثل

• طول العنصر والتباعد
• قطر العنصر
• خصائص الأداء: المكسب ومقاومة الإدخال

ومع ذلك، باستخدام الأنواع المذكورة أعلاه من التحليل التكراري، يمكن للمرء حساب أداء مجموعة معينة من المعلمات وضبطها لتحسين المكسب (ربما وفقًا لبعض القيود). نظرًا لوجود 2 n  −  1 معلمة لضبطها (أطوال العناصر والمسافات النسبية) مع هوائي Yagi–Uda المكون من عنصر واحد ، فإن طريقة التحليل التكراري هذه ليست مباشرة. تنطبق المعاوقات المتبادلة المرسومة أعلاه فقط على عناصر بطول λ / 2 ، لذلك قد يلزم إعادة حسابها للحصول على دقة جيدة.

إن توزيع التيار على طول عنصر هوائي حقيقي لا يُعطى إلا بشكل تقريبي بالافتراض المعتاد للموجة الدائمة الكلاسيكية، الأمر الذي يتطلب حل معادلة هالين التكاملية مع مراعاة الموصلات الأخرى. إن مثل هذا التحليل الدقيق الكامل، مع الأخذ في الاعتبار جميع التفاعلات المذكورة، أمر مرهق إلى حد ما، والتقريبات أمر لا مفر منه على الطريق إلى إيجاد هوائي صالح للاستخدام. وبالتالي، فإن هذه الهوائيات غالبًا ما تكون تصميمات تجريبية تستخدم عنصر التجربة والخطأ ، وغالبًا ما تبدأ بتصميم موجود معدَّل وفقًا لحدس المرء. يمكن التحقق من النتيجة عن طريق القياس المباشر أو عن طريق المحاكاة الحاسوبية.

إن المرجع المعروف المستخدم في النهج الأخير هو تقرير نشره المكتب الوطني للمعايير في الولايات المتحدة (NBS) (الآن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)) والذي يوفر ستة تصاميم أساسية مستمدة من القياسات التي أجريت عند 400 ميجا هرتز وإجراءات تكييف هذه التصاميم مع ترددات أخرى. ^[17] يُشار أحيانًا إلى هذه التصاميم، وتلك المستمدة منها، باسم "NBS yagis".

من خلال ضبط المسافة بين المخرجين المتجاورين، من الممكن تقليل الفص الخلفي لنمط الإشعاع.

تم اختراع هوائي ياغي-أودا في عام 1926 بواسطة شينتارو أودا من جامعة توهوكو الإمبراطورية ، ^[5] سينداي ، اليابان ، بتوجيه من هيديتسوغو ياغي ، أيضًا من جامعة توهوكو الإمبراطورية. ^[6] نشر ياغي وأودا تقريرهما الأول عن هوائي الاتجاه الموجي. أظهر ياغي إثباتًا للمفهوم ، لكن ثبت أن المشكلات الهندسية كانت أكثر صعوبة من الأنظمة التقليدية. ^[18]

نشر ياغي أول مرجع باللغة الإنجليزية عن الهوائي في مقالة استقصائية عام 1928 حول أبحاث الموجات القصيرة في اليابان وارتبطت باسمه. ومع ذلك، فإن ياغي الذي قدم المفهوم الذي كان في الأصل تعبيرًا غامضًا لأودا، أقر دائمًا بالمساهمة الرئيسية لأودا في التصميم والتي سيتم الاعتراف بها حاليًا على أنها اختزال للممارسة ، وإذا لم يتم النظر في الحداثة ، فإن الاسم الصحيح للهوائي هو، كما هو مذكور أعلاه، هوائي (أو مجموعة) ياغي-أودا.

استُخدمت تقنية ياغي لأول مرة على نطاق واسع خلال الحرب العالمية الثانية لمجموعات الرادار المحمولة جوًا ، وذلك بسبب بساطتها واتجاهيتها. ^{[18] [19]} وعلى الرغم من اختراعها في اليابان، إلا أن العديد من مهندسي الرادار اليابانيين لم يكونوا على دراية بالتصميم حتى وقت متأخر من الحرب، ويرجع ذلك جزئيًا إلى التنافس بين الجيش والبحرية. أصبحت السلطات العسكرية اليابانية على دراية بهذه التكنولوجيا لأول مرة بعد معركة سنغافورة عندما استولت على ملاحظات فني رادار بريطاني ذكر فيها "هوائي ياغي". لم يدرك ضباط المخابرات اليابانية حتى أن ياغي كان اسمًا يابانيًا في هذا السياق. وعند استجوابه، قال الفني إنه هوائي سمي على اسم أستاذ ياباني. ^{[20] [21] [N 1]}

يمكن رؤية مجموعة مستقطبة أفقيًا على العديد من أنواع طائرات الحرب العالمية الثانية المختلفة، وخاصة تلك الأنواع المشاركة في الدوريات البحرية أو المقاتلات الليلية، والتي يتم تركيبها عادةً على السطح السفلي لكل جناح. هناك نوعان غالبًا ما يحملان مثل هذه المعدات هما طائرة Grumman TBF Avenger التابعة للبحرية الأمريكية وطائرة Consolidated PBY Catalina البحرية للدورية طويلة المدى. يمكن رؤية مجموعات مستقطبة رأسياً على خدود P -61 وعلى مخاريط أنف العديد من طائرات الحرب العالمية الثانية، ولا سيما نماذج ليشتنشتاين المجهزة بالرادار من قاذفة القنابل الألمانية Junkers Ju 88 R-1 ، والمقاتلة الليلية البريطانية Bristol Beaufighter وقارب الطيران Short Sunderland . في الواقع، كان الأخير يحتوي على العديد من عناصر الهوائي مرتبة على ظهره - بالإضافة إلى تسليحه الدفاعي الهائل ذي الأبراج في الأنف والذيل، وأعلى الهيكل - أطلق عليه الطيارون الألمان لقب fliegendes Stachelschwein ، أو "Flying Porcupine". ^[22] استخدم هوائي الرادار التجريبي الألماني مورغنسترن AI VHF-band في الفترة من 1943 إلى 1944 بنية "ياجي مزدوجة" من أزواج هوائيات ياجي بزاوية 90 درجة مكونة من ستة عناصر ثنائية القطب منفصلة، ​​مما يجعل من الممكن وضع المصفوفة داخل قبة رادار مخروطية مغطاة بالمطاط على أنف الطائرة، مع أطراف عناصر هوائي مورغنسترن القصوى البارزة من سطح قبة الرادار، مع استخدام NJG 4 Ju 88 G-6 من رحلة طاقم الجناح في وقت متأخر من الحرب لرادار Lichtenstein SN-2 AI. ^[23]

بعد الحرب العالمية الثانية، أدى ظهور البث التلفزيوني إلى تحفيز التكيف الواسع النطاق لتصميم Yagi-Uda لاستقبال التلفزيون على السطح في نطاق VHF (ولاحقًا للتلفزيون UHF ) وأيضًا كهوائي راديو FM في المناطق الهامشية. كان العيب الرئيسي هو النطاق الترددي الضيق بطبيعته لـ Yagi، والذي تم حله في النهاية من خلال اعتماد مجموعة ثنائي القطب الدوري اللوغاريتمي عريض النطاق (LPDA). ومع ذلك، فإن مكسب Yagi الأعلى مقارنةً بـ LPDA يجعله لا يزال مطلوبًا لأفضل استقبال هامشي ، وقد تم تطوير تصميمات Yagi المعقدة والجمع مع تقنيات الهوائي الأخرى للسماح بتشغيله عبر نطاقات التلفزيون العريضة .

تم تسمية هوائي Yagi-Uda كأحد إنجازات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في عام 1995. ^[10]

• هوائي (راديو)
• مجموعة الهوائيات
• الكود الكهرومغناطيسي العددي
• محدد اتجاه الراديو
• تحديد اتجاه الراديو

الاستشهادات

فهرس

• براون، لويس (1999). تاريخ الرادار في الحرب العالمية الثانية: الضرورات التقنية والعسكرية. دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 0-7503-0659-9 
• س. أودا، "الإشعاع بزاوية عالية للموجات الكهربائية القصيرة". وقائع مؤتمر IRE ، المجلد 15، ص 377-385، مايو 1927.
• س. أودا، "الراديو تيليغرافي والراديو تليفون على موجات نصف متر". وقائع مؤتمر IRE ، المجلد 18، ص 1047-1063، يونيو 1930.
• جيه إي بريتين، مسح الماضي، شينتارو أودا وجهاز عرض الموجات، وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، مايو 1997، ص 800-801.
• H. Yagi, Beam Transmission of Ultra-shortwaves , Proceedings of the IRE, vol. 16, pp. 715–740, June 1928. عنوان URL هو لإعادة طباعة IEEE للمقالة الكلاسيكية عام 1997. انظر أيضًا Beam Transmission Of Ultra Short Waves: An Introduction To The Classic Paper By H. Yagi by DM Pozar , in Proceedings of the IEEE , Volume 85, Issue 11, Nov. 1997 Page(s):1857–1863.
• "مسح الماضي: تاريخ الهندسة الكهربائية من الماضي". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، المجلد 81، العدد 6، 1993.
• شوزو أوسامي وجينتي ساتو، "هوائي الموجات القصيرة التوجيهي، 1924". إنجازات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، مركز تاريخ معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 2005.
• توما كاوانيشي (7 أبريل 2020). "تصور الهندسة كعلم: هيديتسوغو ياغي كمروج لبحوث الهندسة". فلسفة وتاريخ دراسات العلوم . 14 (14). فلسفة وتاريخ العلوم، جامعة كيوتو: 1-24. doi :10.14989/250442.
• جريفثس، هيو (1 يناير 2022). "هوائي ياغي". مجلة IEEE للأنظمة الإلكترونية والفضاء . 37 (1). IEEE: 4-5. doi :10.1109/MAES.2021.3127141. S2CID  245708628. تم الاسترجاع في 12 ديسمبر 2022 .

• تاريخ هوائي ياغي-أودا. تاريخ اختراع الهوائي وبراءات الاختراع الخاصة به.
• د. جيفريز، "هوائيات ياغي-أودا المؤرشفة في 2005-12-25 على موقع واي باك مشين ". 2004.
• براءة اختراع "مرسل ياغي-أودا المستخدم في رادارات التردد المنخفض AESA (مجموعة المسح الإلكتروني النشط)" patents.google.com
• هوائي ياغي-أودا. معلومات بسيطة عن التصميم الأساسي والمشروع وقياس هوائي ياغي-أودا. 2008
• هوائيات ياغي-أودا www.antenna-theory.com
• حاسبة هوائيات ياغي وتصاميم الكمبيوتر 2020