هوائي ياغي-أودا

هوائي ياغي -أودا ، أو هوائي ياغي ، هو هوائي اتجاهي يتكون من عنصرين هوائيين رنينيين متوازيين أو أكثر في مصفوفة طرفية ؛ ^{[ 1 ]} غالبًا ما تكون هذه العناصر عبارة عن قضبان (أو أقراص) معدنية تعمل كأقطاب ثنائية نصف موجة . ^{[ 2 ]} يتكون هوائي ياغي-أودا من عنصر واحد مُحفَّز متصل بجهاز إرسال أو استقبال لاسلكي (أو كليهما) عبر خط نقل ، بالإضافة إلى مشعات سلبية إضافية بدون توصيل كهربائي، وعادةً ما تتضمن عاكسًا واحدًا وعددًا من الموجهات . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} تم اختراعه عام 1926 على يد شينتارو أودا من جامعة توهوكو الإمبراطورية في اليابان ، ^{[ 5 ]} مع دور ثانوي لعبه رئيسه هيديتسوغو ياغي . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تكون عناصر العاكس (عادةً ما يُستخدم عنصر واحد فقط) أطول قليلاً من ثنائي القطب المُحفَّز، وتُوضع خلفه في الاتجاه المعاكس لاتجاه الإرسال المطلوب. أما عناصر التوجيه، فهي أقصر قليلاً وتُوضع أمام ثنائي القطب المُحفَّز في الاتجاه المطلوب. ^{[ 4 ]} عادةً ما تكون هذه العناصر الطفيلية عناصر ثنائية القطب قصيرة الدائرة ومنحرفة عن التردد، أي أنه بدلاً من وجود انقطاع عند نقطة التغذية (كما هو الحال في ثنائي القطب المُحفَّز)، يُستخدم قضيب صلب. تستقبل هذه العناصر الموجات الراديوية من ثنائي القطب المُحفَّز وتعيد بثها، ولكن بطور مختلف يتحدد بأطوالها الدقيقة. ويتمثل تأثيرها في تعديل نمط إشعاع ثنائي القطب المُحفَّز. تتراكب الموجات الصادرة من العناصر المتعددة وتتداخل لتعزيز الإشعاع في اتجاه واحد ، مما يزيد من كسب الهوائي في ذلك الاتجاه.

يُعرف هوائي ياغي أيضًا باسم هوائي الحزمة ^{[ 4 ]} ومصفوفة العناصر الطفيلية ، ويُستخدم على نطاق واسع كهوائي اتجاهي في نطاقات التردد العالي (HF ) والتردد العالي جدًا ( VHF) والتردد العالي جدًا جدًا (UHF) . ^{[ 3 ] [ 4 ]} يتميز بكسب متوسط ​​إلى عالٍ يصل إلى 20 ديسيبل ^{[ 3 ]} ، اعتمادًا على عدد العناصر المستخدمة، ونسبة أمامية إلى خلفية تصل إلى 20 ديسيبل. يشع موجات راديوية مستقطبة خطيًا ^{[ 3 ]} ، وعادةً ما يُركّب للاستقطاب الأفقي أو الرأسي. يتميز بخفة وزنه وانخفاض تكلفته وسهولة تصنيعه. ^{[ 3 ]} عرض نطاق هوائي ياغي، أي نطاق التردد الذي يحافظ فيه على كسبه ومعاوقة نقطة التغذية ، ضيق، حيث لا يتجاوز بضعة بالمئة من التردد المركزي، ويتناقص في النماذج ذات الكسب الأعلى ^{[ 3 ] [ 4 ]،} مما يجعله مثاليًا لتطبيقات التردد الثابت. يُعدّ الاستخدام الأكبر والأكثر شهرة هو كهوائيات تلفزيونية أرضية على أسطح المنازل ، ^{[ 3 ]} ولكنه يُستخدم أيضًا لوصلات الاتصال الثابتة من نقطة إلى نقطة، ^{[ 2 ]} والرادار، ^{[ 4 ]} والاتصالات بعيدة المدى بالموجات القصيرة من قبل محطات البث وهواة الراديو . ^{[ 2 ]}  

اخترع الهوائي شينتارو أودا من جامعة توهوكو الإمبراطورية في اليابان ، ^{[ 5 ]} في عام 1926 ، مع دور أقل لعبه هيديتسوجو ياغي . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

مع ذلك، أصبح اسم ياغي أكثر شيوعًا، بينما يُغفل غالبًا اسم أودا، الذي طبّق الفكرة عمليًا أو أرسى المفهوم من خلال التجربة. ويبدو أن هذا يعود إلى أن ياغي بنى عمله على إعلان أودا المسبق ^{[ 5 ]} وطوّر مبدأ ظاهرة الامتصاص التي أعلن عنها ياغي سابقًا. ^{[ 8 ]} قدّم ياغي طلب براءة اختراع في اليابان للفكرة الجديدة، دون ذكر اسم أودا، ثم نقل براءة الاختراع لاحقًا إلى شركة ماركوني في المملكة المتحدة. ^{[ 9 ]} وبالمناسبة، في الولايات المتحدة، نُقلت براءة الاختراع إلى شركة آر سي إيه . ^{[ 10 ]}

استُخدمت هوائيات ياغي على نطاق واسع لأول مرة خلال الحرب العالمية الثانية في أنظمة الرادار من قبل اليابان وألمانيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة. ^{[ 7 ]} وبعد الحرب، شهدت تطوراً واسعاً كهوائيات تلفزيونية منزلية .

يتكون هوائي ياغي-أودا عادةً من عدد من العناصر القضيبية الرقيقة المتوازية، يبلغ طول كل منها نصف موجة تقريبًا. ونادرًا ما تكون هذه العناصر على شكل أقراص بدلًا من قضبان. وغالبًا ما تُثبّت على عارضة أو "ذراع" عمودية على طول مراكزها. ^{[ 2 ]} عادةً ما يوجد عنصر ثنائي القطب واحد مُحفّز، يتكون من قضيبين متوازيين، كل منهما متصل بأحد طرفي خط النقل، وعدد متغير من العناصر الطفيلية ، عاكسات على أحد الجانبين، وموجّه واحد أو أكثر اختياريًا على الجانب الآخر. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} لا تتصل العناصر الطفيلية كهربائيًا بخط النقل، وتعمل كمشعّات سلبية ، تعيد إشعاع الموجات الراديوية لتعديل نمط الإشعاع . ^{[ 2 ]} تتراوح المسافات النموذجية بين العناصر من عُشر إلى ربع طول الموجة تقريبًا ، وذلك حسب التصميم المحدد. الموجّهات أقصر قليلًا من العنصر المُحفّز، بينما العاكس ( أو العاكسات) أطول قليلًا. ^{[ 4 ]} يكون نمط الإشعاع أحادي الاتجاه، حيث يمتد الفص الرئيسي على طول المحور العمودي على العناصر في مستوى العناصر، بعيدًا عن النهاية التي تحتوي على الموجهات. ^{[ 3 ]}

من الملائم أن العناصر الطفيلية ثنائية القطب تحتوي على عقدة (نقطة جهد تردد لاسلكي صفري ) في مركزها، مما يسمح بتثبيتها على دعامة معدنية موصلة عند تلك النقطة دون الحاجة إلى عزل، ودون التأثير على أدائها الكهربائي. ^{[ 4 ]} وعادةً ما تُثبّت هذه العناصر بمسامير أو تُلحم بذراع الدعم المركزي للهوائي. ^{[ 4 ]} أما الشكل الأكثر شيوعًا للعنصر المُشغّل فهو العنصر الذي يُغذّى من مركزه، لذا يجب عزل نصفيه عند موضع دعم الذراع لهما.

يزداد الكسب مع زيادة عدد العناصر الطفيلية المستخدمة. ^{[ 4 ]} عادةً ما يُستخدم عاكس واحد فقط لأن تحسين الكسب بإضافة عواكس إضافية يكون ضئيلاً، ولكن يمكن استخدام المزيد من العواكس لأسباب أخرى مثل زيادة عرض النطاق الترددي. وقد بُنيت هوائيات ياغي بأربعين موجهًا ^{[ 3 ]} وأكثر. ^{[ 11 ]}

يُعرَّف عرض نطاق الهوائي، وفقًا لأحد التعريفات، بأنه عرض نطاق الترددات التي يكون كسبها ضمن نطاق 3  ديسيبل (نصف القدرة) من أقصى كسب لها. يتميز مصفوفة ياغي-أودا في شكلها الأساسي بعرض نطاق ضيق، يتراوح بين 2 و3 بالمئة من التردد المركزي. ^{[ 4 ]} ثمة مفاضلة بين الكسب وعرض النطاق، حيث يضيق عرض النطاق مع زيادة عدد العناصر المستخدمة. ^{[ 4 ]} بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب نطاقات أوسع، مثل البث التلفزيوني الأرضي ، تتميز هوائيات ياغي-أودا عادةً بعاكسات ثلاثية الأضلاع وموصلات ذات قطر أكبر، لتغطية الأجزاء ذات الصلة من نطاقي VHF وUHF. ^{[ 12 ]} يمكن أيضًا تحقيق عرض نطاق أوسع باستخدام "المصائد"، كما هو موضح أدناه.

تُصمَّم هوائيات ياغي-أودا المستخدمة في هواة اللاسلكي أحيانًا للعمل على نطاقات تردد متعددة. وتُنشئ هذه التصاميم المعقدة فواصل كهربائية على طول كل عنصر (من كلا الجانبين)، حيث تُضاف دائرة LC متوازية ( ملف ومكثف ) عند هذه النقطة. تعمل هذه الدائرة ، التي تُسمى "المصيدة " ، على تقصير العنصر عند نطاق التردد الأعلى، ليصبح طوله تقريبًا نصف طول موجة. عند التردد الأدنى، يكون العنصر بأكمله (بما في ذلك الحث المتبقي الناتج عن المصيدة) قريبًا من رنين نصف الموجة، مما يُنتج هوائي ياغي-أودا مختلفًا . باستخدام مجموعة ثانية من المصائد، يمكن لهوائي "ثلاثي النطاق" أن يرن على ثلاثة نطاقات تردد مختلفة. ونظرًا للتكاليف المرتبطة بتركيب نظام هوائي ودوار فوق برج، يُعد دمج هوائيات لثلاثة نطاقات تردد للهواة في وحدة واحدة حلاً عمليًا. مع ذلك، لا يخلو استخدام المصائد من العيوب، إذ تُقلل من عرض نطاق الهوائي على كل نطاق على حدة، وتُقلل من كفاءته الكهربائية، وتُعرِّضه لاعتبارات ميكانيكية إضافية (مثل أحمال الرياح، ودخول الماء والحشرات).

لنفترض هوائي ياغي-أودا يتكون من عاكس، وعنصر مُحفِّز، وموجه واحد كما هو موضح هنا. عادةً ما يكون العنصر المُحفِّز ثنائي قطب بطول نصف موجة (λ) أو ثنائي قطب مطوي ، وهو العنصر الوحيد في الهيكل الذي يتم تحفيزه مباشرةً (متصل كهربائيًا بخط التغذية ). تُعتبر جميع العناصر الأخرى طفيلية ، أي أنها تُعيد إشعاع الطاقة التي تتلقاها من العنصر المُحفِّز. كما أنها تتفاعل فيما بينها، ولكن هذا التفاعل المتبادل يُهمل في الشرح المُبسَّط التالي، والذي ينطبق على ظروف المجال البعيد .

إحدى طرق فهم آلية عمل هذا النوع من الهوائيات هي اعتبار العنصر الطفيلي عنصرًا ثنائي القطب عاديًا بقطر محدود، يُغذى من مركزه، مع وجود دائرة قصر عند نقطة التغذية. يتوزع الجزء الرئيسي من التيار في هوائي الاستقبال المُحمّل كما في هوائي مُغذّى من المركز. ويتناسب هذا التيار مع الطول الفعال للهوائي، ويكون متوافقًا في الطور مع المجال الكهربائي الساقط إذا تم تحفيز ثنائي القطب السلبي عند تردد رنينه تمامًا. ^{[ 13 ]} الآن، نتخيل التيار كمصدر لموجة طاقة عند منفذ الهوائي (المُقصر). وكما هو معروف في نظرية خطوط النقل ، تعكس دائرة القصر الجهد الساقط بزاوية 180 درجة خارج الطور. لذا، يمكن أيضًا نمذجة عمل العنصر الطفيلي على أنه تراكب لعنصر ثنائي القطب يستقبل الطاقة ويرسلها عبر خط نقل إلى حمل مُطابق، وجهاز إرسال يرسل نفس مقدار الطاقة عبر خط النقل عائدًا إلى عنصر الهوائي. إذا كانت موجة الجهد المرسلة متأخرة  في الطور بمقدار 180 درجة عن الموجة المستقبلة عند تلك النقطة، فإن تراكب الموجتين سيعطي جهدًا صفريًا، وهو ما يعادل قصر الدائرة في ثنائي القطب عند نقطة التغذية (مما يجعله عنصرًا صلبًا، كما هو عليه). مع ذلك، فإن تيار الموجة العكسية يكون متوافقًا في الطور مع تيار الموجة الساقطة. هذا التيار هو الذي يحفز إعادة إشعاع عنصر ثنائي القطب (السلبي). عند مسافة معينة، يُوصف المجال الكهربائي المُعاد إشعاعه بمكون المجال البعيد لإشعاع هوائي ثنائي القطب . يتضمن طوره تأخير الانتشار (المتعلق بالتيار)  وإزاحة طور متأخرة إضافية بمقدار 90 درجة. بالتالي، يمكن اعتبار المجال المُعاد  إشعاعه متأخرًا في الطور بمقدار 90 درجة بالنسبة للمجال الساقط.

لا تكون العناصر الطفيلية في هوائيات ياغي-أودا رنانة تمامًا، بل هي أقصر (أو أطول) من نصف الطول الموجي (λ)، مما يؤدي إلى تعديل طور تيار العنصر بالنسبة لإثارته من العنصر المُحفِّز. يتميز عنصر العاكس ، الذي يزيد طوله عن نصف الطول الموجي ( λ ) ، بمفاعلة حثية ، أي أن طور تياره يتأخر عن طور جهد الدائرة المفتوحة الناتج عن المجال المُستقبَل. وبالتالي، يكون فرق الطور أكبر من 90 درجة، وإذا كان عنصر العاكس طويلًا بما يكفي، فقد يصل فرق الطور إلى 180 درجة، مما يؤدي إلى تداخل الموجة الساقطة والموجة المُعاد إشعاعها من العاكس تداخلًا هدامًا في الاتجاه الأمامي (أي عند النظر من العنصر المُحفِّز باتجاه العنصر السلبي). أما عنصر الموجه ، الذي يقل طوله عن نصف الطول الموجي (λ) ، فيتميز بمفاعلة سعوية، حيث يتأخر طور الجهد عن طور التيار. ^{[ 14 ]} وبالتالي فإن تأخير الطور أصغر من 90 درجة، وإذا تم جعل عنصر الموجه قصيرًا بما فيه الكفاية، فيمكن تصور أن تأخير الطور يقترب من الصفر وتتداخل الموجة الساقطة والموجة المنبعثة من العاكس بشكل بناء في الاتجاه الأمامي.   

يحدث التداخل أيضًا في الاتجاه العكسي. ويتأثر هذا التداخل بالمسافة بين العنصر المُحفَّز والعنصر السلبي، نظرًا لضرورة مراعاة تأخيرات انتشار الموجة الساقطة (من العنصر المُحفَّز إلى العنصر السلبي) والموجة المُعاد إشعاعها (من العنصر السلبي عائدةً إلى العنصر المُحفَّز). ولتوضيح هذا التأثير، نفترض  تأخيرًا طوريًا صفريًا و180 درجة لإعادة إشعاع كلٍّ من الموجه والعاكس، على التوالي، ونفترض مسافة ربع طول موجي بين العنصر المُحفَّز والعنصر السلبي. في ظل هذه الظروف، تتداخل الموجة المُعاد إشعاعها من الموجه تداخلًا هدامًا مع الموجة المُصدرة من العنصر المُحفَّز في الاتجاه العكسي (بعيدًا عن العنصر السلبي)، بينما تتداخل الموجة المُعاد إشعاعها من العاكس تداخلًا بناءً.

في الواقع، لا يصل تأخير الطور لعناصر ثنائي القطب السلبي إلى القيم القصوى صفر و180  درجة. لذا، تُعطى العناصر الأطوال والمسافات الصحيحة بحيث تصل الموجات الراديوية المنبعثة من العنصر المُحفِّز وتلك المُعاد إشعاعها من العناصر الطفيلية إلى مقدمة الهوائي متزامنة الطور، فتتراكب وتتجمع، مما يزيد من قوة الإشارة في الاتجاه الأمامي. بعبارة أخرى، تصل قمة الموجة الأمامية من عنصر العاكس إلى العنصر المُحفِّز في اللحظة التي تنبعث فيها قمة الموجة من ذلك العنصر. وتصل هذه الموجات إلى عنصر التوجيه الأول في اللحظة التي تنبعث فيها قمة الموجة من ذلك العنصر، وهكذا. تتداخل الموجات في الاتجاه العكسي تداخلاً هداماً ، فتلغي بعضها بعضاً، لذا تكون قوة الإشارة المُشعَّة في الاتجاه العكسي ضعيفة. وبالتالي، يُشعّ الهوائي حزمة أحادية الاتجاه من الموجات الراديوية من مقدمة الهوائي (طرف التوجيه).

على الرغم من أن التفسير النوعي المذكور أعلاه مفيد لفهم كيفية تعزيز العناصر الطفيلية لإشعاع العناصر المُحفَّزة في اتجاه واحد على حساب الاتجاه الآخر، إلا أن افتراض وجود  إزاحة طور إضافية قدرها 90 درجة (متقدمة أو متأخرة) للموجة المُعاد بثها غير صحيح. عادةً، تكون إزاحة الطور في العنصر السلبي أصغر بكثير. علاوة على ذلك، لزيادة تأثير المشعات السلبية، ينبغي وضعها بالقرب من العنصر المُحفَّز، بحيث يمكنها جمع وإعادة بث جزء كبير من الإشعاع الأولي.

• 
  كيف يعمل الهوائي؟ تُبث الموجات الراديوية من كل عنصر بتأخير طوري، بحيث تكون الموجات المنبعثة في الاتجاه الأمامي (للأعلى) متوافقة في الطور، بينما تكون الموجات في الاتجاه العكسي غير متوافقة في الطور. لذلك، تتجمع الموجات الأمامية معًا ( تداخل بناء ) مما يزيد من القدرة في ذلك الاتجاه، بينما تلغي الموجات العكسية بعضها بعضًا جزئيًا ( تداخل هدام )، مما يقلل من القدرة المنبعثة في ذلك الاتجاه.
• 
  يوضح الشكل كسب الإشارة الأمامية لهوائي ياغي-أودا ثنائي العناصر باستخدام عنصر مُحفِّز فقط (يسار) وموجه (يمين). تُثير الموجة (الخضراء) الصادرة من العنصر المُحفِّز تيارًا في الموجه السلبي، والذي بدوره يُعيد إشعاع موجة (زرقاء) ذات إزاحة طورية محددة (انظر الشرح في النص، مع ملاحظة أن الأبعاد ليست متناسبة مع الأرقام في النص). يزداد مجموع هاتين الموجتين (أسفل) في الاتجاه الأمامي، ولكنه يؤدي إلى إلغاء جزئي في الاتجاه العكسي.

A more realistic model of a Yagi–Uda array using just a driven element and a director is illustrated in the accompanying diagram. The wave generated by the driven element (green) propagates in both the forward and reverse directions (as well as other directions, not shown). The director receives that wave slightly delayed in time (amounting to a phase delay of about 45° which will be important for the reverse direction calculations later). Due to the director's shorter length, the current generated in the director is advanced in phase (by about 20°) with respect to the incident field and emits an electromagnetic field, which lags (under far-field conditions) this current by 90°. The net effect is a wave emitted by the director (blue) which is about 70° (20° - 90°) retarded with respect to that from the driven element (green), in this particular design. These waves combine to produce the net forward wave (bottom, right) with an amplitude somewhat larger than the individual waves.

In the reverse direction, on the other hand, the additional delay of the wave from the director (blue) due to the spacing between the two elements (about 45° of phase delay traversed twice) causes it to be about 160° (70° + 2 × 45°) out of phase with the wave from the driven element (green). The net effect of these two waves, when added (bottom, left), is partial cancellation. The combination of the director's position and shorter length has thus obtained a unidirectional rather than the bidirectional response of the driven (half-wave dipole) element alone.

عند وضع مشع سلبي بالقرب من ثنائي القطب المُحفَّز (مسافة أقل من ربع الطول الموجي)، فإنه يتفاعل مع المجال القريب ، حيث لا تخضع علاقة الطور بالمسافة لتأخير الانتشار، كما هو الحال في المجال البعيد. وبالتالي، لا يمكن فهم علاقة السعة والطور بين العنصر المُحفَّز والعنصر السلبي بنموذج التجميع وإعادة الإرسال المتتاليين لموجة انفصلت تمامًا عن عنصر الإشعاع الأساسي. بدلًا من ذلك، يشكل عنصرا الهوائي نظامًا مقترنًا، حيث تتأثر المعاوقة الذاتية (أو مقاومة الإشعاع ) للعنصر المُحفَّز بشدة بالعنصر السلبي. يتطلب التحليل الكامل لهذا النظام حساب المعاوقات المتبادلة بين عنصري ثنائي القطب ^{[ 15 ]} _{، وهو ما يأخذ ضمنيًا في الاعتبار تأخير الانتشار الناتج عن التباعد المحدود بين} العناصر وتأثيرات اقتران المجال القريب. نفترض أن العنصر رقم j له نقطة تغذية في المركز بجهد Vj وتيار _Ij يمران إليها. بمجرد النظر إلى عنصرين من هذا القبيل، يمكننا كتابة الجهد عند كل نقطة تغذية بدلالة التيارات باستخدام المعاوقات المتبادلة Z _ij :

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

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

Z11 و Z22 هما ببساطة معاوقات نقطة القيادة العادية لثنائي القطب، أي 73 + j43 أوم لعنصر نصف موجة (أو مقاومة بحتة لعنصر أقصر قليلاً، كما هو مطلوب عادةً للعنصر المُقاد). نظرًا لاختلاف أطوال العناصر، فإن _{Z11 و Z22} لهما _{مُركبة تفاعلية مختلفة بشكل كبير. وبسبب التبادلية} ، نعلم أن Z21 = Z12 . الآن _، تكمن الصعوبة الحسابية في تحديد المعاوقة المتبادلة Z21 ، الأمر الذي يتطلب حلاً عدديًا. وقد تم حساب ذلك لعنصرين دقيقين _من ثنائي القطب نصف موجة بمسافات مختلفة في الرسم البياني المرفق _.   

_يكون حل النظام كما يلي. لنفترض أن العنصر المُشغَّل يُرمز له بالرقم 1، بحيث يكون _V1 و I1 هما الجهد والتيار المُزوَّدان من جهاز الإرسال. يُرمز للعنصر الطفيلي بالرقم 2، وبما أنه مُوصَّل عند نقطة التغذية _، يمكننا كتابة أن V2 = 0. باستخدام العلاقات المذكورة أعلاه، يمكننا إيجاد قيمة I2 بدلالة _{I1 .}  

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

وهكذا

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

_هذا هو التيار المستحث في العنصر الطفيلي نتيجة للتيار I1 _في العنصر المُشغَّل. ويمكننا أيضًا حساب الجهد V1 عند نقطة تغذية العنصر المُشغَّل 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 لهوائي ياغي ثنائي العناصر:

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

_{في حالة وجود العنصر المُحفَّز فقط ،} كانت معاوقة نقطة التحريك تساوي Z11 ، ولكنها تغيرت الآن بوجود العنصر الطفيلي. وبمعرفة طور (وسعة) التيار I2 بالنسبة إلى _{I1 كما حُسب سابقًا} ، يُمكننا تحديد نمط الإشعاع (الكسب كدالة للاتجاه) الناتج عن التيارات المتدفقة في هذين العنصرين. ويتم حل هوائي كهذا بأكثر من عنصرين بنفس الطريقة، حيث يتم ضبط Vj = 0 لجميع العناصر باستثناء العنصر المُحفَّز، ثم حساب التيارات في كل عنصر (والجهد V1 عند نقطة التغذية). ^{[ 16 ]} _{عمومًا ،} يميل الاقتران المتبادل إلى خفض معاوقة المشع الأساسي، ولذلك تُستخدم هوائيات ثنائية القطب المطوية بكثرة نظرًا لمقاومتها الإشعاعية العالية، والتي تنخفض إلى النطاق النموذجي _من 50 إلى 75 أوم عن طريق الاقتران مع العناصر السلبية.  

لا توجد معادلات بسيطة لتصميم هوائيات ياغي-أودا نظرًا للعلاقات المعقدة بين المعايير الفيزيائية مثل

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

مع ذلك، باستخدام أنواع التحليل التكراري المذكورة أعلاه، يمكن حساب أداء مجموعة معينة من المعاملات وتعديلها لتحسين الكسب (مع مراعاة بعض القيود). ونظرًا لوجود 2 ^n - 1 معاملًا يجب تعديلها في هوائي ياغي-أودا ذي n عنصر (أطوال العناصر والمسافات النسبية بينها)، فإن طريقة التحليل التكراري هذه ليست مباشرة. تنطبق المعاوقات المتبادلة الموضحة أعلاه فقط على العناصر ذات الطول λ /2 ، لذا قد يلزم إعادة حسابها للحصول على دقة جيدة.  

The current distribution along a real antenna element is only approximately given by the usual assumption of a classical standing wave, requiring a solution of Hallen's integral equation taking into account the other conductors. Such a complete exact analysis, considering all of the interactions mentioned, is rather overwhelming, and approximations are inevitable on the path to finding a usable antenna. Consequently, these antennas are often empirical designs using an element of trial and error, often starting with an existing design modified according to one's hunch. The result might be checked by direct measurement or by computer simulation.

A well-known reference employed in the latter approach is a report published by the United States National Bureau of Standards (NBS) (now the National Institute of Standards and Technology (NIST)) that provides six basic designs derived from measurements conducted at 400 MHz and procedures for adapting these designs to other frequencies.^[17] These designs, and those derived from them, are sometimes referred to as "NBS yagis."

By adjusting the distance between the adjacent directors it is possible to reduce the back lobe of the radiation pattern.

The Yagi–Uda antenna was invented in 1926 by Shintaro Uda of Tohoku Imperial University,^[5]Sendai, Japan, with the guidance of Hidetsugu Yagi, also of Tohoku Imperial University.^[6] Yagi and Uda published their first report on the wave projector directional antenna. Yagi demonstrated a proof of concept, but the engineering problems proved to be more onerous than conventional systems.^[18]

Yagi published the first English-language reference on the antenna in a 1928 survey article on short wave research in Japan and it came to be associated with his name. However, Yagi always acknowledged Uda's principal contribution to the design, and the proper name for the antenna is, as above, the Yagi–Uda antenna (or array).

استُخدم هوائي ياغي على نطاق واسع لأول مرة خلال الحرب العالمية الثانية في أجهزة الرادار المحمولة جواً ، نظراً لبساطته ودقته في التوجيه. ^{[ 18 ] [ 19 ]} على الرغم من اختراعه في اليابان، إلا أن العديد من مهندسي الرادار اليابانيين لم يكونوا على دراية بتصميمه حتى أواخر الحرب، ويعود ذلك جزئياً إلى التنافس بين الجيش والبحرية. لم تكن السلطات العسكرية اليابانية على دراية بهذه التقنية إلا بعد معركة سنغافورة، عندما استولت على ملاحظات فني رادار بريطاني ذكر فيها "هوائي ياغي". بل إن ضباط المخابرات اليابانيين لم يدركوا أن ياغي اسم ياباني في هذا السياق. وعند استجوابه، قال الفني إنه هوائي سُمّي تيمناً بأستاذ ياباني. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ N1 ]}

يمكن رؤية مصفوفة استقطاب أفقي على العديد من أنواع طائرات الحرب العالمية الثانية، لا سيما تلك المستخدمة في الدوريات البحرية أو المقاتلات الليلية، حيث تُركّب عادةً على السطح السفلي لكل جناح. ومن بين الطائرات التي حملت هذه المعدات بكثرة طائرة غرومان تي بي إف أفنجر التابعة للبحرية الأمريكية والمُخصصة للعمل من حاملات الطائرات ، وطائرة كونسوليديتد بي بي واي كاتالينا المائية ذات المدى الطويل. كما يمكن رؤية مصفوفات استقطاب رأسي على جانبي طائرة بي-61 وعلى مقدمة العديد من طائرات الحرب العالمية الثانية، ولا سيما طائرات يونكرز يو 88 آر-1 الألمانية المقاتلة القاذفة المزودة برادار ليختنشتاين ، وطائرة بريستول بوفايتر البريطانية المقاتلة الليلية، وطائرة شورت سندرلاند المائية. في الواقع، احتوت الأخيرة على عدد كبير من عناصر الهوائي المرتبة على ظهرها - بالإضافة إلى تسليحها الدفاعي الهائل المزود بأبراج في المقدمة والذيل وأعلى الهيكل - لدرجة أن الطيارين الألمان أطلقوا عليها اسم " فليغندس ستاشيلشفاين " أو "القنفذ الطائر". ^{[ 22 ]} استخدم هوائي الرادار التجريبي الألماني مورغنشتيرن ذو النطاق الترددي العالي جدًا (VHF) من عامي 1943-1944 بنية "ياغي مزدوجة" تتكون من أزواج من هوائيات ياغي بزاوية 90 درجة، مُشكّلة من ستة عناصر ثنائية القطب منفصلة. وقد مكّن ذلك من تركيب المصفوفة داخل قبة رادار مخروطية الشكل مغطاة بالمطاط مصنوعة من الخشب الرقائقي على مقدمة الطائرة، مع بروز الأطراف القصوى لعناصر هوائي مورغنشتيرن من سطح قبة الرادار. وقد استخدمته طائرة من طراز NJG 4 Ju 88 G-6 التابعة لسرب قيادة الجناح في أواخر الحرب لرادارها Lichtenstein SN-2 AI. ^{[ 23 ]}

بعد الحرب العالمية الثانية، حفّز ظهور البث التلفزيوني على التوسع في استخدام تصميم ياغي-أودا لاستقبال البث التلفزيوني على أسطح المنازل في نطاق التردد العالي جدًا (VHF ) (ولاحقًا في نطاق التردد العالي جدًا UHF )، وكذلك كهوائي راديو FM في المناطق النائية. كان أحد أبرز عيوب هوائي ياغي هو نطاقه الترددي الضيق، والذي تم حله لاحقًا باستخدام مصفوفة ثنائية القطب لوغاريتمية دورية عريضة النطاق (LPDA). ومع ذلك، فإن كسب هوائي ياغي الأعلى مقارنةً بمصفوفة ثنائية القطب لوغاريتمية دورية يجعله الأفضل للاستقبال في المناطق النائية ، وقد تم تطوير تصاميم معقدة لهوائي ياغي ودمجه مع تقنيات هوائيات أخرى لتمكينه من العمل عبر نطاقات التلفزيون العريضة .

تم تسمية هوائي ياغي-أودا بأنه معلم بارز من IEEE في عام 1995. ^{[ 10 ]}

• هوائي (راديو)
• مصفوفة هوائيات
• رمز الكهرومغناطيسية العددي
• محدد اتجاه الراديو
• تحديد اتجاه الراديو

الاقتباسات

فهرس

• بريتين، جيمس إي. (1993). "مسح الماضي: هيديتسوغو ياغي" . وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 81 (6): 934-935 . مؤرشف من الأصل في 10 سبتمبر 2015.
• بريتين، جيه إي (1997). "مسح الماضي، شينتارو أودا وجهاز عرض الموجة". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 85 : 800-801 .
• براون، لويس (1999). تاريخ الرادار في الحرب العالمية الثانية: الضرورات التقنية والعسكرية . دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 0-7503-0659-9.
• غريفيث، هيو (1 يناير 2022). "هوائي ياغي". مجلة أنظمة الفضاء والإلكترونيات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 37 (1). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: 4-5 . رمز Bibcode : 2022IAESM..37a...4G . doi : 10.1109/MAES.2021.3127141 . S2CID 245708628 . 
• كاوانيشي، توما (7 أبريل 2020). "تصور الهندسة كعلم: هيديتسوغو ياغي كمروج لبحوث الهندسة" . دراسات في فلسفة وتاريخ العلوم . 14 (14): 1-24 . doi : 10.14989/250442 .
• أودا، س. (1927). "إشعاع الموجات الكهربائية القصيرة بزاوية عالية". وقائع معهد مهندسي الراديو . 15 (5): 377-385 . doi : 10.1109/JRPROC.1927.221208 .
• أودا، س. (1927). "التلغراف اللاسلكي والهاتف اللاسلكي على موجات نصف متر". وقائع معهد مهندسي الراديو . 18 (6): 1047-1063 . doi : 10.1109/JRPROC.1930.222100 .
• ياغي، هـ. (1928). "نقل حزم الموجات القصيرة جدًا". وقائع معهد مهندسي الراديو . 16 (6): 715-740 . doi : 10.1109/JRPROC.1928.221464 .
  • أُعيد طبعه في ياغي، هـ. (1997). "نقل الحزمة للموجات القصيرة جدًا". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 85 (11): 1864-1874 . doi : 10.1109/JPROC.1997.649674 .
  • انظر أيضًا: بوزار، د.م. (1997). "نقل الحزمة للموجات فائقة القصر: مقدمة للورقة الكلاسيكية لهـ. ياغي". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 85 (11): 1857-1863 . doi : 10.1109/JPROC.1997.649661 .
• هوائي الموجة القصيرة الموجه، 1924. معالم IEEE، مركز تاريخ IEEE، IEEE، 2005.

• تاريخ هوائي ياغي-أودا . تاريخ اختراع الهوائي وبراءات اختراعه.
• د. جيفريز، " هوائيات ياغي-أودا " مؤرشفة في 25-12-2005 في آلة Wayback Machine . 2004.
• براءات اختراع جوجل: "باعث ياغي-أودا المستخدم في رادارات AESA (مصفوفة المسح الإلكتروني النشط) منخفضة التردد"
• هوائي ياغي-أودا . معلومات مبسطة حول التصميم الأساسي، والمشروع، وقياسات هوائي ياغي-أودا. 2008
• هوائيات ياغي-أودا www.antenna-theory.com
• حاسبة هوائي ياغي وتصميمات الكمبيوتر 2020