هوائي الدوري اللوغاريتمي - Log Periodic Antenna

توفر الهوائيات التوجيهية مثل (Yagi) كسباً واتجاهية ولكن عرض النطاق الترددي الخاص بها محدود حيث يُعرف أحد أشكال الهوائي القادر على توفير كسب واتجاهية إلى جانب عرض نطاق عريض باسم الهوائي الدوري اللوغاريتمي، وعلى الرغم من أنّه أكبر من تصميم (Yagi) المكافئ أو أي تصميم توجيهي آخر لمستوى كسب مكافئ، إلّا أنّه يوفر القدرة على العمل على العديد من الترددات المختلفة.

ما هو الهوائي الدوري اللوغاريتمي – Log Periodic Antenna؟

الهوائي الدوري اللوغاريتمي (LPDA): هو هوائي اتجاهي واسع النطاق يوفر كسباً واتجاهية مجمعة عبر نطاق واسع من الترددات.

تم تطوير الهوائي الدوري اللوغاريتمي مبدئياً بواسطة دوايت إيسبيل وأمّا ريموند دوهامل الذي نشر بحثاً في عام 1957م حيث تم إجراء متغيرات إضافية بواسطة بول مايز، كما تم تسجيل براءة اختراع مفهوم الهوائي الدوري اللوغاريتمي من قبل جامعة إلينوي في الولايات المتحدة الأمريكية.

أنواع الهوائي الدوري اللوغاريتمي:

• مجموعة اللوغاريتمي ثنائية القطب الدورية (LPDA).

• الهوائي اللوغاريتمي الفتحة الدوري.

• الهوائي الللوغاريتمي متعرج صفيف دوري.

• الهوائي اللوغاريتمي شبه منحرف دوري.

• الهوائي الللوغاريتمي (V) الدوري.

أساسيات هوائي مجموعة ثنائية القطب الدورية اللوغاريتمي:

تتكون مجموعة اللوغاريتمي الدوري ثنائي القطب من عدد من العناصر ثنائية القطب حيث يتناقص حجمها تدريجياً من الخلف إلى الأمام أي اتجاه أقصى إشعاع يكون من الأمام الأصغر، كما يتم تغذية كل عنصر ثنائي القطب من (LPDA)، ولكن يتم عكس الطور بين العناصر ثنائية القطب المجاورة وهذا يضمن صحة مراحل الإشارة بين العناصر المختلفة، ممّا يعني أيضاً أنّ وحدة التغذية مطلوبة بطول الهوائي حيث عادة يتم ترتيب هذا بحيث يشكل جزءاً من البنية الميكانيكية للصفيف.

ليست كل صفيف الهوائي نشطاً عند أي تردد معين، كما تختلف المنطقة النشطة أي أقسام الهوائي التي تساهم في الإرسال أو الاستقبال باختلاف التردد، وقد تساهم ثلاثة منها فقط في الإشعاع عند أي تردد معين، وهناك أيضاً انتقال سلس للمنطقة النشطة من (LPDA) على طول المصفوفة مع تغير تواتر العملية.

العنصر الموجود في الجزء الخلفي من المصفوفة حيث تكون العناصر الأكبر هو نصف طول موجي عند أدنى تردد للعملية أي يعمل العنصر الأطول باعتباره نصف موجة ثنائية القطب عند أدنى تردد، وينخفض ​​تباعد العناصر أيضاً باتجاه مقدمة الصفيف حيث توجد العناصر الأصغر، أمّا التردد العلوي هو دالة لطول أقصر عنصر، كما يوجد أيضاً عادةً كعب مغذي متطابق قصير متصل بنهاية وحدة التغذية الأبعد عن أقصر عنصر لضمان توفير المطابقة المطلوبة لمغذي الهوائي وعلى طول خط التغذية في الهوائي.

أداء الهوائي الدوري اللوغاريتمي:

الصفيف الدوري ثنائي القطب (LPDA) قادر بشكل عام على العمل على مدى تردد يبلغ حوالي (2:1) ويوفر كسباً أمامياً على ثنائي القطب، مثل هوائي (Yagi) فإنّه يُظهر كسباً أمامياً وله نسبة عالية من الأمام إلى الخلف لكن (LPDA) قادر على العمل على نطاق ترددي أوسع بكثير وسيكون له ربح أقل لعدد مكافئ من العناصر حيث أثناء التشغيل يبقى نمط إشعاع تصميم (LPDA) كما هو على نطاق واسع على نطاق التشغيل بأكمله بالإضافة إلى هذه المعلمات مثل مقاومة الإشعاع والقوة المنعكسة كما يتضح من نسبة الموجة الدائمة.

أمّا من حيث مواصفاته يمكن أن يوفر الهوائي الدوري اللوغاريتمي النموذجي كسباً يتراوح بين (3 و6 ديسيبل) على ثنائي القطب لعرض نطاق قدره (2:1) مع الاحتفاظ بمستوى (VSWR) أفضل من (1.3:1) ومع هذا المستوى من الأداء فهو مثالي للعديد من التطبيقات،و على الرغم من أنّ الهوائي الدوري اللوغاريتمي سيكون أكبر بكثير من (Yagi) ذي الكسب المكافئ.

تطبيقات الهوائي الدورية اللوغاريتمي:

يستخدم الهوائي الدوري اللوغاريتمي في العديد من المجالات، وهناك حاجة إلى مستويات عرض نطاق عريض جنباً إلى جنب مع الاتجاهية والكسب حيث يوجد عدة مناطق يستخدم فيها الهوائي:

1. اتصالات الموجات الديكامترية – HF communications:

غالباً ما تُستخدم صفائف الهوائيات الدورية من أجل النقل الدبلوماسي على نطاقات الموجات الديكامترية (HF) حيث تعمل الهوائيات الدورية اللوغاريتمية بشكل جيد لأنّ المستخدمين المماثلين سيحتاجون إلى العمل عبر مجموعة واسعة من الترددات في نطاقات التردد العالي، وغالباً ما يكون من الممكن أن يكون لديك هوائي واحد فقط.

سوف يتيح الهوائي الدوري المفرد اللوغاريتمي الوصول إلى عدد كافٍ من الترددات عبر نطاقات الموجات الديكامترية (HF) لتمكين إجراء الاتصالات على الرغم من التغيرات في الأيونوسفير المتغيرة لترددات العمل المثلى.

2. التلفاز الأرضي UHF:

يستخدم الهوائي اللوغاريتمي الدوري أحياناً لاستقبال التلفاز الأرضي (UHF) ونظراً لأنّ القنوات التلفزيونية قد تكون موجودة على جزء كبير من طيف (UHF)، فإنّ الهوائي اللوغاريتمي الدوري يتيح تغطية عرض نطاق كافٍ.

3. قياسات التوافق الكهرومغناطيسي – EMC measurements:

تُعد (EMC) قضية أساسية لجميع المنتجات الإلكترونية حيث يتطلب الاختبار إجراء عمليات مسح تردد على نطاقات ترددات واسعة، وعند اختبار البث المشع يلزم وجود هوائي قادر على توفير استجابة مسطحة عبر نطاق واسع من الترددات، واللوغاريتمي الدوري قادر على تقديم الأداء المطلوب ويستخدم على نطاق واسع في هذا الشكل من التطبيقات.

وهناك العديد من التطبيقات الأخرى حيث يمكن استخدام هوائيات لوغاريتمية دورية تعتبر أي تطبيقات تتطلب الاتجاهية وعرض النطاق العريض تطبيقات مثالية لهذا الشكل من تصميم هوائي الترددات اللاسلكية، ونظراً لحجمها وكسبها الأقل من (Yagi) لا يتم استخدام مجموعة اللوغاريتمي الدوري ثنائي القطب على نطاق واسع مثل (Yagi)، ومع ذلك فإنّ (LPDA) يأتي بمفرده عندما تكون هناك حاجة إلى نطاقات عريضة.

مزايا الهوائي الدورية اللوغاريتمي:

• تصميم الهوائي مضغوط.

• يتنوع نمط الكسب والإشعاع وفقاً للمتطلبات.

سلبيات الهوائي الدورية اللوغاريتمي:

• متراس خارجي.

• تكلفة التركيب عالية.

أساسيات نظرية الهوائي اللوغاريتمي الدوري:

من الممكن شرح النظرية الكامنة وراء الهوائي الدوري اللوغاريتمي في شكل أساسي نوعي حيث يوفر هذا فهماً لكيفية عمل الهوائي الدوري اللوغاريتمي، ومن الضروري معرفة أنّ عناصر الهوائي تتضاءل في الحجم كما هو الحال مع التباعد بينها من الخلف إلى الخط، وبالإضافة إلى ذلك يتم عكس قطبية وحدة التغذية بين العناصر المجاورة.

بالنظر إلى تشغيل الهوائي الدوري اللوغاريتمي ففي هذه الحالة عندما يكون هذا الهوائي في منتصف نطاق تشغيله تقريباً، أمّا عندما تلتقي الإشارة بالعناصر الأولى على الهوائي أي العناصر الأقرب للخط الأصغر، سيجد أنّها متقاربة من بعضها البعض من حيث طول موجة التشغيل، ونظراً لانعكاس إحساس المغذي بين العناصر فإنّ الحقول من هذه العناصر ستميل إلى الإلغاء ولن يحدث أي إشعاع من هذه العناصر.

عندما تنتقل إشارة التردد اللاسلكي على طول وحدة التغذية في الهوائي، فإنّها تصل إلى نقطة حيث يعطي انعكاس وحدة التغذية والمسافة بين العناصر تحولاً إجمالياً في الطور يبلغ حوالي (360 درجة)، وفي هذه المرحلة يكون التأثير الملحوظ هو تأثير ثنائيات أقطاب مرحلية، كما أنّ الإشارة من ثنائيات الأقطاب المجاورة في الطور.

تُسمى المنطقة التي يحدث فيها ذلك المنطقة النشطة للهوائي الدوري اللوغاريتمي، وعلى الرغم من تقديم مثال ثنائي القطب فقط إلّا أنّ المنطقة النشطة في الواقع يمكن أن تتكون من المزيد من العناصر أي قد تكون ثلاثة أو أكثر حيث يعتمد الرقم الفعلي على الزاوية (α) وثابت التصميم، أمّا خلف المنطقة النشطة تسقط الإشارة مرة أخرى عن الطور ولا يحدث أي إشعاع.

تتلقى العناصر خارج المنطقة النشطة القليل من القوة المباشرة، وعلى الرغم من ذلك وجد أنّ العناصر الأكبر رنانة أقل من تردد التشغيل وتبدو حثياً حيث تلك الموجودة في المقدمة يتردد صداها فوق التردد التشغيلي وتكون سعوية، وهذه هي بالضبط نفس المعايير الموجودة في (Yagi) وفقاً لذلك يعمل العنصر الموجود خلف المنطقة النشطة مباشرة كعاكس ويعمل من في المقدمة كمخرجين ممّا يعني أنّ اتجاه الحد الأقصى للإشعاع هو نحو نقطة التغذية.

ليست كل الهوائيات نشطة بأي تردد معين حيث أنّ المنطقة النشطة أي أقسام الهوائي التي تساهم في الإرسال أو الاستقبال تختلف باختلاف التردد حيث يزداد طول العناصر وتباعدها في هوائي لوغاريتمي دوري لوغاريتميًا من أحد طرفي ثنائي القطب إلى الطرف الآخر.

يتم تقديم طريقة عددية فعالة لتحليل صفيفات الهوائي الثنائي اللوغاريتمي الدوري حيث تُعتبر المصفوفة ثنائية القطب اللوغاريتمية الدورية في البداية بمثابة اتصال متوازي لدائرتين منفصلتين كهربائياً، ودائرة الصفيف ثنائي القطب ودائرة التغذية ثم يتم التعامل مع المصفوفة ثنائية القطب كمسألة قيمة حدية ممثلة بمجموعة من المعادلات المتكاملة، كما يتم حل هذه المعادلات من خلال استخدام تقنية مصفوفة (Bubnov-Galerkin) مع كثيرات حدود لاغرانج كوظائف أساسية.

تسمح الطريقة بإجراء تقييم دقيق وكامل لأداء الهوائيات العاملة على أي نطاق تردد معين ولأي معلمات تصميم معينة حيث تم تقديم العديد من الرسوم البيانية لقيم مختلفة لعامل المقياس (t) وعامل التباعد (o) والمقاومة المميزة لخط نقل التغذية (Zf)، من أجل إيجاد أفضل حل وسط بين تلك المعلمات لتصميم هوائي دقيق.

الهوائي اللوغاريتمي الدوري هو مجموعة من الهوائيات ثنائية القطب بأحجام مختلفة مترابطة معاً ويتم تغذيتها بالتناوب عبر خط نقل مشترك، كما يتضاءل حجم الهوائيات ثنائية القطب من الخلف إلى الأمام ويعمل العنصر الموجود في الجزء الخلفي من المصفوفة وهو الأكبر كثنائي أقطاب نصف موجي عند أدنى تردد ويكون نصف طول الموجة في المقدمة عند أعلى تردد للعملية حيث يتيح هذا التكوين الفريد للهوائيات اللوغاريتمية الدورية أن يكون لها عرض نطاق واسع.