هوائي ياغي - Yagi Antenna

على الرغم من أنّ (Yagi) أصبح شائعاً بشكل خاص للاستقبال التلفزيوني إلّا أنّه يُستخدم في العديد من التطبيقات الأخرى سواء المحلية أو التجارية أو المهنية، وهو شكل عملي للغاية لتصميم هوائي الترددات الراديوية وهو مناسب للتطبيقات التي تتطلب الكسب والتوجيه، وعلى الرغم من أنّ التكلفة أعلى من الهوائيات الأساسية إلّا أنّ (Yagi) يوفر الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة للكسب والتوجيه.

ما هو هوائي ياغي – Yagi Antenna؟

هوائي ياغي (Yagi Antenna): هو شكل شائع بشكل خاص من الهوائي حيث يتطلب الاتجاه والمكسب حيث يتيح كسب واتجاهية هوائي (Yagi) تحسين الاستقبال من خلال تمكين تحقيق مستويات أفضل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء وتقليل مستويات التداخل من خلال التقاط الإشارات فقط من اتجاه معين.

من أجل الإرسال يتم استخدام الطاقة المتاحة بشكل أفضل لأنّه من الممكن تركيز الطاقة المرسلة على المناطق التي تحتاج إليها، وبالمثل يمكن تقليل مستويات التداخل العام للمستخدمين الآخرين لأنّ الإشارة لا تنتقل إلى المناطق التي لا تحتاج إليها.

تطوير هوائي ياغي:

على الرغم من أنّ هوائي ياغي يُستخدم الآن على نطاق واسع إلّا أنّه لم يكن قد بدأ استخدامه إلّا في أواخر العشرينات وأوائل الثلاثينيات، وعلى الرغم من أنّ الاسم يستخدم (Yagi) عادةً إلّا أنّ اسمه الكامل هو هوائي (Yagi-Uda) وهذا الاسم مشتق من اثنين من المخترعين اليابانيين (Hidetsugu Yagi وShintaro Uda).

تم تحديد مفهوم تصميم هوائي التردد اللاسلكي لأول مرة في عام 1928م ومنذ ذلك الحين كان استخدامه بسرعةً إلى المرحلة التي أصبح فيها هوائي التلفاز اليوم مرادفاً لهوائي الترددات الراديوية الذي يحتوي على طفرة مركزية مع الكثير من العناصر المرفقة.

أساسيات هوائي ياغي:

يحتوي تصميم هوائي ياغي على ثنائي القطب كعنصر مشع أو مدفوع يتم تطبيق الطاقة عليه مباشرة من وحدة التغذية، كما تتم إضافة المزيد من العناصر الطفيلية التي لا ترتبط مباشرة بالعنصر المدفوع ولكنّها تلتقط الطاقة من العنصر ثنائي القطب الدافع وتعيد إشعاعها، كما تكون المرحلة بطريقة تؤثر على خصائص هوائي (Yagi) بأكمله ككل ممّا يتسبب في تركيز الطاقة في اتجاه معين وإزالتها من الآخرين.

السعة والمرحلة للتيار المُستحث في العناصر الطفيلية تعتمد على طولها والتباعد بينها وبين ثنائي القطب أو العنصر الدافع حيث إذا كان أحد العناصر أطول من طول الطنين أي طول العنصر المدفوع فإنّه يصبح حثياً ويصبح (t) الأقصر متسعاً، وبهذه الطريقة تختلف مرحلة التيارات في العناصر الأقصر أو الأطول.

أنواع من العناصر داخل هوائي ياغي:

1. العنصر المدفوع – Driven element:

العنصر المدفوع: هو عنصر هوائي (Yagi) الذي يتم تطبيق الطاقة عليه وعادةً ما يكون ثنائي القطب نصف موجي أو في كثير من الأحيان ثنائي القطب مطوي.

2. العاكس – Reflector:

عنصر العاكس مصنوع ليكون أطول بحوالي (5%) من العنصر المتحرك حيث يكون لهوائي ياغي بشكل عام عاكس واحد فقط وهذا خلف العنصر الدافع الرئيسي أي الجانب البعيد عن اتجاه الحساسية القصوى.

المزيد من العاكسات خلف العاكس الأول لا تختلف بشكل ملحوظ عن أداء الهوائي، ومع ذلك فإنّ العديد من التصميمات تستخدم عاكسات تتكون من لوحة عاكسة أو سلسلة من قضبان متوازية تحاكي لوحة عاكسة، وهذا يعطي تحسناً طفيفاً في الأداء ممّا يقلل من مستوى الإشعاع أو الالتقاط من خلف الهوائي أي في الاتجاه المعاكس، كما يمكن أن يساعد (Tis) في تقليل مستويات التداخل للمُستقبل، وعادةً ما يضيف العاكس حوالي (4 أو 5 ديسيبل) من الكسب في الاتجاه الأمامي.

3. المخرج – Director:

تم جعل المخرج أقصر من العنصر الدافع، كما قد لا يوجد أي عاكس آخر في هوائي ياغي حيث يتم وضع المخرج أمام العنصر المدفوع أي في اتجاه الحساسية القصوى، وعادةً ما يضيف كل مخرج حوالي (1 ديسيبل) من الكسب في الاتجاه الأمامي على الرغم من أنّ هذا المستوى ينخفض ​​مع زيادة عدد المخرجين.

يعرض هوائي ياغي مخطط اتجاهي يتكون من قسم أمامي رئيسي وعدد من الأقسام الهامشية في الجزء الخلفي والجانب، أمّا القسم الهامشي الرئيسي هو القسم العكسي الناجم عن الإشعاع في اتجاه العاكس.

يمكن تحسين الهوائي إمّا لتقليل الإشعاع في الاتجاه العكسي عن طريق تغيير الطول والتباعد بين العاكس أو يمكن تحسينه لإنتاج أقصى مستوى للكسب الأمامي، كما لا يتطابق الشرطان تماماً ويجب إجراء حل وسط بشأن الأداء اعتماداً على التطبيق، ومن الضروري اختيار إمّا الحد الأقصى لنسبة الأمام إلى الخلف أو أقصى كسب للأمام.

مزايا هوائي ياغي:

• الاتجاهية (Directivity) حيث يتميز هوائي ياغي بالاتجاهية حيث يمكّن من تقليل مستويات التداخل للاستقبال والإرسال.

• الكسب (Gain) حيث يتمتع هوائي (Yagi) بكسب يسمح باستقبال إشارات منخفضة القوة.

• تصميم مباشر (Straightforward construction) حيث أنّ هوائي (Yagi) بسيط نسبياً ميكانيكياً عند مقارنته بالتصاميم الأخر، كما يمكن بناؤها باستخدام قضبان مستقيمة سهلة الاستخدام وقوية في معظم الحالات.

• الاستقطاب (Polarisation) حيث يتيح الهيكل تركيب الهوائي بسهولة على أعمدة رأسية وأعمدة أخرى مع تثبيتات ميكانيكية قياسية

عيوب هوائي ياغي:

• الحد الأقصى للكسب 20 ديسيبل (Max gain ~20dB) أي يقتصر الكسب على حوالي (20 ديسيبل) بالنسبة لهوائي واحد وإلّا يصبح كبيراً جداً ويضيق عرض الحزمة بالنسبة للهوائيات منخفضة التردد، ويعني الحجم المادي أنّ الحد الأقصى لعدد العناصر وبالتالي يكون الكسب أقل بكثير من (20 ديسيبل).

• طويل الكسب مرتفع (Long for high gain) أي بالنسبة لمستويات الكسب العالية يصبح الهوائي طويلاً جداً.

يمكن أن تكون نظرية هوائي ياغي في العمق معقدة، ولكن الفهم الأساسي لكيفية عمل هوائي ياغي يمكن أن يوفر رؤية كافية للعديد من التطبيقات ولأغراض التصميم الأساسية.

أساسيات نظرية هوائي ياغي:

أحد المفاتيح الرئيسية لفهم نظرية ياغي هو معرفة مراحل التيارات المتدفقة في العناصر المختلفة للهوائي حيث تعمل العناصر الطفيلية لهوائي ياغي عن طريق إعادة إشعاع إشاراتها في مرحلة مختلفة قليلاً عن تلك الخاصة بالعنصر المتحرك، وبهذه الطريقة يتم تقوية الإشارة في بعض الاتجاهات وإلغائها في اتجاهات أخرى.

يتمثل أحد قيود تصميم (Yagi antennas) في أنّ القوة في هذه العناصر الإضافية لا يتم دفعها بشكل مباشر، وفقاً لذلك لا يمكن التحكم في السعة والمرحلة للتيار المستحث بالكامل كما يعتمد على طولها والتباعد بينها وبين ثنائي القطب أو العنصر الدافع.

وكمّا أنّه لا يمكن الحصول على الإلغاء الكامل في اتجاه واحد، ومع ذلك لا يزال من الممكن الحصول على درجة عالية من التعزيز في اتجاه واحد والحصول على مستوى عالٍ من الكسب وكذلك الحصول على درجة عالية من الإلغاء في اتجاه آخر لتوفير نسبة جيدة من الأمام إلى الخلف، كما إنّ هوائي (Yagi) قادر على توفير مستويات مفيدة جداً من الكسب والنسب الأمامية إلى الخلفية.

عناصر هوائي ياغي:

للحصول على انزياح الطور المطلوب يمكن جعل العنصر إمّا حثياً أو سعوياً وكل نوع من أنواع المفاعلة له تأثير مختلف.

1. حثيا – Inductive:

إذا كان العنصر الطفيلي حثياً، فقد وجد أنّ التيارات المستحثة في مثل هذه المرحلة التي تعكس القوة بعيداً عن العنصر الطفيلي، كما يؤدي هذا إلى إشعاع هوائي التردد اللاسلكي مزيداً من الطاقة في الاتجاه المعاكس لهذا الشكل من العناصر الطفيليّة، أمّا العنصر الذي يقوم بذلك يسمى عاكس.

يمكن جعل العنصر حثياً عن طريق ضبطه تحت الطنين، كما يمكن القيام بذلك عن طريق إضافة بعض المحاثة فعلياً على شكل ملف أو بشكل أكثر شيوعاً بجعله أطول من طول الرنين، كما يتم تصنيعه أطول بحوالي (5%) من العنصر المدفوع لأنّ هذا يوفر التكلفة ويحافظ على العنصر ميكانيكياً كقطعة واحدة ممّا يجعله أرخص وأقوى، وتم استخدام عاكس واحد فقط حيث أنّ إضافة المزيد من العاكسات لا تحدث فرقاً ملحوظاً.

2. السعات – Capacitive:

إذا تم جعل العنصر الطفيلي سعوياً، فسيتم العثور على أنّ التيارات المستحثة في مثل هذه المرحلة بحيث توجه القدرة المشعة بواسطة الهوائي بأكمله في اتجاه العنصر الطفيل، والعنصر الذي يقوم بذلك يسمى المخرج كما يمكن جعله بالسعة لضبطه فوق الرنين، حيث يمكن القيام بذلك عن طريق إضافة بعض السعة المادية للعنصر في شكل مكثف أو بشكل أكثر شيوعاً بجعله أقصر بحوالي (5%) من العنصر المدفوع.

إنّ هوائيات (Yagi) تأتي بتكوينات (50 أو 75 أوم) وذلك اعتماداً على حالة استخدام نظامك أي الاستخدام التجاري أو المستهلك، وهوائيات (Yagi) أقوى بثلاث مرات من الهوائيات متعددة الاتجاهات لأنّها خاصة بالتردد وتعمل مع ناقل واحد أو اثنين ويمكن وضعها للوصول إلى أفضل إشارة ممكنة أينما كنت.

ينتشر هوائي ياغي طاقة المجال الكهرومغناطيسي في الاتجاه الذي يمتد من العنصر الدافع نحو المخرج أي المخرجين، وهو الأكثر حساسية لطاقة المجال الكهرومغناطيسي الواردة في نفس الاتجاه، وكلما زاد عدد المخرجين في (Yagi) زاد الكسب الأمامي وطول الهوائي.

أصبح هذا النوع من الهوائي شائعاً بشكل خاص لاستقبال التلفاز ولكّنه يُستخدم في عدد من التطبيقات المحلية والتجارية الأخرى حيث يلزم وجود هوائي (RF) ذو كسب واتجاهية مرتفعين.