هوائي RF Balun

تُستخدم (Baluns RF) مع العديد من الهوائيات ومغذياتها لتحويل تغذية أو خط متوازن إلى آخر غير متوازن، كما توجد مشكلات عندما يتم تغذية هوائي متوازن مثل ثنائي القطب أو شكل مشابه من الهوائي مباشرةً بوحدة تغذية غير متوازنة مثل الكابل المحوري، وكما تتميز وحدة التغذية المحورية بالعديد من المزايا مقارنة بالمغذي المتوازن عندما يتعلق الأمر بالاستخدام في (VHF) وعند توجيه وحدة التغذية من خلال المبنى أو بالقرب من الكائنات الأخرى.

ما هو هوائي RF Balun؟

هوائي (Balun): هو اختصار لـ (BALanced) إلى (UNbalanced)، والذي يصف سلوك دائرة معينة في خط نقل أو مصدر أو تحميل، كما تتعامل معظم تطبيقات الاتصالات مع مصادر ذات طرفين وخطوط نقل وأحمال، حيث يشمل ذلك الكابلات المحورية وخطوط الأسلاك المفتوحة والأنظمة التي تعمل ضد الأرض أو على مستوى الأرض باعتبارها الموصل الثاني.

تُستخدم (Baluns) على نطاق واسع مع الهوائيات ونظام الهوائي للاتصالات اللاسلكية والبث والعديد من التطبيقات الأخرى، كما إنّها تُمكن من الحصول على أفضل أداء من العديد من أشكال الهوائي ومن أجل الحصول على أفضل أداء شامل وراحة، من الضروري تحويل وحدة التغذية المتوازنة أو نقطة تغذية الهوائي إلى نظام غير متوازن باستخدام (Baluns).

على الرغم من استخدامها على نطاق واسع مع هوائيات الترددات اللاسلكية، يمكن أيضاً استخدام (Baluns) في مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك: اتصالات خطوط الطاقة وتحويل اتصالات البيانات بين (Cat 5 وCat 6) و(Twinax)، وكذلك كابلات الفيديو حيث يتم التحويل بين زوج مجدول وكابل متحد المحور.

للاستخدام مع هوائيات الترددات اللاسلكية، يلزم استخدام (Baluns) حيث يتم استخدام هوائي متوازن مثل ثنائي القطب، والشكل الأكثر ملاءمة للمغذي للاستخدام هو الكبل المحوري حيث يمكن توجيهه بشكل أكثر ملاءمة على طول أبراج الهوائي أو الأعمدة، على طول الأرض وعبر المباني دون الحاجة إلى القلق بشأن التأثير على أداء الكبل المحوري.

المغذي المتوازن جيد جداً وعادةً ما يكون له مستويات منخفضة جداً من الخسارة، ولكن تشغيله يعتمد على حقيقة أنّ هناك تيارات متساوية ومعاكسة تتدفق في السلكين والتي تمكن الحقول من الإلغاء ونقل الإشارة بخسارة منخفضة جداً، كما تتسبب الأجسام القريبة في ضعف التوازن وارتفاع مستويات الخسارة نتيجة لإشعاع الإشارة، بالإضافة إلى زيادة مستويات الالتقاط الزائف على طول الكابل ممّا قد يؤدي إلى حدوث تداخل غير مرغوب فيه.

أحد الأشكال الرئيسية للهوائي المتوازن هو الهوائي ثنائي القطب، كما يستخدم هذا الشكل من هوائي الراديو في العديد من تطبيقات الاتصالات اللاسلكية بمفرده وكذلك في أشكال أخرى من الهوائي مثل هوائي (Yagi-Uda) والعديد من أنواع هوائي الراديو الأخرى، ومن أجل تغذية هذه الهوائيات المتوازنة بواسطة كبل متحد المحور غالباً ما يتم تضمين الهوائي عند نقطة التغذية.

أسباب استخدام Baluns في نظام الهوائي:

1. منع الإشعاع أو الالتقاط من الموصل الخارجي المحوري:

إذا تم استخدام هوائي متوازن وتغذيته مباشرةً باستخدام وحدة التغذية المحورية، فقد وجد أنّ الجزء الخارجي أو الدرع المحوري يمكن أن يشع ويلتقط إشارات تردد الراديو، أمّا بالنسبة للاستقبال يمكن أن يتم التقاط التداخل من الأجهزة الكهربائية داخل المنزل أو المبنى أو بالقرب من وحدة التغذية، أمّا بالنسبة للإرسال، يمكن أن يعني ذلك أنّ وحدة التغذية ستصدر إشارة قد تسبب تداخلاً وتؤدي إلى فقد وحدة التغذية.

يضمن استخدام (balun) أنّ وحدة التغذية المحورية تعمل بالطريقة الصحيحة ويتم تحقيق أفضل أداء عام لنظام الهوائي، كما يكون من الممكن الابتعاد دون استخدام (Baluns) بحيث تكون إحدى علامات الحكاية إذا تغير (VSWR) لنظام الهوائي إذا تم تحريك وحدة التغذية أو لمسها، ولكن في الواقع الطريقة الحقيقية الوحيدة لمعرفة ما إذا كانت هناك حاجة إلى (balun) هي قياس تيارات الوضع المشترك على خط التغذية.

2. عندما يكون مخطط إشعاع الهوائي مهما:

إذا حدث إشعاع أو التقاط من الموصل الخارجي للكابل غير المتوازن أي وحدة التغذية المحورية، فسيؤثر ذلك على مخطط الإشعاع الكلي للهوائي أمّا في الحالات التي يكون فيها هذا مهماً فعلى سبيل المثال عند إجراء اختبارات نمط الإشعاع، من المهم ألّا يحدث الإشعاع والالتقاط إلّا من الهوائي.

3. عندما يجب تقليل الإشعاع القريب من جهاز الإرسال:

إذا تم إرسال بعض إشارات التردد اللاسلكي المخصصة للإشعاع من الهوائي من وحدة التغذية، فستكون هناك مستويات أعلى من التردد اللاسلكي حول جهاز الإرسال، كما يمكن أن يؤثر هذا على الإرسال بعدة طرق، بحيث يمكن أن يعطل عمليات إرسال وضع البيانات عندما تدخل الترددات اللاسلكية في الواجهة بين جهاز الإرسال والكمبيوتر ممّا يتسبب في فشل النظام.

إذا تم استخدام عمليات إرسال الصوت التماثلي، فيمكنه الوصول إلى خطوط إدخال الصوت والتسبب في تأثيرات ردود فعل غريبة، كما يمكن أن يكون الحل لمثل هذا هو استخدام التوازن في الانتقال المتوازن إلى غير المتوازن، وحتى إذا لم يتم علاج المشكلة فمن المرجح أن تُحسن الوضع.

أساسيات Balun:

عادةً ما يكون المفهوم الأساسي لـ (balun) هو استخدام المحولات، وعلى الرغم من وجود العديد من أنواع (balun) المختلفة، إلّا أنّ نوع المحول الأساسي يُعد مكاناً جيداً للبدء في توضيح العملية الأساسية، كما يعتمد مفهوم (balun) على المحول وتتمثل وظيفته الرئيسية في عزل الاتصال المباشر بين الهوائي المتوازن أو المغذي والمغذي المحوري غير المتوازن، وبهذه الطريقة لا يتم توصيل التوصيل الأرضي للكابل غير المتوازن مباشرة بالنظام المتوازن ويبقى متوازناً.

جميع المحولات لها عرض نطاق ترددي محدود، لذلك يجب أن يكون عرض النطاق الترددي للـ (Balun) أكبر من عرض الهوائي أو أي نظام آخر سيتم استخدامه معه، أمّا الطريقة الأكثر وضوحاً لإنشاء (balun) هي إنشاء محول بلفتين أحدهما مؤرض والآخر له مخرجات تفاضلية، ومن الممكن وضع صنبور مركزي على (balun) إذا لزم الأمر، ولكن بالنسبة لأنظمة الهوائي لا يتم ذلك عادةً كما أنّ (balun) ثنائي الاتجاه ولا يوجد مدخلات أو مخرجات على هذا النحو، فقط مجموعات متوازنة وغير متوازنة من النهايات.

التيار والجهد في هوائي RF Balun:

1. التيار في Balun:

تيار (balun) الحالية تساوي التيار عبر جانبي الحمل المتوازن، كما يُعتبر (Balun) الحالي (1:1) عبارةً عن خط نقل بسيط بشكل فعال مثل لف ثنائي الطور أو كابل محوري ملفوف على قلب من الفريت.

2. الجهد في Balun:

يفرض (Balun) الجهد جهداً متساوياً عبر جانبي الحمل المتوازن، كما تُعتبر مكابس الجهد أكثر تعقيداً من (Balun) الحالية، وتثبت أنّها غير فعالة للغاية في منع درع الكبل المحوري وكذلك خط السلم المفتوح لحمل تيارات الوضع المشترك وإشعاع الطاقة، كما لا يتم استخدام بالونات الجهد لمعظم تطبيقات الهوائي.

أنواع هوائي balun:

1. المحولات الكلاسيكية – Classical transformer balun:

الأسلوب التقليدي لـ (balun) هو استخدام المحولات، بحيث يتكون هذا من ملفين منفصلين كهربائياً ويتم لفهما عادةً على نواة عادةً ما يكون قلب حديدي حلقي، وإنّ وجود ملفين منفصلين بهذه الطريقة يعني أنّ الدائرتين معزولتان كهربائياً ممّا قد يكون له مزايا لبعض التطبيقات.

يمكن أن يكون القلب الذي يتم فيه داخل المحول إمّا نواة هوائية، كما قد يكون من البورسلين للحفاظ على الملفين في مكانهما أو يمكن تصنيعه من موصل مغناطيسي مثل الفريت، كما يجب اختيار الفريت بحيث يمكنه التعامل مع الترددات ومستويات الطاقة المعنية، كما تحدد نسبة المنعطفات بين المرحلتين الابتدائية والثانوية نسبة مستويات مقاومة المدخلات والمخرجات.

كما من الممكن ليس فقط استخدام (balun) للتحويل بين متوازن وغير متوازن، ولكن أيضاً للعمل كمحول مطابق إذا لزم الأمر، بحيث يمكن أن تكون مستويات مقاومة عالية فإنّه يجب تحويلها إلى مستوى أقل للاستخدام مع معيار (50Ω) للكابل المحوري، وكما قد يكون من الضروري تصعيد الممانعة لوحدة التغذية المحورية.

إحدى المشكلات في هذا الشكل من (balun) هي أنّ النصفين معزولان تماماً كهربائياً، ولقد وجد أنّ الهوائيات الخارجية يمكنها التقاط الكهرباء الساكنة ويمكن أن تتراكم الشحنات، وللتغلب على هذه المشكلة يمكن استخدام (balun) مع صنبور مركزي على الملف المتوازن، كما يتم نقل الصنبور المركزي إلى الأرض لتبديد الشحنة.

2. المحول التلقائي – Auto-transformer balun:

يستخدم هذا الشكل من (balun) محولاً تلقائياً أي لف واحد لتوفير الانتقال المتوازن إلى غير المتوازن، كما تتمثل إحدى مزايا أسلوب المحول التلقائي في (balun) في أنّه يوفر بطبيعته مسار (DC) إلى الأرض لجميع التوصيلات، سواء عند الإدخال المحوري غير المتوازن وكذلك للإدخال المتوازن بحيث يستطيع تفريغ الشحنات.

3. عنق الترددات اللاسلكية – RF choke as a balun:

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في تغذية هوائي متوازن بوحدة تغذية غير متوازنة مثل (coax)، في أنّ التردد اللاسلكي ينتقل على طول الجزء الخارجي من المحاور ويمكن أن يؤدي ذلك إلى إشعاع غير مرغوب فيه والتقاط، كما يتمثل مفهوم (choke balun) في زيادة الحث على الموصل الخارجي للموصل غير المتوازن لمنع الإشارات التي تنتقل على طول هذا الموصل فقط.

يتمثل أحد تطبيقات (choke balun) في لف بضع لفات من وحدة التغذية عند نقطة تغذية الهوائي لتكون بمثابة خانق خط التغذية، وعلى الرغم من سهولة التنفيذ إلّا أنّه لا يعمل دائماً بشكل جيد، كما تعتمد نسبة رفض الوضع الشائع لـ (balun) على مقاومة النظام عند النقطة التي يتم فيها استخدام (balun) وقد لا يكون الحث لبضع لفات من الكابل المحوري كافياً لتوفير رفض مناسب عند ترددات أقل من (10 ميجا هيرتز).