الفيزياء

المصفوفات الطفيليّة

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

تُستخدَم المصفوفات الطفيليّة (Parasite Arrays) عند تردّداتٍ تمتدّ من حوالي 2 ميغا هرتز إلى عدّة جيغا هرتزات للحصول على اتّجاهيةٍ واكتساب نحو الأمام مع نمطٍ أحاديّ الاتّجاه.

نورِد مثالَين يُعتبران من أكثر المصفوفات الطفيليّة بساطةً ورواجاً هما هوائيّ ياغي (Yagi) وهوائي كواد رباعي (Quad).

 

– ما هو العنصر الطفيليّ؟

يعرِّف المهندسون العنصر الطفيليّ بأنه ناقلٌ كهربائي يُشكِّل جزءاً مهمّاً من منظومة هوائيّ من دون أيّ وصلاتِ تيّارٍ مستمرّ DC إلى خطّ التغذية.

تُعزِّز العناصر الطفيليّة اكتساب الطاقة والاتّجاهيّةَ للهوائيّ عبر تفاعلها مع الحقل الكهرو مغنطيسي EM لعنصر مساق المَسوق.

نستطيع تصنيفَ العناصر الطفيليّة بطريقتَين، تبعاً للآثار الاتّجاهيّة التي تُولِّدها:

1. عندما يحدث اكتساب في الاتّجاه من العنصر المَساق نحو العنصر الطفيلي، دعونا العنصر الطفيليّ مُوجِّهاً.

2. عندما يحدث اكتساب في الاتّجاه من العنصر الطفيلي نحو العنصر المساق، دعونا العنصر الطفيليّ عاكِساً.

للموجِّهات عادةً (ولكن ليس دوماً) مجازات من النهاية إلى النهاية أقصر ببضعة أجزاء من المئة من العنصر المَساق، بينما تكون العواكِسُ عادةً بمقاسٍ أطول من العنصر المَساق ببضعة أجزاء من المئة، أمّا المكون المَساق فيكون عادةً قطبٍ ثنائيَّ بنصف موجة أو حلقةً بموجة كاملة.

 

– هوائي ياغي

هوائي ياغي (Yagi) عبارة عن مصفوفة من عناصر مستقيمة ومتوازية فيما بينها. "ياغي" هو اسم أحد اليابانِيَّين اللذين اخترعا هذا الهوائي.

كنيةُ المخترِعِ الياباني الآخر هي "أودا Uda"، ولذلك قد ترى أو تسمع عن هذا النوع من الهوائيّات باسم ياغي-أودا. يمكننا أن نصنع هوائيَّ ياغي بسيطاً عبر وضع مُوجِّهٍ أو عاكِسٍ بشكلٍ موازٍ لعنصر مَساقٍ وحيد، وعلى بعد مسافةٍ محددة منه.

تبلغ المسافةُ المُثلى الفاصلةُ بين عناصر الموجِّه والعنصر المَساق في هوائيّ الياغي من 0.1 إلى 0.2 طول موجة، مع ضبطِ المُوجِّه على تردّد أعلى من التردّد الطنيني للعنصر المَساق بمقدار من 5% إلى 10%.

تبلغ المسافةُ المُثلى الفاصلةُ بين عناصر العاكِس والعنصر المَساق في هوائيّ الياغي من 0.15 إلى 0.2 طول موجة، مع ضبطِ العاكِس على تردّد أخفض من التردّد الطنيني للعنصر المَساق بمقدار من 5% إلى 10%.

يعطينا كلٌّ من هذين التصميمَين هوائيَّ ياغي بعنصرين اثنَين. يمكننا أن نتوقّع الحصولَ على اكتساب نحو الأمام بقيمةٍ حوالي 5dBd  في هوائيٍّ جيّد التصميم من هذا النوع.

الأطوال الإجماليّة للعناصر من النهاية إلى النهاية: العنصر المَساق: 470/f0، المُوجِّه: 425/f0، العاكِس: 510/f0

حيث يُمثِّل f0 تردّد التشغيل بالميغاهرتز

 

يُزيد هوائيُّ ياغي بثلاثة عناصر – ىيضمّ مُوجِّهاً وعاكِساً مع عنصر مَساق – الاكتساب ونسبةَ الـ f/b مقارنةً مع حالة هوائيّ ياغي بعنصرين، حيث يبلغ الاكتساب نحو الأمام تقريباً قيمةَ 7 dBd في هوائي ياغي بثلاثة عناصر بتصميم أمثلي.

يُبيِّن الشكلُ 12-10 مخطّطاً مفهوميّاً (ولكن ليس مُخطّطاً تصميميّاً) لهوائيّ ياغي بثلاثة عناصر.

تزداد قيمُ الاكتساب ونسبةِ الـ f/b لهوائي ياغي مُصمَّم بشكلٍ أمثليّ مع إضافتنا لعناصر أكثر، عادةً عبر وضعِنا لمُوجِّهات إضافيّة أمام هوائي ياغي بثلاثة عناصر والإبقاء على عاكِسٍ واحد فقط. لكلّ مُوجِّه إضافي مدىً من النهاية إلى النهاية أقصرُ قليلاً من سابِقِه.                

 

فكرة مفيدة:  يُشكِّل تصميمُ ونصب هوائيّات ياغي بعناصر متعدّدة تحدّياً كبيراً. كلّما ازداد عددُ العناصر، أصبحت أبعاد الهوائي المُثلى أكثرَ تعقيداً وحرجاً. ينبغي العمل على جعل أداءِ أيِّ هوائي ياغي طويلٍ أمثلياً من خلال اختبارات الحقل قبل وضع الهوائي في الخدمة.  

 

– هوائي كواد رباعي

يعمل هوائيّ كواد رباعي (Quad) وفقاً لمبادئ عمل هوائي ياغي نفسِها، باستثناء أنه يستخدِم عناصر حلقةٍ بطول موجة كامِل بدلاً من عناصر مستقيمة بنصف طول موجة. 

يتألّف هوائي الكواد بعنصرين من عنصر مَساق وعاكِس، أو من عنصر مساق وموجِّه. يحتوي هوائي الكواد بثلاثة عناصر عنصراً مَساقاً ومُوجِّهاً واحداً، وعاكِساً واحداً. يتمّ ضبطُ المُوجِّه على تردّد أعلى من التردّد الطنيني للعنصر المَساق بمقدار 5% إلى 10%. يتمّ ضبطُ العاكِس على تردّد أخفض من التردّد الطنيني للعنصر المَساق بمقدار 5% إلى 10%.       

يمكننا أن نُضيف مُوجِّهاتٍ إضافيّةً إلى التصميم الأساسي الكواد بثلاثة عناصر فتتشكّل هوائيّات كواد بأيِّ عددٍ منشودٍ من العناصر. يزداد الاكتساب عندما يزداد عددُ العناصر.

يكون كلُّ مُوجِّهٍ لاحق أقصرَ قليلاً من سابِقه. وبشكلٍ بديل، يمكن للمُوجِّهات الإضافيّة أن تحتويَ عناصر مستقيمةً بنصف موجة مماثلةً لتلك في هوائي الياغي ذي العناصر المتعدّدة. أطلق المُشتغلون بمذياع الهُواة مُصطلَحَ كواغي (Quagi) لوصف هذا الهجين من الكواد- ياغي.        

 

فكرة مفيدة:  لا تكون هوائيّاتُ كواغي والكواد الطويلةُ عمليّةً إلاّ عند تردّداتٍ أعلى من حوالي 100 ميغا هرتز (أي بأطوال موجيّة في الفضاء الحرّ أقصر من 3 متر تقريباً). تُصبح مثلُ هذه الهوائيّات عند الأطوال الموجية الأكبر صعبةَ المأخذ بسبب حجمها وكتلتها الكبيرَين. 

 

– مسألة 12-8 :

لنفترض أننا نصمِّم هوائيَّ ياغي بعنصرين بحيث يحتوي عنصراً مَساقاً ومُوجِّهاً واحداً. نقوم بقطع عنصر الهوائي المَساق لتحقيق طنينٍ بنصف موجة عند التردّد 10.1 ميغا هرتز. ما هو المدى التقريبي للتردّدات التي يجب أن نُشذِّبَ المُوجِّهَ من أجلها؟

الحلّ: 

ينبغي تشذيبُ الموجِّه في هوائي ياغي بعنصرين لتحقيق طنينٍ بنصف موجة عند تردّد أعلى من تردّد العنصر المَساق  بحوالي 5% إلى 10%. لذلك، يجب أن يقعَ تردّد طنين المُوجِّه بنصف موجة بين قيمتَي 1.05 و1.10 مضروبتَين بالتردّد الطنينيّ للعنصر المَساق. تُساوي القيمةُ الأخفض لهذا الحيز 10.1 × 1.05 = 10.605 ميغا هرتز، ويمكن تقريبُها إلى 10.6 ميغا هرتز. تُساوي القيمةُ الأعلى لهذا الحيز 10.1 × 1.10 = 11.11 ميغا هرتز، ويمكن تقريبُها إلى 11.1 ميغا هرتز.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
Loading cart ⌛️ ...
إغلاق