فهم دور ياغي أنتينا في نظم الرادار عبر الأفق

The Origins and Engineering of the Yagi-Uda Array

إن التدخل في حركة الياغية، المعروف بصورة أكثر رسمية باسم مجموعة اليوغ - أودا، قد نشأ من مختبرات جامعة توهوكو في عام 1926 من خلال العمل التعاوني الذي يقوم به شينتارو أودا وهيدتسوغ ياغي، حيث أن عنصر الاختراع يتحول إلى نحو قرن، إلا أن المبادئ الكهرومغناطيسية الأساسية تظل ذات أهمية اليوم كما كانت في الأيام الأولى من الهندسة اللاسلكية.

ويكمن انطلاق هذا التصميم في بساطة وكفاءة، إذ يمكن أن تتراوح المكاسب التي تقاس بـ دي بي فيما يتعلق بمشع الأيزوتروبيك بين 10 و 20 دي بي، تبعا لعدد العناصر ودقة مباعدة الـ (ياغ) ويجعل الميكانيكي المتقن ذو الازدهار الطويل ويقترب من زيادة الميزة الشبهية الصغيرة في ظل وجود علاقات بسيطة وخفيضة.

فيزياء العناصر الموازية

ويستلزم فهم مدى تشكيل العناصر الطفيلية لنمط الإشعاع إلقاء نظرة على التيارات المستحثة، وعندما يشع العنصر المدفوع، فإنه يخلق مجالا الكهرومغناطيسيا يحفز التيارات في المجس القريب والمديرين، ويعطي المجس، نظرا لأنه أطول قليلا من العنصر المدفوع، رد فعل مؤثر يؤدي إلى إشعاعي متسارع في كثير من الأحيان، ويلغي فعليا الإشعاع نحو أعلى مستوى.

سمات الاستقطاب وأثرها على الرادار

ويُعدّ الاستقطاب مُعدّلاً حرجاً في تصميم يغي لرادار أوث، ويُفضي نشر الموجات الشمسية عبر الغلاف الأيوني إلى تناوب عشوائي في القطب بسبب التناوب في محطة فاراداي، ولكن يجب أن تُضاهي عناصر الإرسال وتلقيه للتقليل إلى أدنى حد من الخسائر، ويستخدم معظم الياغيين الأفقيين في تركيبات الرأسية المتباينة التي تُتُتُ على الموجة الأرضية.

Ionospheric Propagation and the OTH Radar Concept

إن الرادار التقليدي ذو البصيرة محدود جداً بسبب انحسار الأرض وحتى في ترددات الموجات الدقيقة ذات الطاقة العالية، فإن الأفق الراديوي لا يمتد إلا لعشرات الكيلومترات بالنسبة للأهداف السطحية وربما بضع مئات من الكيلومترات للطائرات ذات الكثافة العالية، وينكسر الرادار فوق الأفق هذا القيد عن طريق استغلال طبقة الغلاف الجوي الأعلى

"الجهاز الآلي" يُرسل شعاعاً من طاقة "التردد العالي" في زاوية ارتفاع منخفض، عادةً ما بين 5 و20 درجة فوق الأفق، ويُسافر الشعاع إلى أعلى حتى يُواجه طبقة "يونوسفيريك" ذات الكثافة الإلكترونية الكافية ليعيدها إلى السطح، عملية الاختراق هي شبيهة بـ4000 هدف داخلي للوقود، ولكن تدريجياً بدلاً من السلاسل المُستبدِ.

تواتر الاعتماد واختلاف الغلاف الجوي

ويستخدم الغلاف الجوي الموضعي في شكل متوسط ثابت، وتتغير خصائصه مع النشاط الشمسي، والوقت، والموسم، والموقع الجغرافي، ويتوقف الحد الأقصى للتواتر المستخدم في مسار معين على الترددات الحرجة لطبقة الترددات المتوسطة، التي تتراوح بين حوالي ٥ ميغاهيرتز في الليل وأكثر من ١٥ ميغاهيرتز خلال فترات الذروة الشمسية)٣(.

Gain, Beamwidth, and the Radar Range Equation

وتقول معادلة نطاق الرادار بالنسبة للنظم الاحتكارية إن أقصى نطاق للكشف يتناسب مع الجذر الرابع من طاقة الإرسال، والمكسب الهوائي، والقطع الرادارية المستهدفة، والوقت اللازم للتكامل، مع كونه متناسباً مع ضوضاء النظام، ولأن نطاقات النطاق هي الجذر الرابع لهذه البارامترات، فإن ازدواجية نطاق الاكتشاف يتطلب زيادة قدرها ستة عشر ضعفاً في الطاقة إذا ما استمر تحقيقها.

ويؤثر الافتراض مباشرة على الحل العازل ورفض القاطع، إذ أن الطول العادي الذي يبلغ 20 مكسباً من الدي بي قد يكون نصف قوة من حوالي 20 درجة في طائرة الزيموث، ويزيد من درجة الارتفاع في الرادارات، ويحصل على درجة واحدة من الرادارات ذات السعة الـ 90 درجة، مما يعني أن من الضروري أن تغطي المنطقة بشكل متتابع، غير أن يختلط بين عدة ياغيسام في صفيفة تدريجية.

ضغط النبض والتكامل المتماسك

إن الجمع بين صفائف الياغي العالية الغين مع تجهيز الإشارات الحديثة يكشف عن أداء إضافي، وتقنيات ضغط النبض تسمح للرادار بأن ينقل موجات طويلة الأمد مع طاقة عالية بينما يحافظ على حل مقياس جيد، فإكسب ياغي الكبير يضمن أن الطاقة المُرسلة تتركز في الاتجاه المرغوب، وتلقي الفوائد الجانبية من نفس التوجيه

اللواء أوث رادار نُظم تستخدم ياغي آري

شبكة الرادارات البحرية في أستراليا تمثل أحد أكثر الأمثلة تطوراً على رادار (يغي) المتواجد في (يو تي) ثلاثة مواقع رئيسية في (أليس سبرينغز) و(لافرتون) و(لونغراي) كل صفائف إرسال ذات سمات تمتد عبر الحدود الخارجية

نظام الرادار الروسي الموزع قرب كوفيلكينو ويمتد إلى مواقع إضافية يستخدم هوائيات كبيرة من نوع الياقوس لكل من الإرسال والاستقبال

طلبات الدار واليجي السطحية

بينما يهيمن رادار الموجات الشمسية على المراقبة البعيدة المدى، يستخدم رادار الموجات السطحية آلية مختلفة للتشغيل، وتعمل شبكات الموجات السطحية في أقل من الترددات، وهي عادة ما تعمل على 3-15 ميغاهيرتز، وتعتمد على الانتشار على سطح الأرض لمتابعة منحنى الكوكب، ويمكن لهذه النظم أن تكتشف السفن السطحية وطائرات الكشف المنخفض عن الغلاف الجوي خارج الأفقي البالغ عددها 200.

التحديات الهندسية في تصميم محطة الإنقاذ في ياغي

ويختلف تصميم هوائيات الياقية على رادار أوث اختلافا كبيرا عن بناء صفائف صغيرة لاستقبال هواة لاسلكية أو تلفازية، وتتراوح طول العناصر بين ٥ أمتار في ٣٠ مترا و ٢٥ مترا في ٥ أمتار، مما يتطلب هياكل ميكانيكية تصمد أمام أحمال عالية من الرياح، وتراكم الجليد، وتداعيات في البيئات النائية.

ويطرح التوفيق بين الترددات تحديا مستمرا، إذ أن العنصر المطوي الذي يقوده الديبول ينطوي على نقص في نقطة التغذية يبلغ حوالي 300 أوم، بينما تُستخدم خطوط التفريغ القياسية في 50 أوم، كما أن وجود تطابق بينات بينية بينية واقية بينية يمكن أن يُحدث التحول اللازم في الارتداد، ولكن شبكة التطابق يجب أن تُعالج قوى ذروة عالية، تتجاوز في كثير من الأحيان 10 كيلوتات لكل عنصر في صفائف النقل.

الآثار الأرضية والثروات الأثرية

ويؤثر التفاعل بين صفيفة الياقية والأرض التي تحتها تأثيرا قويا على نمط الإشعاع، ولا سيما في الزوايا المنخفضة الارتفاع التي تتسم بأهمية بالغة بالنسبة لرادار الأرض، وعلى التربة التي تجري، وعلى الإضافات التأملية في مرحلة موجة مباشرة، وتعزيز المكاسب في الأفق، غير أن الرمل الجاف، أو البراميل الصخرية يمكن أن يكون لها سلوك ضعيف، مما يتسبب في تشويه النمط وانخفاض الإشعاع.

الآثار البيئية والقابلية للاستمرار في الانتقال

ويتسبب الإشعاع الشمسي، والتعرض فوق البنفسج، والتقلب الحراري في مواد الهوائيات التي تصيبه بمرور الوقت، ويفقد السكك الحديدية قوة التوتر مع التعرض المطول للضوء فوق البنفسج، ويحتاج إلى تفتيش واستبدال دوريين، ويقاوم الصمامات غير الملموسة التآكل، ولكن القذف أثناء التجمع، ويحتاج إلى التحكم في التآكل ومركبات مضادة للتوتر.

تجهيز الإشارات الرقمية و " ياغي آري " : مجموعة متآزرة

(أ) يؤدي أداء مجموعة من الـ (يغي) إلى وضع أسس لتقنيات تجهيز الإشارات الحديثة التي تستخرج أقصى المعلومات من الإشارة الواردة، ويمكن أن يؤدي هذا المقياس إلى تعديل المرحلة وتضخم السعة المطبق على كل عنصر من عناصر الياغي في صفيحة استقبال إلى عدم التقيد بمصادر التدخل في مجال التداخل مع أهداف الجذب، وهو ما يُبقي على أهداف مربحة ذات أهمية خاصة في إطار التردد العالي، حيث تُتقاسم الطيفات مع محطات البث الإذاعية.

ويتطلب التكامل المتناسق عبر نبضات متعددة استقراراً دقيقاً في نظام الهوائيات، وتتسبب التغيرات في التدرج الميكانيكي وانكماش الطفرة والعناصر، وتغيير مراكز المرحلة، والتماسك المهين، وتستخدم المنشآت الحديثة شبكات التغذية التي تعوض درجات الحرارة، والمعايرة الزمنية باستخدام أجهزة إرسال مرجعية في مواقع معروفة، كما أن أجهزة التكهن بالأشعة الماكنة يمكن أن تتنبأ تدريجياً على أساس تقنيات التحسس المعروفة.

إدارة التردد والتكيف في الوقت الحقيقي

نظام الصوت في الغلاف الجوي المتقارب مع أجهزة التتبع الآلي يقيس باستمرار مدى الكثافة الكهربائية ويحدد التردد الأمثل للظروف الحالية، عندما تتغير الترددات، قد يتحول أداء صفيفة الياغ بشكل كبير، بعض النظم تستخدم شبكات متطابقة سريعة تضبط طول العناصر أو تدمج شبكات تحويل لاختيار عناصر مؤثرة في الترددات المختلفة

مقارنة مع الأنواع النباتية البديلة

كما أن سعة الرادارات التي تقطعها الدار هي أكثر اتساعاً من ياغيز، التي تغطي في كثير من الأحيان كامل نطاق الترددات من 3 إلى 30 ميغاهيرتز مع هوائي واحد، ولكن زيادة الارتداد في عدد الأسلاك التي تقاومها اللوتانا، هي عادة ما تكون 5 إلى 8 دنانياً أقل من متوسط الطول المقارن، أما بالنسبة لرادار أوث، حيث تظهر كل تواترات الارتفاع في التركيب

مجموعة من الـ (يانغ) المُتقطعة من الـ (ديبول) المُتقاطعة، و(أو) يُقدّمون) مُوجّهات مُتطوّرة، و(يانغ) مُتطوّر، و(إيدي) مُتطوّر، و(إيدي) مُتطوّع، و(إيدي)

الصيانة، دورة الحياة، تحسين

وكثيرا ما تقع مواقع الرادار العائمة في بيئات قاسية ونائية تقتصر فيها إمكانية الوصول إلى الصيانة على النوافذ الموسمية القصيرة، ويمكن أن تعمل صفائف الياقوس، مع بناءها الميكانيكي البسيط، دون أن تتدخل إلا في عقود، كما أن حفز هياكل الفولاذ المتحركة يوفر مقاومة للتآكل لمدة تتراوح بين 20 و 30 سنة في معظم المناخات، وتستخدم وصلات الرواسب الصلبة الخفية مع آليات الغلق المضادة للتوترات.

وتأتي عملية رفع صفيفة الياقية مباشرة لأن العناصر الفردية يمكن استبدالها أو تعديلها دون التأثير على الهيكل بأكمله، ويمكن للمشغلين إضافة مديريات لتشديد البيوت، والاستعاضة عن العناصر المدفوع بها ببطاقات محسنة، أو رفع مستوى شبكة التغذية بأكملها للحد من الخسائر، كما أن الطبيعة النموذجية لصفوف الياقليمتر تتيح إدخال تحسينات إضافية توسع نطاق الحياة وتكيف مع التهديدات المتطورة.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ويمثل اليانغيون المصممون طارئاً للبحث عن نظم أوث ذات الترددات، وبوضعهم في مراكز استراتيجية على طول كل عنصر، يمكن تعديل طول الكهرباء على مدى عدد من العناصر دون تحرك آلي، ويمكن لهذه التكنولوجيا أن تتيح لمجموعة من اليانغي تغطي كامل نطاق التردد 5-15 ميغابيرز مع شكل ميكانيكي واحد، مما يقلل من عدد المتغيرات في النطاق الترددي 3 ويبسط في مجال اللوجستيات(1).

(أ) إن الرادار السلبي لمحطة البث التجاري كمرشدين للفرصة يمثل منطقة نمو أخرى، وتستخدم هذه النظم صفائف عالية الجودة من الياغي لالتقاط صور مستهدفة ضعيفة في الوقت الذي ترفض فيه إشارة المسار المباشر، ويكتسي الكسب الإتجاهي للياغي أهمية حاسمة في التشغيل السلبي لأن موقع الوسيم ثابت ومقرب في كثير من الأحيان، ويتطلب باطلاً في نمط كشفي لمنع الاختلالات.

كما يمكن للشبكات العصبية أن تستكشف أماكن تصميم أكبر بكثير من التماثلات التقليدية، وأن تكتشف تشكيلات الياقية التي تُصمم على شكل فصائل جانبية لبيئة محددة من مناطق الوصل الجغرافية، وعلى سبيل المثال، يمكن للموقع الراداري في منطقة جبلية أن يستخدم تصميمات من قبيلة اليغمترات مع الإشعاعات المقننة إلى المناطق القريبة مع الحفاظ على مكاسب في قطاع المراقبة الأولي.

أفضل الممارسات في مجال التركيب والمواءمة في الميدان

ويتطلب اختيار صفيفة كبيرة من طراز ياغي إجراء مسح دقيق ومواءمتها، ويجب أن يكون كل عنصر موازيا للآخرين وأن يعمم على الازدهار في إطار تسامح ضيق، وأن يكون في العادة أقل من درجة واحدة من الخطأ الجسيم، وأن يكون طول الخطى فوق الأرض متسقا بين مختلف النطاقات للحفاظ على الاتساق في المرحلة، وأن توفر أدوات المسح القائمة على النظام العالمي لتحديد المواقع درجة مئوية من الدقة في تحديد المواقع، بينما تكفل نظم المواءمة بين الليزر سلامة العناصر.

وتؤثر الآثار الأرضية تأثيرا كبيرا على نمط الإشعاع، فأكثر من التربة الجاهزة، تعزز الطائرة الأرضية الفعالة الإشعاعات المنخفضة الاتجاه، وهو ما يعود بالنفع على الرادار OTH، غير أن التباينات في سلوك التربة مع محتوى الرطوبة يمكن أن تسبب تغيرات في النمط مع مرور الزمن، حيث يمتد نطاق الشاشة الأرضية للسلك النحاسي أو المتغيرات المعدنية الموسعة تحت المجموعة إلى تثبيت مستوى الطائرة الأرضية الفعالة والحد من التباينات.

الأفكار الخاطئة المشتركة بشأن ياغي أنتينا

ولا تزال هناك عدة حالات سوء فهم بشأن هوائيات الياغي، حتى بين المهندسين ذوي الخبرة، أولا، لا يضخم الياقوس الإشارات؛ بل يحققون مكاسب من خلال توجيه الطاقة المشععة إلى شعاع أضيق؛ أما مجموع الطاقة المشععة فيمكن أن يعادل الخسائر في الطاقة الكهربائية أقل من الخسائر في الأورام، التي هي أدنى مستوياتها في الصفوف المحسنة، ويتحقق الكسب بالكامل من خلال تشكيل نمط.

ومن المفاهيم الخاطئة الأخرى أن إضافة المزيد من العناصر يؤدي دائما إلى تحسين الأداء، إذ أن كل مدير إضافي يقدم معلومات متناقصة عن العائدات، وما بعد ١٠ - ١٢ عنصر، فإن الزيادة في كل عنصر تصبح ضئيلة، بينما تزداد درجة تعقيدات الميكانيكية وتحميل الريح زيادة كبيرة، ويتوقف العدد الأمثل من العناصر على طول الازدهار وحجم الترددات، وبالنسبة للشبكة العالية من طراز Yagis، فإن العناصر من ٣ إلى ٦ توفر في العادة أفضل توازن بين المكاسب المربحية والمكاسب المتجانسة والميكانيكية في تصميم التطبيقات الرادارية.