هوائي LPDA مقابل هوائي Yagi

يلعب الهوائي دورًا رئيسيًا في أنظمة الاتصالات المشتركة، باعتباره المكون الرئيسي المسؤول عن إرسال واستقبال الإشارات بين المصدر والوجهة. تقوم الهوائيات بشكل أساسي بتحويل الطاقة الكهربائية إلى موجات كهرومغناطيسية والعكس صحيح. هناك العديد من أنواع الهوائيات بأحجام وأشكال ومعايير أداء مختلفة. سيعتمد الأداء الكلي لنظام الاتصال المشترك Communication اعتمادًا كبيرًا على أداء الهوائي، وبالتالي من الضروري اختيار هوائي مناسب للنظام. تقدم هذه المقالة لمحة عامة عن نوعين من أكثر أنواع الهوائيات شيوعًا، هوائيات LPDA وهوائيات Yagi.

ما هو هوائي LPDA؟

يرمز LPDA إلى هوائي ثنائي القطب المنطقي الدوري ثنائي القطب، ويطلق عليه هذا الاسم نظراً لأن مقاومة هذا الهوائي هي دالة لوغاريتمية دورية للتردد. تتألف هوائيات LPDA من عناصر ثنائية القطب مثبتة بشكل متقارب ومتوازٍ وعلى جانبي خط التغذية مع أطوار متناوبة، على فترات زمنية محددة تتبع دالة لوغاريتمية للتردد. يتناقص طول كل عنصر ثنائي القطب باتجاه مقدمة الهوائي. هذا نوع من الهوائي متعدد الاتجاهات ويمكنه التقاط ترددات مختلفة بسبب وجود عناصر بأطوال مختلفة. يسمح التباعد بين هذه العناصر بضبط نطاق تردد الهوائي ثنائي القطب LPDA ويحدد معلمات الأداء مثل الكسب والاتجاهية ونمط الإشعاع وما إلى ذلك. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي يجب فيها إرسال أو استقبال ترددات مختلفة بزوايا مختلفة وترددات مختلفة مثل أجهزة توجيه WiFi، وأجهزة تقوية الإرسال وهوائيات التلفزيون، إلخ.

مزايا هوائي LPDA

نطاق ترددي عريض: تغطي أجهزة LPDAs طيفًا واسعًا من الترددات بسبب عرض النطاق الترددي العالي، مما يلغي الحاجة إلى هوائيات متعددة لنطاقات التردد المختلفة. وهي تعمل في نطاقات التردد العالي وكذلك التردد فوق العالي.

مكاسب عالية: تتمتع هوائيات LPDA بكسب عالٍ يتراوح بين 9 إلى 11 كسب dBi، مما يتيح إرسال واستقبال الإشارات بشكل مركّز.

تعدد الاستخدامات: تعد هوائيات LPDA متعددة الاستخدامات لمجموعة واسعة من التطبيقات حيث يمكنها العمل مع ترددات مختلفة متعددة. يتم تمكين ذلك بسبب حقيقة أن عناصر مختلفة من هوائي LPDA ستكون قادرة على إرسال واستقبال إشارات بترددات مختلفة.

عيوب هوائي LPDA

الحجم والتعقيد: تعتبر هوائيات LPDA معقدة بعض الشيء في التصميم والتصنيع لأنها تحتاج إلى أطوال ومسافات دقيقة بين العناصر. يمكن أن يكون الحجم صغيراً ومضغوطاً، ولكن عندما تكون الهوائيات ذات المكاسب العالية أو الأداء العالي VSWR، يمكن أن يكون الطول طويلاً جداً.

اعتبارات التكلفة: يمكن أن تكون هوائيات LPDA المصممة للاستخدام التجاري المشترك 1TP8 مكلفة بعض الشيء لأنها تتطلب مواد عالية الجودة وعناصر ثنائية القطب متعددة بأحجام محددة.

كسب أقل من Yagi:: نظرًا لأن هوائي LPDA مصمم للنطاق العريض، فإن أعلى كسب هو 11dBi، ولكن هوائي Yagi ذو عرض الحزمة الضيق الذي يسمح له بالوصول إلى 17-20dBi كحد أقصى.

ما هو هوائي ياغي؟

تشبه هوائيات Yagi إلى حد ما هوائيات LPDA. ولكن على عكس هوائيات LPDA، فإن هوائيات Yagi ذات اتجاهات عالية وتعمل عادةً إما على تردد واحد أو على نطاق صغير جداً من الترددات. المكونات الرئيسية لهوائي Yagi هي ذراع الرافعة المركزية التي تتصل بها العناصر الأخرى، وعنصر القيادة الرئيسي الذي يرسل أو يستقبل الإشارات بشكل أساسي، وعاكس في النهاية يعكس الإشارات نحو نمط الإشعاع، وعناصر التوجيه على جانبي ذراع الرافعة التي تساعد على تركيز جميع الإشارات المنعكسة نحو نمط الإشعاع. في هوائي Yagi، يولد عنصر القيادة موجات كهرومغناطيسية ويعكس عنصر العاكس الموضوع خلف عنصر القيادة هذه الموجات إلى الأمام بحيث يقوم الموجهان الموضوعان في المقدمة بتوجيه وتركيز الموجات المنعكسة إلى الأمام. وتُعد هوائيات Yagi مثالية للتطبيقات التي تتطلب تركيز الإشارة على اتجاه معين مثل الرادارات وأنظمة الاتصال من نقطة إلى نقطة لمسافات طويلة.

مزايا هوائي ياغي

توجيهية عالية: تتمتع هوائيات Yagi عموماً بعرض شعاع يتراوح بين 8 و50 درجة تقريباً. نظرًا لأنها تركز جميع الإشارات في زاوية مجال أقصر، فإن لها اتجاهية عالية جدًا مقارنة بالهوائيات متعددة الاتجاهات أو هوائيات متعددة الاتجاهات.

تصميم بسيط: من السهل جداً بناء هوائيات الياغي لأنها تحتوي على عناصر سلبية بنفس الطول موضوعة على مسافات ثابتة على طول قضيب. وعلى الرغم من وجود بعض هوائيات الياغي المطبوعة المتقدمة، إلا أنه يمكن عموماً صنعها بمواد متاحة بسهولة.

الفعالية من حيث التكلفة: تتوفر هوائيات Yagi على نطاق واسع بتكلفة زهيدة. وحتى معدات ومكونات صيانة هوائيات ياغي يمكن العثور عليها بتكلفة أقل. وبالنظر إلى الكسب العالي والاتجاهية العالية التي توفرها هوائيات ياغي، فهي فعالة جداً من حيث التكلفة.

عيوب هوائي ياغي الهوائي

عرض النطاق الترددي الضيق: توفر هوائيات Yagi كسبًا عاليًا ولكن فقط لنطاق ترددي محدود يتراوح بين 45 و90 درجة تقريبًا، ومن ثم تصبح محددة جدًا للتطبيقات وأقل تنوعًا.

نطاق تردد محدود: عادةً ما يتم تصميم هوائيات Yagi إما للعمل مع تردد واحد أو نطاق صغير جداً من الترددات. وخارج هذا النطاق، تكون قدرة استقبال الإشارة أو إرسالها ضعيفة جداً.

مقارنة بين هوائيات LPDA وهوائيات Yagi

التصميم والبناء:

عادة ما يكون لهوائيات LPDA هيكل مثلث الشكل. وهي تتألف من عناصر موصلة متعددة بأطوال ومسافات مختلفة عن بعضها البعض مرتبة في نمط محدد على طول هيكل يشبه ذراع الرافعة. أما هوائيات Yagi فلها هيكل خطي أكثر مع عناصر توجيه متعددة بنفس الطول نسبياً مرتبة في مصفوفة على طول هيكل يشبه ذراع الرافعة يشبه LPDA. هوائيات Yagi أسهل قليلاً في الإنشاء والتصنيع لأنها تحتوي على عناصر متشابهة الطول. أما هوائيات LPDA فهي أكثر تعقيداً قليلاً في التصميم والتصنيع. تتشابه هوائيات LPDA وهوائيات Yagi إلى حد كبير من حيث التركيب والصيانة. ومع ذلك، تتطلب هوائيات Yagi مزيدًا من الاهتمام أثناء التركيب لأنها تتطلب محاذاة دقيقة لتحقيق الأداء الأمثل في اتجاه معين.

معلمات الأداء: 

تعمل هوائيات LPDA بشكل عام في نطاقات تردد تتراوح بين 30 إلى 4200 MHz وهوائيات Yagi بين 30 إلى 3000 MHz. ولكن يتوفر كل من هوائيات LPDA وهوائيات Yagi أيضاً في نطاقات تردد أكبر بكثير اعتماداً على الشركة المصنعة. تتمتع هوائيات LPDA بنمط إشعاع واسع مقارنة بهوائيات Yagi التي عادةً ما يكون نطاقها الترددي ضيقاً. هوائيات Yagi اتجاهية للغاية وبالتالي تركز الإشارات بزاوية تتراوح بين 45 درجة و90 درجة تقريباً. أما هوائيات LPDA فبفضل هيكلها الذي يحتوي على عناصر ذات أطوال وتباعد مختلف، فهي قادرة على تغطية زاوية أوسع بكثير من حيث الاتجاهية. تتمتع هوائيات Yagi بكسب أعلى مقارنةً بهوائيات LPDA ولكن كلا الهوائيين يعتبران بشكل عام هوائيات اتجاهية عالية الكسب مقارنة بالأنواع الأخرى.

سيناريوهات التطبيق:

عادةً ما تُستخدم هوائيات LPDA في أنظمة الاتصالات اللاسلكية التي تحتاج إلى إرسال واستقبال الإشارات في وقت واحد في اتجاهات متعددة وترددات متعددة مثل LPWAN وLLWAN وLURa وLTE-M وNB-IoT وإنترنت الأشياء وتطبيقات M2M، إلخ. تُستخدم هوائيات Yagi بنطاق ترددها الضيق واتجاهها العالي عادةً في أنظمة الاتصالات اللاسلكية المشتركة من نقطة إلى نقطة وفي تطبيقات البث والتطبيقات اللاسلكية المحلية وتطبيقات الاتصالات اللاسلكية المشتركة بين الشركات.

اعتبارات التكلفة: 

يكون الاستثمار الأولي بشكل عام في نطاق مماثل لكل من هوائيات LPDA وهوائيات Yagi. ومع ذلك، عادة ما تعتبر هوائيات LPDA أكثر فعالية من حيث التكلفة حيث يمكن استخدامها كحل متعدد الاستخدامات للعديد من التطبيقات. على الرغم من أن كلا النوعين من الهوائيات متشابهان تقريباً في تكاليف الصيانة، إلا أن هوائيات Yagi قد تحتاج إلى صيانة دورية أكثر من أجل الحفاظ على الأداء الأمثل لحالات الاستخدام المحددة والموجهة للغاية.

التطبيقات الواقعية

الهوائيات الدورية اللوغاريتمية

البث: تُستخدم هوائيات LPDA في البث الإذاعي والتلفزيوني على حد سواء بسبب قدرتها على تغطية طيف واسع من الترددات. وهذا يجعل من الممكن بث الإشارات عبر مختلف القنوات مما يوفر تغطية في المناطق الحضرية والنائية على حد سواء.

الجيش والدفاع: تُستخدم هوائيات LPDA على نطاق واسع في الطائرات والأقمار الصناعية وأنظمة الرادار والمعدات العسكرية وغيرها من التطبيقات الدفاعية وتطبيقات السلامة. تُعد هوائيات LPDA مثالية للمهام الحرجة وعمليات المراقبة في المجال العسكري بسبب متانتها وعرض نطاقها الترددي وخصائصها الاتجاهية.

هوائيات ياغي

هواة اللاسلكي تُستخدم هوائيات Yagi في الاتصالات اللاسلكية للهواة فقط نظراً لكسبها العالي واتجاهها. نظرًا لأن هوائيات Yagi فعالة في الحد من التداخل من مصادر أخرى، فهي مثالية للبيئات ذات حركة الراديو العالية. ويمكن استخدامها لإنشاء وصلات موثوقة عبر مناطق جغرافية شاسعة دون تدهور جودة الإشارة.

الاستقبال التلفزيوني: تعتبر هوائيات Yagi مفيدة للغاية، خاصة في المناطق ذات محطات البث الضعيفة أو البعيدة. ونظراً لاتجاهها العالي وكسبها العالي، يمكنها التقاط الإشارات من أبراج البث البعيدة بشكل فعال، وبالتالي تحسين جودة الاستقبال التلفزيوني.

الخاتمة

يمكن اعتبار الهوائيات أهم مكون في نظام communication. سيكون لأدائها تأثير رئيسي على الجودة الإجمالية لنظام communication. يعتمد اختيار الهوائي لتطبيق معين على متطلبات الأداء بالإضافة إلى الظروف البيئية واعتبارات التكلفة وسهولة التركيب والصيانة، وما إلى ذلك. قدمت هذه المقالة لمحة موجزة عن هوائيات LPDA وهوائيات Yagi وكيفية مقارنتها ببعضها البعض. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب إشارة أفضل على نطاق تردد واحد، فإن هوائي Yagi هو الخيار الأفضل، أما بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب هوائياً متعدد الاستخدامات لنطاق تردد واسع، فإن الهوائي الدوري اللوغاريتمي هو الخيار الأفضل. ولكن لاختيار الهوائي الأمثل للتطبيق، من المهم أخذ جميع العوامل في الاعتبار، كما أن التشاور مع خبراء الهوائي والمصنعين يمكن أن يكون مفيداً.