باحثون يطورون هوائياً أفضل لرادار متطور ولاختبار المجال الكهرومغناطيسي

ورقية علمية: الهوائي الإشعاعي النصف نبضي وذو المقاومة التدريجية

المؤلفون: فيليكس فيغا، فيرناندو ألباراسين فارغاس، شوقي قاسمي، فهد اليافعي

اكتشف الباحثون في مركز بحوث الطاقة الموجهة، التابع لمعهد الابتكار التكنولوجي في دولة الإمارات العربية المتحدة، تطوراً كبيراً في تصميم هوائي قديم سيساهم في تعزيز الأجهزة عالية الطاقة للرادار المخترق للأرض واختبار المرونة الكهرومغناطيسية والبحث العلمي.

ومن الجدير بالذكر أن معظم الهوائيات صُممت للتناسب مع التطبيقات ذات النطاق الترددي الضيق والطاقة المحدودة، مما يسمح للمصممين بتقليصها إلى حجم صغير نسبياً مثل حجم الهاتف المتحرك. ولكن الباحثين واجهوا صعوبةً في ببناء الهوائيات الفعالة للتطبيقات ذات النطاق فائق العرض والتي قد تتطلب استخدام الإشارات التي يكون عرض نطاقها أكبر من 500 ميغاهرتز. وبالإضافة إلى ذلك تحتاج بعض هذه الأجهزة إلى استقبال الإشارات النبضية التي تصل سعتها إلى عشرات الكيلو فولت وزمن يبلغ نانو ثانية.

طور كارل باوم التصميم الأصلي لهوائي الإشعاع النبضي في التسعينيات للتعامل مع الإرسالات اللاسلكية فائقة النطاق وعالية الطاقة، وطور باحثون آخرون نماذج أخرى لشرح كيفية عمل الهوائي على مدار العقد التالي، ومع ذلك، لم يتطور تصميم الهوائي الأساسي منذ ذلك الحين.

يتبع هذا التصميم الجديد نهجاً جديداً يلغي الحاجة إلى مقرنة توصيل خاصة لمطابقة المقاومة بين مولد النبضات والهوائي.

مشكلة الممانعة

يُنتج مولد الإشارات إشارات كهربائية بتنسيق أو شكل موجي مناسب لتطبيقات المجال الكهرومغناطيسي، وعادةً ما يكون لهذه المولدات مقاومة 50 أوم (المعيار الدولي). وبالتالي لا بد من تصميم الهوائيات لاستقبال إشارات 50 أوم لقبول أكبر قدر ممكن من الطاقة من المولد. وفي نفس الوقت، يمتلك الهوائي المشع النبضي التقليدي مقاومة مثالية تبلغ 100 أوم، ومن هنا تبرز الاجة لوجود محول.

ومن جانبه، قال الدكتور فيليكس فيغا، مدير البحث والتطوير في المجال الكهرومغناطيسي لدى مركز بحوث الطاقة الموجهة: ""إن المشكلة الأساسية لهوائي الإشعاع النبضي هو أنه لا يمكن توصيله مباشرة بمولد تجاري.""

وهذا المكون الإضافي المصمم لتحمل مستويات الطاقة العالية من خلال عرض النطاق الترددي الواسع، يضيف إلى النفقات الكبيرة الموجودة من الأساس. وقد عمل د. فيغا منذ سنوات عديدة مع شركة كانت تبيع هذا النوع من الهوائيات، ووجد أن العديد من العملاء اشتكوا من الاضطرار إلى شراء محول مقاومة جديد مخصص لهذا الهوائي. مع العلم أن هذا الهوائي كان يكلف حوالي 10000 دولار، ثم أضيف إلى هذا المبلغ قيمة محول المقاومة الذي بلغ 3000 دولار.

كما أن تكاليف النظام كاملاً يمكن أن تكون أعلى من ذلك بكثير، فقد يكلف مولد الإشارة وحده من 50,000 إلى 70,000 دولار، ويمكن أيضاً أن تكلف معدات الرادار المخترق للأرض ما يصل إلى 100000 دولار بسبب الحاجة إلى هوائي ثنائي الاستاتيكية لإرسال واستقبال الإشارات، بالإضافة إلى جهاز الاستقبال الخاص الذي يزيد من النفقات.

إيجابيات الهوائي المُشع لنصف نبضة

يدمج هذا التصميم الجديد محول المقاومة في الهوائي نفسه، ونتيجة لذلك يمكن توصيل الهوائي مباشرة بمولد الإشارة. ويتكون الهوائي من جزأين؛ القطع المكافئ وزوج من الأذرع لنقل الطاقة من مولد الإشارة، علماً أن شكل الذراعين يساهم بتحويل المقاومة تلقائياً. وأضاف فيغا: ""إنه عبارة عن محول مقاومة مدمج في الهوائي"".

ففي التصاميم الماضية، كانت أذرع الهوائي تشكل لوحات ثلاثية لديها مقاومة متواصلة. مضيفاً: ""كان بالنسبة لي من الطبيعي أن نفكر بشيء غير ثابت من ناحية الشكل من أجل التمكن من تحقيق التحول في المقاومة."" ويشبه هذا النموذج عدسة المؤشر المتدرجة عن طريق تغيير هندسة الهيكل تدريجياً لتحقيق الخصائص الكهربائية المطلوبة، وفي هذه الحالة، يتغير الهيكل والهندسة بدلاً من مؤشر الانكسار في المادة.

ودائماً ما يمثل المكون الإضافي، مثل المحول، تحدياً إضافياً عند تصميم أجهزة التردد اللاسلكي عالية الأداء. وبالإضافة إلى ذلك، يجب عزل المحول لتحمل الفولتية العالية التي يتم تطبيقها في هذه الأجهزة، كما يتطلب وجود مخرطة رقمية للحاسوب لقطع الجزء الأيمن بصورة ثلاثية الأبعاد.

ويذكر أيضاً أن تصميم الهوائي الجديد مسطح، مما يتيح قطعه بسهولة في أي ورشة عمل باستخدام أداة قطع ثنائية الأبعاد. ومن السهل أيضاً تقليل خسارة التردد لأن المسافة بين الأذرع معزولة بشكل أساسي عن طريق الهواء، وهو يمثل أيضاً وسيطاً في نقل إشارة المجال الكهرومغاطيسي. وفي المقابل، يُعزَل المحول التقليدي بالبلاستيك الذي بدوره يميل إلى تشتيت الأمواج، والأمر يشبه تماماً الرمال على الشاطئ التي تشتت موجات الماء.

الأعمال المستقبلية

تستخدم النماذج الأولية من التصميم الجديد لبعض التطبيقات، مثل اختبار تأثير إشعاع المجال الكهرومغناطيسي المكثف على الأجهزة الإلكترونية، للمساعدة في الحماية من التوهجات الشمسية وتطبيقات التصوير المقطعي الكهرومغناطيسي. وفي هذا الإطار يود د. فيغا استكشاف أنواع جديدة من الأجهزة باستخدام نفس المبدأ، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم باحثو مركز بحوث الطاقة الموجهة عدسة ذات مؤشر متدرج بدلاً من القطع المكافئ، إذ تعمل هذه العدسة على موازاة الموجة في الاتجاه الأمامي بدلاً من القطع المكافئ الذي يعكس الموجة.

يمكن أن تكون هذه العملية أكثر مرونة لأنه من الأسهل تخصيص حجم وشكل العدسة العازلة عن طريق جمع طبقات المواد تدريجياً مع وجود ثوابت عازلة مختلفة للحصول على الخصائص المطلوبة. ومن الجدير بالذكر أن التصميم الجديد سيقلل من الحاجة إلى تقسيم القطع المكافئ إلى شكل وحجم دقيقين باستخدام معدات خاصة. وختم فيغا قائلاً: ""لا شك بأنها تقنية تصنيع أكثر مرونةً""."