هوائي حلزوني بمصفوفة طورية

الهوائي الحلزوني ذو المصفوفة الطورية: المفهوم والتقنية

بعد أبحاث وتجارب موسعة في نطاق من 5 MHz إلى 8 MHz، طورت Trinity Radionics هوائيًا متعدد الأطوار بهندسة حلزون أرخميدس، مخصصًا للاستخدام كسطح للتحسس باللمس (stick pad)، أو جهاز بث، أو هوائي خارجي ضمن العمل بالإشارات بأسلوب الراديونيك.

ومع أن مفهوم الهوائي قابل للاستكشاف عبر نطاق ترددات أوسع، فقد حُسب التصميم وحُسّن للعمل ضمن النطاق من 5 MHz إلى 8 MHz. يُستخدم هذا النطاق في تصاميم مختارة من Trinity Radionics للعمل على موازنة الطاقة وبث النية وتطبيقات الطاقة الدقيقة.

دراسة الحلزونات الأرخميدية والأُسّية

دُرست أثناء التطوير أنماط الحلزون الأرخميدي والحلزون الأُسّي. ولكل منهما خصائص رياضية ومزايا عملية وموازنات تصميمية مختلفة.

قد تطول أذرع حلزون أرخميدس، مما قد يزيد فواقد الدائرة عند الترددات المنخفضة. وتتغير زاوية التفافها أيضًا من المركز إلى القطر الخارجي. ويمكن للمنطقة الداخلية إثارة أنماط من رتب أعلى عند الترددات الأعلى، بينما قد تساعد المنطقة الخارجية على تحسين سلوك نمط الإشعاع عند الترددات المنخفضة.

وقد تتيح الحلزونات الأُسّية سلوكًا أكثر انتظامًا عبر نطاق ترددات أوسع. لكن هدف تصميم Trinity Radionics كان العمل ضمن الموجات القصيرة في نطاق يقارب 5 MHz إلى 8 MHz، ولذلك اختير حلزون أرخميدس بوصفه البنية المفضلة.

بنية حلزونية على لوحة دوائر مطبوعة من أربع طبقات

يستخدم تصميم الهوائي بنية لوحة دوائر مطبوعة من أربع طبقات، تضم أربع بُنى حلزونية محسوبة بعناية وموزعة على الطبقات.

حُسب عرض المسارات الحلزونية وتباعدها وعدد الحلزونات ومواضع الطبقات وسلوك البنية الطبقية للوحة ضمن عملية التطوير. ويشكّل العازل الرقيق بين الطبقات بنية سعوية مدمجة، يُراد لها دعم التفاعل الطوري داخل الهوائي.

وتتيح هذه البنية الطبقية للهوائي أن يعمل كبنية مدمجة متعددة الأطوار للبث بأسلوب الراديونيك، والاستخدام كسطح للتحسس باللمس، والتجارب في مجال الطاقة الدقيقة.

جسر التغذية والاقتران السعوي

من أهم أجزاء تصميم الهوائي جسر تغذية الحلزون. يقع جسر التغذية في مركز الحلزون، ويمكن تهيئته باستخدام اقتران مقاومي أو سعوي، بحسب نطاق الترددات وأسلوب البث المقصودين.

وخلال الاختبارات، اختير جسر تغذية سعوي بوصفه النهج المفضل لهذا التصميم. وحُسبت قيم المكثفات باستخدام علاقات مستوحاة من النسبة الذهبية الفيثاغورية، φ = 1.618، بهدف إيجاد فروق تناسبية بين قيم السعة المختارة.

وكان اختيار المكونات مهمًا أيضًا. فالمكثفات الخزفية القياسية المثبتة سطحيًا (SMD) لم تحقق الأداء المطلوب في سياق هذا التصميم، ولذلك فُضلت أثناء التطوير مكثفات عالية الجودة للترددات الراديوية ومكثفات ذات عازل من الميكا.

التفاعل الطوري في المجال القريب

يقوم تصميم الهوائي الحلزوني ذي المصفوفة الطورية على مفهوم التفاعل الطوري في المجال القريب. وفي مصطلحات Trinity Radionics، يعني هذا ترتيب طبقات حلزونية متعددة وعلاقات طورية لإنشاء مجال بث مركز بأسلوب سكالاري.

والهدف هو بنية بث أقوى وأكثر تماسكًا للعمل بالراديونيك وبث النية.

أدوات التصميم والتطوير

جمعت عملية تصميم الهوائي بين الحسابات الرياضية ومفاهيم تصميم الترددات الراديوية وتطوير تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة والتجارب العملية.

• أُجريت حسابات الطيف الترددي باستخدام MATLAB.
• أُجريت حسابات النسبة الذهبية وقيم السعة المتناسبة باستخدام MATLAB.
• أُنجز تصميم لوحة الدوائر المطبوعة وتخطيط الثقوب البينية العمياء باستخدام Altium.
• أُنجزت الهندسة الحلزونية الأصلية باستخدام SolidWorks.
• حُسّن سلوك التصميم النهائي من خلال الاختبارات المادية والتقييم بأسلوب الراديونيك.

ملخص التقنية

يجمع الهوائي الحلزوني ذو المصفوفة الطورية بين:

• هندسة هوائي تعتمد على حلزون أرخميدس
• لوحة دوائر مطبوعة من أربع طبقات
• تخطيط حلزوني متعدد الأطوار
• تصميم جسر تغذية سعوي
• مكثفات عالية الجودة للترددات الراديوية أو من الميكا
• توليف يركز على نطاق من 5 MHz إلى 8 MHz
• مفاهيم التفاعل الطوري في المجال القريب
• تطبيقات كسطح للتحسس باللمس (stick pad) وجهاز بث للراديونيك

الاستخدام المقصود

هذا المفهوم للهوائي موجه إلى ممارسي الراديونيك وباحثي الطاقة الدقيقة والمهتمين بالهندسة الحلزونية وبُنى هوائيات المصفوفات الطورية والبث بأسلوب سكالاري والعمل الطاقي القائم على النية.

ويمكن استخدامه ضمن جهاز راديونيك، أو نظام هوائي خارجي، أو تجهيز يضم سطحًا للتحسس باللمس، أو منصة تجريبية لبث الطاقة الدقيقة.

أبحاث ومراجع مفاهيمية

استُخدمت الأبحاث والمراجع التالية كخلفية مفاهيمية أثناء تطوير الأسس التصميمية للهوائي الحلزوني ذي المصفوفة الطورية:

• 
  الموجات السكالارية: النظرية والتجارب
  
• 
  من التراكب الكلاسيكي للموجات إلى التداخل الكمي
  
• 
  تقليل الانعكاسات عند نهايات أذرع الهوائي الحلزوني
  
• 
  نهج منهجي لتحسين أداء الهوائي الحلزوني
  
• 
  مصفوفة هوائيات جديدة عريضة النطاق بهندسة حلزون أرخميدس معدّلة
  

تنبيه مهم

يُقدم محتوى Trinity Radionics عن الهوائيات لأغراض الراديونيك والاستخدام الرمزي والتعليم والممارسة الشخصية. هذه التصاميم للهوائيات ليست أجهزة طبية، ولا يُقصد بها تشخيص أي مرض أو علاجه أو الشفاء منه أو الوقاية منه. تُدرج المراجع العلمية والتقنية كخلفية مفاهيمية، ولا ينبغي تفسيرها على أنها إثبات سريري أو ضمان لآثار مادية.