الكسب (الهوائي)

تتضمن هذه المقالة قائمة بالمراجع العامة ، لكنها تفتقر إلى الاستشهادات المضمنة الكافية . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة من خلال تقديم استشهادات أكثر دقة. ( سبتمبر 2009 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

في الكهرومغناطيسية ، يعتبر مكسب الهوائي معلمة أداء رئيسية تجمع بين اتجاهية الهوائي وكفاءة الإشعاع . وقد تم إيقاف استخدام مصطلح مكسب القدرة من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ^[1] في هوائي الإرسال، يصف المكسب مدى نجاح الهوائي في تحويل طاقة الإدخال إلى موجات راديو متجهة في اتجاه محدد. في هوائي الاستقبال، يصف المكسب مدى نجاح الهوائي في تحويل الموجات الراديوية القادمة من اتجاه محدد إلى طاقة كهربائية. عندما لا يتم تحديد أي اتجاه، يُفهم أن المكسب يشير إلى قيمة الذروة للمكسب، المكسب في اتجاه الفص الرئيسي للهوائي . يُطلق على رسم المكسب كدالة للاتجاه نمط الهوائي أو نمط الإشعاع . لا ينبغي الخلط بينه وبين الاتجاهية، التي لا تأخذ كفاءة إشعاع الهوائي في الاعتبار.

يُعرَّف المكسب أو "المكسب المطلق" بأنه "نسبة شدة الإشعاع في اتجاه معين إلى شدة الإشعاع التي ستنتج إذا تم إشعاع القدرة التي يقبلها الهوائي بشكل متساوي الخواص". ^[1] وعادةً ما يتم التعبير عن هذه النسبة بالديسيبل بالنسبة إلى مشع متساوي الخواص (dBi). يقارن التعريف البديل القدرة المستقبلة بالقدرة المستقبلة بواسطة هوائي ثنائي القطب نصف الموجة بدون خسارة ، وفي هذه الحالة تُكتب الوحدات على هيئة dBd . نظرًا لأن هوائي ثنائي القطب بدون خسارة له مكسب 2.15 dBi، فإن العلاقة بين هذه الوحدات هي . بالنسبة لتردد معين، تكون المساحة الفعالة للهوائي متناسبة مع المكسب. يتناسب الطول الفعال للهوائي مع الجذر التربيعي لمكسب الهوائي لتردد معين ومقاومة الإشعاع . وبسبب المعاملة بالمثل ، فإن مكسب أي هوائي عند الاستقبال يساوي مكسبه عند الإرسال. ${\displaystyle \mathrm {Gain(dBd)} \approx \mathrm {Gain(dBi)} -2.15}$

المكسب هو مقياس بدون وحدات يضاعف كفاءة إشعاع الهوائي واتجاهيته D : [ ^{1] [2] [3]}${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle G=\eta D}$

كفاءة الإشعاع للهوائي هي "نسبة إجمالي الطاقة التي يشعها الهوائي إلى الطاقة الصافية التي يستقبلها الهوائي من جهاز الإرسال المتصل." ^[1]${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \eta ={P_{R} \over P_{O}}}$

يتم تزويد هوائي الإرسال بالطاقة من خلال خط نقل يربط الهوائي بجهاز إرسال لاسلكي . الطاقة التي يستقبلها الهوائي هي الطاقة التي يتم تزويد أطراف الهوائي بها. يتم حساب الخسائر قبل أطراف الهوائي من خلال عوامل عدم تطابق المعاوقة المنفصلة والتي لا يتم تضمينها بالتالي في حساب كفاءة الإشعاع. ${\displaystyle P_{O}}$

يتم التعبير عن الأرقام المنشورة لمكسب الهوائي دائمًا تقريبًا بالديسيبل (dB)، وهو مقياس لوغاريتمي. من عامل المكسب G، نجد المكسب بالديسيبل على النحو التالي:

${\displaystyle G_{\text{dBi}}=10\log _{10}\left(G\right).}$

لذلك، يقال إن الهوائي الذي يتمتع بمكسب ذروة القدرة 5 يتمتع بمكسب 7 ديسيبل. يتم استخدام dBi بدلاً من dB فقط للتأكيد على أن هذا هو المكسب وفقًا للتعريف الأساسي، حيث تتم مقارنة الهوائي بمشع متساوي الخواص.

عندما يتم إجراء قياسات فعلية لمكسب الهوائي بواسطة مختبر، يتم قياس قوة مجال الهوائي الاختباري عند تزويده بقوة إرسال تبلغ 1 وات على مسافة معينة. تتم مقارنة قوة المجال هذه بقوة المجال التي تم العثور عليها باستخدام ما يسمى هوائي مرجعي على نفس المسافة يستقبل نفس القوة من أجل تحديد كسب الهوائي قيد الاختبار. ستكون هذه النسبة مساوية لـ G إذا كان الهوائي المرجعي مشعًا متساوي الخواص (IRAD).

ومع ذلك، لا يمكن بناء مشع متساوي الخواص حقيقي، لذا في الممارسة العملية يتم استخدام هوائي مختلف. غالبًا ما يكون هذا هوائيًا ثنائي القطب بنصف موجة، وهو هوائي مفهوم جيدًا وقابل للتكرار ويمكن بناؤه بسهولة لأي تردد. من المعروف أن المكسب التوجيهي لثنائي القطب بنصف الموجة بالنسبة للمشع متساوي الخواص هو 1.64 ويمكن جعله فعالًا بنسبة 100% تقريبًا. نظرًا لأن المكسب تم قياسه بالنسبة لهذا الهوائي المرجعي، فغالبًا ما تتم مقارنة الفرق في مكسب هوائي الاختبار بمكسب ثنائي القطب. وبالتالي غالبًا ما يتم الاستشهاد بالمكسب النسبي لثنائي القطب ويتم الإشارة إليه باستخدام dBd بدلاً من dBi لتجنب الارتباك. لذلك، من حيث المكسب الحقيقي (بالنسبة للمشع متساوي الخواص) G ، يتم إعطاء هذا الرقم للمكسب بواسطة:

${\displaystyle G_{\text{dBd}}\approx 10\log _{10}\left({\frac {G}{1.64}}\right).}$

على سبيل المثال، الهوائي أعلاه بمكسب G = 5 سيكون له مكسب بالنسبة إلى ثنائي القطب 5/1.64 ≈ 3.05، أو بالديسيبل يمكننا أن نسمي هذا 10 log(3.05) ≈ 4.84 dBd. بشكل عام:

${\displaystyle G_{\text{dBd}}\approx G_{\text{dBi}}-2.15\,{\text{dB}}}$

تُستخدم كل من dBi وdBd بشكل شائع. عندما يتم تحديد أقصى مكسب للهوائي بالديسيبل (على سبيل المثال، من قبل الشركة المصنعة)، يجب التأكد من ما إذا كان هذا يعني المكسب بالنسبة إلى مشع متساوي الخواص أو بالنسبة إلى ثنائي القطب. إذا تم تحديد dBi أو dBd، فلا يوجد غموض، ولكن إذا تم تحديد dB فقط، فيجب الرجوع إلى الطباعة الدقيقة. يمكن تحويل أي رقم بسهولة إلى الآخر باستخدام العلاقة أعلاه.

عند النظر في نمط اتجاه الهوائي، فإن المكسب بالنسبة إلى ثنائي القطب لا يعني مقارنة مكسب ذلك الهوائي في كل اتجاه بمكسب ثنائي القطب في ذلك الاتجاه. بل هو مقارنة بين مكسب الهوائي في كل اتجاه ومكسب الذروة لثنائي القطب (1.64). وبالتالي، في أي اتجاه، تكون هذه الأرقام أصغر بمقدار 2.15 ديسيبل من المكسب المعبر عنه بوحدة ديسيبل.

يتم حساب المكسب الجزئي باعتباره مكسبًا للقدرة، ولكن لاستقطاب معين . يتم تعريفه على أنه جزء من شدة الإشعاع يتوافق مع استقطاب معين، مقسومًا على شدة الإشعاع الكلية للهوائي المتساوي الخواص. ^[2]${\displaystyle U}$

يتم التعبير عن المكاسب الجزئية في المكونات و على النحو التالي${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle G_{\theta }=4\pi \left({\frac {U_{\theta }}{P_{\text{in}}}}\right)}$

و

${\displaystyle G_{\phi }=4\pi \left({\frac {U_{\phi }}{P_{\text{in}}}}\right)}$,

حيث و تمثل شدة الإشعاع في اتجاه معين محتواة في مكون المجال الخاص بهما. ${\displaystyle U_{\theta }}$${\displaystyle U_{\phi }}$${\displaystyle E}$

ونتيجة لهذا التعريف، يمكننا أن نستنتج أن المكسب الكلي للهوائي هو مجموع المكاسب الجزئية لأي استقطابين متعامدين.

${\displaystyle G=G_{\theta }+G_{\phi }}$

افترض أن الهوائي الخالي من الخسارة له نمط إشعاع يعطى بالعلاقة:

${\displaystyle U=B_{0}\,\sin ^{3}(\theta ).}$

دعونا نحدد مكسب هذا الهوائي. أولاً، نحدد شدة الإشعاع القصوى لهذا الهوائي:

${\displaystyle U_{\text{max}}=B_{0}}$

يمكن إيجاد إجمالي القدرة المشعة عن طريق التكامل في جميع الاتجاهات:

${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\text{rad}}&=\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{\pi }U(\theta ,\phi )\sin(\theta )\,d\theta \,d\phi =2\pi B_{0}\int _{0}^{\pi }\sin ^{4}(\theta )\,d\theta =B_{0}\left({\frac {3}{4}}\pi ^{2}\right)\\D&=4\pi \left({\frac {U_{\text{max}}}{P_{\text{rad}}}}\right)=4\pi \left[{\frac {B_{0}}{B_{0}\left({\frac {3}{4}}\pi ^{2}\right)}}\right]={\frac {16}{3\pi }}\approx 1.698\end{aligned}}}$

نظرًا لأن الهوائي محدد بأنه خالٍ من الخسارة، فإن كفاءة الإشعاع تساوي 1. وبالتالي فإن المكسب الأقصى يساوي:

${\displaystyle {\begin{aligned}G&=\eta D\approx (1)(1.698)=1.698\\G_{\text{dBi}}&\approx 10\,\log _{10}(1.698)\approx 2.30\,{\text{dBi}}\end{aligned}}}$

إذا عبرنا عن ذلك بالنسبة إلى مكسب ثنائي القطب نصف الموجة، فسنجد:

${\displaystyle G_{\text{dBd}}=10\,\log _{10}\left({\frac {1.698}{1.64}}\right)=0.15\,{\text{dBd}}}$.

على سبيل المثال، لنفترض وجود هوائي يشع موجة كهرومغناطيسية يكون مجالها الكهربائي ذو سعة على مسافة، وتعطى هذه السعة بالعلاقة: ${\displaystyle \ E_{\theta }\ }$${\displaystyle \ r\ .}$

${\displaystyle E_{\theta }={AI \over r}}$

أين:

• ${\displaystyle \ I\ }$هو التيار (بالأمبير) الذي يتم تغذيته للهوائي و
• ${\displaystyle \ A\ }$هو ثابت مميز (بالأوم) لكل هوائي.

بالنسبة لمسافة كبيرة يمكن اعتبار الموجة المشعة محليًا كموجة مستوية. شدة الموجة المستوية الكهرومغناطيسية هي: ${\displaystyle \ r\ .}$

${\displaystyle {P \over S}={c_{\circ }\varepsilon _{\circ } \over 2}{E_{\theta }}^{2}={1 \over 2}{{E_{\theta }}^{2} \over Z_{\circ }}\ }$

أين

${\displaystyle Z_{\circ }={\sqrt {{\mu _{\circ } \over \varepsilon _{\circ }}\ }}=376.730313461{\mathsf {\ \Omega \ }}}$هو ثابت عالمي يسمى معاوقة الفراغ .

و

${\displaystyle \left({P \over S}\right)_{\mathsf {ant}}={1 \over 2Z_{\circ }}{A^{2}I^{2} \over r^{2}}\ }$

إذا كان الجزء المقاوم من معاوقة الهوائي المتسلسلة هو القدرة المغذية للهوائي، فإن شدة الهوائي المتساوي الخواص هي القدرة المغذية مقسومة على سطح الكرة التي يبلغ نصف قطرها r : ${\displaystyle \ {R_{s}}\ ,}$${\displaystyle \scriptstyle {1 \over 2}{R_{s}I^{2}}\ .}$

${\displaystyle \left({P \over S}\right)_{\mathsf {iso}}={{1 \over 2}R_{s}I^{2} \over 4\pi r^{2}}\ }$

المكسب التوجيهي هو:

${\displaystyle G={\left[{1 \over 2Z_{\circ }}{A^{2}I^{2} \over r^{2}}\right] \over {\left[{\frac {{1 \over 2}R_{s}I^{2}}{4\pi r^{2}}}\right]}}\approx {A^{2} \over 30R_{s}}\ }$

بالنسبة لثنائي القطب نصف الموجي المستخدم بشكل شائع ، تعمل الصيغة الخاصة على ما يلي، بما في ذلك مكافئ الديسيبل الخاص به، والذي يتم التعبير عنه بـ dBi (ديسيبل تشير إلى المبرد المتساوي الخواص):

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\frac {\lambda }{2}}&=60\operatorname {Cin} (2\pi )=60\left[\ln(2\pi )+\gamma -\operatorname {Ci} (2\pi )\right]=120\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {\cos \left({\frac {\pi }{2}}\cos \theta \right)^{2}}{\sin \theta }}d\theta \ ,\\&=15\left[2\pi ^{2}-{\frac {1}{3}}\pi ^{4}+{\frac {4}{135}}\pi ^{6}-{\frac {1}{630}}\pi ^{8}+{\frac {4}{70875}}\pi ^{10}+\ldots +(-1)^{n+1}{\frac {(2\pi )^{2n}}{n(2n)!}}\right]\ ,\\&=73.12960\ldots {\mathsf {\;\Omega ;}}\end{aligned}}\ }$

(في معظم الحالات 73.130 ، هو مناسب)

${\displaystyle {\begin{aligned}G_{\frac {\lambda }{2}}&={\frac {60^{2}}{30R_{\frac {\lambda }{2}}}}={\frac {3600}{30R_{\frac {\lambda }{2}}}}={\frac {120}{R_{\frac {\lambda }{2}}}}={\frac {1}{{}^{\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {\cos \left({\frac {\pi }{2}}\cos \theta \right)^{2}}{\sin \theta }}d\theta }}}\ ,\\&\approx {\frac {120}{73.1296}}\approx 1.6409224\approx 2.15088\ {\mathsf {\ dBi}};\end{aligned}}}$

(وبالمثل، عادة ما تكون القيم المذكورة هي 1.64 و 2.15 ديسيبل )

في بعض الأحيان، يتم أخذ ثنائي القطب نصف الموجة كمرجع بدلاً من المبرد المتساوي الخواص. ثم يتم إعطاء المكسب بوحدة dBd (ديسيبل على ثنائي القطب):

0 ديسيبل = 2.15 ديسيبل

يختلف المكسب المحقق عن المكسب في أنه "يتقلص بسبب عامل عدم تطابق المعاوقة". ويؤدي عدم التطابق هذا إلى خسائر أعلى من الخسائر التبددية الموصوفة أعلاه؛ وبالتالي، فإن المكسب المحقق سيكون دائمًا أقل من المكسب. ويمكن التعبير عن المكسب كمكسب مطلق إذا كان هناك حاجة إلى مزيد من التوضيح للتمييز بينه وبين المكسب المحقق. ^[1]

إجمالي القدرة المشعة (TRP) هو مجموع كل القدرة الراديوية التي يشعها الهوائي عندما يتم تضمين القدرة المصدرية في القياس. يتم التعبير عن إجمالي القدرة المشعة بالواط أو التعبيرات اللوغاريتمية المقابلة، غالبًا dBm أو dBW. ^[4]

عند اختبار الأجهزة المحمولة، يمكن قياس TRP أثناء القرب من خسائر امتصاص الطاقة مثل جسم المستخدم ويده. ^[5]

يمكن استخدام TRP لتحديد فقدان الجسم (BoL). يتم اعتبار فقدان الجسم كنسبة TRP المقاسة في وجود الخسائر وTRP المقاسة أثناء وجودها في الفضاء الحر.

• هوائي
• خط توجيه الهوائي
• مساحة الهوائي الفعالة
• قياس الهوائي
• قلبي الشكل

• نظرية الهوائي (الطبعة الثالثة)، بقلم سي بالانيس، وايلي، 2005، ISBN 0-471-66782-X 
• هوائي لجميع التطبيقات (الطبعة الثالثة)، بقلم جون د. كراوس، رونالد ج. مارهيفكا، 2002، ISBN 0-07-232103-2 

 تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعامة من المعيار الفيدرالي 1037C. إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل في 22 يناير 2022. (دعمًا لـ MIL-STD-188 ).