تعتمد كفاءة الهوائي على الطاقة المُزوَّدة له والطاقة المُشعَّة منه. يُشعّ الهوائي عالي الكفاءة معظم الطاقة المُزوَّدة له، بينما يمتص الهوائي منخفض الكفاءة معظم الطاقة المفقودة داخله. وقد يُشعّ الهوائي منخفض الكفاءة أيضًا كمية كبيرة من الطاقة نتيجةً لعدم تطابق المعاوقة. لذا، قلّل الطاقة المُشعَّة للهوائي منخفض الكفاءة مقارنةً بالهوائي عالي الكفاءة.
[ملاحظة جانبية: تتم مناقشة معاوقة الهوائي في فصل لاحق. عدم تطابق المعاوقة هو الطاقة المنعكسة من الهوائي لأن المعاوقة قيمة غير صحيحة. لذلك، يُطلق على هذا اسم عدم تطابق المعاوقة.]
يُعدّ فقد التوصيل أحد أنواع الفقد داخل الهوائي، وينتج هذا الفقد عن الموصلية المحدودة للهوائي. أما الفقد العازل، فهو آلية أخرى للفقد، وينتج عن التوصيل في المادة العازلة. وقد توجد مادة عازلة داخل الهوائي أو حوله.
يمكن كتابة نسبة كفاءة الهوائي إلى القدرة المشعة على شكل القدرة الداخلة للهوائي. هذه هي المعادلة [1]. وتُعرف أيضًا بكفاءة الإشعاع وكفاءة الهوائي.
[المعادلة 1]
الكفاءة نسبة. هذه النسبة دائمًا ما تكون قيمة بين 0 و1. غالبًا ما تُعطى الكفاءة كنسبة مئوية. على سبيل المثال، كفاءة 0.5 تعادل 50%. كما تُقاس كفاءة الهوائي عادةً بالديسيبل (dB). كفاءة 0.1 تعادل 10%، أي ما يعادل -10 ديسيبل. كفاءة 0.5 تعادل 50%، أي ما يعادل -3 ديسيبل.
تُسمى المعادلة الأولى أحيانًا كفاءة إشعاع الهوائي، وهذا ما يميزها عن مصطلح آخر شائع الاستخدام يُسمى الفعالية الكلية للهوائي. الفعالية الكلية للهوائي هي حاصل ضرب كفاءة إشعاع الهوائي في فقد عدم تطابق المعاوقة. يحدث فقد عدم تطابق المعاوقة عندما يكون الهوائي متصلًا فعليًا بخط النقل أو جهاز الاستقبال. ويمكن تلخيص ذلك في الصيغة [2].
[المعادلة 2]
الصيغة [2]
تُعدّ خسائر عدم تطابق المعاوقة دائمًا قيمةً بين 0 و1. لذا، فإنّ كفاءة الهوائي الكلية تكون دائمًا أقل من كفاءة الإشعاع. وللتأكيد، في حال انعدام الخسائر، فإنّ كفاءة الإشعاع تُساوي كفاءة الهوائي الكلية الناتجة عن عدم تطابق المعاوقة.
يُعدّ تحسين الكفاءة أحد أهمّ معايير الهوائي. يمكن أن تقترب الكفاءة من 100% باستخدام طبق استقبال الأقمار الصناعية، أو هوائي بوقي، أو هوائي ثنائي القطب بنصف طول الموجة، دون وجود أيّ موادّ مُسبّبة للفقد حوله. تتراوح كفاءة هوائيات الهواتف المحمولة أو هوائيات الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية عادةً بين 20% و70%، أي ما يعادل -7 ديسيبل -1.5 ديسيبل. ويعود ذلك غالبًا إلى فقد الطاقة في الإلكترونيات والموادّ المحيطة بالهوائي، حيث تمتصّ هذه الموادّ جزءًا من الطاقة المُشعّة، مُحوّلةً إيّاها إلى طاقة حرارية، ممّا يُقلّل من كفاءة الهوائي. تعمل هوائيات راديو السيارات على ترددات راديو AM بكفاءة تبلغ 0.01 (أي 1% أو -20 ديسيبل). ويعود هذا الانخفاض في الكفاءة إلى أنّ حجم الهوائي أصغر من نصف طول الموجة عند تردد التشغيل، ممّا يُقلّل كفاءته بشكل كبير. وتُحافظ أبراج بثّ AM على استمرارية الاتصالات اللاسلكية بفضل استخدامها طاقة إرسال عالية جدًا.
تُناقش خسائر عدم تطابق المعاوقة في قسمي مخطط سميث ومطابقة المعاوقة. ويمكن لمطابقة المعاوقة أن تُحسّن كفاءة الهوائي بشكل كبير.
كسب الهوائي
يصف كسب الهوائي طويل الأمد مقدار الطاقة المنقولة في اتجاه ذروة الإشعاع، مقارنةً بمصدر متساوي الإشعاع. ويُذكر كسب الهوائي عادةً في ورقة مواصفات الهوائي. ويكتسب كسب الهوائي أهميةً لأنه يأخذ في الحسبان الخسائر الفعلية التي تحدث.
يعني الهوائي ذو كسب 3 ديسيبل أن الطاقة المستلمة منه أعلى بمقدار 3 ديسيبل مما لو تم استلامها من هوائي متساوي الإشعاع عديم الفقد بنفس طاقة الإدخال. ويعادل 3 ديسيبل ضعف طاقة المصدر.
يُناقش كسب الهوائي أحيانًا كدالة للاتجاه أو الزاوية. مع ذلك، عندما يُحدد الكسب برقم واحد، فإن هذا الرقم يُمثل ذروة الكسب لجميع الاتجاهات. يُمكن مقارنة "G" لكسب الهوائي بتوجيهية "D" للهوائيات المستقبلية.
[المعادلة 3]
يبلغ كسب الهوائي الحقيقي، الذي قد يصل إلى مستوى طبق استقبال فضائي كبير جدًا، 50 ديسيبل. أما التوجيهية، فقد تنخفض إلى 1.76 ديسيبل، كما هو الحال في الهوائيات الحقيقية (مثل هوائي ثنائي القطب قصير). ولا يمكن أن تقل التوجيهية عن 0 ديسيبل. مع ذلك، قد يكون كسب الهوائي الأقصى صغيرًا جدًا، ويعود ذلك إلى الفقد أو عدم الكفاءة. الهوائيات الصغيرة كهربائيًا هي هوائيات صغيرة نسبيًا تعمل عند طول موجة التردد الذي يعمل عنده الهوائي. وقد تكون الهوائيات الصغيرة غير فعالة للغاية، إذ غالبًا ما يكون كسب الهوائي أقل من -10 ديسيبل، حتى عند إهمال عدم تطابق المعاوقة.
تاريخ النشر: 16 نوفمبر 2023
