رئيسي

الفتحة الفعالة للهوائي

المعلمة المفيدة لحساب قدرة الاستقبال للهوائي هيالمنطقة الفعالةأوفتحة فعالةافترض أن موجة مستوية لها نفس استقطاب هوائي الاستقبال تسقط على الهوائي. افترض أيضًا أن الموجة تتجه نحو الهوائي في اتجاه الإشعاع الأقصى (الاتجاه الذي تُستقبل منه أكبر طاقة).

ثمفتحة فعالةيصف المعامل مقدار الطاقة الملتقطة من موجة مستوية معينة. دعpتكون كثافة القدرة للموجة المستوية (بالواط/م^2). إذاب_تيمثل القدرة (بالواط) عند أطراف الهوائي المتاحة لجهاز استقبال الهوائي، ثم:

2

وبالتالي، تُمثل المساحة الفعالة ببساطة مقدار الطاقة التي يلتقطها الهوائي من الموجة المستوية وينقلها. تأخذ هذه المساحة في الاعتبار الخسائر الجوهرية للهوائي (الخسائر الأومية، والخسائر العازلة، إلخ).

العلاقة العامة للفتحة الفعالة من حيث مكسب الهوائي الأقصى (G) لأي هوائي تعطى بواسطة:

3

يمكن قياس الفتحة الفعالة أو المساحة الفعالة على الهوائيات الفعلية بالمقارنة مع هوائي معروف بفتحة فعالة معينة، أو عن طريق الحساب باستخدام المكسب المقاس والمعادلة أعلاه.

ستكون الفتحة الفعالة مفهومًا مفيدًا لحساب القدرة المستقبلة من موجة مستوية. للاطلاع على ذلك عمليًا، انتقل إلى القسم التالي من صيغة انتقال فريس.

معادلة انتقال فريس

في هذه الصفحة، نقدم إحدى المعادلات الأكثر أساسية في نظرية الهوائي، وهيمعادلة انتقال فريس. يتم استخدام معادلة إرسال فريس لحساب الطاقة المستقبلة من هوائي واحد (مع كسبG1)، عند الإرسال من هوائي آخر (مع كسبG2)، مفصولة بمسافةR، وتعمل على الترددfأو طول موجة لامدا. هذه الصفحة تستحق القراءة عدة مرات، ويجب فهمها جيدًا.

اشتقاق صيغة انتقال فريس

لبدء اشتقاق معادلة فريس، ضع في اعتبارك هوائيين في مساحة حرة (لا توجد عوائق قريبة) مفصولين بمسافةR:

4

افترض أن هوائي الإرسال يتلقى طاقة إجمالية قدرها () واط. في هذه الحالة، افترض أن هوائي الإرسال متعدد الاتجاهات، بلا ضياعات، وأن هوائي الاستقبال يقع في المجال البعيد لهوائي الإرسال. عندئذٍ، تكون كثافة الطاقةp(بالواط لكل متر مربع) من الموجة المستوية الساقطة على هوائي الاستقبال على مسافةRمن هوائي الإرسال يتم إعطاؤه بواسطة:

41bd284bf819e176ae631950cd267f7

الشكل 1. هوائيات الإرسال (Tx) والاستقبال (Rx) مفصولة بـR.

5

إذا كان هوائي الإرسال له كسب هوائي في اتجاه هوائي الاستقبال المعطى بواسطة ( )، فإن معادلة كثافة القدرة أعلاه تصبح:

2
6

يؤثر مصطلح الكسب على اتجاهية الهوائي الحقيقي وخسائره. افترض الآن أن لهوائي الاستقبال فتحة فعالة تُعطى بالمعادلة:( ). ثم يتم إعطاء القدرة التي يستقبلها هذا الهوائي ( ) بواسطة:

4
3
7

نظرًا لأن الفتحة الفعالة لأي هوائي يمكن التعبير عنها أيضًا على النحو التالي:

8

يمكن كتابة القدرة المستقبلة الناتجة على النحو التالي:

9

المعادلة 1

تُعرف هذه الصيغة باسم صيغة فريس لنقل البيانات. وهي تربط خسارة مسار الفضاء الحر، ومكاسب الهوائي، وطول الموجة بقدرتي الاستقبال والإرسال. تُعد هذه الصيغة إحدى المعادلات الأساسية في نظرية الهوائيات، ويجب تذكرها (بالإضافة إلى الاشتقاق أعلاه).

تُعطى صيغة مفيدة أخرى لمعادلة انتقال فريس في المعادلة [2]. بما أن الطول الموجي والتردد f مرتبطان بسرعة الضوء c (انظر مقدمة صفحة التردد)، فلدينا صيغة انتقال فريس من حيث التردد:

10

المعادلة 2

تُظهر المعادلة [2] أنه يتم فقد المزيد من الطاقة عند الترددات الأعلى. هذه نتيجة أساسية لمعادلة نقل فريس. هذا يعني أنه بالنسبة للهوائيات ذات المكاسب المحددة، سيكون نقل الطاقة أعلى عند الترددات المنخفضة. يُعرف الفرق بين الطاقة المستقبلة والطاقة المرسلة باسم فقدان المسار. بمعنى آخر، تقول معادلة نقل فريس أن فقدان المسار يكون أعلى للترددات الأعلى. لا يمكن المبالغة في أهمية هذه النتيجة من صيغة نقل فريس. هذا هو السبب في أن الهواتف المحمولة تعمل عمومًا بتردد أقل من 2 جيجاهرتز. قد يتوفر المزيد من طيف التردد عند الترددات الأعلى، لكن فقدان المسار المرتبط به لن يتيح استقبالًا عالي الجودة. كنتيجة أخرى لمعادلة نقل فريس، افترض أنك سُئلت عن هوائيات 60 جيجاهرتز. مع ملاحظة أن هذا التردد مرتفع جدًا، فقد تقول إن فقدان المسار سيكون مرتفعًا جدًا بالنسبة للاتصالات طويلة المدى - وأنت على حق تمامًا. عند الترددات العالية جدًا (يُشار أحيانًا إلى 60 جيجاهرتز بمنطقة الموجة المليمترية)، يكون فقدان المسار مرتفعًا جدًا، لذا لا يُمكن الاتصال إلا من نقطة إلى نقطة. يحدث هذا عندما يكون جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال في نفس الغرفة، متقابلين. وكنتيجة إضافية لمعادلة فريس للإرسال، هل تعتقد أن مشغلي الهواتف المحمولة راضون عن نطاق LTE (4G) الجديد، الذي يعمل بتردد 700 ميجاهرتز؟ الإجابة هي نعم: هذا تردد أقل من التردد الذي تعمل به الهوائيات التقليدية، ولكن من المعادلة [2]، نلاحظ أن فقدان المسار سيكون أقل أيضًا. وبالتالي، يمكنهم "تغطية مساحة أكبر" باستخدام هذا الطيف الترددي، وقد أطلق عليه أحد المسؤولين التنفيذيين في شركة فيريزون وايرلس مؤخرًا اسم "الطيف عالي الجودة"، ولهذا السبب تحديدًا. ملاحظة جانبية: من ناحية أخرى، سيتعين على مصنعي الهواتف المحمولة تركيب هوائي بطول موجي أكبر في جهاز صغير الحجم (تردد أقل = طول موجي أكبر)، مما يجعل مهمة مصمم الهوائي أكثر تعقيدًا!

أخيرًا، إذا لم تكن الهوائيات متطابقة الاستقطاب، يُمكن ضرب القدرة المُستقبَلة المذكورة أعلاه بعامل فقدان الاستقطاب (PLF) لمعالجة هذا التفاوت بشكل صحيح. يُمكن تعديل المعادلة [2] أعلاه لإنتاج صيغة فريس لنقل الإشارة مُعمَّمة، والتي تتضمن عدم تطابق الاستقطاب:

11

المعادلة 3


وقت النشر: ٨ يناير ٢٠٢٤

احصل على ورقة بيانات المنتج