رئيسي

الفتحة الفعالة للهوائي

المعلمة المفيدة لحساب قدرة استقبال الهوائي هيمنطقة فعالةأوفتحة فعالة.افترض أن موجة مستوية لها نفس استقطاب هوائي الاستقبال تسقط على الهوائي.لنفترض كذلك أن الموجة تسير نحو الهوائي في اتجاه أقصى إشعاع للهوائي (الاتجاه الذي سيتم استقبال معظم الطاقة منه).

ثمفتحة فعالةتصف المعلمة مقدار الطاقة التي يتم التقاطها من موجة مستوية معينة.يتركpتكون كثافة قدرة الموجة المستوية (W/m^2).لوP_tتمثل الطاقة (بالواط) عند أطراف الهوائيات المتاحة لمستقبل الهوائي، إذن:

2

وبالتالي، فإن المنطقة الفعالة تمثل ببساطة مقدار الطاقة التي يتم التقاطها من الموجة المستوية والتي يتم توصيلها بواسطة الهوائي.وتؤثر هذه المنطقة في الخسائر المتأصلة في الهوائي (الخسائر الأومية، والخسائر العازلة، وما إلى ذلك).

وتعطى العلاقة العامة للفتحة الفعالة بدلالة كسب الهوائي الأقصى (G) لأي هوائي بالمعادلة التالية:

3

يمكن قياس الفتحة الفعالة أو المساحة الفعالة على هوائيات فعلية بالمقارنة مع هوائي معروف بفتحة فعالة معينة، أو عن طريق الحساب باستخدام الكسب المقاس والمعادلة المذكورة أعلاه.

ستكون الفتحة الفعالة مفهومًا مفيدًا لحساب القدرة المستقبلة من موجة مستوية.لرؤية ذلك عمليًا، انتقل إلى القسم التالي الخاص بصيغة نقل فريس.

معادلة انتقال فريس

في هذه الصفحة، نقدم إحدى المعادلات الأساسية في نظرية الهوائي، وهيمعادلة انتقال فريس.تُستخدم معادلة الإرسال Friis لحساب القدرة المستقبلة من هوائي واحد (مع كسبG1)، عند الإرسال من هوائي آخر (مع كسبG2) متباعدةR، وتعمل على الترددfأو الطول الموجي لامدا.هذه الصفحة تستحق القراءة عدة مرات ويجب فهمها بالكامل.

اشتقاق صيغة انتقال فريس

للبدء في اشتقاق معادلة فريس، ضع في اعتبارك هوائيين في مساحة حرة (لا توجد عوائق قريبة) تفصل بينهما مسافةR:

4

افترض أنه يتم تسليم () واط من إجمالي الطاقة إلى هوائي الإرسال.في الوقت الحالي، افترض أن هوائي الإرسال شامل الاتجاهات، وغير مفقود، وأن هوائي الاستقبال موجود في المجال البعيد لهوائي الإرسال.ثم كثافة الطاقةp(بالواط لكل متر مربع) من الموجة المستوية الساقطة على هوائي الاستقبال على مسافةRمن هوائي الإرسال يعطى بواسطة:

41bd284bf819e176ae631950cd267f7

الشكل 1. هوائيات الإرسال (Tx) والاستقبال (Rx) مفصولةR.

5

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

2
6

يؤثر مصطلح الكسب في اتجاهية وخسائر الهوائي الحقيقي.افترض الآن أن هوائي الاستقبال له فتحة فعالة تعطى بواسطة().ثم يتم إعطاء القدرة التي يستقبلها هذا الهوائي ( ) بواسطة:

4
3
7

نظرًا لأنه يمكن أيضًا التعبير عن الفتحة الفعالة لأي هوائي على النحو التالي:

8

يمكن كتابة الطاقة المستقبلة الناتجة على النحو التالي:

9

المعادلة1

يُعرف هذا بصيغة نقل فريس.وهو يربط خسارة المسير في الفضاء الحر وكسب الهوائي وطول الموجة بقدرات الاستقبال والإرسال.هذه إحدى المعادلات الأساسية في نظرية الهوائي، ويجب أن نتذكرها (وكذلك الاشتقاق أعلاه).

ويرد شكل آخر مفيد لمعادلة انتقال فريس في المعادلة [2].نظرًا لأن الطول الموجي والتردد f مرتبطان بسرعة الضوء c (انظر مقدمة صفحة التردد)، فلدينا صيغة نقل Friis من حيث التردد:

10

المعادلة2

توضح المعادلة [2] أن المزيد من الطاقة تُفقد عند الترددات الأعلى.هذه نتيجة أساسية لمعادلة انتقال فريس.وهذا يعني أنه بالنسبة للهوائيات ذات المكاسب المحددة، سيكون نقل الطاقة أعلى عند الترددات المنخفضة.يُعرف الفرق بين القدرة المستقبلة والقدرة المرسلة بخسارة المسار.وبطريقة مختلفة، تقول معادلة نقل فريس أن خسارة المسار تكون أعلى بالنسبة للترددات الأعلى.لا يمكن المبالغة في أهمية هذه النتيجة من صيغة نقل فريس.ولهذا السبب تعمل الهواتف المحمولة عمومًا بتردد أقل من 2 جيجا هرتز.قد يكون هناك المزيد من طيف الترددات المتاحة عند الترددات الأعلى، ولكن فقدان المسار المرتبط لن يتيح استقبالًا عالي الجودة.كنتيجة أخرى لمعادلة الإرسال Friss، لنفترض أنه تم سؤالك عن هوائيات 60 جيجا هرتز.مع ملاحظة أن هذا التردد مرتفع جدًا، قد تقول إن فقدان المسار سيكون مرتفعًا جدًا بالنسبة للاتصالات طويلة المدى - وأنت على حق تمامًا.عند الترددات العالية جدًا (يُشار إلى 60 جيجاهرتز أحيانًا باسم منطقة مم (الموجة المليمترية)) يكون فقدان المسار مرتفعًا جدًا، لذلك لا يمكن الاتصال إلا من نقطة إلى نقطة.يحدث هذا عندما يكون جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال في نفس الغرفة، ويواجهان بعضهما البعض.كنتيجة إضافية لصيغة نقل Friis، هل تعتقد أن مشغلي الهاتف المحمول سعداء بنطاق LTE (4G) الجديد، الذي يعمل بسرعة 700 ميجاهرتز؟الجواب هو نعم: هذا تردد أقل من التردد الذي تعمل به الهوائيات تقليدياً، ولكن من المعادلة [2]، نلاحظ أن خسارة المسار ستكون أقل أيضاً.ومن ثم، يمكنهم "تغطية المزيد من المساحة" باستخدام طيف التردد هذا، وقد أطلق أحد المسؤولين التنفيذيين في Verizon Wireless مؤخرًا على هذا "الطيف عالي الجودة"، لهذا السبب تحديدًا.ملاحظة جانبية: من ناحية أخرى، سيتعين على صانعي الهواتف المحمولة تركيب هوائي بطول موجي أكبر في جهاز صغير الحجم (تردد أقل = طول موجي أكبر)، وبالتالي أصبحت مهمة مصمم الهوائي أكثر تعقيدًا بعض الشيء!

وأخيراً، إذا لم تكن الهوائيات متطابقة مع الاستقطاب، فيمكن مضاعفة القدرة المستقبلة المذكورة أعلاه بعامل فقدان الاستقطاب (PLF) لمراعاة عدم التطابق هذا بشكل صحيح.يمكن تغيير المعادلة [2] أعلاه لإنتاج صيغة نقل فريس المعممة، والتي تتضمن عدم تطابق الاستقطاب:

11

المعادلة3


وقت النشر: 08 يناير 2024

الحصول على ورقة بيانات المنتج