ما هي الفتحة الفعالة للهوائي؟
الالفتحة الفعالة للهوائيويسمى أيضًاالمنطقة الفعالة (Aeيصف هذا مدى فعالية هوائي الاستقبال في التقاط الطاقة من الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة. وهو يمثل مساحة استقبال مكافئة، وليس بالضرورة الفتحة المادية للهوائي.
بالنسبة للموجة المستوية المتوافقة مع الاستقطاب والتي تصل من اتجاه الاستقبال الأقصى، فإن الفتحة الفعالة تربط كثافة الطاقة الساقطة بالطاقة المتاحة عند أطراف الهوائي.
If Sكثافة القدرة الساقطة بوحدة واط/متر مربع2وPrإذا كانت الطاقة المستلمة المتاحة بالواط، فإن:
Pr= جنوب أفريقياe
تجمع الفتحة الفعالة الأكبر طاقة أكبر من نفس المجال الساقط، بشرط أن يكون اتجاه الوصول والاستقطاب متوافقين.
تُراعي الفتحة الفعّالة كفاءة الإشعاع وفقدان الطاقة في الهوائي، بما في ذلك فقدان الطاقة في الموصل والعازل. ولذلك، فهي تقيس أداء الاستقبال الفعلي وليس الحجم المادي فقط. ويمكن أن تؤدي كفاءة الفتحة، وعدم تطابق المعاوقة، وعدم تطابق الاستقطاب إلى تقليل الطاقة المُوَصَّلة إلى جهاز الاستقبال.
صيغة الفتحة الفعالة وكسب الهوائي
ترتبط أقصى فتحة فعالة لأي هوائي بكسبهGوالطول الموجيλبواسطة:
Ae= Gλ2/(4π)
استخدم الكسب كنسبة خطية، وليس كنسبة ديسيبل، في هذه المعادلة. حوّل الكسب باستخدامG = 10G(dBi)/10لأن الطول الموجي يساويج/ف، تقل الفتحة الفعالة مع زيادة التردد عندما يكون الكسب ثابتًا.
في المقابل، يمكن للهوائيات ذات الفتحة الفيزيائية نفسها أن تحقق كسبًا أعلى عند أطوال موجية أقصر عندما تظل كفاءة الفتحة متقاربة. تساعد هذه العلاقة المهندسين على مقارنة قدرة الاستقبال عبر الترددات المختلفة.
كيف يتم تحديد الفتحة الفعالة؟
يمكن حساب الفتحة الفعالة من الكسب المقاس، الذي يُحدد بالمقارنة مع هوائي مرجعي، أو يُستنتج من قياسات قدرة الاستقبال المعايرة. وتُعد النتيجة مفيدة في حسابات ميزانية الوصلات، وقياسات الهوائيات، وتقديرات حساسية النظام.
لتطبيقات القياس، استكشف تقنية RF MISOهوائيات بوقية ذات كسب قياسيوالتي توفر كسبًا معروفًا على نطاقات تردد محددة.
استخدام الفتحة الفعالة في معادلة فريس للنقل
المعادلة انتقال فريسيربط هذا النظام بين القدرة المرسلة، وكسب الهوائي، والطول الموجي، ومسافة الفصل في وصلة المجال البعيد في الفضاء الحر. وذلك لكسب جهاز الإرسال.Gtكسب جهاز الاستقبالGr، الطول الموجيλوالمسافةR، فهو يقدر الطاقة المتاحة عند هوائي الاستقبال.
استخدامPr= جنوب أفريقياeيجعل دور فتحة الاستقبال الفعالة واضحًا: يقوم هوائي الإرسال بتحديد كثافة الطاقة عند جهاز الاستقبال، ويقوم هوائي الاستقبال بتحويل جزء من هذا المجال إلى طاقة طرفية.
اشتقاق صيغة نقل الحركة من فريس
لنفترض وجود هوائيين يفصل بينهما مسافةRفي فضاء حر غير معاق. يجب أن يكون هوائي الاستقبال في المجال البعيد لجهاز الإرسال، ويجب أن تكون الهوائيات متوازية في الاتجاه والاستقطاب.
If Ptعند توصيل الطاقة بالواط إلى هوائي إرسال مثالي متساوي الإشعاع، تنتشر الطاقة على سطح كرة. على مسافةR، كثافة الطاقة الساقطة هي:
الشكل 1. هوائيات الإرسال (Tx) والاستقبال (Rx) مفصولة بـR.
هوائي إرسال عملي ذو كسبGtباتجاه جهاز الاستقبال، تزداد كثافة الطاقة الساقطة بمعامل الكسب هذا:
إذا كان للهوائي المستقبل فتحة فعالةAe، الطاقة المستلمة المتاحة هي كثافة الطاقة الساقطة مضروبة فيAe:
وباستبدال علاقة الكسب بالفتحة لهوائي الاستقبال، نحصل على:
وبالتالي، يمكن كتابة القدرة المستلمة بالشكل المألوف في الفضاء الحر:
المعادلة 1.معادلة انتقال فريس من حيث الطول الموجي.
المعادلة 1يرتبط هذا النموذج بقدرة الإرسال، وكسب الهوائي، والطول الموجي، ومسافة الفصل. وهو صالح لانتشار الموجات في الفضاء الحر بخط رؤية مباشر في المجال البعيد. تتطلب الأنظمة الحقيقية بنودًا إضافية لفقدان الإشارة في الكابل، وفقدان الإشارة في الموصل، وخطأ التوجيه، والتوهين الجوي، وغيرها من تأثيرات الانتشار.
الصيغة الترددية لمعادلة فريس
لأنλ = c/fويمكن أيضاً التعبير عن المعادلة بدلالة التردد:
المعادلة 2.معادلة فريس لنقل الطاقة بدلالة التردد.
كيف يؤثر التردد على الطاقة المستقبلة
عند ثبات كسب الهوائي والمسافة، تتوقع معادلة فريس انخفاض القدرة المستقبلة مع زيادة التردد لأن الطول الموجي يصبح أقصر. تفترض هذه المقارنة ثبات قيم الكسب عند كل تردد.
أما بالنسبة للهوائيات ذات الفتحة الفيزيائية الثابتة، فإن الكسب يزداد عمومًا مع انخفاض الطول الموجي. ولذلك، يمكن لوصلات الترددات العالية وموجات المليمتر أن تحقق أداءً قويًا باستخدام هوائيات موجهة ذات كسب عالٍ، شريطة أن تأخذ ميزانية الوصلة في الاعتبار دقة التوجيه، وامتصاص الغلاف الجوي، والأمطار، وفقدان الطاقة في الأجهزة.
استخدم معادلة فريس كمرجع للفضاء الحر بدلاً من نموذج انتشار كامل. فهي تفترض التشغيل في المجال البعيد، وخط رؤية غير معاق، وهوائيات محاذية بشكل صحيح.
عدم تطابق الاستقطاب
إذا لم تكن هوائيات الإرسال والاستقبال متطابقة الاستقطاب، فاضرب القدرة المُستقبلة المثالية في عامل فقد الاستقطاب (PLF). بالنسبة لمتجهات الاستقطاب المُعَيَّرة، يتراوح عامل فقد الاستقطاب بين 0 و1؛ حيث تمثل القيمة 1 تطابقًا تامًا. يتضمن الشكل العام أدناه حد عدم التطابق هذا.
المعادلة 3.معادلة فريس المعممة لنقل الطاقة بما في ذلك عدم تطابق الاستقطاب.
أهم النقاط
- تقوم الفتحة الفعالة بتحويل كثافة الطاقة الساقطة إلى طاقة مستقبلة متاحة.
- من أجل الربحGوالطول الموجيλ, Ae= Gλ2/(4π).
- استخدم الكسب الخطي، وليس dBi، في حسابات الفتحة و Friis.
- ينطبق مبدأ فريس على روابط الفضاء الحر بعيدة المدى وذات خط البصر؛ وتتطلب ميزانيات الربط العملية خسائر إضافية.
يوفر RF MISOهوائيات بوقية ذات كسب قياسيوغيرها من حلول هوائيات الترددات الراديوية للقياس والمعايرة وتكامل الأنظمة.اتصل بـ RF MISOلمناقشة نطاق التردد، والكسب، ومتطلبات الواجهة.
بريد إلكتروني:info@rf-miso.com
رقم الهاتف: 0086-028-82695327
تاريخ النشر: 8 يناير 2024
