نمط الإشعاع

نمط إشعاع الهوائي (أو نمط الهوائي أو نمط المجال البعيد ) هو التغير الاتجاهي (الزاوي) لشدة المجال (وأحيانًا طور ) الموجات الراديوية الصادرة من الهوائي أو مصدر آخر. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

في مجالات الألياف البصرية والليزر والبصريات المتكاملة ، يُستخدم مصطلح "نمط الإشعاع" أحيانًا كمرادف لـ" نمط المجال القريب" أو "نمط فرينل" . ^{[ 4 ]} ويشير هذا إلى اعتماد المجال الكهرومغناطيسي على موقعه في منطقة المجال القريب ، أو منطقة فرينل، للمصدر. ويُعرَّف نمط المجال القريب عادةً على سطح مستوٍ موضوع أمام المصدر، أو على سطح أسطواني أو كروي يحيط به. ^{[ 1 ] [ 4 ]}

يمكن تحديد نمط المجال البعيد للهوائي تجريبيًا عند مدى الهوائي ، أو بدلاً من ذلك، يمكن إيجاد نمط المجال القريب باستخدام ماسح المجال القريب ، ثم استنتاج نمط الإشعاع منه حسابيًا. ^{[ 1 ]} كما يمكن حساب نمط إشعاع المجال البعيد من شكل الهوائي بواسطة برامج حاسوبية مثل NEC . ويمكن لبرامج أخرى، مثل HFSS، حساب المجال القريب أيضًا.

يمكن تمثيل نمط الإشعاع في المجال البعيد بيانيًا كرسم بياني لأحد المتغيرات المرتبطة، مثل شدة الإشعاع عند نصف قطر ثابت (كبير) ( نمط السعة أو نمط المجال )، والقدرة لكل وحدة زاوية مجسمة ( نمط القدرة )، وكسب التوجيه ( نمط الكسب ). في كثير من الأحيان، يُرسم فقط السعة النسبية، مُقاسة إما بالنسبة إلى السعة على محور الهوائي ، أو بالنسبة إلى إجمالي القدرة المُشعّة. يمكن عرض الكمية المرسومة على مقياس خطي، أو بوحدة ديسيبل . يُعرض الرسم البياني عادةً كرسم ثلاثي الأبعاد (كما هو موضح على اليمين)، أو كرسوم بيانية منفصلة في المستوى الرأسي والمستوى الأفقي . يُعرف هذا غالبًا باسم المخطط القطبي .

من الخصائص الأساسية للهوائيات أن نمط الاستقبال (الحساسية كدالة للاتجاه) للهوائي عند استخدامه للاستقبال يتطابق مع نمط الإشعاع في المجال البعيد للهوائي عند استخدامه للإرسال . هذه نتيجة لنظرية التبادلية في الكهرومغناطيسية، وسيتم إثباتها لاحقًا. لذلك، عند مناقشة أنماط الإشعاع، يمكن اعتبار الهوائي إما مُرسِلًا أو مُستقبِلًا، أيهما أنسب.

هناك حدود لمبدأ التبادلية: فهو ينطبق فقط على عناصر الهوائيات السلبية ، أما الهوائيات النشطة التي تتضمن مضخمات أو مكونات أخرى تعمل بالطاقة بشكل منفصل فلا تخضع لمبدأ التبادلية. وحتى عندما يكون الهوائي مصنوعًا بالكامل من عناصر سلبية، فإن التبادلية تنطبق فقط على الموجات المنبعثة والمستقبلة بواسطة الهوائي. ولا تنطبق التبادلية على توزيع التيار في أجزاء الهوائي المختلفة الناتج عن الموجات المستقبلة، ولا على التيارات التي تُنتج الموجات المنبعثة: إذ تختلف خصائص تيار الهوائي عادةً بين الاستقبال والإرسال، على الرغم من أن الموجات في المجال البعيد تشع للداخل والخارج على طول المسار نفسه، وبنمط عام متطابق، ولكن باتجاه معاكس.

بما أن الإشعاع الكهرومغناطيسي هو إشعاع ثنائي القطب ، فليس من الممكن بناء هوائي يشع بشكل متماسك ومتساوٍ في جميع الاتجاهات، على الرغم من استخدام مثل هذا الهوائي المتساوي الخواص الافتراضي كمرجع لحساب كسب الهوائي .

تتكون أبسط أنواع الهوائيات، وهي الهوائيات أحادية القطب وثنائية القطب ، من قضيب معدني مستقيم واحد أو اثنين على طول محور مشترك. تتميز هذه الهوائيات المتناظرة محوريًا بأنماط إشعاع متناظرة مماثلة، تُسمى أنماط الإشعاع الشامل ؛ حيث تشع طاقة متساوية في جميع الاتجاهات العمودية على الهوائي، وتتغير الطاقة فقط بتغير الزاوية مع المحور، لتنعدم عند محور الهوائي. يوضح هذا المبدأ العام القائل بأنه إذا كان شكل الهوائي متناظرًا، فسيكون نمط إشعاعه متناظرًا بنفس القدر.

في معظم الهوائيات، تتداخل الإشعاعات الصادرة من أجزائها المختلفة عند زوايا معينة؛ ويمكن اعتبار نمط إشعاع الهوائي نمط تداخل . ينتج عن ذلك إشعاع أدنى أو معدوم عند زوايا محددة حيث تصل الموجات الراديوية من الأجزاء المختلفة خارج الطور ، وقيم عظمى محلية للإشعاع عند زوايا أخرى حيث تصل الموجات الراديوية متوافقة الطور . لذلك، يُظهر مخطط إشعاع معظم الهوائيات نمطًا من القيم العظمى يُسمى " الفصوص " عند زوايا مختلفة، تفصل بينها " نقاط انعدام " حيث ينعدم الإشعاع. كلما زاد حجم الهوائي مقارنةً بالطول الموجي، زاد عدد الفصوص.

في الهوائي الاتجاهي الذي يهدف إلى بث الموجات الراديوية في اتجاه محدد، يُصمم الهوائي بحيث يُشع معظم طاقته في الفص الموجه نحو هذا الاتجاه. ولذلك، يظهر هذا الفص في مخطط الإشعاع أكبر من غيره، ويُسمى " الفص الرئيسي ". يُسمى محور الإشعاع الأقصى، الذي يمر بمركز الفص الرئيسي، " محور الشعاع " أو " محور التوجيه ". في بعض الهوائيات، مثل هوائيات الشعاع المنقسم، قد يوجد أكثر من فص رئيسي. تُسمى الفصوص الأخرى المجاورة للفص الرئيسي، والتي تمثل إشعاعًا غير مرغوب فيه في اتجاهات أخرى، "الفصوص الثانوية". تُسمى الفصوص الثانوية الموجهة بزاوية بالنسبة للفص الرئيسي " الفصوص الجانبية ". أما الفص الثانوي في الاتجاه المعاكس (180 درجة) للفص الرئيسي فيُسمى " الفص الخلفي ".

تمثل الفصوص الثانوية عادةً إشعاعًا في اتجاهات غير مرغوب فيها، لذا فإن الهدف التصميمي الرئيسي في الهوائيات الاتجاهية هو تقليل هذه الفصوص. وتُعد الفصوص الجانبية عادةً أكبر الفصوص الثانوية. ويُعبّر عن مستوى الفصوص الثانوية عادةً كنسبة بين كثافة الطاقة في الفص المعني وكثافة الطاقة في الفص الرئيسي. وتُسمى هذه النسبة غالبًا بنسبة الفصوص الجانبية أو مستوى الفصوص الجانبية.  ولا يُفضّل عادةً أن تكون مستويات الفصوص الجانبية -20 ديسيبل أو أعلى في العديد من التطبيقات.  ويتطلب الوصول إلى مستوى فصوص جانبية أقل من -30 ديسيبل تصميمًا وبناءً دقيقين للغاية. في معظم أنظمة الرادار، على سبيل المثال، تُعد نسب الفصوص الجانبية المنخفضة بالغة الأهمية لتقليل الإشارات الخاطئة للأهداف عبر الفصوص الجانبية.

للاطلاع على برهان كامل، يُرجى مراجعة مقال التبادلية (الكهرومغناطيسية) . نقدم هنا برهانًا بسيطًا شائعًا يقتصر على تقريب هوائيين يفصل بينهما مسافة كبيرة مقارنةً بحجم الهوائي، في وسط متجانس. الهوائي الأول هو هوائي الاختبار الذي سيتم دراسة أنماطه؛ وهو حر في التوجيه في أي اتجاه. أما الهوائي الثاني فهو هوائي مرجعي، موجه بشكل ثابت نحو الهوائي الأول.

يتم توصيل كل هوائي بالتناوب بجهاز إرسال ذي مقاومة مصدر معينة، وجهاز استقبال له نفس مقاومة الإدخال (قد تختلف المقاومة بين الهوائيين).

يُفترض أن الهوائيين متباعدان بما يكفي بحيث لا تتأثر خصائص هوائي الإرسال بالحمل الواقع عليه من هوائي الاستقبال. وبناءً على ذلك، يمكن التعبير عن مقدار الطاقة المنقولة من المرسل إلى المستقبل كحاصل ضرب عاملين مستقلين؛ أحدهما يعتمد على الخصائص الاتجاهية لهوائي الإرسال، والآخر يعتمد على الخصائص الاتجاهية لهوائي الاستقبال.

بالنسبة لهوائي الإرسال، بحسب تعريف الكسب،${\displaystyle G}$كثافة قدرة الإشعاع على مسافة معينة${\displaystyle r}$من الهوائي (أي الطاقة التي تمر عبر وحدة المساحة) هي

${\displaystyle \mathrm {W} (\theta ,\Phi )={\frac {\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$.

هنا، الزوايا${\displaystyle \theta }$و${\displaystyle \Phi }$يشير ذلك إلى اعتماد على اتجاه الهوائي، و${\displaystyle P_{t}}$يمثل هذا الرقم القدرة التي سيوفرها جهاز الإرسال لحمل متطابق.${\displaystyle G}$يمكن تقسيمها إلى ثلاثة عوامل: كسب الهوائي (إعادة توزيع الطاقة اتجاهيًا)، وكفاءة الإشعاع (مع مراعاة الفقد الأومي في الهوائي)، وأخيرًا الفقد الناتج عن عدم التوافق بين الهوائي وجهاز الإرسال. من الناحية الدقيقة، لتضمين عدم التوافق، ينبغي تسميته الكسب المحقق ، ^{[ 4 ]} ولكن هذا ليس الاستخدام الشائع.

بالنسبة لهوائي الاستقبال، فإن الطاقة التي يتم توصيلها إلى جهاز الاستقبال هي

${\displaystyle P_{r}=\mathrm {A} (\theta ,\Phi )W\,}$.

هنا${\displaystyle W}$تمثل كثافة القدرة للإشعاع الساقط، و${\displaystyle A}$يمثل هذا فتحة الهوائي أو مساحته الفعالة (المساحة التي يحتاجها الهوائي لاستقبال الطاقة الملتقطة). أما الوسائط الاتجاهية فهي نسبية إلى هوائي الاستقبال، ومرة ​​أخرى${\displaystyle A}$يشمل ذلك الخسائر الأومية وخسائر عدم التطابق.

بجمع هذه التعبيرات معًا، تكون الطاقة المنقولة من المرسل إلى المستقبل هي

${\displaystyle P_{r}=A{\frac {G}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$،

أين${\displaystyle G}$و${\displaystyle A}$هي خصائص تعتمد على الاتجاه لهوائيات الإرسال والاستقبال على التوالي. بالنسبة للإرسال من الهوائي المرجعي (2) إلى هوائي الاختبار (1)، أي

${\displaystyle P_{1r}=\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi ){\frac {G_{2}}{4\pi r^{2}}}P_{2t}}$،

وللنقل في الاتجاه المعاكس

${\displaystyle P_{2r}=A_{2}{\frac {\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{1t}}$.

هنا، المكسب${\displaystyle G_{2}}$والمساحة الفعالة${\displaystyle A_{2}}$يتم تثبيت الهوائي 2، لأن اتجاه هذا الهوائي ثابت بالنسبة للهوائي الأول.

أما بالنسبة لتوزيع معين للهوائيات، فإن نظرية التبادلية تتطلب أن يكون نقل الطاقة فعالاً بنفس القدر في كل اتجاه، أي

${\displaystyle {\frac {P_{1r}}{P_{2t}}}={\frac {P_{2r}}{P_{1t}}}}$،

ومن ثم

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}={\frac {A_{2}}{G_{2}}}}$.

لكن الجانب الأيمن من هذه المعادلة ثابت (لأن اتجاه الهوائي 2 ثابت)، وبالتالي

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}=\mathrm {constant} }$،

أي أن اعتماد فتحة الاستقبال الفعالة وكسب الإرسال على الاتجاه متطابق (كما هو موضح في البرهان الكمي). علاوة على ذلك، فإن ثابت التناسب هو نفسه بغض النظر عن طبيعة الهوائي، وبالتالي يجب أن يكون نفسه لجميع الهوائيات. يُظهر تحليل هوائي معين (مثل ثنائي قطب هرتزي ) أن هذا الثابت هو${\displaystyle {\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}}$، أين${\displaystyle \lambda }$يمثل الطول الموجي في الفضاء الحر. وبالتالي، بالنسبة لأي هوائي، يرتبط الكسب والفتحة الفعالة بالعلاقة التالية:

${\displaystyle \mathrm {A} (\theta ,\Phi )={\frac {\lambda ^{2}\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi }}}$.

حتى بالنسبة لهوائي الاستقبال، من الشائع ذكر الكسب بدلاً من تحديد الفتحة الفعالة. ولذلك، تُكتب القدرة المُسلّمة إلى جهاز الاستقبال عادةً على النحو التالي:

${\displaystyle P_{r}={\frac {\lambda ^{2}G_{r}G_{t}}{(4\pi r)^{2}}}P_{t}}$

(انظر ميزانية الربط ). ومع ذلك، فإن الفتحة الفعالة مهمة للمقارنة مع الحجم المادي الفعلي للهوائي.

• نمذجة الهوائيات
• المستوى E والمستوى H
• الانتشار الرأسي والأفقي (انتشار الموجات الراديوية)

 تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022. (دعماً لـ MIL-STD-188 ).

• فهم واستخدام أنماط إشعاع الهوائيات، بقلم جوزيف هـ. ريزرت
• شرح مصطلح " عرض الحزمة ثنائي الاتجاه "