بهره آنتن: تفاوت میان نسخه‌ها

محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
تصحیح فنی و نوشتاری بخشی از مقدمه، و حذف مطالب بی‌سر و ته از آن.
تصحیح فنی و نوشتاری متن.
خط ۱:
در [[الکترومغناطیس]]، '''بهرهٔ توان آنتن''' (English: Antenna Power Gain)، یا ساده‌تر،''' بهرۀ آنتن،''' یکی از ویژگی‌های اساسی آنتن است است که کارایی آن را از نظر تبدیل سیگنالتوان الکتریکی ورودی آنتن به امواج الکترومغناطیسی و انتشار آنها در جهتی مشخص در فضا (در حالت فرستندگی) یا برعکس (در حالت گیرندگی) نشان می‌دهد. وقتی جهت مشخصی ذکر نشده، بهرۀ آنتن به بیشترین مقدار آن اشاره می‌کند، و زمانی که بهره آنتن به صورت تابعی از جهت انتشار در فضا بیان شود، الگوی تشعشعی آنتن ([[الگوی تشعشعی|پترن آنتن]]) به دست می‌آید.
 
بهرهٔ آنتن این گونه تعریف می‌گردد:نسبت نیرویبیشترین تولیدشدهتوان توسطمنتشرشدۀ آنتن(امواج از منبعالکترومغناطیسی) [[میدان دور]] بر روی محور آنتن به نیرویتوان تولیدمنتشرشدۀ شده توسط ''[[آنتن ایزو ترو پیکی|آنتن ایزوتروپیکِ]]'' فرضیبی‌اتلاف بدون(که اتلافبنابه کهتعریف، بهدر [[سیگنال]]‌هایهمه حاصلجهت‌ها، ازیکسان همهٔتشعشع می‌کند)، بهرۀ آنتن مسیرهاحساسنام می‌باشددارد. معمولآاینمعمولا این نسبت بهبر صورتحسب دسی بل[[دسی‌بل]] بیان می‌گرددشده، واینبه واحدها با عنوانصورت "''دسیدسی‌بل بل _ایزوتروپیکایزوتروپیک''" (dbidBi)شناخته می‌شوندنشان داده‌می‌شود. در تعریف دیگر ایناگر آنتن با نیروی دریافت شده از طریق [[آنتن دو قطبی|آنتن دوقطبی]] نیمنیم‌موج موج بدون اتلافبی‌اتلاف مقایسه می‌گرددشود، کهواحد دربهرۀ این مورد،واحدهاآنتن به صورت ''dBd'' نوشته می‌شوندمی‌شود. از آنجاییآنجا که در یکبهرهٔ آنتن دودوقطبیِ قطبیبی‌اتلاف بدون اتلاف دارای بهرهٔبرابر 2.15dbi15 dbi است، رابطهٔ بین این واحدها به این صورت استمی‌شود: ''بهره درdBd'' = ''بهره در dBi'' - 2.15 dB
در مورد یک فرکانس مشخص،منطقه مؤثر آنتن متناسب با ریشهٔ دوم بهر هٔ آنتن برای یک فرکانس ویژه و مقاومت تشعشعی می‌باشد. به دلیل حالت تقابلی،بهرهٔ هر آنتن در زمان دریافت معادل با بهرهٔ آن در زمان ارسال است.
 
<math>\textrm{dBd} = \textrm{dBi}-21.5</math>‌
بهرهٔ جهت دار یا جهت‌گیری یک معیار متفاوت است که کارایی الکتریکی آنتن را پوشش ''نمی‌دهد''. این عبارت گاهی اوقات در مورد آنتن گیرنده مناسب تراست زمانی که توانایی آنتن برای دریافت سیگنال هااز یک مسیر مد نظراست در حالی که سیگنال‌های مداخله گر یک مسیر متفاوت پذیرفته نمی‌شوند.
 
در مورد یک فرکانس مشخص،منطقهمشخص، منطقه مؤثر آنتن متناسب با ریشهٔ دوم بهر هٔبهرهٔ آنتن برای یکدر فرکانس ویژه و مقاومت تشعشعی می‌باشداست. به دلیل حالتقضیه تقابلی،بهرهٔتقابل هریا آنتن[[دوگانی در(مهندسی زمانبرق)|دوگانی]] دریافت(English: معادلDuality) بادر آنتن‌ها، بهرهٔ آنآنتن در زمانفرستندگی و گیرندگی، ارسالیکسان است.
== بهرهٔ نیرو ==
 
'''بهرهٔ نیرو''' (یا''' بهره''') یک معیار بدون واحد است که کارایی آنتن ''E<sub>antenna</sub>''را با جهت‌گیری ''D''ترکیب می‌کند :
بهرهٔ جهت دارجهت‌دار یا جهت‌گیریجهت‌داری آنتن یک معیار متفاوت است که کارایی الکتریکی آنتن را پوشش ''نمی‌دهد''. این عبارت گاهی اوقات در مورد آنتن گیرنده مناسب تراست زمانی که توانایی آنتن برای دریافت سیگنال هااز یک مسیر مد نظراست در حالی که سیگنال‌های مداخله گر یک مسیر متفاوت پذیرفته نمی‌شوند.
 
== بهرهٔ نیروتوان ==
'''بهرهٔ نیروتوان''' (یا''' بهره''') یک معیارکمیّت بدون واحد است که رابطۀ کارایی آنتن ''E<sub>antenna</sub>'' را با جهت‌گیریجهت‌داری ''D''ترکیب می‌کندنشان می‌دهد:
 
:<math>G = E_{antenna} \cdot D</math>
 
بهره در زمان ملاحظهٔ بهرهٔ نیرو برای یک مسیرجهت خاص که از طریق ارتفاعمشخص <math>\theta</math> و [[آزیموت]] <math>\phi</math>، در مختصات کروی، عبارت است از:
نشان داده شده‌است:
 
:<math>G(\theta,\phi) = E_{antenna} \cdot D(\theta,\phi)</math>
 
<math>D(\theta,\phi)</math> '' بهرهٔ جهت دار''است. بهرهٔ جهت دار نسبت نیرویتوان تشعشعی در یک مسیر مشخص را به نیرویتوان [[متشعشع ساز ایزوتروپیکی]] نشان می‌دهد که مقدار کلی'' نیرویتوان الکتریکی ''دریافت شده از طریق آنتن را متشعشع می‌سازد. این بهره بر خلاف بهرهٔ جهت داری است که هر گونه کاهش کارایی را نادیده می‌گیرد. اگر فقط بخش خاصی از نیرویتوان الکتریکی دریافت شده از فرستنده توسط آنتن متشعشع گردد (یعنی کارایی کمتر از %۱۰۰)،بهرهٔ جهت دار$2، نیرویتوان متشعشع شده در یک مسیرخاص را با نیرویتوان کاهش یافته مقایسه می‌کند واز نا کار آمدی صرف نظر می‌شود. از طرف دیگر،بهرهٔ نیروتوان کارایی ضعیف تر را از طریق مقایسهٔ نیرویتوان متشعشع شده در یک مسیر مشخص با نیرویتوان واقعی که آنتن از فرستنده دریافت می‌کند پوشش می‌دهد وبنابراین این یک رقم مفید تر برای توانایی فرستنده در ارسال موج رادیویی به سمت گیرنده می‌باشد.
 
''[[شدت تشعشع]]'' <math>U</math>نیرویتوان تشعشع یافته را در در هر زاویه بیان می‌کند. در خصوص <math>U</math>،بهرهٔ نیروتوان در یک مسیر مشخص را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:
 
:<math>G = \frac{U}{P_{in} / 4\pi}</math>
 
در اینجا''P<sub>in</sub>''نشان داده دهندهٔ نیرویتوان الکتریکی ''خالص '' است که وارد تر مینال‌های آنتن می‌گردد. توجه داشته باشید که در مورد [[عدم تطابق امپدانس]] ,''P<sub>in</sub>'به صورت نیرویتوان لاین ارسال منهای نیرویتوان منعکس شده محاسبه می‌گردد. یا اینکه$2، در خصوص RMSولتاژ''V''در ترمینال‌های آنتن،رابطهٔ زیر وجود دارد:''
 
:<math>P_{in} = V^2 \cdot Re \left\lbrace \frac{1}{Z_{in}} \right\rbrace</math>
سطر ۲۸ ⟵ ۳۰:
که در این جا ''Z<sub>in</sub>'' [[امپدانس فید پونیت]] می‌باشد.
 
== ارقام استفاده شده براینمایش بهرهٔ نیروتوان ==
ارقام منتشر شده برای بهرهٔ آنتن تقریباً همیشه بهبر صورتحسب [[دسی بل|دسی‌بل]] (DB) بیان می‌شوندمی‌شود که یک مقیاس لگاریتمی است. براساس فاکتور بهرهٔ GمیG می توان بهره را به صورت دسی بل مشاهده کرد:
:<math>G_{dBi} = 10 \cdot \log_{10}\left(G\right)</math>
 
بنابراین،یک آنتن با بهرهٔ نیرویتوان پیک ۵ دارای بهرهٔ 7 dBiمی‌باشد. "dbi""db"برای تاکید بر این مسئله استفاده می‌گردد که معادل با بهره بر اساس تعریف اصلی می‌باشد که در این تعریف،آنتن با متشعشع ساز ایزوتروپیک مقایسه می‌گردد.
در زمانی که سنجش‌های واقعی بهرهٔ آنتن در آزمایشگاه انجام می‌گیرد قدرت میدانی آنتن تست در زمانی اندازه‌گیری می‌شود که در یک مسافت خاص قرار دارد. این قدرت میدانی با قدرت میدانی ''آنتن مرجع'' در همان مسافت که همان نیروراتوانرا دریافت می‌کند مقایسه می‌شود. برای اینکه بهرهٔ آنتن تست مشخص گردد$2، اگر آنتن مرجع یک متشعشع ساز ایزوتروپیک باشد این نسبت معادل Gاست.
 
اما ساخت متشعشع ساز ایزوتروپیک امکان‌پذیر نمی‌باشد،بنابراین عملاً یک آنتن متفاوت استفاده می‌شود. غالباً این آنتن یک آنتن دو قطبی نیم موج است که قابل تکرار و قابل فهم است و به راحتی با هر فرکانسی ساخته می‌شود. بهرهٔ جهت دارد وقطبی نیم موج ۱٫۶۴ است وکارایی آن تقریباً ۱۰۰٪ می‌باشد. از آنجایی که بهره با توجه به این آنتن مرجع اندازه‌گیری شده است تفاوت بهرهٔ آنتن تست غالباً باً بهرهٔ آنتن دو قطبی" مقایسه می‌گردد؛ بنابراین غالبااز عبارت بهره نسبت به دو قطبی وعلامت "dBd"به جای "dBi"برای اجتناب از سردرگمی استفاده می‌شود؛ بنابراین در خصوص بهرهٔ حقیقی (نسبت به متشعشع ساز ایزو ترو پیکی)G،رقم بهره به صورت زیر به دست می‌آید:
سطر ۴۶ ⟵ ۴۸:
 
== بهرهٔ نسبی ==
بهرهٔ نسبی به صورت بهرهٔ نیرومحاسبهتوان محاسبه می‌گردد اما مرتبط با یک [[پلاریزاسیون]] ویژه می‌باشد.
این بهره به صورت بخشی از [[شدت تشعشع]] <math>U</math> که منطبق با پلاریزاسیون خاصی است تقسیم بر شدت تشعشع کلی آنتن ایزو تروپیک محاسبه می‌شود.
 
سطر ۵۹ ⟵ ۶۱:
:<math>G = G_{\theta} + G_{\phi}</math>
 
== محاسبهٔ مثال ==
فرض کنید که آنتن پر اتلاف دارای یک [[الگوی تشعشعی]] استیک کهآنتن بااتلاف از طریق رابطهٔ زیر نشانبه دادهدست می‌شودمی‌آید:
 
:<math>U = B_0\,\sin^3(\theta)</math>
 
بنابراین حداکثر توان تشعشعی این آنتن عبارتست از:
اجازه دهیدما بهرهٔ چنین آنتنی را به دست آوریم.
 
'''راه حل''':
 
در ابتدا شدت پیک تشعشع این آنتن را می‌یابیم:
 
:<math> U_{\mathrm{max}} = B_0</math>
 
نیرویتوان متشعشعکل شده یکلیتشعشع‌شده را می‌توان با انتگرال درگرفتن روی همهٔ مسیرهاجهت‌ها به دست آورد:
 
:<math>P_{\mathrm{rad}} = \int_0^{2\pi}\int_0^{\pi}U(\theta,\phi)\sin(\theta) \, d\theta \,d\phi = 2 \pi B_0 \int_0^{\pi}\sin^4(\theta) \, d\theta = B_0\left(\frac{3\pi^2}{4} \right)</math>
سطر ۷۸ ⟵ ۷۶:
:<math>D = 4\pi\left(\frac{U_{\mathrm{max}}}{P_{\mathrm{rad}}}\right) = 4\pi\left[\frac{B_0}{B_0\left(\frac{3\pi^2}{4}\right)}\right] = \frac{16}{3\pi} = 1.698</math>
 
ازآنجااز ییآنجا که این آنتنآنتن، بهبی‌اتلاف عنواناست، آنتنراندمان بدونتشعشعی اتلاف شناخته می‌شود کارایی تشعشعآن برابر با ۱ است. ماکزیممحداکثر بهره عبارت است از:
 
:<math>G = E_{antenna} \, D = (1)(1.698) = 1.698</math>.
سطر ۸۴ ⟵ ۸۲:
:<math>G_{dBi} = 10 \, \log_{10}(1.698) = 2.30 \, \mathrm{dBi}</math>
 
در زمانی کهاگر بهره نسبت به بهرهٔ یک دو قطبیدوقطبی بیان می‌شود رابطهٔ زیر را می‌یابیمشود:
 
:<math>G_{dBd} = 10 \, \log_{10}(1.698/1.64) = 0.15 \, \mathrm{dBd}</math>.
 
== نیرویتوان تشعشعی کلیکل ==
نیرویتوان کلیتشعشعی متشعشعکل، ساز،اندازهٔاندازهٔ بهرهٔ آنتن با اثرات جذب نیروتوان ویا بدون اثرات جذب نیروتوان است که اتلاف ممکن است حاصل از اشیای مجاور آنتن باشد.TRPدر آزمایشگاه به صورت نیرویتوان متشعشع شده در مقایسه با آنتن ایزوترو پیک سنجیده می‌شود.
TRPرا می‌توان اندازه‌گیری کرد در حالی که در مجاورت جذب نیرو،اتلاف‌هاییتوان،اتلاف‌هایی رخ می‌دهد که حاصل از بدنهٔ دستگاه متحرک کار بر تست می‌باشد.<ref name="Ref_a">Mobile Broadband Multimedia Networks: Techniques, Models and Tools for 4G by Luís M. Correia</ref>
 
TRPرا می‌توان برای تعیین اتلاف بدنه (BoL)استفاده کرد. اتلاف بدنه به عنوان نسبت TRPاندازه‌گیری شده با وجود اتلاف وTRPاندازه‌گیری شده در فضای باز است.