يُعتبر قياس كسب الهوائي جانباً مهماً من جوانب قياس الهوائي، والسبب في ذلك هو أنّ كسب الهوائي له دوراً مهماً للغاية في التنبؤ بأداء الهوائي، ولهذا السبب من الضروري قياس كسب الهوائي، كما أنّ قياس الهوائي يتم لاختبار أداء نظام الهوائي، حيث في قياس الممانعة كان هناك طريقتين منفصلتين حيث يمكن تحديد مقاومة الهوائي، وفي مقابل قياس مخطط الإشعاع تُقاس خصائص إشعاع الهوائي.
ما هو كسب الهوائي Antenna Gain؟
كسب الهوائي “Antenna Gain”: هو معلمة أساسية للهوائي، حيث إنّه يتوافق مع قدرة الهوائي على توجيه القدرة المشعة للهوائي في اتجاه معين أو استقبال القدرة الواردة بكفاءة من اتجاه معين كما تُعرَّف بأنّها نسبة شدة الإشعاع القصوى لهوائي الاختبار إلى تلك الخاصة بالهوائي المرجعي، حيث تكون قدرة الدخل متساوية.
في المعاوقة وكذلك قياس الإشعاع، يتم النظر في هوائي اختبار وهوائي مصدر أي الهوائي المرجعي كما يمكن اعتبار أي من الاثنين هوائي إرسال أو استقبال لغرض القياس.
Gain = Max Radiation intensity (test Antenna ) / Max radiation intensity (reference Antenna )
وهذا يعني أنّه لتحديد الكسب تتم مقارنة الهوائي الفعلي أو الاختبار مع الهوائي المرجعي، ومع ذلك إذا أخذنا في الاعتبار اتجاهية الهوائي، فسيتم تعريفها على أنّها أقصى كثافة إشعاع لمتوسط شدة الإشعاع لهوائي متناحي مثالي.
Directivity = Max Radiation intensity /avg Radiation intensity
وبالتالي في قياس الاتجاهية، لا تؤخذ المقارنة بين هوائيين في الاعتبار، وكما أنّ كسب الهوائي فيما يتعلق بهوائي الخواص:
G 0= α D
حيث أنّ “G 0” تدل على كسب هوائي فيما يتعلق بهوائي متناحٍ، ويمثل “D” الاتجاهية و”α” هو ثابت يوضح نسبة الفعالية التي تقع قيمتها بين “0” و”1″، كما تجدر الإشارة هنا إلى أنّه في الهوائيات عالية التردد تُعتبر الخسائر ضئيلة، وبالتالي فهي تمتلك كفاءة بنسبة “100%”، وبالتالي تكون قيمة “α = 1” وبالتالي فإنّ قيمة الكسب المقاس تكاد تكون مكافئة للاتجاهية.
طرق قياس كسب الهوائي:
لتحديد كسب الهوائي الفعلي يلزم إجراء مقارنة من الهوائي المرجعي، لذلك هناك طرق مختلفة يمكن من خلالها قياس كسب الهوائي، ومع ذلك يتم تصنيف استخدام الأساليب على أساس تكرار العملية حيث أنّه إذا كان الهوائي يعمل فوق “1 جيجاهرتز”، فإنّ كسبه يقاس بنطاقات المساحة الحرة.
أمّا عند الترددات المنخفضة ونظراً لأنّ الطول الموجي أطول، فلن يكون من السهل تحقيق ظروف المساحة الحرة وبالتالي، يتم استخدام نطاقات انعكاس الأرض بين “0.1 جيجاهرتز ” إلى “1 جيجاهرتز” لذلك ووفقاً لهذين النطاقين المحددين، هناك طريقتان قياسيتان مستخدمتان لقياس كسب الهوائي وهي:
أولاً: كسب التحويل أو طريقة المقارنة المباشرة:
من أجل قياس الكسب، يتم إجراء مقارنة بين هوائيين، وبالتالي يتم استخدام تقنية المقارنة المباشرة حيث في طريقة قياس الكسب هذه، تتم المقارنة بين شدة إشارة هوائي الكسب غير المعروف وهوائي الكسب القياسي، كما يمثل الشكل التالي قياس الكسب عن طريق المقارنة:
بشكل أساسي، هوائي الكسب القياسي هو الهوائي الكسب المعروف، حيث يُشكل الهوائي القياسي وهوائي الاختبار معاً ترتيباً للهوائي الأولي، أمّا في حين أنّ الهوائي الثانوي في الترتيب هو مجرد هوائي إرسال تعسفي مع كسب غير معروف، كما يظهر هذا بوضوح في الشكل أعلاه، كما أنّه يتم الحفاظ على مسافة كبيرة بين الهوائي القياسي وهوائي الاختبار؛ لتجنب فرص الاقتران أو أي نوع من التفاعل وبشكل عام يتم استخدام هوائي البوق الكهرومغناطيسي كهوائي كسب قياسي.
إنّ متطلبات المسافة للترتيب تكون مثل “r≥2d 2 /λ”، لذلك يجب الحفاظ على المسافة بين الهوائي الأولي والثانوي بشكل صحيح، ونظراً لأنّ الهوائيات القياسية وهوائيات الاختبار تعمل كوحدة، وبالتالي فهي تتوافق بشكل مناسب مع الحمل، حيث يتم وضع حشوة “pad” مخففة عند دخل المستقبِل، كما أنّه أثناء القياس بأكمله، يجب ألّا يكون هناك تذبذب في تردد القدرة المشعة تجاه الهوائي الأولي، لذلك لضمان ذلك يتم استخدام جهاز بيان مستوى الطاقة أو جسر الطاقة في جهاز الإرسال.
كيفية تحديد الكسب غير المعروف من خلال طريقة المقارنة المباشرة:
في البداية، يتم توصيل الهوائي القياسي بكسب معروف بالمستقبل باستخدام المفتاح “S”، ويتم توجيهه نحو اتجاه شدة الإشارة القصوى لهوائي الإرسال، أي هوائي ثانوي، ومع الإدخال المطبق بشكل صحيح على الهوائي الثانوي، يتم تسجيل قراءة جهاز الاستقبال، وإلى جانب ذلك تمت الإشارة أيضاً إلى قراءة قرص المخفف “W 1” وجسر الطاقة “P 1”.
بعد ذلك تمت إزالة المفتاح من الهوائي القياسي وبمساعدة نفس اتصال المحول الخاص بهوائي الاختبار يتم باستخدام جهاز الاستقبال، وعلاوةً على ذلك يتم تعديل قراءة قرص المخفف للحصول على نفس القراءة على جهاز الاستقبال، كما كانت في حالة الهوائي القياسي،و اجعل إعداد الاتصال الهاتفي هو “W 2” وقراءة جسر الطاقة هي “P 2″، لذلك على هذا الأساس ستكون هناك حالتان، الحالة الأولى إذا كانت “P 1 = P 2″، فسيكون كسب هوائي الاختبار:
Gp = W2/W1
أمّا بالديسبل:
Gp (db) = W2 (db) – W1 (db)
أمّا الحالة الثانية، إذا كانت “P 1≠P 2″، فسيكون كسب القدرة الفعلي لهوائي الاختبار هو نتاج “G p” و”P “1 / P 2، لذا فإنّ:
P = P1 / P2
10Log P1/P2 =P(db)
أمّا اكتساب القوة هو:
G = Gp * P1/P2
وعند استبدال قيمة “G p”، يكون:
G = (W2/W1) *(P1/P2)
G = Gp*P
أمّا بالديسبل:
G (db) = Gp (db) +P (db)
G () = W2 (db) – W 1 (db) +P (db)
وهذا هو كسب هوائي الاختبار، وبهذه الطريقة يتم تحديد كسب الهوائي بطريقة المقارنة.
ثانياً: طريقة الكسب المطلق:
إنّ هوائي الكسب القياسي هو الذي يكون كسبه معروفاً بالفعل أو تمت معايرته، ومع ذلك يمكن معايرة الكسب باستخدام هوائيين أو ثلاثة هوائيات عشوائية، حيث يمثل الشكل التالي ترتيباً لهوائيين متطابقين لقياس الكسب المطلق:
افترض أنّ الهوائيين “الإرسال والاستقبال” مفصولان على مسافة “r”، حيث تمثل “P t” و”P r” القدرة المرسلة والمستقبلة على التوالي، بينما “A et” و”A er” هما الفتحتان الفعالتان لهوائيات الإرسال والاستقبال، حيث أنّ الهوائيين متطابقان، لذلك فإنّ:
A et = A er = G0 λ ^2/ 4 π
وبواسطة معادلة انتقال فريس يكون:
P r /P t = ((A et A er) / (λ ^2* r ^ 2) ) = (G0 λ ^2/ 4 π) ( G0 λ ^2/ 4 π) *(1/ (λ ^2* r ^ 2))
P r /P t = ( G0 λ / 4 π r)^ 2
√ (P r /P t) = G0 λ / 4 π r
G0 = (4 π r / λ) √ (P r /P t)
بينما إذا أخذنا في الاعتبار تأثير الأشعة المباشرة وغير المباشرة في حالة انعكاس الأرض، يكون:
G0 = (4 π r / λF) √ (P r /P t)
حيث أنّ “F” هو ثابت الانتشار بسبب التداخل، ومن المعادلة أعلاه يتضح أنّ القدرة التي يرسلها المرسل ويستقبلها المستقبل تقاس، وبعد ذلك بالنسبة للقيمة المعروفة لمسافة الفصل وطول الموجة، يمكن تحديد كسب أي من الهوائيين، ومن ثم بهذه الطريقة باستخدام أي من الطرق المذكورة أعلاه، يمكن قياس كسب الهوائي.
ملاحظة: في الأساس، في نطاق المساحة الحرة يتم قمع المساهمات من البيئة المحيطة للنظام بينما تولد نطاقات الانعكاس تداخلاً بناءً في منطقة الهوائي العملي.
