DB & DBi

 

سميت الوحدة ديسيبل (dB) على شرف الكسندر جراهام بيل. وهي تمثل التقاط الهوائي أو أي نظام لاسلكي آخر. ديسيبل له العديد من الاختلافات ، مثل dB ، ديسيبل ميلي واط (dBm) ، (dB dipole) ، dBi تستخدم الوحدة في الغالب في مجال الهوائيات والصوتيات والإلكترونيات. تظهر الفرق بين مستويين من الإشارات وعادة ما يستخدم لتحديد الكسب. يمكن أن يكون الديسيبل مناسبًا تمامًا عند التعامل مع نقاط قوة إشارة كبيرة جدًا أو صغيرة نظرًا لأنه يمثل أعدادًا صحيحة باستخدام مقياس لوغاريتمي. سبب آخر لاستخدام الديسيبل على نطاق واسع في علم الصوت هو أن الأذن البشرية تستجيب لوغاريتميًا لقوة الصوت.

لفهم dBi من الضروري معرفة مفهوم الخواص وهوائيات التوجيه. الهوائي الخواص هو هوائي له مخطط إشعاع موحد في جميع الاتجاهات. إنه هوائي نظري يستخدم لتقدير المدى ، وإجراء تحليل الخبو ، والتمييز بين الإشعاع وخصائص الاتجاهية المختلفة للهوائيات. كسب هوائي هو 0 dBi، مما يعني أن هوائي ثنائي القطب له كسب  2.14 dB  أكثر من 0 dBi الخاصة بالهوائي.هوائي ثنائي القطب له 2.14 dB كسب أكثر من 0 dBi.

إذا تم إعطاء كسب هوائي بوحدة dBd، فهذا يعني أن النسبة هنا مأخوذة فيما يتعلق بهوائي ثنائي القطب مع كسب 2.15 dB. لترجمته إلي dBi، أضف 2.15 معها. صيغ مبسطة لتحويلات الـ dB هي: dBd = dBi – 2.14

ستبقى القدرة المرسلة للهوائي الخواص في أي اتجاه كما هي. من ناحية أخرى ، سيكون للهوائي الاتجاهي قوة إشارة متفاوتة في اتجاهات مختلفة. مثال شائع جدًا على شئ يشع في جميع الاتجاهات هو الشمس. يُعرَّف كسب الهوائي بأنه أقصى إشعاع للهوائي مقسومًا على إشعاع هوائي متناظر مثالي. يمكن للهوائيات الاتجاهية أن تزيد من قدرة الإشارة في اتجاه واحد ، لكن إجمالي قدرة الإشارة المشعة لا يمكن أن تتجاوز الهوائي المتناظر. من حيث dB ، سيكون كسب الهوائي الاتجاهي موجبًا في اتجاه معين ولكنه سالب في اتجاهات أخرى ، بمتوسط ​​قدرة كلية أقل من هوائي متناظر مثالي.

استقطاب الهوائي العمودي والأفقي

الاستقطاب هو معلمة هوائي محدد باستقطاب الموجة المشعة. استقطاب المجال الكهرومغناطيسي تمليه حجم واتجاه نواقل المجال(E و H)وعلاقتهم بالزمن. مع تغير الطاقة المشعة حول الهوائي، يتغير الاستقطاب أيضًا في اتجاهات مختلفة من مركز الهوائي.

وفقًا لاتجاه شكل الموجة ، يتكون الاستقطاب من ثلاثة أنواع: خطي ودائري وبيضاوي. من خلال النظر إلىهمتجه ، يمكن للمرء أن يتعرف على استقطاب الهوائي أو الموجة. إذا كان اختلاف ناقلات  E على مراحل زمنية هو مضاعف π اذا فهو استقطاب خطي كما هو موضح في الشكل 1 (أ). إذا كان هذا الاختلاف هو مضاعف فردي لـ𝜋/ 2 ومقادار المكونين متساوي، إذا فهو استقطاب دائري ، كما هو مبين في الشكل 1 (ب). إذا لم تكن المقادير متماثلة، لكن الفرق بين المكونين هو مضاعفات فردية لـ𝜋/ 2، اذا فهو استقطاب بيضاوي كما هو موضح في الشكل 1 (ج).

شكل1: استقطاب الموجة

لفهم الاستقطاب ، من المهم استعراض مفهوم اتجاهات الهوائي ، المعروف أيضًا باسم مستويات السمت والارتفاع. السمت عادةً ما يمثل القياسات الأفقية ، بينما يشير الارتفاع إلى القياسات الرأسية. تصف هذه المصطلحات تركيب الهوائي ، حيث يتغير مخطط الإشعاع وفقًا لاتجاه الهوائي. في الشكل 2 ، يوضح الشكل الأول مستوى الارتفاع ، والذي يشار إليه عادةً باسم المستوى yz في الإحداثيات الديكارتية أوφ = 90 درجة في الإحداثيات الدائرية. يقاس مخطط مستوى السمت عندما يدور هوائي المستقبل حول المحور yz. يوضح الشكل الفرعي الثاني من الشكل 2 قياس السمت المأخوذ للمستوى xy في الإحداثيات الديكارتية أوθ = 90 درجة في إحداثيات دائرية تعبر عن المستوى xy حول الهوائي قيد الاختبار. مستويات الارتفاع والسمت متعامدة مع بعضها البعض.

 

شكل2: الاتجاه الرأسي والأفقي للهوائي متعدد الاتجاهات

DB & DBI

ديسيبلهو مقياس لوغاريتمي لنسبة قوتين ، الفولتية ، التيارات ، الضغوط ، إلخ. يتيح المقياس غير الخطي المقارنة السهلة للإشارات عالية المستوى لأنها تتغير لوغاريتميًا.ديسيبلهي مقاييس خطية مستخدمة على نطاق واسع بدلاً من المقاييس الخطية التقليدية حيث تختلف الإشارات عادةً بطريقة لوغاريتمية. يساعد هذا في تمثيل قوة الإشارة بأعداد صحيحة بدلاً من الكسور العشرية وقوى العشرات. بعض الصيغ الأساسية لتمثيل قوة الإشارة بتنسيق dB نكون:

dBi  يرمز إلى "ديسيبل نسبة إلى الكسب" معظم الأجهزة اللاسلكية يكتب الكسب الخاص بها بوحدة dBi. كسب dBi  هو كسب هوائي متناظر، يولد قدرة موحدة في كل مكان ، وله صفر dB  في تصنيف القوة مع عدم وجود كسب لنفسه ، مثل مصدر نقطة. يظهر التمثيل الرسومي لمخطط هوائي متناظر في الشكل 3 باللون الأزرق. في جميع أنحاء الدائرة الزرقاء ، يكون الكسب في الصفر dBs. خارج هذه الدائرة ، سيكون المكسب بـ dBi. الكسب خارج هذه الدائرة هو كسب dBi ويمكن حسابه بقسمة قوة الإشارة في أقوى اتجاه مع قوة إشارة مشع متناظر.

الشكل 3: كسب هوائي متناظر مقابل هوائي توجيهي

برامج تصميم الهوائي وماذا يمكنهم فعله

يمكن أن يكون التنفيذ العملي للهوائيات مكلفًا للغاية ومحفوفًا بالمخاطر إذا كان يعتمد فقط على الحسابات النظرية. ومن ثم ، فإن برنامج تصميم الهوائي يساعد في تصميم الهوائيات ، ويسمح تفاعلها مع النظام بأكمله للمصممين بتقييم البيئات المختلفة التي يمكن أن تواجهها الهوائيات. أمثلة على هذه البرامج هي:

1.      ZELAND IE3D

يستخدم البرنامج تقنيات طريقة العزوم (MoM) ويمكن أيضًا استيراد التصاميم من برمجيات التصميم الكهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد. إنه برنامج ذكي ويصمم الشبكة تلقائيًا دون تدخل مرهق من المستخدم. يستخدم بشكل عام للهوائيات المستوية و الهياكل المعدنية ثلاثية الأبعاد في البيئات العازلة ذات الطبقات.

2.      AnsoFt HFSS

يستخدم High-Frequency Structural Simulator (HFSS)  طريقة العناصر المحدودة ويدمج عمليات تصميم الشبكة المؤتمتة حيث يحتاج المستخدم فقط إلى تحديد الهندسة المطلوبة وخصائص مواد التصميم وما إلى ذلك. يأتي البرنامج مع مجموعة أدوات تصميم الهوائي والتردد والمجال الزمني FEM، التخطيط ثلاثي الأبعادECAD، التدفق والتوافق الكهرومغناطيسي والتداخل(EMC / EMI) ، والتحليلات ، ومعالجة 5G اللاحقة ، والتشابك الأولي ثلاثي الأبعاد المتزامن.

3. Microwave Studio CST

CST هو برنامج CAD لمحاكاة تحليل وتصميم الهوائي في مجال كهرومغناطيسي ثلاثي الابعاد. يوفر البرنامج أيضًا دعمًا إضافيًا لمكونات التصميم مثل مرشحات الترددات الراديوية ذات الانتشار عالي التردد.

يمكن تكوين حلالا لإجراء العمليات الحسابية حسب طريقة MoM  أو Finite-difference time-domain (FDTD). يمكنه حساب كفاءة الهوائيات والمرشحات ،تحليل EMC / EMI، معدل الامتصاص المحدد (SAR) ، والتأثيرات الحرارية في الأجهزة عالية الطاقة.

4. FEKO

FEKO هو برنامج آخر يستخدم MoM وFDTD ويمكنه أيضًا إجراء تحليلات لمجموعة متنوعة من الهوائيات مثل البوق و ميكروستريب. يستخدم خوارزميات التعلم الآلي لتحسين تحليلات الأنظمة المعقدة.يستخدم FEKO لتحسين الاتصال اللاسلكي الخاص بـ شبكة الجيل الخامس،EMC تحليلات المقطع العرضي للرادار (RCS) وتحليل التشتت.