أرسى الدرس السابق كيف يحوّل الهوائي تيّاراً إلى موجة ثم يعكس الرحلة. وهذا الدرس عن ورقة المواصفات. كل هوائيٍ بيع يوماً يوصَف بالقائمة القصيرة نفسها من الأرقام — الكسب، وعرض الحزمة، والاستقطاب، والمعاوقة، والكفاءة — وحين تُحسن قراءة هذه الكميّات السبع تستطيع أن تقارن سوطاً بثلاثة دولارات بطبقٍ بثلاثين ألفاً دون أن ترى أيّاً منهما. ومعك الديسيبل من الدرس M2-L4، بما في ذلك ما يعنيه حرف «i» في dBi، لذا يُنفق هذا الدرس جهده على معنى الأرقام لا على كيفية أخذ لوغاريتم.
يُشعّ الهوائي بغير انتظام — قدرةٌ أكبر هنا وأقلّ هناك. تقيس الاتجاهية D هذا اللانتظام ولا شيء غيره: هي كثافة القدرة في أفضل اتجاهات الهوائي مقسومةً على الكثافة التي يُنتجها مُشعٌّ متماثل الاتجاهات بنفس القدرة المُشعّة. الاتجاهية هندسةٌ خالصة. وهوائيٌ عديم الفقد تماماً وآخر متآكلٌ بشدّة لهما الاتجاهية نفسها إن تشابه شكلهما.
أمّا الكسب G فيسأل السؤال الأنفع: كم كثافة قدرةٍ أحصّل في أفضل اتجاه مقابل كل واط أدخلته؟ فبعض ما تُدخله لا يخرج قط — بل يُسخّن الموصلات واللدائن. والكسر الذي يخرج فعلاً هو كفاءة الإشعاع erad، وهي الفارق الوحيد بين الكميّتين:
وبالديسيبل يصير الضرب طرحاً، ولذلك تُذكَر الكفاءة كثيراً على هيئة فقد. فهوائيٌ باتجاهية 38.3 dBi وكفاءة إشعاع 60% كسبُه 38.3 + 10·log₁₀(0.6) = 38.3 − 2.22 = 36.1 dBi. وعند كفاءة 90% تكون الغرامة 10·log₁₀(0.9) = −0.46 ديسيبل فحسب؛ وعند 50% تكون −3.01 ديسيبل بالضبط. تذكر أوراق المواصفات الكسب في الغالب الأعمّ، لأنه ما يناله الرابط فعلاً — لكن أدوات المحاكاة تطبع الاتجاهية بلا تحرّج، وخلطُ الاثنين طريقٌ شائع لخسارة ديسيبلين على الورق لم تملكهما في العتاد يوماً.
رقم الكسب بلا معنى دون بيان ما هو كسبٌ عليه. وثمّة مرجعان دارجان. يقارن dBi بالمُشعّ متماثل الاتجاهات — الهوائي الخيالي الذي ينشر القدرة بانتظامٍ تام، والذي لا يمكن بناؤه ولذلك فهو مقياسٌ لا يُطعَن فيه. ويقارن dBd بثنائي قطبٍ حقيقي بطول نصف موجة. وقد ثبّت الدرس M2-L4 هذا الثنائي: اتجاهيته 1.641، و10·log₁₀(1.641) = 2.15 dBi. فالثنائي إذن أفضل من المتماثل بمقدار 2.15 ديسيبل، والتحويل بين المرجعين جمعةٌ واحدة:
والنتيجة العملية تجارية. أرقام dBd أدنى بـ2.15 من أرقام dBi للعتاد نفسه، فتذكر أقسام التسويق dBi وتذكر أقسام الهندسة المتحفّظة dBd. فإذا بدا هوائيان متباعدين بديسيبلين على الورق، فتحقّق من الوحدة قبل أن تصدّق أن الفرق حقيقي.
رقم كسب الذروة وحده يهدر كل شيء تقريباً. والوصف الكامل هو نمط الإشعاع: القدرة المُشعّة النسبية كدالّة في الاتجاه، مُعيَّرةً بحيث تقرأ الذروة 0 ديسيبل، ومرسومةً على شبكةٍ قطبية. وتُرسم الأنماط بالديسيبل لا بالقدرة الخطّية لأن المعالم المثيرة للاهتمام — الفصوص الصغيرة التي ستلتقط تشويش جارك — تقع 20 إلى 40 ديسيبل تحت الذروة وتتلاشى تماماً على رسمٍ خطّي.
النمط ثلاثي الأبعاد، فيُنشَر على هيئة مقطعين ثنائيَّي الأبعاد متعامدين. المقطع في مستوى E يحوي متّجه المجال الكهربي — ولثنائي قطبٍ رأسي هو شريحةٌ رأسية. والمقطع في مستوى H يحوي المجال المغناطيسي وهو عمودي عليه — ولنفس الثنائي هو الشريحة الأفقية، وهي دائرةٌ تامّة. وليس على المقطعين أن يتشابها من قريب: قد تكون لوحة محطّةٍ قاعدية بعرض 65° في مستوى و7° في الآخر، وهذا بالضبط كيف تغطّي شارعاً دون أن تهدر القدرة على السماء.
عرض الحزمة عند نصف القدرة (HPBW)، ويُكتب أيضاً عرض الحزمة عند −3 ديسيبل، هو الزاوية بين الاتجاهين على جانبَي الذروة حيث تهبط القدرة المُشعّة إلى النصف. ونصف القدرة هو 10·log₁₀(0.5) = −3.01 ديسيبل، ومن هنا الاسم الثاني. ويقيس ثنائي القطب بنصف موجة نحو 78° في مستوى E. أمّا لهوائي فتحة — طبق، أو بوق، أو مصفوفة رُقَع — فعرض الحزمة يتبع مقاس الفتحة مقيساً بالأطوال الموجية:
خُذ طبقاً بقطر متر عند 10 غيغاهرتز. أوّلاً طول الموجة، من الدرس M3-L1: λ = c/f = (3 × 10⁸)/(10 × 10⁹) = 0.03 متر، أي 3 سنتيمترات. ثم HPBW ≈ 70 × 0.03 / 1 = 2.1°. تلك حزمةٌ أضيق من عرض إبهامك على مدّ ذراعك، وهو ما يخبرك فوراً أن هذا الهوائي يحتاج حاملاً لا مِشبكاً. وعرض الحزمة والكسب وجهان للحقيقة الواحدة، وهما لحزمةٍ قلمية مرتبطان مباشرةً:
تحقّق منه على الطبق. بعرضَي حزمة يبلغ كلٌّ منهما 2.1° يكون G ≈ 30000/(2.1 × 2.1) = 30000/4.41 = 6803، و10·log₁₀(6803) = 38.3 dBi. وثمّة طريقٌ مستقلٌ تماماً هو صيغة الفتحة G = ea(πDa/λ)²، التي تعطي للطبق نفسه عند كفاءة فتحةٍ نموذجية 60%: 0.6 × (π × 1/0.03)² = 0.6 × 104.72² = 0.6 × 10966 = 6580، أي 38.2 dBi. قاعدتا تقريبٍ مختلفتان يفرّق بينهما عُشر ديسيبل — وهو من التوافق قدر ما تجود به هندسة الهوائيات على الإطلاق، ودليلٌ حسن على أن كلتيهما تستحقّ الحفظ.
يصف الاستقطاب اتّجاه المجال الكهربي وهو يمرّ. فإن بقي المجال على محورٍ واحد كانت الموجة خطّية الاستقطاب — رأسيةً للسوط على سيّارة أجرة، وأفقيةً لهوائيات التلفاز القديمة على الأسطح، ومائلةً بـ±45° للأزواج متصالبة الاستقطاب في محطّات الخلوي القاعدية. ويُشعّ الهوائي الخطّي ويستقبل ذلك الاتّجاه الواحد، والمستقبِل المائل نسبةً إلى المُرسل لا يستعيد إلا مسقط المجال على محوره هو.
أَغذِ عنصرين متصالبين بإشارتين تفرّق بينهما ربع دورة في الطور فيدور المجال الناتج دورةً لكل دورة راديوية. هذا هو الاستقطاب الدائري، وهو يأتي بمعنيَين لا يتحدّث أحدهما إلى الآخر: RHCP (دائري يمين اليد، يدور باتّجاه عقارب الساعة كما يُرى من الخلف على امتداد اتّجاه السير) وLHCP. والموجة الدائرية لا تحمل محوراً مفضّلاً، فيرى مستقبِلٌ خطّي بأي ميلٍ الشيء نفسه — نصف القدرة.
| الإرسال | الاستقبال | الفقد | السبب |
|---|---|---|---|
| رأسي | رأسي | 0 ديسيبل | متطابق |
| رأسي | مائل 45° | 3 ديسيبل | cos²(45°) = 0.5 |
| رأسي | أفقي | لا نهائي نظريّاً، و20–30 ديسيبل عمليّاً | الهوائيات الحقيقية ترشح إلى الاستقطاب المتصالب |
| خطّي | دائري (بأي معنى) | 3 ديسيبل | نصف المجال الدائر وحده يتوافق |
| RHCP | LHCP | لا نهائي نظريّاً، و20–30 ديسيبل عمليّاً | المعنيان المتعاكسان متعامدان |
وغرامة الـ3 ديسيبل على خلط الخطّي بالدائري هي بالضبط سبب دفع الأنظمة الساتلية لها راضية. فالساتل لا يدري كيف يُحمَل هاتفك، والغلاف المتأيّن يُدير الاستقطاب الخطّي على نحوٍ لا يُتوقّع في طريقه — فوصلةٌ هابطة خطّية ستتقلّب بين إشارةٍ كاملة ولا شيء. يُرسل GPS بـRHCP، وهو ما يلتقطه المستقبِل بأي توجيهٍ بفقدٍ ثابت متوقّع مقداره 3 ديسيبل بدلاً من فقدٍ لا يُتوقّع. ويستخدم التلفاز الساتلي ومعظم الوصلات الفضائية الدائري للسبب نفسه، ويصلح زوج RHCP/LHCP أيضاً لإرسال إشارتين مستقلّتين على ترددٍ واحد.
الهوائي في نظر المُرسل حِملٌ، وقد استقرّ عتاد الراديو على اصطلاح 50 Ω لذلك الحِمل — حلٌّ وسط تاريخي بين هندسة الكابل التي تُصغّر الفقد وتلك التي تتحمّل أكبر قدرة. وتلفاز الكابل استثناءٌ بارز عند 75 Ω. فإن لم تكن معاوقة دخل الهوائي 50 Ω فإن جزءاً من الموجة الصاعدة في خطّ التغذية يصطدم بعدم الاتّصال ويرتدّ. ويقيس معامل الانعكاس Γ ذلك، والموجة الواقفة التي تصنعها الموجتان الأمامية والمرتدّة معاً هي ما يقرؤه مقياس VSWR:
اعمل الحالة القياسية. VSWR بنسبة 2:1 يعني Γ = (2 − 1)/(2 + 1) = 0.333، فيكون |Γ|² = 0.111: 11.1% من القدرة ترتدّ و88.9% تدخل الهوائي. وكفقدٍ فذلك 10·log₁₀(0.889) = −0.51 ديسيبل. وفقد الرجوع هو −20·log₁₀(0.333) = 9.5 ديسيبل. نصف ديسيبل لا شيء؛ ولهذا صارت 2:1 خطّ النجاح والرسوب المعتاد في أوراق المواصفات، ولهذا يندر أن تستحقّ مطاردة المطابقة التامّة العناء.
| VSWR | |Γ| | القدرة المرتدّة | فقد عدم المطابقة | فقد الرجوع |
|---|---|---|---|---|
| 1.0:1 | 0 | 0% | 0 ديسيبل | ∞ |
| 1.5:1 | 0.200 | 4.0% | 0.18 ديسيبل | 14.0 ديسيبل |
| 2.0:1 | 0.333 | 11.1% | 0.51 ديسيبل | 9.5 ديسيبل |
| 3.0:1 | 0.500 | 25.0% | 1.25 ديسيبل | 6.0 ديسيبل |
| 5.0:1 | 0.667 | 44.4% | 2.55 ديسيبل | 3.5 ديسيبل |
وتحذيران. الأول أن عدم المطابقة متعلّقٌ بالتردد: يكون الهوائي مطابقاً على نطاق، وتُعرَّف حدود ذلك النطاق عادةً حيث يعبر VSWR نسبة 2:1. والثاني أن القدرة المرتدّة لا تختفي — فعند قدرات الإرسال العالية ترجع إلى مكبّر القدرة، ولهذا قد يُدمّر مُرسلٌ نفسه إن فُصل هوائيه.
تجمع كفاءة الإشعاع كل ما يحوّل قدرة الدخل إلى حرارةٍ بدلاً من إشعاع. الفقد الأومي مقاومةٌ في الموصلات، يزيدها سوءاً عند الترددات العالية أثرُ القشرة الذي يحشر التيّار في طبقةٍ سطحية رقيقة. والفقد العازلي طاقةٌ تمتصّها العوازل والركائز التي تمرّ فيها المجالات — وهو سبب أن مادة لوحٍ مطبوع رخيصة تصنع هوائي رُقعةٍ سيّئاً. ويُحسَب فقد شبكة المطابقة وكابل التغذية على حسابٍ منفصل لكنّه يكلّفك الواطات نفسها. الهوائي الرنيني المُحكَم البناء يبلغ 90–95%؛ وهوائيٌ مطبوع محشورٌ في هاتف قد يكون عند 40–50%، وذلك قبل أن تغطّيه يد.
والسبب الغالب لسوء الكفاءة هو ما أرساه الدرس M7-L1 سلفاً: الهوائي الصغير مادّياً هوائيٌ قليل الكفاءة. صغّر هوائياً إلى ما دون الكسر الرنيني من طول الموجة بكثير فتنهار مقاومة إشعاعه نحو الصفر بينما لا تنهار مقاومته الأومية، فيصير نصيبٌ أكبر فأكبر من التيّار مجرّد تسخينٍ للمعدن. ويصير كذلك شديد المفاعلة وضيّق النطاق، فتضيف شبكة المطابقة اللازمة لإصلاح المعاوقة فقداً من عندها. هذه هي الأرضية الفيزيائية الصلبة تحت كل شكوى من نوع «لِمَ هوائي هذا الجهاز بهذا السوء»، وهي سبب أن مستقبِل بثّ تضمين السعة عند 1 ميغاهرتز — حيث طول الموجة 300 متر — يستخدم حلقة فرّيت مذهلة السوء في الكفاءة وتعمل رغم ذلك، لأن المُرسل هائل.
حيث تُستخدَم هذه الأرقام. يأخذ الدرس M7-L3 كل معاملٍ هنا ويُظهر ما تبلغه أنواع الهوائيات الشائعة فعلاً — ثنائي القطب، وأحادي القطب، والرُقعة، وYagi، والطبق، والبوق. ويُظهر الدرس M7-L4 كيف يُبنى نمطٌ عن قصد بجمع العناصر في مصفوفة، وكيف يُوجَّه ذلك النمط إلكترونيّاً. والدرس M8-L1 هو حيث يستحقّ الكسب أجره أخيراً، مُغذّياً حساب فقد المسار وميزان الوصلة الذي يقرّر إن كان الرابط يُغلَق أصلاً — وهو الحساب الذي عرضه الدرس M2-L4 بالديسيبل.