כיווניות

דיאגרמת כיווניות אופיינית.
אונה ראשית (מימין באדום), אונה אחורית (משמאל בכחול) ואונות משניות (באפור)

באלקטרומגנטיות, כִּיווּנִיוּת (באנגלית: Directivity) היא תכונה של אנטנה המבטאת מדידה של עוצמת הקרינה המוקרנת מאנטנה בכיוון הפליטה העוצמתית ביותר ביחס לעוצמת הקרינה המוקרנת מקורן איזוטרופי אידיאלי (הקורן באופן שווה ובאותה עוצמה בכל הכיוונים).

כיווניות של אנטנה היא רכיב של שבח האנטנה, המרכיב השני של הנצילות החשמלית שלה. כיווניות של אנטנה היא מדד חשוב מפני שמרבית הקרינה מיועדת לכיוון מסוים או לפחות למישור מסוים (אופקי או אנכי), כאשר הקרינה הנוספת במישורים אחרים נחשבת (במקרה הטוב) בזבוז של הספק.

ערכים של כיווניות של אנטנה יכולים לנוע מכ-1.76 dBi עבור דיפול פשוט עד לכ-50 dBi עבור צלחת גדולה.

הגדרה

הכיווניות $D$ של אנטנה היא הערך המרבי של שבח האנטנה הכיווני. השבח הכיווני מיוצג על ידי $D(\theta ,\varphi )$ ומשווה את עוצמת הקרינה $U(\theta ,\varphi )$ אשר נוצרת על ידי אנטנה בכיוון מסוים ביחס לערך הממוצע עבור כל הכיוונים.

$D(\theta ,\varphi )=\frac{U(\theta ,\varphi )}{P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}/\left(4\pi \right)}$

כאן $\theta$ ו־$\varphi$ הן זוויות מרחביות של קואורדינטות כדוריות רגילות, $U(\theta ,\varphi )$ היא עוצמת הקרינה (ההספק ליחידת זווית מרחבית) ו־$P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}$ היא סך הספק הקרינה (Total radiated power – TRP).

הערכים $U(\theta ,\varphi )$ ו־$P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}$ מקיימים את הקשר:

$P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}=\underset{\varphi =0}{\overset{\varphi =2\pi }{\int }}\underset{\theta =0}{\overset{\theta =\pi }{\int }}U(\theta ,\varphi )\sin \theta d\theta d\varphi$

כלומר סך ההספק $P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}$ היא האינטגרל של $U(\theta ,\varphi )$ לפי יחידת זווית מרחבית על פני משטח כדורי. מכיוון שיש 4π סטרדיאנים על ספירה כדורית, הגודל של $P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}/4\pi$ מייצג את ממוצע ההספק (ליחידת זווית מרחבית).

במילים אחרות, שבח כיווני הוא העוצמה של אנטנה בקואורדינטה $(\theta ,\varphi )$ מסוימת חלקי העוצמה לו האנטנה הייתה איזוטרופית הקורנת את אותו סך הספק כולל למרחב.

כיווניות היא אם כך ערך השבח המקסימלי הכיווני בין כל הערכים הזוויתיים האפשריים:

$\begin{array}{rlr}D& =\max \left(\frac{U}{P_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}/\left(4\pi \right)}\right)& =\frac{{U(\theta ,\varphi )|}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\frac{1}{4\pi }\underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}\underset{0}{\overset{\pi }{\int }}U(\theta ,\varphi )\sin \theta d\theta d\varphi }\end{array}$

המילה כיווניות משמשת כמילה נרדפת לשבח כיווני. השימוש ברור למדי מכיוון שהכיוון יוגדר או ירמז על ידי תלות בכיוון. גרסאות מאוחרות של IEEE אימצו את המושג אולם הוא עדיין לא אומץ בפועל בכל העולם.

יחס לרוחב האלומה

הזווית המרחבית של האלומה, ${\mathrm{\Omega }}_A$, מוגדרת כזווית המרחבית אשר כל העוצמה תקרון דרכה אם קרינת האנטנה הייתה קבועה ומקסימלית. אם הזווית המרחבית של האלומה ידועה, ניתן לחשב את הכיווניות כך:

$D=\frac{4\pi }{{\mathrm{\Omega }}_A}$

כלומר, היחס בין הזווית המרחבית לבין המשטח אותו היא חותכת.

הזווית המרחבית של האלומה יכולה להיות משוערכת עם אונה מרכזית אחת וכמה אונות משניות זניחות, על ידי הכפלה בחצי עוצמת רוחב האלומה (ברדיאנים) בשני מישורים ניצבים. חצי עוצמת רוחב האלומה הוא פשוט הזווית המרחבית בה הקרינה היא לפחות חצי העוצמה המקסימלית.

החישוב יכול להתבצע במעלות במקום ברדיאנים:

$D\approx 4\pi \frac{(\frac{180}{\pi }{)}^2}{{\mathrm{\Theta }}_{1d}{\mathrm{\Theta }}_{2d}}=\frac{41253}{{\mathrm{\Theta }}_{1d}{\mathrm{\Theta }}_{2d}}$

כאשר ${\mathrm{\Theta }}_{1d}$ היא רוחב חצי העוצמה במישור אחד (במעלות) ו־${\mathrm{\Theta }}_{2d}$ היא זווית חצי העוצמה של האלומה במישור השני.

במערכים מישוריים קירוב טוב יותר יכול להיות:

$D\approx \frac{32400}{{\mathrm{\Theta }}_{1d}{\mathrm{\Theta }}_{2d}}$

ביטוי בדציבל

נדיר למצוא ביטוי של הכיווניות במונחים של המספר הטהור (חסר היחידות) $D$. השימוש הנפוץ הוא על ידי ביטוי כדציבלים על ידי השוואה לאנטנת ייחוס:

$D_{dB}=10\cdot {\log }_{10}\left[\frac{D}{D_{reference}}\right]$

במקרים רבים נעשה שימוש באנטנת ייחוס תאורטית שהיא קורן איזוטרופי מושלם אשר קורן באופן אחיד לכל הכיוונים ולכן בעל כיווניות של 1, והנוסחה היא:

$D_{dBi}=10\cdot {\log }_{10}\left[D\right]$

אנטנת ייחוס נפוצה נוספת היא דיפול מושלם, אשר קורן בניצב לעצמו עם כיווניות של 1.64:

$D_{dBd}=10\cdot {\log }_{10}\left[\frac{D}{1.64}\right]$

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

כיווניות40993735Q8225412