כיווניות

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

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

כיווניות של אנטנה היא רכיב של שבח האנטנה, המרכיב השני של היעילות (האלקטרונית) שלה. כיווניות של אנטנה היא מדד חשוב מפני שמרבית הקרינות מיועדות לכיוון מסוים או לפחות במישור מסוים (אופקי או אנכי) כאשר הקרינה הנוספת במישורים אחרים נחשבת (במקרה הטוב) בזבוז של עוצמה.

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 $D(\theta ,\phi )$ ומשווה את עצמת הקרינה $U(\theta ,\phi )$ אשר נוצרת על ידי אנטנה בכיוון מסוים כנגד הערך הממוצע עבור כל הכיוונים.

$D(\theta ,\phi )={\frac {U(\theta ,\phi )}{P_{\mathrm {tot} }/\left(4\pi \right)}}$

כאן $\theta$ ו $\phi$ הן זוויות מרחביות של קואורדינטות כדוריות רגילות, $U(\theta ,\phi )$ היא עוצמת הקרינה (צפיפות העוצמה ליחידת זווית מרחבית) ו $P_{\mathrm {tot} }$ היא סך העוצמה הנפלטת (TRP).

הערכים $U(\theta ,\phi )$ ו $P_{\mathrm {tot} }$ מקיימים את היחס:

$P_{\mathrm {tot} }=\int _{\phi =0}^{\phi =2\pi }\int _{\theta =0}^{\theta =\pi }U\sin \theta \,d\theta \,d\phi ;$

כלומר סך העוצמה $P_{\mathrm {tot} }$ היא האינטגרל של $U(\theta ,\phi )$ לפי יחידת זווית מרחבית על פני משטח כדורי. מכיוון שיש 4π סטרדיאנים על ספירה כדורית, הגודל של $P_{\mathrm {tot} }/4\pi$ מייצג את ה"ממוצע" של העוצמה לכל יחידת זווית מרחבית.

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

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

${\begin{aligned}D&=\max \left({\frac {U}{P_{\mathrm {tot} }/\left(4\pi \right)}}\right)&={\frac {\left.U(\theta ,\phi )\right|_{\mathrm {max} }}{{\frac {1}{4\pi }}\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{\pi }U(\theta ,\phi )\sin \theta \,d\theta \,d\phi }}\end{aligned}}$

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, $\Omega _{A}$, מוגדרת כזווית המרחבית אשר כל העצמה תזרום דרכה אם קרינת האנטנה הייתה קבועה ומקסימלית. אם הזווית המרחבית של האלומה ידועה, ניתן לחשב את הכיווניות כ:

$D={\frac {4\pi }{\Omega _{A}}}$

אשר מחשבת באופן פשוט את היחס בין הזווית המרחבית לבין המשטח אותו היא חותכת. הזווית המרחבית של האלומה יוכלה להיות משוערכת עם אונה אחת מרכזית וכמה אונות משניות זניחות, על ידי הכפלה בחצי עוצמת רוחב האלומה (ברדיאנים) בשני מישורים ניצבים. חצי עצמת רוחב האלומה הוא פשוט הזווית המרחבית בה הקרינה היא לפחות חצי העצמה המקסימלית.

החישוב יכול להתבצע במעלות במקום ברדיאנים:

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

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

במערכים מישוריים קירוב טוב יותר יכול להיות:

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

ביטוי בדציבלים

נדיר למצוא ביטוי של הכיווניות במונחים של המספר הטהור (חסר יחידות) $D$, אלא 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 מושלם איזוטרופי אשר קורן באופן אחיד לכל הכיוונים ולכן בעל כיווניות של 1. החישוב הפשוט הופך להיות אם כך:

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

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

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