विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न)

एंटीना डिजाइन के क्षेत्र में शब्द विकिरण पैटर्न (या एंटीना पैटर्न या दूर-क्षेत्र पैटर्न) एंटीना या अन्य स्रोत से रेडियो तरंगों की ताकत की दिशात्मक (एंगुलर या कोणीय) निर्भरता को संदर्भित करता है।  

विशेष रूप से फाइबर ऑप्टिक्स, लेजर और एकीकृत ऑप्टिक्स के क्षेत्र में, विकिरण पैटर्न शब्द का उपयोग निकट-क्षेत्र(नियर फील्ड) पैटर्न या फ़्रेज़नेल पैटर्न के पर्याय के रूप में भी किया जाता है। यह निकट-क्षेत्र(नियर फील्ड), या स्रोत(सोर्स) के फ़्रेज़नेल क्षेत्र में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की स्थितीय निर्भरता को संदर्भित करता है। नियर-फील्ड पैटर्न को आमतौर पर स्रोत के सामने रखे गए समतल पर परिभाषित किया जाता है,या इसे घेरने वाली एक बेलनाकार या गोलाकार सतह पर भी परिभाषित किया जा सकता है।

ऐन्टेना के दूर-क्षेत्र के पैटर्न को प्रयोगात्मक रूप से एंटीना रेंज पर निर्धारित किया जा सकता है, या फिर वैकल्पिक रूप से हम निकट-क्षेत्र पैटर्न को निकट-क्षेत्र स्कैनर  का उपयोग करके ज्ञात लगा सकते है, और गणना द्वारा विकिरण पैटर्न का अनुमान भी लगा सकते है। दूर-क्षेत्र विकिरण पैटर्न की गणना एनईसी जैसे कंप्यूटर प्रोग्राम द्वारा एंटीना के आकार से भी की जा सकती है।  एचएफएसएस जैसे अन्य सॉफ्टवेयर भी निकट क्षेत्र की गणना कर सकते हैं।

सुदूर क्षेत्र के विकिरण पैटर्न को कई संबंधित चरों(वेरिएबल्स) में से किसी एक को प्लॉट के रूप में रेखांकित करके दर्शाया जा सकता है, जिसमें एक स्थिर (बड़े) त्रिज्या (एक आयाम पैटर्न या क्षेत्र पैटर्न) पर क्षेत्र की ताकत, प्रति इकाई ठोस कोण की शक्ति (शक्ति पैटर्न) और निर्देश लाभ शामिल हैं। बहुत बार, केवल सापेक्ष आयाम को प्लॉट किया जाता है, और इसे प्लाट करने के लिए या तो ऐन्टेना दूरदर्शिता पर आयाम को या फिर कुल विकिरण शक्ति के लिए इसे सामान्यीकृत किया जाता है। प्लॉट की गई मात्रा को रैखिक पैमाने पर या dB में दिखाया जा सकता है। प्लॉट को आम तौर पर त्रि-आयामी ग्राफ (दाईं ओर), या लंबवत विमान(वर्टिकल  प्लेन) (ऊर्ध्वाधर विमान) और क्षैतिज विमान(हॉरिजॉन्टल प्लेन)  में अलग-अलग ग्राफ़ के रूप में दर्शाया जाता है। इसे अक्सर ध्रुवीय आरेख के रूप में जाना जाता है।

पारस्परिक
यह एंटेना का एक मौलिक गुण है कि जब हम  संचारण के लिए इसे उपयोग करते है तब संचारण  प्राप्त करने के लिए उपयोग किए जाने पर एंटीना का प्राप्त पैटर्न (दिशा के कार्य के रूप में संवेदनशीलता) एंटीना के दूर-क्षेत्र विकिरण पैटर्न के समान होता है। यह इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स के  पारस्परिकता प्रमेय  का परिणाम है और नीचे इसे साबित(प्रूफ) किया गया है। इसलिए, विकिरण पैटर्न की चर्चा में जो भी अधिक सुविधाजनक होता है उसे  एंटीना के संचारण या प्राप्त करने के रूप में हम देख पाते है। यह केवल निष्क्रिय एंटीना तत्वों पर लागू होता है, सक्रिय एंटेना जिनमें एम्पलीफायर या अन्य घटक शामिल हैं, वे अब पारस्परिक उपकरण नहीं कहलाते हैं।

विशिष्ट पैटर्न
चूंकि विद्युत चुम्बकीय विकिरण एक द्विध्रुवीय विकिरण है, इसलिए यहाँ एक एंटीना बनाना हमारे लिए संभव नहीं है, जो कि सभी दिशाओं में समान रूप से विकिरण करें, हालांकि इस तरह के एक काल्पनिक आइसोट्रोपिक एंटीना का उपयोग एंटीना लाभ  की गणना के लिए एक संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाता है।

सबसे सरल एंटेना, मोनोपोल और द्विध्रुवीय एंटेना(डाइपोल एंटेना) हैं जो एक सामान्य अक्ष के साथ एक या दो सीधी धातु की छड़ो के रूप में हों। इन अक्षीय सममित एंटेना में एक समान समरूपता के साथ विकिरण पैटर्न होता हैं, जिसे सर्वदिशात्मक पैटर्न (ओमीडायरेक्शनल पैटर्न) कहा जाता है; ये ऐन्टेना के लंबवत सभी दिशाओं में समान शक्ति विकीर्ण करता हैं, तथा शक्ति केवल धुरी के कोण के साथ बदलती है, एंटीना की धुरी पर यह शून्य होती है। इस तरह यह सामान्य सिद्धांत को दर्शाता है- जैसे कि यदि एंटीना का आकार सममित है, तो इसके विकिरण पैटर्न में समान समरूपता भी होगी।

अधिकांश एंटेना में, एंटीना के विभिन्न भागों से विकिरण कुछ कोणों पर हस्तक्षेप करता है, इस प्रकार एंटीना के विकिरण पैटर्न को एक हस्तक्षेपित पैटर्न माना जा सकता है। इसके परिणामस्वरूप कुछ कोणों पर विकिरण का मान शून्य होता है यह वहाँ होता है जहाँ विभिन्न भागों से रेडियो तरंगें चरणों से बाहर आती हैं, और अन्य कोणों पर विकिरण की स्थानीय अधिकतमता जहाँ रेडियो तरंगें चरणों में आती हैं। इसलिए, अधिकांश एंटेना का विकिरण प्लॉट विभिन्न कोणों पर "लॉब्स" नामक मैक्सिमा का एक पैटर्न दिखाता है, जिसे " नल्स " से अलग किया जाता है, और इस स्थिति पर विकिरण का मान शून्य हो जाता है। इस प्रकार ऐन्टेना की तुलना तरंगदैर्घ्य से जितनी बड़ी होगी, उसके उतने ही अधिक लोब्स  होंगे।

एक दिशात्मक एंटीना में जिसका उद्देश्य यह होता है कि एक विशेष दिशा में रेडियो तरंगों को उत्सर्जित करना है, इस प्रकार एंटीना को वांछित दिशा में निर्देशित लोब में अपनी अधिकांश शक्ति को विकीर्ण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसलिए रेडिएशन प्लॉट में यह लोब दूसरों की तुलना में बड़ा दिखाई देता है, और इसे हम " मुख्य लोब" कहते है। मुख्य लोब के केंद्र से गुजरने वाले अधिकतम विकिरण की धुरी को हम "बीम अक्ष" या दूरदर्शिता अक्ष कहते है। कुछ एंटेना में, जैसे स्प्लिट-बीम एंटेना में, एक से अधिक प्रमुख लोब पाए जा सकते हैं। मुख्य लोब के बगल में अन्य लोब, जो अन्य दिशाओं में अवांछित विकिरण का प्रतिनिधित्व करते हैं,वे छोटे लोब कहलाते हैं। मुख्य लोब के कोण पर उन्मुख छोटे लोब को "साइड लोब" कहा जाता है। मुख्य लोब के विपरीत दिशा (180°) में उपस्थित छोटे लोब को "बैक लोब" कहा जाता है।

माइनर लोब आमतौर पर अवांछित दिशाओं में विकिरण का प्रतिनिधित्व करते हैं, इसलिए दिशात्मक एंटेना में एक डिजाइन का लक्ष्य आमतौर पर मामूली लोब को कम करना होता है। साइड लोब आम तौर पर छोटे लोबों में सबसे बड़े होते हैं।माइनर लोब का स्तर आमतौर पर लोब में पावर घनत्व के अनुपात के रूप में व्यक्त किया जाता है, जो कि प्रमुख लोब में होता है। इस अनुपात को अक्सर पार्श्व लोब अनुपात या पार्श्व लोब स्तर कहा जाता है। −20 डीबी या इससे अधिक के पार्श्व लोब स्तर आमतौर पर कई अनुप्रयोगों में वांछनीय नहीं होते हैं। -30 डीबी से छोटे पार्श्व लोब स्तर की प्राप्ति के लिए आमतौर पर बहुत सावधानीपूर्वक डिजाइन और निर्माण की आवश्यकता होती है। अधिकांश रडार प्रणालियों में, उदाहरण के लिए, साइड लोब के माध्यम से फाल्स टार्गेट संकेतों को कम करने के लिए कम साइड लोब अनुपात बहुत महत्वपूर्ण हैं।

पारस्परिकता का प्रमाण
पूर्ण प्रमाण के लिए, पारस्परिकता (विद्युत चुंबकत्व) लेख(आर्टिकल ) देखें। यहां, हम एक सजातीय माध्यम में एंटीना के आकार की तुलना में बड़ी दूरी से अलग किए गए दो एंटेना के सन्निकटन तक सीमित एक सामान्य सरल प्रमाण प्रस्तुत करते हैं। पहला एंटीना परीक्षण एंटीना है जिसके पैटर्न की जांच की जानी है; यह एंटीना किसी भी दिशा में इंगित(पॉइंट) करने के लिए स्वतंत्र है। दूसरा एंटीना एक संदर्भ एंटीना है, जो पहले एंटीना पर सख्ती से इंगित(पॉइंट) करता है।

प्रत्येक एंटीना वैकल्पिक रूप से एक विशेष स्रोत प्रतिबाधा वाले ट्रांसमीटर से जुड़ा होता है, और एक रिसीवर जिसमें एक ही इनपुट प्रतिबाधा होती है (प्रतिबाधा दो एंटेना के बीच भिन्न हो सकती है)।

यह माना जाता है कि दो एंटिना पर्याप्त रूप से इतने दूर हैं कि ट्रांसमिटिंग एंटीना के गुण प्राप्त करने वाले एंटीना द्वारा उस पर रखे गए लोड से प्रभावित नहीं होते हैं। नतीजतन, ट्रांसमीटर से रिसीवर को हस्तांतरित शक्ति की मात्रा को दो स्वतंत्र कारकों के उत्पाद के रूप में व्यक्त किया जा सकता है; जिनमे से पहले को संचारण एंटीना के दिशात्मक गुणों के आधार पर, और दूसरे को प्राप्त करने वाले एंटीना के दिशात्मक गुणों के आधार पर।

ट्रांसमिटिंग एंटेना के लिए, गेन G की परिभाषा के अनुसार, एंटीना से r दूरी पर विकिरण शक्ति घनत्व (अर्थात इकाई क्षेत्र से गुजरने वाली शक्ति) को हम इस प्रकार प्रदर्शित करते है-

$$\mathrm{W}(\theta,\Phi) = \frac{\mathrm{G}(\theta,\Phi)}{4 \pi r^{2}} P_{t}$$

यहां, कोण $$\theta$$ तथा $$\Phi$$ एंटीना से दिशा पर निर्भरता का संकेत देते हैं, और $$P_{t}$$ वह शक्ति है जो ट्रांसमीटर एक मिलान लोड में वितरित करेगा। लाभ $$G$$  को तीन कारकों में विभाजित किया जा सकता है;  एंटीना लाभ (शक्ति का दिशात्मक पुनर्वितरण), विकिरण दक्षता (एंटीना में ओमिक नुकसान के लिए लेखांकन), और अंत में एंटीना और ट्रांसमीटर के बीच मेल ना खाने के कारण हुए नुक्सान। इस पर जोर देते हुए अगर हम कहे तो, एंटीना और ट्रांसमीटर के बीच मेल ना खाने के कारण हुए नुक्सान को शामिल करने के लिए, इसे वास्तविक लाभ कहा जाना चाहिए, लेकिन यह सामान्य रो रूप से उपयोग में नहीं है।

प्राप्त करने वाले एंटीना के लिए, रिसीवर को दी जाने वाली शक्ति को हम इस प्रकार प्रदर्शित करते हैं -


 * $$P_{r} = \mathrm{A}(\theta,\Phi) W\,$$

यहां $$W$$ घटना विकिरण की शक्ति घनत्व है, और $$A$$ ऐन्टेना एपर्चर या एंटीना का प्रभावी क्षेत्र है (अवलोकित कैप्चर की गई शक्ति को रोकने के लिए एंटीना को जिस क्षेत्र पर कब्जा करने की आवश्यकता होगी)। दिशात्मक तर्क अब प्राप्त एंटीना के सापेक्ष हैं, और फिर से A को ओमिक और बेमेल नुकसान शामिल करने के लिए लिया जाता है।

इन भावों(एक्सप्रेशन) को एक साथ रखने पर, ट्रांसमीटर से रिसीवर में स्थानांतरित होने वाली शक्ति को हम इस प्रकार प्रदर्शित करते है-


 * $$P_{r} = A \frac{G}{4 \pi r^{2}} P_{t}$$ ,

जहाँ पे $$G$$ तथा $$A$$ क्रमशः संचारण और प्राप्त करने वाले एंटेना के प्रत्यक्ष रूप से निर्भर गुण हैं। संदर्भ एंटीना (2) से परीक्षण एंटीना (1) तक संचरण के लिए, जो इस प्रकार है

$$P_{1r} = \mathrm{A_{1}}(\theta,\Phi) \frac{G_{2}}{4 \pi r^{2}} P_{2t}$$

और विपरीत दिशा में संचरण के लिए

$$P_{2r} = A_{2} \frac{\mathrm{G_{1}}(\theta,\Phi)}{4 \pi r^{2}} P_{1t}$$

इधर, लाभ $$G_{2}$$ और प्रभावी क्षेत्र $$A_{2}$$ एंटेना 2 की संख्या निश्चित है, क्योंकि इस एंटीना का उन्मुखीकरण पहले के संबंध में तय किया गया है।

अब एंटेना के दिए गए स्वभाव (एक्सप्रेशन) के लिए, पारस्परिकता प्रमेय की आवश्यकता है क्योकि शक्ति हस्तांतरण प्रत्येक दिशा में समान रूप से प्रभावी होता है जो इस प्रकार प्रदर्शित किया जाता है-

$$\frac{P_{1r}}{P_{2t}} = \frac{P_{2r}}{P_{1t}}$$ ,

जहाँ पे

$$\frac{\mathrm{A_{1}}(\theta,\Phi)}{\mathrm{G_{1}}(\theta,\Phi)} = \frac{A_{2}}{G_{2}}$$.

लेकिन इस समीकरण का दाहिना हाथ निश्चित(कांस्टेंट) है (क्योंकि एंटीना 2 का उन्मुखीकरण निश्चित है), और इसलिए

$$\frac{\mathrm{A_{1}}(\theta,\Phi)}{\mathrm{G_{1}}(\theta,\Phi)} = \mathrm{constant}$$

यानी (प्राप्त) प्रभावी एपर्चर की दिशात्मक निर्भरता और (संचारण) लाभ समान (क्यूईडी) हैं। इसके अलावा, आनुपातिकता की निरंतरता एंटीना की प्रकृति की परवाह नहीं करता और समान रहता है, और इसलिए सभी एंटीनो के लिए यह समान होना चाहिए। एक विशेष एंटेना (जैसे कि हर्ट्ज़ियन द्विध्रुव ) का विश्लेषण दर्शाता है कि यह स्थिरांक है $$\frac{\lambda^{2}}{4\pi}$$, जहाँ पे $$\lambda$$ मुक्त-अंतरिक्ष तरंगदैर्घ्य है। इसलिए, किसी भी एंटेना के लिए लाभ और प्रभावी एपर्चर संबंधित हैं, जो इस प्रकार है-

$$\mathrm{A}(\theta,\Phi) = \frac{\lambda^{2} \mathrm{G}(\theta,\Phi)}{4 \pi}$$.

यहां तक ​​​​कि एक प्राप्त एंटीना के लिए, प्रभावी एपर्चर को निर्दिष्ट करने की तुलना में लाभ को बताना अधिक सामान्य है। इसलिए रिसीवर को दी जाने वाली शक्ति को आमतौर पर इस तरह  लिखा जाता है-

$$P_{r} = \frac{\lambda^{2} G_{r} G_{t}}{(4 \pi r)^{2}} P_{t}$$

(लिंक बजट देखें)। हालांकि, ऐन्टेना के वास्तविक भौतिक आकार के साथ तुलना करने के लिए प्रभावी एपर्चर ज्यादा रुचि लेता है

व्यावहारिक परिणाम

 * कंप्यूटर सिमुलेशन द्वारा प्राप्त एंटीना के पैटर्न का निर्धारण करते समय, घटना के हर संभावित कोण की गणना करना आवश्यक नहीं है। इसके बजाय, एंटीना का विकिरण पैटर्न एकल सिमुलेशन द्वारा निर्धारित किया जाता है, और प्राप्त पैटर्न पारस्परिकता द्वारा अनुमानित किया जाता है।
 * माप द्वारा एंटीना के पैटर्न का निर्धारण करते समय, एंटीना या तो प्राप्त (रिसीव) या संचारित (ट्रांसमिट) हो सकता है, इनमें से जो भी अधिक सुविधाजनक हो।
 * एक व्यावहारिक एंटीना की अगर हम बात करते हैं तो साइड लोब का स्तर न्यूनतम होना चाहिए और प्रत्यक्षता अधिकतम होना आवश्यक है।