विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न)



विशेष रूप से जब हम फाइबर, लेजर और एकीकृत ऑप्टिक्स की बात करते हैं, तो विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) शब्द का उपयोग निकट-क्षेत्र(नियर फील्ड) पैटर्न या फ़्रेज़नेल पैटर्न के पर्याय के रूप में किया जाता हैं। यह निकट-क्षेत्र(नियर फील्ड) के फ़्रेज़नेल क्षेत्र में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र(इलेक्ट्रोमैग्नैटिक फील्ड) की स्थितीय निर्भरता को प्रदर्शित करने के लिए किया जाता है। नियर-फील्ड पैटर्न को हम स्रोत के सामने रख कर समतल या प्लेन पर या इसे घेरने वाली एक बेलनाकार या गोलाकार सतह द्वारा परिभाषित कर सकते है।

ऐन्टेना के फार फील्ड पैटर्न या सुदूर क्षेत्र पैटर्न को प्रयोगात्मक (प्रैक्टकली) रूप से हम एंटीना रेंज द्वारा निर्धारित करते हैं, या वैकल्पिक रूप से निकट-क्षेत्र पैटर्न को निकट-क्षेत्र स्कैनर द्वारा भी ज्ञात किया जा सकता है, इस प्रकार गणना द्वारा विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) का अनुमान भी लगाया जा सकता है। फार फील्ड विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) या सुदूर विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) क्षेत्र पैटर्न की गणना एनईसी जैसे कंप्यूटर प्रोग्राम द्वारा एंटीना के आकार से भी की जा सकती है। एचएफएसएस जैसे कुछ अन्य सॉफ्टवेयर है जो निकट क्षेत्र की गणना करने में सहायक है।

सुदूर क्षेत्र के विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) को संबंधित चरों (रिलेटेड वेरिएबल्स) में किसी एक को प्लॉट करके रेखांकित किया 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 ये तीनों शामिल हैं। बहुत बार हम केवल सापेक्ष आयाम को प्लॉट कर पाते है, और इसे प्लाट करने के लिए या तो ऐन्टेना दूरदर्शिता पर आयाम को या फिर कुल विकिरण शक्ति को सामान्यीकृत या नार्मलाइज्ड करते है। प्लॉट की गई मात्रा को रैखिक पैमाने पर dB में दर्शाया जाता है। प्लॉट को आम तौर पर त्रि-आयामी ग्राफ (जैसा दाई ओंर चित्र में दिखाया गया है), या लंबवत विमान(वर्टिकल प्लेन) और क्षैतिज विमान(हॉरिजॉन्टल प्लेन) में अलग-अलग ग्राफ़ द्वारा दर्शाया जाता है। हम इसे ध्रुवीय आरेख या पोलर डायग्राम के रूप में जानते है।

पारस्परिक
एंटेना का एक मौलिक गुण यह भी है कि जब हम संचारण या ट्रांसमिशन के लिए इसे उपयोग करते है तब संचारण प्राप्त करने के लिए (रिसिवर) उपयोग किए जाने वाले एंटीना का प्राप्त पैटर्न (दिशा के कार्य के रूप में संवेदनशीलता) एंटीना के दूर-क्षेत्र विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) के समान होता है। यह इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स के  पारस्परिकता प्रमेय  का परिणाम है और नीचे इसे दर्शाया भी गया है। इसलिए, विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) में जो अधिक सुविधाजनक या कन्वेनियन्ट होता है उसे एंटीना के ट्रांसमिटर या रिसीवर के रूप में हम देख पाते है। यह केवल निष्क्रिय एंटीना तत्वों (पैसिव एंटिना एलिमेंट) पर लागू होता है, इसके विपरीत वे सक्रिय एंटेना जिनमें एम्पलीफायर या अन्य घटक होते हैं उन्हें अब हम पारस्परिक उपकरण नहीं मानते हैं।

विशिष्ट पैटर्न
चूंकि विद्युत चुम्बकीय विकिरण एक द्विध्रुवीय विकिरण होता है, इस कारण यह सभी दिशाओं में समान रूप से विकरण नहीं कर पाता और ऐसी स्थिति में एक एंटीना बनाना असंभव है, हालांकि काल्पनिक आइसोट्रोपिक एंटीना का उपयोग हम एंटीना लाभ की गणना करने के लिए कर सकते हैं।

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

अधिकांश एंटेना ऐसे होते हैं जिसके विभिन्न भागों से विकिरण कुछ कोणों पर हस्तक्षेप (इन्टरफेयर) करता है, इस प्रकार एंटीना के विकिरण आकृति (रेडिएशन पैटर्न) को एक हस्तक्षेपित पैटर्न (इन्टरफेयर पैटर्न) कहा जाता है। इसके परिणामस्वरूप कुछ कोणों पर विकिरण का मान शून्य होता है और यह मान शून्य उस स्थिति में होता है जहाँ विभिन्न भागों से रेडियो तरंगें चरणों से बाहर (आउट आफ फेस) होती 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 पैटर्न दिखाता है, जिसे "नल्स " द्वारा अलग किया जाता है, और ऐसी स्थिति में विकिरण का मान शून्य होता है। इस प्रकार तरंगदैर्घ्य की तुलना में एंटीना जितना बड़ा होगा, उसके उतने ही अधिक लोब होंगे।

एक दिशात्मक एंटीना का प्रमुख उद्देश्य एक विशेष दिशा में रेडियो तरंगों को उत्सर्जित करना है, इस प्रकार एंटीना को इस प्रकार डिजाइन किया गया है कि वांछित दिशा में निर्देशित लोब होने पर यह अपनी अधिकांश शक्ति को विकीर्ण कर सके। इसलिए रेडिएशन प्लॉट में यह लोब तुलनात्मक रूप से 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 बोरसाइड एक्सिस " कहते है। कुछ एंटेना ऐसे होते हैं जिनमें एक से अधिक प्रमुख लोब पाए जा सकते हैं, स्प्लिट-बीम एंटेना इसी का एक उदाहरण है। मुख्य लोब के पास में कुछ अन्य लोब होते हैं, जो अन्य दिशाओं में अवांछित विकिरण का प्रतिनिधित्व करते हैं, ऐसे लोब छोटे लोब कहलाते हैं। मुख्य लोब के कोण पर उन्मुख छोटे लोब को "साइड लोब " कहा जाता है। मुख्य लोब के विपरीत दिशा ( यानी 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। उदाहरण के लिए, अधिकांश रडार प्रणालियों में साइड लोब के माध्यम से फाल्स टार्गेट संकेतों को कम करने के लिए साइड लोब अनुपात कम होना 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 हम बीच की दूरी को बढ़ा कर करते हैं ऐसा करने पर दो एंटेना जो सन्निकटन है वे 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 स्वतंत्रता पूर्वक इंगित(पॉइंट) किया जा सकता 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 और एक रिसीवर से जुड़ा होता है, 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 इतनी दूर हैं कि ट्रांसमिटिंग एंटीना के गुण प्राप्त करने वाले एंटीना द्वारा उस पर रखे गए लोड के कारण 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 प्रभावी एपर्चर (रिसीविंग) और संचारण लाभ (ट्रांसमिटिंग गेन) की दिशात्मक निर्भरता समान (क्यूईडी) है। इसके अलावा, आनुपातिकता की निरंतरता एंटीना की प्रकृति की परवाह किए बिना समान रहता है, 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। इस कारण, किसी भी एंटेना के लिए लाभ और प्रभावी एपर्चर आपस में इस प्रकार संबंधित हैं-

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

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 आकृति (रेडिएशन 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।