Aperture (antenna)
برقی مقناطیسیت اور اینٹینا تھیوری میں، اینٹینا کے یپرچر کی تعریف "ایک ایسی سطح، جو اینٹینا کے قریب یا اس پر ہو، جس پر بیرونی نکات پر فیلڈز کی کمپیوٹنگ کے مقصد کے لیے فیلڈ ویلیوز کے بارے میں مفروضے بنانا آسان ہو۔ یپرچر کو اکثر اینٹینا کے قریب ہوائی جہاز کی سطح کے اس حصے کے طور پر لیا جاتا ہے، جو زیادہ سے زیادہ تابکاری کی سمت پر کھڑا ہوتا ہے، جس سے تابکاری کا بڑا حصہ گزرتا ہے۔ ایک اینٹینا کے موثر رقبے کی تعریف اس طرح کی گئی ہے کہ "ایک دی گئی سمت میں، وصول کرنے والے اینٹینا کے ٹرمینلز پر دستیاب طاقت کا تناسب اور اس سمت سے اینٹینا پر ہوائی جہاز کی لہر کے واقعے کی طاقت کے بہاؤ کی کثافت، لہر کی پولرائزیشن اینٹینا سے مماثل ہے"۔ اس تعریف میں خاص طور پر نوٹ کرنے کی بات یہ ہے کہ موثر رقبہ اور طاقت کے بہاؤ کی کثافت دونوں ایک طیارہ لہر کے واقع زاویہ کے افعال ہیں۔ فرض کریں کہ کسی خاص سمت سے ہوائی جہاز کی لہر، جو کہ سرنی نارمل سے متعلق ایزموتھ اور بلندی کے زاویے ہیں، میں طاقت کے بہاؤ کی کثافت ہوتی ہے۔ یہ ایک مربع میٹر کی ہوائی جہاز کی لہر کی سمت میں ایک یونٹ ایریا نارمل سے گزرنے والی طاقت کی مقدار ہے۔ تعریف کے مطابق، اگر کوئی اینٹینا اپنے آؤٹ پٹ ٹرمینلز سے منسلک ٹرانسمیشن لائن پر واٹ پہنچاتا ہے جب پاور ڈینسٹی واٹ فی مربع میٹر کے یکساں فیلڈ کے ذریعے تابکاری ہوتی ہے، تو اس طیارہ لہر کی سمت کے لیے اینٹینا کا موثر رقبہ اینٹینا کے ذریعے دیا جاتا ہے۔ اینٹینا کے ذریعے قبول کردہ طاقت (اینٹینا ٹرمینلز پر طاقت) اینٹینا کی تابکاری کی کارکردگی کے ذریعے اینٹینا کو موصول ہونے والی طاقت سے کم ہے۔ برقی مقناطیسی توانائی کی طاقت کی کثافت کے برابر ہے، جہاں صف یپرچر کے لیے یونٹ ویکٹر نارمل ہے، جسے فزیکل یپرچر ایریا سے ضرب دی جاتی ہے۔ آنے والی تابکاری کو اینٹینا کی طرح ہی پولرائزیشن سمجھا جاتا ہے۔ لہذا، اور اینٹینا یا یپرچر کا موثر علاقہ وصول کرنے والے اینٹینا پر مبنی ہوتا ہے۔ تاہم، باہمی تعامل کی وجہ سے، وصول کرنے اور منتقل کرنے میں اینٹینا کی سمت ایک جیسی ہوتی ہے، اس لیے مختلف سمتوں میں اینٹینا کے ذریعے منتقل ہونے والی طاقت (تابکاری کا نمونہ) بھی موثر علاقے کے متناسب ہوتی ہے۔ جب کوئی سمت متعین نہیں کی جاتی ہے، تو اس کی زیادہ سے زیادہ قیمت کا حوالہ دیتے ہوئے سمجھا جاتا ہے۔ موثر لمبائی زیادہ تر اینٹینا کے ڈیزائنوں کی وضاحت جسمانی رقبے سے نہیں کی جاتی ہے بلکہ وہ تاروں یا پتلی سلاخوں پر مشتمل ہوتے ہیں۔ پھر موثر یپرچر کا اینٹینا کے سائز یا رقبے سے کوئی واضح تعلق نہیں ہوتا ہے۔ اینٹینا رسپانس کی ایک متبادل پیمائش جس کا اس طرح کے اینٹینا کی جسمانی لمبائی سے زیادہ تعلق ہے، میٹر میں ناپی جانے والی موثر لمبائی ہے، جسے وصول کرنے والے اینٹینا کے لیے اس طرح بیان کیا جاتا ہے کہ جہاں اینٹینا کے ٹرمینلز پر اوپن سرکٹ وولٹیج ظاہر ہوتا ہے، وہ الیکٹرک فیلڈ طاقت ہے۔ اینٹینا پر وولٹ فی میٹر میں ریڈیو سگنل۔ مؤثر لمبائی جتنی لمبی ہوگی، اس کے ٹرمینلز پر ظاہر ہونے والا وولٹیج اتنا ہی زیادہ ہوگا۔ تاہم، اس وولٹیج سے ظاہر ہونے والی اصل طاقت کا انحصار اینٹینا کے فیڈ پوائنٹ امپیڈینس پر ہوتا ہے، اس لیے اس کا براہ راست تعلق اینٹینا گین سے نہیں ہو سکتا، جو کہ موصول شدہ طاقت کی پیمائش ہے (لیکن براہ راست وولٹیج یا کرنٹ کی وضاحت نہیں کرتا)۔ مثال کے طور پر، نصف لہر والے دو قطبوں کی موثر لمبائی مختصر دو قطبوں کے مقابلے میں بہت زیادہ ہوتی ہے۔ تاہم مختصر ڈائپول کا موثر رقبہ تقریبا اتنا ہی بڑا ہوتا ہے جتنا کہ ہاف ویو اینٹینا کے لیے ہوتا ہے، کیونکہ (مثالی طور پر)، ایک مثالی امپیڈینس میچنگ نیٹ ورک کو دیکھتے ہوئے، یہ اس لہر سے تقریبا اتنی ہی طاقت حاصل کر سکتا ہے۔ نوٹ کریں کہ کسی دیئے گئے اینٹینا فیڈ پوائنٹ امپیڈینس کے لیے، اینٹینا کا فائدہ یا مربع کے مطابق بڑھتا ہے، تاکہ مختلف لہر کی سمتوں سے متعلق اینٹینا کی موثر لمبائی ان سمتوں میں فائدہ کے مربع جڑ کی پیروی کرے۔ لیکن چونکہ اینٹینا کے جسمانی سائز کو تبدیل کرنا لامحالہ امپیڈینس کو تبدیل کرتا ہے (اکثر ایک عظیم عنصر کے ذریعہ)، اس لیے موثر لمبائی اپنے آپ میں اینٹینا کی چوٹی کی ہدایت کو بیان کرنے کے لیے میرٹ کی ایک مفید شخصیت نہیں ہے اور اس کی نظریاتی اہمیت زیادہ ہے۔ یپرچر کی کارکردگی عام طور پر، اینٹینا کے یپرچر کا براہ راست اندازہ اس کے جسمانی سائز سے نہیں لگایا جا سکتا۔ تاہم نام نہاد یپرچر اینٹینا جیسے پیرابولک ڈشز اور ہارن اینٹینا میں ایک بڑا (طول موج سے متعلق) جسمانی رقبہ ہوتا ہے جو اس طرح کی تابکاری کے لیے غیر شفاف ہوتا ہے، بنیادی طور پر ہوائی جہاز کی لہر سے سایہ ڈالتا ہے اور اس طرح اصل بیم سے طاقت کی مقدار کو ہٹا دیتا ہے۔ طیارہ لہر سے ہٹائی گئی وہ طاقت دراصل اینٹینا (برقی طاقت میں تبدیل)، عکاسی یا دوسری صورت میں بکھرے ہوئے، یا جذب (حرارت میں تبدیل) کے ذریعے حاصل کی جا سکتی ہے۔ اس صورت میں موثر یپرچر ہمیشہ اینٹینا کے فزیکل یپرچر کے رقبے سے کم (یا اس کے برابر) ہوتا ہے، کیونکہ یہ صرف اس لہر کے اس حصے کے لیے ہوتا ہے جو دراصل برقی طاقت کے طور پر موصول ہوتا ہے۔ یپرچر اینٹینا کی یپرچر کی کارکردگی کو ان دو علاقوں کے تناسب کے طور پر بیان کیا گیا ہے: یپرچر کی کارکردگی 0 اور 1 کے درمیان ایک طول و عرض کے بغیر پیرامیٹر ہے جو اس بات کی پیمائش کرتا ہے کہ اینٹینا اپنے جسمانی یپرچر کو عبور کرنے والی تمام ریڈیو لہر طاقت کا استعمال کرنے کے کتنے قریب آتا ہے۔ اگر یپرچر کی کارکردگی 100% ہوتی، تو اس کے فزیکل یپرچر پر پڑنے والی تمام لہر کی طاقت اس کے آؤٹ پٹ ٹرمینلز سے منسلک بوجھ پر پہنچائی جانے والی برقی طاقت میں تبدیل ہو جاتی، لہذا یہ دونوں علاقے برابر ہوں گے: لیکن پیرابولک ڈش کے فیڈ کے ذریعہ غیر یکساں روشنی کے ساتھ ساتھ بکھرنے یا نقصان کے دیگر طریقہ کار کی وجہ سے، یہ عملی طور پر حاصل نہیں ہوتا ہے۔ چونکہ ایک پیرابولک اینٹینا کی لاگت اور ہوا کا بوجھ جسمانی یپرچر سائز کے ساتھ بڑھتا ہے، اس لیے یپرچر کی کارکردگی کو زیادہ سے زیادہ کرکے ان کو کم کرنے (ایک مخصوص اینٹینا کا فائدہ حاصل کرتے ہوئے) کا ایک مضبوط محرک ہو سکتا ہے۔ عام یپرچر اینٹینا کی یپرچر کی استعداد 0.35 سے 0.70 تک مختلف ہوتی ہے۔ نوٹ کریں کہ جب کوئی محض اینٹینا کی "کارکردگی" کی بات کرتا ہے، تو اکثر جس چیز کا مطلب ہوتا ہے وہ تابکاری کی کارکردگی ہے، ایک ایسا پیمانہ جو تمام اینٹینا (نہ صرف یپرچر اینٹینا) پر لاگو ہوتا ہے اور صرف نقصانات کی وجہ سے فائدہ میں کمی کا سبب بنتا ہے۔ یپرچر اینٹینا کے باہر، زیادہ تر اینٹینا پتلی تاروں یا سلاخوں پر مشتمل ہوتے ہیں جن کا ایک چھوٹا سا جسمانی کراس سیکشنل ایریا (عام طور پر اس سے بہت چھوٹا) ہوتا ہے جس کے لیے "یپرچر کی کارکردگی" کی وضاحت بھی نہیں کی جاتی ہے۔ ایک اینٹینا کی ہدایت، ریڈیو لہروں کو ترجیحی طور پر ایک سمت میں ہدایت کرنے یا کسی دی گئی سمت سے ترجیحی طور پر وصول کرنے کی اس کی صلاحیت کا اظہار اینٹینا گین نامی پیرامیٹر کے ذریعے کیا جاتا ہے۔ یہ سب سے زیادہ عام طور پر اس اینٹینا کے ذریعہ کسی دی گئی سمت میں لہروں سے موصول ہونے والی طاقت کے تناسب کے طور پر بیان کیا جاتا ہے جو ایک مثالی آئسوٹروپک اینٹینا کے ذریعہ حاصل کی جائے گی، یعنی ایک فرضی اینٹینا جو تمام سمتوں سے یکساں طور پر طاقت حاصل کرتا ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ (دی گئی فریکوئنسی پر اینٹینا کے لیے) فائدہ بھی ان اینٹینا کے یپرچرز کے تناسب کے برابر ہے: جیسا کہ ذیل میں دکھایا گیا ہے، ایک نقصان کے بغیر آئسوٹروپک اینٹینا کا یپرچر، جس کی اس تعریف کے مطابق یونٹی گین ہے، وہ ہے جہاں ریڈیو لہروں کی طول موج ہے۔ اس طرح بڑے موثر یپرچر والے اینٹینا کو ہائی گین اینٹینا (یا بیم اینٹینا) سمجھا جاتا ہے، جن کی کونیی بیم کی چوڑائی نسبتا چھوٹی ہوتی ہے۔ اینٹینا حاصل کرنے کے طور پر، وہ دوسری سمتوں سے آنے والی لہروں کے مقابلے ترجیحی سمت سے آنے والی ریڈیو لہروں کے لیے بہت زیادہ حساس ہوتے ہیں (جسے مداخلت سمجھا جائے گا)۔ اینٹینا منتقل کرنے کے طور پر، ان کی زیادہ تر طاقت دوسری سمتوں کی قیمت پر ایک خاص سمت میں خارج ہوتی ہے۔ اگرچہ اینٹینا کا فائدہ اور موثر یپرچر سمت کے افعال ہیں، جب کوئی سمت متعین نہیں کی جاتی ہے، تو ان کو ان کی زیادہ سے زیادہ اقدار کا حوالہ دیتے ہوئے سمجھا جاتا ہے، یعنی اینٹینا کے مطلوبہ استعمال کی سمت (ز) میں (جسے اینٹینا کا مرکزی لوب یا بورسائٹ بھی کہا جاتا ہے)۔ فریس ٹرانسمیشن فارمولا ایک ٹرانسمیٹنگ اینٹینا کو فراہم کردہ طاقت کا حصہ جو وصول کرنے والے اینٹینا کے ذریعہ موصول ہوتا ہے وہ دونوں اینٹینا کے یپرچرز کے پروڈکٹ کے متناسب ہوتا ہے اور اینٹینا اور طول موج کے درمیان فاصلے کی مربع شدہ اقدار کے الٹا متناسب ہوتا ہے۔ یہ فریس ٹرانسمیشن فارمولے کی ایک شکل کے ذریعے دیا جاتا ہے: جہاں ٹرانسمیٹنگ اینٹینا ان پٹ ٹرمینلز میں دی جانے والی طاقت ہے، اینٹینا آؤٹ پٹ ٹرمینلز وصول کرنے پر دستیاب طاقت ہے، وصول کرنے والے اینٹینا کا موثر علاقہ ہے، ٹرانسمیٹنگ اینٹینا کا موثر علاقہ ہے، اینٹینا کے درمیان فاصلہ ہے (فارمولہ صرف اتنا بڑا ہے کہ وصول کرنے والے اینٹینا پر ہوائی جہاز کی لہر کے سامنے کو یقینی بناتا ہے، جس کا کافی تخمینہ لگایا گیا ہے، جہاں کسی بھی اینٹینا کا سب سے بڑا لکیری طول و عرض ہے)، ریڈیو فریکوئنسی کی طول موج ہے۔ تھرموڈینامک تحفظات سے اینٹینا یپرچر کی ماخوذیت ایک آئسوٹروپک اینٹینا کا یپرچر، جو اوپر دیے گئے فائدہ کی تعریف کی بنیاد ہے، تھرموڈینامکس کے ساتھ مستقل مزاجی کی بنیاد پر حاصل کیا جا سکتا ہے۔ فرض کریں کہ R کے ڈرائیونگ پوائنٹ امپیڈینس کے ساتھ ایک مثالی آئسوٹروپک اینٹینا A درجہ حرارت T پر تھرموڈینامک توازن میں ایک بند نظام CA کے اندر بیٹھا ہے۔ ہم اینٹینا ٹرمینلز کو دوسرے بند نظام CR کے اندر بھی مزاحمت R کے مزاحم سے جوڑتے ہیں، درجہ حرارت T پر بھی۔ درمیان میں صرف کچھ فریکوئنسی اجزاء سے گزرنے والا ایک من مانی نقصان کے بغیر الیکٹرانک فلٹر Fν داخل کیا جا سکتا ہے۔ ہر کیویٹی تھرمل توازن میں ہوتی ہے اور اس طرح درجہ حرارت T کی وجہ سے بلیک باڈی تابکاری سے بھری ہوتی ہے۔ مزاحم، اس درجہ حرارت کی وجہ سے، اوپن سرکٹ وولٹیج کے ساتھ جانسن-نائکوسٹ شور پیدا کرے گا جس کی اوسط مربع سپیکٹرم کثافت اس کے ذریعہ دی جاتی ہے جہاں فریکوئنسی f پر لاگو ہونے والا کوانٹم مکینیکل عنصر ہوتا ہے۔ عام درجہ حرارت اور الیکٹرانک تعدد پر، لیکن عام طور پر اس کے ذریعہ دیا جاتا ہے۔ امپیڈینس R کے برقی ذریعہ کے ذریعہ ایک مماثل بوجھ میں فراہم کردہ طاقت کی مقدار (یعنی، R کی امپیڈینس والی چیز، جیسے CA میں اینٹینا) جس کا rms اوپن سرکٹ وولٹیج vrms ہے، مندرجہ بالا کو مربوط کرکے اوسط مربع وولٹیج پایا جا سکتا ہے۔ سادگی کے لیے، آئیے Fν کو مرکزی فریکوئنسی f1 کے ارد گرد بینڈوڈتھ B1 کے ایک تنگ بینڈ فلٹر کے طور پر سمجھیں، اس صورت میں جو انٹیگرل مندرجہ ذیل آسان بناتا ہے: مزاحم سے جانسن شور کی وجہ سے یہ طاقت اینٹینا کے ذریعے حاصل ہوتی ہے، جو اسے بند نظام CA میں خارج کرتی ہے۔ وہی اینٹینا، جو درجہ حرارت T کے بلیک باڈی تابکاری میں نہایا جاتا ہے، پلانک کے قانون کے ذریعہ دیا گیا ایک سپیکٹرم تابکاری (پاور فی یونٹ ایریا فی یونٹ فریکوئنسی فی یونٹ ٹھوس زاویہ) حاصل کرتا ہے: اوپر بیان کردہ اشارے کا استعمال کرتے ہوئے۔ تاہم، وہ تابکاری غیر قطبی ہے، جبکہ اینٹینا صرف ایک پولرائزیشن کے لیے حساس ہے، جس سے اسے 2 کے عنصر سے کم کیا جاتا ہے۔ اینٹینا کے ذریعہ قبول کردہ بلیک باڈی تابکاری سے کل طاقت کا پتہ لگانے کے لیے، ہمیں اس مقدار کو اینٹینا کے فرض کردہ کراس سیکشنل ایریا ایف کے اوقات کو تمام ٹھوس زاویوں پر اور تمام تعدد f پر مربوط کرنا چاہیے: چونکہ ہم نے ایک آئسوٹروپک ریڈی ایٹر فرض کیا ہے، ایف زاویہ سے آزاد ہے، لہذا ٹھوس زاویوں پر انضمام معمولی ہے، جس سے 4π کا عنصر متعارف ہوتا ہے۔ اور پھر ہم ایک تنگ بینڈ الیکٹرانک فلٹر فنکشن Fν کا سادہ کیس لے سکتے ہیں جو صرف فریکوئنسی f1 کے ارد گرد بینڈوڈتھ B1 کی طاقت کو منتقل کرتا ہے۔ ڈبل انٹیگرل پھر فریکوئنسی f1 کے مطابق فری اسپیس ویو لینتھ کو آسان بناتا ہے۔ چونکہ ہر نظام ایک ہی درجہ حرارت پر تھرموڈینامک توازن میں ہوتا ہے، اس لیے ہم گہاوں کے درمیان طاقت کی خالص منتقلی کی توقع نہیں کرتے ہیں۔ ورنہ تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کی خلاف ورزی کرتے ہوئے ایک کیویٹی گرم ہو جائے گی اور دوسری ٹھنڈی ہو جائے گی۔ لہذا، دونوں سمتوں میں طاقت کا بہاؤ برابر ہونا چاہیے: اس کے بعد ہم اف کے لیے حل کر سکتے ہیں، کراس سیکشنل ایریا کو آئسوٹروپک اینٹینا کے ذریعے روکا جاتا ہے: اس طرح ہمیں معلوم ہوتا ہے کہ ایک فرضی آئسوٹروپک اینٹینا کے لیے، تھرموڈینامکس کا مطالبہ ہے کہ وصول کرنے والے اینٹینا کے موثر کراس سیکشن کا رقبہ λ2/4π ہو۔ اس نتیجے کو مزید عام کیا جا سکتا ہے اگر ہم انٹیگرل اوور فریکوئنسی کو زیادہ عام ہونے دیں۔ پھر ہم دیکھتے ہیں کہ ایک ہی اینٹینا کے لیے اف کو λ = c/f کا استعمال کرتے ہوئے اسی فارمولے کے مطابق فریکوئنسی کے ساتھ مختلف ہونا چاہیے۔ مزید برآں، ٹھوس زاویے پر انٹیگرل کو ایک ایسے اینٹینا کے لیے عام کیا جا سکتا ہے جو آئسوٹروپک نہیں ہے (یعنی کوئی حقیقی اینٹینا)۔ چونکہ پہنچنے والا برقی مقناطیسی تابکاری کا زاویہ صرف مذکورہ بالا انٹیگرل میں ایف میں داخل ہوتا ہے، اس لیے ہم اس سادہ لیکن طاقتور نتیجے پر پہنچتے ہیں کہ طول موج λ پر تمام زاویوں پر موثر کراس سیکشن ایف کی اوسط بھی اس کے ذریعے دی جانی چاہیے۔ اگرچہ مذکورہ بالا کافی ثبوت ہے، ہم نوٹ کر سکتے ہیں کہ اینٹینا کی رکاوٹ R ہونے کی حالت، مزاحم کی طرح، کو بھی آرام دیا جا سکتا ہے۔ اصولی طور پر، کسی بھی اینٹینا کی رکاوٹ (جو مکمل طور پر رد عمل نہیں ہے) کو مناسب (نقصان کے بغیر) مماثل نیٹ ورک ڈال کر مزاحم R سے مماثل کیا جا سکتا ہے۔ چونکہ یہ نیٹ ورک نقصان سے پاک ہے، اس لیے پاور پی اے اور پی آر اب بھی مخالف سمتوں میں بہہ رہے ہوں گے، حالانکہ اینٹینا اور مزاحم کے ٹرمینلز پر نظر آنے والے وولٹیج اور کرنٹ مختلف ہوں گے۔ دونوں سمتوں میں بجلی کے بہاؤ کی سپیکٹرم کثافت اب بھی اس کے ذریعہ دی جائے گی، اور حقیقت میں یہ ایک برقی مقناطیسی موڈ سے وابستہ بہت ہی تھرمل شور پاور سپیکٹرم کثافت ہے، چاہے وہ آزاد جگہ میں ہو یا برقی طور پر منتقل ہو۔ چونکہ مزاحم کے ساتھ صرف ایک ہی کنکشن ہوتا ہے، اس لیے مزاحم خود ایک واحد موڈ کی نمائندگی کرتا ہے۔ اور ایک اینٹینا، جس میں ایک واحد برقی کنکشن بھی ہوتا ہے، اس کے اوسط موثر کراس سیکشن کے مطابق برقی مقناطیسی میدان کے ایک موڈ میں جوڑتا ہے۔ حوالہ جات نوٹ ایپچر ڈی: ایپچر