¿Cómo se puede usar una antena de baja eficiencia para recibir pero no para transmitir?

El teorema de reciprocidad trata sobre la ganancia de la antena. Digamos que tenemos una antena con un 50% de eficiencia energética, por lo que 3dB más de pérdida que una antena perfecta.

Si se usa para la recepción, perderá la mitad de la potencia que recibe, por lo tanto, disminuya la relación señal/ruido debido al ruido de entrada del receptor en 3dB. No es ideal, pero no es gran cosa, solo significa una reducción en el alcance en comparación con una antena perfecta en un entorno silencioso.

Si lo usamos en un entorno de radio móvil ajetreado y hay muchos otros usuarios que crean interferencias en los mismos canales y en los cercanos, entonces también atenúa esas señales, por lo que el sistema funciona tan bien como cuando se usa una antena perfecta. .

Ahora considérelo para la transmisión. Perderá la mitad de la potencia que le ponemos. Si queremos radiar 100mW (para un teléfono móvil) o 100kW (para un transmisor de TV), necesitaremos que nuestro amplificador de potencia de RF genere 200mW (lo que nos dará la mitad del tiempo de conversación con la misma batería), o 200kW (sería usted compra un amplificador de 200kW cuando realmente solo necesitaba 100kW, sin importar los 200kW adicionales de la red eléctrica para hacerlo funcionar).

Si bien la ganancia de la antena es recíproca, la forma en que la usa ciertamente no lo es.

Hay una imagen más grande a considerar...

Por el teorema de la reciprocidad, si una antena tiene una eficiencia baja en transmisión, tiene la misma eficiencia en recepción.

Solo para ser absolutamente claro acerca de esto: puede tener una "antena" de recepción muy buena y bastante eficiente que hace que una antena de transmisión sea muy pobre. El teorema de la reciprocidad no siempre ofrece una imagen más amplia.

Considere la vieja y fiel antena de varilla de ferrita utilizada en receptores de onda larga y media: -

Es muy bueno para recolectar y canalizar la parte magnética de la onda EM incidente y se usa ampliamente en muchas radios. Sin embargo, es la antena transmisora ​​más abismal porque solo puede producir la parte magnética de la onda EM y el campo H que producirá se dispersará con la distancia a una magnitud de$\frac{1}{d^3}$.

En comparación con una antena normal como un dipolo, producirá campos E y H que se dispersan con una magnitud de$\frac{1}{d}$.

Considere también el monopolo de cuarto de onda (solo como ejemplo). Se utilizan muchos que son mucho más cortos que$\lambda/4$pero puede funcionar de manera muy efectiva como antena receptora porque la impedancia de salida que presentan a un receptor de radio es altamente capacitiva: -

A$\lambda/4$de longitud su impedancia es de unos 37 ohmios resistivos y no capacitivos ni inductivos. Este es el razonamiento tradicional para usar un monopolo de cuarto de onda. Sin embargo, a medida que disminuye la longitud o la frecuencia operativa requerida, el monopolo se vuelve progresivamente más capacitivo y la parte resistiva tiende a cero.

Esto está bien para un receptor de radio que opera en una determinada banda: puede usar un inductor para formar un buen filtro de paso de banda frontal y no le importa que la resistencia sea baja.

Sin embargo, esa resistencia es importante para un transmisor: representa la resistencia del medio de transmisión (modificado por la antena de 377 ohmios de espacio libre a 37 ohmios eléctricos). Esa resistencia es en lo que desea impulsar la potencia de su PA y, si la antena es "corta", está luchando rápidamente para poner energía en una resistencia de 1 ohm mientras se enfrenta a las pérdidas de la antena (también alrededor de 1 ohm). Así que inmediatamente estás perdiendo potencia transmitida.

En HF el razonamiento es el siguiente:

La recepción generalmente está limitada por el ruido del cielo, lo que quiere decir que el ruido propio de RX no suele ser en ningún sentido el factor limitante. Si hace que el receptor sea más silencioso, todo lo que sucede es que escucha más ruido del cielo, por lo que para recibir el rendimiento de la antena se trata mucho más de la relación F / B (para que pueda anular la interferencia) que de la sensibilidad. El otro elefante en la habitación (y uno por el que a menudo cambias voluntariamente la sensibilidad) es el manejo de portadores adyacentes fuertes.

Sin embargo, en la transmisión, cada dB adicional de potencia radiada coloca la señal en el receptor mucho más por encima del ruido del cielo, por lo que realmente desea una buena eficiencia aquí. La situación NO es recíproca, porque el ruido que limita el rendimiento se suma después de las antenas transmisoras, pero antes de las antenas receptoras.

En VHF y superiores, donde el ruido del cielo es un problema mucho menor y domina el ruido propio del receptor, la situación es diferente ya que allí tiene una reciprocidad sustancial y mejores antenas en ambos extremos son igualmente importantes. Para un trabajo de señal realmente débil, a veces prefiere obtener una temperatura de ruido más baja en lugar de la ganancia final, pero eso es en gran medida un tipo de comunicación de espacio de señal débil.

Tenga en cuenta que la ganancia de la antena NO es la única figura de mérito. A veces, la relación F/B, la temperatura del ruido, el tamaño, el ancho de banda o cualquier otra cosa es más importante.

¿Por qué utilizar una antena de baja eficiencia? Tamaño. Estoy seguro de que un diseñador de antenas habilidoso podría mejorar la eficiencia de la antena receptora de un teléfono móvil al colocarle un plato parabólico de un metro de ancho, pero eso lo hace considerablemente menos útil. Mientras que la estación base no tiene esas limitaciones y, por lo tanto, puede usar antenas más grandes.

La direccionalidad también importa mucho cuando se habla de la eficiencia de la antena; Los platos parabólicos son muy eficientes pero solo en una dirección.