Concepto de antena, es un dispositivo pasivo, pero ¿qué hay de la ganancia?

Una antena es un dispositivo pasivo.

La ganancia de una antena se refiere a su directividad por eficiencia en comparación con una antena isotrópica.

Una antena isotrópica es una antena teórica que irradia por igual en todas las direcciones. Si esta antena estuviera encapsulada en el centro de una esfera, iluminaría todas las partes de la esfera por igual y de manera uniforme.

Todas las demás antenas del mundo real no iluminan una esfera por igual. Algunas áreas de la superficie tienen más poder que otras áreas. Como resultado de que la antena favorece algunas áreas de la superficie en comparación con otras, se dice que la antena tiene ganancia en comparación con una esfera uniformemente iluminada. El área o dirección con la mayor potencia se considera el lóbulo principal de la radiación.

Aunque en esta descripción se ha utilizado radiación, debido a la teoría de la reciprocidad, se aplica igualmente a una antena receptora.

También puede pensar en esto en el contexto de una linterna/bombilla de antorcha. Si ilumina la bombilla sin su reflector, no parece ser muy brillante. Pero si ahora coloca un reflector de haz muy angosto detrás de él, puede hacerlo brillar en los ojos de alguien con resultados casi cegadores. La energía emitida por la bombilla no ha cambiado, pero para el observador es como si la bombilla fuera muchas veces más brillante. Esto es análogo a la ganancia de antena.

Esa es una buena observación.

La confusión proviene de lo que se entiende por "ganancia" en el caso especial de las antenas. Para circuitos ordinarios, la ganancia es generalmente la potencia de salida dividida por la potencia de entrada. Tiene razón en que los componentes pasivos, por lo tanto, no pueden tener "ganancia" (en este caso, se usa para implicar ganancia> 1).

Sin embargo, para las antenas, hay dos diferencias importantes en lo que significa "ganancia":

1. Es la ganancia más alta que la antena puede lograr en una dirección particular . Esto es siempre a expensas de una menor ganancia en otras direcciones.

   Esto es como una linterna con un reflector que enfoca la luz en una dirección particular. En este contexto, puede decir que el reflector tiene una ganancia alta en una dirección estrecha, pero una ganancia casi nula en otras direcciones. La potencia de luz emitida total no excede la luz que está apagando la bombilla. Pero, visto a la distancia desde donde se enfoca el haz, puede parecer de esa manera.

2. La ganancia no es la potencia de salida dividida por la potencia de entrada, sino la potencia de salida relativa a una referencia. Esa referencia suele ser un radiador isotrópico teórico (irradia por igual en todas las direcciones), pero a veces un dipolo.

   Esto tiene sentido cuando lo piensas, ya que estás interesado en ganar en una dirección particular. El poder absoluto no significa mucho en ese contexto. Lo que importa es la potencia por ángulo sólido. Entonces, la referencia obvia es la potencia por ángulo sólido que se obtiene si la potencia se distribuye uniformemente en todas las direcciones, lo que se denomina patrón de radiación esférico.

   Dado que los dipolos son la antena básica de bajo nivel, a veces la ganancia de una antena en particular se cita en relación con el dipolo en la dirección de radiación óptima del dipolo . Sin embargo, esto debe indicarse explícitamente. Suponga que la "ganancia" no calificada de una antena es relativa a un patrón de radiación esférico.

Entonces, por lo tanto, la ganancia de una antena es realmente una medida de cuánto puede concentrar la potencia radiada en una dirección particular. Las antenas son dispositivos pasivos y no pueden generar más potencia de salida que la potencia de entrada.

En su forma más básica, las antenas son dispositivos pasivos. Los productos anunciados como antenas activas son dispositivos pasivos con amplificadores agregados a la red de alimentación.

Sin embargo, una de las propiedades más importantes de una antena es su ganancia. La ganancia es una propiedad direccional que comúnmente se expresa en decibelios con referencia a isótropos (dBi). Una antena isotrópica irradia la misma potencia en todas las direcciones y por lo tanto su ganancia es de 1 dBi en todas las direcciones. Sin embargo, las antenas reales radian en patrones que son más grandes en algunas direcciones que en otras. A continuación se muestra una sección transversal del patrón de radiación de una antena dipolo. tiene forma de donut.

En el punto máximo del patrón de radiación del dipolo, está radiando 1,64 veces más potencia que la que emitiría un patrón isotrópico en esa dirección con la misma potencia de entrada. Por lo tanto en esa dirección la ganancia equivalente es de 2,15 dBi ($10\log (1.64)$). Sin embargo, puede ver que casi no se irradia energía por encima o por debajo de la antena.

Para cualquier antena perfectamente acoplada sin pérdidas resistivas, la integral sobre la esfera de la potencia radiada total será la misma para la misma potencia de entrada. Sin embargo, se irradiará más energía en ciertas direcciones que en otras.

Las antenas parabólicas son antenas que tienen mucha ganancia en un haz muy estrecho. Se utilizan para enviar señales con mucha pérdida (alta frecuencia) a grandes distancias. La ganancia adicional de su directividad les permite superar la pérdida de espacio libre.

Es pasivo, en el sentido de que no contiene componentes electrónicos y no requiere fuente de alimentación.

Sin embargo, la forma y el tamaño de la antena afectan la forma y el tamaño del patrón de radiación que emite.

En el fondo, todas las antenas son solo un "dipolo", es decir, dos conductores que se alejan uno del otro (o un monopolo y la tierra (el segundo polo), que es lo que se ve con una antena de FM tradicional). Este dipolo crea un patrón de radiación con una polarización (dependiendo del ángulo del dipolo). Diferentes longitudes crean diferentes patrones de radiación (a menudo representados como donas alrededor de la antena). Algunas longitudes hacen que la forma de onda de la corriente dentro del conductor se pliegue sobre sí misma (1/4 de longitud de onda) duplicando la corriente aparente en cualquier punto del conductor, aumentando así la potencia instantánea pero a costa de la "altura" del patrón de radiación.

Luego, muchas antenas también tienen porciones externas que dan forma a esa energía radiada en un patrón más utilizable. Por ejemplo, un plato parabólico transformará la energía radiada en más de un haz. Una matriz Yagi (antena de TV) hace que se asemeje más a la forma de una llama. Hay muchos arreglos para diferentes situaciones.

Pero básicamente:

• La longitud del dipolo crea el patrón de radiación base dando forma a la onda en el conductor.
• Los elementos externos dan forma a ese patrón de radiación para que vaya a donde quieras.

Dado que hay una cantidad fija y finita de energía en ese patrón de radiación, ahora puede ver que darle forma es simplemente un caso de mover energía de una parte a otra. Obtiene menos potencia detrás de una matriz Yagi que delante. Entonces se dice que tales antenas son direccionales porque funcionan mejor en una dirección. Sin esos elementos de configuración externos, obtienes una antena omnidireccional (que en realidad es un nombre inapropiado, ya que solo es realmente en 2 dimensiones que es "omni").

• Patrón de radiación de media onda

• Patrón de radiación de cuarto de onda

• Patrón de radiación de matriz Yagi