Patrón de radiación

Patrones de radiación de antena tridimensional. La distancia radial del origen en cualquier dirección representa la fuerza de la radiación emitida en esa dirección. La parte superior muestra el patrón de directiva de una antena de cuerno, la parte inferior muestra el patrón omnidireccional de una simple antena vertical.

En el campo del diseño de antenas, el término patrón de radiación (o patrón de antena o patrón de campo lejano) se refiere al Dependencia direccional (angular) de la fuerza de las ondas de radio de la antena u otra fuente.

Especialmente en los campos de la fibra óptica, los láseres y la óptica integrada, el término patrón de radiación también se puede utilizar como sinónimo de patrón de campo cercano o patrón de Fresnel. Esto se refiere a la dependencia posicional del campo electromagnético en el campo cercano, o región de Fresnel de la fuente. El patrón de campo cercano se define más comúnmente sobre un plano colocado frente a la fuente, o sobre una superficie cilíndrica o esférica que la encierra.

El patrón de campo lejano de una antena se puede determinar experimentalmente en un rango de antena o, alternativamente, el patrón de campo cercano se puede encontrar usando un escáner de campo cercano, y el patrón de radiación se puede deducir de él por cálculo. El patrón de radiación de campo lejano también se puede calcular a partir de la forma de la antena mediante programas informáticos como NEC. Otro software, como HFSS, también puede calcular el campo cercano.

El patrón de radiación de campo lejano se puede representar gráficamente como un gráfico de una de varias variables relacionadas, que incluyen; la intensidad del campo en un radio constante (grande) (un patrón de amplitud o patrón de campo), la potencia por unidad de ángulo sólido (patrón de potencia) y la ganancia directiva. Muy a menudo, solo se traza la amplitud relativa, normalizada a la amplitud en el eje de puntería de la antena oa la potencia radiada total. La cantidad trazada puede mostrarse en una escala lineal o en dB. El gráfico normalmente se representa como un gráfico tridimensional (como se muestra a la derecha) o como gráficos separados en el plano vertical y el plano horizontal. Esto a menudo se conoce como un diagrama polar.

Reciprocidad

Es una propiedad fundamental de las antenas que el patrón de recepción (sensibilidad en función de la dirección) de una antena cuando se utiliza para recibir es idéntico al patrón de radiación de campo lejano de la antena cuando se utiliza para transmitir Esto es una consecuencia del teorema de reciprocidad del electromagnetismo y se demuestra a continuación. Por lo tanto, en las discusiones sobre patrones de radiación, la antena puede verse como transmisora o receptora, lo que sea más conveniente. Esto se aplica solo a los elementos de antena pasivos; las antenas activas que incluyen amplificadores u otros componentes ya no son dispositivos recíprocos.

Patrones típicos

Típico diagrama de radiación polar. La mayoría de las antenas muestran un patrón de "lobos" o maxima de radiación. En una antena directiva, mostrada aquí, el mayor lóbulo, en la dirección deseada de propagación, se llama el "lobo principal". Los otros lóbulos se llaman "sidelobes" y generalmente representan radiación en direcciones no deseadas.

Dado que la radiación electromagnética es radiación dipolar, no es posible construir una antena que irradie coherentemente por igual en todas las direcciones, aunque dicha antena isotrópica hipotética se utiliza como referencia para calcular la ganancia de la antena.

Las antenas más simples, las antenas monopolo y dipolo, consisten en una o dos varillas metálicas rectas a lo largo de un eje común. Estas antenas axialmente simétricas tienen patrones de radiación con una simetría similar, llamados patrones omnidireccionales; irradian la misma potencia en todas las direcciones perpendiculares a la antena, y la potencia varía solo con el ángulo con respecto al eje, cayendo a cero en el eje de la antena. Esto ilustra el principio general de que si la forma de una antena es simétrica, su patrón de radiación tendrá la misma simetría.

En la mayoría de las antenas, la radiación de las diferentes partes de la antena interfiere en algunos ángulos; el patrón de radiación de la antena puede considerarse un patrón de interferencia. Esto da como resultado radiación cero en ciertos ángulos donde las ondas de radio de las diferentes partes llegan fuera de fase, y máximos locales de radiación en otros ángulos donde las ondas de radio llegan en fase. Por lo tanto, el gráfico de radiación de la mayoría de las antenas muestra un patrón de máximos llamados "lóbulos" en varios ángulos, separados por "nulos" en el que la radiación tiende a cero. Cuanto más grande sea la antena en comparación con una longitud de onda, más lóbulos habrá.

Una parcela de radiación rectangular, un método de presentación alternativo a una parcela polar.

En una antena direccional en la que el objetivo es emitir las ondas de radio en una dirección particular, la antena está diseñada para radiar la mayor parte de su potencia en el lóbulo dirigido en la dirección deseada. Por lo tanto, en el gráfico de radiación, este lóbulo parece más grande que los demás; se llama "lóbulo principal". El eje de máxima radiación, que pasa por el centro del lóbulo principal, se denomina "eje del haz" o eje de puntería". En algunas antenas, como las antenas de haz dividido, puede existir más de un lóbulo principal. Los otros lóbulos junto al lóbulo principal, que representan la radiación no deseada en otras direcciones, se denominan lóbulos menores. Los lóbulos menores orientados en ángulo con respecto al lóbulo principal se denominan "lóbulos laterales". El lóbulo menor en la dirección opuesta (180°) al lóbulo principal se llama "lóbulo posterior".

Los lóbulos menores suelen representar radiación en direcciones no deseadas, por lo que en las antenas direccionales el objetivo del diseño suele ser reducir los lóbulos menores. Los lóbulos laterales son normalmente los más grandes de los lóbulos menores. El nivel de los lóbulos menores generalmente se expresa como una relación entre la densidad de potencia del lóbulo en cuestión y la del lóbulo mayor. Esta relación a menudo se denomina relación de lóbulo lateral o nivel de lóbulo lateral. Los niveles de lóbulo lateral de −20 dB o más generalmente no son deseables en muchas aplicaciones. El logro de un nivel de lóbulo lateral inferior a −30 dB generalmente requiere un diseño y una construcción muy cuidadosos. En la mayoría de los sistemas de radar, por ejemplo, las relaciones de lóbulo lateral bajas son muy importantes para minimizar las indicaciones falsas de objetivos a través de los lóbulos laterales.

Prueba de reciprocidad

Para obtener una prueba completa, consulte el artículo sobre reciprocidad (electromagnetismo). Aquí presentamos una prueba simple común limitada a la aproximación de dos antenas separadas por una gran distancia en comparación con el tamaño de la antena, en un medio homogéneo. La primera antena es la antena de prueba cuyos patrones se van a investigar; esta antena es libre de apuntar en cualquier dirección. La segunda antena es una antena de referencia, que apunta rígidamente a la primera antena.

Cada antena se conecta alternativamente a un transmisor que tiene una fuente de impedancia particular y a un receptor que tiene la misma impedancia de entrada (la impedancia puede diferir entre las dos antenas).

Se supone que las dos antenas están lo suficientemente separadas como para que las propiedades de la antena transmisora no se vean afectadas por la carga que le impone la antena receptora. En consecuencia, la cantidad de potencia transferida desde el transmisor al receptor se puede expresar como el producto de dos factores independientes; uno dependiendo de las propiedades direccionales de la antena transmisora y el otro dependiendo de las propiedades direccionales de la antena receptora.

Para la antena de transmisión, por la definición de ganancia, G{displaystyle G., la densidad de la radiación a distancia r{displaystyle r} de la antena (es decir, el poder que pasa por el área unidad) es

W()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )=G()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )4π π r2Pt{displaystyle mathrm {W} {thetaPhi)={frac {mathrm {G} {thetaPhi)}{4pi..

Aquí, los ángulos Silencio Silencio {displaystyle theta } y CCPR CCPR {displaystyle Phi } indicar una dependencia de la dirección de la antena, y Pt{displaystyle P_{t} representa el poder que el transmisor entregaría en una carga igualada. La ganancia G{displaystyle G. puede dividirse en tres factores; la ganancia de la antena (la redistribución direccional de la potencia), la eficiencia de la radiación (contando las pérdidas ohmicas en la antena), y por último la pérdida debida al desajuste entre la antena y el transmisor. Strictly, para incluir el desajuste, debe llamarse el ganancia realizada, pero esto no es uso común.

Para la antena receptora, la potencia entregada al receptor es

Pr=A()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )W{displaystyle P_{r}=mathrm {A} (thetaPhi)W,}.

Aquí. W{displaystyle W. es la densidad de energía de la radiación del incidente, y A{displaystyle A} es la abertura de la antena o área efectiva de la antena (el área que la antena tendría que ocupar para interceptar la energía capturada observada). Los argumentos direccionales son ahora relativos a la antena receptora, y de nuevo A{displaystyle A} se toma para incluir pérdidas ohmicas y desajustes.

Juntando estas expresiones, la potencia transferida del transmisor al receptor es

Pr=AG4π π r2Pt{displaystyle ¿Qué?,

Donde G{displaystyle G. y A{displaystyle A} son propiedades direccionalmente dependientes de las antenas transmisoras y receptoras respectivamente. Para la transmisión de la referencia antena (2), a la antena de prueba (1), es decir

P1r=A1()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )G24π π r2P2t{displaystyle P_{1r}=mathrm {A_{1} {thetaPhi){frac {G_{2}{4pi.,

y para transmisión en sentido contrario

P2r=A2G1()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )4π π r2P1t{displaystyle P_{2r}=A_{2}{frac {mathrm {G_{1} {thetaPhi]}{4pi..

Aquí, la ganancia G2{displaystyle G_{2} y zona eficaz A2{displaystyle A_{2} de antena 2 se fijan, porque la orientación de esta antena se fija con respecto a la primera.

Ahora, para una disposición dada de las antenas, el teorema de reciprocidad requiere que la transferencia de potencia sea igualmente efectiva en cada dirección, es decir

P1rP2t=P2rP1t{fnMicroc} {fnK}} {fnK}} {fnMicroc}} {fnK}}} {f}}} {f}}} {fn}}}} {f}}}}} {fnf}}}} {f}}} {f}}}}} {fnf}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}} {f}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}} {f} {f}} {f}}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f} {f}f}}}}}}f}} {f} {f} {f} {f}f}f}f}}f}f}f}f}f}f}f}}}}}}}} {fnK}} {fn}}} {fn}}}}}} {fn}}}}}} {cH}} {}}}}}}}}}} {cH}}}} {}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}},

de donde

A1()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )G1()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )=A2G2{displaystyle {frac {mathrm} {thetaPhi)}{mathrm {G_{1}} {thetaPhi)}}={frac {A_{2} {G_{2}}}}.

Pero el lado derecho de esta ecuación es fijo (porque la orientación de la antena 2 es fija), y así

A1()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )G1()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )=constant{displaystyle {frac {mathrm} {thetaPhi)}{mathrm {G_{1} {thetaPhi}}}=mathrm {constant}}}},

i.e. the directional dependence of the (reception) effective aperture and the (transmitting) gain are identical (QED). Además, la constante de proporcionalidad es la misma independientemente de la naturaleza de la antena, y así debe ser la misma para todas las antenas. El análisis de una antena particular (como un dipolo hertziano), muestra que esta constante es λ λ 24π π {displaystyle {frac {lambda }{2}{4pi} }, donde λ λ {displaystyle lambda } es la longitud de onda libre del espacio. Por lo tanto, para cualquier antena el beneficio y la abertura efectiva están relacionados por

A()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )=λ λ 2G()Silencio Silencio ,CCPR CCPR )4π π {displaystyle mathrm {A} (thetaPhi)={frac {lambda ^{2}mathrm {G} (thetaPhi)}{4pi}}}}.

Incluso para una antena receptora, es más habitual indicar la ganancia que especificar la apertura efectiva. Por lo tanto, la potencia entregada al receptor generalmente se escribe como

Pr=λ λ 2GrGt()4π π r)2Pt{displaystyle P_{r}={frac {lambda ¿Qué?

(ver enlace presupuesto). Sin embargo, la apertura efectiva es de interés para la comparación con el tamaño físico real de la antena.

Consecuencias prácticas

• Al determinar el patrón de una antena receptora por simulación de computadora, no es necesario realizar un cálculo para cada posible ángulo de incidencia. En cambio, el patrón de radiación de la antena es determinado por una sola simulación, y el patrón receptor inferido por la reciprocidad.
• Al determinar el patrón de una antena mediante la medición, la antena puede estar recibiendo o transmitiendo, lo que sea más conveniente.
• Para una antena práctica, el nivel del lóbulo lateral debe ser mínimo, es necesario tener la máxima directividad.