En la teoría electromagnética y de antenas , la apertura de la antena , el área efectiva o la sección transversal de recepción es una medida de la eficacia de una antena para recibir la potencia de la radiación electromagnética (como las ondas de radio ). [1] La apertura se define como el área, orientada perpendicularmente a la dirección de una onda electromagnética entrante , que interceptaría la misma cantidad de energía de esa onda que produce la antena que la recibe. En cualquier punto, un haz de radiación electromagnética tiene una irradiancia o densidad de flujo de potencia que es la cantidad de energía que pasa a través de una unidad de área de un metro cuadrado. Si una antena entrega vatios a la carga conectada a sus terminales de salida (por ejemplo, el receptor) cuando se irradia con un campo uniforme de densidad de potencia vatios por metro cuadrado, la apertura de la antena en metros cuadrados viene dado por: [2]
- .
Entonces, la potencia recibida por una antena (en vatios) es igual a la densidad de potencia de la energía electromagnética (en vatios por metro cuadrado), multiplicada por su apertura (en metros cuadrados). Cuanto mayor sea la apertura de una antena, más energía puede recolectar de un campo electromagnético dado. Para obtener realmente la potencia prevista disponible, la polarización de las ondas entrantes debe coincidir con la polarización de la antena, y la impedancia de la carga (receptor) debe coincidir con la impedancia del punto de alimentación de la antena.
Aunque este concepto se basa en una antena que recibe una onda electromagnética, saber suministra directamente la ganancia (de potencia) de esa antena. Debido a la reciprocidad , la ganancia de una antena para recibir y transmitir es idéntica. Por lo tanto, También se puede utilizar para calcular el rendimiento de una antena transmisora. es una función de la dirección de la onda electromagnética con respecto a la orientación de la antena, ya que la ganancia de una antena varía según su patrón de radiación . Cuando no se especifica ninguna dirección,Se entiende que se refiere a su valor máximo, con la antena orientada de manera que su lóbulo principal , el eje de máxima sensibilidad, se oriente hacia la fuente [ cita requerida ] .
Eficiencia de apertura
En general, la apertura de una antena no está directamente relacionada con su tamaño físico. [3] Sin embargo, algunos tipos de antenas, por ejemplo, platos parabólicos y antenas de bocina , tienen una apertura física (apertura) que recoge las ondas de radio. En estas antenas de apertura , la apertura efectiva es siempre menor que (o igual a) el área de la apertura física de la antena , de lo contrario, la antena podría producir más energía de sus terminales que la energía de radio que ingresa a su apertura, violando la conservación de energía . La eficiencia de apertura de una antena , se define como la relación de estas dos áreas:
La eficiencia de apertura es un parámetro adimensional entre 0 y 1.0 que mide qué tan cerca se acerca la antena a usar toda la potencia de las ondas de radio que ingresan a su apertura física. Si la antena fuera perfectamente eficiente, toda la potencia de radio que caiga dentro de su apertura física se convertiría en potencia eléctrica entregada a la carga conectada a sus terminales de salida, por lo que estas dos áreas serían igualesy la eficiencia de apertura sería 1.0. Pero todas las antenas tienen pérdidas, como potencia disipada como calor en la resistencia de sus elementos, iluminación no uniforme por su alimentación y ondas de radio dispersadas por soportes estructurales y difracción en el borde de apertura, que reducen la potencia de salida. Las eficiencias de apertura de las antenas típicas varían de 0,35 a 0,70, pero pueden llegar hasta 0,90.
Apertura y ganancia
La directividad de una antena, su capacidad para dirigir ondas de radio en una dirección o recibir desde una sola dirección, se mide mediante un parámetro llamado ganancia isotrópica. , que es la relación de la potencia recibido por la antena a la potencia que sería recibido por una antena isotrópica hipotética , que recibe energía igualmente bien desde todas las direcciones. Se puede ver que la ganancia también es igual a la relación de las aperturas de estas antenas.
Como se muestra en la sección inferior, la apertura de una antena isotrópica sin pérdidas, que por definición tiene ganancia unitaria, es
dónde es la longitud de onda de las ondas de radio. Entonces
y para una antena con una apertura física de área
Entonces, las antenas con grandes aperturas efectivas son antenas de alta ganancia , que tienen anchos de haz angular pequeños . Como antenas receptoras, son más sensibles a las ondas de radio provenientes de una dirección y mucho menos sensibles a las ondas provenientes de otras direcciones. Como antenas transmisoras, la mayor parte de su potencia se irradia en un haz estrecho en una dirección y poca en otras direcciones. Aunque estos términos se pueden utilizar en función de la dirección, cuando no se especifica ninguna dirección, se entiende que la ganancia y la apertura se refieren al eje de máxima ganancia o puntería de la antena .
Fórmula de transmisión Friis
La fracción de la potencia entregada a una antena transmisora que es recibida por una antena receptora es proporcional al producto de las aberturas de ambas antenas e inversamente proporcional a la distancia entre las antenas y la longitud de onda. Esto viene dado por una forma de la fórmula de transmisión de Friis :. [1]
dónde:
- es la potencia alimentada a los terminales de entrada de la antena transmisora; [1]
- es la potencia disponible en los terminales de salida de la antena receptora; [1]
- es el área efectiva de la antena receptora; [1]
- es el área efectiva de la antena transmisora; [1]
- es la distancia entre antenas. [1] La fórmula solo es válida para lo suficientemente grande para asegurar un frente de onda plana en la antena receptora, suficientemente aproximado por dónde es la dimensión lineal más grande de cualquiera de las antenas. [1]
- es la longitud de onda de la radiofrecuencia; [1]
Las variables , , , y debe expresarse en las mismas unidades de longitud, como metros, y variables y debe estar en las mismas unidades de potencia, como vatios.
Antenas de elementos finos
En el caso de antenas de elementos delgados, como monopolos y dipolos, no existe una relación simple entre el área física y el área efectiva. Sin embargo, las áreas efectivas se pueden calcular a partir de sus cifras de ganancia de potencia: [4]
Antena de alambre | Ganancia de poder | Area efectiva |
---|---|---|
Dipolo corto ( dipolo hertziano ) | 1,5 | 0,1194 2 |
Dipolo de media onda | 1,64 | 0.1305 2 |
Monopolo de cuarto de onda | 3,28 | 0.2610 2 [5] |
Esto supone que la antena monopolo está montada sobre un plano de tierra infinito y que las antenas no tienen pérdidas. Cuando se tienen en cuenta las pérdidas resistivas, particularmente con antenas pequeñas, la ganancia de la antena puede ser sustancialmente menor que la directividad , y el área efectiva es menor en el mismo factor. [6]
Longitud efectiva
Para las antenas que no están definidas por un área física, como los monopolos y dipolos que constan de conductores de varilla delgada , la apertura no tiene una relación obvia con el tamaño o el área de la antena. Una medida alternativa de la ganancia de la antena que tiene una mayor relación con la estructura física de tales antenas es la longitud efectiva l ef medida en metros, que se define para una antena receptora como: [7]
dónde
- V 0 es el voltaje de circuito abierto que aparece a través de los terminales de la antena.
- E s es la intensidad del campo eléctrico de la señal de radio, en voltios por metro, en la antena.
Cuanto mayor sea la longitud efectiva, más voltaje y, por lo tanto, más potencia recibirá la antena. La ganancia de una antena o A eff aumenta según el cuadrado de l eff , y esta proporcionalidad también involucra la resistencia a la radiación de la antena . Por lo tanto, esta medida tiene un valor más teórico que práctico y no es, por sí misma, una figura de mérito útil en relación con la directividad de una antena.
Derivación de la apertura de una antena isotrópica
La apertura de una antena isotrópica , la base de la definición de ganancia anterior, se puede derivar mediante un argumento termodinámico. [8] [9] [10] Suponga que una antena isotrópica ideal (sin pérdidas) A ubicada dentro de una cavidad térmica CA , está conectada a través de una línea de transmisión sin pérdidas a través de un filtro de paso de banda F ν a una resistencia combinada R en otra cavidad térmica CR (la impedancia característica de la antena, la línea y el filtro coinciden). Ambas cavidades están a la misma temperatura.. El filtro F ν solo permite pasar una banda estrecha de frecuencias desde a . Ambas cavidades están llenas de radiación de cuerpo negro en equilibrio con la antena y la resistencia. Parte de esta radiación es recibida por la antena. La cantidad de este poder dentro de la banda de frecuencias pasa a través de la línea de transmisión y el filtro F ν y se disipa como calor en la resistencia. El resto es reflejado por el filtro de regreso a la antena y se vuelve a irradiar a la cavidad. La resistencia también produce una corriente de ruido Johnson-Nyquist debido al movimiento aleatorio de sus moléculas a la temperatura. La cantidad de este poder dentro de la banda de frecuencia a pasa a través del filtro y es irradiado por la antena. Dado que el sistema está a una temperatura común, está en equilibrio termodinámico ; no puede haber transferencia neta de potencia entre las cavidades, de lo contrario una cavidad se calentaría y la otra se enfriaría en violación de la segunda ley de la termodinámica . Por lo tanto, la potencia fluye en ambas direcciones debe ser igual
El ruido de radio en la cavidad no está polarizado y contiene una mezcla igual de estados de polarización . Sin embargo, cualquier antena con una sola salida está polarizada y solo puede recibir uno de los dos estados de polarización ortogonal. Por ejemplo, una antena polarizada linealmente no puede recibir componentes de ondas de radio con campo eléctrico perpendicular a los elementos lineales de la antena; de manera similar, una antena con polarización circular derecha no puede recibir ondas con polarización circular izquierda. Por lo tanto, la antena solo recibe el componente de densidad de potencia S en la cavidad correspondiente a su polarización, que es la mitad de la densidad de potencia total.
Suponer es el resplandor espectral por hertz en la cavidad; la potencia de la radiación de cuerpo negro por unidad de área (metro 2 ) por unidad de ángulo sólido ( estereorradián ) por unidad de frecuencia ( hercios ) a frecuencia y temperatura en la cavidad. Si es la apertura de la antena, la cantidad de potencia en el rango de frecuencia la antena recibe de un incremento de ángulo sólido en la dirección es
Para encontrar la potencia total en el rango de frecuencia la antena recibe, esta se integra en todas las direcciones (un ángulo sólido de )
Dado que la antena es isotrópica, tiene la misma apertura en cualquier dirección. Entonces, la apertura se puede mover fuera de la integral. Del mismo modo, el resplandor en la cavidad es igual en cualquier dirección
Las ondas de radio tienen una frecuencia lo suficientemente baja, por lo que la fórmula de Rayleigh-Jeans proporciona una aproximación muy cercana de la radiancia espectral del cuerpo negro [11]
Por lo tanto,
La potencia de ruido de Johnson-Nyquist producida por una resistencia a temperatura en un rango de frecuencia es
Dado que las cavidades están en equilibrio termodinámico , entonces
Referencias
- ↑ a b c d e f g h i Friis, HT (mayo de 1946). "Una nota sobre una fórmula de transmisión simple". IRE Proc . 34 (5): 254-256. doi : 10.1109 / JRPROC.1946.234568 . S2CID 51630329 .
- ^ Bakshi, KA; AVBakshi, UABakshi (2009). Antenas y propagación de ondas . Publicaciones técnicas. pag. 1,17. ISBN 978-81-8431-278-2.
- ^ Narayan, CP (2007). Antenas y propagación . Publicaciones técnicas. pag. 51. ISBN 978-81-8431-176-1.
- ^ Orfanidis, Sophocles J. (2010) Electromagnetic Waves and Antennas capítulo 15 página 609, recuperado 2011-04-05 de http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
- ^ Orfanidis, Sophocles J. (2010) Electromagnetic Waves and Antennas capítulo 16 página 747, recuperado 2011-04-05 de http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
- ↑ Weeks, WL (1968) Antenna Engineering , McGraw Hill Book Company, capítulos 8, págs. 297-299 y 9, págs. 343-346.
- ^ Rudge, Alan W. (1982). El manual de diseño de antenas, vol. 1 . Estados Unidos: IET. pag. 24. ISBN 0-906048-82-6.
- ^ Pawsey, JL; Bracewell, RN (1955). Radioastronomía . Londres: Oxford University Press. págs. 23-24.
- ^ Rohlfs, Kristen; Wilson, TL (2013). Herramientas de Radioastronomía, 4ª Edición . Springer Science and Business Media. págs. 134-135. ISBN 978-3662053942.
- ^ Condon, JJ; Ransom, SM (2016). "Fundamentos de la antena" . Curso esencial de Radioastronomía . Sitio web del Observatorio Nacional de Radioastronomía de EE. UU. (NRAO) . Consultado el 22 de agosto de 2018 .
- ^ La fórmula de Rayleigh-Jeans es una buena aproximación siempre que la energía en un fotón de radio sea pequeña en comparación con la energía térmica por grado de libertad:. Esto es cierto en todo el espectro de radio a todas las temperaturas ordinarias.