En electromagnetismo , una antena de ganancia de potencia o, simplemente, la ganancia es un número clave de rendimiento que combina la antena 's directividad y eficiencia eléctrica . En una antena transmisora, la ganancia describe qué tan bien la antena convierte la potencia de entrada en ondas de radio dirigidas en una dirección específica. En una antena receptora, la ganancia describe qué tan bien convierte la antena las ondas de radio que llegan de una dirección específica en energía eléctrica. Cuando no se especifica ninguna dirección, se entiende que la ganancia se refiere al valor máximo de la ganancia, la ganancia en la dirección del lóbulo principal de la antena.. Un gráfico de la ganancia en función de la dirección se denomina patrón de ganancia o patrón de radiación .
La ganancia de la antena se define generalmente como la relación entre la potencia producida por la antena desde una fuente de campo lejano en el eje del haz de la antena y la potencia producida por una hipotética antena isótropa sin pérdidas , que es igualmente sensible a las señales de todas las direcciones. [1] Por lo general, esta relación se expresa en decibeles , y estas unidades se denominan decibeles-isotrópicos (dBi). Una definición alternativa compara la potencia recibida con la potencia recibida por una antena dipolo de media onda sin pérdidas , en cuyo caso las unidades se escriben como dBd . Dado que una antena dipolo sin pérdidas tiene una ganancia de 2,15 dBi, la relación entre estas unidades es. Para una frecuencia dada, el área efectiva de la antena es proporcional a la ganancia de potencia. La longitud efectiva de una antena es proporcional a la raíz cuadrada de la ganancia de la antena para una determinada frecuencia y resistencia a la radiación . Debido a la reciprocidad , la ganancia de cualquier antena recíproca al recibir es igual a su ganancia al transmitir.
La ganancia o directividad de la directiva es una medida diferente que no tiene en cuenta la eficiencia eléctrica de una antena. Este término es a veces más relevante en el caso de una antena receptora, donde uno se preocupa principalmente por la capacidad de una antena para recibir señales de una dirección mientras rechaza las señales interferentes que vienen de una dirección diferente.
Ganancia de poder
La ganancia de potencia (o simplemente la ganancia ) es una medida sin unidades que combina la eficiencia de una antena y directividad D :
Las nociones de eficiencia y directividad dependen de lo siguiente.
Eficiencia
La eficiencia de una antena es la potencia radiada total dividido por la potencia de entrada en el punto de alimentación
Una antena transmisora recibe energía de una línea de alimentación , una línea de transmisión que conecta la antena a un transmisor de radio . La potencia de entrada a la antena se define típicamente como la energía suministrada a los terminales de la antena (el punto de alimentación ), por lo que las pérdidas de energía de la antena no incluyen la energía perdida debido al calentamiento de joules en la línea de alimentación y los reflejos hacia abajo de la línea de alimentación debido a desajustes de impedancia de antena / línea .
El teorema de reciprocidad electromagnética garantiza que las propiedades eléctricas de una antena, como eficiencia, directividad y ganancia, son las mismas cuando la antena se usa para recibir que cuando está transmitiendo.
Directividad
La directividad de una antena está determinada por su patrón de radiación , cómo se distribuye la potencia radiada con dirección en tres dimensiones . Todas las antenas son direccionales en mayor o menor medida, lo que significa que irradian más potencia en algunas direcciones que en otras. La dirección se especifica aquí en coordenadas esféricas , dónde es la altitud o el ángulo por encima de un plano de referencia especificado (como el suelo), mientras quees el acimut como el ángulo entre la proyección de la dirección dada en el plano de referencia y una dirección de referencia especificada (como el norte o el este) en ese plano con el signo especificado (en sentido horario o antihorario).
La distribución de la potencia de salida en función de las posibles direcciones. viene dada por su intensidad de radiación (en unidades SI : vatios por estereorradián, W⋅sr −1 ). La potencia de salida se obtiene a partir de la intensidad de radiación integrando esta última sobre todos los ángulos sólidos:
La intensidad de radiación media por lo tanto, está dado por
- ya que hay 4π estereorradianes en una esfera
- usando la primera fórmula para .
La directiva ganancia o directividad de una antena en una dirección dada es la relación de su intensidad de radiación en esa dirección a su intensidad de radiación media . Es decir,
Una antena isotrópica, es decir, una con la misma intensidad de radiación en todas las direcciones, por lo tanto tiene directividad, D = 1, en todas las direcciones independientemente de su eficiencia. Más generalmente, las directividades máxima, mínima y media de cualquier antena son siempre al menos 1, como máximo 1 y exactamente 1. Para el dipolo de media onda, los valores respectivos son 1,64 (2,15 dB ), 0 y 1.
Cuando la directividad de una antena se da independientemente de la dirección se refiere a su máxima directividad en cualquier dirección, es decir
Ganar
El poder ganar o simplemente ganar de una antena en una dirección dada tiene en cuenta la eficiencia al definirse como la relación entre su intensidad de radiación en esa dirección a la intensidad de radiación media de una antena perfectamente eficiente. Dado que este último es igual a, por lo tanto está dado por
- usando la segunda ecuación para
- usando la ecuación para
Al igual que con la directividad, cuando la ganancia de una antena se da independientemente de la dirección; se refiere a su ganancia máxima en cualquier dirección. Dado que la única diferencia entre ganancia y directividad en cualquier dirección es un factor constante de independiente de y , obtenemos la fórmula fundamental de este apartado:
Resumen
Si solo una cierta parte de la energía eléctrica recibida del transmisor es realmente irradiada por la antena (es decir, menos del 100% de eficiencia), entonces la ganancia directiva compara la potencia radiada en una dirección determinada con esa potencia reducida (en lugar de la potencia total recibido), ignorando la ineficiencia. Por lo tanto, la directividad es la máxima ganancia directiva cuando se toma en todas las direcciones, y siempre es al menos 1. Por otro lado, la ganancia de potencia tiene en cuenta la eficiencia más pobre al comparar la potencia radiada en una dirección dada con la potencia real que el antena recibe del transmisor, lo que la convierte en una figura de mérito más útil por la contribución de la antena a la capacidad de un transmisor de enviar una onda de radio hacia un receptor. En todas las direcciones, la ganancia de potencia de una antena isotrópica es igual a la eficiencia y, por lo tanto, siempre es como máximo 1, aunque puede e idealmente debería exceder 1 para una antena direccional .
Tenga en cuenta que en el caso de una discrepancia de impedancia , P in se calcularía como la potencia incidente de la línea de transmisión menos la potencia reflejada. O de manera equivalente, en términos del voltaje rms V en los terminales de la antena:
donde Z in es la impedancia del punto de alimentación .
Ganar en decibelios
Los números publicados para la ganancia de antena casi siempre se expresan en decibelios (dB), una escala logarítmica. A partir del factor de ganancia G, se encuentra la ganancia en decibelios como:
Por lo tanto, se diría que una antena con una ganancia de potencia máxima de 5 tiene una ganancia de 7 dBi. Se usa dBi en lugar de solo dB para enfatizar que esta es la ganancia de acuerdo con la definición básica, en la que la antena se compara con un radiador isotrópico.
Cuando un laboratorio realiza mediciones reales de la ganancia de una antena, la intensidad de campo de la antena de prueba se mide cuando se suministra, digamos, 1 vatio de potencia del transmisor, a una cierta distancia. Esa intensidad de campo se compara con la intensidad de campo encontrada utilizando una antena denominada de referencia a la misma distancia que recibe la misma potencia para determinar la ganancia de la antena bajo prueba. Esa relación sería igual a G si la antena de referencia fuera un radiador isotrópico (irad).
Sin embargo, no se puede construir un verdadero radiador isotrópico, por lo que en la práctica se utiliza una antena diferente. Este será a menudo un dipolo de media onda, una antena muy bien entendida y repetible que se puede construir fácilmente para cualquier frecuencia. Se sabe que la ganancia directiva de un dipolo de media onda es 1,64 y se puede hacer casi 100% eficiente. Dado que la ganancia se ha medido con respecto a esta antena de referencia, la diferencia en la ganancia de la antena de prueba a menudo se compara con la del dipolo. Por tanto, la ganancia relativa a un dipolo se cita a menudo y se indica utilizando dBd en lugar de dBi para evitar confusiones. Por lo tanto, en términos de la ganancia real (en relación con un radiador isotrópico) G, esta cifra de ganancia viene dada por:
Por ejemplo, la antena anterior con una ganancia G = 5 tendría una ganancia con respecto a un dipolo de 5 / 1.64 = 3.05, o en decibelios uno llamaría a esto 10 log (3.05) = 4.84 dBd. En general:
Tanto dBi como dBd son de uso común. Cuando la ganancia máxima de una antena se especifica en decibelios (por ejemplo, por un fabricante), uno debe estar seguro de si esto significa la ganancia relativa a un radiador isotrópico o con respecto a un dipolo. Si especifica dBi o dBd, entonces no hay ambigüedad, pero si solo se especifica dB, se debe consultar la letra pequeña. Cualquiera de las figuras se puede convertir fácilmente en la otra utilizando la relación anterior.
Tenga en cuenta que al considerar el patrón direccional de una antena, la ganancia con respecto a un dipolo no implica una comparación de la ganancia de esa antena en cada dirección con la ganancia de un dipolo en esa dirección. Más bien, es una comparación entre la ganancia de la antena en cada dirección y la ganancia máxima del dipolo (1,64). En cualquier dirección, por lo tanto, estos números son 2,15 dB menores que la ganancia expresada en dBi.
Ganancia parcial
La ganancia parcial se calcula como ganancia de potencia, pero para una polarización particular . Se define como la parte de la intensidad de la radiación. correspondiente a una polarización dada, dividida por la intensidad de radiación total de una antena isotrópica. [2]
Las ganancias parciales en el y Los componentes se expresan como
y
- ,
dónde y representan la intensidad de la radiación en una dirección dada contenida en sus respectivos componente de campo.
Como resultado de esta definición, podemos concluir que la ganancia total de una antena es la suma de las ganancias parciales para dos polarizaciones ortogonales cualesquiera.
Cálculo de ejemplo
Suponga que una antena sin pérdidas tiene un patrón de radiación dado por:
Encontremos la ganancia de tal antena.
Solucion :
Primero encontramos la intensidad máxima de radiación de esta antena:
La potencia radiada total se puede encontrar integrando en todas las direcciones:
Dado que la antena está especificada como sin pérdidas, la eficiencia de radiación es 1. La ganancia máxima es entonces igual a:
- .
Expresado en relación con la ganancia de un dipolo de media onda, encontraríamos:
- .
Ganancia realizada
Según el estándar IEEE 145-1993, [1] la ganancia realizada difiere de las definiciones de ganancia anteriores en que se "reduce por las pérdidas debidas a la falta de coincidencia de la impedancia de entrada de la antena a una impedancia especificada". Este desajuste induce pérdidas por encima de las pérdidas disipativas descritas anteriormente; por lo tanto, la ganancia realizada siempre será menor que la ganancia.
La ganancia puede expresarse como ganancia absoluta si se requieren más aclaraciones para diferenciarla de la ganancia realizada. [1]
Potencia total radiada
La potencia radiada total (TRP) es la suma de toda la potencia de RF radiada por la antena cuando la potencia de la fuente se incluye en la medición. TRP se expresa en vatios o las expresiones logarítmicas correspondientes, a menudo dBm o dBW. [3]
Al probar dispositivos móviles, el TRP se puede medir mientras se encuentra cerca de pérdidas que absorben energía, como el cuerpo y la mano del usuario. [4]
El TRP se puede utilizar para determinar la pérdida corporal (BoL). La pérdida corporal se considera como la relación de TRP medido en presencia de pérdidas y TRP medido en el espacio libre.
Ver también
Referencias
- ^ a b c "Definiciones estándar IEEE de términos para antenas". IEEE STD 145-1993 : 1–32. 1993-07-01. doi : 10.1109 / IEEESTD.1993.119664 . ISBN 978-0-7381-0555-0.
- ^ Balanis, Constantine A. (2016). Teoría de la antena: análisis y diseño (4ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey. pag. 63. ISBN 978-1-119-17898-9. OCLC 933291646 .
- ^ "Plan de prueba CTIA para el rendimiento por aire de dispositivos inalámbricos Rev. 3.4.2" (PDF) . Planes de prueba de certificación . CTIA. Mayo de 2015. Archivado (PDF) desde el original el 16 de febrero de 2016.
- ^ Redes multimedia de banda ancha móvil: técnicas, modelos y herramientas para 4G por Luís M. Correia
Bibliografía
- Teoría de la antena (3a edición), por C. Balanis, Wiley, 2005, ISBN 0-471-66782-X
- Antena para todas las aplicaciones (tercera edición), por John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, 2002, ISBN 0-07-232103-2
Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de Servicios Generales : "Norma Federal 1037C" .(en apoyo de MIL-STD-188 )