Patrón de radiación

Variación direccional de la intensidad de las ondas de radio

Patrones de radiación de antena tridimensionales. La distancia radial desde el origen en cualquier dirección representa la intensidad de la radiación emitida en esa dirección. La parte superior muestra el patrón direccional de una antena de bocina , la parte inferior muestra el patrón omnidireccional de una antena dipolo vertical simple .

En el campo del diseño de antenas , el término patrón de radiación (o patrón de antena o patrón de campo lejano ) se refiere a la dependencia direccional (angular) de la intensidad de las ondas de radio de la antena u otra fuente. ^{[1] [2] [3]}

En particular, en los campos de la fibra óptica , los láseres y la óptica integrada , el término patrón de radiación también puede utilizarse como sinónimo de patrón de campo cercano o patrón de Fresnel . ^[4] 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. ^{[1] [4]}

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 utilizando un escáner de campo cercano y el patrón de radiación se puede deducir de él mediante cálculo. ^[1] 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 puede representarse gráficamente como un diagrama de una de varias variables relacionadas, como la intensidad de 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 representa gráficamente la amplitud relativa, normalizada ya sea a la amplitud en el eje de puntería de la antena o a la potencia radiada total. La cantidad representada gráficamente puede mostrarse en una escala lineal o en dB . El gráfico se representa típicamente como un gráfico tridimensional (como a la derecha) o como gráficos separados en el plano vertical y el plano horizontal . Esto a menudo se conoce como diagrama polar .

Reciprocidad

Los patrones de radiación de un dipolo de media onda vertical , una antena omnidireccional. Los patrones polares horizontales y verticales son proyecciones del patrón tridimensional sobre planos horizontales y verticales, respectivamente. Una antena omnidireccional irradia la misma intensidad de señal en todas las direcciones horizontales, por lo que su patrón horizontal es simplemente un círculo.

Una propiedad fundamental de las antenas es 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 los patrones de radiación, la antena puede considerarse como transmisora ​​o receptora, lo que sea más conveniente.

La reciprocidad tiene sus límites: se aplica únicamente a elementos pasivos de antena; las antenas activas que incorporan amplificadores u otros componentes alimentados individualmente no son recíprocas. E incluso cuando la antena está formada exclusivamente por elementos pasivos, la reciprocidad solo se aplica a las ondas emitidas e interceptadas por la antena. La reciprocidad no se aplica a la distribución de corriente en las distintas partes de la antena generada por las ondas interceptadas ni a las corrientes que crean las ondas emitidas: los perfiles de corriente de la antena suelen ser diferentes para la recepción y la transmisión, a pesar de que las ondas en el campo lejano irradian hacia dentro y hacia fuera siguiendo el mismo camino, con el mismo patrón general, solo que con dirección invertida.

Patrones típicos

Diagrama típico de radiación polar. La mayoría de las antenas muestran un patrón de "lóbulos" o máximos de radiación. En una antena directiva , como la que se muestra aquí, el lóbulo más grande, en la dirección de propagación deseada, se denomina " lóbulo principal ". Los demás lóbulos se denominan " lóbulos laterales " y, por lo general, representan la radiación en direcciones no deseadas.

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

Las antenas más simples, las antenas monopolares y dipolos , 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 el 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 una radiación mínima o nula en ciertos ángulos donde las ondas de radio de las diferentes partes llegan desfasadas , 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 " ceros " en los que la radiación tiende a cero. Cuanto más grande sea la antena en comparación con una longitud de onda, más lóbulos habrá.

Un gráfico de radiación rectangular, un método de presentación alternativo a un gráfico polar

En una antena direccional cuyo objetivo es emitir las ondas de radio en una dirección determinada, 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 aparece más grande que los demás; se denomina " 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 de haz dividido, puede existir más de un lóbulo principal. Los demás lóbulos que se encuentran al lado del lóbulo principal, que representan la radiación no deseada en otras direcciones, se denominan lóbulos menores. Los lóbulos menores orientados en un ángulo con respecto al lóbulo principal se denominan " lóbulos laterales ". El lóbulo menor en la dirección opuesta (180°) al lóbulo principal se denomina " lóbulo posterior ".

Los lóbulos menores suelen representar radiación en direcciones no deseadas, por lo que en las antenas direccionales un objetivo de 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 suele expresarse como una relación entre la densidad de potencia del lóbulo en cuestión y la del lóbulo mayor. Esta relación suele denominarse relación de lóbulos laterales o nivel de lóbulo lateral. Los niveles de lóbulos laterales de -20 dB o más no suelen ser deseables en muchas aplicaciones. La consecución de un nivel de lóbulo lateral inferior a -30 dB suele requerir un diseño y una construcción muy cuidadosos. En la mayoría de los sistemas de radar, por ejemplo, las relaciones de lóbulos laterales bajas son muy importantes para minimizar las indicaciones de objetivos falsos a través de los lóbulos laterales.

Prueba de reciprocidad

Para una demostración completa, véase el artículo sobre reciprocidad (electromagnetismo) . Aquí, presentamos una demostración simple y 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 está conectada alternativamente a un transmisor que tiene una impedancia de fuente 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 suficientemente separadas entre sí 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 del transmisor al receptor se puede expresar como el producto de dos factores independientes: uno que depende de las propiedades direccionales de la antena transmisora ​​y el otro que depende de las propiedades direccionales de la antena receptora.

Para la antena transmisora, por la definición de ganancia, la densidad de potencia de radiación a una distancia de la antena (es decir, la potencia que pasa a través de la unidad de área) es ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle r}$

${\displaystyle \mathrm {W} (\theta ,\Phi )={\frac {\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$.

Aquí, los ángulos y indican una dependencia de la dirección de la antena, y representan la potencia que el transmisor entregaría en una carga adaptada. La ganancia se puede desglosar en tres factores: la ganancia de la antena (la redistribución direccional de la potencia), la eficiencia de radiación (que tiene en cuenta las pérdidas óhmicas en la antena) y, por último, la pérdida debido al desajuste entre la antena y el transmisor. Estrictamente, para incluir el desajuste, se debería llamar ganancia realizada ^[4] , pero este no es un uso común. ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle P_{t}}$ ${\displaystyle G}$

Para la antena receptora, la potencia entregada al receptor es

${\displaystyle P_{r}=\mathrm {A} (\theta ,\Phi )W\,}$.

Aquí se muestra la densidad de potencia de la radiación incidente y la apertura de la antena o el área efectiva de la antena (el área que la antena necesitaría ocupar para interceptar la potencia capturada observada). Los argumentos direccionales ahora son relativos a la antena receptora y nuevamente se considera que incluyen pérdidas óhmicas y por desajuste. ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle A}$

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

${\displaystyle P_{r}=A{\frac {G}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$,

donde y son propiedades dependientes de la dirección de las antenas de transmisión y recepción respectivamente. Para la transmisión desde la antena de referencia (2), a la antena de prueba (1), es decir ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle A}$

${\displaystyle P_{1r}=\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi ){\frac {G_{2}}{4\pi r^{2}}}P_{2t}}$,

y para la transmisión en sentido contrario

${\displaystyle P_{2r}=A_{2}{\frac {\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{1t}}$.

Aquí, la ganancia y el área efectiva de la antena 2 son fijas, porque la orientación de esta antena es fija con respecto a la primera. ${\displaystyle G_{2}}$ ${\displaystyle A_{2}}$

Ahora bien, 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,

${\displaystyle {\frac {P_{1r}}{P_{2t}}}={\frac {P_{2r}}{P_{1t}}}}$,

De dónde

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}={\frac {A_{2}}{G_{2}}}}$.

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

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}=\mathrm {constant} }$,

es decir, la dependencia direccional de la apertura efectiva (de recepción) y la ganancia (de transmisión) son idénticas (QED). Además, la constante de proporcionalidad es la misma independientemente de la naturaleza de la antena, y por lo tanto debe ser la misma para todas las antenas. El análisis de una antena particular (como un dipolo hertziano ), muestra que esta constante es , donde es la longitud de onda en el espacio libre. Por lo tanto, para cualquier antena, la ganancia y la apertura efectiva están relacionadas por ${\displaystyle {\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}}$ ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle \mathrm {A} (\theta ,\Phi )={\frac {\lambda ^{2}\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi }}}$.

Incluso en el caso de una antena receptora, es más habitual indicar la ganancia que especificar la apertura efectiva. Por lo tanto, la potencia entregada al receptor se suele escribir como

${\displaystyle P_{r}={\frac {\lambda ^{2}G_{r}G_{t}}{(4\pi r)^{2}}}P_{t}}$

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

Consecuencias prácticas

• Para determinar el diagrama de una antena receptora mediante simulación por ordenador, no es necesario realizar un cálculo para cada posible ángulo de incidencia, sino que el diagrama de radiación de la antena se determina mediante una única simulación y el diagrama de recepción se infiere por reciprocidad.
• Al determinar el patrón de una antena mediante 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. ^[5]

Véase también

• Modelado de antena
• Plano E y plano H

Referencias

1. Constantine A. Balanis: “Teoría, análisis y diseño de antenas”, John Wiley & Sons, Inc., 2.ª ed. 1982 ISBN  0-471-59268-4
2. David K ​​Cheng: “Electromagnetismo de campo y onda”, Addison-Wesley Publishing Company Inc., Edición 2, 1998. ISBN 0-201-52820-7 
3. Edward C. Jordan y Keith G. Balmain; “Ondas electromagnéticas y sistemas radiantes” (2.ª ed., 1968) Prentice-Hall. ISBN 81-203-0054-8 
4. Institute of Electrical and Electronics Engineers, “The IEEE standard dictionary of electrical and electronics Terms”; 6.ª ed. Nueva York, NY, Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ed. Comité Coordinador de Normas 10, Términos y definiciones; Jane Radatz, (presidenta)] 
5. Singh, Urvinder; Salgotra, Rohit (20 de julio de 2016). "Síntesis de un conjunto de antenas lineales utilizando un algoritmo de polinización de flores". Computación neuronal y aplicaciones . 29 (2): 435–445. doi :10.1007/s00521-016-2457-7. S2CID  22745168.

 Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

Enlaces externos

• Comprensión y uso de los patrones de radiación de las antenas Por Joseph H. Reisert
• Explicación del término “Ancho de haz bidireccional”