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Patrón de radiación

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 directivo 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]

Especialmente 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 el alcance de la antena o, alternativamente, el patrón de campo cercano se puede encontrar utilizando un escáner de campo cercano y el patrón de radiación deducirse a partir 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 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, sólo se traza la amplitud relativa, normalizada con la amplitud en la mira de la antena o con la potencia radiada total. La cantidad trazada puede mostrarse en una escala lineal o en dB . La gráfica generalmente 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 diagrama polar .

Reciprocidad

Los patrones de radiación de un dipolo vertical de media onda , una antena omnidireccional. Los patrones polares horizontales y verticales son proyecciones del patrón tridimensional en 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 solo un círculo.

Es una propiedad fundamental de las antenas que el patrón de recepción (sensibilidad en función de la dirección) de una antena cuando se usa para recibir es idéntico al patrón de radiación de campo lejano de la antena cuando se usa 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 se puede considerar que la antena transmite o recibe, lo que sea más conveniente. Esto se aplica únicamente a los elementos de antena pasiva; Las antenas activas que incluyen amplificadores u otros componentes ya no son dispositivos recíprocos.

Patrones típicos

Gráfico típico de radiación polar. La mayoría de las antenas muestran un patrón de "lóbulos" o máximos de radiación. En una antena directiva , como se muestra aquí, el lóbulo más grande, en la dirección de propagación deseada, se llama " lóbulo principal ". Los otros lóbulos se denominan " lóbulos laterales " y normalmente representan radiación en direcciones no deseadas.

Dado que la radiación electromagnética es radiación dipolo , no es posible construir una antena que irradie de manera coherente e igual en todas las direcciones, aunque una antena isotrópica hipotética de este tipo se utiliza como referencia para calcular la ganancia de la antena .

Las antenas más simples, monopolo y dipolo , constan de 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 igual potencia en todas las direcciones perpendiculares a la antena, y la potencia varía sólo 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 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 " nulos " en los que la radiación llega 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 al gráfico polar

En una antena direccional en la que el objetivo es emitir ondas de radio en una dirección particular, la antena está diseñada para irradiar la mayor parte de su potencia en el lóbulo dirigido en la dirección deseada. Por tanto, en el gráfico de radiación este lóbulo aparece 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 de haz dividido, puede existir más de un lóbulo principal. Los otros lóbulos al lado del lóbulo principal, que representan 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 suelen ser 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 a menudo se denomina relación de lóbulos laterales o nivel de lóbulos laterales. Los niveles de lóbulos laterales de −20 dB o más no suelen ser deseables en muchas aplicaciones. Para alcanzar un nivel de lóbulo lateral inferior a −30 dB normalmente se requiere un diseño y una construcción muy cuidadosos. En la mayoría de los sistemas de radar, por ejemplo, las relaciones bajas de los lóbulos laterales son muy importantes para minimizar las indicaciones falsas del objetivo 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 fijamente 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 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 del 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 transmisora, según la definición de ganancia, la densidad de potencia de radiación a una distancia de la antena (es decir, la potencia que pasa por la unidad de área) es

.

Aquí, los ángulos y indican una dependencia de la dirección desde la antena, y representan la potencia que el transmisor entregaría a una carga coincidente. La ganancia se puede dividir en tres factores; la ganancia de la antena (la redistribución direccional de la potencia), la eficiencia de la radiación (que tiene en cuenta las pérdidas óhmicas en la antena) y, por último, la pérdida debida al desajuste entre la antena y el transmisor. Estrictamente, para incluir la falta de coincidencia, debería llamarse ganancia realizada , [4] pero este no es un uso común.

Para la antena receptora, la potencia entregada al receptor es

.

Aquí está la densidad de potencia de la radiación incidente y es la apertura de la antena o 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.

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

,

donde y son propiedades direccionalmente dependientes de las antenas transmisora ​​y receptora, respectivamente. Para la transmisión desde la antena de referencia (2), a la antena de prueba (1), es decir

,

y para transmisión en sentido contrario

.

Aquí, la ganancia y el área efectiva de la antena 2 son fijos, porque la orientación de esta antena es fija con respecto a la primera.

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

,

De dónde

.

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

,

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, por lo que debe ser la misma para todas las antenas. El análisis de una antena particular (como un dipolo de Hertz ) muestra que esta constante es , donde es la longitud de onda en el espacio libre. Por tanto, para cualquier antena la ganancia y la apertura efectiva están relacionadas por

.

Incluso para 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

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

Consecuencias prácticas

Ver también

Referencias

  1. ^ abc Constantine A. Balanis: “Teoría, análisis y diseño de antenas”, John Wiley & Sons, Inc., 2ª ed. 1982ISBN 0-471-59268-4 ​
  2. ^ David K ​​Cheng: "Electromagnetismo de ondas y campos", 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” (2ª ed. 1968) Prentice-Hall. ISBN 81-203-0054-8 
  4. ^ Instituto abc de ingenieros eléctricos y electrónicos, “Diccionario estándar IEEE de términos eléctricos y electrónicos”; 6ª edición. Nueva York, NY, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, c1997. Norma IEEE 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 mediante algoritmo de polinización de flores". Computación neuronal y aplicaciones . 29 (2): 435–445. doi :10.1007/s00521-016-2457-7. S2CID  22745168.

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