¿Cuál es la apertura efectiva de una antena?
Elapertura efectiva de una antena, también llamadoárea efectiva (Ae), describe la eficacia con la que una antena receptora capta la energía de una onda electromagnética incidente. Se trata de un área de recepción equivalente, no necesariamente la abertura física de la antena.
Para una onda plana con polarización adaptada que llega desde la dirección de máxima recepción, la apertura efectiva relaciona la densidad de potencia incidente con la potencia disponible en los terminales de la antena.
If Ses la densidad de potencia incidente en W/m2yPrSi la potencia recibida disponible está en vatios, entonces:
Pr= SAe
Una apertura efectiva mayor recoge más potencia del mismo campo incidente, siempre que la dirección de llegada y la polarización estén alineadas.
La apertura efectiva considera la eficiencia de radiación y otras pérdidas de la antena, incluidas las pérdidas por conducción y dieléctricas. Por lo tanto, mide el rendimiento de recepción útil en lugar de solo el tamaño físico. La eficiencia de apertura, el desajuste de impedancia y el desajuste de polarización pueden reducir la potencia entregada al receptor.
Fórmula de apertura efectiva y ganancia de antena
La apertura efectiva máxima de cualquier antena está relacionada con su ganancia.Gy longitud de ondaλpor:
Ae= Gλ2/(4π)
Utilice la ganancia como una relación lineal, no dBi, en esta ecuación. Convierta la ganancia conG = 10G(dBi)/10. Porque la longitud de onda es igual ac/fLa apertura efectiva disminuye al aumentar la frecuencia cuando la ganancia se mantiene constante.
Por el contrario, las antenas con la misma apertura física pueden lograr una mayor ganancia en longitudes de onda más cortas cuando la eficiencia de apertura se mantiene comparable. Esta relación ayuda a los ingenieros a comparar la capacidad de recepción en diferentes frecuencias.
Cómo se determina la apertura efectiva
La apertura efectiva se puede calcular a partir de la ganancia medida, determinada por comparación con una antena de referencia, o inferida a partir de mediciones de potencia de recepción calibradas. El resultado es útil en los análisis de enlace, las mediciones de antenas y las estimaciones de sensibilidad del sistema.
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Uso de la apertura efectiva en la ecuación de transmisión de Friis
Elecuación de transmisión de FriisConecta la potencia transmitida, las ganancias de la antena, la longitud de onda y la distancia de separación en un enlace de campo lejano en espacio libre. Para la ganancia del transmisorGtganancia del receptorGrlongitud de ondaλy distanciaRestima la potencia disponible en la antena receptora.
UsandoPr= SAeEsto explicita el papel de la apertura efectiva de recepción: la antena transmisora establece la densidad de potencia en el receptor, y la antena receptora convierte parte de ese campo en potencia terminal.
Derivación de la fórmula de transmisión de Friis
Consideremos dos antenas separadas por una distanciaRen un espacio libre sin obstáculos. La antena receptora debe estar en el campo lejano del transmisor, y las antenas deben estar alineadas en dirección y polarización.
If PtCuando se suministran vatios a una antena transmisora isotrópica ideal, la potencia se distribuye sobre la superficie de una esfera. A distanciaR, la densidad de potencia incidente es:
Figura 1. Antenas de transmisión (Tx) y recepción (Rx) separadas porR.
Para una antena transmisora práctica con gananciaGtHacia el receptor, la densidad de potencia incidente aumenta por ese factor de ganancia:
Si la antena receptora tiene apertura efectivaAe, la potencia recibida disponible es la densidad de potencia incidente multiplicada porAe:
Sustituyendo la relación ganancia-apertura para la antena receptora se obtiene:
Por lo tanto, la potencia recibida se puede escribir en la forma familiar del espacio libre:
Ecuación 1.Ecuación de transmisión de Friis en términos de longitud de onda.
Ecuación 1Relaciona la potencia de transmisión, las ganancias de la antena, la longitud de onda y la distancia de separación. Es válida para la propagación en línea de visión en el campo lejano. Los sistemas reales requieren términos adicionales para la pérdida del cable, la pérdida del conector, el error de apuntamiento, la atenuación atmosférica y otros efectos de propagación.
Forma frecuencial de la ecuación de Friis
Porqueλ = c/fLa ecuación también puede expresarse en términos de frecuencia:
Ecuación 2.Ecuación de transmisión de Friis en términos de frecuencia.
Cómo afecta la frecuencia a la potencia recibida
Cuando la ganancia y la distancia de la antena se mantienen constantes, la ecuación de Friis predice una menor potencia recibida a medida que aumenta la frecuencia, debido a que la longitud de onda se acorta. Esta comparación presupone los mismos valores de ganancia en cada frecuencia.
Sin embargo, en el caso de antenas con una apertura física fija, la ganancia generalmente aumenta a medida que disminuye la longitud de onda. Por lo tanto, los enlaces de alta frecuencia y de ondas milimétricas pueden lograr un rendimiento óptimo con antenas direccionales de alta ganancia, siempre que el presupuesto de enlace también tenga en cuenta la precisión de apuntamiento, la absorción atmosférica, la lluvia y las pérdidas de hardware.
Utilice la ecuación de Friis como referencia para el espacio libre, en lugar de como un modelo de propagación completo. Esta ecuación presupone un funcionamiento en campo lejano, una línea de visión sin obstáculos y antenas correctamente alineadas.
Desajuste de polarización
Si las antenas transmisora y receptora no están polarizadas correctamente, multiplique la potencia ideal recibida por el factor de pérdida de polarización (PLF). Para vectores de polarización normalizados, el PLF varía de 0 a 1; un valor de 1 representa una adaptación perfecta. La fórmula generalizada que se muestra a continuación incluye este término de desajuste.
Ecuación 3.Ecuación de transmisión de Friis generalizada que incluye el desajuste de polarización.
Conclusiones clave
- La apertura efectiva convierte la densidad de potencia incidente en potencia recibida disponible.
- Para obtener gananciasGy longitud de ondaλ, Ae= Gλ2/(4π).
- Utilice la ganancia lineal, no dBi, en los cálculos de apertura y Friis.
- Friis se aplica a enlaces de campo lejano en espacio libre con línea de visión directa; los presupuestos de enlace prácticos requieren pérdidas adicionales.
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Fecha de publicación: 8 de enero de 2024
