¿Cómo se puede usar una antena de baja eficiencia para recibir pero no para transmitir?

Para el teorema de reciprocidad, si una antena tiene una baja eficiencia en la transmisión, tiene la misma eficiencia al recibirla.

En la literatura, generalmente se dice que uno no debería usar una antena de baja eficiencia para transmitir porque se desperdiciaría mucha energía.

Sin embargo, a menudo leo que si es solo para recibir señales, se podría usar una antena de baja eficiencia. ¿Por qué? ¡En tal caso, está desperdiciando la misma cantidad de energía que habría desperdiciado al usar la misma antena en la transmisión!

Además, con una antena de baja eficiencia como receptor, tendrá una relación S / N más pequeña en comparación con lo que tendría con una antena de mayor eficiencia.

El hecho de que esté recibiendo la potencia que otra persona transmitió (es decir, que otra persona gastó para transmitirla) no debería ser una razón suficiente para usar una antena de baja eficiencia para recibirla.

El teorema de reciprocidad es sobre la ganancia de la antena. Digamos que tenemos una antena con un 50% de eficiencia energética, por lo que 3dB tiene más pérdidas que una antena perfecta.

Si se utiliza para la recepción, perderá la mitad de la potencia que recibe, por lo tanto, disminuya la relación señal / ruido debido al ruido de entrada del receptor en 3dB. No es ideal, pero no es grande, solo significa una reducción en el alcance en comparación con una antena perfecta en un entorno silencioso.

Si lo estamos usando en un entorno de radio móvil ocupado, y hay muchos otros usuarios creando interferencia en los mismos canales y en los cercanos, entonces también está atenuando esas señales, por lo que el sistema funciona tan bien como cuando se usa una antena perfecta .

Ahora considérelo para la transmisión. Perderá la mitad del poder que le ponemos. Si queremos irradiar 100mW (para un teléfono móvil) o 100kW (para un transmisor de TV), necesitaremos nuestro amplificador de potencia de RF para generar 200mW (que nos dará la mitad del tiempo de conversación con la misma batería), o 200kW (sería compra un amplificador de 200kW cuando realmente solo necesita 100kW, no importa los 200kW adicionales de potencia de red para ejecutarlo).

Si bien la ganancia de la antena es recíproca, la forma en que la use ciertamente no lo es.

Hay una imagen más grande a considerar ...

Para el teorema de reciprocidad, si una antena tiene una baja eficiencia en la transmisión, tiene la misma eficiencia al recibirla.

Para ser absolutamente claro sobre esto: puede tener una "antena" receptora muy buena y bastante eficiente que sea una antena transmisora ​​muy pobre. El teorio de la reciprocidad no siempre da una imagen más grande.

Considere la antigua antena de ferrita fiel utilizada en receptores de onda larga y media:

Es muy bueno para recolectar y canalizar la parte magnética de la onda EM incidente y se usa ampliamente en muchas radios. Sin embargo, hace la antena de transmisión más abismal porque solo puede producir la parte magnética de la onda EM y el campo H que producirá se dispersará con la distancia en una magnitud de .$\frac{1}{d^3}$

En comparación con una antena normal como un dipolo, producirá campos E y H que se dispersan con una magnitud de .$\frac{1}{d}$

Considere también el monopolo de cuarto de onda (solo como un ejemplo). Se usan muchos que son mucho más cortos que pero que pueden funcionar de manera muy efectiva como antena receptora porque la impedancia de salida que presentan a un receptor de radio es altamente capacitiva:$\lambda/4$

Con de longitud, su impedancia es de aproximadamente 37 ohmios resistiva y ni capacitiva ni inductiva. Este es el razonamiento tradicional para usar un monopolo de cuarto de onda. Sin embargo, a medida que la longitud cae o la frecuencia de operación requerida cae, el monopolo se vuelve progresivamente más capacitivo y la parte resistiva tiende a cero.$\lambda/4$

Esto está bien para un receptor de radio que funciona en una determinada banda: puede usar un inductor para formar un buen filtro de paso de banda frontal y no le importa que la resistencia sea baja.

Sin embargo, esa resistencia es importante para un transmisor: representa la resistencia del medio de transmisión (modificado por la antena desde los 377 ohmios de espacio libre a 37 ohmios eléctricos). A esa resistencia es a lo que quiere llevar la potencia de su PA y, si la antena es "corta", está luchando rápidamente para poner energía en una resistencia de 1 ish ohm mientras hace frente a las pérdidas de antena (también alrededor de 1 ohm). Entonces, inmediatamente está perdiendo la potencia transmitida.

En HF el razonamiento es el siguiente:

En general, la recepción está limitada por el ruido del cielo, lo que significa que el ruido propio del RX no es, en ningún sentido, el factor limitante. Si hace que el receptor sea más silencioso, todo lo que sucede es que escucha más ruido del cielo, por lo que para recibir el rendimiento de la antena se trata mucho más de la relación F / B (por lo que puede anular la interferencia) que de la sensibilidad. El otro elefante en la habitación (y uno por el que a menudo intercambias voluntariamente la sensibilidad) está manejando portadores adyacentes fuertes.

Sin embargo, en la transmisión, cada dB adicional de potencia radiada pone la señal en el receptor mucho más allá del ruido del cielo, por lo que realmente desea una buena eficiencia aquí. La situación NO es recíproca, porque el ruido que limita el rendimiento se agrega después de la transmisión, pero antes de las antenas receptoras.

En VHF y superiores, donde el ruido del cielo es mucho menos problemático y el ruido propio del receptor domina, la situación es diferente, ya que existe una reciprocidad sustancial y mejores antenas en ambos extremos son igualmente importantes. Para un trabajo de señal realmente débil, a veces prefiere obtener una temperatura de ruido más baja en lugar de una ganancia máxima, pero eso es en gran medida un tipo de cosa de comunicaciones de espacio de señal débil.

Tenga en cuenta que la ganancia de antena NO es la única figura de mérito. A veces, la relación F / B, o la temperatura de ruido o el tamaño o el ancho de banda o algo más importa más.

¿Por qué usar una antena de baja eficiencia? Talla. Estoy seguro de que un experto diseñador de antenas podría mejorar la eficiencia de la antena receptora de un teléfono móvil al colocarle una antena parabólica de un metro de ancho, pero eso la hace considerablemente menos útil. Mientras que la estación base no tiene esas restricciones y, por lo tanto, puede usar antenas más grandes.

La direccionalidad también importa mucho cuando se habla de la eficiencia de la antena; Los platos parabólicos son muy eficientes pero solo en una dirección.