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

El teorema de reciprocidad es sobre la ganancia de la antena. Digamos que tenemos una antena con un 50% de eficiencia de potencia, por lo que la pérdida de 3dB es mayor que una antena perfecta.

Si se utiliza para la recepción, perderá la mitad de la potencia que recibe, por lo que disminuirá 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 ambiente silencioso.

Si lo estamos utilizando en un entorno de radio móvil ocupado, y hay muchos otros usuarios que crean interferencias en el mismo canal y en los canales cercanos, también está atenuando esas señales, por lo que el sistema también funciona como cuando se usa una antena perfecta.

Ahora considérelo para transmisión. Perderá la mitad del poder que le pongamos. Si queremos emitir 100mW (para un teléfono móvil) o 100kW (para un transmisor de TV), necesitaremos nuestro amplificador de potencia de RF para generar 200mW (lo que nos dará la mitad del tiempo de conversación con la misma batería), o 200kW ( compra un amplificador de 200kW cuando realmente solo necesita 100kW, sin importar los 200kW adicionales de potencia de red para ejecutarlo).

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

Hay una imagen más grande para considerar ...

  

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

Solo para ser absolutamente claro al respecto: puede tener una "antena" de recepción muy buena y bastante eficiente que hace que una antena de transmisión sea muy mala. El teorema de reciprocidad no siempre da una imagen más amplia.

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

EsmuybuenopararecolectarycanalizarlapartemagnéticadelaondaEMincidenteyseusaampliamenteenmuchasradios.Sinembargo,eslaantenadetransmisiónmásabismalporquesolopuedeproducirlapartemagnéticadelaondaEMyelcampoHqueproducirásedispersaráconladistanciaaunamagnitudde\$\frac{1}{d^3}\$.

Comparadoconunaantenanormalcomoundipolo,producirácamposEyHquesedispersanconunamagnitudde\$\frac{1}{d}\$.

Consideretambiénelmonopolodeondacuarta(comoejemplo).Muchosseutilizanquesonmuchomáscortosque\$\lambda/4\$peropuedenfuncionardemaneramuyefectivacomoantenaderecepciónporquelaimpedanciadesalidaquepresentanaunreceptorderadioesaltamentecapacitiva:-

En\$\lambda/4\$delongitud,suimpedanciaesdeaproximadamente37ohmiosresistivaynicapacitivaniinductiva.Esteeselrazonamientotradicionalparausarunmonopolodeondacuarta.Sinembargo,amedidaquedisminuyelalongitudodisminuyelafrecuenciadefuncionamientorequerida,elmonopolosevuelveprogresivamentemáscapacitivoylaparteresistivatiendeacero.

Estoestábienparaunreceptorderadioquefuncionaenunadeterminadabanda:puedeusaruninductorparaformarunbuenfiltrodepasodebandafrontalynoleimportaquelaresistenciaseabaja.

Sinembargo,esaresistenciaesimportanteparauntransmisor:representalaresistenciadelmediodetransmisión(modificadoporlaantenadesdelos377ohmiosdeespaciolibrehastalos37ohmioseléctricos).EsaresistenciaesenloquequiereempujarsupotenciadePAy,silaantenaes"corta", está luchando rápidamente para poner energía en una resistencia de 1 ish ohm mientras se enfrenta a las pérdidas de la antena (también aproximadamente 1 ohm). Entonces, inmediatamente estás perdiendo potencia transmitida.

En HF, el razonamiento es así:

La recepción generalmente 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 escuchará más ruido del cielo, por lo que para el rendimiento de la antena receptora es mucho más sobre la relación F / B (por lo que puede eliminar la interferencia) que sobre la sensibilidad. El otro elefante en la habitación (y uno con el que a menudo se intercambia sensibilidad) es el manejo de portadores adyacentes fuertes.

Sin embargo, en la transmisión, cada dB adicional de potencia radiada envía la señal al receptor mucho más por encima 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 superior, donde el ruido del cielo es un problema mucho menor, y el ruido propio del receptor domina, la situación es diferente, ya que existe una reciprocidad sustancial y mejores antenas aéreas en ambos extremos. Para un trabajo de señal realmente débil, a veces se prefiere obtener una temperatura de ruido más baja en lugar de una ganancia máxima, pero eso es algo muy parecido a las comunicaciones espaciales de señal débil.

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

¿Por qué usar una antena de baja eficiencia? Tamaño. Estoy seguro de que un diseñador de antenas capacitado podría mejorar la eficiencia de una antena receptora de teléfono móvil al colocarle un plato parabólico de un metro de ancho, pero eso lo 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.