Patrón de radiación

Un diagrama de radiación de antena (o patrón de antena o patrón de campo lejano ) es la dependencia direccional (angular) de la intensidad del campo (a veces también la fase ) de las ondas de radio provenientes de la antena u otra fuente. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Particularmente en los campos de la fibra óptica , los láseres y la óptica integrada , el término patrón de radiación también puede usarse 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 radiación de campo lejano de una antena puede determinarse experimentalmente a una distancia de antena determinada , o bien, el patrón de radiación de campo cercano puede obtenerse mediante un escáner de campo cercano , y el patrón de radiación deducido a partir de este mediante cálculo. ^{[ 1 ]} El patrón de radiación de campo lejano también puede calcularse a partir de la forma de la antena mediante programas informáticos como NEC . Otros programas, como HFSS, también pueden calcular el campo cercano.

El patrón de radiación de campo lejano puede representarse gráficamente como una gráfica de varias variables relacionadas, como la intensidad a 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 ( patrón de ganancia ). Muy a menudo, solo se grafica la amplitud relativa, normalizada ya sea a la amplitud en el eje de la antena o a la potencia radiada total. La magnitud graficada puede mostrarse en una escala lineal o en dB . La gráfica se representa típicamente como un gráfico tridimensional (como a la derecha) o como gráficos separados en el plano vertical y el plano horizontal . Esto se conoce comúnmente como diagrama polar .

Una propiedad fundamental de las antenas es que su patrón de recepción (sensibilidad en función de la dirección) es idéntico a su patrón de radiación en campo lejano cuando transmite . Esto se deriva del teorema de reciprocidad del electromagnetismo y se demuestra a continuación. Por lo tanto, al analizar los patrones de radiación , la antena puede considerarse transmisora ​​o receptora, según resulte más conveniente.

La reciprocidad tiene sus límites: se aplica únicamente a los elementos pasivos de la antena; las antenas activas que incorporan amplificadores u otros componentes alimentados individualmente no son recíprocas. Incluso cuando la antena está compuesta exclusivamente de 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 se irradian hacia dentro y hacia fuera siguiendo la misma trayectoria, con el mismo patrón general, solo que en dirección invertida.

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

Las antenas más simples, las monopolo y dipolo , consisten en una o dos varillas metálicas rectas a lo largo de un eje común. Estas antenas de simetría axial presentan patrones de radiación con una simetría similar, denominados omnidireccionales ; irradian la misma potencia en todas las direcciones perpendiculares a la antena, variando la potencia únicamente con el ángulo respecto al eje, y anulándose por completo 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 interfiere en ciertos ángulos; el diagrama de radiación de la antena puede considerarse un diagrama 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 diagrama de radiación de la mayoría de las antenas muestra un patrón de máximos llamados " lóbulos " en varios ángulos, separados por " nulos " donde la radiación se reduce a cero. Cuanto mayor sea la antena en comparación con la longitud de onda, mayor será el número de lóbulos.

En una antena direccional, cuyo objetivo es emitir ondas de radio en una dirección específica, la antena está diseñada para irradiar la mayor parte de su potencia en el lóbulo orientado en la dirección deseada. Por lo tanto, en el diagrama 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 otros lóbulos, además del principal, que representan la radiación no deseada en otras direcciones, se denominan lóbulos secundarios. Los lóbulos secundarios orientados en ángulo con respecto al lóbulo principal se denominan " lóbulos laterales ". El lóbulo secundario 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 reducirlos. Los lóbulos laterales son normalmente los más grandes de los lóbulos menores. El nivel de los lóbulos menores se suele expresar como una relación entre la densidad de potencia del lóbulo en cuestión y la del lóbulo principal. Esta relación se denomina a menudo relación de lóbulos laterales o nivel de lóbulos laterales. Los niveles de lóbulos laterales de -20  dB o superiores no suelen ser deseables en muchas aplicaciones. Lograr un nivel de lóbulos laterales inferior a -30  dB generalmente requiere un diseño y una construcción muy cuidadosos. En la mayoría de los sistemas de radar, por ejemplo, las bajas relaciones de lóbulos laterales son muy importantes para minimizar las falsas indicaciones de objetivos a través de los lóbulos laterales.

Para una demostración completa, consulte el artículo sobre reciprocidad (electromagnetismo) . Aquí presentamos una demostración sencilla y común, limitada a la aproximación de dos antenas separadas por una gran distancia en comparación con su tamaño, en un medio homogéneo. La primera antena es la antena de prueba, cuyos patrones se van a investigar; esta antena puede apuntar libremente en cualquier dirección. La segunda antena es una antena de referencia, que apunta rígidamente hacia la primera.

Cada antena se conecta alternativamente a un transmisor con una impedancia de fuente particular y a un receptor con 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 ejerce la antena receptora. Por consiguiente, la potencia transferida del transmisor al receptor puede expresarse como el producto de dos factores independientes: uno que depende de las propiedades direccionales de la antena transmisora ​​y otro que depende de las propiedades direccionales de la antena receptora.

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

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

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

Para la antena receptora, la potencia entregada al receptor es

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

Aquí${\displaystyle W}$es la densidad de potencia de la radiación incidente, y${\displaystyle A}$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${\displaystyle A}$Se entiende que incluye las pérdidas óhmicas y por desajuste.

Al juntar estas expresiones, la potencia transferida del transmisor al receptor es

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

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

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

y para la transmisión en la dirección opuesta

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

Aquí, la ganancia${\displaystyle G_{2}}$y área efectiva${\displaystyle A_{2}}$Las antenas 2 están fijas, porque la orientación de esta antena está 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

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

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

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

Es decir, la dependencia direccional de la apertura efectiva (receptora) y la ganancia (transmisora) 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 en particular (como un dipolo hertziano ) muestra que esta constante es${\displaystyle {\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}}$, dónde${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda en el espacio libre. Por lo tanto, para cualquier antena, la ganancia y la apertura efectiva están relacionadas por

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

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

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

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

• Modelado de antenas
• Plano E y plano H
• Vertical y horizontal (propagación de radio)

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

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