Come si può usare un'antenna a bassa efficienza per ricevere ma non per trasmettere?

Per il teorema di reciprocità, se un'antenna ha una bassa efficienza nella trasmissione, ha la stessa efficienza durante la ricezione.

In letteratura, di solito si dice che non si dovrebbe usare un'antenna a bassa efficienza per trasmettere perché molta energia verrebbe sprecata.

Tuttavia, leggo spesso che se è solo per ricevere segnali, potrebbe essere utilizzata un'antenna a bassa efficienza. Perché? In tal caso, stai sprecando la stessa quantità di energia che avresti sprecato utilizzando la stessa antenna in trasmissione!

Inoltre, con un'antenna a bassa efficienza come ricevitore, avrai un rapporto S / N più piccolo rispetto a quello che avresti con un'antenna ad alta efficienza.

Solo perché stai ricevendo la potenza che qualcun altro ha trasmesso (ovvero qualcun altro speso per trasmetterlo) non dovrebbe essere una ragione sufficiente per usare un'antenna a bassa efficienza per riceverlo.

Il teorema di reciprocità riguarda il guadagno dell'antenna. Supponiamo di avere un'antenna con un'efficienza energetica del 50%, quindi una perdita di 3dB maggiore rispetto a un'antenna perfetta.

Se utilizzato per la ricezione, perderà metà della potenza che riceve, quindi diminuisce il rapporto segnale-rumore a causa del rumore di ingresso del ricevitore di 3dB. Non ideale, ma non eccessivo, significa solo una riduzione della portata rispetto a un'antenna perfetta in un ambiente silenzioso.

Se lo stiamo usando in un ambiente radio mobile occupato, e ci sono molti altri utenti che creano interferenze sullo stesso canale e sui canali vicini, attenua anche quei segnali, quindi il sistema funziona altrettanto bene che quando si utilizza un'antenna perfetta .

Ora consideralo per la trasmissione. Perderà metà del potere che ci mettiamo dentro. Se vogliamo irradiare 100mW (per un telefono cellulare) o 100kW (per un trasmettitore TV), avremo bisogno del nostro amplificatore di potenza RF per generare 200mW (che ci darà la metà del tempo di conversazione sulla stessa batteria) o 200kW (sarebbe compri un amplificatore da 200kW quando hai davvero bisogno di 100kW, non importa i 200kW extra di alimentazione di rete per farlo funzionare).

Mentre il guadagno dell'antenna è reciproco, il modo in cui lo usi certamente non lo è.

C'è un quadro più ampio da considerare ...

Per il teorema di reciprocità, se un'antenna ha una bassa efficienza nella trasmissione, ha la stessa efficienza durante la ricezione.

Giusto per essere assolutamente chiari su questo: puoi avere una "antenna" di ricezione molto buona e abbastanza efficiente che rende un'antenna di trasmissione molto scadente. Il teoria della reciprocità non fornisce sempre un quadro più ampio.

Considera la tua fedele antenna a barra in ferrite usata nei ricevitori a onde lunghe e medie: -

È molto bravo a raccogliere e incanalare la parte magnetica dell'onda EM incidente ed è ampiamente usato in molte radio. Tuttavia, produce l'antenna di trasmissione più abissale perché può produrre solo la parte magnetica dell'onda EM e il campo H che produrrà si disperderà con la distanza a una grandezza di$\frac{1}{d^3}$.

Rispetto ad un'antenna normale come un dipolo - produrrà campi E e H che si disperdono con una magnitudine di $\frac{1}{d}$.

Considera anche il monopolo a quarto di onda (solo come esempio). Molti sono usati che sono molto più brevi di$\lambda/4$ ma può funzionare in modo molto efficace come antenna di ricezione perché l'impedenza di uscita che presentano a un ricevitore radio è altamente capacitiva: -

A $\lambda/4$in lunghezza la sua impedenza è di circa 37 ohm resistivi e né capacitivi né induttivi. Questo è il ragionamento tradizionale per l'utilizzo di un monopolo a quarto d'onda. Tuttavia, quando la lunghezza diminuisce o la frequenza operativa richiesta diminuisce, il monopolo diventa progressivamente più capacitivo e la parte resistiva tende verso lo zero.

Questo va bene per un ricevitore radio che opera su una determinata banda: può usare un induttore per formare un buon filtro passa-banda front-end e non gli importa che la resistenza sia bassa.

Tuttavia, quella resistenza è importante per un trasmettitore: rappresenta la resistenza del mezzo di trasmissione (modificata dall'antenna da 377 ohm di spazio libero a 37 ohm elettrici). Quel resistore è ciò in cui vuoi spingere la tua potenza PA e, se l'antenna è "corta", stai combattendo rapidamente per mettere potenza in un resistore da 1 ish ohm mentre stai affrontando le perdite dell'antenna (anche circa 1 ohm). Quindi immediatamente stai perdendo energia trasmessa.

In HF il ragionamento è il seguente:

La ricezione è generalmente limitata dal rumore del cielo, vale a dire che l'autoritratto RX di solito non è in alcun modo il fattore limitante. Se rendi il ricevitore più silenzioso, tutto ciò che accade è che senti più rumore del cielo, quindi per ricevere le prestazioni dell'antenna è molto più sul rapporto F / B (quindi puoi annullare le interferenze) che sulla sensibilità. L'altro elefante nella stanza (e uno per il quale scambiate spesso la sensibilità volentieri) sta maneggiando forti vettori adiacenti.

Alla trasmissione, tuttavia, ogni dB aggiuntivo di potenza irradiata mette il segnale sul ricevitore molto più in alto del rumore del cielo, quindi in questo caso si desidera davvero una buona efficienza. La situazione NON è reciproca, perché il rumore che limita le prestazioni viene aggiunto dopo la trasmissione, ma prima delle antenne riceventi.

A partire dal VHF, dove il rumore del cielo è molto meno problematico, e l'autosufficienza del ricevitore domina, la situazione è diversa in quanto vi è una sostanziale reciprocità e migliori antenne su entrambe le estremità sono ugualmente importanti. Per lavori con segnali molto deboli a volte preferisci ottenere una temperatura del rumore più bassa invece del massimo guadagno, ma questo è molto un tipo di comunicazione debole nello spazio del segnale.

Si noti che il guadagno dell'antenna NON è l'unica cifra di merito. A volte il rapporto F / B, o la temperatura o la dimensione del rumore o la larghezza di banda o qualcos'altro conta di più.

Perché usare un'antenna a bassa efficienza? Dimensione. Sono sicuro che un abile progettista di antenne potrebbe migliorare l'efficienza di un'antenna per telefoni cellulari attaccando ad essa un parabola largo un metro, ma ciò lo rende notevolmente meno utile. Considerando che la stazione base non ha questi vincoli e può quindi utilizzare antenne più grandi.

La direzionalità conta molto anche quando si parla dell'efficienza dell'antenna; i piatti parabolici sono molto efficienti ma solo in una direzione.