Como uma antena de baixa eficiência pode ser usada para receber, mas não para transmitir?

Para o teorema da reciprocidade, se uma antena tem uma baixa eficiência na transmissão, ela tem a mesma eficiência no recebimento.

Na literatura, costuma-se dizer que não se deve usar uma antena de baixa eficiência para transmitir porque muita energia seria desperdiçada.

No entanto, eu sempre leio que, se for apenas para receber sinais, uma antena de baixa eficiência pode ser usada. Por quê? Nesse caso, você está desperdiçando a mesma quantidade de energia que teria desperdiçado usando a mesma antena na transmissão!

Além disso, com uma antena de baixa eficiência como receptor, você terá uma relação S / N menor em comparação com a antena de maior eficiência.

Só porque você está recebendo a energia que outra pessoa transmitiu (ou seja, alguém que gastou para transmiti-la) não deve ser um motivo suficientemente bom para usar uma antena de baixa eficiência para recebê-la.

O teorema da reciprocidade é sobre o ganho da antena. Digamos que temos uma antena com eficiência de energia de 50%, portanto, mais perda de 3dB do que uma antena perfeita.

Se usado para recepção, ele perderá metade da energia que recebe, portanto diminua a relação sinal / ruído devido ao ruído de entrada do receptor em 3dB. Não é o ideal, mas não é nada demais, apenas significa uma redução no alcance em comparação com uma antena perfeita em um ambiente silencioso.

Se o estivermos usando em um ambiente de rádio móvel movimentado, e houver muitos outros usuários criando interferência nos mesmos canais e nos canais próximos, também estará atenuando esses sinais, para que o sistema funcione tão bem quanto ao usar uma antena perfeita .

Agora considere para transmissão. Perderá metade do poder que colocamos nele. Se quisermos irradiar 100mW (para um telefone celular) ou 100kW (para um transmissor de TV), precisaremos do nosso amplificador de potência de RF para gerar 200mW (o que nos dará metade do tempo de conversação na mesma bateria), ou 200kW (seria você compra um amplificador de 200kW quando realmente só precisa de 100kW (não importa os 200kW extras de energia da rede para executá-lo).

Embora o ganho da antena seja recíproco, como você o usa certamente não é.

Há uma imagem maior a considerar ...

Para o teorema da reciprocidade, se uma antena tem uma baixa eficiência na transmissão, ela tem a mesma eficiência no recebimento.

Apenas para ser absolutamente claro sobre isso: você pode ter uma "antena" receptora muito boa e bastante eficiente que produz uma antena de transmissão muito ruim. O teorema da reciprocidade nem sempre dá uma visão geral.

Considere a sua antiga e fiel antena de haste de ferrite usada em receptores de ondas longas e médias: -

É muito bom em coletar e canalizar a parte magnética da onda EM incidente e é amplamente utilizado em muitos rádios. No entanto, é a antena transmissora mais abismal, pois só pode produzir a parte magnética da onda EM e o campo H que ela produzirá dispersará à distância a uma magnitude de$\frac{1}{d^3}$.

Comparado a uma antena comum como um dipolo - ele produzirá campos E e H que se dispersam com uma magnitude de $\frac{1}{d}$.

Considere também o monopolo de quarto de onda (apenas como exemplo). Muitos são usados ​​muito mais curtos do que$\lambda/4$ mas pode funcionar de maneira muito eficaz como antena de recebimento porque a impedância de saída que eles apresentam a um receptor de rádio é altamente capacitiva: -

At $\lambda/4$em comprimento, sua impedância é de cerca de 37 ohms resistiva e nem capacitiva nem indutiva. Esse é o raciocínio tradicional para o uso de um monopolo de quarto de onda. No entanto, à medida que o comprimento diminui ou a frequência de operação necessária diminui, o monopolo se torna progressivamente mais capacitivo e a parte resistiva tende a zero.

Isso é bom para um receptor de rádio que opera em uma determinada banda - ele pode usar um indutor para formar um bom filtro de banda de front-end e não se importa com a baixa resistência.

No entanto, essa resistência é importante para um transmissor - ela representa a resistência do meio de transmissão (modificado pela antena dos 377 ohms de espaço livre para os 37 ohms elétricos). É nesse resistor que você deseja aumentar a potência do PA e, se a antena for "curta", você estará lutando rapidamente para colocar energia em um resistor de 1 ish ohm enquanto lida com as perdas da antena (também cerca de 1 ohm). Então, imediatamente, você está perdendo a potência transmitida.

Na HF, o raciocínio é assim:

Geralmente, o recebimento do ruído do céu é limitado, o que significa que o auto-ruído do RX geralmente não é, em nenhum sentido, o fator limitante. Se você deixar o receptor mais silencioso, tudo o que acontece é que você ouve mais ruído do céu; portanto, para receber o desempenho da antena, é muito mais a relação F / B (para que você possa anular a interferência) do que a sensibilidade. O outro elefante na sala (e com quem você costuma trocar de sensibilidade) está lidando com fortes portadores adjacentes.

Na transmissão, no entanto, cada dB extra de energia irradiada coloca o sinal no receptor muito mais acima do ruído do céu, então você realmente quer uma boa eficiência aqui. A situação NÃO é recíproca, porque o ruído que limita o desempenho é adicionado após a transmissão, mas antes das antenas receptoras.

Em VHF e acima, onde o ruído do céu é muito menos problemático e o ruído próprio do receptor domina, a situação é diferente, pois você tem uma reciprocidade substancial e melhores antenas em cada extremidade são igualmente importantes. Para um trabalho de sinal realmente fraco, às vezes você prefere obter uma temperatura de ruído mais baixa em vez do ganho final, mas isso é um tipo de comunicação de espaço de sinal fraco.

Observe que o ganho da antena NÃO é a única figura de mérito. Às vezes, a proporção F / B, a temperatura do ruído, o tamanho ou a largura de banda ou algo mais importa mais.

Por que usar uma antena de baixa eficiência? Tamanho. Tenho certeza de que um experiente projetista de antenas poderia melhorar a eficiência de uma antena receptora de telefone celular conectando uma antena parabólica de um metro de largura, mas isso a torna consideravelmente menos útil. Considerando que a estação base não tem essas restrições e, portanto, pode usar antenas maiores.

A direcionalidade também importa muito quando se fala em eficiência de antena; pratos parabólicos são muito eficientes, mas apenas em uma direção.