La directividad es un parámetro fundamental de una antena. Esta mide el diagrama de radiación de una antena direccional. Una antena que radia por igual en todas las direcciones tendrá una directividad igual a 1 (esto equivale a cero decibelios - 0 dB).
La función de coordenadas esféricas se puede escribir como un patrón de radiación normalizado:
[Ecuación 1]
Un diagrama de radiación normalizado tiene la misma forma que el diagrama de radiación original. El diagrama de radiación normalizado se reduce en magnitud de modo que su valor máximo sea igual a 1. (El mayor valor es la ecuación [1] de "F"). Matemáticamente, la fórmula para la direccionalidad (tipo "D") se escribe como:
Esta puede parecer una ecuación direccional compleja. Sin embargo, los patrones de radiación de las moléculas son de suma importancia. El denominador representa la potencia media radiada en todas las direcciones. La ecuación es, por lo tanto, una medida de la potencia pico radiada dividida entre el promedio. Esto da la directividad de la antena.
Paradigma direccional
Como ejemplo, considere las siguientes dos ecuaciones para el patrón de radiación de dos antenas.
Antena 1
Antena 2
Estos diagramas de radiación se representan en la Figura 1. Tenga en cuenta que el modo de radiación solo depende del ángulo polar theta(θ). El diagrama de radiación no depende del acimut. (El diagrama de radiación acimutal permanece invariable). El diagrama de radiación de la primera antena es menos direccional que el de la segunda. Por lo tanto, se espera que la directividad sea menor para la primera antena.
Figura 1. Diagrama del patrón de radiación de una antena. ¿Tiene alta direccionalidad?
Usando la fórmula [1], podemos calcular que la antena tiene mayor directividad. Para comprobar su comprensión, piense en la Figura 1 y en qué es la direccionalidad. Luego, determine qué antena tiene mayor directividad sin usar cálculos matemáticos.
Resultados del cálculo direccional, utilice la fórmula [1]:
Cálculo de antena direccional 1, 1.273 (1.05 dB).
Cálculo de antena direccional 2, 2.707 (4.32 dB).
Una mayor directividad implica una antena más enfocada o direccional. Esto significa que una antena receptora 2 tiene 2,707 veces la potencia direccional de su pico que una antena omnidireccional. La antena 1 recibirá 1,273 veces la potencia de una antena omnidireccional. Las antenas omnidireccionales se utilizan como referencia común, aunque no existen antenas isótropas.
Las antenas de telefonía móvil deben tener baja directividad, ya que las señales pueden provenir de cualquier dirección. En cambio, las antenas parabólicas tienen alta directividad. Una antena parabólica recibe señales desde una dirección fija. Por ejemplo, si adquiere una antena parabólica de televisión, la compañía le indicará dónde orientarla y la antena recibirá la señal deseada.
Terminaremos con una lista de tipos de antenas y su directividad. Esto les dará una idea de qué direccionalidad es común.
Tipo de antena Directividad típica Directividad típica [decibelios] (dB)
Antena dipolo corta 1,5 1,76
Antena dipolo de media onda 1,64 2,15
Parche (antena microstrip) 3,2-6,3 5-8
Antena de bocina 10-100 10-20
Antena parabólica 10-10.000 10-40
Como muestran los datos anteriores, la directividad de la antena varía considerablemente. Por lo tanto, es importante comprenderla al seleccionar la antena más adecuada para su aplicación específica. Si necesita enviar o recibir energía desde múltiples direcciones en una sola dirección, debe diseñar una antena con baja directividad. Ejemplos de aplicaciones para antenas de baja directividad incluyen radios de coche, teléfonos móviles y acceso inalámbrico a internet desde ordenadores. Por el contrario, si se dedica a la teledetección o a la transferencia de energía dirigida, se requerirá una antena altamente direccional. Las antenas altamente direccionales maximizarán la transferencia de energía desde la dirección deseada y reducirán las señales provenientes de direcciones no deseadas.
Supongamos que queremos una antena de baja directividad. ¿Cómo lo conseguimos?
La regla general de la teoría de antenas es que se necesita una antena eléctricamente pequeña para producir baja directividad. Es decir, si se utiliza una antena con un tamaño total de 0,25 a 0,5 longitudes de onda, se minimizará la directividad. Las antenas dipolo de media onda o las antenas de ranura de media longitud de onda suelen tener una directividad inferior a 3 dB. Esta es la direccionalidad más baja que se puede obtener en la práctica.
En definitiva, no podemos fabricar antenas más pequeñas que un cuarto de longitud de onda sin reducir su eficiencia y ancho de banda. La eficiencia y el ancho de banda de la antena se analizarán en capítulos posteriores.
Para una antena con alta directividad, necesitaremos antenas con diferentes longitudes de onda. Por ejemplo, las antenas parabólicas y las antenas de bocina tienen alta directividad. Esto se debe, en parte, a que tienen varias longitudes de onda.
¿Por qué? En última instancia, la razón se relaciona con las propiedades de la transformada de Fourier. Al aplicar la transformada de Fourier a un pulso corto, se obtiene un espectro amplio. Esta analogía no se aplica al determinar el diagrama de radiación de una antena. El diagrama de radiación puede considerarse como la transformada de Fourier de la distribución de corriente o voltaje a lo largo de la antena. Por lo tanto, las antenas pequeñas tienen diagramas de radiación amplios (y baja directividad). Las antenas con una distribución uniforme de voltaje o corriente presentan patrones muy direccionales (y alta directividad).
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Hora de publicación: 07-nov-2023
