¿Qué es un patrón de antena?

¿Qué es un patrón de antena?

El diagrama de patrón de antena, también conocido como patrón de radiación o patrón de campo lejano, no proporciona ganancia de antena; produce un coeficiente de directividad. Ganancia de antena = coeficiente de directividad × eficiencia de la antena. Por tanto, el coeficiente de directividad es siempre mayor que la ganancia.

G=D*N%.

Dado que la eficiencia de la antena generalmente no es del 100%, G < d. Al calcular la directividad de la antena D, es común utilizar el ancho del haz del lóbulo principal como se muestra en el diagrama de radiación, como el ancho del haz a media potencia, es decir, el ancho del haz en el que el nivel de la señal cae 3 dB.

Ganancia de antena

La ganancia de antena se refiere a la relación entre la densidad de potencia de la señal generada por una antena real y la generada por un elemento radiante ideal en el mismo punto del espacio, en condiciones de igual potencia de entrada. Describe cuantitativamente el grado en que una antena concentra la radiación de la potencia de entrada. La ganancia está claramente relacionada estrechamente con el patrón de antena; cuanto más estrecho sea el lóbulo principal y más pequeños los lóbulos laterales, mayor será la ganancia. La ganancia de antena se utiliza para medir la capacidad de una antena para transmitir y recibir señales en una dirección específica; es uno de los parámetros más importantes a la hora de seleccionar antenas de estaciones base. Generalmente, aumentar la ganancia se basa principalmente en reducir el ancho del haz en el plano vertical manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de la radiación omnidireccional en el plano horizontal. La ganancia de la antena es fundamental para la calidad operativa de los sistemas de comunicaciones móviles, ya que determina el nivel de la señal en el límite de la celda. El aumento de la ganancia puede ampliar la cobertura de la red en una dirección específica o aumentar el margen de ganancia dentro de un área definida. Dado que cualquier sistema celular es un proceso bidireccional, el aumento de la ganancia de la antena reduce simultáneamente el margen de ganancia del sistema bidireccional. Además, la ganancia de la antena se expresa en dBd y dBi. dBi representa la ganancia relativa a una antena de fuente puntual, que irradia uniformemente en todas las direcciones; dBd representa la ganancia relativa a una antena dipolo simétrica, donde dBi = dBd + 2,15. En condiciones idénticas, cuanto mayor es la ganancia, más lejos viajan las ondas de radio. Generalmente, la ganancia de antena para una estación base direccional GSM es de 18 dBi, mientras que la de unaestación base omnidireccional es de 11 dBi.

Características de los parámetros del patrón de antena:

Para facilitar las comparaciones de las características del patrón de radiación de varias antenas, se deben definir ciertos parámetros característicos. Estos incluyen principalmente: ancho del lóbulo principal, nivel del lóbulo lateral, relación adelante-atrás y directividad, entre otros.
1. Ancho del lóbulo principal: Cantidad física que mide la nitidez de la región de máxima radiación de una antena. Normalmente se define como el ancho entre los dos puntos de media potencia del lóbulo principal en el patrón de radiación de la antena.
2. Nivel del lóbulo lateral: Se refiere al nivel del primer lóbulo lateral más cercano al lóbulo principal y con el nivel más alto; generalmente se expresa en decibeles.
3. Relación adelante-atrás: Esta es la relación entre el nivel de radiación en la dirección de radiación máxima (hacia adelante) y el en la dirección opuesta (atrás), generalmente medida en decibelios.
4. Coeficiente direccional: a una distancia determinada de la antena, es la relación entre la densidad de flujo de potencia de radiación en la dirección de radiación máxima y la densidad de flujo de potencia de radiación de una antena omnidireccional ideal con la misma potencia de radiación a la misma distancia.

Trazar un patrón de antena

Un patrón de antena es una representación gráfica de la relación entre las características de radiación de una antena (amplitud de campo, fase y polarización) y los ángulos espaciales. Un patrón completo es una figura espacial tridimensional, como se muestra en la Figura 3.1. Se traza midiendo las características de la radiación punto por punto sobre una superficie esférica con un radio r suficientemente grande, con el centro de fase de la antena como el centro de la esfera (el origen del sistema de coordenadas). La medición de la amplitud del campo produce el patrón de amplitud del campo; medir el poder produce un patrón de poder; medir la polarización produce un patrón de polarización; y la fase de medición produce un patrón de fase. A menos que se especifique lo contrario, todas las referencias a "patrones" en este libro se refieren a patrones de amplitud de campo. Mapear patrones tridimensionales es bastante engorroso; en la práctica, generalmente es suficiente medir los patrones en los planos horizontal y vertical (es decir, los planos XY y XZ).

Los patrones de radiación de la antena se pueden trazar utilizando coordenadas polares o coordenadas cartesianas. Los gráficos de coordenadas polares son intuitivos y simples, lo que permite observar directamente desde el gráfico las características de distribución espacial del campo de radiación de la antena. Sin embargo, cuando el lóbulo principal de un patrón de antena es estrecho y los niveles de los lóbulos laterales son bajos, el método de coordenadas cartesianas ofrece mayores ventajas. Esto se debe a que tanto el eje horizontal (que representa el ángulo) como el eje vertical (que representa la intensidad de la radiación) se pueden elegir arbitrariamente; por ejemplo, incluso un ancho del lóbulo principal de menos de 1° se puede representar claramente, mientras que esto es imposible con coordenadas polares. La Figura 2 muestra las dos representaciones de coordenadas del mismo patrón de antena.

Representación del diagrama de direcciones en la Figura 2: (a) Coordenadas polares; (b) Coordenadas rectangulares

Los patrones polares generalmente se trazan en una escala normalizada, lo que significa que la longitud radial (en coordenadas polares) o la coordenada y (en coordenadas cartesianas) se expresa como la intensidad de campo relativa E(θ, φ)/Emax, donde E(θ, φ) es la intensidad de campo en cualquier dirección dada y Emax es la intensidad de campo en la dirección de máxima radiación. Por lo tanto, el máximo normalizado es 1. Para antenas con niveles de lóbulos laterales extremadamente bajos, el patrón de radiación generalmente se expresa en decibeles, con el máximo normalizado establecido en 0 dB. La Figura 3 muestra el patrón de radiación de la misma antena expresado tanto en intensidad de campo normalizada como en decibelios en coordenadas cartesianas.