Comment utiliser une antenne à faible efficacité pour la réception mais pas pour la transmission?

Pour le théorème de réciprocité, si une antenne a un faible rendement en transmission, elle a le même rendement en réception.

Dans la littérature, il est généralement dit que l'on ne devrait pas utiliser une antenne à faible efficacité pour transmettre, car beaucoup d'énergie serait gaspillée.

Cependant, je lis souvent que si c'est uniquement pour la réception de signaux, une antenne à faible efficacité pourrait être utilisée. Pourquoi? Dans un tel cas, vous perdez la même quantité d'énergie que vous auriez gaspillée en utilisant la même antenne en transmission!

De plus, avec une antenne à faible efficacité en tant que récepteur, vous aurez un rapport S / B plus petit par rapport à ce que vous auriez avec une antenne à plus haute efficacité.

Ce n'est pas parce que vous recevez la puissance que quelqu'un d'autre a transmise (c'est-à-dire que quelqu'un d'autre a dépensé pour la transmettre) que ce n'est pas une raison suffisante pour utiliser une antenne à faible efficacité pour la recevoir.

Le théorème de réciprocité concerne le gain de l'antenne. Disons que nous avons une antenne avec une efficacité énergétique de 50%, donc une perte de 3 dB de plus qu'une antenne parfaite.

S'il est utilisé pour la réception, il perdra la moitié de la puissance qu'il reçoit, diminuez donc le rapport signal / bruit en raison du bruit d'entrée du récepteur de 3 dB. Pas idéal, mais pas biggy, cela signifie simplement une réduction de la portée par rapport à une antenne parfaite dans un environnement calme.

Si nous l'utilisons dans un environnement de radio mobile très fréquenté et que de nombreux autres utilisateurs créent des interférences sur les mêmes canaux et à proximité, cela atténue également ces signaux, de sorte que le système fonctionne aussi bien que lors de l'utilisation d'une antenne parfaite. .

Considérez-le maintenant pour la transmission. Il perdra la moitié de la puissance que nous y mettons. Si nous voulons émettre 100mW (pour un téléphone mobile) ou 100kW (pour un émetteur TV), nous aurons besoin de notre amplificateur de puissance RF pour générer 200mW (ce qui nous donnera la moitié du temps de conversation sur la même batterie), ou 200kW (serait vous achetez un amplificateur de 200 kW lorsque vous n'avez vraiment besoin que de 100 kW, sans parler des 200 kW supplémentaires pour le faire fonctionner).

Bien que le gain d'antenne soit réciproque, la façon dont vous l'utilisez ne l'est certainement pas.

Il y a une plus grande image à considérer ...

Pour le théorème de réciprocité, si une antenne a un faible rendement en transmission, elle a le même rendement en réception.

Juste pour être absolument clair à ce sujet: vous pouvez avoir une "antenne" de réception très bonne et assez efficace qui fait une très mauvaise antenne d'émission. Le théorème de réciprocité ne donne pas toujours une vue d'ensemble.

Considérez votre vieille antenne à tige de ferrite fidèle utilisée dans les récepteurs à ondes longues et moyennes: -

Il est très bon pour collecter et canaliser la partie magnétique de l'onde EM incidente et est largement utilisé dans de nombreuses radios. Cependant, il s'agit de l'antenne d'émission la plus épouvantable car elle ne peut produire que la partie magnétique de l'onde EM et le champ H qu'elle produira se dispersera avec la distance à une magnitude de$\frac{1}{d^3}$.

Comparé à une antenne ordinaire comme un dipôle - il produira des champs E et H qui se dispersent avec une amplitude de $\frac{1}{d}$.

Prenons également le monopole quart d'onde (à titre d'exemple). Beaucoup sont utilisés qui sont beaucoup plus courts que$\lambda/4$ mais peut fonctionner très efficacement comme antenne de réception car l'impédance de sortie qu'ils présentent à un récepteur radio est très capacitive: -

À $\lambda/4$en longueur son impédance est d'environ 37 ohms résistif et ni capacitif ni inductif. C'est le raisonnement traditionnel pour utiliser un monopôle quart d'onde. Cependant, à mesure que la longueur diminue ou que la fréquence de fonctionnement requise diminue, le monopôle devient progressivement plus capacitif et la partie résistive tend vers zéro.

C'est très bien pour un récepteur radio qui fonctionne sur une certaine bande - il peut utiliser une inductance pour former un bon filtre passe-bande frontal et il ne se soucie pas de la faible résistance.

Cependant, cette résistance est importante pour un émetteur - elle représente la résistance du support de transmission (modifiée par l'antenne des 377 ohms d'espace libre à 37 ohms électriques). Cette résistance est dans laquelle vous voulez pousser votre puissance PA et, si l'antenne est "courte", vous vous battez rapidement pour mettre la puissance dans une résistance de 1 ohm tout en faisant face aux pertes d'antenne (également environ 1 ohm). Vous perdez donc immédiatement la puissance transmise.

Chez HF, le raisonnement est le suivant:

La réception est généralement limitée par le bruit du ciel, c'est-à-dire que le bruit propre RX n'est généralement pas en aucun cas le facteur limitant. Si vous rendez le récepteur plus silencieux, tout ce qui se passe est que vous entendez plus de bruit du ciel, donc pour recevoir les performances de l'antenne, il s'agit beaucoup plus du rapport F / B (afin que vous puissiez annuler les interférences) que de la sensibilité. L'autre éléphant dans la pièce (et celui pour lequel vous échangez volontiers la sensibilité) est la manipulation de porteurs adjacents puissants.

Cependant, lors de la transmission, chaque dB supplémentaire de puissance rayonnée place le signal au récepteur bien au-dessus du bruit du ciel, vous voulez donc une bonne efficacité ici. La situation n'est PAS réciproque, car le bruit qui limite les performances est ajouté après l'émission, mais avant les antennes de réception.

En VHF et plus, où le bruit du ciel est beaucoup moins problématique et où le bruit propre du récepteur domine, la situation est différente car vous avez une réciprocité substantielle et de meilleures antennes à chaque extrémité comptent à peu près également. Pour un travail avec un signal vraiment faible, vous préférez parfois obtenir une température de bruit plus basse au lieu du gain final, mais c'est vraiment un genre de communication de signal spatial faible.

Notez que le gain d'antenne n'est PAS la seule figure de mérite. Parfois, le rapport F / B, la température ou la taille ou la bande passante du bruit ou autre chose importe plus.

Pourquoi utiliser une antenne à faible efficacité? Taille. Je suis sûr qu'un concepteur d'antenne qualifié pourrait améliorer l'efficacité d'une antenne de réception de téléphone portable en y fixant une antenne parabolique d'un mètre de large, mais cela la rend considérablement moins utile. Alors que la station de base n'a pas ces contraintes et peut donc utiliser des antennes plus grandes.

La directionnalité est également très importante lorsque l'on parle d'efficacité de l'antenne; les plats paraboliques sont très efficaces mais dans un seul sens.