Как можно использовать низкоэффективную антенну для приема, но не для передачи?

По теореме взаимности, если антенна имеет низкую эффективность при передаче, она имеет такую ​​же эффективность при приеме.

В литературе обычно говорят, что не следует использовать низкоэффективную антенну для передачи, потому что много энергии будет потрачено впустую.

Тем не менее, я часто читал, что, если он предназначен только для приема сигналов, можно использовать антенну с низкой эффективностью. Почему? В таком случае вы теряете столько же энергии, сколько вы бы потратили, используя ту же антенну при передаче!

Кроме того, с низкоэффективной антенной в качестве приемника вы будете иметь меньшее отношение сигнал / шум по сравнению с тем, что было бы с более эффективной антенной.

Просто потому, что вы получаете энергию, которую кто-то другой передал (т.е. кто-то другой потратил на ее передачу), не должно быть достаточно веской причиной для использования неэффективной антенны для ее приема.

Теорема взаимности о усилении антенны. Допустим, у нас есть антенна с КПД 50%, поэтому потери на 3 дБ выше, чем у идеальной антенны.

При использовании для приема он потеряет половину получаемой мощности, поэтому уменьшите отношение сигнал / шум из-за входного шума приемника на 3 дБ. Не идеально, но не слишком важно, это просто означает уменьшение радиуса действия по сравнению с идеальной антенной в тихой обстановке.

Если мы используем его в загруженной среде мобильной радиосвязи, и есть много других пользователей, создающих помехи на одном и том же и близких каналах, то он также ослабляет эти сигналы, поэтому система работает так же хорошо, как и при использовании идеальной антенны. ,

Теперь рассмотрим это для передачи. Он потеряет половину энергии, которую мы вложили в него. Если мы хотим излучать 100 мВт (для мобильного телефона) или 100 кВт (для телевизионного передатчика), нам потребуется наш РЧ-усилитель мощности для генерации 200 мВт (что даст нам половину времени разговора на той же батарее), или 200 кВт (будет Вы покупаете усилитель мощностью 200 кВт, когда вам действительно нужно всего 100 кВт, не говоря уже о дополнительных 200 кВт мощности, необходимой для его работы).

В то время как усиление антенны является взаимным, использование его, конечно, не так.

Есть большая картина для рассмотрения ...

По теореме взаимности, если антенна имеет низкую эффективность при передаче, она имеет такую ​​же эффективность при приеме.

Просто чтобы быть абсолютно ясным в этом: у вас может быть очень хорошая и довольно эффективная приемная «антенна», которая делает очень плохую передающую антенну. Теория взаимности не всегда дает более полную картину.

Рассмотрим старую верную ферритовую стержневую антенну, используемую в длинных и средних волнах: -

Он очень хорошо собирает и направляет магнитную часть падающей электромагнитной волны и широко используется во многих радиостанциях. Тем не менее, она делает самую ужасную передающую антенну, потому что она может генерировать только магнитную часть электромагнитной волны, и создаваемое ею поле H рассеивается с расстоянием на величину .$\frac{1}{d^3}$

По сравнению с обычной антенной, такой как диполь, она будет генерировать поля E и H, которые рассеиваются с величиной .$\frac{1}{d}$

Рассмотрим также четвертьволновый монополь (как пример). Многие из них намного короче, чем но могут очень эффективно работать в качестве приемной антенны, поскольку выходное сопротивление, которое они представляют для радиоприемника, очень емкостное: -$\lambda/4$

При длине его полное сопротивление составляет около 37 Ом и не является ни емкостным, ни индуктивным. Это традиционное обоснование использования четвертьволнового монополя. Однако при уменьшении длины или снижении требуемой рабочей частоты монополь становится все более емкостным, а резистивная часть стремится к нулю.$\lambda/4$

Это очень хорошо для радиоприемника, который работает в определенной полосе - он может использовать индуктор для формирования хорошего входного полосового фильтра и не заботится о низком сопротивлении.

Однако это сопротивление важно для передатчика - оно представляет сопротивление среды передачи (измененное антенной с 377 Ом свободного пространства до 37 Ом электрического). Этот резистор - то, к чему вы хотите подключить питание вашего PA, и, если антенна «короткая», вы быстро боретесь за то, чтобы подать питание на резистор с сопротивлением 1 Ом, справляясь с потерями антенны (также около 1 Ом). Итак, вы сразу теряете передаваемую мощность.

На ВЧ рассуждения звучат так:

Прием, как правило, ограничен шумом неба, то есть собственный шум RX обычно не является ограничивающим фактором. Если вы сделаете приемник тише, все, что происходит, это то, что вы слышите больше шума неба, поэтому для качества приема антенны, это гораздо больше о соотношении F / B (так что вы можете нейтрализовать помехи), чем о чувствительности. Другой слон в комнате (и тот, на кого вы часто охотно торгуете чувствительностью) - это управление сильными соседними перевозчиками.

При передаче, однако, каждый дополнительный дБ излучаемой мощности помещает сигнал на приемнике намного выше шумов неба, так что вам действительно нужна хорошая эффективность. Ситуация НЕ является взаимной, потому что шум, который ограничивает производительность, добавляется после передачи, но перед приемными антеннами.

На VHF и выше, где шум неба намного менее важен, а собственный шум приемника преобладает, ситуация отличается, так как там у вас есть существенная взаимность и лучшие антенны на обоих концах имеют значение примерно одинаково. Для действительно слабой работы с сигналом вы иногда предпочитаете получать более низкую шумовую температуру, чем предельное усиление, но это очень слабая вещь в пространстве коммуникационных сигналов.

Обратите внимание, что усиление антенны не является единственным показателем качества. Иногда отношение F / B, или шумовая температура, или размер, или ширина полосы, или что-то еще имеют большее значение.

Зачем использовать низкоэффективную антенну? Размер. Я уверен, что опытный разработчик антенн мог бы повысить эффективность приемной антенны мобильного телефона, прикрепив к ней параболическую антенну шириной в метр, но это делает ее значительно менее полезной. Принимая во внимание, что базовая станция не имеет этих ограничений и поэтому может использовать более крупные антенны.

Направленность очень важна, когда речь идет об эффективности антенны; параболические блюда очень эффективны, но только в одном направлении.