Ciò suggerirebbe che le antenne con lunghezze d'onda più lunghe siano raccoglitori più efficienti di energia elettromagnetica. Perchè è questo?

Penso che sia come nell'ottica. Una lente più grande raccoglierà più luce perché più luce è incidente sulla lente. Più fotoni colpiscono l'obiettivo.

Un'antenna radio è una lente per una diversa lunghezza d'onda della luce, cioè onde radio, non luce visibile. Pertanto, più (elettricamente) è grande l'antenna, più fotoni sono incidenti sul conduttore, più energia verrà raccolta.

Detto in modo diverso: se avessi 2 antenne della stessa lunghezza, raccoglieresti il ​​doppio dell'energia di una singola antenna. Se avessi due lenti della stessa dimensione, raccoglieresti il ​​doppio della luce di una singola lente. Invece di 2 antenne, potresti avere una singola antenna del doppio della lunghezza e raccogliere il doppio dell'energia dell'antenna originale. Lo stesso per l'obiettivo ottico.

Questo è più semplice di quanto sembra che l'equazione di Friis sia.

L'antenna isotropa con lunghezza d'onda maggiore è maggiore e l'apertura misura la dimensione elettrica effettiva dell'antenna come un radiatore. Non sorprende che anche le dimensioni elettriche di un'antenna fisicamente più grande siano maggiori.

I dipoli a semionda hanno un guadagno costante, ma sono ugualmente più grandi a lunghezze d'onda maggiori.

L'equazione di Friis è una particolare espressione algebrica di un'equazione di conservazione dell'energia, in una teoria in cui tutta l'energia irradiata viene ricevuta o irradiata nello spazio in una sfera.

I guadagni nell'equazione di Friis sono generalmente dipendenti da lambda. Ancora una volta, è opinione comune della radio che lunghezze d'onda più piccole, frequenze più alte, richiedano elementi più piccoli per gli yagi o riflettori più piccoli per le antenne per avere lo stesso guadagno. Pertanto, se la dimensione dell'antenna è rimasta costante, all'aumentare della frequenza e alla diminuzione del lambda, il guadagno dovrebbe aumentare. Ciò suggerisce che il guadagno dipende da una potenza inversa o forse inversa di lambda.

Ad esempio, il guadagno di una parabola riflettente di, diciamo 3 m di diametro, dipenderà dalla frequenza e quindi lambda. Wikipedia: Parabolic Reflector nota che il guadagno scala come 1 / lambda ^ 2. L'equazione di Friis richiede il guadagno di entrambe le antenne (ricezione e trasmissione), quindi con le antenne la potenza di trasmissione ricevuta si ridimensionerebbe come lambda ^ -2 * lambda ^ -2 * lambda ^ 2 = lambda ^ -2 che fornisce un'impressione molto diversa di quali frequenze sono migliori.

È importante realizzare che l'equazione di Friis è una teoria dello spazio libero in cui il segnale può diffondersi in una sfera.

Trascura la Terra e con tutto assorbimento o riflessione da parte del terreno, riflessioni multipath che possono interferire in modo costruttivo o distruttivo con conseguenti punti caldi e zone morte, cambiamenti di media (ad esempio alberi, nuvole) e vari requisiti di ingegneria che possono svolgere un ruolo a frequenze molto basse o alte.

Ad esempio, nell'esempio del riflettore parabolico, potremmo passare dalle microonde ai laser per ridurre lambda e aumentare la potenza ricevuta secondo l'equazione di Friis. Ma questo potrebbe non funzionare. Perché? La mira è molto più critica con il laser, che è correlato alla variazione del guadagno con un'antenna di ricezione o trasmissione disallineata. L'antenna parabolica deve ora essere uno specchio parabolico di buona qualità invece di, diciamo, schermatura del filo stressato. Inoltre, è noto che un oggetto solido come un albero o un uccello blocca un raggio laser mentre è ancora possibile ricevere un microonde.

Questo è un argomento che turba la maggior parte degli studenti e trova persino posto in molti articoli tecnici e libri di testo sotto forma di affermazioni e conclusioni errate. Sebbene in alcuni testi troverai alcuni ragionevoli riferimenti alle equivalenze termodinamiche, sembra che la genesi dell'equazione dell'apertura effettiva isotropica sia stata pubblicata raramente.

La risposta alla domanda giace sepolta nei meccanismi di Fresnel (vicino campo) e Fraunhoffer (campo lontano) delle antenne. La zona di Fresnel è l'area specifica di interesse. La parte non radiante, non dissipante (quindi reattiva) della zona di Fresnel è generalmente considerata estendersi 1 ∕ (2π) volte la lunghezza d'onda dalla superficie dell'antenna. In un senso più generale, questa è considerata la distanza massima dalla quale le onde EM (elettromagnetiche) possono accoppiarsi a un oggetto vicino. Questo accoppiamento è il motivo per cui l'energia non viene irradiata o dissipata da un'antenna trasmittente.

Ora rivolgiamo la nostra attenzione all'elusiva antenna isotropa. È considerata una sorgente puntiforme - di dimensioni sufficientemente piccole rispetto a qualsiasi altra dimensione incorporata da essere adimensionale e infinitamente piccola. Per definizione, l'antenna isotropa irradia ugualmente in tutte le direzioni. Secondo la teoria della reciprocità, l'antenna isotropa deve quindi ricevere allo stesso modo in tutte le direzioni.

Consideriamo ora un'onda del piano EM che si avvicina all'antenna isotropa. L'antenna isotropa non può "guardare avanti" e vedere l'aereo in arrivo quando l'onda piana è nel suo campo lontano perché l'onda del piano EM non ha ancora alcun effetto sull'antenna isotropa. Ma quando l'onda del piano EM si avvicina molto all'antenna isotropa, inizia a far fluire la corrente nell'antenna isotropica. Quanto deve essere vicino l'aereo EM? La distanza della zona di Fresnel non irradiante che, come affermato in precedenza, è considerata pari a 1 ∕ (2π) volte la lunghezza d'onda della frequenza in questione.

Poiché l'onda piana interseca l'antenna isotropica (ovvero, il punto isotropo è sul piano), il modello di ricezione sferico dell'antenna isotropa ha il massimo accoppiamento possibile con l'onda del piano EM. Poiché l'antenna isotropa è un punto che giace sul piano intersecante con la sua sfera di ricezione bisecata dal piano, il modello risultante è un cerchio definito da un raggio che ha origine in corrispondenza dell'antenna isotropa e si estende per un raggio di 1 ∕ (2π) volte lunghezza d'onda. Questo cerchio è l'A _e (apertura effettiva) dell'antenna isotropa. Cioè, sta generando corrente dalle onde EM all'interno di quel raggio.

Ma con qualsiasi antenna ricevente, siamo più interessati a determinare la potenza totale che l'antenna ricevente è in grado di rendere disponibile al ricevitore. Questa è una funzione del flusso radiativo che è dato in unità SI di W / m ² . Sebbene in questo caso non conosciamo il flusso radiativo, possiamo calcolare la potenza normalizzata ricevuta (la quantità di potenza ricevuta se flusso radiativo = 1 watt / m ² ) semplicemente calcolando l'area del A _e . Poiché l'apertura è un cerchio e l'area di un cerchio è data da:

$$ A_ \ text {circle} = \ pi r ^ 2 $$

possiamo sostituire il raggio dell'isotropo $ A_e $:

$$ A_e = \ pi \ left ({\ lambda \ over 2 \ pi} \ right) ^ 2 $$

e semplifica:

$$ A_e = {\ lambda ^ 2 \ over 4 \ pi} $$

Emerge così la definizione standard di A _e di un isotropo antenna, sempre con un guadagno di uno. La dipendenza da λ ² è semplicemente dovuta al raggio minimo al quale l'antenna isotropica (o qualsiasi antenna per quella materia) può iniziare a ricevere o emettere onde EM.

Se ora consideri l'effetto del guadagno di qualsiasi altro tipo di antenna, puoi vedere che sta semplicemente aumentando l'area dell'A _e dell'antenna isotropa della grandezza del guadagno. Poiché A _e viene moltiplicato per il flusso radiativo e ora il guadagno dell'antenna, la potenza ricevuta o trasmessa viene scalata proporzionalmente. Va notato tuttavia che il guadagno di un'antenna non estende fisicamente il raggio al quale un'onda EM può generare corrente nell'antenna poiché questa condizione al contorno è immutabile. Il guadagno e il modello della maggior parte delle antenne per radioamatori sono determinati dagli attuali modelli vettoriali dell'antenna.

Se trovi utile questa spiegazione e desideri riqualificarla, ti chiedo gentilmente di darmi l'attribuzione , Glenn Schulz W9IQ.

Nota a piè di pagina: il Teorema della palla pelosa è stato menzionato in questo thread. Il Teorema afferma che data una palla completamente ricoperta di peli, non puoi pettinare i capelli in modo tale da non avere linea di demarcazione. Posso dimostrare che il teorema è sbagliato: prendi un pettine e fai un 'avanti sulla palla. I capelli sono pettinati - nessuna linea di demarcazione. Quod erat dimostrandum.

"Ad esempio, un dipolo lungo λ / 2 onde nello spazio libero ha un'area di cattura di circa 0,13λ²." Ciò che conta è il diagramma di radiazione, non la dimensione fisica. Un dipolo molto corto senza perdite (bobine sovraconduttive) avrà un modello di dipolo e quindi la stessa area di cattura 0,13λ². Avrebbe comunque una larghezza di banda MOLTO piccola. La larghezza di banda è strettamente correlata al valore Q, il rapporto tra l'energia rilevata e l'energia fluente. Con Q = 100 e una larghezza di banda di circa l'1%, il carico abbinato al punto di alimentazione assorbe energia da circa 100 oscillazioni successive del campo e si estendono su un volume di spazio 100 volte maggiore di una singola oscillazione. Non una gran prova, ma forse qualche spunto di riflessione./Leif

Nelle antenne con apertura, come i piatti, l'apertura effettiva non dipende dalla frequenza. Dipende dalle dimensioni fisiche e dall'efficienza.

L'apertura effettiva (Ae) è una funzione diretta del guadagno dell'antenna e della lunghezza d'onda operativa.

Dal libro di W8JI e Jasik, su www.w8ji.com/capture_area_ae_effective_aperture.htm.

Ae (a volte indicato come area di cattura ) è determinato dalla tensione disponibile su un carico corrispondente all'impedenza di alimentazione dell'antenna per una data densità di intensità del campo elettromagnetico. In termini semplici se l'antenna è posta in un campo elettromagnetico di una certa intensità, una certa quantità di potenza apparirà nel carico ai terminali dell'antenna. L'area dello spazio intorno all'antenna che ha fornito questa quantità di potenza è l'apertura effettiva.

Molte persone confondono l'area fisica, o Ap, con l'apertura effettiva. Non sono la stessa cosa. La dimensione fisica determina solo l'apertura effettiva poiché la dimensione fisica potrebbe influire sul guadagno di un'antenna. Il guadagno e la lunghezza d'onda determinano l'area di cattura, ma l'area di cattura stessa non ha nulla a che fare con le dimensioni fisiche effettive o con l'area fisica dell'antenna.

Ad esempio, un dipolo lungo λ / 2 nello spazio libero ha un'area di cattura di circa 0,13λ². Ciò significa che un dipolo spazio libero senza perdite ha un Ae di circa 0,13 lunghezze d'onda quadrate. Questa apertura effettiva è circa 100 volte più grande dell'area fisica effettiva di un'antenna dipolo a filo sottile. L'energia viene estratta da un'area di forma ellittica leggermente più lunga del dipolo e di circa λ / 4 di diametro al centro. Questo è il motivo per cui l'aumento del diametro del conduttore o l'utilizzo di una gabbia di fili non aumenterà l'apertura elettrica o l'area di cattura. In effetti, se costruissimo un piccolo dipolo senza perdita o con una perdita molto bassa, forse lungo λ / 20, l'area di cattura o Ae sarebbe entro una piccola percentuale di un dipolo a grandezza naturale!

La lunghezza stessa ha un effetto minimo a meno che la modifica della lunghezza non influisca in modo significativo sul guadagno dell'antenna. Dobbiamo avere un cambio di guadagno per cambiare Ae (apertura elettrica effettiva). Le modifiche all'apertura fisica (Ap) non influiscono su Ae a meno che non cambi il guadagno.