De efficiëntie van een antenne hangt samen met het vermogen dat aan de antenne wordt geleverd en het vermogen dat de antenne uitstraalt. Een zeer efficiënte antenne straalt het grootste deel van de geleverde energie uit. Een inefficiënte antenne absorbeert het grootste deel van het vermogen dat verloren gaat in de antenne zelf. Een inefficiënte antenne kan ook veel energie terugkaatsen als gevolg van impedantie-mismatch. Het uitgestraalde vermogen van een inefficiënte antenne is lager dan dat van een efficiëntere antenne.
[Opmerking: Antenne-impedantie wordt in een later hoofdstuk besproken. Impedantie-mismatch is gereflecteerd vermogen van de antenne omdat de impedantie een onjuiste waarde heeft. Daarom wordt dit impedantie-mismatch genoemd.]
Een type verlies in de antenne is geleidingsverlies. Geleidingsverlies wordt veroorzaakt door de eindige geleidbaarheid van de antenne. Een ander verliesmechanisme is diëlektrisch verlies. Diëlektrisch verlies in de antenne wordt veroorzaakt door geleiding in het diëlektrische materiaal. Isolerend materiaal kan zich in of rond de antenne bevinden.
De verhouding tussen het rendement van de antenne en het uitgestraalde vermogen kan worden geschreven als het ingangsvermogen van de antenne. Dit is vergelijking [1]. Ook bekend als stralingsrendement of antennerendement.
[Vergelijking 1]
Rendement is een verhouding. Deze verhouding is altijd een waarde tussen 0 en 1. Het rendement wordt vaak uitgedrukt in procenten. Een rendement van 0,5 komt bijvoorbeeld overeen met 50%. Het rendement van een antenne wordt ook vaak uitgedrukt in decibel (dB). Een rendement van 0,1 komt overeen met 10%. Dit is gelijk aan -10 decibel. Een rendement van 0,5 komt overeen met 50%. Dit is gelijk aan -3 decibel.
De eerste vergelijking wordt soms de stralingsefficiëntie van de antenne genoemd. Dit onderscheidt hem van een andere veelgebruikte term, namelijk de totale effectiviteit van de antenne. Totale effectieve efficiëntie: stralingsefficiëntie van de antenne vermenigvuldigd met het impedantie-mismatchverlies van de antenne. Impedantie-mismatchverliezen treden op wanneer de antenne fysiek is verbonden met de transmissielijn of ontvanger. Dit kan worden samengevat in formule [2].
[Vergelijking 2]
formule [2]
Het verlies door impedantie-mismatch ligt altijd tussen 0 en 1. Daarom is het totale rendement van de antenne altijd lager dan het stralingsrendement. Om dit nogmaals te benadrukken: als er geen verliezen zijn, is het stralingsrendement gelijk aan het totale rendement van de antenne als gevolg van impedantie-mismatch.
Het verbeteren van de efficiëntie is een van de belangrijkste antenneparameters. Deze kan zeer dicht bij 100% liggen bij een schotelantenne, hoornantenne of halvegolflengtedipoolantenne zonder verliesgevend materiaal eromheen. Antennes voor mobiele telefoons of consumentenelektronica hebben doorgaans een efficiëntie van 20% tot 70%. Dit komt overeen met -7 dB tot -1,5 dB (-7, -1,5 dB). Dit is vaak te wijten aan verlies door elektronica en materialen rondom de antenne. Deze absorberen een deel van het uitgestraalde vermogen. De energie wordt omgezet in warmte-energie en er is geen sprake van straling. Dit vermindert de efficiëntie van de antenne. Autoantennes kunnen op AM-radiofrequenties werken met een antenne-efficiëntie van 0,01. [Dit is 1% of -20 dB.] Deze inefficiëntie komt doordat de antenne kleiner is dan een halve golflengte op de werkfrequentie. Dit vermindert de efficiëntie van de antenne aanzienlijk. Draadloze verbindingen blijven behouden omdat AM-zendmasten een zeer hoog zendvermogen gebruiken.
Verliezen door impedantie-mismatch worden besproken in de secties over het Smith-diagram en impedantieaanpassing. Impedantieaanpassing kan de efficiëntie van de antenne aanzienlijk verbeteren.
Antenneversterking
De antenneversterking op lange termijn beschrijft hoeveel vermogen er in de richting van de piekstraling wordt uitgezonden, ten opzichte van een isotrope bron. Antenneversterking wordt meestal vermeld in de specificaties van een antenne. Antenneversterking is belangrijk omdat deze rekening houdt met de werkelijke verliezen.
Een antenne met een versterking van 3 dB betekent dat het vermogen dat de antenne ontvangt 3 dB hoger is dan het vermogen dat een verliesvrije isotrope antenne met hetzelfde ingangsvermogen zou ontvangen. 3 dB komt overeen met een verdubbeling van het voedingsvermogen.
Antenneversterking wordt soms besproken als een functie van richting of hoek. Wanneer de versterking echter met één getal wordt aangegeven, dan is dat getal de maximale versterking voor alle richtingen. De "G" van antenneversterking kan worden vergeleken met de richtingsgevoeligheid "D" van futuristische antennes.
[Vergelijking 3]
De versterking van een echte antenne, die zo groot kan zijn als een zeer grote schotelantenne, is 50 dB. De richtingsgevoeligheid kan zo laag zijn als 1,76 dB, net als bij een echte antenne (zoals een korte dipoolantenne). De richtingsgevoeligheid kan nooit lager zijn dan 0 dB. De piekversterking van een antenne kan echter willekeurig klein zijn. Dit komt door verliezen of inefficiënties. Elektrisch kleine antennes zijn relatief kleine antennes die werken op de golflengte van de frequentie waarop de antenne werkt. Kleine antennes kunnen zeer inefficiënt zijn. De antenneversterking ligt vaak onder de -10 dB, zelfs als impedantie-mismatch niet in rekening wordt gebracht.
Geplaatst op: 16 november 2023
