Gain

English


The term antenna gain is confusing, and it is more correct to use the term directivity. An antenna is a passive element, and as such has no gain, since it does not amplify the signal. What the antenna can make is to concentrate the radiation to a certain area of the ​space, but we must understand that the higher the gain, the narrower the beam of radiation.

Using the analogy of the sources of light, a bare light bulb will be able to illuminate an object at a given distance. If instead of using the bare bulb we use a reflector, we can further illuminate the object, but we will leave the rest of the room in darkness. If we use a quality flashlight, with a parabolic reflector, we can concentrate even more the light beam (more “gain”), illuminating better the object, but we will need to focus precisely the object in order to get it illuminated.

Returning to the antennas, if we use a moderate gain patch antenna (8dB), the radiation is concentrated in a beam of about 60 °, allowing us to cover a large area of ​​flight. If we want more gain, to increase flight distance, and we use for example a 24dB parabolic antenna, the beam width will be only 8º, implying that we have to keep the antenna fully focused on the plane. The figure below shows the flight areas with each of these antennas as an example:

To understand the radiation pattern of an antenna, the most intuitive way is using a three dimensional representation of it:

However, usually in the datasheet of an antenna we will more often find a polar representation of the radiation pattern. This is just making two “cuts” in the horizontal and vertical plane in the 3D representation:

On the other hand, and to measure more accurately the antenna gain in a certain direction, sometimes we use the Cartesian representation. It consists simply in “unwinding” the polar representation:

Associated with the radiation pattern we find the concept of beam. It refers to the area of ​​space to / from which you can use the antenna, and is defined as the area where the gain exceeds the maximum antenna gain minus 3dB. Or in other words, is the area of ​​space where the antenna emits at least 50% of the maximum power (which is the power emitted in the direction of maximum gain).

This implies that maintaining good antenna orientation is crucial, since we may be losing up to 3dB flying in the outer limits of the beam rather than at its centre.

Español


El término ganancia de una antena se presta a confusión, y es más correcto utilizar el término directividad. Una antena es un elemento pasivo, y como tal no tiene una ganancia, ya que no amplifica la señal. Lo que sí puede hacer la antena es concentrar la radiación hacia una determinada zona del espacio, pero hay que comprender que cuanto mayor sea la ganancia, más estrecho será el haz de radiación.

Siguiendo con la analogía de las fuentes de luz, una bombilla desnuda será capaz de iluminar un objeto a una determinada distancia. Si en lugar de utilizar esa bombilla desnuda la ubicamos delante de un reflector (por ejemplo un flexo), podremos iluminar más ese objeto, pero a cambio de dejar a oscuras el resto del espacio. Si utilizamos un foco de calidad, con un reflector parabólico, podemos concentrar mucho más el haz de luz de la bombilla (más “ganancia”), iluminando mejor el objeto, pero a cambio de tener que enfocar con precisión el foco hacia el objeto.

Volviendo a las antenas, si utilizamos una antena patch de ganancia moderada (8dB), la radiación se concentrará en un haz de aproximadamente 60º, permitiéndonos cubrir una amplia zona de vuelo. Si queremos tener más ganancia, para aumentar la distancia de vuelo, y utilizamos por ejemplo una antena parabólica de 24dB, el ancho de haz será de solamente 8º, implicando que tenemos que mantener la antena perfectamente enfocada hacia el avión. La siguiente figura representa las zonas de vuelo con cada una de estas antenas de ejemplo:

Para comprender el diagrama de radiación de una antena, lo más intuitivo es utilizar una representación tridimensional del mismo:

No obstante, normalmente en la descripción de una antena encontraremos con mayor frecuencia una representación polar del diagrama de radiación. Esto no es más que realizar dos “cortes” en el plano horizontal y en el plano vertical a la representación 3D:

Por otro lado, y para poder medir con mayor precisión la ganancia de la antena en una determinada dirección, a veces se utiliza la representación cartesiana. Consiste simplemente en “desenrollar” la representación polar:

Asociado al diagrama de radiación nos encontramos con el concepto de haz. Se refiere a la zona del espacio desde/hacia la que se puede utilizar la antena, y se define como la zona donde la ganancia es superior a la ganancia máxima de la antena menos 3dB. O lo que es lo mismo, es la zona del espacio donde la antena emite al menos un 50% de la potencia máxima (que será la potencia emitida en la dirección de máxima ganancia).

Esto implica que mantener una buena orientación de la antena es fundamental, ya que podemos estar perdiendo hasta 3dB por el hecho de volar en los límites exteriores del haz en lugar de en su centro.