SlideShare a Scribd company logo
1 of 115
Download to read offline
 
 
CHAPTER  2    Fundamental Parameters of Antennas 
2.1 INTRODUCTION...........................................................................................................................3 
2.2 RADIATION PATTERN................................................................................................................3 
2.2.1 Radiation Pattern Lobes ........................................................................................................ 6 
2.2.2 Isotropic, Directional, and Omnidirectional Patterns ............................................................ 9 
2.2.3 Principal Patterns ................................................................................................................ 10 
2.2.4 Field Regions ....................................................................................................................... 12 
2.2.5 Radian(弧度)and Steradian(立体弧度) .................................................................... 16 
2.3 RADIATION POWER DENSITY................................................................................................18 
2.4 RADIATION INTENSITY...........................................................................................................22 
2.5 BEAMWIDTH ..............................................................................................................................25 
2.6 DIRECTIVITY..............................................................................................................................28 
2.6.1 Directional Patterns ............................................................................................................ 38 
2.7 ANTENNA EFFICIENCY............................................................................................................43 
2.8 GAIN.............................................................................................................................................45 
2.9 BEAM EFFICIENCY ...................................................................................................................53 
2.10 BANDWIDTH ............................................................................................................................55 
 
 
2.11 POLARIZATION........................................................................................................................57 
2.11.1 Linear, Circular, and Elliptical Polarizations ....................................................................... 61 
2.11.2 Polarization Loss Factor and Efficiency .............................................................................. 68 
2.12 INPUT IMPEDANCE.................................................................................................................75 
2.14 ANTENNA RADIATION EFFICIENCY...................................................................................79 
2.15 ANTENNA VECTOR EFFECTIVE LENGTH AND EQUIVALENT AREAS........................82 
2.15.1 Vector Effective Length ..................................................................................................... 83 
2.15.2 Antenna Equivalent Areas 
.................................................................................................. 87 
2.16 MAXIMUM DIRECTIVITY AND MAXIMUM EFFECTIVE AREA .....................................94 
2.17 FRIIS TRANSMISSION EQUATION AND RADAR RANGE EQUATION ..........................97 
2.17.1 Friis Transmission Equation ............................................................................................... 97 
2.17.2 Radar Range Equation ..................................................................................................... 101 
2.17.3 Antenna Radar Cross Section .......................................................................................... 108 
Problems............................................................................................................................................110 
 
 
2
a
2
a
r
t
c
p
d
d


2.1 INT
To de
are necess
2.2 RAD
An an
as  “a  mat
representa
the  ante
coordinate
pattern is 
Radia
density,  r
directivity
 Amplitu
 Amplitu
TRODUC
escribe the
sary.   
DIATIO
ntenna rad
thematica
ation of th
enna  as 
es.”  In  m
determine
ation prop
radiation 
, phase or
ude field p
ude power
CTION
e perform
ON PAT
diation pa
l  function
he radiatio
a  funct
most  cases
ed in the f
perties inc
intensity, 
r polarizat
pattern.  
r pattern.
N
mance of a
TTERN
ttern is de
n  or  a  gra
on propert
tion  of 
s,  the  rad
far field re
lude powe
field  stre
ion.”   
 
an antenna
efined 
aphical 
ties of 
space 
diation 
egion.   
er flux 
ength, 
a, definitio
ons of var
rious parameters 
 
y
l
a
Often
yielding n
ogarithmi
accentuat
n  the  field
ormalized
ic  scale  (
e in more 
d  and  pow
d field and
dB).  This 
details th
wer  patte
d power p
scale  is 
ose parts 
 
erns  are  n
patterns. T
desirable
of the pat
normalized
The patte
e  because
ttern of ve
d  to  the  m
rn is usua
e  a  logarit
ery low va
maximum
ally plotte
thmic  sca
lues.   
  value, 
ed on a 
ale  can 
 
 
 
 Field  pattern  typically  represents  a  plot  of  the  magnitude  of  the  electric  or 
magnetic field as a function of the angular space. 
 Power pattern typically represents a plot of the square of the magnitude of the 
electric or magnetic field as a function of the angular space. 
 Power pattern (in dB) represents the magnitude of the electric or magnetic field, 
in decibels, as a function of the angular space. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2
m
w
2.2.1	Ra
Vario
minor, sid
Figur
with a nu
adiation
ous parts 
de, and ba
re 2.3(a) d
mber of r
n	Pattern
of a radia
ack lobes.
demonstr
radiation l
n	Lobes
ation patte
 
rates a sy
lobes.   
 
ern are re
mmetrica
eferred to
al three d
o as lobes
imension
 
:
major or
al polar p
r main, 
pattern 
 
l
p

t
t
e

Some
obes. Fig
pattern ch
 A majo
the direct
the θ = 0 
exist more
 A mino
e are of g
ure 2.3(b
haracteris
r lobe (m
tion of ma
direction
e than on
or lobe (旁
greater rad
) illustrate
stics are in
main beam
aximum r
n. In some
ne major l
旁瓣) is any
diation in
es a linea
ndicated.
m,主瓣) 
radiation.”
e antenna
obe. 
y lobe exc
 
ntensity th
r two‐dim
is defined
” In Figur
as, such a
cept a ma
han other
mensional
d as “the 
e 2.3 the 
s split‐be
ajor lobe. 
rs, but all 
 pattern w
radiation 
major lob
eam anten
 
are classi
where the
 
lobe cont
be is poin
nnas, ther
ified as 
e same 
taining 
nting in 
re may 
 
 
 A  side  lobe(副瓣)  is  “a  radiation  lobe  in  any  direction  other  than  the 
intended lobe.” Usually a side lobe is adjacent to the main lobe 
 A back lobe is “a radiation lobe whose axis makes an angle of approximately 
180o
 with respect to the beam of an antenna.” 
Minor lobes usually represent radiation in undesired directions and should 
be minimized. Side lobes are the largest minor lobes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.2.2	Isotropic,	Directional,	and	Omnidirectional	Patterns	
 An  isotropic  radiator  is  defined  as  “a  hypothetical  lossless  antenna  having 
equal  radiation  in  all  directions.”  Although  it  is  ideal  and  not  physically 
realizable, it is often taken as a reference for expressing the directive properties 
of actual antennas.   
 A  directional  antenna  is  one  having  the  property  of  radiating  or  receiving 
electromagnetic waves more effectively in some directions than in others.   
 An  omnidirectional  antenna  is  defined  as  one  “having  an  essentially 
nondirectional  pattern  in  a  given  plane  and  a  directional  pattern  in  any 
orthogonal  plane.  An  omnidirectional  pattern  is  then  a  special  type  of  a 
directional pattern. 
 
 
 
2
o
2.2.3	Pr
For a
of its prin
 The E‐
contai
and  t
radiat
 The  H
plane 
vector
maxim
 
rincipal	
a linearly 
cipal E‐ an
‐plane is d
ining  the 
the  direc
ion.”   
H‐plane 
containin
r  and 
mum radia
Pattern
polarized
nd H‐plan
defined as
electric  f
ction  of 
is  define
ng the ma
the  dir
ation.” 
ns	
d antenna
ne pattern
s “the pla
field  vect
maximu
ed  as  “t
agnetic‐fie
rection 
 
a, perform
ns.   
ne 
tor 
um 
he 
eld 
of 
mance is o
often des
scribed in terms 
 
 
(
p
s
p
(
An  il
(elevation
plane;  θ=
selected. 
principal 
(azimutha
llustration
n plane;  
= /2) is t
The omn
E‐planes
al plane; θ
n  is  show
 = 0)  is 
the princi
nidirection
s  (elevati
θ= 90o
). 
wn  in  Fig
the princ
ipal H‐pla
nal patter
on  plane
 
gure  2.5. 
cipal  E‐pla
ane. Othe
rn of Figu
es;    = 
For  this 
ane  and  t
er coordin
ure 2.6 ha
c)  and 
example
the x‐y  p
nate orien
as an infi
one  pr
 
,  the  x‐z
lane  (azim
ntations c
inite num
incipal  H
  plane 
muthal 
can be 
mber of 
H‐plane 
 
2
r
(
1
b
0
i
a
b
2.2.4	Fie
The  s
reactive  n
(Fraunhof
1. React
For 
boundary 
0.62 /
s the large
a. The re
b. For 
equiv
bound
/2
eld	Regi
space  sur
near‐field,
fer 夫琅和
tive near‐
most  an
of  thi
/ ,    is th
est dimen
eactive fie
a  very 
valent  ra
dary  is  c
. 
ions	
rounding 
,  radiatin
和费) regio
field regio
ntennas, 
s  region
he wavele
sion of th
eld predom
short  d
diator,  t
commonly
an  anten
g  near‐fie
ns 
on 
the  oute
n  is 
ength and 
e antenna
minates 
dipole,  o
the  oute
y  taken  t
 
 
na  is  usu
eld  (Fresn
er 
D 
a.   
or 
er 
to 
ally  subdi
nel 菲涅
ivided  int
耳)  regio
o  three  r
on  and  f
egions: 
ar‐field 
 
2
n
a
b
c
2. Radiati
Defin
near‐field
a. Radiati
b. The  an
is  de
distanc
c. If the a
overall 
very  sm
wavele
may no
The r
	0.62
ing near‐f
ned as “t
d region an
on fields 
ngular  fie
ependent 
ce from th
ntenna h
dimens
mall  com
ength,  thi
ot exist. 
region is l
2 /
field (Fres
hat regio
nd the far
predomin
ld  distrib
upon
he antenn
as a maxi
ion  whic
mpared  to
is  field  re
imited by
2
snel) regio
n of the 
r‐field reg
nate   
ution 
the 
na.   
mum 
ch  is 
o  the 
egion 
y 
/ .   
 
on 
field of a
gion 
an antenn
na betwe
een the re
eactive 
 
3
a
b
m
n
p
a
f
p
u
m
m
3. Far‐fiel
a. The an
the ant
b. The far
the ant
As t
moved  t
near‐field
pattern  b
and  form
far‐field 
pattern 
usually  c
minor  lob
more, ma
d (Fraunh
gular field
tenna.   
r‐field reg
tenna.   
he observ
to  the  r
d  region
begins  to 
m  lobes. 
region
is  well 
onsisting 
bes  and 
ajor lobes.
hofer) reg
d distribu
gion is ta
vation  is 
radiating 
n,  the 
smooth 
In  the 
,  the 
formed, 
of  few 
one,  or 
. 
gion 
ution is es
ken to ex
 
ssentially 
xist at dis
independ
stances g
dent of th
reater th
e distanc
an  2 /
e from 
  from 
 
p
o
a
d
t
B
r
u
f
 
 
Figure 
parabolic 
of  R	 	2
It  is 
almost 
difference
the  first 
Because 
realizable
used  crit
far‐field o
2.9  show
reflector
2D /, 4D
observed
identical,
es in the p
null  and 
infinite 
e in pract
erion  for
observatio
ws  three
r  calculat
D /, and
d  that  th
,  excep
pattern st
at  a  leve
distanc
ice, the m
r  minimu
ons is  2
  patterns
ed  at  dis
d infinity. 
he  patter
pt  for 
tructure a
el  below 
ces  are
most com
um  distan
/. 
 
s  of  a 
stances 
 
rns  are 
some 
around 
25  dB. 
e  not 
mmonly 
nce  of 
 
 
2
a
o
s
c
s
T
2.2.5	Ra
The m
One 
angle with
of radius 
surface ar
Since
4
closed sph
The 
surface of
Therefore
adian(弧
measure o
steradian
h its verte
  that is
rea  .   
e the area
,  there  a
here.   
infinites
f a sphere
e, the solid
弧度)a
of a solid 
n  is  defin
ex at the c
s subtend
a of a sphe
are  4  sr
simal  are
e is given b
	
d angle  d
nd	Stera
angle is a
ned  as  t
center of 
ded by a s
ere of rad
r  4 /
ea 
by 
	 	
d  can be
/	
 
adian(
a steradia
he  solid 
a sphere 
spherical 
dius    is 
  in  a 
on  the 
     
e written 
		  
(立体弧度
n. 
  (m2
) 
as 
     (sr)
度)	
   
         
     
          
(2‐1) 
  (2‐2) 
 
 
Example 2.1 
For a sphere of radius  r, find the solid angle (in square radians or steradians) 
of a spherical cap on the surface sphere over the north‐pole region defined by 
spherical angles of 0    30o
, 0    360o
. Do this 
a. exactly. 
b. using A  1 2, where 1 and 2 are two perpendicular angular 
separations of the spherical cap passing through the north pole.   
Compare the two. 
Solution: 
a. Using (2‐2), we can write that 
Ω Ω
/
0.83566 
b. Ω ΔΘ ∙ ΔΘ | ∙ 1.09662
The approximate beam solid angle is about 31.23% in error. 
 
 
2.3 RADIATION POWER DENSITY
Instantaneous Poynting vector is a power density and is used to describe 
the power associated with an electromagnetic wave 
                                                                               (2‐3) 
:instantaneous Poynting vector                (W/m2
) 
:  instantaneous electric field intensity        (V/m) 
:  instantaneous magnetic field intensity    (A/m) 
The total power, crossing a closed surface, can be obtained by integrating the 
normal component of the Poynting vector over the entire surface 
∯ ∙ ∯ ∙                             (2‐4) 
P:      instantaneous total power    (W);       
n:      unit vector normal to the surface 
da:    infinitesimal	area	of	the	closed	surface	 	 m
 
 
For time varying fields, average power density is needed, which is obtained 
by integrating the instantaneous Poynting vector over one period and dividing 
by the period. For the form    
, , ; , ,  ;	 	 	 	 , , ; , ,  		 2‐5,	 6 	
Using the definitions of (2‐5) and (2‐6) and the identity 
Re , ,  , ,   /2 
(2‐3) can be written as 
    (2‐3)   
∗      (2‐7) 
Finally, the time average Poynting vector (average power density) is 
  , , , , ; ∗
/2          (W/m2
)           (2‐8) 
Note:   
 The real part of  ∗
/2  represents the average (real) power density 
 The imaginary part represents the reactive (stored) power density 
 
 
The  1/2  factor  appears  in  (2‐7)  and  (2‐8)  because  the    and    fields 
represent peak values, and it should be omitted for RMS values 
Based upon the definition of (2‐8), the average power radiated power can 
be written as 
∙  
∯ ∙ 	 ∯ Re ∗
∙                      (2‐9) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Example 2.1 
The radial component of the radiated power density of an antenna is 
        (W/m2
) 
  is the peak value of the power density,    is the spherical coordinate, 
and    is the radial unit vector. Determine the total radiated power. 
SOLUTION 
For  a  closed  surface,  a  sphere  of  radius    is  chosen.  To  find  the 
total‐radiated  power,  the  radial  component  of  the  power  density  is 
integrated over its surface.   
∙ ∙
								  
 
 
 
2.4 RADIATION INTENSITY
Radiation intensity in a given direction is defined as "the power radiated 
from an antenna per unit solid angle."   
The radiation intensity is a far‐field parameter, and it can be obtained by 
multiplying the radiation density by the square of the distance.   
                       (2‐12) 
Where   
=radiation intensity (W/unit solid angle);     
=radiation density (W/m2
) 
The radiation intensity is also related to the far‐zone electric field of an 
antenna by 
,
2
, ,
2
| , , | , ,  
| , | | , |                                      (2‐12a) 
Where                   
 
 
, , : far‐zone electric field intensity of the antenna
,
 
E ,    	E   : far‐zone electric field components of the antenna 
η              : intrinsic impedance of the medium 
Thus the power pattern is also a measure of the radiation intensity. 
The total power is obtained by integrating the radiation intensity, as given 
by (2‐12), over the entire solid angle of  4. Thus 
Ω                      (2‐13) 
Comparison:                        ∯ ∙  
 
 
 
 
 
 
 
 
Example 2.2 
For Example 2.I, find the total radiated power using (2‐13). 
SOLUTION 
Using (2‐12)  	 	 	 	 	   and by (2‐13) 
 
For an isotropic source,    will be independent of the angles    and  , 
as was the case for  . Thus (2‐13) can be written as 
∯ Ω ∯ Ω 4                 (2‐14) 
or the radiation intensity of an isotropic source as 
    /4                             (2‐15) 
 
 
 
 
2
i
1
2
b
H
t
l
d
a
c
2.5 BEA
The b
identical p
1. Half‐Po
2. First‐Nu
 Of
beamwidt
HPBW. 
 Th
trade‐off 
obe  le
decreases
and vice v
 Th
capabilitie
AMWID
eamwidth
points on 
ower Beam
ull Beamw
ften, 
th  usua
he  bea
between
evel.  Th
s, the sid
versa.   
he beamw
es to dist
DTH
h of a pat
opposite
mwidth (H
width (FN
the 
ally  refe
mwidth 
n  it  and  t
he  bea
e lobe in
width of t
inguish tw
tern is de
 side of th
HPBW). 
BW).   
term 
ers  to 
is  a 
he  side 
mwidth 
creases 
the anten
wo adjace
 
efined: the
he pattern
nna is also
ent radiat
e angular 
n maximu
o used to
ing sourc
separatio
um.   
o describe
es or targ
on betwee
e the reso
gets.   
en two 
olution 
 
 
The most common resolution criterion is FNBW/2, which is usually used to 
approximate HPBW.   
 That is, two sources separated by angular distances equal or greater than 
FNBW/2  ≈  HPBW of an antenna can be resolved.   
If  the  separation  is  smaller,  then  the  antenna  will  tend  to  smooth  the 
angular separation distance. 
Example 2.4 
The normalized radiation intensity of an antenna is represented by 
U θ cos θ cos 3θ , 0 θ 90 , 0 ϕ 360  
Find the 
a. half‐power beamwidth HPBW (in radians and degrees) 
b.first‐null beamwidth FNBW (in radians and degrees) 
Solution: 
 
 
a. Since  the    represents  the  power  pattern,  to  find  the  half‐power 
beamwidth. Let 
U θ | 3 | 0.5 ⟹ θ cos	 3θ 0.707 
⟹ θ 0.25	rad 14.3250
 
Since    is symmetrical about the maximum at   0, then the HPBW is 
HPBW 2θ 0.5	rad 28.65 	
b.To find the first‐null beamwidth (FNBW), let the    equal to zero 
U θ | cos θ cos 3θ | 0	
This leads to two solutions for  θ  
θ
2
	 90 ,						θ
6
	 30 	 
The  one  with  the  smallest  value  leads  to  the  FNBW.  Again,  because  of  the 
symmetry of the pattern, the FNBW is 
FNBW 2θ
π
3
	radians 60  
 
 
2.6 DIRECTIVITY
 The directivity of an antenna defined as the ratio of the radiation intensity in 
a given direction from the antenna to the radiation intensity averaged over 
all directions.   
 The average radiation intensity is equal to the total power radiated by the 
antenna divided by  4.   
If the directionis not specified, the direction of maximum radiation intensity 
is implied. Directivity can be written as 
D ,    
|
 
D = directivity (dimensionless);         D0 = maximum directivity (dimensionless) 
U = radiation intensity (W/unit solid angle);         
  = total radiated power (W) 
  = maximum radiation intensity (W/unit solid angle); 
  = radiation intensity of isotropic source (W/unit solid angle); 
 
 
 
For antennas with orthogonal polarization components, define the partial 
directivity of an antenna for a given polarization in a given direction as: 
Partial	directivity
Part	of	the	radiation	intensity	with	a	given	polarization	in	a	given	direction
the	total	radiation	intensity	averaged	over	all	directions
	
So, in a given direction “the total directivity is the sum of the partial directivities 
for any two orthogonal polarizations.” For a spherical coordinate system, the 
total maximum directivity    for the orthogonal    and    components of an 
antenna can be written as 
while the partial directivities    and    are expressed as 
,           
where 
  = radiationin tensity in a given direction contained in    field component 
  = radiationin tensity ina givendirectioncon tained in    field component 
 
 
  = radiated power in all directions contained in    field component 
  = radiated power in all directions contained in    field component 
Example 2.5 
Find the maximum directivity of the antenna whose radiation intensity is 
that of Example 2.2. Write an expression for the directivity as a function of the 
directional angles    and  . 
Solution:   
The radiation intensity is given by 
	 	 	 	 	  
The maximum radiation is directed along:  	 	/2 
Thus                                		
In Example 2.2 it was found that         
P π A 	
We find that the maximum directivity is equal to 
 
 
4 4
1.27
Since  the  radiation  intensity  is  only  a  function  of  ,  the  directivity  as  a 
function of the directional angles is represented by 
1.27 	
Example 2.6 
The  radial  component  of  the  radiated  power  density  of  an  infinitesimal 
linear dipole of length l <<  is given by 
  (W/m2
) 
where    is  the  peak  value  of  the  power  density,    is  the  usual  spherical 
coordinate,  and    is  the  radial  unit  vector.  Determine  the  maximum 
directivity  of  the  antenna  and  express  the  directivity  as  a  function  of  the 
directional angles    and  . 
Solution:   
 
 
The radiation intensity is given by 
	 	 	 	 	 2
The maximum radiation is directed along  /2. Thus 
		
The total radiated power is given by 
Ω 8 /3 
Using (2‐16a), the maximum directivity is equal to 
4 4
8 /3
1.5
greater than 1.27 in Example 2.5. Thus the directivity is represented by 
1.5
Figure  2.12  shows  the  relative  radiation  intensities  of  Example  2.5 
(U A 	sin) and Example 2.6 (U A 	sin )   
 
a
b
 
 
a. Both p
b. Examp
elevat
patterns a
ple  2.6  h
tion plane
are omnid
has  more
e. 
directiona
e  directio
 
l   
onal  char
racteristic
cs  (is  na
 
rrower)  in  the 
 
A
a
T
i
Another e
approxim
The value
in Figure 2
example:
ated by 
es represe
2.13(a, b)
  Examin
ented by (
.   
ne the dir
	
(2‐18) and
 
ectivity o
 1.67
d those o
of a half‐w
7   
f an isotr
wavelengt
       
opic sour
th dipole,
   
rce ( 	
 which 
(2.18) 
	1) are 
 
 
 
 It is apparent that when  sin 1/1.67 /
	 	57.44 θ 122.56 , the 
dipole radiator has greater directivity than that of an isotropic source.   
 Outside the range, the isotropic radiator has higher directivity. The maximum 
directivity of the dipole is 1.67  	 	2.23	 	 	 /2. 
 The directivity of an isotropic source is unity 
 For all other sources, the maximum directivity will be greater than unity. 
 The directivity can be smaller than unity: in fact it can be equal to zero. For 
Examples 2.3 and 2.4, the directivity is equal to zero in the  	 	0  direction.   
A more general expression for the directivity can be developed to include 
sources  with  radiation  patterns  that  may  be  functions  of  both  spherical 
coordinate angles    and  .   
Let the radiation intensity of an antenna be of the form 
, , | , | | , | 	 	 	 	 	 2‐19
 
 
where    is  a  constant,  and    and    are  the  antenna's  far‐zone  electric 
field components. The maximum value of (2‐19) is given by 
, | ,               (2‐19a) 
The total radiated power is found using 
∯ , , 	 	 	 	 2‐20 	
We  now  write  the  general  expression  for  the  directivity  and  maximum 
directivity using (2‐16) and (2‐16a), respectively, as 
D θ, ϕ
,
,
	 ,	 	 	 D
, |
,
	 2‐21,	22 	
Equation (2‐22) can also be written as 
D
,
, |
	 	 	 	 	 	 2‐23 	
where  Ω     is the beam solid angle, and it is given by 
 
 
1
, |
,  
, 	 	 	 	 	 	 	 		 	 	 	 	 	 	 	 2‐24 	
,
,
, |
                    (2‐25) 
Dividing  by  , |   merely  normalizes  the  radiation  intensity 
, , and it makes its maximum value unity. 
The beam solid angle  Ω   is defined as the solid angle through which all 
the power of the antenna would flow if its radiation intensity is constant (and 
equal to the maximum value of U) for all angles within  Ω . 
 
 
 
 
 
2
d
m
m
a
o
t
p
b
p
a
2.6.1 Di
Instea
derive sim
For  a
major  lo
minor lob
approxim
of  the  h
two perpe
For  a
pattern, 
beamwidt
perpendic
as illustrat
rectiona
ad of usin
mpler expr
antennas 
obe  and 
bes, the be
ately equ
alf‐power
endicular 
a  rotatio
the 
ths  in
cular plan
ted in Fig
al Patter
ng (2‐23) 
ressions a
with  one
very  n
eam solid
ual to the 
r  beamw
planes. 
onally  sy
hal
n  any 
nes are th
ure 2.14(
rns 
to compu
approxima
e  narrow 
egligible 
 angle is 
product 
widths  in 
mmetric 
lf‐power 
two 
he same, 
b). 
 
ute the d
ately.   
(a)Nonsym
Figure 2.1
an
irectivity, 
mmetrical pa
14 Beam so
nd symmetr
it is ofte
 
ttern    (b) S
lid angles fo
ical radiatio
n conven
Symmetrica
or nonsymm
on patterns.
ient to 
l pattern
metrical 
 
 
With this approximation, (2‐23) can be approximated by 
D
,
, |
	 	 	 	 	 	 	 	 2‐23 	
 
                    (2‐26) 
The beam solid angle  Ω   has been approximated by 
Ω Θ Θ                     (2‐26a) 
Where 
= half‐power beamwidth in one plane, (rad) 
= half‐power beamwidth in a plane at a right angle to the other, (rad) 
If the beamwidths are known in degrees, (2‐26) can be written as 
/ ,
                 (2‐27) 
where 
1d= half‐power beamwidth in one plane (degrees) 
2d=half‐power beamwidth in a plane at a right angle to the other    (degrees) 
 
 
The validity of (2‐26) and (2‐27) is based on a pattern that has only one 
major lobe and any minor lobes.   
 For a pattern with two identical major lobes, the value of the maximum 
directivity using (2‐26) or (2‐27) will be twice its actual value.   
 For  patterns  with  significant  minor  lobes,  the  values  of  maximum 
directivity  obtained  using  (2‐26)  or  (2‐27),  which  neglect  any  minor 
lobes, will usually be too high. 
 
 
 
 
 
 
 
 
E
a
w
r
(
F
a
b
S
b
ϕ
Example
The
antennas 
where 
radiation 
(0
Figure. Fin
a. beam s
b. maximu
Solution: 
beamwidt
ϕ  coordin
 2.7 
e radiation
can be ad
  is  the 
intensity 
/2, 0
nd the 
olid angle
um direct
The  half
th in the 
nate, 
n intensity
dequately
maximum
exists on
2 )
e; exact an
tivity; exac
f‐power  p
  directi
y of the m
y represen
	
m  radiati
ly in the 
),  and  it 
nd approx
ct using (2
point  of  t
ion is  12
Θ
 
major lobe
nted by 
ion  inten
upper he
is  show
ximate. 
2‐23) and
the  patte
0 . Since 
,    Θ
e of many
nsity.  The
misphere
wn  in  the
d approxim
ern  occur
the patte
, 
y 
e 
e 
e 
mate using
rs  at 
ern is inde
g (2‐26).
60 .  Th
ependent
us  the 
t of the 
 
 
a. Beam solid angle  Ω  
/
π			steradians        (2‐24) 
Approximate: Using (2‐26a) 
4.386			steradians
 
              (2‐26) 
b. Directivity  : 
Exact:    4 10 log 4 6.02dB
Approximate:  2.865	 	 	4.57	  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2
a
i
a
S
1
2
a
2.7 ANT
Ass
antenna 
into acco
and with
Such loss
1. Reflec
betwe
antenn
2.   lo
The 
as 
TENNA
ociated w
efficien
ount losse
hin the st
ses may b
tions  be
een the t
na 
osses (co
overall e
A EFFIC
with an a
cy    is
es at the
tructure 
be due to
ecause  o
ransmiss
onduction
efficiency
CIENCY
antenna 
s  used 
e input te
of the a
o 
f  the  m
sion line 
n and die
y can be 
 
Y
are a nu
to  take 
erminals 
ntenna. 
ismatch 
and the 
electric)
written 
umber of
     
f efficien
     
ncies. The
     
e total 
(2‐44) 
 
 
where 
  total efficiency (dimensionless) 
reflection(mismatch) efficiency =  1	 	||   (dimensionless) 
= conduction efficiency (dimensionless) 
  = dielectric efficiency (dimensionless) 
= voltage reflection coefficient at the input terminals of the antenna 
	 	 Z 	 	Z / Z 	Z 	
Where 
Z   = antenna input impedance, 
Z   = characteristic impedance of the transmission line 
Usually    and    are  very  difficult  to  compute,  but  they  can  be 
determined experimentally. 
 
 
2.8 GAIN
The gain of the antenna is closely related to the directivity, it is a 
measure that takes into account the efficiency of the antenna as well as 
its directional capabilities.   
Directivity  is  a  measure  that  describes  only  the  directional 
properties of the antenna, and it is controlled only by the pattern. 
Absolute gain of an antenna is defined as "the ratio of the intensity, 
in a given direction, to the radiation intensity that would be obtained if 
the  power  accepted  by  the  antenna  were  radiated  isotropically.  The 
isotropically  radiated  power  is  equal  to  the  power  accepted  by  the 
antenna divided by  4."   
gain 4π
	
	 	
4π
,
	    (dimensionless)   
(2‐44) 
 
 
Relative gain is defined as "the ratio of the power gain in a given 
direction  to  the  power  gain  of  a  reference  antenna  in  its  referenced 
direction." The power input must be the same for both antennas. 
The  reference  antenna  is  usually  a  dipole,  horn,  or  any  other 
antenna  whose  gain  can  be  calculated  or  it  is  known.  In  case  the 
reference antenna is a lossless isotropic source. Then 
4
,
	 	 	
	    (dimensionless)      (2‐44a) 
When the direction is not stated, the power gain is usually taken in 
the direction of maximum radiation. 
Referring  to  Figure  2.17(a),  we  can  write  that  the  total  radiated 
power (P ) is related to the total input power (P ) by   
                      (2‐45) 
 
 
 
Both are very important losses and need to be included in the link 
calculations  of  a  communication  system  to  determine  the  received  or 
radiated power.   
Using (2‐45) reduces (2‐44a) to 
,
,
	                        (2‐46) 
which is related to the directivity of (2‐21) by 
, ,                      (2‐47) 
In a similar manner, the maximum value of the gain is related to the 
maximum directivity by 
According  to  the  IEEE  Standards,  "gain  does  not  include 
losses  arising  from  impedance  mismatches  (reflection  losses) 
and polarization mismatches (losses)."   
 
 
G G θ, ϕ | e D θ, ϕ | e D          (2‐47a) 
The  partial  gain  of  an  antenna  for  a  given  polarization  in  a  given 
direction is "that part of the radiation intensity corresponding to a given 
polarization  divided  by  the  total  radiation  intensity  that  would  be 
obtained  if  the  power  accepted  by  the  antenna  were  radiated 
isotropically." The total gain in a given direction is the sum of the partial 
gains for any two orthogonal polarizations.   
For a spherical coordinate system, the total maximum gain    for 
the orthogonal    and    components of an antenna can be written as 
                                						 	  	                           (2‐48) 
while the partial gains    and    are expressed as 
 4 / ,      4 /    
 
          (2‐48a) 
where 
 
 
U = radiation intensity in a given direction contained in  field component 
U = radiation intensity in a given direction contained in  field component 
Pin = total input (accepted) power 
For many practical antennas an approximate formula for the gain, 
corresponding to (2‐27) or (2‐27a) for the directivity, is 
,
                        (2‐49) 
Usually  the  gain  is  given  in  terms  of  decibels  instead  of  the 
dimensionless quantity of (2‐47a). The conversion formula is given by 
G dB 	 	10	log e D 			 dimensionless    
        (2‐50) 
 
 
 
 
 
 
 
Example 2.8 
A lossless resonant half‐wavelength dipole antenna, with input impedance 
of  73  ohms,  is  to  be  connected  to  a  transmission  line  whose  characteristic 
impedance  is  50  ohms.  Assuming  that  the  pattern  of  the  antenna  is  given 
approximately by  , find the overall maximum gain of this antenna. 
SOLUTION 
Let us first compute the maximum directivity of the antenna. For this 
| 	 	 	 	 	
P U θ, ϕ sinθdθdϕ 2πB θsinθdθ 3π B /4	
4
Prad
16
3π
1.697	
Since the antenna was lossless, then the radiation efficiency 
= 1 
Thus, the total maximum gain, as defined in this edition and by IEEE, is equal to 
 
 
G 	 	 D 	 	1 1.697 	 	1.697	
G dB 	 	10	log 1.697 	 	2.297	
which is identical to the directivity because the antenna is lossless. 
There is the loss due to reflection or mismatch losses between the antenna 
(load)  and  the  transmission  line.  This  loss  is  accounted  for  by  the  reflection 
efficiency of (2‐51) or (2‐52), and it is equal to 
1 || 1
Z 	 	Z
Z 	Z
0.965 
10	log 0.965 0.155  (dB) 
Thus, the overall efficiency is 
0.965 
0.155	dB 
Thus, the overall losses are equal to 0.155 dB. 
The  gain  in  dB  can  also  be  obtained  by  converting  the  directivity  and 
radiation efficiency in dB and then adding them. Thus, 
 
 
dB 	 	10	log 	 1.0 	 	0	
D dB 	 	10	log 	 1.697 	 	2.297	
G dB 	 	 dB 	 D 	 dB 	 	2.297	
which is the same as obtained previously. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2
t
d

p
2.9 BEA
Beam
transmitt
directed 
BE
   is the
percenta
Equat
B
AM EFF
m  efficie
ting and
along th
	
e half‐an
age of the
tion (2‐5
E
FICIEN
ency  is 
receivin
e z‐axis (
	
gle of th
e total po
3) can be
,
,
NCY
frequen
g antenn
( = 0), th
	
	
he cone 
ower is to
e written
 
ntly  use
nas. For a
he beam
	
	 	
within w
o be foun
n as   
     
ed  to  j
an anten
 efficienc
	
	
(2‐53
which the
nd. 
  (2‐54
udge  th
nna with 
cy (BE) is
	
		    (d
) 
e 
) 
he  quali
its majo
s defined
dimensio
ity  of 
or lobe 
d by 
onless)     
 
 
If     is chosen as the angle where the first null or minimum occurs 
(see Figure  2.4), then the beam efficiency will  indicate the amount of 
power in the major lobe compared to the total power. 
A  very  high  beam  efficiency  is  necessary  for  antennas  used  in 
radiometry,  astronomy,  radar,  and  other  applications  where  received 
signals through the minor lobes must be minimized. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.10 BANDWIDTH
The bandwidth of an antenna is defined as "the range of frequencies 
within  which  the  performance  of  the  antenna,  with  respect  to  some 
characteristic, conforms to a specified standard."   
The bandwidth can be considered to be the range of frequencies, on 
either  side  of  a  center  frequency,  where  the  antenna  characteristics 
(such as input impedance, pattern,  beamwidth, polarization, side  lobe 
level, gain, beam direction, radiation efficiency) are within an acceptable 
value of those at the center frequency.   
 The  bandwidth  is  usually  expressed  as  the  ratio  of  the 
upper‐to‐lower frequencies of acceptable operation. For example, 
a 10 : 1 bandwidth indicates that the upper frequency is 10 times 
greater than the lower.   
 
 
 For  narrowband  antennas,  the  bandwidth  is  expressed  as  a 
percentage of the frequency difference (upper minus lower) over 
the  center  frequency  of  the  bandwidth.  For  example,  a  5% 
bandwidth  indicates  that  the  frequency  difference  of  acceptable 
operation is 5% of the center frequency of the bandwidth. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.11 POLARIZATION
Polarization  of  an  antenna  in  a  given  direction  is  defined  as  "the 
polarization of the wave transmitted (radiated) by the antenna.   
Polarization  of  a  wave  is  defined  as  "that  property  of  an 
electromagnetic wave describing the time varying direction and relative 
magnitude of the electric‐field vector " 
 When the direction is not stated, the polarization is taken to be the 
polarization in the direction of maximum gain."   
 Polarization of the radiated energy varies with the direction from the 
center of the antenna, so that different parts of the pattern may have 
different polarizations. 
Polarization  is  the  curve  traced  by  the  end  point  of  the  arrow 
representing  the  instantaneous  electric  field.  A  typical  trace  as  a 
function of time is shown in Figures 2.18(a) and (b). 
 
 
 
 
P
1
Figure 2.18
Polarizat
1. Elliptic
The f
Linea
   
8 Rotation of a
ion may 
cal   
igure tha
r and cir
a plane electr
be classi
at the ele
rcular po
omagnetic wa
ified as 
ectric fiel
larization
 
ave and its po
ld traces 
ns are sp
olarization elli
is an elli
ecial cas
 
ipse at z = 0 a
pse.   
es of elli
s a function o
ptical 
of time. 
 
 
2. Linear   
If the vector that describes the electric field at a point in space as a 
function of time is always directed along a line, the field is said to be 
linearly polarized. 
 Vertical polarization 
 horizontal polarization 
3. Circular   
The figure of the electric field is traced in a   
Clockwise (CW): the electric field vector is right‐hand polarization 
Counterclockwise  (CCW):  the  electric  field  vector  is  left‐hand 
polarization. 
 
 
 
4. Co‐polarization and cross polarization 
At  each  point  on  the  radiation  sphere  the  polarization  is  usually 
resolved into a pair of orthogonal polarizations, the co‐polarization and 
cross  polarization.  Co‐polarization  represents  the  polarization  the 
antenna  is  intended  to  radiate  (receive)  while  cross‐polarization 
represents the polarization orthogonal to the co‐polarization. 
2.11.1 Linear, Circular, and Elliptical Polarizations 
The instantaneous field of a plane wave, traveling in the negative z 
direction, can be written as 
, , ,                 (2‐55) 
According to (2‐5), the instantaneous components are related to their 
complex counterparts by 
, ωt+kz) ωt+kz+ )
 
 
 
	 ωt+kz+ )                                 (2‐56) 
, ωt+kz) ωt+kz+ )
 
	 ωt+kz+ )	                          (2‐57) 
where    and    are, respectively, the maximum magnitudes of the 
x and y components. 
A.Linear Polarization 
For the wave to have linear polarization, the time‐phase difference 
between the two components must be 
	 	 	 	n,			 	 	0, 1, 2, 3, …            (2‐58) 
Which means that the phases of  z, t   and  z, t   are the same or 
reverse. 
B. Circular Polarization 
Circular polarization can be achieved only when 
 
 
 the magnitudes of the two components are the same   
 the time‐phase difference between them is odd multiples of  /2.   
That is, 
                            | | E E      
                          (2‐59) 
   2n π,			n 0, 1, ,2, … for	CW           (2‐60) 
   2n π,				n 0, 1, ,2, … for	CCW        (2‐61) 
If the direction of wave propagation is reversed (i.e., +z direction), the 
phases  in  (2‐60)  and  (2‐61)  for  CW  and  CCW  rotation  must  be 
interchanged. 
C. Elliptical Polarization 
Elliptical polarization can be attained only when   
 the  time‐phase  difference  between  the  two  components  is  odd 
 
 
multiples of  /2  and their magnitudes are not the same   
 or, when the time‐phase difference between the two components is 
not equal to multiples of /2 (irrespective of their magnitudes). That 
is, 
	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 | |		 E 	E 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	
When	 	 	
	    2n π, n 0, 1, ,2, … for	CW	 	 		 2‐62a 	
	 	 	 	 	    2n π, n 0, 1, ,2, … for	CCW	 	 	 2‐62b 	
Or	
   	  π	 0,					 0, 1, ,2, … 	 	 	 	 	 		 2‐63 	
    π	 0,					 0, 1, ,2, … 	 	 	 	 	 	 2‐64
 
t
t
2
m
w
For  e
traced at
time is a
2.18(b). T
minor ax
AR
where 
OA
OB
The t
	 	
elliptical 
t a given
a tilted e
The ratio
xis is the 
	
	
E
B E
ilt of the
	 	 	 τ
polariz
n position
ellipse, as
o of the 
axial rati
E
E
 ellipse, 
tan
ation,  t
n as a fu
s shown 
major ax
o (AR), 
, 1AR
E E
E
relative t
n
 
he  curv
unction o
in Figur
xis to th
 2‐65
E 2E
E 2E
to the y a
cos	
ve 
of 
re 
e 
5 	
E cos	
E E cos
axis, is re
2ϕ 	 	
2Δϕ /
s	 2Δϕ /
epresente
	 	 	 	 	
/
	 	
/ /
	 	
ed  τ  giv
	 	 	 	 	
2‐66 	
2‐67 	
ven by 
2‐68
 
 
SUMMARY 
1. Linear Polarization 
      A time‐harmonic wave is linearly polarized at a given point in space if the 
electric field (or magnetic field) vector at that point is always oriented along the 
same  straight  line  at  every  instant  of  time.  This  is  accomplished  if  the  field 
vector (electric or magnetic) possesses: 
a. Only one component, or 
b.Two  orthogonal  linear  components  that  are  in  time  phase  or  180o
  (or 
multiples of 180 o
) out of phase. 
2. Circular Polarization 
A time‐harmonic wave is circularly polarized at a given point if the electric 
(or magnetic) field vector at that point traces a circle as a function of time. The 
necessary and sufficient conditions to accomplish this are: 
a. The field must have two orthogonal linear components, and 
b. The two components must have the same magnitude, and 
 
 
c. The two components must have a time‐phase difference of odd multiples 
of 90 o
. 
3. Elliptical Polarization 
A  wave  is  elliptically  polarized  if  it  is  not  linearly  or  circularly  polarized. 
Although linear and circular polarizations are special cases of elliptical, usually 
in  practice  elliptical  polarization  refers  to  other  than  linear  or  circular.  The 
necessary  and  sufficient  conditions  to  accomplish  this  are  if  the  field  vector 
(electric or magnetic) possesses all of the following: 
a. The field must have two orthogonal linear components, and 
b.The two components can be of the same or different magnitude. 
c. (1) If the two components are not of the same magnitude, the time‐phase 
difference between the two components must not be  0   or multiples of 
180   (because it will then be linear). (2) If the two components are of the 
same magnitude, the time‐phase difference between the two components 
must not be odd multiples of 90 o
 (because it will then be circular). 
 
 
2.11.2 Polarization Loss Factor and Efficiency 
The polarization of the receiving antenna will not be the same as the 
of  the  incident  wave.  This  is  stated  as  "polarization  mismatch."  The 
amount of power extracted by the antenna from the incident signal will 
not be maximum because of the polarization loss. Assuming the electric 
field of the incident wave is 
E 	 ρ E 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐69 	
where  ρ   is the unit vector of the wave. Assuming the polarization of 
the electric field of the receiving antenna is 
E 	 ρ E 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐70 	
where  ρ 	is  its  unit  vector  (polarization  vector).  The  polarization  loss 
factor (PLF) is defined 
PLF |ρ ∙ ρ | cos|ψ | 	 dimensionless 	 		 	 	 2‐71
 
w
i
i
m
p
t
e
w
t
where  ψ
incoming
If the
its  PLF
maximum
Anoth
polarizat
that  of 
efficiency
Pola
"The
wave of 
the same
ψ   is  th
g wave an
e antenna
1  and
m power
her  figur
ion  char
an  ante
y. 
rization e
e ratio of
arbitrary
e antenn
he  angle
nd of the
a is pola
d  the  ant
 from the
re‐of‐me
racteristic
enna  is 
efficiency
f the pow
y polariz
a from a 
e  betwee
e vectors
rization 
tenna  w
e incomi
rit  descr
cs  of  a  w
the  po
y is defin
wer rece
ation to 
plane w
 
en  the 
 shown i
matched
ill  extrac
ng wave
ribing  th
wave  an
olarizatio
ned as: 
ived by a
the pow
wave of th
two  uni
n Figure 
d, 
ct 
.   
e 
d 
n  Figu
vectors
an anten
wer that 
he same 
it  polari
2.19.   
ure 2.19 Po
s of inciden
antenn
nna from
would b
power fl
zation  o
olarization 
nt wave (ρ
na (ρ ) 
m a given 
be receiv
ux densit
of  the 
 
unit 
ρ ) and 
plane 
ved by 
ty and 
 
 
direction  of  propagation,  whose  polarization  has  been  adjusted  for  a 
maximum received power."   
| ∙ |
| | ∙| |
2‐71a
Where 
  = vector effective length of the antenna 
= incident electric field
   The  vector  effective  length    is  a  vector  that  describes  the 
polarization characteristics of the antenna. Both the PLF and    lead to 
the same answers. 
 
 
 
 
 
 
Example 2.9 
The electric field of a linearly polarized electromagnetic wave given by 
,  
is incident upon a linearly polarized antenna whose electric field polarization 
can be expressed as 
, ,  
Find the polarization loss factor (PLF) 
SOLUTION 
For the incident wave and the antenna 
,	 	
√
	
The PLF is: 
PLF	 | ∙ | | ∙
√
| 			 		10 log 0.5			 	 3dB	 	
1. Even  the  incoming  wave  and  the  antenna  are  linearly  polarized,  there  is  a 
3‐dB loss in extracted power because the polarization of the incoming wave is 
 
2
t
not alig
2. If the
the a
the i
In Fig
types of a
gned with
e polariza
antenna, 
ncoming 
gures 2.2
antennas; 
(a
h the pola
tion of th
then the
wave and
0(a, b) we
wires and
a) PLF for tra
rization o
he incomin
re will be
d the PLF w
e illustrate
d apertur
ansmitting a
 
of the ante
ng wave is
e no powe
will be ze
e the pola
es. 
and receivin
enna.   
s orthogo
er extract
ro or ‐ d
arization l
ng aperture 
onal to the
ted by th
dB.   
oss factor
antennas 
e polariza
e antenn
rs (PLF) of
ation of 
a from 
f two 
 
 
c
a
a
p
l
Fi
The 
calculatio
a very crit
Link 
are  very 
power is a
oss facto
(b
igure 2.25 P
polarizat
ns design
tical facto
calculatio
stringent 
a limiting 
rs to ensu
) PLF for tra
Polarization l
tion  loss 
n of a com
or.   
ons of co
because 
considera
ure a succ
nsmitting a
loss factors 
must  al
mmunicati
ommunica
of  limita
ation. The
cessful ope
 
nd receiving
(PLF) for ap
ways  be 
on system
ation syst
ations  in 
e design m
eration of
g linear wire
erture and 
taken  in
m because
ems for o
spacecraf
must prop
f the syste
e antennas
linear wire a
nto  accou
e in some
outer spa
ft  weight
perly take 
em. 
 
antennas. 
unt  in  th
 cases it m
ace explo
.  In  such 
into acco
he  link 
may be 
rations 
cases, 
ount all 
 
a
f
(
A
p
An a
as shown
field comp
If  th
(perpendi
Also, if th
polarizatio
antenna th
 in Figure
ponents. 
Figure 
he  two  di
icular to t
he two dip
on along z
hat is ellip
e 2.26. Th
 
2.26 Geome
poles  are
the plane
poles wer
zenith wo
ptically po
he two cr
etry of ellipt
e  identica
 of the tw
re fed wit
ould be cir
 
olarized is
rossed dip
tically polar
al,  the  fie
wo dipole
th a 90◦  d
rcular and
s compose
poles pro
ized cross‐d
eld  intens
s) would 
degree tim
d elliptica
ed of two 
vide the 
 
dipole anten
sity  of  ea
be of the
me‐phase
l. 
crossed d
two orth
na. 
ch  along 
e same int
e differenc
dipoles, 
ogonal 
zenith 
tensity. 
ce, the 
 
2
t
o
t
i
t
r
t
d
a
w
2.12 INP
Inpu
terminals 
of the app
Inpu
terminals 
interestin
terminals 
ratio of th
terminals,
defines 
antenna a
where     
     
PUT IM
ut impeda
or the ra
propriate
ut  impeda
of the a
g.  In  F
are  desi
he voltag
,  with  n
the  im
as 
ZA = ante
RA = ante
MPEDA
ance is de
tio of the
compone
ance  at 
ntenna is
igure  2.2
gnated  a
ge to curr
no  load 
pedance 
enna impe
enna resist
ANCE
efined as 
e voltage t
ents of the
the  inpu
s primaril
27(a)  th
s  a‐b.  Th
rent at th
attached
of  th
edance at
tance at t
 
"the impe
to current
e electric 
ut 
y 
e 
e 
e 
d, 
e 
 terminal
terminals 
edance p
t at a pair
to magne
       
s a‐b    (o
a‐b      (o
resented 
r of termi
etic fields 
   
hms) 
ohms)   
at an ant
nals or th
at a poin
     
tenna’s 
he ratio 
t."   
(2‐72) 
 
w
w
B
a
a
w
     
  Assum
with inter
where 
R   = r
X   = r
Being  use
and gener
To  f
amount d
within the
XA = ante
me the an
rnal imped
resistance
reactance
ed  in  the 
rator can 
find  the 
dissipated
e loop wh
enna react
ntenna is 
dance 
e of gener
e of gener
transmit
be repres
amount 
 in    as
hich is give
tance at t
attached
	 	 	
rator impe
rator impe
tting  mod
sent by Fig
of  powe
s heat (
en by 
 
erminals 
d to a gen
	 	 	 	
edance 
  (
edance   (
de,  the  an
gure 2.27
r  deliver
/2), w
a‐b      (o
nerator 
2‐74 	
ohms) 
ohms) 
ntenna 
7(b).   
ed  to 
we first fin
hms) 
  for  rad
nd the cur
								
diation  an
rrent deve
	 A 	 	 	
nd  the 
eloped 
2‐75
 
 
and its magnitude by    | |
| |
| | /
							 	 	 	 2‐75a 	
where    is the peak generator voltage.   
 The power delivered to the antenna for radiation is given by 
| | |
| |
	 				 W 					 	 	 	 2‐76 	
 and that dissipated as heat in antenna by 
| | |
| |
	 				 W 					 	 	 	 	 2‐77 	
 The power dissipated as heat on the internal resistance Rg of the generator is 
| |
	 				 W 					 	 	 	 	 	 	 	 2‐78 	
The  maximum  power  delivered  to  the  antenna  occurs  when  conjugate 
matching is achieved 
;	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐79,	20‐80 	
For this case 
 
 
| |
	
| |
	 								 	 	 	 	 	 2‐81 	
| |
	 							 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐82 	
| |
	
| |
	
| |
						 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐83 	
From (2‐81)‐(2‐83), it is clear that 
	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐84 	
The power supplied by the generator during conjugate matching is 
	 	 	 	 		 W 	 	 	 2‐85
 
 
2.14 ANTENNA RADIATION EFFICIENCY
The  conduction‐dielectric  efficiency  e   is  defined  as  the  ratio  of  the 
power  delivered  to  the  radiation  resistance  ,  to  the  power  delivered  to 
. The radiation efficiency can be written as 
		 		 dimensionless 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐90 	
For a metal rod of length    and area  , the dc resistance is	given	by	
	 	 	 	 ohms 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐90a 	
If  the skin depth  2/ 	of  the  metal  is  very small  compared to 
the smallest diagonal of the cross section of the rod, the current is confined to a 
thin layer near the conductor surface. Therefore the high‐frequency resistance 
can be written, based on a uniform current distribution, as 
	 	 	 ohms 	 	 	 	 	 	 2‐90b 	
Where 
 
 
	2   is the perimeter of the cross section of the rod ( :  the radius of wire) 
  is the conductor surface resistance 
  is the angular frequency   
   is the free‐space’s permeability 
  is the metal’s conductivity. 
Example 2.13 
A resonant half‐wavelength dipole is made out of copper ( 5.710 s/m) 
wire.  Determine  the  conduction‐dielectric  (radiation)  efficiency  of  the  dipole 
antenna  at  	 	100  MHz,  the  radius  of  the  wire  b  is  310 ,  and  the 
radiation resistance of the  /2  dipole is 73 ohms. 
SOLUTION 
At  10   Hz 
3 ;      3/2 ; 
2 2 3 10 6 10  
 
 
For  a  /2  dipole  with  a  sinusoidal  current  distribution  RL   where 
  is given by (2‐90b). Therefore, 
1
2
0.25
6 10
10 4 10
5.7 10
0.349	  
e
.
0.9952 99.52;    e dB 10log 0.9952 0.02 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2
c
a
d
w
2.15 ANT
ARE
An  a
capture (
as shown
For e
defined t
wave is in
TENNA
EAS
antenna 
(collect) 
n in Figur
each ant
to descri
ncident u
VECTOR
in  the  r
electrom
res 2.29(
enna, its
ibe the r
upon the
R EFFEC
receiving
magnetic 
a) and (b
s equival
receiving
e antenna
 
CTIVE L
g  mode, 
waves a
b).   
ent lengt
g charact
a. 
           
LENGTH
whateve
nd to ext
th and e
eristics o
H AND E
er  its  for
tract pow
quivalen
of an ant
EQUIVA
rm,  is  us
wer from
nt areas c
tenna, w
ALENT
sed  to 
m them, 
can be 
when a 
 
 
 
2.15.1 Vector Effective Length 
The effective length of an antenna is a quantity to determine the voltage 
induced  on  the  open‐circuit  terminals  of  the  antenna  when  a  wave 
impinges  upon  it.  It  should  be  noted  that  it  is  also  referred  to  as  the 
effective height.   
The vector effective length    for an antenna is a complex vector 
represented by 
, , ,                 (2‐91) 
It  is  a  far‐field  quantity  and  it  is  related  to  the  far‐zone  field   
radiated by the antenna, with current    in its terminals 
           (2‐92) 
The effective length is particularly useful in relating the open‐circuit voltage 
  of receiving antennas. This relation can be expressed as 
 
 
∙                          (2‐93) 
where 
  = open‐circuit voltage at antenna terminals 
  = incident electric field 
  = vector effective length 
In (2‐93)    can be thought of as the voltage induced in a linear antenna 
of length    when    and    are linearly polarized.   
From  the  relation  of  (2‐93)  the  effective  length  of  a  linearly  polarized 
antenna receiving a plane wave in a given direction is defined as   
 
In addition, the antenna vector effective length is used to determine 
the polarization efficiency of the antenna. 
The ratio of the magnitude of the open‐circuit voltage developed at the 
terminals of the antenna to the magnitude of the electric‐field strength in the 
direction of the antenna polarization. 
 
 
Example 2.14 
The far‐zone field radiated by a small dipole of length

  and 
with a triangular current distribution is given by 
8
Determine the vector effective length of the antenna. 
Solution: According to (2‐92), the vector effective length is 
            (2‐92) 
⇒
2
	
 This indicates the effective length is a function of the direction angle  .   
 The maximum open circuit voltage at the dipole terminals occurs when the 
incident direction of the wave is normal to the dipole (	 	90 ).   
 In addition, the effective length of the dipole to produce the same output 
 
 
open‐circuit voltage is only half (50%) of its physical length if it were replaced 
by a thin conductor having a uniform current distribution 
 The maximum effective length of an element with an ideal uniform current 
distribution is equal to its physical length. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.15.2 Antenna Equivalent Areas 
 Antenna Equivalent Areas
 The scattering area
 The loss area
 the capture area
Antenna  Equivalent  Areas    are  used  to  describe  the  power 
capturing characteristics of antennas when wave imping on them, which 
in a given direction is defined as “the ratio of the available power at the 
terminals  of  a  receiving  antenna  to  the  power  flux  density  of  a  plane 
wave  incident  on  the  antenna  from  that  direction,  the  wave  being 
polarization‐matched to the antenna. If the direction is not specified, the 
direction of maximum radiation intensity is implied.”It is written as 
| | /
                      (2‐94) 
Where          = effective area (effective aperture) (m2
); 
              = power delivered to the load (W);   
              = power density of incident wave (W/m2
) 
 
c
m
W
p
Using
can write 
| |
Unde
	
maximum
When (2‐9
power of 
g  the  equ
(2‐94) as
|
er  condit
	   an
m effective
96) is mu
(2‐89).   
uivalent  o
| | /
ions  of 
nd  	
e aperture
|
ltiplied by
of  Figure 
/
       
 
maximum
,  the
e given by
|
y the incid
 
2.28,  we
     (2‐94)
    (2‐95)
m  power
e  effectiv
y 
|
dent powe
e 
) 
) 
r  transfer
ve  area  o
|
er density
r  (conjug
of  (2‐95) 
     
y, it leads 
gate  mat
reduces 
           
to the ca
 
tching), 
to  the 
(2‐96) 
ptured 
 
 
∗
∗
| |
         (2‐97) 
All captured power by an antenna is not delivered to the load. In 
fact,  under  conjugate  matching  only  half  of  the  captured  power  is 
delivered to the load; the other half is scattered and dissipated as heat. 
To  account  for  the  scattered  and  dissipated  power,  in  addition  to  the 
effective  area,  the  scattering,  loss  and  capture  equivalent  areas  are 
defined.   
The  scattering  area  is  defined  as  the  equivalent  area  when 
multiplied  by  the  incident  power  density  is  equal  to  the  scattered  or 
reradiated power. Under conjugate matching this is written as 
A
| |
                   (2‐97) 
multiplied by the incident power density gives the scattering power. 
 
 
The  loss  area  is  defined  as  the  equivalent  area,  which  when 
multiplied by the incident power density leads to the power dissipated 
as heat through  . Under conjugate matching this is written as 
| |
                   (2‐98) 
multiplied by the incident power density gives the dissipated power. 
The  capture  area  is  defined  as  the  equivalent  area,  which  when 
multiplied  by  the  incident  power  density  leads  to  the  total  power 
captured by the antenna. Under conjugate matching this is written as 
| |
                    (2‐99) 
multiplied by the incident power density, it leads to the captured power. 
The total capture area is equal to the sum of the other three, or   
 
	 	 Capture	Area	 	Effective	Area	 	Scattering	Area	 	Loss	Area 
 
 
The aperture efficiency     of an antenna, which is defined as the 
ratio of the maximum effective area  A   of the antenna to its physical 
area  A , or 

	 	
	
                  (2‐100) 
 For  aperture  type  antennas,  such  as  waveguides,  horns,  and 
reflectors, the maximum effective area cannot exceed the physical area 
but it can equal it (A 	A or	0	  	1). Therefore the maximum 
value of the aperture efficiency cannot exceed unity (100%).   
 For  a  lossless  antenna  (R 0)  the  maximum  value  of  the 
scattering area is also equal to the physical area. Therefore even though 
the aperture efficiency is greater than 50%, under conjugate matching 
only half of the captured power is delivered to the load and the other 
half is scattered. 
 
E
s
r
l
S
F
o
S
c
Example 2
A unifo
shown  in 
radiation 
inearly po
Solution: 
For  R
of (2‐96) r
|
Since  the
constant a
2.15 
orm plane
Figure  2
resistanc
olarized a
	0, the m
reduces to
|
e  dipole  i
and of un
e wave is 
.29(a).  Fi
e of the 
along the 
maximum
o 
|
   
| |
8
1
is  very  sh
iform pha
incident u
nd  the  m
dipole is 
axis of the
 effective
|
           (
1
 
hort,  the
ase. The in
 
upon a ve
maximum 
R 	80
e dipole. 
e area 
   
2‐96)
  induced
nduced vo
ery short l
effective
0 / , 
d  current 
oltage is
lossless d
  area  ass
and the 
can  be 
ipole (l <<
suming  th
incident 
assumed 
< ), as 
hat  the 
field is 
 
to  be 
 
 
 
where 
VT = induced voltage on the dipole 
E = electric field of incident wave, l = length of dipole 
For a uniform plane wave, the incident power density can be written as 
/2  
where  is the intrinsic impedance of the medium ( 120 ohms for a free‐space 
medium). Thus 
| |
8 /2 80 /
0.119  
 
 
 
 
 
 
2
e
e
r
B
o
T
l
2.16 MAX
To  d
effective 
effective 
, .  If
radiated 
Because  o
of the ant
The pow
load wou
XIMUM
derive  th
area,  le
areas  a
f  antenn
power d
of  the  di
tenna, its 
wer collec
uld be 
DIRECT
he  relat
et  Anten
and  direc
a  1  wer
density at
      
rective  p
actual de
   
 
cted (rec
TIVITY A
tionship 
nna  1  be
ctivities 
e  isotrop
t a distan
(2‐101)
properties
ensity is 
(2‐102)
ceived)  b
 
AND MA
betwee
e  a  trans
of  each 
pic,  and 
nce    w
)
s 
)
by the a
AXIMUM
en  direc
smitter 
are  des
  the  t
would be
ntenna  a
M EFFECT
ctivity  a
and  2  a
ignated 
total  radi
and tran
TIVE AR
nd  max
  receive
as  ,
ated  pow
sferred  t
REA
ximum 
r.  The 
  and 
wer.  its 
to the 
 
 
⟹ 4             (2‐103) 
If  antenna  2  is  used  as  a  transmitter,  1  as  a  receiver,  and  the 
intervening medium is linear, passive, and isotropic, we can write that 
4                     (2‐104) 
Equating (2‐103a) and (2‐104) reduces to 
                          (2‐105) 
Increasing  the  directivity  of  an  antenna  increases  its  effective  area  in 
direct proportion. Thus, (2‐105) can be written as 
                       (2‐106) 
where  A   and  A   (D   and  D   ) are the maximum effective areas 
(directivities) of antennas 1 and 2, respectively. If antenna 1 is isotropic, 
 
 
then  D 1  and its maximum effective area can be expressed as 
                          (2‐107) 
For  example,  let  the  antenna  be  a  very  short     dipole 
whose  effective  area  =  0.119   and  maximum  directivity  =  1.5.  The 
maximum effective area of the isotropic source is then equal to 
.
.
                    (2‐108) 
Using (2‐108), we can write (2‐107) as 
                    (2‐109) 
In  general  then,  the  maximum  effective  aperture  (A )  of  any 
antenna is related to its maximum directivity (D ) by 
                        (2‐110) 
 
2
E
r
E
2
p
t
2.17 FR
EQUAT
The 
require t
Equation
2.17.1 Fr
The 
power tr
the large
RIIS TRA
TION
analysis
the use o
n.   
riis Trans
Friis  Tra
ransmitte
est dimen
ANSMIS
s  and  d
of the Fr
smission 
nsmissio
ed betwe
nsion of e
SSION E
esign  of
iis Trans
Equatio
on  Equat
een two 
either an
 
EQUAT
f  radar 
mission 
n 
tion  relat
antenna
ntenna.   
ION AN
and  com
Equation
tes  the  p
as separa
ND RAD
mmunica
n and the
power  re
ated by  R
DAR RA
ations  sy
e Radar 
eceived  t
R	

,
 
ANGE
ystems 
Range 
to  the 
,  D  is 
 
 
Assuming the transmitting antenna is isotropic. If the input power at the 
terminals  of  the  transmitting  antenna  is  P ,  then  its  isotropic  power 
density  W   at distance  R  from the antenna is 
W e 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 2‐113 	
e : the radiation efficiency of the transmitting antenna.   
For  a  nonisotropic  transmitting  antenna,  the  power  density  of 
(2‐113) in the direction  ,   is 
W
,
e
,
             (2‐114)   
Since the effective area    of the receiving antenna is related to its 
efficiency    and directivity    by 
;						 ,           (2‐115) 
the power    collected by the receiving antenna is 
 
 
P e D θ , ϕ W e e
, ,
|ρ ∙ ρ |    
  (2‐118)   
The ratio of the received to the input power as 
, ,
               (2‐117)   
The power received based on (2‐117) assumes that the transmitting 
and  receiving  antennas  are  matched  to  their  respective  lines  or  loads 
and the polarization of the receiving antenna is polarization‐matched to 
the impinging wave.   
If these two factors are also included, then the ratio of the received 
to the input power of (2‐117) is represented by 
, , 1 |Γ | 1 |Γ | |ρ ∙ ρ |          
      (2‐118)   
 
 
For reflection and polarization‐matched antennas aligned for maximum 
directional radiation and reception, (2‐118) reduces to 
	 	 	 	 	 	 	 	 2‐119 	 	
Equations  (2‐117),  (2‐118),  or  (2‐119)  are  known  as  the  Friis 
Transmission  Equation,  and  it  relates  the  power    (delivered  to  the 
receiver load) to the input power of the transmitting antenna    . The 
term 


  is  called  the  free‐space  loss  factor,  and  it  takes  into 
account the losses due to the spherical spreading of the energy by the 
antenna. 
 
 
 
2
s
d
s
t
2.17.2 Ra
Assu
shown in
The 
defined 
scattered
to that sc
adar Ran
uming th
n Figure 2
radar  c
as  the  a
d isotrop
cattered 
nge Equa
at the tr
2.32.   
ross  sec
area  inte
pically, pr
by the a
ation 
ransmitte
tion  (RC
ercepting
roduces a
ctual tar
 
ed powe
CS)  or  ec
g  that  am
at the re
get. In eq
er is incid
cho  area
mount  o
ceiver a 
quation f
dent upo
 
a  (  )  o
of  power
density 
form 
on a targ
of  a  targ
r  which, 
which is 
get, as 
get,  is 
when 
equal 
 
 
→                                   (2‐120) 
→
4
→
4
| |
| |
 
→ 4
| |
                                      (2‐120a) 
 = radar cross section or echo area                  (m2
) 
R = observation distance from target                  (m) 
W   = incident power density                            (W/m2
) 
W   = scattered power density                          (W/m2
) 
E   (E ) = incident (scattered) electric field           (V/m) 
H H ) = incident (scattered) magnetic field         (A/m) 
Using the definition of radar cross section, we can consider that 
 the  transmitted  power  incident  upon  the  target  is  initially 
captured; 
 
 
 then  it  is  reradiated  isotropically,  insofar  as  the  receiver  is 
concerned.   
The  amount  of  captured  power    is  obtained  by multiplying  the 
incident power density of (2‐114) by the radar cross section, or 
W
,
e
,
             (2‐114)   
, ,
         (2‐121) 
The power captured by the target is reradiated isotropically, and the 
scattered power density can be written as 
,
             (2‐122) 
The amount of power delivered to the receiver load is given by 
, ,
       (2‐123) 
 
 
Equation(2‐123) can be written as the ratio of the received power to the 
input power, or 
, ,
            (2‐124) 
Expression (2‐124) is used to relate the received power to the input 
power,  It  does  not  include  reflection  losses  and  polarization  losses.  If 
these two losses are also included, then (2‐124) must be expressed as 
, ,
1 |Γ | 1 |Γ | |ρ ∙ ρ |        
            (2‐125) 
For  polarization‐matched  antennas  aligned  for  maximum  directional 
radiation and reception, (2‐125) reduces to 
		 	 	 	 	 	 	 2‐126 	 	
Equation(2‐124 ), or (2‐125) or (2‐126) is known as the Radar Range 
 
 
Equation. It relates the power  P   (delivered to the receiver load) to the 
input power  P   transmitted by an antenna, after it has been scattered 
by a target with a radar cross section (echo area) of  . 
Example 2.16 
Two  lossless  X‐band  8.2– 12.4	GHz   horn  antennas  are  separated  by  a 
distance  of  100 .  The  reflection  coefficients  at  the  terminals  of  the 
transmitting  and  receiving  antennas  are  0.1   and  0.2 ,  respectively.  The 
maximum  directivities  of  the  transmitting  and  receiving  antennas  (over 
isotropic) are 16 dB and 20 dB, respectively. Assuming that the input power in 
the lossless transmission line connected to the transmitting antenna is  2W, and 
the  antennas  are  aligned  for  maximum  radiation  between  them  and  are 
polarization‐matched, find the power delivered to the load of the receiver. 
Solution: 
For this problem 
e 	e 	1      because antennas are lossless. 
 
 
|ρ ∙ ρ | 1      because antennas are polarization‐matched 
D 	D , D 	D     because  antennas  are  aligned  for  maximum 
radiation between them 
D 	16	dB➱39.81 (dimensionless) 
D 	20	dB➱100  (dimensionless) 
Using (2‐118), we can write 
2 1 1 39.81 100 1 0.1 1 0.2 1 =4.777mW 
 
 
 
 
 
2.17.3 Antenna Radar Cross Section 
The  radar  cross  section  is  a  far‐field  parameter,  which  is  used  to 
characterize the scattering properties of a radar target.   
 monostatic or backscattering RCS   
 bistatic RCS   
The RCS of a target is a function of   
1. polarization of the incident wave, 
2. the angle of incidence,   
3. the angle of observation,   
4. the geometry of the target,   
5. the electrical properties of the target, 
6. the frequency of operation.   
The units of RCS of three‐dimensional targets are m2
,or dBsm, or RCS/2
 in 
dB.   
The RCS of a target can be controlled using primarily two basic methods: 
 
 
shaping and the use of materials.   
 Shaping  is  used  to  attempt  to  direct  the  scattered  energy  toward 
directions other than the desired. However, for many targets shaping has 
to  be  compromised  in  order  to  meet  other  requirements,  such  as 
aerodynamic specifications for flying targets.   
 Materials are used to trap the incident energy within the target and to 
dissipate part of the energy as heat or to direct it toward directions other 
than the desired.   
Usually both methods, shaping and materials, are used together in order to 
optimize the performance of a radar target.   
One  of  the“golden  rules”to  observe  in  order  to  achieve  low  RCS  is  to 
“round corners, avoid flat and concave surfaces, and use material treatment in 
flare spots.” 
 
 
 
Problems
2.4. Find the half-power beamwidth (HPBW) and first-null beamwidth (FNBW),
in radians and degrees, for the following normalized radiation intensities:
a U θ cos θ			 b U θ cos θ	
c U θ cos 2θ 	 d U θ cos 2θ 	
e U θ cos 3θ 	 f U θ cos 3θ 	
0	 	θ	 	90 , 0	 	φ	 	360 	
2.7. The power radiated by a lossless antenna is 10 watts. The directional
characteristics of the antenna are represented by the radiation intensity of
a U	 B cos θ	
b U	 B cos θ	
(watts/unit solid angle) and (0 ≤ θ ≤ π/2, 0 ≤ φ ≤ 2π)
For each, find the
(a) maximum power density (in watts/square meter) at a distance of 1,000
m(assume far-field distance). Specify the angle where this occurs.
 
 
(b) exact and approximate beam solid angle 2A.
(c) directivity, exact and approximate, of the antenna (dimensionless and in dB).
(d) gain, exact and approximate, of the antenna (dimensionless and in dB).
2.8. You are an antenna engineer and you are asked to design a high
directivity/gain antenna for a space-borne communication system operating at 10
GHz. The specifications of the antenna are such that its pattern consists basically
of one major lobe and, for simplicity, no minor lobes (if there are any minor
lobes they are of such very low intensity and you can assume they are negligible
/zero). Also it is desired that the patternis symmetrical in the azimuthal plane. In
order to meet the desired objectives, the mainlobe of the patternshould have a
half-power beamwidth of 10 degrees. Inorder to expedite the design, it is
assumed that the major lobe of the normalized radiation intensity of the antenna
is approximated by
U θ, φ cos θ 	
and it exists only in the upper hemisphere (0 ≤ θ ≤ π/2, 0 ≤ φ ≤ 2π). Determine
the:
(a) Value of n (not necessarily an integer) to meet the specifications of the major
lobe. Keep 5 significant figures in your calculations.
 
 
(b) Exact maximum directivity of the antenna (dimensionless and in dB).
(c) Approximate maximum directivity of the antenna based on Kraus’ formula
(dimensionless and in dB).
(d) Approximate maximum directivity of the antenna based on Tai & Pereira’s
formula (dimensionless and in dB).
2.9. In target-search ground-mapping radars it is desirable to have echo power
received from a target, of constant cross section, to be independent of its range.
For one such application, the desirable radiation intensity of the antenna is given
by
   
1 0 20
U , 0.342csc 20 60 0 360
0 60 180
o o
o o o o
o o

    

 
 
 
    
 
 
 
 
Find the directivity (in dB) using the exact formula.
2.15. The radiation intensity of an antenna is given by
 
 
U θ, φ cos θ sin φ	
for 0≤θ≤π/2 an d 0≤φ≤2π(i.e., inthe upper half-space). It is zero in the lower
half-space. Find the
(a) exact directivity (dimensionless and in dB)
(b) elevationplan e half-power beamwidth (in degrees)
2.17. The maximum gain of a horn antenna is +20 dB, while the gain of its first
sidelobe is −15 dB. What is the difference in gain between the maximum and
first sidelobe:
(a) in dB
(b) as a ratio of the field intensities.
2.34. A 300 MHz uniform plane wave, traveling along the x-axis in the negative
x direction, whose electric field is given by
 
0
ˆ ˆ
3 jkx
w y z
E E ja a e
 
r
where Eo is a real constant, impinges upon a dipole antenna that is placed at the
 
o
d
w
(
i
(
Y
(
2
originan
direction i
where Ea
(a) Polariz
if any). Yo
(b) Polariz
You must
(c) Polariz
2.35. The
d whose
is givenby
is a real c
zation of
ou must ju
zation of
justify (s
zation los
e electric
electric
y
E
constant. D
the incide
ustify (sta
the antenn
state why?
ss factor (d
field of a
field rad

a a
E E

r
Determin
ent wave
ate why?
na (includ
?).
dimension
a uniform
 
iated tow
ˆ ˆ
2
y z
a a

ne the follo
(includin
).
ding axial
nless and
plane wa
ward the
 jkx
z e
owing:
ng axial ra
l ratio and
in dB).
ave travel
x-axis in
atio and se
d sense of
ling along
n the pos
ense of ro
f rotation,
g the neg
itive x
otation,
if any).
gative z
 
 
directionis given by
  0
ˆ ˆ
i jkz
w x y
E a ja E e
 
and is incident upon a receiving antenna placed at the origin and whose radiated
electric field, toward the incident wave, is given by
  1
ˆ ˆ
2
jkr
a x y
e
E a a E
r

 
Determine the following:
(a) Polarizationof the incident wave, and why?
(b) Sense of rotation of the incident wave.
(c) Polarization of the antenna, and why?
(d) Sense of rotation of the antenna polarization.
(e) Losses (dimensionless and in dB) due to polarization mismatch between the
incident wave and the antenna.
 

More Related Content

What's hot

Power delay profile,delay spread and doppler spread
Power delay profile,delay spread and doppler spreadPower delay profile,delay spread and doppler spread
Power delay profile,delay spread and doppler spreadManish Srivastava
 
OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1
OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1
OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1Asif Iqbal
 
Wireless Communication
Wireless CommunicationWireless Communication
Wireless CommunicationDhruv Aggarwal
 
Reflector Antennas - Part 1.pdf
Reflector Antennas - Part 1.pdfReflector Antennas - Part 1.pdf
Reflector Antennas - Part 1.pdfHariNathaReddy14
 
Fundamentals of microwave communication system and radar systems
Fundamentals of microwave communication system and radar systemsFundamentals of microwave communication system and radar systems
Fundamentals of microwave communication system and radar systemssabesh chaudhary
 
transmission-line-and-waveguide-ppt
transmission-line-and-waveguide-ppttransmission-line-and-waveguide-ppt
transmission-line-and-waveguide-pptATTO RATHORE
 
High impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysis
High impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysisHigh impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysis
High impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysis利 金
 
Optimum Receiver corrupted by AWGN Channel
Optimum Receiver corrupted by AWGN ChannelOptimum Receiver corrupted by AWGN Channel
Optimum Receiver corrupted by AWGN ChannelAWANISHKUMAR84
 
Antenna basics
Antenna basicsAntenna basics
Antenna basicsjpratt59
 
EC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transform
EC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transformEC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transform
EC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transformNimithaSoman
 
Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar
Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar
Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar VenkataRatnam14
 
Beam forming- New Technology
Beam forming- New TechnologyBeam forming- New Technology
Beam forming- New TechnologyPARNIKA GUPTA
 
Radar system components and system design
Radar system components and system designRadar system components and system design
Radar system components and system designvagheshp
 
Types of klystron Amplifier
Types of klystron AmplifierTypes of klystron Amplifier
Types of klystron AmplifierNupurRathi7
 
Digital communication systems
Digital communication systemsDigital communication systems
Digital communication systemsNisreen Bashar
 

What's hot (20)

Power delay profile,delay spread and doppler spread
Power delay profile,delay spread and doppler spreadPower delay profile,delay spread and doppler spread
Power delay profile,delay spread and doppler spread
 
Antenna parameters
Antenna parametersAntenna parameters
Antenna parameters
 
OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1
OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1
OPTICAL FIBER COMMUNICATION UNIT-1
 
Wireless Communication
Wireless CommunicationWireless Communication
Wireless Communication
 
Reflector Antennas - Part 1.pdf
Reflector Antennas - Part 1.pdfReflector Antennas - Part 1.pdf
Reflector Antennas - Part 1.pdf
 
log periodic antenna
log periodic antennalog periodic antenna
log periodic antenna
 
Log periodic antenna
Log periodic antenna Log periodic antenna
Log periodic antenna
 
Fundamentals of microwave communication system and radar systems
Fundamentals of microwave communication system and radar systemsFundamentals of microwave communication system and radar systems
Fundamentals of microwave communication system and radar systems
 
transmission-line-and-waveguide-ppt
transmission-line-and-waveguide-ppttransmission-line-and-waveguide-ppt
transmission-line-and-waveguide-ppt
 
High impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysis
High impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysisHigh impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysis
High impedance surface_his_ris_amc_nurmerical_analytical_analysis
 
Optimum Receiver corrupted by AWGN Channel
Optimum Receiver corrupted by AWGN ChannelOptimum Receiver corrupted by AWGN Channel
Optimum Receiver corrupted by AWGN Channel
 
Antenna basics
Antenna basicsAntenna basics
Antenna basics
 
EC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transform
EC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transformEC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transform
EC8352- Signals and Systems - Unit 2 - Fourier transform
 
Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar
Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar
Radar Systems- Unit- I : Basics of Radar
 
Beam forming- New Technology
Beam forming- New TechnologyBeam forming- New Technology
Beam forming- New Technology
 
Radar system components and system design
Radar system components and system designRadar system components and system design
Radar system components and system design
 
Antenna array
Antenna arrayAntenna array
Antenna array
 
Types of klystron Amplifier
Types of klystron AmplifierTypes of klystron Amplifier
Types of klystron Amplifier
 
Digital communication systems
Digital communication systemsDigital communication systems
Digital communication systems
 
ISI & niquist Criterion.pptx
ISI & niquist Criterion.pptxISI & niquist Criterion.pptx
ISI & niquist Criterion.pptx
 

Similar to Antenna first unitt

Radar rangeequation(2)2011
Radar rangeequation(2)2011Radar rangeequation(2)2011
Radar rangeequation(2)2011modddar
 
Signal conditioning piezoelectric sensors
Signal conditioning piezoelectric sensorsSignal conditioning piezoelectric sensors
Signal conditioning piezoelectric sensorsWind Xu
 
Book 3: “Antennae Techniques”
Book 3: “Antennae Techniques”Book 3: “Antennae Techniques”
Book 3: “Antennae Techniques”Timour Chaikhraziev
 
Antenna basics from-r&s
Antenna basics from-r&sAntenna basics from-r&s
Antenna basics from-r&sSaurabh Verma
 
ROHINI RADAR PFD
ROHINI RADAR PFDROHINI RADAR PFD
ROHINI RADAR PFDshiv kapil
 
chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016
chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016
chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016CHANDRA SHEKHAR
 
Lecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptx
Lecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptxLecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptx
Lecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptxVasuhiSamydurai1
 
Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.
Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.
Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.Evangelos Stergiou
 
Practical electrical engineering
Practical electrical engineeringPractical electrical engineering
Practical electrical engineeringMuhammad Sallam
 

Similar to Antenna first unitt (20)

Radar rangeequation(2)2011
Radar rangeequation(2)2011Radar rangeequation(2)2011
Radar rangeequation(2)2011
 
Radar system
Radar systemRadar system
Radar system
 
LECT_Chap2_AntPar1.pdf
LECT_Chap2_AntPar1.pdfLECT_Chap2_AntPar1.pdf
LECT_Chap2_AntPar1.pdf
 
Signal conditioning piezoelectric sensors
Signal conditioning piezoelectric sensorsSignal conditioning piezoelectric sensors
Signal conditioning piezoelectric sensors
 
Book 3: “Antennae Techniques”
Book 3: “Antennae Techniques”Book 3: “Antennae Techniques”
Book 3: “Antennae Techniques”
 
Antenna basics from-r&s
Antenna basics from-r&sAntenna basics from-r&s
Antenna basics from-r&s
 
ROHINI RADAR PFD
ROHINI RADAR PFDROHINI RADAR PFD
ROHINI RADAR PFD
 
ROHINI RADAR
ROHINI RADARROHINI RADAR
ROHINI RADAR
 
radarfinalADCA
radarfinalADCAradarfinalADCA
radarfinalADCA
 
2003_FVolpe
2003_FVolpe2003_FVolpe
2003_FVolpe
 
chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016
chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016
chandra shekhar_Unit 2 _Radar_ feb 4 2016
 
Book 1 “Radar Basics”
Book 1 “Radar Basics”Book 1 “Radar Basics”
Book 1 “Radar Basics”
 
Radar
RadarRadar
Radar
 
Gm3112421245
Gm3112421245Gm3112421245
Gm3112421245
 
Lecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptx
Lecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptxLecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptx
Lecture 17-20 - Radar Antennas-converted.pptx
 
Antenna design
Antenna designAntenna design
Antenna design
 
E0212026035
E0212026035E0212026035
E0212026035
 
Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.
Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.
Evangelos_Stergiou_Planar Spirals for Multiband Antenna Radiators.
 
Practical electrical engineering
Practical electrical engineeringPractical electrical engineering
Practical electrical engineering
 
Alex_MarvinS16
Alex_MarvinS16Alex_MarvinS16
Alex_MarvinS16
 

Recently uploaded

Beyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry Innovation
Beyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry InnovationBeyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry Innovation
Beyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry InnovationSafe Software
 
Enhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for Partners
Enhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for PartnersEnhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for Partners
Enhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for PartnersThousandEyes
 
How to convert PDF to text with Nanonets
How to convert PDF to text with NanonetsHow to convert PDF to text with Nanonets
How to convert PDF to text with Nanonetsnaman860154
 
08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men
08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men
08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking MenDelhi Call girls
 
Artificial intelligence in the post-deep learning era
Artificial intelligence in the post-deep learning eraArtificial intelligence in the post-deep learning era
Artificial intelligence in the post-deep learning eraDeakin University
 
AI as an Interface for Commercial Buildings
AI as an Interface for Commercial BuildingsAI as an Interface for Commercial Buildings
AI as an Interface for Commercial BuildingsMemoori
 
GenCyber Cyber Security Day Presentation
GenCyber Cyber Security Day PresentationGenCyber Cyber Security Day Presentation
GenCyber Cyber Security Day PresentationMichael W. Hawkins
 
Breaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path Mount
Breaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path MountBreaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path Mount
Breaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path MountPuma Security, LLC
 
Slack Application Development 101 Slides
Slack Application Development 101 SlidesSlack Application Development 101 Slides
Slack Application Development 101 Slidespraypatel2
 
SIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge Graph
SIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge GraphSIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge Graph
SIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge GraphNeo4j
 
Understanding the Laravel MVC Architecture
Understanding the Laravel MVC ArchitectureUnderstanding the Laravel MVC Architecture
Understanding the Laravel MVC ArchitecturePixlogix Infotech
 
#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024
#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024
#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024BookNet Canada
 
My Hashitalk Indonesia April 2024 Presentation
My Hashitalk Indonesia April 2024 PresentationMy Hashitalk Indonesia April 2024 Presentation
My Hashitalk Indonesia April 2024 PresentationRidwan Fadjar
 
CloudStudio User manual (basic edition):
CloudStudio User manual (basic edition):CloudStudio User manual (basic edition):
CloudStudio User manual (basic edition):comworks
 
The Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptx
The Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptxThe Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptx
The Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptxMalak Abu Hammad
 
Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...
Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...
Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...shyamraj55
 
Making_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptx
Making_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptxMaking_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptx
Making_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptxnull - The Open Security Community
 
Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...
Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...
Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...Neo4j
 
FULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | Delhi
FULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | DelhiFULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | Delhi
FULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | Delhisoniya singh
 
Install Stable Diffusion in windows machine
Install Stable Diffusion in windows machineInstall Stable Diffusion in windows machine
Install Stable Diffusion in windows machinePadma Pradeep
 

Recently uploaded (20)

Beyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry Innovation
Beyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry InnovationBeyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry Innovation
Beyond Boundaries: Leveraging No-Code Solutions for Industry Innovation
 
Enhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for Partners
Enhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for PartnersEnhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for Partners
Enhancing Worker Digital Experience: A Hands-on Workshop for Partners
 
How to convert PDF to text with Nanonets
How to convert PDF to text with NanonetsHow to convert PDF to text with Nanonets
How to convert PDF to text with Nanonets
 
08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men
08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men
08448380779 Call Girls In Civil Lines Women Seeking Men
 
Artificial intelligence in the post-deep learning era
Artificial intelligence in the post-deep learning eraArtificial intelligence in the post-deep learning era
Artificial intelligence in the post-deep learning era
 
AI as an Interface for Commercial Buildings
AI as an Interface for Commercial BuildingsAI as an Interface for Commercial Buildings
AI as an Interface for Commercial Buildings
 
GenCyber Cyber Security Day Presentation
GenCyber Cyber Security Day PresentationGenCyber Cyber Security Day Presentation
GenCyber Cyber Security Day Presentation
 
Breaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path Mount
Breaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path MountBreaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path Mount
Breaking the Kubernetes Kill Chain: Host Path Mount
 
Slack Application Development 101 Slides
Slack Application Development 101 SlidesSlack Application Development 101 Slides
Slack Application Development 101 Slides
 
SIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge Graph
SIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge GraphSIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge Graph
SIEMENS: RAPUNZEL – A Tale About Knowledge Graph
 
Understanding the Laravel MVC Architecture
Understanding the Laravel MVC ArchitectureUnderstanding the Laravel MVC Architecture
Understanding the Laravel MVC Architecture
 
#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024
#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024
#StandardsGoals for 2024: What’s new for BISAC - Tech Forum 2024
 
My Hashitalk Indonesia April 2024 Presentation
My Hashitalk Indonesia April 2024 PresentationMy Hashitalk Indonesia April 2024 Presentation
My Hashitalk Indonesia April 2024 Presentation
 
CloudStudio User manual (basic edition):
CloudStudio User manual (basic edition):CloudStudio User manual (basic edition):
CloudStudio User manual (basic edition):
 
The Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptx
The Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptxThe Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptx
The Codex of Business Writing Software for Real-World Solutions 2.pptx
 
Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...
Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...
Automating Business Process via MuleSoft Composer | Bangalore MuleSoft Meetup...
 
Making_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptx
Making_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptxMaking_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptx
Making_way_through_DLL_hollowing_inspite_of_CFG_by_Debjeet Banerjee.pptx
 
Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...
Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...
Neo4j - How KGs are shaping the future of Generative AI at AWS Summit London ...
 
FULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | Delhi
FULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | DelhiFULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | Delhi
FULL ENJOY 🔝 8264348440 🔝 Call Girls in Diplomatic Enclave | Delhi
 
Install Stable Diffusion in windows machine
Install Stable Diffusion in windows machineInstall Stable Diffusion in windows machine
Install Stable Diffusion in windows machine
 

Antenna first unitt

  • 1.     CHAPTER  2    Fundamental Parameters of Antennas  2.1 INTRODUCTION...........................................................................................................................3  2.2 RADIATION PATTERN................................................................................................................3  2.2.1 Radiation Pattern Lobes ........................................................................................................ 6  2.2.2 Isotropic, Directional, and Omnidirectional Patterns ............................................................ 9  2.2.3 Principal Patterns ................................................................................................................ 10  2.2.4 Field Regions ....................................................................................................................... 12  2.2.5 Radian(弧度)and Steradian(立体弧度) .................................................................... 16  2.3 RADIATION POWER DENSITY................................................................................................18  2.4 RADIATION INTENSITY...........................................................................................................22  2.5 BEAMWIDTH ..............................................................................................................................25  2.6 DIRECTIVITY..............................................................................................................................28  2.6.1 Directional Patterns ............................................................................................................ 38  2.7 ANTENNA EFFICIENCY............................................................................................................43  2.8 GAIN.............................................................................................................................................45  2.9 BEAM EFFICIENCY ...................................................................................................................53  2.10 BANDWIDTH ............................................................................................................................55 
  • 2.     2.11 POLARIZATION........................................................................................................................57  2.11.1 Linear, Circular, and Elliptical Polarizations ....................................................................... 61  2.11.2 Polarization Loss Factor and Efficiency .............................................................................. 68  2.12 INPUT IMPEDANCE.................................................................................................................75  2.14 ANTENNA RADIATION EFFICIENCY...................................................................................79  2.15 ANTENNA VECTOR EFFECTIVE LENGTH AND EQUIVALENT AREAS........................82  2.15.1 Vector Effective Length ..................................................................................................... 83  2.15.2 Antenna Equivalent Areas  .................................................................................................. 87  2.16 MAXIMUM DIRECTIVITY AND MAXIMUM EFFECTIVE AREA .....................................94  2.17 FRIIS TRANSMISSION EQUATION AND RADAR RANGE EQUATION ..........................97  2.17.1 Friis Transmission Equation ............................................................................................... 97  2.17.2 Radar Range Equation ..................................................................................................... 101  2.17.3 Antenna Radar Cross Section .......................................................................................... 108  Problems............................................................................................................................................110   
  • 3.   2 a 2 a r t c p d d   2.1 INT To de are necess 2.2 RAD An an as  “a  mat representa the  ante coordinate pattern is  Radia density,  r directivity  Amplitu  Amplitu TRODUC escribe the sary.    DIATIO ntenna rad thematica ation of th enna  as  es.”  In  m determine ation prop radiation  , phase or ude field p ude power CTION e perform ON PAT diation pa l  function he radiatio a  funct most  cases ed in the f perties inc intensity,  r polarizat pattern.   r pattern. N mance of a TTERN ttern is de n  or  a  gra on propert tion  of  s,  the  rad far field re lude powe field  stre ion.”      an antenna efined  aphical  ties of  space  diation  egion.    er flux  ength,  a, definitio ons of var rious parameters 
  • 4.   y l a Often yielding n ogarithmi accentuat n  the  field ormalized ic  scale  ( e in more  d  and  pow d field and dB).  This  details th wer  patte d power p scale  is  ose parts    erns  are  n patterns. T desirable of the pat normalized The patte e  because ttern of ve d  to  the  m rn is usua e  a  logarit ery low va maximum ally plotte thmic  sca lues.      value,  ed on a  ale  can   
  • 5.      Field  pattern  typically  represents  a  plot  of  the  magnitude  of  the  electric  or  magnetic field as a function of the angular space.   Power pattern typically represents a plot of the square of the magnitude of the  electric or magnetic field as a function of the angular space.   Power pattern (in dB) represents the magnitude of the electric or magnetic field,  in decibels, as a function of the angular space.               
  • 7.   l p  t t e  Some obes. Fig pattern ch  A majo the direct the θ = 0  exist more  A mino e are of g ure 2.3(b haracteris r lobe (m tion of ma direction e than on or lobe (旁 greater rad ) illustrate stics are in main beam aximum r n. In some ne major l 旁瓣) is any diation in es a linea ndicated. m,主瓣)  radiation.” e antenna obe.  y lobe exc   ntensity th r two‐dim is defined ” In Figur as, such a cept a ma han other mensional d as “the  e 2.3 the  s split‐be ajor lobe.  rs, but all   pattern w radiation  major lob eam anten   are classi where the   lobe cont be is poin nnas, ther ified as  e same  taining  nting in  re may 
  • 8.      A  side  lobe(副瓣)  is  “a  radiation  lobe  in  any  direction  other  than  the  intended lobe.” Usually a side lobe is adjacent to the main lobe   A back lobe is “a radiation lobe whose axis makes an angle of approximately  180o  with respect to the beam of an antenna.”  Minor lobes usually represent radiation in undesired directions and should  be minimized. Side lobes are the largest minor lobes.             
  • 9.     2.2.2 Isotropic, Directional, and Omnidirectional Patterns  An  isotropic  radiator  is  defined  as  “a  hypothetical  lossless  antenna  having  equal  radiation  in  all  directions.”  Although  it  is  ideal  and  not  physically  realizable, it is often taken as a reference for expressing the directive properties  of actual antennas.     A  directional  antenna  is  one  having  the  property  of  radiating  or  receiving  electromagnetic waves more effectively in some directions than in others.     An  omnidirectional  antenna  is  defined  as  one  “having  an  essentially  nondirectional  pattern  in  a  given  plane  and  a  directional  pattern  in  any  orthogonal  plane.  An  omnidirectional  pattern  is  then  a  special  type  of  a  directional pattern.     
  • 10.   2 o 2.2.3 Pr For a of its prin  The E‐ contai and  t radiat  The  H plane  vector maxim   rincipal a linearly  cipal E‐ an ‐plane is d ining  the  the  direc ion.”    H‐plane  containin r  and  mum radia Pattern polarized nd H‐plan defined as electric  f ction  of  is  define ng the ma the  dir ation.”  ns d antenna ne pattern s “the pla field  vect maximu ed  as  “t agnetic‐fie rection    a, perform ns.    ne  tor  um  he  eld  of  mance is o often des scribed in terms   
  • 11.   ( p s p ( An  il (elevation plane;  θ= selected.  principal  (azimutha llustration n plane;   = /2) is t The omn E‐planes al plane; θ n  is  show  = 0)  is  the princi nidirection s  (elevati θ= 90o ).  wn  in  Fig the princ ipal H‐pla nal patter on  plane   gure  2.5.  cipal  E‐pla ane. Othe rn of Figu es;    =  For  this  ane  and  t er coordin ure 2.6 ha c)  and  example the x‐y  p nate orien as an infi one  pr   ,  the  x‐z lane  (azim ntations c inite num incipal  H   plane  muthal  can be  mber of  H‐plane 
  • 12.   2 r ( 1 b 0 i a b 2.2.4 Fie The  s reactive  n (Fraunhof 1. React For  boundary  0.62 / s the large a. The re b. For  equiv bound /2 eld Regi space  sur near‐field, fer 夫琅和 tive near‐ most  an of  thi / ,    is th est dimen eactive fie a  very  valent  ra dary  is  c .  ions rounding  ,  radiatin 和费) regio field regio ntennas,  s  region he wavele sion of th eld predom short  d diator,  t commonly an  anten g  near‐fie ns  on  the  oute n  is  ength and  e antenna minates  dipole,  o the  oute y  taken  t     na  is  usu eld  (Fresn er  D  a.    or  er  to  ally  subdi nel 菲涅 ivided  int 耳)  regio o  three  r on  and  f egions:  ar‐field 
  • 13.   2 n a b c 2. Radiati Defin near‐field a. Radiati b. The  an is  de distanc c. If the a overall  very  sm wavele may no The r 0.62 ing near‐f ned as “t d region an on fields  ngular  fie ependent  ce from th ntenna h dimens mall  com ength,  thi ot exist.  region is l 2 / field (Fres hat regio nd the far predomin ld  distrib upon he antenn as a maxi ion  whic mpared  to is  field  re imited by 2 snel) regio n of the  r‐field reg nate    ution  the  na.    mum  ch  is  o  the  egion  y  / .      on  field of a gion  an antenn na betwe een the re eactive 
  • 14.   3 a b m n p a f p u m m 3. Far‐fiel a. The an the ant b. The far the ant As t moved  t near‐field pattern  b and  form far‐field  pattern  usually  c minor  lob more, ma d (Fraunh gular field tenna.    r‐field reg tenna.    he observ to  the  r d  region begins  to  m  lobes.  region is  well  onsisting  bes  and  ajor lobes. hofer) reg d distribu gion is ta vation  is  radiating  n,  the  smooth  In  the  ,  the  formed,  of  few  one,  or  .  gion  ution is es ken to ex   ssentially  xist at dis independ stances g dent of th reater th e distanc an  2 / e from    from 
  • 15.   p o a d t B r u f     Figure  parabolic  of  R 2 It  is  almost  difference the  first  Because  realizable used  crit far‐field o 2.9  show reflector 2D /, 4D observed identical, es in the p null  and  infinite  e in pract erion  for observatio ws  three r  calculat D /, and d  that  th ,  excep pattern st at  a  leve distanc ice, the m r  minimu ons is  2   patterns ed  at  dis d infinity.  he  patter pt  for  tructure a el  below  ces  are most com um  distan /.    s  of  a  stances    rns  are  some  around  25  dB.  e  not  mmonly  nce  of   
  • 16.   2 a o s c s T 2.2.5 Ra The m One  angle with of radius  surface ar Since 4 closed sph The  surface of Therefore adian(弧 measure o steradian h its verte   that is rea  .    e the area ,  there  a here.    infinites f a sphere e, the solid 弧度)a of a solid  n  is  defin ex at the c s subtend a of a sphe are  4  sr simal  are e is given b d angle  d nd Stera angle is a ned  as  t center of  ded by a s ere of rad r  4 / ea  by  d  can be /   adian( a steradia he  solid  a sphere  spherical  dius    is    in  a  on  the        e written    (立体弧度 n.    (m2 )  as       (sr) 度)                                (2‐1)    (2‐2) 
  • 17.     Example 2.1  For a sphere of radius  r, find the solid angle (in square radians or steradians)  of a spherical cap on the surface sphere over the north‐pole region defined by  spherical angles of 0    30o , 0    360o . Do this  a. exactly.  b. using A  1 2, where 1 and 2 are two perpendicular angular  separations of the spherical cap passing through the north pole.    Compare the two.  Solution:  a. Using (2‐2), we can write that  Ω Ω / 0.83566  b. Ω ΔΘ ∙ ΔΘ | ∙ 1.09662 The approximate beam solid angle is about 31.23% in error. 
  • 18.     2.3 RADIATION POWER DENSITY Instantaneous Poynting vector is a power density and is used to describe  the power associated with an electromagnetic wave                                                                                 (2‐3)  :instantaneous Poynting vector                (W/m2 )  :  instantaneous electric field intensity        (V/m)  :  instantaneous magnetic field intensity    (A/m)  The total power, crossing a closed surface, can be obtained by integrating the  normal component of the Poynting vector over the entire surface  ∯ ∙ ∯ ∙                             (2‐4)  P:      instantaneous total power    (W);        n:      unit vector normal to the surface  da:    infinitesimal area of the closed surface m
  • 19.     For time varying fields, average power density is needed, which is obtained  by integrating the instantaneous Poynting vector over one period and dividing  by the period. For the form     , , ; , ,  ; , , ; , ,  2‐5, 6 Using the definitions of (2‐5) and (2‐6) and the identity  Re , ,  , ,   /2  (2‐3) can be written as      (2‐3)    ∗      (2‐7)  Finally, the time average Poynting vector (average power density) is    , , , , ; ∗ /2          (W/m2 )           (2‐8)  Note:     The real part of  ∗ /2  represents the average (real) power density   The imaginary part represents the reactive (stored) power density 
  • 20.     The  1/2  factor  appears  in  (2‐7)  and  (2‐8)  because  the    and    fields  represent peak values, and it should be omitted for RMS values  Based upon the definition of (2‐8), the average power radiated power can  be written as  ∙   ∯ ∙ ∯ Re ∗ ∙                      (2‐9)               
  • 21.     Example 2.1  The radial component of the radiated power density of an antenna is          (W/m2 )    is the peak value of the power density,    is the spherical coordinate,  and    is the radial unit vector. Determine the total radiated power.  SOLUTION  For  a  closed  surface,  a  sphere  of  radius    is  chosen.  To  find  the  total‐radiated  power,  the  radial  component  of  the  power  density  is  integrated over its surface.    ∙ ∙    
  • 22.     2.4 RADIATION INTENSITY Radiation intensity in a given direction is defined as "the power radiated  from an antenna per unit solid angle."    The radiation intensity is a far‐field parameter, and it can be obtained by  multiplying the radiation density by the square of the distance.                           (2‐12)  Where    =radiation intensity (W/unit solid angle);      =radiation density (W/m2 )  The radiation intensity is also related to the far‐zone electric field of an  antenna by  , 2 , , 2 | , , | , ,   | , | | , |                                      (2‐12a)  Where                   
  • 23.     , , : far‐zone electric field intensity of the antenna ,   E ,    E   : far‐zone electric field components of the antenna  η              : intrinsic impedance of the medium  Thus the power pattern is also a measure of the radiation intensity.  The total power is obtained by integrating the radiation intensity, as given  by (2‐12), over the entire solid angle of  4. Thus  Ω                      (2‐13)  Comparison:                        ∯ ∙              
  • 24.     Example 2.2  For Example 2.I, find the total radiated power using (2‐13).  SOLUTION  Using (2‐12)    and by (2‐13)    For an isotropic source,    will be independent of the angles    and  ,  as was the case for  . Thus (2‐13) can be written as  ∯ Ω ∯ Ω 4                 (2‐14)  or the radiation intensity of an isotropic source as      /4                             (2‐15)       
  • 25.   2 i 1 2 b H t l d a c 2.5 BEA The b identical p 1. Half‐Po 2. First‐Nu  Of beamwidt HPBW.   Th trade‐off  obe  le decreases and vice v  Th capabilitie AMWID eamwidth points on  ower Beam ull Beamw ften,  th  usua he  bea between evel.  Th s, the sid versa.    he beamw es to dist DTH h of a pat opposite mwidth (H width (FN the  ally  refe mwidth  n  it  and  t he  bea e lobe in width of t inguish tw tern is de  side of th HPBW).  BW).    term  ers  to  is  a  he  side  mwidth  creases  the anten wo adjace   efined: the he pattern nna is also ent radiat e angular  n maximu o used to ing sourc separatio um.    o describe es or targ on betwee e the reso gets.    en two  olution 
  • 26.     The most common resolution criterion is FNBW/2, which is usually used to  approximate HPBW.     That is, two sources separated by angular distances equal or greater than  FNBW/2  ≈  HPBW of an antenna can be resolved.    If  the  separation  is  smaller,  then  the  antenna  will  tend  to  smooth  the  angular separation distance.  Example 2.4  The normalized radiation intensity of an antenna is represented by  U θ cos θ cos 3θ , 0 θ 90 , 0 ϕ 360   Find the  a. half‐power beamwidth HPBW (in radians and degrees)  b.first‐null beamwidth FNBW (in radians and degrees)  Solution: 
  • 27.     a. Since  the    represents  the  power  pattern,  to  find  the  half‐power  beamwidth. Let  U θ | 3 | 0.5 ⟹ θ cos 3θ 0.707  ⟹ θ 0.25 rad 14.3250   Since    is symmetrical about the maximum at   0, then the HPBW is  HPBW 2θ 0.5 rad 28.65 b.To find the first‐null beamwidth (FNBW), let the    equal to zero  U θ | cos θ cos 3θ | 0 This leads to two solutions for  θ   θ 2 90 , θ 6 30   The  one  with  the  smallest  value  leads  to  the  FNBW.  Again,  because  of  the  symmetry of the pattern, the FNBW is  FNBW 2θ π 3 radians 60  
  • 28.     2.6 DIRECTIVITY  The directivity of an antenna defined as the ratio of the radiation intensity in  a given direction from the antenna to the radiation intensity averaged over  all directions.     The average radiation intensity is equal to the total power radiated by the  antenna divided by  4.    If the directionis not specified, the direction of maximum radiation intensity  is implied. Directivity can be written as  D ,     |   D = directivity (dimensionless);         D0 = maximum directivity (dimensionless)  U = radiation intensity (W/unit solid angle);            = total radiated power (W)    = maximum radiation intensity (W/unit solid angle);    = radiation intensity of isotropic source (W/unit solid angle);   
  • 29.     For antennas with orthogonal polarization components, define the partial  directivity of an antenna for a given polarization in a given direction as:  Partial directivity Part of the radiation intensity with a given polarization in a given direction the total radiation intensity averaged over all directions So, in a given direction “the total directivity is the sum of the partial directivities  for any two orthogonal polarizations.” For a spherical coordinate system, the  total maximum directivity    for the orthogonal    and    components of an  antenna can be written as  while the partial directivities    and    are expressed as  ,            where    = radiationin tensity in a given direction contained in    field component    = radiationin tensity ina givendirectioncon tained in    field component 
  • 30.       = radiated power in all directions contained in    field component    = radiated power in all directions contained in    field component  Example 2.5  Find the maximum directivity of the antenna whose radiation intensity is  that of Example 2.2. Write an expression for the directivity as a function of the  directional angles    and  .  Solution:    The radiation intensity is given by    The maximum radiation is directed along:   /2  Thus                                In Example 2.2 it was found that          P π A We find that the maximum directivity is equal to 
  • 31.     4 4 1.27 Since  the  radiation  intensity  is  only  a  function  of  ,  the  directivity  as  a  function of the directional angles is represented by  1.27 Example 2.6  The  radial  component  of  the  radiated  power  density  of  an  infinitesimal  linear dipole of length l <<  is given by    (W/m2 )  where    is  the  peak  value  of  the  power  density,    is  the  usual  spherical  coordinate,  and    is  the  radial  unit  vector.  Determine  the  maximum  directivity  of  the  antenna  and  express  the  directivity  as  a  function  of  the  directional angles    and  .  Solution:   
  • 32.     The radiation intensity is given by  2 The maximum radiation is directed along  /2. Thus  The total radiated power is given by  Ω 8 /3  Using (2‐16a), the maximum directivity is equal to  4 4 8 /3 1.5 greater than 1.27 in Example 2.5. Thus the directivity is represented by  1.5 Figure  2.12  shows  the  relative  radiation  intensities  of  Example  2.5  (U A sin) and Example 2.6 (U A sin )   
  • 33.   a b     a. Both p b. Examp elevat patterns a ple  2.6  h tion plane are omnid has  more e.  directiona e  directio   l    onal  char racteristic cs  (is  na   rrower)  in  the 
  • 34.   A a T i Another e approxim The value in Figure 2 example: ated by  es represe 2.13(a, b)   Examin ented by ( .    ne the dir (2‐18) and   ectivity o  1.67 d those o of a half‐w 7    f an isotr wavelengt         opic sour th dipole,     rce (  which  (2.18)  1) are   
  • 35.      It is apparent that when  sin 1/1.67 / 57.44 θ 122.56 , the  dipole radiator has greater directivity than that of an isotropic source.     Outside the range, the isotropic radiator has higher directivity. The maximum  directivity of the dipole is 1.67  2.23 /2.   The directivity of an isotropic source is unity   For all other sources, the maximum directivity will be greater than unity.   The directivity can be smaller than unity: in fact it can be equal to zero. For  Examples 2.3 and 2.4, the directivity is equal to zero in the   0  direction.    A more general expression for the directivity can be developed to include  sources  with  radiation  patterns  that  may  be  functions  of  both  spherical  coordinate angles    and  .    Let the radiation intensity of an antenna be of the form  , , | , | | , | 2‐19
  • 36.     where    is  a  constant,  and    and    are  the  antenna's  far‐zone  electric  field components. The maximum value of (2‐19) is given by  , | ,               (2‐19a)  The total radiated power is found using  ∯ , , 2‐20 We  now  write  the  general  expression  for  the  directivity  and  maximum  directivity using (2‐16) and (2‐16a), respectively, as  D θ, ϕ , , , D , | , 2‐21, 22 Equation (2‐22) can also be written as  D , , | 2‐23 where  Ω     is the beam solid angle, and it is given by 
  • 37.     1 , | ,   , 2‐24 , , , |                     (2‐25)  Dividing  by  , |   merely  normalizes  the  radiation  intensity  , , and it makes its maximum value unity.  The beam solid angle  Ω   is defined as the solid angle through which all  the power of the antenna would flow if its radiation intensity is constant (and  equal to the maximum value of U) for all angles within  Ω .         
  • 38.   2 d m m a o t p b p a 2.6.1 Di Instea derive sim For  a major  lo minor lob approxim of  the  h two perpe For  a pattern,  beamwidt perpendic as illustrat rectiona ad of usin mpler expr antennas  obe  and  bes, the be ately equ alf‐power endicular  a  rotatio the  ths  in cular plan ted in Fig al Patter ng (2‐23)  ressions a with  one very  n eam solid ual to the  r  beamw planes.  onally  sy hal n  any  nes are th ure 2.14( rns  to compu approxima e  narrow  egligible   angle is  product  widths  in  mmetric  lf‐power  two  he same,  b).    ute the d ately.    (a)Nonsym Figure 2.1 an irectivity,  mmetrical pa 14 Beam so nd symmetr it is ofte   ttern    (b) S lid angles fo ical radiatio n conven Symmetrica or nonsymm on patterns. ient to  l pattern metrical 
  • 39.     With this approximation, (2‐23) can be approximated by  D , , | 2‐23                       (2‐26)  The beam solid angle  Ω   has been approximated by  Ω Θ Θ                     (2‐26a)  Where  = half‐power beamwidth in one plane, (rad)  = half‐power beamwidth in a plane at a right angle to the other, (rad)  If the beamwidths are known in degrees, (2‐26) can be written as  / ,                  (2‐27)  where  1d= half‐power beamwidth in one plane (degrees)  2d=half‐power beamwidth in a plane at a right angle to the other    (degrees) 
  • 40.     The validity of (2‐26) and (2‐27) is based on a pattern that has only one  major lobe and any minor lobes.     For a pattern with two identical major lobes, the value of the maximum  directivity using (2‐26) or (2‐27) will be twice its actual value.     For  patterns  with  significant  minor  lobes,  the  values  of  maximum  directivity  obtained  using  (2‐26)  or  (2‐27),  which  neglect  any  minor  lobes, will usually be too high.               
  • 41.   E a w r ( F a b S b ϕ Example The antennas  where  radiation  (0 Figure. Fin a. beam s b. maximu Solution:  beamwidt ϕ  coordin  2.7  e radiation can be ad   is  the  intensity  /2, 0 nd the  olid angle um direct The  half th in the  nate,  n intensity dequately maximum exists on 2 ) e; exact an tivity; exac f‐power  p   directi y of the m y represen m  radiati ly in the  ),  and  it  nd approx ct using (2 point  of  t ion is  12 Θ   major lobe nted by  ion  inten upper he is  show ximate.  2‐23) and the  patte 0 . Since  ,    Θ e of many nsity.  The misphere wn  in  the d approxim ern  occur the patte ,  y  e  e  e  mate using rs  at  ern is inde g (2‐26). 60 .  Th ependent us  the  t of the 
  • 42.     a. Beam solid angle  Ω   / π steradians        (2‐24)  Approximate: Using (2‐26a)  4.386 steradians                 (2‐26)  b. Directivity  :  Exact:    4 10 log 4 6.02dB Approximate:  2.865 4.57                            
  • 43.   2 a i a S 1 2 a 2.7 ANT Ass antenna  into acco and with Such loss 1. Reflec betwe antenn 2.   lo The  as  TENNA ociated w efficien ount losse hin the st ses may b tions  be een the t na  osses (co overall e A EFFIC with an a cy    is es at the tructure  be due to ecause  o ransmiss onduction efficiency CIENCY antenna  s  used  e input te of the a o  f  the  m sion line  n and die y can be    Y are a nu to  take  erminals  ntenna.  ismatch  and the  electric) written  umber of       f efficien       ncies. The       e total  (2‐44) 
  • 44.     where    total efficiency (dimensionless)  reflection(mismatch) efficiency =  1 ||   (dimensionless)  = conduction efficiency (dimensionless)    = dielectric efficiency (dimensionless)  = voltage reflection coefficient at the input terminals of the antenna   Z Z / Z Z Where  Z   = antenna input impedance,  Z   = characteristic impedance of the transmission line  Usually    and    are  very  difficult  to  compute,  but  they  can  be  determined experimentally. 
  • 45.     2.8 GAIN The gain of the antenna is closely related to the directivity, it is a  measure that takes into account the efficiency of the antenna as well as  its directional capabilities.    Directivity  is  a  measure  that  describes  only  the  directional  properties of the antenna, and it is controlled only by the pattern.  Absolute gain of an antenna is defined as "the ratio of the intensity,  in a given direction, to the radiation intensity that would be obtained if  the  power  accepted  by  the  antenna  were  radiated  isotropically.  The  isotropically  radiated  power  is  equal  to  the  power  accepted  by  the  antenna divided by  4."    gain 4π 4π ,     (dimensionless)    (2‐44) 
  • 46.     Relative gain is defined as "the ratio of the power gain in a given  direction  to  the  power  gain  of  a  reference  antenna  in  its  referenced  direction." The power input must be the same for both antennas.  The  reference  antenna  is  usually  a  dipole,  horn,  or  any  other  antenna  whose  gain  can  be  calculated  or  it  is  known.  In  case  the  reference antenna is a lossless isotropic source. Then  4 ,     (dimensionless)      (2‐44a)  When the direction is not stated, the power gain is usually taken in  the direction of maximum radiation.  Referring  to  Figure  2.17(a),  we  can  write  that  the  total  radiated  power (P ) is related to the total input power (P ) by                          (2‐45) 
  • 47.       Both are very important losses and need to be included in the link  calculations  of  a  communication  system  to  determine  the  received  or  radiated power.    Using (2‐45) reduces (2‐44a) to  , ,                         (2‐46)  which is related to the directivity of (2‐21) by  , ,                      (2‐47)  In a similar manner, the maximum value of the gain is related to the  maximum directivity by  According  to  the  IEEE  Standards,  "gain  does  not  include  losses  arising  from  impedance  mismatches  (reflection  losses)  and polarization mismatches (losses)."   
  • 48.     G G θ, ϕ | e D θ, ϕ | e D          (2‐47a)  The  partial  gain  of  an  antenna  for  a  given  polarization  in  a  given  direction is "that part of the radiation intensity corresponding to a given  polarization  divided  by  the  total  radiation  intensity  that  would  be  obtained  if  the  power  accepted  by  the  antenna  were  radiated  isotropically." The total gain in a given direction is the sum of the partial  gains for any two orthogonal polarizations.    For a spherical coordinate system, the total maximum gain    for  the orthogonal    and    components of an antenna can be written as                                                             (2‐48)  while the partial gains    and    are expressed as   4 / ,      4 /                 (2‐48a)  where 
  • 49.     U = radiation intensity in a given direction contained in  field component  U = radiation intensity in a given direction contained in  field component  Pin = total input (accepted) power  For many practical antennas an approximate formula for the gain,  corresponding to (2‐27) or (2‐27a) for the directivity, is  ,                         (2‐49)  Usually  the  gain  is  given  in  terms  of  decibels  instead  of  the  dimensionless quantity of (2‐47a). The conversion formula is given by  G dB 10 log e D dimensionless             (2‐50)           
  • 50.     Example 2.8  A lossless resonant half‐wavelength dipole antenna, with input impedance  of  73  ohms,  is  to  be  connected  to  a  transmission  line  whose  characteristic  impedance  is  50  ohms.  Assuming  that  the  pattern  of  the  antenna  is  given  approximately by  , find the overall maximum gain of this antenna.  SOLUTION  Let us first compute the maximum directivity of the antenna. For this  | P U θ, ϕ sinθdθdϕ 2πB θsinθdθ 3π B /4 4 Prad 16 3π 1.697 Since the antenna was lossless, then the radiation efficiency  = 1  Thus, the total maximum gain, as defined in this edition and by IEEE, is equal to 
  • 51.     G D 1 1.697 1.697 G dB 10 log 1.697 2.297 which is identical to the directivity because the antenna is lossless.  There is the loss due to reflection or mismatch losses between the antenna  (load)  and  the  transmission  line.  This  loss  is  accounted  for  by  the  reflection  efficiency of (2‐51) or (2‐52), and it is equal to  1 || 1 Z Z Z Z 0.965  10 log 0.965 0.155  (dB)  Thus, the overall efficiency is  0.965  0.155 dB  Thus, the overall losses are equal to 0.155 dB.  The  gain  in  dB  can  also  be  obtained  by  converting  the  directivity  and  radiation efficiency in dB and then adding them. Thus, 
  • 52.     dB 10 log 1.0 0 D dB 10 log 1.697 2.297 G dB dB D dB 2.297 which is the same as obtained previously.                         
  • 53.   2 t d  p 2.9 BEA Beam transmitt directed  BE    is the percenta Equat B AM EFF m  efficie ting and along th e half‐an age of the tion (2‐5 E FICIEN ency  is  receivin e z‐axis ( gle of th e total po 3) can be , , NCY frequen g antenn ( = 0), th he cone  ower is to e written   ntly  use nas. For a he beam within w o be foun n as          ed  to  j an anten  efficienc (2‐53 which the nd.    (2‐54 udge  th nna with  cy (BE) is     (d )  e  )  he  quali its majo s defined dimensio ity  of  or lobe  d by  onless)     
  • 54.     If     is chosen as the angle where the first null or minimum occurs  (see Figure  2.4), then the beam efficiency will  indicate the amount of  power in the major lobe compared to the total power.  A  very  high  beam  efficiency  is  necessary  for  antennas  used  in  radiometry,  astronomy,  radar,  and  other  applications  where  received  signals through the minor lobes must be minimized.                 
  • 55.     2.10 BANDWIDTH The bandwidth of an antenna is defined as "the range of frequencies  within  which  the  performance  of  the  antenna,  with  respect  to  some  characteristic, conforms to a specified standard."    The bandwidth can be considered to be the range of frequencies, on  either  side  of  a  center  frequency,  where  the  antenna  characteristics  (such as input impedance, pattern,  beamwidth, polarization, side  lobe  level, gain, beam direction, radiation efficiency) are within an acceptable  value of those at the center frequency.     The  bandwidth  is  usually  expressed  as  the  ratio  of  the  upper‐to‐lower frequencies of acceptable operation. For example,  a 10 : 1 bandwidth indicates that the upper frequency is 10 times  greater than the lower.   
  • 56.      For  narrowband  antennas,  the  bandwidth  is  expressed  as  a  percentage of the frequency difference (upper minus lower) over  the  center  frequency  of  the  bandwidth.  For  example,  a  5%  bandwidth  indicates  that  the  frequency  difference  of  acceptable  operation is 5% of the center frequency of the bandwidth.               
  • 57.     2.11 POLARIZATION Polarization  of  an  antenna  in  a  given  direction  is  defined  as  "the  polarization of the wave transmitted (radiated) by the antenna.    Polarization  of  a  wave  is  defined  as  "that  property  of  an  electromagnetic wave describing the time varying direction and relative  magnitude of the electric‐field vector "   When the direction is not stated, the polarization is taken to be the  polarization in the direction of maximum gain."     Polarization of the radiated energy varies with the direction from the  center of the antenna, so that different parts of the pattern may have  different polarizations.  Polarization  is  the  curve  traced  by  the  end  point  of  the  arrow  representing  the  instantaneous  electric  field.  A  typical  trace  as  a  function of time is shown in Figures 2.18(a) and (b). 
  • 59.   P 1 Figure 2.18 Polarizat 1. Elliptic The f Linea     8 Rotation of a ion may  cal    igure tha r and cir a plane electr be classi at the ele rcular po omagnetic wa ified as  ectric fiel larization   ave and its po ld traces  ns are sp olarization elli is an elli ecial cas   ipse at z = 0 a pse.    es of elli s a function o ptical  of time. 
  • 60.     2. Linear    If the vector that describes the electric field at a point in space as a  function of time is always directed along a line, the field is said to be  linearly polarized.   Vertical polarization   horizontal polarization  3. Circular    The figure of the electric field is traced in a    Clockwise (CW): the electric field vector is right‐hand polarization  Counterclockwise  (CCW):  the  electric  field  vector  is  left‐hand  polarization.   
  • 61.     4. Co‐polarization and cross polarization  At  each  point  on  the  radiation  sphere  the  polarization  is  usually  resolved into a pair of orthogonal polarizations, the co‐polarization and  cross  polarization.  Co‐polarization  represents  the  polarization  the  antenna  is  intended  to  radiate  (receive)  while  cross‐polarization  represents the polarization orthogonal to the co‐polarization.  2.11.1 Linear, Circular, and Elliptical Polarizations  The instantaneous field of a plane wave, traveling in the negative z  direction, can be written as  , , ,                 (2‐55)  According to (2‐5), the instantaneous components are related to their  complex counterparts by  , ωt+kz) ωt+kz+ )  
  • 62.     ωt+kz+ )                                 (2‐56)  , ωt+kz) ωt+kz+ )   ωt+kz+ )                           (2‐57)  where    and    are, respectively, the maximum magnitudes of the  x and y components.  A.Linear Polarization  For the wave to have linear polarization, the time‐phase difference  between the two components must be     n, 0, 1, 2, 3, …            (2‐58)  Which means that the phases of  z, t   and  z, t   are the same or  reverse.  B. Circular Polarization  Circular polarization can be achieved only when 
  • 63.      the magnitudes of the two components are the same     the time‐phase difference between them is odd multiples of  /2.    That is,                              | | E E                                 (2‐59)     2n π, n 0, 1, ,2, … for CW           (2‐60)     2n π, n 0, 1, ,2, … for CCW        (2‐61)  If the direction of wave propagation is reversed (i.e., +z direction), the  phases  in  (2‐60)  and  (2‐61)  for  CW  and  CCW  rotation  must  be  interchanged.  C. Elliptical Polarization  Elliptical polarization can be attained only when     the  time‐phase  difference  between  the  two  components  is  odd 
  • 64.     multiples of  /2  and their magnitudes are not the same     or, when the time‐phase difference between the two components is  not equal to multiples of /2 (irrespective of their magnitudes). That  is,  | |  E  E When    2n π, n 0, 1, ,2, … for CW 2‐62a    2n π, n 0, 1, ,2, … for CCW 2‐62b Or     π 0, 0, 1, ,2, … 2‐63     π 0, 0, 1, ,2, … 2‐64
  • 65.   t t 2 m w For  e traced at time is a 2.18(b). T minor ax AR where  OA OB The t elliptical  t a given a tilted e The ratio xis is the  E B E ilt of the τ polariz n position ellipse, as o of the  axial rati E E  ellipse,  tan ation,  t n as a fu s shown  major ax o (AR),  , 1AR E E E relative t n   he  curv unction o in Figur xis to th  2‐65 E 2E E 2E to the y a cos ve  of  re  e  5 E cos E E cos axis, is re 2ϕ 2Δϕ / s 2Δϕ / epresente / / / ed  τ  giv 2‐66 2‐67 ven by  2‐68
  • 66.     SUMMARY  1. Linear Polarization        A time‐harmonic wave is linearly polarized at a given point in space if the  electric field (or magnetic field) vector at that point is always oriented along the  same  straight  line  at  every  instant  of  time.  This  is  accomplished  if  the  field  vector (electric or magnetic) possesses:  a. Only one component, or  b.Two  orthogonal  linear  components  that  are  in  time  phase  or  180o   (or  multiples of 180 o ) out of phase.  2. Circular Polarization  A time‐harmonic wave is circularly polarized at a given point if the electric  (or magnetic) field vector at that point traces a circle as a function of time. The  necessary and sufficient conditions to accomplish this are:  a. The field must have two orthogonal linear components, and  b. The two components must have the same magnitude, and 
  • 67.     c. The two components must have a time‐phase difference of odd multiples  of 90 o .  3. Elliptical Polarization  A  wave  is  elliptically  polarized  if  it  is  not  linearly  or  circularly  polarized.  Although linear and circular polarizations are special cases of elliptical, usually  in  practice  elliptical  polarization  refers  to  other  than  linear  or  circular.  The  necessary  and  sufficient  conditions  to  accomplish  this  are  if  the  field  vector  (electric or magnetic) possesses all of the following:  a. The field must have two orthogonal linear components, and  b.The two components can be of the same or different magnitude.  c. (1) If the two components are not of the same magnitude, the time‐phase  difference between the two components must not be  0   or multiples of  180   (because it will then be linear). (2) If the two components are of the  same magnitude, the time‐phase difference between the two components  must not be odd multiples of 90 o  (because it will then be circular). 
  • 68.     2.11.2 Polarization Loss Factor and Efficiency  The polarization of the receiving antenna will not be the same as the  of  the  incident  wave.  This  is  stated  as  "polarization  mismatch."  The  amount of power extracted by the antenna from the incident signal will  not be maximum because of the polarization loss. Assuming the electric  field of the incident wave is  E ρ E 2‐69 where  ρ   is the unit vector of the wave. Assuming the polarization of  the electric field of the receiving antenna is  E ρ E 2‐70 where  ρ is  its  unit  vector  (polarization  vector).  The  polarization  loss  factor (PLF) is defined  PLF |ρ ∙ ρ | cos|ψ | dimensionless 2‐71
  • 69.   w i i m p t e w t where  ψ incoming If the its  PLF maximum Anoth polarizat that  of  efficiency Pola "The wave of  the same ψ   is  th g wave an e antenna 1  and m power her  figur ion  char an  ante y.  rization e e ratio of arbitrary e antenn he  angle nd of the a is pola d  the  ant  from the re‐of‐me racteristic enna  is  efficiency f the pow y polariz a from a  e  betwee e vectors rization  tenna  w e incomi rit  descr cs  of  a  w the  po y is defin wer rece ation to  plane w   en  the   shown i matched ill  extrac ng wave ribing  th wave  an olarizatio ned as:  ived by a the pow wave of th two  uni n Figure  d,  ct  .    e  d  n  Figu vectors an anten wer that  he same  it  polari 2.19.    ure 2.19 Po s of inciden antenn nna from would b power fl zation  o olarization  nt wave (ρ na (ρ )  m a given  be receiv ux densit of  the    unit  ρ ) and  plane  ved by  ty and 
  • 70.     direction  of  propagation,  whose  polarization  has  been  adjusted  for  a  maximum received power."    | ∙ | | | ∙| | 2‐71a Where    = vector effective length of the antenna  = incident electric field    The  vector  effective  length    is  a  vector  that  describes  the  polarization characteristics of the antenna. Both the PLF and    lead to  the same answers.         
  • 71.     Example 2.9  The electric field of a linearly polarized electromagnetic wave given by  ,   is incident upon a linearly polarized antenna whose electric field polarization  can be expressed as  , ,   Find the polarization loss factor (PLF)  SOLUTION  For the incident wave and the antenna  , √ The PLF is:  PLF | ∙ | | ∙ √ | 10 log 0.5 3dB 1. Even  the  incoming  wave  and  the  antenna  are  linearly  polarized,  there  is  a  3‐dB loss in extracted power because the polarization of the incoming wave is 
  • 73.   c a a p l Fi The  calculatio a very crit Link  are  very  power is a oss facto (b igure 2.25 P polarizat ns design tical facto calculatio stringent  a limiting  rs to ensu ) PLF for tra Polarization l tion  loss  n of a com or.    ons of co because  considera ure a succ nsmitting a loss factors  must  al mmunicati ommunica of  limita ation. The cessful ope   nd receiving (PLF) for ap ways  be  on system ation syst ations  in  e design m eration of g linear wire erture and  taken  in m because ems for o spacecraf must prop f the syste e antennas linear wire a nto  accou e in some outer spa ft  weight perly take  em.    antennas.  unt  in  th  cases it m ace explo .  In  such  into acco he  link  may be  rations  cases,  ount all 
  • 74.   a f ( A p An a as shown field comp If  th (perpendi Also, if th polarizatio antenna th  in Figure ponents.  Figure  he  two  di icular to t he two dip on along z hat is ellip e 2.26. Th   2.26 Geome poles  are the plane poles wer zenith wo ptically po he two cr etry of ellipt e  identica  of the tw re fed wit ould be cir   olarized is rossed dip tically polar al,  the  fie wo dipole th a 90◦  d rcular and s compose poles pro ized cross‐d eld  intens s) would  degree tim d elliptica ed of two  vide the    dipole anten sity  of  ea be of the me‐phase l.  crossed d two orth na.  ch  along  e same int e differenc dipoles,  ogonal  zenith  tensity.  ce, the 
  • 75.   2 t o t i t r t d a w 2.12 INP Inpu terminals  of the app Inpu terminals  interestin terminals  ratio of th terminals, defines  antenna a where            PUT IM ut impeda or the ra propriate ut  impeda of the a g.  In  F are  desi he voltag ,  with  n the  im as  ZA = ante RA = ante MPEDA ance is de tio of the compone ance  at  ntenna is igure  2.2 gnated  a ge to curr no  load  pedance  enna impe enna resist ANCE efined as  e voltage t ents of the the  inpu s primaril 27(a)  th s  a‐b.  Th rent at th attached of  th edance at tance at t   "the impe to current e electric  ut  y  e  e  e  d,  e   terminal terminals  edance p t at a pair to magne         s a‐b    (o a‐b      (o resented  r of termi etic fields      hms)  ohms)    at an ant nals or th at a poin       tenna’s  he ratio  t."    (2‐72) 
  • 76.   w w B a a w         Assum with inter where  R   = r X   = r Being  use and gener To  f amount d within the XA = ante me the an rnal imped resistance reactance ed  in  the  rator can  find  the  dissipated e loop wh enna react ntenna is  dance  e of gener e of gener transmit be repres amount   in    as hich is give tance at t attached rator impe rator impe tting  mod sent by Fig of  powe s heat ( en by    erminals  d to a gen edance    ( edance   ( de,  the  an gure 2.27 r  deliver /2), w a‐b      (o nerator  2‐74 ohms)  ohms)  ntenna  7(b).    ed  to  we first fin hms)    for  rad nd the cur diation  an rrent deve A nd  the  eloped  2‐75
  • 77.     and its magnitude by    | | | | | | / 2‐75a where    is the peak generator voltage.     The power delivered to the antenna for radiation is given by  | | | | | W 2‐76  and that dissipated as heat in antenna by  | | | | | W 2‐77  The power dissipated as heat on the internal resistance Rg of the generator is  | | W 2‐78 The  maximum  power  delivered  to  the  antenna  occurs  when  conjugate  matching is achieved  ; 2‐79, 20‐80 For this case 
  • 78.     | | | | 2‐81 | | 2‐82 | | | | | | 2‐83 From (2‐81)‐(2‐83), it is clear that  2‐84 The power supplied by the generator during conjugate matching is  W 2‐85
  • 79.     2.14 ANTENNA RADIATION EFFICIENCY The  conduction‐dielectric  efficiency  e   is  defined  as  the  ratio  of  the  power  delivered  to  the  radiation  resistance  ,  to  the  power  delivered  to  . The radiation efficiency can be written as  dimensionless 2‐90 For a metal rod of length    and area  , the dc resistance is given by ohms 2‐90a If  the skin depth  2/ of  the  metal  is  very small  compared to  the smallest diagonal of the cross section of the rod, the current is confined to a  thin layer near the conductor surface. Therefore the high‐frequency resistance  can be written, based on a uniform current distribution, as  ohms 2‐90b Where 
  • 80.     2   is the perimeter of the cross section of the rod ( :  the radius of wire)    is the conductor surface resistance    is the angular frequency       is the free‐space’s permeability    is the metal’s conductivity.  Example 2.13  A resonant half‐wavelength dipole is made out of copper ( 5.710 s/m)  wire.  Determine  the  conduction‐dielectric  (radiation)  efficiency  of  the  dipole  antenna  at  100  MHz,  the  radius  of  the  wire  b  is  310 ,  and  the  radiation resistance of the  /2  dipole is 73 ohms.  SOLUTION  At  10   Hz  3 ;      3/2 ;  2 2 3 10 6 10  
  • 81.     For  a  /2  dipole  with  a  sinusoidal  current  distribution  RL   where    is given by (2‐90b). Therefore,  1 2 0.25 6 10 10 4 10 5.7 10 0.349   e . 0.9952 99.52;    e dB 10log 0.9952 0.02                   
  • 82.   2 c a d w 2.15 ANT ARE An  a capture ( as shown For e defined t wave is in TENNA EAS antenna  (collect)  n in Figur each ant to descri ncident u VECTOR in  the  r electrom res 2.29( enna, its ibe the r upon the R EFFEC receiving magnetic  a) and (b s equival receiving e antenna   CTIVE L g  mode,  waves a b).    ent lengt g charact a.              LENGTH whateve nd to ext th and e eristics o H AND E er  its  for tract pow quivalen of an ant EQUIVA rm,  is  us wer from nt areas c tenna, w ALENT sed  to  m them,  can be  when a   
  • 83.     2.15.1 Vector Effective Length  The effective length of an antenna is a quantity to determine the voltage  induced  on  the  open‐circuit  terminals  of  the  antenna  when  a  wave  impinges  upon  it.  It  should  be  noted  that  it  is  also  referred  to  as  the  effective height.    The vector effective length    for an antenna is a complex vector  represented by  , , ,                 (2‐91)  It  is  a  far‐field  quantity  and  it  is  related  to  the  far‐zone  field    radiated by the antenna, with current    in its terminals             (2‐92)  The effective length is particularly useful in relating the open‐circuit voltage    of receiving antennas. This relation can be expressed as 
  • 84.     ∙                          (2‐93)  where    = open‐circuit voltage at antenna terminals    = incident electric field    = vector effective length  In (2‐93)    can be thought of as the voltage induced in a linear antenna  of length    when    and    are linearly polarized.    From  the  relation  of  (2‐93)  the  effective  length  of  a  linearly  polarized  antenna receiving a plane wave in a given direction is defined as      In addition, the antenna vector effective length is used to determine  the polarization efficiency of the antenna.  The ratio of the magnitude of the open‐circuit voltage developed at the  terminals of the antenna to the magnitude of the electric‐field strength in the  direction of the antenna polarization. 
  • 85.     Example 2.14  The far‐zone field radiated by a small dipole of length    and  with a triangular current distribution is given by  8 Determine the vector effective length of the antenna.  Solution: According to (2‐92), the vector effective length is              (2‐92)  ⇒ 2  This indicates the effective length is a function of the direction angle  .     The maximum open circuit voltage at the dipole terminals occurs when the  incident direction of the wave is normal to the dipole ( 90 ).     In addition, the effective length of the dipole to produce the same output 
  • 87.     2.15.2 Antenna Equivalent Areas   Antenna Equivalent Areas  The scattering area  The loss area  the capture area Antenna  Equivalent  Areas    are  used  to  describe  the  power  capturing characteristics of antennas when wave imping on them, which  in a given direction is defined as “the ratio of the available power at the  terminals  of  a  receiving  antenna  to  the  power  flux  density  of  a  plane  wave  incident  on  the  antenna  from  that  direction,  the  wave  being  polarization‐matched to the antenna. If the direction is not specified, the  direction of maximum radiation intensity is implied.”It is written as  | | /                       (2‐94)  Where          = effective area (effective aperture) (m2 );                = power delivered to the load (W);                  = power density of incident wave (W/m2 ) 
  • 88.   c m W p Using can write  | | Unde maximum When (2‐9 power of  g  the  equ (2‐94) as | er  condit   an m effective 96) is mu (2‐89).    uivalent  o | | / ions  of  nd  e aperture | ltiplied by of  Figure  /           maximum ,  the e given by | y the incid   2.28,  we      (2‐94)     (2‐95) m  power e  effectiv y  | dent powe e  )  )  r  transfer ve  area  o | er density r  (conjug of  (2‐95)        y, it leads  gate  mat reduces              to the ca   tching),  to  the  (2‐96)  ptured 
  • 89.     ∗ ∗ | |          (2‐97)  All captured power by an antenna is not delivered to the load. In  fact,  under  conjugate  matching  only  half  of  the  captured  power  is  delivered to the load; the other half is scattered and dissipated as heat.  To  account  for  the  scattered  and  dissipated  power,  in  addition  to  the  effective  area,  the  scattering,  loss  and  capture  equivalent  areas  are  defined.    The  scattering  area  is  defined  as  the  equivalent  area  when  multiplied  by  the  incident  power  density  is  equal  to  the  scattered  or  reradiated power. Under conjugate matching this is written as  A | |                    (2‐97)  multiplied by the incident power density gives the scattering power. 
  • 90.     The  loss  area  is  defined  as  the  equivalent  area,  which  when  multiplied by the incident power density leads to the power dissipated  as heat through  . Under conjugate matching this is written as  | |                    (2‐98)  multiplied by the incident power density gives the dissipated power.  The  capture  area  is  defined  as  the  equivalent  area,  which  when  multiplied  by  the  incident  power  density  leads  to  the  total  power  captured by the antenna. Under conjugate matching this is written as  | |                     (2‐99)  multiplied by the incident power density, it leads to the captured power.  The total capture area is equal to the sum of the other three, or      Capture Area Effective Area Scattering Area Loss Area 
  • 91.     The aperture efficiency     of an antenna, which is defined as the  ratio of the maximum effective area  A   of the antenna to its physical  area  A , or                     (2‐100)   For  aperture  type  antennas,  such  as  waveguides,  horns,  and  reflectors, the maximum effective area cannot exceed the physical area  but it can equal it (A A or 0  1). Therefore the maximum  value of the aperture efficiency cannot exceed unity (100%).     For  a  lossless  antenna  (R 0)  the  maximum  value  of  the  scattering area is also equal to the physical area. Therefore even though  the aperture efficiency is greater than 50%, under conjugate matching  only half of the captured power is delivered to the load and the other  half is scattered. 
  • 92.   E s r l S F o S c Example 2 A unifo shown  in  radiation  inearly po Solution:  For  R of (2‐96) r | Since  the constant a 2.15  orm plane Figure  2 resistanc olarized a 0, the m reduces to | e  dipole  i and of un e wave is  .29(a).  Fi e of the  along the  maximum o  |     | | 8 1 is  very  sh iform pha incident u nd  the  m dipole is  axis of the  effective |            ( 1   hort,  the ase. The in   upon a ve maximum  R 80 e dipole.  e area      2‐96)   induced nduced vo ery short l effective 0 / ,  d  current  oltage is lossless d   area  ass and the  can  be  ipole (l << suming  th incident  assumed  < ), as  hat  the  field is    to  be 
  • 94.   2 e e r B o T l 2.16 MAX To  d effective  effective  , .  If radiated  Because  o of the ant The pow load wou XIMUM derive  th area,  le areas  a f  antenn power d of  the  di tenna, its  wer collec uld be  DIRECT he  relat et  Anten and  direc a  1  wer density at        rective  p actual de       cted (rec TIVITY A tionship  nna  1  be ctivities  e  isotrop t a distan (2‐101) properties ensity is  (2‐102) ceived)  b   AND MA betwee e  a  trans of  each  pic,  and  nce    w ) s  ) by the a AXIMUM en  direc smitter  are  des   the  t would be ntenna  a M EFFECT ctivity  a and  2  a ignated  total  radi and tran TIVE AR nd  max   receive as  , ated  pow sferred  t REA ximum  r.  The    and  wer.  its  to the 
  • 95.     ⟹ 4             (2‐103)  If  antenna  2  is  used  as  a  transmitter,  1  as  a  receiver,  and  the  intervening medium is linear, passive, and isotropic, we can write that  4                     (2‐104)  Equating (2‐103a) and (2‐104) reduces to                            (2‐105)  Increasing  the  directivity  of  an  antenna  increases  its  effective  area  in  direct proportion. Thus, (2‐105) can be written as                         (2‐106)  where  A   and  A   (D   and  D   ) are the maximum effective areas  (directivities) of antennas 1 and 2, respectively. If antenna 1 is isotropic, 
  • 96.     then  D 1  and its maximum effective area can be expressed as                            (2‐107)  For  example,  let  the  antenna  be  a  very  short     dipole  whose  effective  area  =  0.119   and  maximum  directivity  =  1.5.  The  maximum effective area of the isotropic source is then equal to  . .                     (2‐108)  Using (2‐108), we can write (2‐107) as                      (2‐109)  In  general  then,  the  maximum  effective  aperture  (A )  of  any  antenna is related to its maximum directivity (D ) by                          (2‐110) 
  • 97.   2 E r E 2 p t 2.17 FR EQUAT The  require t Equation 2.17.1 Fr The  power tr the large RIIS TRA TION analysis the use o n.    riis Trans Friis  Tra ransmitte est dimen ANSMIS s  and  d of the Fr smission  nsmissio ed betwe nsion of e SSION E esign  of iis Trans Equatio on  Equat een two  either an   EQUAT f  radar  mission  n  tion  relat antenna ntenna.    ION AN and  com Equation tes  the  p as separa ND RAD mmunica n and the power  re ated by  R DAR RA ations  sy e Radar  eceived  t R  ,   ANGE ystems  Range  to  the  ,  D  is 
  • 98.     Assuming the transmitting antenna is isotropic. If the input power at the  terminals  of  the  transmitting  antenna  is  P ,  then  its  isotropic  power  density  W   at distance  R  from the antenna is  W e 2‐113 e : the radiation efficiency of the transmitting antenna.    For  a  nonisotropic  transmitting  antenna,  the  power  density  of  (2‐113) in the direction  ,   is  W , e ,              (2‐114)    Since the effective area    of the receiving antenna is related to its  efficiency    and directivity    by  ; ,           (2‐115)  the power    collected by the receiving antenna is 
  • 99.     P e D θ , ϕ W e e , , |ρ ∙ ρ |       (2‐118)    The ratio of the received to the input power as  , ,                (2‐117)    The power received based on (2‐117) assumes that the transmitting  and  receiving  antennas  are  matched  to  their  respective  lines  or  loads  and the polarization of the receiving antenna is polarization‐matched to  the impinging wave.    If these two factors are also included, then the ratio of the received  to the input power of (2‐117) is represented by  , , 1 |Γ | 1 |Γ | |ρ ∙ ρ |                 (2‐118)   
  • 100.     For reflection and polarization‐matched antennas aligned for maximum  directional radiation and reception, (2‐118) reduces to  2‐119 Equations  (2‐117),  (2‐118),  or  (2‐119)  are  known  as  the  Friis  Transmission  Equation,  and  it  relates  the  power    (delivered  to  the  receiver load) to the input power of the transmitting antenna    . The  term      is  called  the  free‐space  loss  factor,  and  it  takes  into  account the losses due to the spherical spreading of the energy by the  antenna.     
  • 101.   2 s d s t 2.17.2 Ra Assu shown in The  defined  scattered to that sc adar Ran uming th n Figure 2 radar  c as  the  a d isotrop cattered  nge Equa at the tr 2.32.    ross  sec area  inte pically, pr by the a ation  ransmitte tion  (RC ercepting roduces a ctual tar   ed powe CS)  or  ec g  that  am at the re get. In eq er is incid cho  area mount  o ceiver a  quation f dent upo   a  (  )  o of  power density  form  on a targ of  a  targ r  which,  which is  get, as  get,  is  when  equal 
  • 102.     →                                   (2‐120)  → 4 → 4 | | | |   → 4 | |                                       (2‐120a)   = radar cross section or echo area                  (m2 )  R = observation distance from target                  (m)  W   = incident power density                            (W/m2 )  W   = scattered power density                          (W/m2 )  E   (E ) = incident (scattered) electric field           (V/m)  H H ) = incident (scattered) magnetic field         (A/m)  Using the definition of radar cross section, we can consider that   the  transmitted  power  incident  upon  the  target  is  initially  captured; 
  • 103.      then  it  is  reradiated  isotropically,  insofar  as  the  receiver  is  concerned.    The  amount  of  captured  power    is  obtained  by multiplying  the  incident power density of (2‐114) by the radar cross section, or  W , e ,              (2‐114)    , ,          (2‐121)  The power captured by the target is reradiated isotropically, and the  scattered power density can be written as  ,              (2‐122)  The amount of power delivered to the receiver load is given by  , ,        (2‐123) 
  • 104.     Equation(2‐123) can be written as the ratio of the received power to the  input power, or  , ,             (2‐124)  Expression (2‐124) is used to relate the received power to the input  power,  It  does  not  include  reflection  losses  and  polarization  losses.  If  these two losses are also included, then (2‐124) must be expressed as  , , 1 |Γ | 1 |Γ | |ρ ∙ ρ |                     (2‐125)  For  polarization‐matched  antennas  aligned  for  maximum  directional  radiation and reception, (2‐125) reduces to  2‐126 Equation(2‐124 ), or (2‐125) or (2‐126) is known as the Radar Range 
  • 105.     Equation. It relates the power  P   (delivered to the receiver load) to the  input power  P   transmitted by an antenna, after it has been scattered  by a target with a radar cross section (echo area) of  .  Example 2.16  Two  lossless  X‐band  8.2– 12.4 GHz   horn  antennas  are  separated  by  a  distance  of  100 .  The  reflection  coefficients  at  the  terminals  of  the  transmitting  and  receiving  antennas  are  0.1   and  0.2 ,  respectively.  The  maximum  directivities  of  the  transmitting  and  receiving  antennas  (over  isotropic) are 16 dB and 20 dB, respectively. Assuming that the input power in  the lossless transmission line connected to the transmitting antenna is  2W, and  the  antennas  are  aligned  for  maximum  radiation  between  them  and  are  polarization‐matched, find the power delivered to the load of the receiver.  Solution:  For this problem  e e 1      because antennas are lossless. 
  • 106.     |ρ ∙ ρ | 1      because antennas are polarization‐matched  D D , D D     because  antennas  are  aligned  for  maximum  radiation between them  D 16 dB➱39.81 (dimensionless)  D 20 dB➱100  (dimensionless)  Using (2‐118), we can write  2 1 1 39.81 100 1 0.1 1 0.2 1 =4.777mW 
  • 108.     2.17.3 Antenna Radar Cross Section  The  radar  cross  section  is  a  far‐field  parameter,  which  is  used  to  characterize the scattering properties of a radar target.     monostatic or backscattering RCS     bistatic RCS    The RCS of a target is a function of    1. polarization of the incident wave,  2. the angle of incidence,    3. the angle of observation,    4. the geometry of the target,    5. the electrical properties of the target,  6. the frequency of operation.    The units of RCS of three‐dimensional targets are m2 ,or dBsm, or RCS/2  in  dB.    The RCS of a target can be controlled using primarily two basic methods: 
  • 109.     shaping and the use of materials.     Shaping  is  used  to  attempt  to  direct  the  scattered  energy  toward  directions other than the desired. However, for many targets shaping has  to  be  compromised  in  order  to  meet  other  requirements,  such  as  aerodynamic specifications for flying targets.     Materials are used to trap the incident energy within the target and to  dissipate part of the energy as heat or to direct it toward directions other  than the desired.    Usually both methods, shaping and materials, are used together in order to  optimize the performance of a radar target.    One  of  the“golden  rules”to  observe  in  order  to  achieve  low  RCS  is  to  “round corners, avoid flat and concave surfaces, and use material treatment in  flare spots.”   
  • 110.     Problems 2.4. Find the half-power beamwidth (HPBW) and first-null beamwidth (FNBW), in radians and degrees, for the following normalized radiation intensities: a U θ cos θ b U θ cos θ c U θ cos 2θ d U θ cos 2θ e U θ cos 3θ f U θ cos 3θ 0 θ 90 , 0 φ 360 2.7. The power radiated by a lossless antenna is 10 watts. The directional characteristics of the antenna are represented by the radiation intensity of a U B cos θ b U B cos θ (watts/unit solid angle) and (0 ≤ θ ≤ π/2, 0 ≤ φ ≤ 2π) For each, find the (a) maximum power density (in watts/square meter) at a distance of 1,000 m(assume far-field distance). Specify the angle where this occurs.
  • 111.     (b) exact and approximate beam solid angle 2A. (c) directivity, exact and approximate, of the antenna (dimensionless and in dB). (d) gain, exact and approximate, of the antenna (dimensionless and in dB). 2.8. You are an antenna engineer and you are asked to design a high directivity/gain antenna for a space-borne communication system operating at 10 GHz. The specifications of the antenna are such that its pattern consists basically of one major lobe and, for simplicity, no minor lobes (if there are any minor lobes they are of such very low intensity and you can assume they are negligible /zero). Also it is desired that the patternis symmetrical in the azimuthal plane. In order to meet the desired objectives, the mainlobe of the patternshould have a half-power beamwidth of 10 degrees. Inorder to expedite the design, it is assumed that the major lobe of the normalized radiation intensity of the antenna is approximated by U θ, φ cos θ and it exists only in the upper hemisphere (0 ≤ θ ≤ π/2, 0 ≤ φ ≤ 2π). Determine the: (a) Value of n (not necessarily an integer) to meet the specifications of the major lobe. Keep 5 significant figures in your calculations.
  • 112.     (b) Exact maximum directivity of the antenna (dimensionless and in dB). (c) Approximate maximum directivity of the antenna based on Kraus’ formula (dimensionless and in dB). (d) Approximate maximum directivity of the antenna based on Tai & Pereira’s formula (dimensionless and in dB). 2.9. In target-search ground-mapping radars it is desirable to have echo power received from a target, of constant cross section, to be independent of its range. For one such application, the desirable radiation intensity of the antenna is given by     1 0 20 U , 0.342csc 20 60 0 360 0 60 180 o o o o o o o o                           Find the directivity (in dB) using the exact formula. 2.15. The radiation intensity of an antenna is given by
  • 113.     U θ, φ cos θ sin φ for 0≤θ≤π/2 an d 0≤φ≤2π(i.e., inthe upper half-space). It is zero in the lower half-space. Find the (a) exact directivity (dimensionless and in dB) (b) elevationplan e half-power beamwidth (in degrees) 2.17. The maximum gain of a horn antenna is +20 dB, while the gain of its first sidelobe is −15 dB. What is the difference in gain between the maximum and first sidelobe: (a) in dB (b) as a ratio of the field intensities. 2.34. A 300 MHz uniform plane wave, traveling along the x-axis in the negative x direction, whose electric field is given by   0 ˆ ˆ 3 jkx w y z E E ja a e   r where Eo is a real constant, impinges upon a dipole antenna that is placed at the
  • 114.   o d w ( i ( Y ( 2 originan direction i where Ea (a) Polariz if any). Yo (b) Polariz You must (c) Polariz 2.35. The d whose is givenby is a real c zation of ou must ju zation of justify (s zation los e electric electric y E constant. D the incide ustify (sta the antenn state why? ss factor (d field of a field rad  a a E E  r Determin ent wave ate why? na (includ ?). dimension a uniform   iated tow ˆ ˆ 2 y z a a  ne the follo (includin ). ding axial nless and plane wa ward the  jkx z e owing: ng axial ra l ratio and in dB). ave travel x-axis in atio and se d sense of ling along n the pos ense of ro f rotation, g the neg itive x otation, if any). gative z
  • 115.     directionis given by   0 ˆ ˆ i jkz w x y E a ja E e   and is incident upon a receiving antenna placed at the origin and whose radiated electric field, toward the incident wave, is given by   1 ˆ ˆ 2 jkr a x y e E a a E r    Determine the following: (a) Polarizationof the incident wave, and why? (b) Sense of rotation of the incident wave. (c) Polarization of the antenna, and why? (d) Sense of rotation of the antenna polarization. (e) Losses (dimensionless and in dB) due to polarization mismatch between the incident wave and the antenna.