CABRERA BERNAOLA FELIX GUILLERMO III-EE-2
ANTENAS
Una antena es un dispositivo (conductor metálico) usado para las transmisiones en frecuencias AM o FM, diseñado con el objetivo de emitir y/o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma energía eléctrica en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.
Existe una gran diversidad de tipos de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces).
Las características de las antenas es que dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda son directivas.
1)._Parámetros de una antena
Diagrama de radiación
Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación), lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase.
Atendiendo al diagrama de radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional,…).
Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiación con polaridad contraria a la que ya tiene.
Diagrama de radiación
Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:
-
Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.
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Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.
-
Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.
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Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad.
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Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.
-
Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.
Ancho de banda
Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.
El ancho de banda está determinado por las frecuencias superior e inferior fuera de las cuales el nivel de energía en la antena decrece a más de 3dB.
Directividad
La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total:
{\displaystyle D=U(max)/U(iso)}
La Directividad no tiene unidades y se suele expresar en unidades logarítmicas (dBi) como:
{\displaystyle D=10\cdot \log(U(max)/U(iso))dBi}
Ganancia
Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.
{\displaystyle G=10\log[4pi*U(max)/P(in)]}
La unidad de Ganancia (G) de una antena es el dBd o dBi, dependiendo si esta se define respecto a un dipolo de media onda o a la isotrópica.
Eficiencia
Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena.
También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.
{\displaystyle e=P(r)/P(in)=G/D}
El parámetro e (eficiencia) es adimensional.
Impedancia de entrada
Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. {\displaystyle Z={\frac {V}{I}}}. La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.
Apertura de haz
Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.
Polarización
Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).
En el marco de antenas se define un coeficiente de desacoplo por polarización. Este mide la cantidad de potencia que es capaz de recibir una antena polarizada de una forma con una longitud efectiva {\displaystyle {\vec {l}}_{ef}} de un campo eléctrico incidente con una determinada polarización {\displaystyle {\vec {E}}_{in}}. De este modo, el coeficiente de desacoplo por polarización se define como:
{\displaystyle C_{p}={\frac {|{\vec {E}}_{in}\cdot {\vec {l}}_{ef}|}{|{\vec {E}}_{in}|\cdot |{\vec {l}}_{ef}|}}}
De esta manera, obtenemos la fracción de potencia que finalmente la antena es capaz de recibir, multiplicando la potencia incidente en la antena por este coeficiente definido anteriormente, de la forma:
{\displaystyle P_{rec}=P_{in}\cdot C_{p}}
Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.
En antenas profesionales de comunicaciones por satélite, es habitual que una misma antena trabaje con ambas polarizaciones ortogonales a la vez, de modo que se duplique el ancho de banda disponible para la señal en el enlace. Para ello, se coloca junto al alimentador un transductor ortomodo, que dispone de un puerto de guiaondas circular conectado a la bocina y dos puertos de guiaondas rectangulares ortogonales, cada uno de los cuales trabaja en una polarización distinta. Si, en cada uno de estos puertos, se coloca un diplexor, que separe las bandas de frecuencia de emisión y recepción, se tratará de un alimentador de cuatro puertos con el que una misma antena será capaz de emitir y recibir en ambas polarizaciones simultáneamente. En otras ocasiones, estas antenas disponen de solo dos puertos, uno para emitir en una polarización y el otro para recibir en la polarización opuesta.
Relación Delante/Atrás
Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en el sentido opuesto.
Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiación y el nivel de radiación a 180 grados. Este parámetro es especialmente útil cuando la interferencia hacia atrás es crítica en la elección de la antena que vamos a utilizar.
Esta relación, además lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las señales provenientes de la parte trasera. Rara vez es verdaderamente importante, ya que la interferencias por la parte trasera no ocurren habitualmente, pero puede suceder.
La relación F / B no es un número muy útil, ya que a menudo varía enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrón de radiación, entonces no se necesita la relación F/B.
Comparando una antena Yagi con una parabólica, podemos ver que para la antena Yagi tenemos una relación F/B de aproximadamente 15 dB (según modelo y fabricante) mientras que para la parabólica la relación F/B es >35dB (según modelo y fabricante). De esta forma observamos como es "de buena" una antena respecto al rechazo de señales por la parte trasera. Cuanto mayor sea este paramentro en las antenas parabólicas mejor será.
Los 15 dB de la antena Yagi lo podemos interpretar también como la atenuación que tendríamos en el sistema, en caso de captar una onda rebotada por ejemplo de un edificio, por la parte trasera de esta.
Resistencia de radiación
Cuando se le suministra potencia a una antena, parte de ella se irradia y otra parte se convierte en calor disipándose. Cuando se habla de resistencia de radiación, se hace teniendo en cuenta que no se puede medir de forma directa.
Si se reemplaza la antena por la resistencia de radiación, esta, haría su trabajo, es decir, disiparía la misma cantidad de potencia que la irradiaría la antena. La resistencia de radiación es igual a la relación de la potencia radiada por la antena dividida por el cuadrado de la corriente en su punto de alimentación.
{\displaystyle Rr={\frac {P}{i^{2}}}}
En donde:
Rr = Resistencia de radiación (Ohms)
P = Potencia radiada por la antena (Watts)
i = Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes)
Se podría obtener la eficiencia de una antena, dado que es la relación de la potencia radiada y la potencia disipada.
Ingeniería con estas antenas
Iluminación parabólica sobre pedestal
Para distribuciones parabólicas sobre pedestal el modelo de campo de apertura es el siguiente:
Eab(r) = C + (1 - C) [1 - (r / a) 2] n
C= Iluminación sobre el borde de la parábola (dB)
n=Nivel del lóbulo secundario
a= Radio de la apertura
a=D/2}
Distribuciones parabólicas sobre pedestal: parámetros de campo radiado
Iluminación en el borden=1n=2
HP= Ancho de Haz a -3dB
SLL= Nivel de lóbulo lateral
E=Eficiencia de iluminación
Ganancia en estas antenas
La ganancia se puede calcular como: G = {\displaystyle \Pi ^{2}{\frac {D^{2}}{\lambda ^{2}}}\epsilon _{g}}
{\displaystyle D\rightarrow } Diámetro reflector
{\displaystyle \epsilon \rightarrow } Eficiencia global
La eficiencia total es debida a las siguientes eficiencias parciales:
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Rendimiento de radiación (típicamente el del alimentador).
-
Eficiencia de iluminación (o de apertura).
-
Eficiencia de spillover.
-
Eficiencia por contrapolar.
-
Eficiencia por error en la superficie.
-
Eficiencia por bloqueo.
-
Pérdidas por desplazamientos del alimentador.
Eficiencia de Iluminación aplicando el modelo de iluminación parabólica sobre pedestal (n=2)
Eficiencia de Iluminación:
Son las pérdidas de ganancia relacionadas con la iluminación no uniforme de la apertura.
Eficiencia de Spillover:
Es la pérdida de ganancia debida a la radiación del alimentador fuera del ángulo que contiene el reflector.
A medida que la ilumnación del borde crece aumenta la eficiencia de iluminación pero disminuye la eficiencia de spillover.
El punto óptimo para la eficiencia Combinada (Iluminación y Spillover), se sitúa típicamente en torno a C=-10dB,-12dB.
Eficiencia combinada
Eficiencia por Contrapolar:
Es la medida de la pérdida de energía en la que el componente contrapolar radiada.
En los sistemas centrados que no introducen componente contrapolar, esta eficiencia mide las características del alimentador.
Eficiencia por error en la superficie:
Esta relacionada con las desviaciones del frente de fase en la apertura respecto a la onda plana ideal, debidas a las distorsiones de la superficie de los reflectores.
Eficiencia por Bloqueo:
Aparece a causa de la porción de apertura bloqueda por:
-
Alimentador (ó Subreflector).
-
Soportes del alimentador ó del subreflector.
Pérdidas por desplazamientos:
-
Desplazamiento lateral:
El desplazamiento lateral del alimentador causa un apuntamiento del haz en sentido contrario al movimiento del alimentador.
Se produce una caída de la Ganancia y el Efecto de Coma (incremento asimétrico en el nivel de los lóbulos secundarios hasta juntarse uno de ellos con el lóbulo principal).
-
Desplazamiento axial:
La variación en la posición del alimentador a lo largo del eje z produce un error de fase de orden cuadrático en el campo de apertura que rellena los nulos del diagrama de radiación y disminuye la ganancia.
Ganancias típicas
La ganancia de una antena reflectora de apertura circular se obtiene como:
{\displaystyle G=\left({\frac {\pi D}{\lambda }}\right)^{2}\prod _{i}Eficiencias_{i}}
La eficiencia total que se suele obtener es del orden de:
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Reflector simple centrado: 60 %
-
Sistema Cassegrain centrado: 65 al 70 %
-
Sistema Offset: 70 al 75 %
-
Sistema doble con superficies conformadas para máxima ganancia: 85 al 90 %
Influencia de la Tierra
La conductividad del terreno es un factor determinante en la influencia de la tierra sobre la propagación de las ondas electromagnéticas. La conductividad de la superficie de la tierra depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas que inciden sobre ella y del material por la que esté compuesta, comportándose como un buen conductor a bajas frecuencias y reduciendo su conductividad a frecuencias mayores.
El coeficiente de reflexión del suelo es un parámetro relacionado con la conductividad e informa acerca de como se reflejan las ondas en él. Su valor depende del ángulo de incidencia y del material que conforma el suelo: tierra húmeda, tierra seca, lagos, mares, zona urbana, etc.
Para un determinado coeficiente de reflexión, la energía reflejada por el suelo aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia respecto de la normal, siendo la mayor parte de la energía reflejada cuando la incidencia es rasante, y teniendo los campos eléctrico y magnético de la onda reflejada casi la misma amplitud que los de la onda incidente.
En el caso de las antenas, tratándose habitualmente de emisión o recepción a grandes distancias, casi siempre existe una incidencia rasante.
El rayo reflejado por la tierra puede modelarse, desde el punto de vista de la antena receptora, como el rayo transmitido por una antena imagen de la antena transmisora, situada bajo el suelo. El rayo reflejado recorre más distancia que el rayo directo.
La apariencia de la antena imagen es una imagen especular de la apariencia de la antena transmisora real. En algunos casos se puede considerar que la onda transmitida desde la antena real y la onda transmitida desde la antena imagen tienen aproximadamente la misma amplitud, en otros casos, por ejemplo cuando el suelo tiene irregularidades de dimensiones similares o mayores que la longitud de onda, la reflexión del rayo incidente no será neta.
La distancia recorrida por el rayo reflejado por la tierra desde la antena transmisora hasta la antena receptora es mayor que la distancia recorrida por el rayo directo. Esa diferencia de distancia recorrida introduce un desfase entre las dos ondas.
Véase también: Redes de antenas
La figura de la derecha representa un ángulo de incidencia respecto de la horizontal TETAJ muy grande cuando, en la realidad, el ángulo suele ser muy pequeño. La distancia entre la antena y su imagen es D
La reflexión de las ondas electromagnéticas depende de la polarización. Cuando la polarización es horizontal, la reflexión produce un desfase de 2*pi radianes, mientras que cuando la polarización es vertical, la reflexión no produce desfases
La componente vertical de la corriente se refleja sin cambiar de signo, en cambio, la componente horizontal cambia de signo.
En el caso de una antena que emite con polarización vertical (campo eléctrico vertical) el cálculo del campo eléctrico resultante es el mismo que en radiación de un par de antenas. El resultado es:
{\displaystyle \textstyle {\left|E_{\perp }\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\cos \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}}
La inversión de signo para el campo paralelo solo cambia un coseno en un seno:
{\displaystyle \textstyle {\left|E_{=}\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\sin \left({kd \over 2\sin (TETA)
En estas dos fórmulas:
-
E es el campo eléctrico de la onda electromagnética radiado por la antena si no hubiese la tierra.
-
k=2*pi \GAMA es el número de onda.
-
GAMA es la longitud de onda.
-
d es la altura de la antena.
desarrolo en el c++
