ACOPLAMIENTO DE ANTENAS

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Objetivos

1.- ¿Qué es una antena?

ANTENAS Y PROPAGACIÓN

Definir los parámetros espaciales y eléctricos de una antena. Analizar el acople o adaptacion de antenas.

Contenido

2.- Polarización de la antena.3.- Campo de radiación lejano.4.- Diagrama de radiación.5.- Impedancia de antena.

2La antena es un elemento radiante.

1.- ¿Qué es una antena?Una antena es un transductor Es un “conversor” entre dos medios.

La antena convierte la energía electromagnética de una línea (cable) en potencia electromagnética radiada en el espacio libre.

Las diversas características de la antena determinan la eficacia de esa conversión.

Tienen formas variadas, hay antenas de hilos (dipolos), de apertura (bocinas), y aún más complejas como las parabólicas. En todo caso, siempre se conectan a una línea de transmisión a través de un par de terminales que será la entrada a la antena.

Tipos de antenas según su forma

3La antena Yagi es direccional.

Requerimientos de diseño de antena¿Qué aspectos deben considerarse?

Las antenas se diseñan para conseguir una fuerte radiación. Deben considerarse dos aspectos.

Concentrar la energía radiada lo más eficazmente posible de la forma requerida y en una dirección o direcciones preferentes. De este modo, se puede alcanzar un amplio margen de cobertura y reducir la potencia de transmisión.

Conseguir que la antena convierta en radiación la máxima energía que se le entrega. Por tanto, la antena no debe consumir energía.

Tipos de antenas según su radiación

Antena omnidireccional Antena directiva

Por tanto, la tecnología de la antena es una simple cuestión de ahorro de energía.

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Tipos de antenas de comunicacionesSe distinguen 2 tipos

Antenas para estación fija

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Antenas móviles Las antenas móviles se pueden dividir en:

1.- Antenas móviles (para vehículos)

2.- Antenas marinas (para embarcaciones)

3.- Antenas portátiles (para equipos portátiles)

4.- Antenas para aviación (para aeronaves)

Antena móvil se utiliza para designar a las montadas en vehículos.

5Ambas antenas deben tener igual polarización

2.- Polarización de la antenaPolarización lineal

Ejemplo

En tecnología de antenas, polarización se refiere a la orientación de los campos E y H con respecto a la Tierra.

Si la dirección no varía, la polarización es lineal.

Si E es perpendicular a la Tierra, la onda está polarizada de modo vertical. Una antena vertical produce polarización vertical.

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2 Si E es paralelo a la Tierra, la onda está polarizada de modo horizontal. Una antena horizontal produce polarización horizontal.

Onda radiada por una antena transmisora de TV con polarización vertical y horizontal:

La antena receptora debe tener la misma polarización que la onda, para una mejor recepción.

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Polarización de la antenaPolarización circular y elíptica

Casos

La polarización puede ser de mano derecha (RHCP) o izquierda (LHCP). Las ondas con polarización circular se reciben bien con antenas con polarización vertical, horizontal o circular.

A veces el eje de polarización gira a medida que la onda se mueve por el espacio. Gira 360º por cada de recorrido.

Es polarización circular si la intensidad de E es igual en todos los ángulos.

Es polarización elíptica si la intensidad de E varía conforme cambia la polarización. 1 2

La radiodifusión comercial FM, por ejemplo, utiliza polarización circular.

Circular Elíptica

7La región de Fraunhoffer se encuentra en el campo lejano

¿Qué es el campo lejano?

Frentes de onda

3.- Campo de radiación lejano

La onda radiada tiene forma esférica. Los frentes de onda son esferas centradas en el centro de la antena y la amplitud y fase dependen de la distancia a la antena, que es el radio de la esfera.

El análisis de radiación de una antena se efectúa en la región de campo lejano (a una distancia de varias ). En general, un receptor está a mayor distancia.

En campo lejano, el frente de onda parece ser casi plano, como si fuese una onda plana uniforme.

El campo E no tiene componente en la dirección de propagación, es perpendicular.

Condición

8Con base en la teoría electromagnética

Impedancia del espacio libre¿Qué es la impedancia característica?

Ley de Ohm para circuitos y para ondas

Una onda electromagnética que se propaga por el espacio consiste en campos E y H que varían juntos, en tiempo y espacio. La razón entre las intensidades de ambos campos se conoce como impedancia característica del espacio libre y se expresa en .

En el espacio libre

9El patrón de radiación es la forma característica en que una antena radia energía.

¿Qué es el diagrama de radiación?

Coordenadas esféricas

4.- Diagrama de radiación

Una antena es capaz de orientar la energía radiada en determinadas direcciones del espacio.

Los diagramas de radiación son cantidades tridimensionales que involucran la variación del campo E como una función de las coordenadas esféricas θ y .

Este es un diagrama de radiación de radio r proporcional a la intensidad de

campo en la dirección θ y .

El diagrama tiene el lóbulo principal (radiación máxima) en la dirección z (θ = 0º) y los lóbulos menores (al lado y atrás) en otras direcciones.

La radiación se concentra en un patrón con forma geométrica reconocible, que se puede representar con un diagrama de radiación o de campo.

10Se muestra la componente de E en el plano principal.

¿Qué es el diagrama de plano principal?

Ejemplo

Diagrama de plano principal

Para ver cómo radia una antena, se elimina la dependencia con el radio (r) y se trazan diagramas en función de las coordenadas polares θ y :

Estos diagramas se representan en cortes denominados diagramas de plano principal (planos X─Z y Y─Z). Se representan normalizados respecto al valor máximo (y en dB).

Diagrama 3D de una antena dipolo.

Patrón de radiación de una antena dipolo.

Diagrama polar en el plano X─Z (el del plano Y─Z es similar).

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Son cantidades de un solo valor

¿Qué son los parámetros espaciales?

Descripción de los parámetros

Parámetros espaciales

En el diagrama de la antena se definen los parámetros que describen su comportamiento y permiten especificar su funcionamiento.

Dirección de apuntamiento (θ0 = 30º). Dirección que corresponde al máximo de radiación de la antena.

Lóbulo principal. Margen angular correspondiente a la zona próxima al máximo y comprendido entre éste y los mínimos relativos que lo rodean.

Nivel de lóbulo secundario (SLL). El mayor de los máximos secundarios medido respecto al máximo principal, en dB.

Relación frente─atrás (F/B). Relación en dB de la radiación principal a la obtenida en la dirección opuesta.

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Ancho de haz. Ancho del lóbulo principal entre puntos de ─3 dB (BW3dB = 20º). Margen angular entre las dos direcciones próximas al máximo principal cuya amplitud está 3 dB por debajo del máximo.

Son cantidades escalares necesarias para diseñar antenas directivas.

Ejemplo

12El dipolo tiene una resistencia de radiación de 73 . www.coimbraweb.com

¿Cómo se modela eléctricamente la antena?

Circuito equivalente de la antena en transmisión

4.- Impedancia de antena

Al conectar un generador a una antena, la relación de V e I en los terminales de entrada permite modelar la antena como una impedancia compleja (ZA) que varía con la frecuencia.

R . Resistencia de pérdidas. Representa la potencia disipada en la superficie de los conductores o en elementos propios del diseño de la antena.

XA . Reactancia de la antena. Representa la inductancia de los conductores que forman la antena y su capacitancia respecto al plano de tierra. Estas reactancias son responsables en los circuitos AC de pérdidas de potencia en forma de "pérdidas reactivas de potencia", que no disipan calor, pero que están ahí.

Rr . Resistencia de radiación. Representa la capacidad de disipación de potencia mediante radiación al espacio, y que puede ser equiparada a una resistencia óhmica disipadora de potencia.

13El dipolo de 0.95(/2) tiene una resistencia de radiación de 70 . www.coimbraweb.com

El dipolo corto

Impedancia del dipolo de /2

Resistencia de radiación del dipolo estándar

Si la longitud del dipolo aumenta, la reactancia disminuye y Rr se incrementa.

Un dipolo corto de /10 << /2 tiene una impedancia compleja, que se calcula asumiendo que I0 = 0 en los extremos y se incrementa linealmente a su máximo valor en las terminales, resultando una resistencia de radiación Rr = 2 y una reactancia capacitiva 1 900 .

En la práctica, cuando un dipolo tiene exactamente λ/2 de longitud, su impedancia (ZA) está dada por:

Si disminuye la longitud de la antena en un 95% de λ/2, el dipolo se vuelve resonante, es decir, la impedancia se hace completamente resistiva: la resistencia de radiación disminuye a 70 y la reactancia inductiva se vuelve cero.

14Lo deseable es un acoplamiento perfecto.

¿Cómo se forma una onda estacionaria?

¿Cómo se calcula la ROE?

Relación de onda estacionaria SWR

Si la impedancia ZA de la antena no es igual que la impedancia Z0 del cable, la antena refleja parte de la energía incidente a través del cable de alimentación hacia el transmisor, lo cual no es deseable. La suma de la onda incidente y su onda reflejada forman la onda estacionaria.

La relación de onda estacionaria ROE o SWR (Standing Wave Ratio) se expresa en función de la impedancia característica del cable y de la impedancia de la antena.

Normalmente, la impedancia característica del cable es de 50 Ω, por tanto, un dipolo de 70 produce una SWR = 1.4. Es importante que la SWR se acerque lo máximo posible a 1.0 obteniendo así la máxima potencia de transmisión PT de la antena.

Ejemplo

15Lo deseable es un acoplamiento perfecto

¿Cómo se forma una onda estacionaria?

Coeficiente de reflexión Γ

Relación de onda estacionaria SWR

En una línea de transmisión, coexisten una onda incidente, de amplitud  Vi, y otra reflejada, de amplitud  Vr.

ROE = Vmax / Vmin = (Vi+Vr) / (Vi-Vr)

Sea un transmisor de radio, cuya impedancia de salida es Zs.El transmisor alimenta una antena cuya impedancia de radiación es RrEntre el transmisor y una antena, existe una línea de transmisión, cuya impedancia es Zc.Dos condiciones son necesarias para que el máximo de energía entregado a la antena sea irradiado: : Zs = Zc; Zc = Rr;Cuando una línea de transmisión cumple con estas condiciones, se dice que la línea está adaptada. El ROE siempre es igual o superior a la unidad.

Ejemplo de Adaptación de impedancias

Ambas ondas se combinan para dar una onda resultante.La onda resultante puede tener dos valores extremos:* Cuando la onda incidente y la onda reflejada produzcan una interferencia constructiva. La amplitud de la onda resultante es máxima Vmax = Vi + Vr* Cuando la onda incidente y la onda reflejada se anulan recíprocamente (interferencia destructiva). Vmin =Vi - Vr

Γ = Vr/Vi ; su módulo ρ = |Γ| ROE = (1 + ρ )/ (1 - ρ )

16La situación ideal se da cuando SWR = 1.

Porcentaje de energía reflejada

Solución para SWR alto

Transferencia de potencia – Cálculo rápido

Para SWR = 1, el % de energía reflejada es 0. Sin embargo, a medida que se pierde el acoplamiento, la energía reflejada aumenta.

Algunos sistemas de estado sólido, cortan en forma automática cuando SWR > 2. Pero la solución práctica para reducir la SWR es aplicar técnicas de acoplamiento de impedancia.

Cuando SWR = 1.5 es de 4 %.

Para valores de SWR 2, el % de energía reflejada es <10 %, lo que significa que más del 90% llega a la antena. Para la mayor parte de las aplicaciones esto es aceptable.

Para valores de SWR > 2, el % aumenta de manera espectacular, y deben tomarse medidas para reducir la SWR con el fin de prevenir un daño potencial.

17Las pérdidas óhmicas se producen por el efecto Joule.

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Cálculo del rendimiento de radiación

Los conductores de la antena tienen una resistencia de pérdidas.

Rendimiento de radiación

Las antenas se diseñan para resonar a la frecuencia central de la banda de utilización, puesto que así se facilita la adaptación de impedancias a la línea de transmisión que es siempre real. Por tanto XA = 0.

Aún así, no toda la potencia entregada a la antena se traduce en potencia radiada. El cociente entre la potencia radiada y la entregada corresponde al rendimiento de radiación (η).

Ejercicio 1

Eficiencia de un dipolo. Una antena dipolo tiene una resistencia de radiación de 67 y una resistencia de pérdida de 5 , medidas en el punto de alimentación. Calcule la eficiencia.

Respuesta.- η = 0.93 ó 93%.

18El desacoplamiento produce que la energía se refleje.

SWR y transferencia de potencia - Ejercicios

Ejercicio 2

Potencia radiada. Un transmisor con una salida de potencia de 100 W se conecta a una antena dipolo con una resistencia de radiación de 70 y una resistencia óhmica de 2 .a) ¿Cuánta potencia se radia al espacio?b) ¿Qué sucede con el resto de la potencia?

a) 97.2 W

SWR se calcula en función de las impedancias del cable y de la antena.

SWR. Una línea de 50 se conecta a una antena de 25 . Calcule la SWR.

Respuesta.-

b) Se disipa como calor en la antena

Respuesta.- SWR = 2

Impedancia del cable. Un cable coaxial de impedancia desconocida se conecta a dos cargas distintas, y la SWR se mide en cada caso. Con una antena de 75 de resistencia de radiación, la SWR mide 1,5. Con una carga de 300 , mide 2,67. Calcule la impedancia característica del cable.

Respuesta.- Z0 = 112

Potencia radiada. Un transmisor suministra 50 W a una antena a través de un cable con una SWR de 2:1. Determine la potencia radiada por la antena. Utilice la gráfica de % de potencia reflejada versus SWR.

Respuesta.- PT = 44,4 W

FIN ??

Ejercicio 3

Ejercicio 4

Ejercicio 5