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Líneas de Transmisión II
Rubén Canga
5. Antenas
Rubén Canga
Antenas
Las antenas son junto al transmisor y las líneas de transmisión el 3º elemento más importante de un sistema de comunicación.
Realiza tres funciones primordiales:
Convertir la energía electromagnética del Tx que viaja por la de la línea en energía electromagnética que se propaga en el espacio.
Adaptar la impedancia del generador a la impedancia del espacio.
Captar de nuevo esa energía electromagnética en el espacio, para ser utilizada en el receptor.
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Antenas
Hay una gran variedad de tipos de antena en función de las aplicaciones a las que son destinadas y de los parámetros que tiene que cumplir para realizar su función.
Dentro de todas ellas, las más utilizadas en difusión son:
Mono polos y dipolos.
Antenas direccionales tipo Yagui.
Antenas helicoidales.
Antenas diédricas.
Antenas parabólicas.
Bocinas.
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Antenas Monopolos
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Antenas Dipolos
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Antenas Direccionales Yagui
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Antenas Helicoidales y Diédricas
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Antenas Parabólicas
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Antenas Bocinas
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Antenas
Pueden trabajar agrupadas para conseguir unos parámetros concretos de radiación como son las agrupaciones de dipolos, paneles radiantes, antenas adaptativas.
A estas características de radiación la denominamos diagrama de radiación y es la representación gráfica de la radiación en función del ángulo de la misma.
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Los principales parámetros de una antena son:
Impedancia.
Polarización.
Ganancia.
Directividad.
Ancho de banda, factor Q.
También veremos el concepto de PIRE y PRA.
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Antenas
La impedancia de una antena se define como la relación entre tensión y corriente en los bornes de entrada de la antena.
Suele ser compleja, la parte real es la resistencia de la antena y la parte imaginaria su reactancia
Las antenas tienen que tener un tamaño acorde a la longitud de onda de la señal a transmitir.
Si la impedancia no tiene reactancia, se dice que la antena es resonante. 50 Ω + 0j Caso ideal.
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La impedancia depende de la relación longitud – diámetrodel conductor y de la frecuencia de trabajo.
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Polarización. Es la polarización de la onda radiada por una antena en una dirección dada y definida por la orientación del vector campo eléctrico.
Es la figura geométrica descrita por la señal con el transcurso del tiempo por el extremo del vector campo eléctrico en un punto del plano perpendicular a la dirección de propagación.
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Para ondas sinusoidales en general una elipse, habiendo dos casos de particular interés:
Si la figura es un segmento, se denomina polarización lineal.
Si la figura es un circulo, polarización circular.
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Antenas
Lineal Circular Elíptica
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Las polarizaciones lineales pueden ser horizontal y vertical.
Para las circulares y elípticas, estas pueden ser a derecha o izquierda en función de cómo se vería alejarse la señal desde la antena en dirección de la propagación.
Si es en sentido horario, es circular derecha, en sentido anti horario es circular izquierda.
El uso de cada tipo de polarización dependerá de las condiciones del enlace a realizar, planificación de espectro o de la orografía del terreno en la zona de servicio a cubrir.
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Como ejemplos:
En sistemas radiantes de radio FM, la polarización vertical es apta para terrenos llanos con un centro emisor muy elevado.
Circular obtiene mejor rendimiento en zonas montañosas donde la señal debido a reflexiones se despolariza.
Para distancias relativamente cortas polarización vertical, posición de la antena Rx relativamente igual a la de Tx.
Para enlaces de gran distancia, polarización horizontal, es más inmune a captar interferencias locales.
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También se utiliza la polarización para la optimización del espectro, pudiendo utilizar frecuencias muy próximas, o incluso reutilizar la misma frecuencia en diferentes radio enlaces.
Esto se debe a la protección adicional que podemos lograr por despolarización. En función del diseño de la antena puede oscilar para una antena direccional entre los 15 dB y los 30 dB.
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Directividad. Se denomina directividad de una antena a la densidad de potencia radiada en una dirección y distancia por una antena y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica a igualdad de potencia total radiada.
Antena isotrópica, antena “ideal” no real que radia por igual en todas direcciones.
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Esta parámetro podemos analizarlo con los diagramas de radiación que son la representación gráfica de la radiación en función del ángulo de la misma, pueden ser tridimensionales, bidimensionales, cartesianos o polares.
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Antenas Cámara anecoica
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Ganancia. Se define ganancia de una antena a la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección por una antena y la densidad de potencia que radiaría en la misma dirección una antena isotrópica a igual distancia y potencia entregada a la antena.
La diferencia con la directividad radica en que una se refiere a la potencia radiada por la antena, y la ganancia a la potencia entregada por la antena.
La diferencia entre ambas es la potencia disipada por la antena en forma de calor debido a la resistencia de los conductores.
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Las unidades de ganancia pueden ser dBi si esta referidaal dipolo isotrópico, o dBd si esta referida al dipolo de 1/2 λ.
La diferencia entre una y otra es que el dipolo de 1/2 λ se considera que tiene 2,15 dBi por lo tanto:
G dBi= G dBd + 2,15
Por lo tanto se puede definir la eficiencia de una antena como la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia entregada a la misma.
Es un número comprendido entre 0 y 1.
En ausencia de pérdidas, habitual en muy altas frecuencias SHF, directividad y ganancia son iguales.
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Ancho de banda. Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a trabajar satisfactoriamente en un margen de frecuencias.
Este intervalo de frecuencias en el que un parámetrodeterminado no sobrepasa unos limites prefijados, se conoce como ancho de banda.
Puede ser definido por cualquiera de sus parámetros como son diagramas de radiación, directividad, impedancia.
El factor más crítico en cada situación será el que determineeste ancho de banda.
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Podemos dividir estos parámetros en dos grupos según se relacionen diagramas de radiación o la impedancia.
Lo más habitual es relacionarlo con la impedancia.
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Las antenas se comportan de igual manera en Tx y en Rx.Tienen los mismos parámetros de directividad, ganancia, diagrama de radiación, impedancia, ancho de banda, etc.
Se puede demostrar con el teorema de reciprocidad.
Podemos calcular la intensidad de campo que produce una antena a una distancia en función de su PIRE o de su PRA.
PIRE. Se llama Potencia Isotrópica Radiada Aparente de una estación al producto de la potencia suministrada a la antena por la ganancia de la antena en dBi.
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La intensidad del campo varía en función del ángulo de radiación.
Pero a efectos de cálculo se supone que es en la dirección de máxima ganancia. PIRE. Potencia Radiada Isotrópica Equivalente.
Es la potencia entregada a la antena por la ganancia en dBi.(huella satélites).
Cálculo del campo dB µv /m
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PRA se denomina Potencia Radiada Aparente al producto de la potencia entregada a una antena por su gananciasiendo esta en unidades dBd.
Este parámetro es muy común en las características técnicas que se fijan para una concesión de radio, la cual especifica en función de la cota donde esta prevista su instalación un PRA máximo.
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Para que exista radiación en la antena, es preciso que la longitud del conductor sea del orden de magnitud de la longitud de onda de la señal.
Para que una antena tenga un rendimiento óptimo en una frecuencia determinada hay que procurar que la impedancia tienda ser resistiva pura y la reactancia sea nula, logrando así que la antena entre en resonancia con la frecuencia.
300.000 Km/s
λ(en metros)= Frec. en Khz
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La antena lineal más utilizada en cuanto a longitud de onda se refiere es la 1/2λ.
Un conductor presenta una capacidad, mayor cuanto mayor sea su diámetro. Esta capacidad provoca que la longitud física del conductor tenga que ser de menor para compensar la reactancia.
El factor de acortamiento es por tanto función del diámetro del conductor.
En frecuencias bajas se utilizan diámetros pequeños mientras que en frecuencias altas se utilizan tubos (efecto piel de RF, ancho de banda, ejemplo dipolos FM).
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Fórmula del dipolo
Longitud dipolo 1/2λ onda en 1.026 Mhz = 139 m.
Longitud dipolo 1/2λ onda en 100 Mhz = 1,42 m.
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Antena Monopolo. Se utilizan para la transmisión de frecuencias bajas como son las estaciones de Onda Media (AM), debido a que en estas frecuencias la longitud de onda es muy elevada, la longitud física de las antenas es muy grande y mediante la utilización de estas antenas, es posible montar antenas de menor longitud física y elevado rendimiento. Son de polarización vertical.
Se utilizan principalmente dos tipos. Torre aislada de tierra mediante un aislador cerámico. La propia torre ejerce de antena.
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El tipo cortina radiante utiliza la torre como soporte de una cortina de hilos (3,6,9) normalmente 6, separados de la torre, lo que hace que aumente su diámetro eléctrico, y con ello el ancho de banda de la antena.
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Estas antenas utilizan la teoría de imagen de antena. Consiste en instalar la antena de manera vertical sobre una superficie conductora, en este caso la tierra, y utilizar las propiedades de la misma para crear una antena ficticia, la contrantena.
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Esta teoría dice que una antena vertical de 1/4 λ situada sobre una tierra muy conductora tendrá las mismas características que un dipolo de 1/2 λ debido a que la tierra creará, debido a la reflexión de las señales una imagen especular del 1/4 λ funcionando así la antena como una de 1/2 λ.
Para lograr una tierra perfecta se instala bajo tierra una red de radiales de 1/4 λ de longitud y 3mm Ø con centro en la base de la torre en el mayor número de direcciones, normalmente 120 radiales, uniéndolos todos entre si formando el denominado plano de tierra.
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Plano de tierra torre de OM enterrados 25 – 30 cm.
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Estos planos de tierra son comunes en otros tipos de monopolos.
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Hay situaciones, sobre todo en bajas frecuencias, en las que instalar una antena de 1/4 λ es incluso muy complicado debido a las longitudes de onda tan grandes que tiene la señal.
En estas situaciones se utilizan elementos externos para alargar o acortar eléctricamente la antena con el fin de adaptar las impedancias de la carga al generador y tender a resistencia pura sin reactancia.
En estas situaciones se utilizan redes de adaptación, en ¶ o en L, en la base de la antena y en su parte superior aros capacitivos, “capacetes”, para reducir o aumentar su virtualmente su longitud física.
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Actualmente está más extendido el usos de cortina radiante que el de torre radiante por que presenta más ventajas:
No tiene el costoso aislador en la base.
La torre esta a tierra, en caso de impacto de rayo, el equipo está más protegido.
Mayor ancho de banda, mejor rendimiento en multiplexado de emisoras.
Se puede utilizar la torre como soporte de otras antenas.
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Para soportar las torres sobre el bulón del aislador, estas en función de su longitud, utilizan unos juegos de riostras, suelen ser cables de acero de gran grosor.
Para evitar que el propio cable funcione como conductor y modificar tanto la impedancia de la antena, como su lóbulo de radiación, estas riostras llevan intercalados cada cierta longitud unos aisladores para evitar la continuidad eléctrica de la riostra y evitar que estas interfiera con la antena.
El número y distancia de corte varía en función del punto de contacto con la torre.
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Esta distribución de aisladores se
debe al reparto de tensión de la señal
en la antena. Se puede ver en el tope
de la torre algo parecido a un capacete.
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Dipolos. Son elementos formados por dos cilindros radiantes de longitud ¼ λ para formar una antena de ½ λ y se alimentan por el centro de la antena. Son de aluminio y de acero inoxidable.
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Antenas Como hemos visto hay varios formatos en función de su
polarización suelen tener entorno a 2,15 dBi y la potencia que soportan dependerá de sus dimensiones y conectores (Foto anterior 5Kw)., suelen ser de banda ancha y aunque los hay sintonizados.
Su diagrama de radiación es omnidireccional, pero combinando dos o más dipolos, podemos crear lóbulos de radiación específicos y aumentar la ganancia del sistema.
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Antenas direccionales, Yagui. Cuando necesitamos un cierto grado de direccionalidad del lóbulo una de las opciones más utilizadas son las antenas Yagui. Se considera antena Yagui cuando la antena tiene 2 o más elementos.
Son muy utilizadas en las bandas de VHF y UHF, permiten grandes ganancias con antenas de reducidas dimensiones. Polarizaciones lineales.
Consisten en añadir a un elemento excitado, un dipolo, una serie de elementos “parásitos” a determinada longitud de onda, por delante y detrás del elemento excitado.
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Estos elementos parásitos desarrollan una tensión por la inducción de la radiación del elemento excitado.
El reflector es el elemento parásito trasero, el director-es, son los elementos que se sitúan delante del elemento excitado.
El reflector se sitúa entre 0,15 y 0,25 λ, mientras que el director se sitúa entre 0,1 y 0,15 λ.
El reflector es un 5% mayor que elemento excitado, director un 5% menor que elemento excitado.
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Si la señal viaja hacia el reflector, viajará 1/4λ, cambio de fase 90º, en elemento parásito se induce una tensión desfasada 180º respecto al elemento excitado, por lo tanto, radiación hacia reflector se anula.
Reflector radia ,por inducción, hacia el elemento excitado, viaja 90º, nuevo cambio de fase, cambio total 360º.Llega en fase con el elemento excitado y le aporta energía.
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Cuanto mayor número de elementos tenga una Yagui:
Mayor ganancia directiva( 5 – 19 dBi).
Lóbulo de radiación más estrecho.
Mejor discriminación.
Mejor relación frente espalda.
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Antenas helicoidales. Está constituida por un conductor grueso arrollado en hélice, y sus dimensiones son función de la frecuencia de trabajo.
Polarización circular.
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Tienen mucho ancho de banda, pudiendo utilizarse en frecuencias un 20% diferentes a la frecuencia de diseño.
Se utilizan, sobre todo, en frecuencias de micro ondas SHF.
Pueden recibir señales lineales despolarizadas. Aplicación en radioenlaces de 1600 Mhz.
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Antenas diédricas. Están formadas por un dipolo situado en la bisectriz de un reflector diédrico.
Los lados del diedro deben tener una longitud de 2λ.
En función del ángulo del diedro y de la distancia del dipolo a la arista, se fijan las características de la antena.
Buena relación frente espalda, tamaño reducido, buen ancho de banda y ganancia entre 7 y 14 dBi.
Se utilizan en radioenlaces de UHF (400 – 800 Mhz).
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Antenas parabólicas. Antena formada por un reflector parabólico que concentra toda la energía en un punto denominado foco y alimentado por un “iluminador.”
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En función de la frecuencia varían sus dimensiones físicas y modo de construcción.
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Se utilizan principalmente para radioenlaces de programa, o canales de datos de alta capacidad.
Existen varios tipos, de las cuales las más utilizadas son las de foco centrado y Offset.
La primera se utiliza en enlaces terrestres, mayor facilidad de apuntamiento.
El segundo tipo es común en enlaces por satélite, mayor ganancia, menor tamaño y mejor ángulo de instalación para la orientación, incluso en zonas con poca visión.
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Antenas Se utilizan en frecuencias elevadas, normalmente en la
banda de las microondas, de 1 Ghz en adelante, aunque las hay para UHF y se utilizan en recepciones de micro reemisores de TDT, con gap-fillers.
Tienen una muy elevada ganancia de 20 a 50 dBi en función de la frecuencia de trabajo y dimensiones.
El lóbulo de radiación es muy estrecho.
Suelen estar radomizadas y en muchos casos calefactadas con hilos radiantes embutidos en las parábolas. La lluvia, el hielo y la nieve afecta a su rendimiento, sobre todo el agua, y más aún si el grosor de la lamina supera el ¼ λ.
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Tienen polarizaciones lineales.
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Las bocinas son estructuras radiantes muy utilizadas que consisten en realizar un ensanchamiento a la guía de ondas de una manera controlada para adaptar así la impedancia de la guía de ondas al espacio libre, sin que esta pierda el modo de transmisión y propiedades de la guía.
Principalmente 3 tipos:
Bocina de plano E
Bocina de plano H
Bocina Piramidal.
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También las hay cónicas, lisas y corrugadas, muy utilizadas en los LNB, domésticos. La corrugada mejora la pureza de polarización de las señales.
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Se utilizan en satélites que precisan conformar una huella de cobertura muy determinada con formas asimétricas mediante la agrupación de varias de ellas como sistema radiante.
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Diagramas de radiación de multi-haz contorneado de Hispasat.
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Bibliografía del curso.
Transmisión por Radio*. Jose María Hernando Rábanos.
Editorial Universitaria Ramón Areces.
Antenas*. Ángel Cardama Aznar, Lluís Jofre Roca, Juan Manuel Rius
Casals,Jordi Romeu Robert,Sebastián Blanch Boris.
Ediciones UPC, Universidad Politécnica de Cataluña.
Las Antenas. R.Brault y R.Piat.
Editorial Paraninfo.
Cálculo de Antenas Armando García Dominguez.
Editorial Marcombo
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Bibliografía del curso.
Manual de Comunicaciones por Radio*. R.Harold Kinley.
Ediciones Ceac.
Sistemas de Comunicaciones*. Heathkit Educational System. Heath Company Benton Harbor,
Michigan.
Editado por Comercial A.Cruz S. A. Montesa 38 Madrid.
Electrónica de Comunicaciones. Manuel Sierra Perez, Belén Galocha Iragúen, Jose Luis
Fernandez Jambrina, Manuel Sierra Castañer. Universidad Politécnica de Madrid.
Editorial Pearson.
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Bibliografía del curso.
Postgrado Especialista Universitario en Telecomunicaciones. Profesorado: Gloria María Torralba Collados, Vicente Gonzalez Millán,
Julio Martos Torres, Enrique J, Sanchis Peris, Jesus Soret Medel, Nestor García García.
Universidad de Valencia.
Recursos de Internet. http://www.upv.es/antenas/, página de la universidad de Valencia.
http://miguel-ferrando.blogspot.com/, blog dedicado a las Antenas, catedrático de la Universidad de Valencia.
http://webs.uvigo.es/servicios/biblioteca/uit/body.htm, recomendaciones UIT, Universidad de Vigo.
http://www.gr.ssr.upm.es/docencia/grado/csat/, Universidad de Madrid.
http://personal.us.es/murillo/ Profesor de la Universidad de Sevilla.
http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada.
http://www.mityc.es/telecomunicaciones/es-ES/Paginas/index.aspx.
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Bibliografía del curso.
Recomendaciones UIT UIT – R BS.412-9-1998 , Planificación de Radio difusión sonora en
FM, ondas métricas.
UIT – R BS. 1698 -2005 Evaluación de Campos sistemas Tx.
UIR- R P.453-9 -2003 Índice de refracción radioeléctrica.
Catálogos, notas técnicas y manuales de distintos fabricantes disponibles en Internet: RVR, Harris,Nautel,Vimesa,Icom.
Rymsa,Moyano,Televés.
Exir broadcasting, Spinner, Andrew, RFS.
Crushcraft, Mosley.
Rohde and Schwarz, Tektronics, HP.
Audemat, Axel, Orban.
Dehnventil.
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