Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Espirales Docente: Ing. Edwin Lacayo . Carrera: Ing.En Telecomunicaciones. Elaborado por :DavidJosu Pastrana Ventura . Grupo: 4t1-tel. 18/05/2012 Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Introduccin La necesidad innata del ser humano de comunicarse en cualquier momento y encualquier lugar ha impulsado los ms asombrosos avances tecnolgicos. Ya hacemsdeunsigloqueHertzdemostrlaposibilidaddeenviarondas electromagnticas de un punto al otro va inalmbrica. Menos de una dcada despus,Marconipusoenmarchalaprimeracomunicacintransatlntica dandoorigenalnegociodelastelecomunicaciones.Enparticular,elartede lostransductoreselectromagnticos(Antena)hasidoanalizadocontodoel rigor por los cientficos, produciendo una gran diversidad de formas y tamaos de acuerdo a la aplicacin especfica. Enlosltimostreintaaos,graciasalavancedeloscomputadoresydelas tcnicas numricas se han producido mejoras significativas en los parmetros de desempeo de las antenas, debido a que se han podido implementar dichos mtodos numricos para estructuras muy complejas. Laantenaqueestudiaremosseencuentradentrodeloqueseconocencomoantenasindependientesdelafrecuencia;enestecasosetratade antenas con un comportamiento que no vara con la frecuencia. La Antena Espiral es una de las geometras empleadas para la realizacin de antenas independientes de la frecuencia. Entre estas antenas encontramos la Espiral Equingularplana ylaEspiral Cnica de las cuales conoceremos susparmetros, caractersticas , aplicaciones ,ventajas y funcionamiento. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES: -Explicarelfuncionamientodelaantenaespiralenlascomunicaciones Inalmbricas. OBJETIVOS ESPECIFICOS: -Describir las caractersticas de una antena espiral. -Conocer las aplicaciones de las antenas Espiral. -Conocer el diagrama de radiacin de las Antenas Espiral. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Antenas Espirales. Las antenas de espirales (cnicas o no) se consideran del tipo de antenas independientesdelafrecuencia.Estrictamente,lasespiralessloseran independientesdelafrecuencia(ovlidasparatodaslasfrecuencias)sila longitud del conductor que define la espiral fuera infinita, y si la dimensin de losterminalesdealimentacin,ascomosuseparacin,fueran infinitesimales; pero en la practicauna realizacin real de la antena espiral deberincorporarterminalesdealimentacinylongituddeondafinitasea quedebehaberunalimitacinenelcomportamientofrecuencialdeestas antenas, tambin es importante resaltar que todas las antenas Espiral tienen como caracterstica la polarizacin circular. Lasantenasespiralessedefinencomoantenasdeungrananchodebanda tambin tienen la propiedad de mantener su impedancia y sus caractersticas de radiacin de manera independiente Dentro de los tipos de antena espiral se encuentran dos : -AntenaEspiral Equingular plana . -Antena Espiral Cnica. Paracontinuarconsuestudioesnecesarioconocerlos siguientes conceptos : Antenas autocomplementarias:Una antenas es autocomplementaria cuando ella y su complementaria tienen la misma forma y a la vez sus impedancia tienen que ser igualespor lo tanto : Za=Zc=/2= 60= 188.5Za= impedancia de la antena. Zc= impedancia de la antena complementaria. = efectividad de la antena (120). Geometras autocomplementarias: Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Unaantenaindependientedelafrecuencianotieneporquser necesariamenteautocomplementaria,peroqueloseatieneunaseriede ventajas : 1-larealizacinprcticapresentaraunaimpedanciamsconstanteconla frecuencia. 2- laantena es resonante y con un valor de impedancia manejable. 3-elvalordelaimpedanciadelaantenaesconocidoaprioridadynoes necesario calcularlo. Esporestosmotivosque,cuandoesposible,seempleangeometras autocomplementariasenlarealizacindeantenasindependientesdela frecuencia. Antena Autoescalable: si las dimensiones de una antena que presenta un cierto comportamiento a la frecuencia f se multiplican por una constante k, el comportamiento de la antena es el mismo a una frecuencia f/k. Por tanto, una antena ser independiente de la frecuencia si su geometra no vara al multiplicarse por un factor de escala k. En este caso se dice que la antena es autoescalable. Expresado de forma matemtica, si la geometra de una antena plana se puede escribir en coordenadas polares en la forma: r = F (|) es autoestable si:k F (|) = F (| + A |0 ) es decir, al multiplicar por una constante, la geometra de la antena es la misma, salvo una posible rotacin. Ntese que una rotacin de la antena deja invariantes sus parmetros (impedancia de entrada, directividad, etc.) y slo afecta a la polarizacin. Polarizacin Circular: El vector del campo elctrico en vez de estar oscilando dearribahaciaabajoosciladndolelasvueltasal planodelobservadorqueestrecibiendodefrenteel hazluminosoqueavanzahacialgirandoyaseaenel sentidodelasmanecillasdelrelojogirandoenel sentido contrario a las manecillas del reloj. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas AntenaEspiral Equiangular plana . Para que una antena sea independiente de la frecuencia su geometra no debe variaralmultiplicarseporunfactordeescalak(geometraautoescalable), salvo una posible rotacin. Una de las geometras que cumplen esa condicin sonlasespirales,silaamplituddelconductorvaraconelmismofactorde escalaqueconelquesedalarotacin.Unaespiralequiangularplanase define en coordenadas polares como: r = Ae^a | y es una curva autoestable con cualquierfactor de escala k ya que : k r (|) = k Ae^a | = Ae^a (|+1/ a ln k ) = r (| + A|) Teniendoencuentaquer(|+2t)=r(|)e^a2t,altrminoe^a2t sele denomina el factor de expansin de la espiral y toma, en la prctica, valores menores de 10 (tpicamente en torno a 4). Laantenaespiralplanageneralmenteseformaapartirdedosocuatro espiralesrotadasdeformaquelaantenaresulteequiangular.Lafrecuencia mnimadefuncionamientodelaantenavienedadaporlalongituddel conductor de la espiral, y esa frecuencia es aquella cuya longitud de onda sea igualalalongituddelconductor.Lafrecuenciamximadefuncionamiento vara,yaquedependedecmosealaalimentacinenlasespiralesydel tamao de los terminales de conexin.La espiral equiangular plana presenta un diagrama de radiacin del tipo cosu, por lo que tiene mximos de radiacin enlasdosdireccionesperpendicularesalplanodelaespiral,algono deseable,yaquese deberaminimizarlaradiacin parau>90.EnlaFigura (Antenaespiralequiangularcondosespirales)semuestraunaespiral equiangular con dos espirales, cuyo conductor tiene un radio de 1mm, con el radiomnimodelaespiralde0.5mymximode0.5m,ycon10vueltasde espiral.Que el radio sea constante implica que el comportamiento en banda ancha se modifique, ya que no cumple el factor de expansin, pero es vlido paramostrareldiagramadegananciadelaantena,queporejemploa 200MHz es el mostrado en la Figura(Diagrama de ganancia de la antena espiral a 200MHz). L a antena puede ser autocomplementaria o no, dependiendo de cuanto estn rotadas las diferentes espirales que la definen, cuando elngulo de rotacin en/2comosemuestraenlasiguientefigura,laantenaes autocomplementaria. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Antena espiral equiangular con dos espirales Diagrama de ganancia de la antena espiral a 200MHz Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas La espiral debe truncarse cuando la longitud delbrazo sea aproximadamente , condicin que debe cumplirse a la frecuencia ms baja de funcionamiento .Elcomportamientodelaantenapuedemejorarsesilosbrazosdelaespiral terminan de forma gradual ,tal como se mostro en la figura . Ntesequeestaantena,ademsdeserdebandaancha,tieneundiagrama pocodirectivoyestpolarizadacircularmente,porloqueesunaantena especialmenteindicadapararecibirsealesdeprocedencia,polarizacin linealyfrecuenciadesconocidasenactividadesdecontroldelespectro electromagntico. Alimentacin de la Antena Espiral Equiangular Plana : Un problema comn a todas las antenas de gran ancho de banda es el de alimentarlas correctamente dentro de todo el margen de frecuencias de funcionamiento. La antena espiral equiangular plana debe alimentarse de forma equilibrada, es decir, por cada uno de los brazos de la espiral debe circular una corriente de la misma amplitud.

Lalneadetransmisinquepermitecubrirgrandesanchosdebandasin prdidas por radiacin es el cable coaxial, pero tiene el inconveniente de que se trata de una lnea no equilibrada. Si se conecta directamente el conductor internodelcoaxialaunbrazodelaespiralyelconductorexternoalotro brazo la alimentacin ser asimtrica, debido a la corriente que circular por la parte externa del coaxial. Unamaneraderealizarunsimetrizadoresllevarelcablecoaxialde alimentacin a los terminales de forma que el conductor externo del coaxial est conectado continuamente a uno de los brazos de la espiral. En el punto de alimentacin se conecta el conductor interno del coaxial al otro brazo de la espiral (figura anterior). De este modo la corriente que circula por la parte externadelamalladelcoaxiales,dehecho,lamismaquecirculaporel Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas brazo de la espiral; como la longitud del brazo de la espiral se elige de forma que en su extremo la corriente sea despreciable y, por tanto, el truncamiento delaantenanoafecteasuscaractersticasderadiacin,noexistirn corrientesporlaparteexternadelcoaxialunavezabandoneelbrazodela antena. Paraconservarlasimetradelaantenasepuedecolocarotrocoaxialenel otro brazo de la espiral.La dimensin de los terminales de alimentacin fija la frecuencia mxima de funcionamiento, ya que cuando la distancia entre los terminales empieza a ser comparable a la longitud de onda (d > /10) existe un desfase entre los dos brazos. Caractersticas : 1. Diagrama de radiacin con lobulos perpendiculares al plano. 2. Polarizacin Circular. 3. Resistencia :4. Ganancia :5. Ancho de banda muy grande: hasta de 20 a 1 (tpico de 10 a 1). 6. Banda de trabajo : desde 0.2 a 18 Ghz. Aplicaciones : Telemetra en aviones y misiles ,ECM, A veces se utiliza en arrays . . Lossistemasdetelemetrarecibenlasinstruccionesylosdatosnecesarios para operar mediante desde el Centro de Control. .Gestin de Contenidos Empresariales (ECM)En las fbricas, oficinas y residencias, el monitoreo del uso de energa de cada seccin o equipo y los fenmenos derivados (como la temperatura) en un punto de control por telemetra facilita la coordinacin para un uso ms eficiente de la energa. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas AntenaEspiral Cnica . En ciertas aplicaciones es necesario disponer de una antena de banda ancha, peroconundiagramaderadiacinunidireccional;porejemplo,sisedesea emplearcomoalimentadordeunreflector.Lacaractersticaderadiacin bidireccionaldelaespiralequiangularplanapuedeeliminarsemontndola sobreunacavidad;sinembargo,staesunasolucindebandaestrechay suelesernecesariointroducirabsorbentesdentrodeellaparamejorarla respuestafrecuencial.Unaconfiguracindebandaanchaquepresentaun diagrama unidireccional es la espiral cnica. La antena se construye montando los dos brazos de la espiral sobre un cono. La geometra contina siendo autoescalableypuedehacerseautocomplementaria.Elnguloqueformala generatriz del cono con el eje es tpicamente de unos 15 grados, y se obtienen relacionesdelante-atrsdelordendelos15dB.Enlasiguientefigurase muestra una realizacin de esta antena. Las caractersticas son similares a las delaespiralplana,exceptoquepresentaundiagramaunidireccionalenla direccindelvrticedelcono.Sealimentadelamismamaneraqueuna espiralplana.Esconvenienteobservarelpasodeunahliceaunaespiral cnicaparacomprendermejorsucomportamientoindependientedela frecuencia.Enunahlicehaydosdimensionesfijasquelimitanelanchode banda:elpermetroCyelpasoS;enlaespiralcnicaambassehacen variables, por lo que esta limitacin se elimina y queda la estructura definida nicamente por ngulos. -Laespiralcnicadelasiguientefigurapuedeserconsideradacomo unaespiralplanaquehasidoarrolladoalrededordeuncono dielctrico. -La espiral cnica es alimentada por un cable coaxial unida a una cinta conductoraconsuconductormasinternounidoalaotracintaenel pice, como se indica en el diagrama del espiral plano. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas -Ellmitedefrecuenciamsbajodelaespiralcnicaescuandoel dimetro de la base es /2. -El lmite ms alto de frecuencia ocurre cuando el dimetro del pice es /4. As, el ancho de banda est en la proporcin de el dimetro de labasealdimetrodelpice,elcual,paraelconodelaFigura anterior es casi 7 a 1. Diagrama de Radiacin dela Antena Espiral Cnica . Como se ha comentado, el diagrama de radiacin es significativo para >90. Unasolucinaesteproblemaseencuentraenrollandolaespiralenuncono. Porejemplo,enlasiguienteFigurasemuestralamismaespiralantes mostrada pero sobre un cono de 1m de altitud. Antena espiral cnica equiangular con dos espirales. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Diagrama de la antena espiral cnica a 200MHz. El diagrama de ganancia de esta antena a 200MHz es el mostrado en la Figura anterior , en el que se puede ver que se reduce la radiacin para u >90 con respecto a la antena espiral plana. Deigualformaquelasantenashelicoidales,lasantenasdeespiralescnicas tienenpolarizacincircular,aderechassiestnenrolladasaderechas,ya izquierdas si estn enrolladas a izquierdas. En ambos ejemplos mostrados, las espirales son enrolladas a derechas, por lo que la polarizacin es RHCP parau < 90, pero es LHCP para 180 >u> 90. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Caractersticas Principales : 1. Recibe todas las polarizaciones lineales (con la perdida de la polarizacin a 3dB ). 2. El rendimiento constante durante todo el ancho de banda . 3. Rango de Frecuencia : 1-10 Ghz . 4.La ganancia media : 2.5 dBi 5. Potencia Max: 20 watts . Aplicaciones : Las antenas cnicas espirales se utilizan para las pruebas de compatibilidad electromagntica y espectro de encuestas rpidas aplicaciones. Universidad Nacional de IngenieraUNI-IES Antenas Conclusiones -SedemostrelfuncionamientodelasAntenaEspiralyelpapelque hacenenlascomunicacionesInalmbricas,conocimoslostiposde antenasEspiral,suscaractersticas,aplicaciones,ysudiagramade radiacin .