Antenas de apertura

Las antenas de apertura clsicas son las bocas de gua, las bocinas, las ranuras, las antenas microstrip y los reflectores. En cuanto a las directividades que se obtienen con este tipo de antenas, son ms elevadas que las obtenidas con los dipolos. La bocina, la directividad puede aumentarse si se aumenta el tamao de la apertura. Eso supone una gran diferencia con las antenas tipo cable, donde aumentar la dimensin del cable no permita aumentar la directividad ya que lo nico que sucede es que se modifica la frecuencia de resonancia

En las aperturas la directividad depende del rea. No aparece el concepto de lbulos de difraccin, ya que estamos tratando con distribuciones continuas y no discretas como el caso de los arrays. En las agrupaciones, para aumentar la directividad aumentan el nmero de elementos haciendo la agrupacin elctricamente ms larga.

Apertura ElementalLa directividad es independiente de la frecuencia, de la misma manera que en el dipolo elemental.Diagrama de radiacin de una apertura elemental (cardioide).

Apertura RectangularDiagrama de radiacin de una apertura elemental (cardioide).

Si las dimensiones de la apertura (a, b) aumentan, el nmero de lbulos del diagrama de radiacin tambin aumenta.Cuanto ms grande sea la apertura, mayor ser el nmero de ceros, y, por tanto, ms delgado el lbulo principal. Se puede conseguir la directividad deseada variando las dimensiones de la apertura.Las aperturas rectangulares presentan una directividad que es funcin del tamao de la apertura. Por lo tanto, una forma sencilla de obtener una directividad elevada es trabajar con aperturas elevadas como es el caso de la antena ms conocida: el reflector parablico

Bocinas

La directividad de una apertura depende de su rea efectiva que est ligada con el rea fsica de la misma.El inconveniente que esto presenta es que la frecuencia de resonancia depende de las medidas de la apertura. Entonces, la pregunta son: podemos aumentar la directividad manteniendo la misma frecuencia de resonancia? podemos tener una gua en la que el modo fundamental por ejemplo est a la frecuencia deseada y que adems podamos aumentar la directividad de forma arbitraria?

La directividad se puede lograr en funcin de las dimensiones elctricas de la apertura.

Tambin encontramos antenas circulares y otras modificaciones sobre las rectangulares/circulares para mejorar directividad, pureza de polarizacin etc. como las bocinas corrugadas.Las antenas de bocina son elementos muy empleados en sistemas de medida puesto que es un elemento directivo (>10dB) y que presenta anchos de banda considerables (150%). En muchos sistemas de medida de antenas, la bocina se utiliza como elemento que recibe/radia la energa del/hacia el dispositivo bajo prueba

Reflectores parablicosEn las bocinas es posible incrementar la directividad aumentando el tamao de la apertura a pesar de su limitacin ya que el perfil de amplitud/fase deja de ser uniforme. Es justamente el objetivo de un reflector conseguir directividades elevadas salvando el problema de comportamiento de la bocina.

Una antena reflector consta de dos partes: el alimentador y el reflector en s. El alimentador suele ser una bocina como las sealadas anteriormente, aunque tambin podra ser un dipolo. El reflector es la superficie que confina la radiacin por obtener una directividad mucho ms elevada que la del alimentador. Aunque puede haber diferentes tipos de reflectores (didricos, esfricos), es el parablico el ms habitual.

Se puede entender el principio en el que se basa este tipo de antenas de la siguiente manera: en el foco del reflector parablico tenemos el alimentador; ste radia hacia el reflector. Dado el perfil parablico, todos los caminos que van desde el alimentador a la apertura tienen la misma longitud.

El reflector parablico permite convertir una radiacin poco directiva de un alimentador en una de directiva tanto ms cuanto mayor sea el rea de la apertura.El foco juega un papel determinado. Para focos inmersos en el reflector, el decaimiento de la potencia en bordes es bastante acusado, algo que hace disminuir la eficiencia de iluminacin y como consecuencia, disminuye la directividad. Si el foco est lejos, se invierte el resultado, es decir, el perfil de potencia en el reflector es casi-uniforme aumentando la eficiencia de iluminacin pero en cambio disminuye la de desbordamiento. En aquellas aplicaciones muy sensibles al ruido (aplicaciones de radioastronoma), interesa integrar al alimentador en el carcasa del reflector para evitar captar ruido del suelo. En este caso, la arquitectura Cassegrain permite utilizar a un doble reflector para tal efecto.

Arquitectura CassegrainUna antena Cassegrain es una antena parablica en la que la antena de alimentacin est montada detrs de la superficie de la antena principal cncava. El reflector parablico est dirigido a un reflector pequeo convexo secundario suspendido en frente del reflector primario. El haz de ondas de radio de la alimentacin ilumina el reflector secundario, que la refleja de vuelta al plato reflector principal, que lo refleja de nuevo hacia delante para formar el haz deseado.

El diseo Cassegrain se usa ampliamente en antenas parablicas, particularmente en las grandes antenas como los de estaciones de satlite de tierra , radiotelescopios , y satlites de comunicacin .

Conjunto reflectante (Reflectarray)Es una clase de directiva de antenas en el que mltiples elementos impulsados estn montados en frente de una superficie plana diseados para reflejar las ondas de radio en una direccin deseada. A menudo se utilizan en la banda de frecuencias VHF. El arreglo de cortina es una versin ms grande utilizado para onda corta en estaciones de radio.

El arreglo reflectante por lo general tienen una serie de elementos accionados idnticos, alimentados en fase, enfrente de un gran superficie reflectante plana cargada elctricamente, para producir un haz unidireccional , el aumento de ganancia de la antena y la reduccin de la radiacin en direcciones no deseadas. Los elementos individuales son ms comnmente dipolos de media onda , a pesar de que a veces contienen elementos parsitos , as como elementos accionados. El reflector puede ser una lmina de metal o ms comnmente una malla de alambre. Una malla de metal refleja las ondas de radio, as como una hoja de metal slido, siempre y cuando los orificios de la pantalla sean ms pequeas que alrededor de un dcimo de una longitud de onda, por lo que las mallas se utilizan a menudo para reducir cargas de peso y el viento en la antena. Por lo general, consisten en una parrilla de alambres o varillas paralelas, orientadas en paralelo al eje de los elementos de dipolo.

Reflector de FresnelUn concepto parecido al reflectarray consiste en lo que se conoce como Fresnel Zone Antenna, en honor al ingeniero francs Fresnel (Fig. 241). Al igual que el reflectarray, su ventaja radica en que se trata de un relector plano con lo que es sencillo fabricar pues puede estar impreso en una superficie plana. Como contrapartida encontramos su menor ancho de banda.

Superficies parcialmente reflectantes (PRS)Siguiendo el principio de los reflectores parablicos y reflectarrays de colimar el haz creando un frente de onda con fase plana, otro tipo de arquitectura que utiliza este principio es la superficie parcialmente reflectante que permite obtener altas directividades a partir de un alimentador poco directivo.

Los (PRS) han atrado a un significativa atencin debido a su estructura compacta y de alta directividad. La estructura bsica de este tipo de antenas es ms bien simple. Una antena de fuente, tpicamente un parche microstrip o un dipolo con un reflector, la cual alimenta un PRS ubicada aproximadamente a la mitad de una longitud de onda por encima de ella. El PRS y el plano de tierra forman una cavidad donde las ondas electromagnticas procedentes de la fuente experimentan multiples refleciones. A una frecuencia dada las ondas transmitidas parcialmente a travs del PRS interfieren constructivamente y se obtiene un lpiz de haz altamente directiva. La directividad de la antena PRS depende fuertemente de la reflectividad PRS

Diagrama medidos por la antena microstrip (feeder) sin la PRS y con el efecto de la PRS

Reflectores didricosOtro principio para aumentar la directividad de una fuente directiva consiste en un reflector didrico. A pesar de su utilidad como tcnica de aumento de directividad, no sigue el mismo principio que el reflector parablico. En el parablico, se est forzando, dada su geometra, que el frente de onda en la apertura tenga una amplitud casi uniforme y fase uniforme. Esto implica que si se desea aumentar la directividad, se puede aumentar el rea del reflector tal como sucede en antenas altamente directivas de aplicaciones de radioastronoma.

En los reflectores didricos, la directividad est acotada y, por mucho que aumenten las medidas del reflector, no se aumenta la directividad ya que no se consigue un frente de onda en el apertura uniforme ni en la amplitud ni en la fase. A pesar de este inconveniente, el reflector didrico presenta mucha utilidad en ciertas aplicaciones comerciales como recepcin de televisin. El diedro se simplifica por un conjunto de varitas prximas en trminos de la longitud de onda y emulan un conductor continuo. De esta forma se minimiza el peso, la resistencia al viento y coste, a pesar de mantener un comportamiento similar al del conductor continuo.

Esquema bsico de un reflector didrico. La fuente se sita a una distancia d del vrtice. El ngulo del reflector es a.

Aplicacin de un reflector didrico simplificado con varitas para aumentar la directividad de una agrupacin YagiUda. Notis que las varitas tienen el mismo sentido que la polarizacin de la antena y es vertical en este caso.

Corte del diagrama de radiacin en el plano XY para diferentes distancias fuente vrtice del diedro. a) d=0.5; b) d=1l; c) d=1.5; d) d=2.5.Didros 90

Es interesante ver el efecto de las medidas del reflector en el diagrama de radiacin. Usualmente se utiliza una longitud el doble que d. No slo resulta interesante observar el efecto de paredes finitas, sino tambin observar que el diagrama se mantiene invariante una vez la medida de la pared es suficiente, cosa que contrasta con el reflector parablico.Paredes de dimensin y fuente situada a 0.5 del vrtice. a) Separacin varitas s=0.05 ; b) 0.1 ; c) 0.15 .

LentesEl principio de funcionamiento es muy similar al del reflector parablico: a partir de una fuente que suponemos isotrpica (genera ondas esfricas), generar un frente de onda plana.Este frente de onda plana se caracteriza por tener la misma intensidad de campo y la misma fase en cualquier punto del frente.De regreso a la teora de agrupaciones, el campo radiado por una distribucin uniforme en amplitud y fase es ms directiva cuanto mayor elctricamente sea la distribucin. Por lo tanto, la lente transforma la radiacin de una fuente poco directiva en un frente de onda plana (al igual que el reflector).