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ANTENAS
DEFINICIÓN DE ANTENA.
• Es un sistema conductor metálico capaz de recibir y radiar ondas electromagnéticas.• Una antena se utiliza como la interface entre el transmisor y el
espacio libre o el espacio libre y el receptor.• Una antena acopla energía de la salida de un transmisor a la
atmósfera de la tierra o de la atmósfera de la tierra a un transmisor.
ANTENA: DISPOSITIVO PASIVO.
• Una antena es un dispositivo pasivo, en cuanto a que en realidad no puede amplificar una señal, sin embargo una antena puede tener ganancia.
OPERACIÓN BÁSICA DE LA ANTENA• La operación básica de la antena se comprende mejor al observar los
patrones de ondas estacionarias de voltaje en una línea de transmisión.
OPERACIÓN BÁSICA DE LA ANTENA• Como se observa en la figura anterior la línea de transmisión termina
en un circuito abierto, que representa una discontinuidad abrupta en la onda de voltaje incidente, lo que genera una inversión de fase.• La inversión de fase resulta cuando parte del voltaje incidente se
irradia en lugar de ser reflejado.
ANTENAS DIPOLO.
• Antena “Half-wave dipole” (o antena Hertz).• Antena “Quarter-wave vertical” (o antena Marconi).
Antena Half-Wave Dipole• La antena más corta que puede ser usada para radiar
señales en el espacio libre.• Está formada por un conductor eléctrico recto.• Este mide ½ la longitud de onda.• Es una de las antenas más simples.
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Antena Quarter-Wave Dipole
• Es un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia transmitida o recibida.• También conocida como antena Marconi.• Es una antena que necesita estar en contacto directo con tierra para
poder tener las características de una antena half wave dipolo.
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Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA
•Reflector •Directores
Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA
PATRÓN DE RADIACIÓN.
• Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio.• Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo
a partir de la dirección de máxima emisión.
DIAGRAMA DE RADIACIÓN.
Antenas: Patrón de Radiación Tridimensional
DIPOLO SIMPLE
DIPOLO SIMPLE. PLANO VERTICAL
DIPOLO SIMPLE. PLANO HORIZONTAL
POLARIZACIÓN VÉRTICAL.
POLARIZACIÓN HORIZONTAL.
RELACIÓN DE POTENCIA ENTRE LÓBULOS.• EFICIENCIA DIRECCIONAL: es la relación de potencia
del lóbulo frontal al lóbulo trasero.
•RELACIÓN FRONTAL A LATERAL: Es la relación de potencia del lóbulo frontal a un lóbulo lateral.
ANTENA ISOTRÓPICA Y DIPOLAR
ANTENA ISOTRÓPICA Y DIPOLAR
RESISTENCIA DE RADIACIÓN
EFICIENCIA DE LA ANTENA
• Es la relación de potencia irradiada por la antena entre la potencia total de entrada. (La potencia total de entrada es la suma de la potencia irradiada y la potencia disipada).
OTRAS FORMAS DE EXPRESAR LA EFICIENCIA DE UNA ANTENA
OTRAS FORMAS DE EXPRESAR LA EFICIENCIA DE UNA ANTENA
GANANCIA DIRECTIVA
• Es la relación de la densidad de potencia irradiada en una dirección particular entra la densidad de potencia irradiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas están irradiando la misma cantidad de potencia.
GANANCIA DIRECTIVA
GANANCIA DE POTENCIA.
• Es lo mismo que la ganancia directiva, excepto que se usa la potencia total alimentada a la antena; es decir, se toma en cuenta la eficiencia de la antena. Se supone que la antena dada y la antena de referencia tienen la misma potencia de entrada, y que la antena de referencia no tiene pérdidas (100% de eficiencia).
GANANCIA DE POTENCIA.
POTENCIA ISOTROPICA EFECTIVA IRRADIADA (EIRP)• La potencia isotrópica efectiva irradiada (EIRP) se define como la
potencia equivalente de transmisión y se expresa de la siguiente forma:
POTENCIA ISOTROPICA EFECTIVA IRRADIADA (EIRP)• En terminos de la potencia de entrada y la ganancia de potencia de la
antena:
DENSIDAD DE POTENCIA EN DETERMINADO PUNTO
APERTURA DEL HAZ
•Así como una linterna emite un haz de luz, se dice que una antena direccional emite un haz de radiación en una o más direcciones. El ancho o apertura de este haz (beamwidth) se define como el ángulo entre sus puntos de media potencia. Éstos son también los puntos en los que la densidad de potencia es 3 dB menor de lo que es en su punto máximo.
APERTURA DEL HAZ
RAZÓN FRENTE ESPALDA
• La razón entre las ganancias del frente y la parte posterior es la razón frente-espalda o frontal-posterior. Generalmente se expresa en dB. Para un dipolo, las direcciones delante y atrás tienen la misma radiación.
• 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.
RESISTENCIA DE RADIACIÓN EN FUNCIÓN DE LA ALTURA SOBRE EL SUELO.
• Cuando la distancia a la superficie del suelo es mayor a aproximadamente media longitud de onda, el efecto de las reflexiones se reduce mucho, y la resistencia de radiación permanece relativamente constante.
• La resistencia de radiación de una antena ideal es de aproximadamente 73 ohms.
ANTENA CONECTADA A TIERRA.
• Una antena monopolo (un solo polo) de un cuarto de longitud de onda de largo, montada en dirección vertical con el extremo inferior conectado en forma directa al suelo, o aterrizada a través de la red de acoplamiento de la antena. (Antena Marconi).• Produce las mismas distribuciones estacionarias de una antena de
media onda no aterrizada.
ANTENA ATERRIZADA DE CUARTO DE ONDA.
CARGA DE LA ANTENA.
• Las dimensiones físicas para las antenas de baja frecuencia no son prácticas, en especial para aplicaciones de radio móvil.
• Es posible aumentar la longitud eléctrica de una antena mediante una técnica llamada carga.
BOBINAS DE CARGA.
ANTENAS DE UHF Y MICROONDAS.
Tomado de: http://gemini.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/usm/cd/documento5.pdf
DIAGRAMA DE RADIACION DE REFLECTORES PARABOLICOS.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• Los reflectores parabólicos tienen la propiedad útil de que cualquier rayo que se origina en un punto llamado foco y choca con la superficie reflectora se refleja paralelo al eje de la parábola, es decir, se produce un haz colimado de radiación.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• La antena de “plato” parabólico común en las viviendas u oficina con instalaciones para recepción de señales vía satélite, consisten en una antena pequeña en el foco de un gran reflector parabólico, que concentra la señal de la misma forma que el reflector de una linterna concentra un haz de luz.
REFLECTORES PARABOLICOS.
•Desde un punto de vista ideal, la antena en el punto de alimentación debe iluminar toda la superficie del plato con la misma intensidad de radiación y ninguna radiación debe salir por los bordes del plato o en otra direcciones. Si esto se cumple, es posible calcular la ganancia y la apertura del haz de la antena.
REFLECTORES PARABOLICOS.
•APERTURA DEL HAZ: La ecuación para la apertura del haz es:
REFLECTORES PARABOLICOS.
•GANANCIA:
REFLECTORES PARABOLICOS.
•GANANCIA: La ganancia se reduce por la iluminación no uniforme de la antena, las pérdidas, y la salida de radiación en los bordes. Para incluir estos efectos en los cálculos de ganancia, es necesario incluir una constante η, que se conoce como la eficiencia de una antena. En teoría esta constante puede tener un valor entre 0 y 1, pero está entre 0,5 y 0,7 para una antena ordinaria.
REFLECTORES PARABOLICOS.
•GANANCIA: Cuando se incluye la constante de la eficiencia η, la ecuación es:
REFLECTORES PARABOLICOS.
• EJERCICIO: Una antena parabólica tiene un diámetro de 3 m, una eficiencia de 60% y opera a una frecuencia de 4GHz. Calcule su ganancia y apertura de haz.
•Conocemos la frecuencia (f), entonces hallemos la longitud de onda (λ).
• Ahora podemos determinar la apertura del haz.
• La ganancia está dada por:
Recordemos que la ganancia no tiene unidades.En decibeles con respecto a un radiador isotrópico, la ganancia es:
REFLECTOR PARABÓLICO.
• Puede usarse cualquier tipo de antena con un reflector parabólico. En la porción de microondas del espectro, donde los reflectores parabólicos son más útiles debido a que pueden tener un tamaño práctico, una antena de corneta o bocina proporciona un método simple y eficiente para alimentar potencia a la antena.
REFLECTOR PARABÓLICO.
• ANTENA PARABÓLICA RECEPTORA: En una antena parabólica receptora, el área efectiva se llama área de captura y siempre es menor que el área de la boca de la antena receptora.• La GANANCIA DE POTENCIA para una antena receptora se expresa
como:
EJERCICIO.
• Determine el ancho de haz, la ganancia de potencia transmisora, la ganancia de potencia receptora, y la potencia efectiva isotrópica irradiada (EIRP) para un reflector parabólico de 1m de radio con 2 W de potencia radiada por el mecanismo de alimentación operando en 6 GHz con una eficiencia del 55%.
MICROONDAS
RADIOENLACE.
IMPORTANCIA DE LOS ENLACES DE MICROONDAS.
CONFIGURACIÓN DE UN ENLACE VIA MICROONDAS.• Posee tres componentes fundamentales:
• El transmisor• El receptor• El canal Aéreo
Factor limitante: la distancia entre txor y rxor debe estar libre de obstáculos y la altura mínima sobre los obstáculos en la via.
VENTAJAS DE LOS ENLACES DE MICROONDAS.
DESVENTAJAS DE LOS ENLACES DE MICROONDAS.
MICROONDAS
• No existe una clara distinción entre microondas y otras señales de frecuencia de radio. De común acuerdo el límite inferior para las frecuencias de microondas se fija en 1GHz. Se estudian aparte las microondas debido a que muchas técnicas ordinarias para generar, amplificar y transmitir señales se vuelven menos efectivas cuando aumenta la frecuencia, en tanto que otras técnicas imprácticas a frecuencias a frecuencias menores se vuelven mas útiles.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN MICROONDAS• A bajas frecuencias, se ignora la capacitancia y la inductancia de las
terminales de la componente. A frecuencias de microondas, incluso las terminales de conexión cortas tienen reactancia capacitiva e inductiva importantes, así que el diseño físico de los componentes debe cambiar.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN MICROONDAS
• A frecuencias cercana a la banda de UHF, comúnmente se ignora el tiempo que tardan los portadores de carga para moverse por dispositivos como diodos y transistores. Cuando el periodo de las señales se vuelve mas corto, este tiempo de tránsito se vuelve una fracción importante del ciclo completo. Se rediseñaron algunos componentes ordinarios para reducir el tiempo de tránsito y algunos dispositivos activos a fin de incorporar los efectos de tiempo de transito de su operación.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN MICROONDAS
•Debido a las cortas longitudes de onda de las señales de microondas, las antenas de tamaño físico razonable pueden tener ganancia muy alta y los reflectores parabólicos se vuelven prácticos.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN MICROONDAS
•A frecuencias de microondas, las pérdidas en las líneas de transmisión ordinarias son bastante grandes. Las guías de ondas, tienen pérdidas mucho menores pero son imprácticas a frecuencias mas bajas debido a su gran tamaño.
GUIAS DE ONDAS.
• Las pérdidas del dieléctrico y del conductor en las líneas de transmisión ordinarias se incrementan con la frecuencia. Las guías de ondas proveen una alternativa para las frecuencias de microondas.• Una guía de ondas es, en esencia, un tubo o conducto por el que viaja
una onda electromagnética. Conforme viaja a lo largo de la guía, se refleja desde las paredes.
GUIAS DE ONDAS.
GUÍAS DE ONDAS.
• Las guías de ondas rectangulares de latón o aluminio, en ocasiones recubiertas en el interior con plata, son muy comunes, pero también se puede utilizar secciones transversales elípticas y circulares.
GUÍAS DE ONDAS.
• Es posible construir una guía de ondas para cualquier frecuencia, pero estos dispositivos operan como filtros pasa altas, es decir, para una determinada sección transversal de la guía de ondas hay una frecuencia de corte por debajo de la cual no se propagan las ondas. A frecuencias debajo de los intervalos de GigaHertz, las guías de ondas son demasiado grandes para ser prácticas.
GUÍAS DE ONDAS.
• Cuando los campos eléctrico y magnético están contenidos en la guía, las guías de onda no tienen pérdida de radiación. Las pérdidas dieléctricas son muy pequeñas debido a que el dieléctrico es el aire. Hay algunas pérdidas en las paredes conductivas de la guía de ondas, pero debido a la gran área de superficie de las paredes, estas pérdidas son mucho mas pequeñas que las pérdidas en la línea coaxial o cable desnudo.
GUIAS DE ONDA RECTANGULAR
• Las guías de ondas rectangular son las que mas se usan.
• Para propagar bien una TEM a través de una guía de ondas, la onda debe propagarse por ella en zigzag, con el máximo del campo eléctrico en el centro de la guía y cero en la superficie de las paredes.
GUIAS DE ONDA RECTANGULAR
• En las guías de onda la velocidad de propagación depende de la frecuencia de la señal transmitida.
• Velocidad de grupo: Velocidad a la que se propaga una onda.• Velocidad de fase: Es aquella con la que cambia de fase una onda.
VELOCIDAD DE FASE.
• Es la velocidad aparente de una fase determinada de la onda, por ejemplo, su cresta o punto de máxima intensidad de campo eléctrico.• Es la velocidad con la que cambia de fase una onda, en dirección
paralela a una superficie conductora que pueden ser las paredes de una guía de ondas.
VELOCIDAD DE FASE.
NOTA: LONGITUD DE ONDA EN LA GUÍA DE ONDAS
VELOCIDAD DE GRUPO.
• Es la velocidad de un grupo de ondas, es decir, de un pulso. La velocidad de un grupo es aquella con la que se propagan las señales de información de cualquier tipo. También es la velocidad con la que se propaga la energía.• Se puede medir determinando el tiempo necesario para que un pulso
se propague por determinada longitud de una guía de ondas.
VELOCIDAD DE FASE - VELOCIDAD DE GRUPO.• Las velocidades de fase y de grupo tienen la misma velocidad en el
espacio libre y en las líneas de transmisión de hilos paralelos.• En las guías de ondas por lo general, estas dos velocidades no son las
mismas.• La velocidad de fase siempre es mayor o igual que la velocidad de
grupo.
VELOCIDAD DE FASE - VELOCIDAD DE GRUPO.• El producto entre la velocidad de fase y la velocidad de grupo es igual
al cuadrado de la propagación en el espacio libre.
• La velocidad de fase puede ser mayor que la velocidad de la luz.• La velocidad de grupo y no la de fase es la que representa la velocidad
de propagación de la energía.• La velocidad de fase en una guía de ondas es mayor que su velocidad
en el espacio libre, en consecuencia, la longitud de onda para determinada frecuencia será mayor en la guía que en el espacio libre.
VELOCIDAD DE FASE - VELOCIDAD DE GRUPO.
LONGITUD DE ONDA EN LA GUÍA Y EN EL ESPACIO LIBRE.• La relación entre la longitud de onda en el espacio libre, en la guía y la
velocidad de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es:
FRECUENCIA DE CORTE.
• Las guías de onda tienen una frecuencia mínima de operación que se llama frecuencia de corte. Es una frecuencia limitadora única; las frecuencias inferiores a la de corte no se propagarán por la guía de ondas.• La longitud y la frecuencia de corte se determinan por las
dimensiones transversales de la guía de ondas.
FRECUENCIA DE CORTE.
FRECUENCIA DE CORTE.
• La relación matemática entre la longitud de onda de la guía en determinada frecuencia, y la frecuencia de corte es:
VELOCIDAD DE FASE EN FUNCIÓN DE LA FRECUENCIA DE CORTE.
• Si la frecuencia de operación se hace menor que la frecuencia de corte, la velocidad de fase se vuelve imaginaria lo que significa que la onda no se propaga.
LONGITUD DE ONDA DE CORTE.
• El límite de operación de la longitud de onda se presenta la frecuencia para la cual la dimensión transversal máxima de la guía es exactamente la mitad de la longitud de onda en el espacio libre.
IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA.
• Las guías de ondas tienen una impedancia característica que es análoga a la de las líneas de transmisión de dos hilos.
DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS ELECTRICAS DE GUIAS DE ONDAS RECTANGULARES.
CIRCULADORES
• Es un dispositivo muy útil que permite la separación de señales. El circulador de tres puertos, permite que la señal introducida en un puerto aparezca en y solo en el puerto contrario a las manecillas de reloj.
• Se usa como conmutador para transmitir y recibir.
ANTENAS DE MICROONDAS.
• No hay diferencia teórica entre las antenas de microondas y las que se utilizan para frecuencias menores. Las diferencias son prácticas: a frecuencias de microondas es posible construir antenas de ganancia alta de tamaño físico razonable. También son posibles los dipolos. Yagis y log-peródicas.
ANTENAS DE BOCINA.
• Pueden considerarse como transformadores de impedancia, que adoptan las impedancias de las guías de ondas con las del espacio libre.
• Las bocinas sectoriales de plano E y de plano H reciben el nombre por el plano en el que se ensancha; la bocina piramidal se ensancha en ambos planos. La bocina cónica es la mas apropiada con guía de ondas circular.
ANTENA PLANO E
BOCINA PLANO H.
BOCINA PIRAMIDAL
BOCINA CÓNICA.
GANANCIA DE LA ANTENA DE BOCINA PIRAMIDAL.
APERTURA DEL HAZ EN EL PLANO H Y EN EL PLANO E.
EJERCICIO.
• Una bocina piramidal tiene una apertura de 58mm en el plano E y 78 mm en el plano H. La bocina opera a 10GHz. Calcule:
a. Su ganancia en dBi.b. La apertura del haz en el plano H.c. La apertura del haz en el plano E.
RADAR.
• Radar es acrónimo de radio detection and ranging.• La tecnología de microondas también es utilizada por
los radares, para detectar el rango, velocidad, información meteorológica y otras características de objetos remotos.
RADAR.
• Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de información. El uso de ondas electromagnéticas permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.)
ECUACIÓN DE RADAR.
COMPONENTES PASIVOS.
• El uso de guías de ondas requiere rediseñar algunos de los componentes ordinarios que se utilizan con las líneas de alimentación. El conector T es un ejemplo. Además otros componentes, como las cavidades resonantes, son muy grandes para ser prácticos a bajas frecuencias.
COMPONENTES PASIVOS.
CODOS Y UNIONES EN T.
• Cualquier cosa que cambie la forma o tamaño de una guía de ondas tiene un efecto en los campos eléctricos y magnéticos de su interior. Si la perturbación es lo bastante grande, habrá un cambio en la impedancia característica dela guía. Sin embargo, siempre que cualquier curvatura o torsión sea gradual, el efecto es mínimo.
CODO PARA GUÍA DE ONDAS.
ALGUNOS CODOS Y UNIONES.
GUIA DE ONDAS FLEXIBLE.
• Las guías de ondas flexibles se usan para instalaciones difíciles.
HELIAX.
• Su ancho de banda es Extremadamente grande. A la “guía de onda flexible” se le conoce como Heliax.
ATENUADOR EN GUIAS DE ONDAS.
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO PARA MICROONDAS.
•A medida que aumenta la frecuencia, las reactancias inductivas crecen y las reactancias capacitivas disminuyen. Hay tanta retroalimentación del colector a la base que se inutiliza el transistor.
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO PARA MICROONDAS.
• Es imposible eliminar la capacitancia e inductancia parásitas pero si es posible reducirlas.• El arseniuro de galio (GaAsFET) es más
rápido que el silicio y se prefiere en las aplicaciones de microondas.
DISPOSITIVOS DE GUNN.
• Al dispositivo de gunn se denomina a veces diodo Gunn, porque tiene dos terminales, pero en realidad carece de unión. Es solo un sustrato.
DIODOS IMPATT.
• Acrónimo de• IMPact ionization Avalanche Transit Time (de Tiempo de Tránsito
por Avalancha con Ionización por Choque).• Como indica su nombre el dispositivo opera en la región de ruptura
en sentido inverso.
OTROS DIPOSITIVOS.
• Diodo pin. Su uso se prefiere en la región de microondas del espectro debido a su capacitancia pequeña cuando se polariza a la inversa.
• Diodo Varactor. Se utiliza a menudo en multiplicadores de frecuencia.
MAGNETRONES.
• Son osciladores de frecuencia fija y alta potencia, sobresalientes no por su estabilidad o facilidad de modulación sino por simples, resistentes y relativamente eficientes. Los magnetrones se utilizan mas en transmisiones de radar, donde generan niveles de potencia máxima del orden de los megawatts.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
• BALANIS, Constantine. Antenna theory. Analysis and design. Ed. Wiley. • WAYNE, Tomasi. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Editorial
Prentice Hall, 1996. • BLAKE, Roy. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Editorial
Thompson, 2ª Ed. 1902