II ANTENASINTRODUCCION. Las antenas son transductores que permiten la
transmisión de información a través del aire mediante ondas electromagnéticas (OEM).
Las OEM se propagan a través del aire de manera distinta, dependiendo de la frecuencia o longitud de onda.
Las de baja frecuencia se propagan por la superficie (llamadas ondas de tierra o terrestres).
Las de mediana frecuencia se propagan por reflexión en la ionosfera.
Las de alta frecuencia se propagan mediante haces rectilíneos (como la luz) de un extremo a otro.
FIG. 1 Propagación de las ondas de radio.
Las OEM tienen su origen en el movimiento de cargas eléctricas (electrones) en un conductor abierto, llamado ANTENA.
Los electrones inducen un campo eléctrico con idénticas características que las ondas de voltaje y corriente que lo originaron.
A su vez, el campo eléctrico induce un campo magnético perpendicular a él, y con características idénticas a las ondas de voltaje y corriente originales.
Ambos campos son radiados en una dirección perpendicular a ellos, llamándose a esto: Ondas Electromagnéticas (OEM).
Estas OEM viajan por el espacio libre, el aire y por muchos otros materiales, variando la velocidad de propagación dependiendo del factor de velocidad, k, el cual depende del material.
V = kC donde C = 3 x 108 m/s, que es la velocidad de la luz (y de las OEM)
en el vacío.
Por lo tanto en el vacío, k es igual a 1 y la velocidad, V, de las OEM es de 3x108 m/s, que es la velocidad de la luz en el espacio libre.
En los materiales, la velocidad de propagación de las OEM depende de la permitividad relativa del medio:
V = C / r
Y esta velocidad es menor a la de las OEM en el vacío. Se puede decir que las OEM se propagan por el
dieléctrico con permitividad relativa r, guiada por los conductores.
La relación entre los campos eléctrico y magnético de una OEM es muy similar a la relación de voltaje y corriente en un circuito eléctrico:
La Ley de Ohm establece que: Z = V / I– Donde: Z = impedancia en ohms.
V = voltaje en volts.
I = corriente en amperes.
La Ley de Ohm aplicada a las OEM:
= E / H
Donde: = impedancia del medio en ohms.
E = intensidad de campo eléctrico en V/m
H = intensidad de campo magnético en A/m
Para un medio sin pérdida, por ejemplo, en el vacío:
=
Donde: = permeabilidad del medio en Henrios/m
= permitividad del medio en Faradios/m
Para el espacio libre: o = 4x10-7 H/m
o = 8.854x10-12 F/m
Entonces la impedancia en el espacio libre es:
o = o / o = 377
La relación entre la permitividad del medio, , y la permitividad del espacio libre, o, se conoce como:
CONSTANTE DIELECTRICA o PERMITIVIDAD RELATIVA: r
r = / o
Por lo tanto la impedancia de un medio no magnético es:
= 377 / r
De igual manera, la potencia en un circuito eléctrico es:
P = V2 / R En una OEM, la potencia es:
PD = E2 / – Donde: PD = Densidad de Potencia en W/m2
E = Intensidad de campo eléctrico, en V/m
= Impedancia del medio en .
2.1 Patrón de Radiación
Cuando se trata de transmitir información utilizando el aire, por medio de Ondas Electromagnéticas, es necesario utilizar una Antena
La antena en un transmisor es un transductor o dispositivo que convierte las oscilaciones de voltaje y/o corriente en variaciones de Campo Eléctrico y Campo Magnético.
La antena genera Ondas Electromagnéticas (OEM) cuya forma de onda y frecuencia de oscilación es la misma que las del voltaje y/o corriente que las producen.
Antena de Transmisión OEM
emitida
FIG. 2.1-1 Antena de Transmisión.
Antena de Recepción
Las antenas se usan tanto para Transmisión, que es el caso descrito anteriormente, como para Recepción, donde las OEM son captadas por la antena y ésta actúa como un transductor que convierte las OEM en una señal eléctrica, induciendo una corriente, que es entregada a la Línea de Transmisión la cual a su vez funciona como un acoplador de impedancias hacia las siguientes etapas del Receptor.
Antena de Recepción
OEM incidente
Receptor
FIG. 2.1-2 Antena de Recepción.
Señal enviada por aire usando OEM
Cuando se desea enviar a través del aire una señal de información, que puede ser audio, video o datos, la señal se verá afectada por diversos factores que la alterarán, como :– Atenuación– Distorsión– Ruido
La señal recibida es afectada en su :– Forma de onda.– Frecuencia (o fase)
Para usar antenas es necesario emplear la: Modulación
la cual se define como:
– Trasladar la señal de información a un espectro de alta frecuencia donde se encuentra la señal de Portadora, siendo ésta señal la que se encargará de viajar a través del aire en forma de OEM y que contiene a la información en cuestión.
– “Montar” la señal de información sobre una señal de alta frecuencia que se llama Portadora, la cual puede ser de Radiofrecuencia (R.F.) o de Microondas (O) y que al entregarla a una antena, ésta se encarga de “radiarla” al aire convirtiéndola en una OEM, la cual se de desplazará desde el Transmisor, a través del aire, hasta el Receptor que se encuentra distante.
Dimensiones Físicas de la Antena
Las dimensiones físicas de este elemento están directamente relacionadas con la longitud de onda () de la señal de portadora que se desea transmitir, siendo esta relación :
1 ½ ¼
de la señal de portadora de R.F. o de O. La elección dependerá de varios factores, entre otros, de la posibilidad de realizar físicamente ésta antena.
Onda Electromagnética (OEM)
Frecuencia = 1 ciclo / 1 segundo = 1 Hertz = 1 HzTPeriodo de 1 seg
t(seg)
F(t)
FIG. 2.1-3 Periodo de una OEM con frecuencia de 1 Hz.
Onda Electromagnética (OEM)
T=0.5 seg T=0.5 seg
1 seg
F(t)
t(seg)
Frecuencia(f) = 2 ciclo / 1 segundo = 2 Hertz = 2 Hz
FIG. 2.1-4 Periodo de una OEM con una frecuencia de 2Hz.
Periodo, Frecuencia y Velocidad de propagación de una onda. La relación entre el Periodo (T) y la Frecuencia (f) de
una onda de voltaje, de corriente o de una OEM es :T = 1 / f seg.
La Longitud de Onda () de una onda de voltaje, de corriente o de una OEM, está relacionada con su velocidad de propagación y con su frecuencia :
= v / f m La velocidad de propagación (v) de una onda en el
vacío (o el aire) es c = 3 x 108 m/s, quedando la ecuación como :
= c / f m
Ejemplo para enviar a través del aire una señal de
audio, limitada en frecuencia a 15 KHz mediante un filtro pasa bajas, suponiendo que la onda viajará a la velocidad de la OEM en el vacío, la longitud de onda de esta señal será :
= c / f = 3 x 108 m/s / 15 x 103 1/s = 20,000 m
tomando el criterio de que la longitud física de la antena sea ¼ de longitud de onda :
H = / 4 = 20,000 m/4 = 5000 m
longitud de la antena de 5 Km. !!!!!
EjemploLa anterior no es una antena físicamente
realizable, se propone usar una señal de portadora de R.F. de 1 MHz, entonces la longitud física de la antena quedará en
= c / f = 3 x 108 m/s / 1 x 106 1/s = 300 m H = / 4 = 300 m / 4 = 75 m Será la longitud de la antena, la cual es
físicamente es realizable y que es típica de una antena de transmisión de una estación comercial de radio de Amplitud Modulada (A.M.).
Longitud Física de la Antena
H = / 4
FIG. 2.1-5
Longitud física de una antena de Transmisión en función a la longitud de
onda de la señal a transmitir.
L. de T. en corto como una Antena
FIG. 2.1-6 Una Línea de Transmisión cortocircuitada de un ¼ de longitud de onda que actúa como un circuito resonante paralelo, es decir como una antena que radia OEM.
L. de T. de 1/2 y 1/4 de
FIG. 2.1-7a Líneas de transmisión en corto circuito de /2 y en circuito abierto de /4 actuando comoantenas.
FIG. 2.1-7b Líneas de transmisión en corto circuito de /4 y como se convierte en una antena dipolo de dos elementos.
Antena del Transmisor
INFORMACIÓN(Audio, Video , Datos)
MODULACIONAMPLIFICACIÓN,
FILTRADO Y ACOPLAMIENTO DE
IMPEDANCIAS
OSCILADOR DE PORTADORA
LINEA DE TRANSMISION
ANTENAOEM
FIG. 2.1-8 Diagrama de un Transmisor
Antena del Receptor
OEM
FILTRADO, ACOPLAMIENTO DE
IMPEDANCIAS Y AMPLIFICACIÓN DE RF
DEMODULACIONINFORMACIÓN
(Audio, Video, Datos)
ANTENA
LINEA DE TRANSMISION
FIG. 2.1-9 Diagrama de un Receptor.
Parámetros de una Antena
- Diagrama Polar (En coordenadas Polares).
- Diagrama de Radiación (En coordenadas
Cartesianas).
- Ancho del Haz.
- Polarización.
- Ancho de Banda.
- Impedancia.
- Características Mecánicas: Dimensiones, Materiales, Soportes, etc.
Diagrama Polar La antena emite (o recibe) OEM, el análisis de
la intensidad o potencia de la OEM en un punto distante de la antena será indicativo de la región en el espacio en el que la OEM podrá ser captada por una antena.
La OEM se propaga de forma perpendicular al plano horizontal en el cual se encuentra la antena.
El Diagrama Polar indica la variación del campo eléctrico (o magnético) de la OEM en función del ángulo y de la distancia R, desde la antena hasta el punto P de interés donde se desea saber cual es la potencia de la OEM.
Diagrama Polar
R
P
ANTENA
FIG. 2.1-10 Diagrama Polar de una Antena.
FIG. 2.1-11 Ejemplo de un Diagrama de Radiación Polar
de una antena.
Radicación Frontal o Principal
Lóbulo Principal
Nulos
Lóbulos Laterales
Radiación Posterior
El ejemplo del Diagrama de Radiación Polar mostrado anteriormente, en realidad es tridimensional, pero se representa en la figura en 2 planos: vertical y horizontal, correspondientes al plano de elevación y al plano azimutal.
En la misma figura se observan varios componentes del diagrama de radiación polar como :
Diagrama Polar
Lóbulo Principal : es el espacio donde se concentra la mayor cantidad de energía radiada por una antena de transmisión; es donde se deberá colocar la(s) antena(s) de recepción para capturar la energía emitida.
Lóbulo Lateral : son pérdidas de energía de una antena de transmisión, en estos espacios se radia energía que debería estar en el Lóbulo Principal. Una antena de alta eficiencia tiene pocos Lóbulos Laterales y una ideal no los tiene, es decir, que el 100 % de la energía entregada por el transmisor se radia en una dirección determinada por el Lóbulo Principal.
Diagrama Polar
Nulos : Son espacios donde no se tiene disponible energía radiada por la antena de transmisión y ahí no es conveniente colocar antena(s) de recepción.
Radiación Frontal o principal : es la dirección hacia donde se dirige el Lóbulo Principal.
Radiación Posterior : es la dirección opuesta hacia donde se dirige el Lóbulo Principal.
Diagrama Polar
Patrón de Radiación o Diagrama Polar
El diagrama de radiación polar mostrado en el ejemplo anterior se refiere a una antena que transmite hacia una sola dirección, sin embargo hay otros tipos de antenas que tienen diagramas de radiación distintos al mostrado.
Puede haber antenas que radien hacia 2 lados o hacia 4 lados.
O hacia todas direcciones, conociéndose a ésta última como antena Omnidereccional y tendrá un diagrama de radiación circular (esférico) el cual es ideal, ya que en la realidad no se puede logar este patrón de radiación.
FIG. 2.1-12 Diagrama de Radiación Polar de una antena isotrópica (ideal).
Ancho del Haz
En la figura 2.1-11 se observó que el Ancho del Haz es la parte más ancha del Lóbulo Principal en donde la energía máxima radiada (Campo Eléctrico o Campo Magnético máximos) decae 3 dB en la dirección del Lóbulo Principal.
Se observa que ésta dirección es donde se encuentra = 0°.
DIAGRAMA DE RADIACION (En coordenadas cartesianas):Este diagrama de radiación es una forma alterna al diagrama de radiación polar. El ancho del haz se da cuando la energía máxima radiada decae 3 dB del valor máximo, esto es, que decae un 70 % del valor máximo.
E (dB)Ancho del Haz
Emax
- 3 dB
Lóbulo Principal
Lóbulos Laterales
Nulos
FIG. 2.1-13 Diagrama de Radiación en coordenadas cartesianas de una antena.
2.2 Tipos y Características
Antena Dipolo
DIPOLO IDEAL
DIAGRAMA DE RADIACIÓN POLAR CIRCULAR
FIG. 2.2-1 Antena Dipolo Isotrópica con patrón de radiación Omnidireccional (Ideal).
Antena Dipolo
DIPOLO
LÓBULOS PRINCIPALES
= 0 °
FIG. 2.2-2 Diagrama de Radiación Polar real de un Dipolo sencillo.
Antena Dipolo
FIG. 2.2-3 Diagrama de Radiación Polar de una antena dipolo de media onda.
La antena dipolo real posee, además de los dos lóbulos principales, varios pequeños lóbulos laterales que representan pérdidas de energía radiada hacia puntos del espacio donde no se necesita recibir señal del transmisor. El dipolo se puede construir de un conductor de cobre o de aluminio y su diámetro puede ser del tamaño que requiera la aplicación en particular.
Antena Dipolo
Una antena dipolo puede estar formada por un solo elemento o por dos elementos unidos por un aislante, y donde cada elemento mide un cuarto de longitud de onda como se muestra en la siguiente figura 2.2-4. Esta antena tendrá un patrón de radiación polar real con dos lóbulos principales y varios pequeños lóbulos laterales entre los lóbulos principales.
Antena Dipolo
FIG. 2.2-4 Diagrama de Radiación Real de un dipolo.
Antena Dipolo
LÓBULOS PRINCIPALESLÓBULOS LATERALES
Antena Dipolo Cerrado
Para que el dipolo se parezca a una antena Isotrópica que radie en todas direcciones se modifica el diagrama de radiación polar “achatando” los lóbulos principales e incrementando el tamaño de los lóbulos laterales cerrando el dipolo.
Formando un dipolo cerrado o plegado, como se observa en la figura siguiente 2.2-5.
Se obtiene un ancho de banda más amplio. El intervalo de frecuencias dentro del cual su
impedancia permanece aproximadamente resistiva es mayor que para el dipolo sencillo.
Es un dipolo cuyos brazos han sido doblados por la mitad y replegados sobre sí mismos. Los extremos se unen. La impedancia del dipolo doblado es de 300 Ohm, mientras que la impedancia del dipolo simple en el vacío es de 73 Ohm.
El dipolo doblado es, en esencia, una antena única formada por dos elementos. Un elemento se alimenta en forma directa, mientras que el otro tiene acoplamiento inductivo en los extremos. Cada elemento tiene media longitud de onda de largo. Sin embargo, como puede pasar corriente por las esquinas, hay una longitud de onda completa de corriente en la antena.
FIG. 2.2-5a Antena Dipolo Doblado o Plegado.
La antena dipolo cerrado se puede fabricar de una línea de transmisión paralela unidos en ambos extremos y separados por el dieléctrico, uno de los conductores se abre en el centro y se conecta a una línea de transmisión balanceada, es decir que tenga la misma impedancia de la antena dipolo.
Antena Dipolo Cerrado
FIG. 2.2-5b Antena Dipolo Doblado o Plegado.
Antena Dipolo Cerrado
FIG. 2.2-6 Diagrama de radicación polar, aproximado, del dipolo cerrado.
Antena Dipolo Cerrado
Para hacer más directiva una antena, es decir, que se haga crecer uno de los lóbulos principales del dipolo, a éste se le agregan otros elementos, llamados elementos pasivos, que modificarán su diagrama de radiación, cumpliéndose esto tanto para antenas de transmisión como de recepción
Antena Dipolo con Elementos Pasivos
Antena Dipolo con Director
ELEMENTO EXCITADO (DIPOLO)
ELEMENTO PARASITO O PASIVO (DIRECTOR)
SOPORTE AISLANTELINEA DE TRASMISION
FIG. 2.2-7 Antena dipolo con elemento director pasivo.
La longitud del dipolo, elemento excitado, es H que puede ser ½ ó ¼ de , mientras que la longitud del elemento pasivo, llamado director, es 5 % más corto que el dipolo, es decir :
HDIPOLO = ½ ó ¼, entonces :
HDIRECTOR = H – 5 %
Antena Dipolo con Director
La función del elemento director es recibir las OEM radiadas por el dipolo, y por inducción generar una corriente de características idénticas a la OEM incidente y como actúa como una antena, radia una OEM idéntica a la incidente, agregándose a ésta, produciendo un diagrama de radiación polar alargado hacia la dirección de propagación, como se muestra en la siguiente figura :
Antena Dipolo con Director
LÓBULOS PRINCIPALES
LÓBULOS LATERALES
FIG. 2.2-8 Diagrama de radiación de un dipolo con elemento director.
Antena Dipolo con Director
Si se desea hacer más directiva a la antena tipo dipolo, es decir, que tenga un lóbulo principal hacia una dirección determinada y disminuir casi a la categoría de lóbulo lateral al otro lóbulo principal, se deberá agregar otro elemento pasivo llamado Reflector, el cual recibirá las OEM del dipolo y las reflejará en sentido contrario agregándose a la OEM principal generada por el dipolo y el elemento director. Vea la siguiente figura :
Antena Dipolo con Director y Reflector
REFLECTOR
DIPOLO
DIRECTOR
SOPORTE AISLANTE
LINEA DE TRANSMISION
FIG. 2.2-9 Antena dipolo con elementos reflector y director.
Antena Dipolo con Director y Reflector
0.15 0.10
La longitud del elemento reflector deberá ser 5 % mayor a la longitud del dipolo :
HDIPOLO = ½ ó ¼ entonces :
HREFLECTOR = H + 5 %
HDIRECTOR = H – 5 % El diagrama de radiación polar se verá de la
siguiente manera :
Antena Dipolo con Director y Reflector
LÓBULOS LATERALES
LÓBULO PRINCIPAL
FIG. 2.2-10 Diagrama de una antena dipolo con elementos reflector y director.
Antena Dipolo con Director y Reflector
Antena Tipo YAGI
FIG. 2.2-11
Antena Tipo YAGI Se recomienda que la separación entre el reflector y el
dipolo sea de 0.15l. La separación entre el dipolo y el director sea de 0.1l. Si se quiere que el lóbulo principal sea todavía más
alargado, es decir, hacer más directiva la antena se pueden agregar varios elementos directores adicionales y cada vez de menor tamaño.
Para ello existen tablas obtenidas de manera experimental para obtener la longitud de los elementos directores que se deseen agregar.
Estas antenas se utilizan principalmente en comunicaciones punto a punto, donde se desea radiar hacia una dirección específica.
A estas antenas se les conoce como antena tipo Yagi.
Antena Logarítmica La siguiente figura muestra la antena
logarítmica periódica (logoperiódica) muy utilizada para recepción de señales de televisión.
Se utiliza para recibir varias señales de portadora de diferentes canales de televisión.
Está formada por dipolos con una longitud de por lo menos media longitud de onda para el más largo a la frecuencia de operación mínima y menos de media longitud de onda para el más corto a la mayor frecuencia operación.
FIG. 2.2-12a Antena Logarítmica.
Antena Logarítmica
•Una antena de tipo logoperiódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación.
•El diseño de estas antenas se realiza a partir de unas ciertas dimensiones como las dimensiones de un dipolo o la separación que se van multiplicando por una constante.
•Una de los diseños más conocidos es la agrupación logoperiódica de dipolos.
FIG. 2.2-12bAntena Logarítmica o Logoperódica.
Diagrama de radiación de una antena logoperiódica.
FIG. 2.2-12c
FIG. 2.213 Antena Monopolar Vertical y su Diagrama de radiación
polar.
Antena Monopolar Vertical
Factor de Calidad Q
Una medida del comportamiento de una antena es el Factor de Calidad, el cual se define así :
Factor de Calidad : Q = f / BW f = frecuencia en Hz.
BW = Ancho de Banda en Hz.
Resonancia
Una antena entra en resonancia a la frecuencia de funcionamiento si su longitud física es tal que permite acomodar un número entero de ondas estacionarias de voltaje y corriente, cuando su longitud es un número exacto de media longitud de onda de dicha frecuencia.
Longitud (m ) = 150 (N – 0.05) / f f = frecuencia en MHz
N = número de ½ que caben en la antena.
En la figura siguiente se observa como las ondas de voltaje y de corriente que inducirán una OEM con sus mismas características de frecuencia y forma de onda se acomodan en un segmento de antena dipolo de ½ o de una produciendo la resonancia que asegura la máxima eficiencia de la antena. En cambio, si el segmento de antena no puede acomodar un número exacto de longitudes de onda de voltaje y de corriente, la antena pierde eficiencia pues ya no entrará en resonancia y por lo tanto habrá pérdidas de potencia radiada
Resonancia
V IV I
DIPOLO/2
FIG. 2.2-14 Dipolo de 1/2 yen resonancia.
Resonancia
Se utilizan en sistemas de comunicaciones con microondas y en radar, se les conoce como antenas de microondas o reflectores parabólicos, su forma física es la de una parábola, aunque las hay también de forma semiparabólica. En transmisión, la señal originada en un punto llamado foco se refleja en la superficie parabólica generando haces de OEM rectilíneos y paralelos al eje de la parábola, en recepción las OEM que llegan a la parábola se reflejan hacia el foco.
Antenas Parabólicas
La condición es que sobre el plano perpendicular al eje principal los haces reflejados deben de estar en fase de tal manera que la energía radiada viaje en forma paralela y en fase hacia la antena receptora. Vea la siguiente figura :
Antenas Parabólicas
Antena de Microondas
ANTENA PARABOLICA
PLANO PERPENDICULAR AL EJE
EJE PRINCIPAL
EJE FOCAL
FOCO
FIG. 2.2-15 Antena Parabólica para microondas.
En una antena de transmisión el alimentador, que recibe la señal eléctrica del equipo transmisor, se coloca en el foco de la parábola para asegurar que la energía radiada llegue a la superficie de la parábola y de ésta se radie al exterior, en dirección del eje principal. Habrá algunas pérdidas por la obstrucción del mismo alimentador y por la energía electromagnética que se pierde en los bordes de la parábola. Estas dos pérdidas son, aproximadamente, un 10 % de la energía total que sale del alimentador.
Antena de Microondas de Tx
En las antenas de recepción, la energía proveniente de la antena transmisora llega a la superficie de la parábola y de ésta se refleja hacia el foco, donde se coloca el elemento transductor que convierte las OEM en una corriente eléctrica o bien se coloca una Guía de Onda que se encarga de recibir la OEM de la parábola y así, en forma de OEM, se traslada hacia el receptor donde se encuentra el transductor que la convierte en una señal eléctrica. También en este caso hay aproximadamente una pérdida del 10 % de la energía que le llega a la antena parabólica.
Antena de Microondas de Rx
FIG.2.2-16 Antena Parabólica de Tx y de Rx.
El diagrama de radiación polar de una antena parabólica es muy directivo, hacia el eje principal de la antena, lo cual es ideal para transmisiones punto a punto con un ancho de haz muy angosto
LÓBULOS LATERALESLÓBULO PRINCIPAL
Tx Rx
FIG. 2.2-17 Diagrama de radicación de una antena parabólica.
Ancho del Haz
= 70 / D
donde :
= apertura del haz en grados a –3 dB del valor máximo de potencia radiada.
= longitud de onda de la señal.
D = diámetro del plato parabólico.
Ganancia de la Antena Parabólica
G = n2D2 / 2
donde :G = ganancia como una razón de
potencias.D = diámetro del plato parabólico. = longitud de onda de la señal.n = factor de eficiencia de la antena, que
toma valores entre 0 y 1.
Antena Tipo Cuerno
FIG. 2.2-18 Diagrama de Antena tipo Cuerno Básica.
Antena Tipo Cuerno
FIG. 2.2-19 Dimensiones de la antena tipo cuerno.
De la figura anterior :
L = Longitud
H = Altura Longitud de Onda
L = H2 / 2
Antena Tipo Cuerno
FIG. 2.2-20
Varias Antenas Tipo cuerno
Antena Tipo Cuerno
La gráfica del Ancho del Haz que se observa en la siguiente figura, 2.2-21, es muy útil para visualizar el comportamiento de la antena parabólica ya que muestra la ganancia con respecto a la amplitud del haz de la antena en grados, es decir, que tan ancho es el lóbulo principal donde se encuentra la mejor respuesta de la antena, sea ésta de recepción o de transmisión.
Ancho del Haz
Diagrama de Radiación
FIG. 2.2-21 Ancho del Haz y ganancia de una antena parabólica.
Se observa claramente que el ancho del haz de la antena nos da la idea del espacio, aunque se muestra en dos dimensiones, en el cual se puede colocar la otra antena (de recepción o de transmisión, según sea el caso) para obtener una mejor captación o radiación de la señal. A este diagrama también se le llama Diagrama de Radiación en coordenadas cartesianas, donde el eje x está en grados y el eje y es la ganancia en decibeles (dB).
Ancho del Haz
FIG. 2.2-22 Gráfica de Directividad Verticalde una antena parabólica.
Diagrama de Radiación Vertical
Estos diagramas de radiación muestran el comportamiento de la antena en el plano horizontal, sin embargo la señal radiada por una antena es de naturaleza tridimensional, entonces es útil usar un diagrama que muestre el patrón de radiación vertical, el cual también posee un determinado Ancho del Haz, de manera similar al que se tiene en el plano horizontal, como se ve en la figura 2.2-21
Diagrama de Radiación Vertical
Tipos de Alimentador
FIG. 2.2-23 (a) Alimentador de guía de onda y cuerno (b) Alimentador tipo Cassegrain.
(a) (b)
2.3 GANANCIA
Para conocer la ganancia de una antena bajo estudio se compara con una antena ideal, conocida como antena ISOTROPICA cuyo diagrama de radiación es perfectamente circular. La ganancia, G, de una antena es el producto de la ganancia activa o directiva (sin pérdidas), D, multiplicada por la eficiencia, k, de la antena :
G = Dk donde k es el cociente entre la Potencia Total Radiada y
la Potencia Total de Entrada (Ver la figura 2.3-1) :
k = PRAD / PIN = 10 log (PRAD / PIN) dB
FIG. 2.3-1
PIN es la Potencia de entrada a la antena (Potencia Eléctrica) la cual se convierte en una Potencia Electromagnética (PRAD) que es radiada hacia el espacio en forma de una Onda Electromagnética (OEM).
PRAD
PIN
Potencia Total Emitida
La potencia total emitida por una antena de transmisión se puede obtener de la potencia generada por un elemento de corriente I :
P = I2 802 (L/)2 Watts
I = elemento de corriente por el que circula la corriente I.
L = Longitud del elemento de corriente.
= Longitud de onda de la señal de corriente.
Potencia Total Emitida
De la fórmula anterior se obtiene que la parte 802 (L/)2 tiene las dimensiones de una resistencia, que se llama Resistencia de Radiación de la antena y que es función de la longitud eléctrica L/ del elemento de corriente. Quedando la ecuación :
P = I2RRAD o de otra forma RRAD = P / I2
La corriente que circula por el elemento de corriente induce un campo magnético y éste lleva asociado un campo eléctrico, resultando en un desplazamiento de energía electromagnética que se aleja del elemento de corriente que la generó. La potencia radiada estará en función de la Densidad de Corriente y de la Resistencia de Radiación de la antena.
Elemento de corriente de longitud L portador de una corriente I.
Punto P donde se desea conocer la potencia radiada.
Z
r
FIG. 2.3-2Elemento de corriente que genera una potencia radiada y analizada en el punto P.
Impedancia y Ancho de Banda
ANTENA RESONANTE : tiene una dimensión física de 1, ½ ó ¼ de de la señal a transmitir (o a recibir);en este caso la impedancia y el ancho de banda de la antena varían notablemente con una pequeña variación en la frecuencia (o ) de la señal a transmitir (o a recibir).
Antena Resonante
A la frecuencia de resonancia la reactancia de la antena resonante es cero, las componentes reactivas de la antena se anulan y se comporta como una carga puramente resistiva, toda la energía que le llega a la antena se radia al exterior (si es de transmisión, sucediendo algo análogo si es de recepción).
La impedancia de la antena es puramente resistiva, no hay componentes reactivos y el ancho de banda es muy angosto, la antena opera a una frecuencia específica o a un pequeño intervalo de frecuencias, conociéndose a estas antenas como de Banda Angosta.
Antena Resonante
Impedancia y Ancho de Banda
ANTENA NO RESONANTE : se utilizan para operar a varias frecuencias, entonces su impedancia y el ancho de banda varían con respecto a la frecuencia (longitud de onda) de la señal a transmitir (o a recibir) de tal forma que su ancho de banda es mas grande, es decir, puede recibir varias frecuencias de portadora, conociéndose como antenas de Banda Ancha y su impedancia poseerá algunos componentes reactivos, lo que hace que disminuya su eficiencia.
FIG. 2.3-3 En esta figura se observa que si la antena transmite (o recibe) una señal cuya frecuencia tenga una longitud de onda igual a ½ ó ¼ actuará como una antena resonante, de lo contrario, si la longitud de onda es diferente a estos valores la antena actuará como una no resonante.
PIN
PRAD
Densidad de Potencia de la Antena de Transmisión :
PD = PTGT / 4r2
donde : PT = potencia total del transmisor en Watts.
GT = ganancia de la antena del transmisor.
r = distancia del transmisor al
receptor, en metros.
Potencia entregada al receptor en watts :
PR = AeffPD
donde: Aeff = área efectiva de la antena receptora
PD = densidad de potencia que llega al receptor.
2.4 POLARIZACION
Polarización Se observa en la siguiente figura 2.4-1 que la
Polarización de una antena depende de su posición con respecto al plano donde esta colocada, la dirección de propagación es la misma pero la posición (polarización) del campo eléctrico es diferente según se coloque la antena con respecto al plano horizontal.
Esto es muy útil cuando se desean recibir dos señales diferentes con la misma antena de recepción, una señal polarizada horizontalmente se recibirá por medio de un elemento horizontal y una señal polarizada verticalmente se recibirá por medio de un elemento vertical.
FIG. 2.4-1Polarización de una OEM según la posición de la antena con respecto al plano donde está colocada.
Por ejemplo, la propagación de ondas superficial requiere de polarización vertical.
La polarización de la radiación de un dipolo de media onda es la misma que el eje del alambre que forma la antena .
En los sistemas de comunicación móvil y portátil generalmente se utiliza polarización vertical.
Hay Polarización :Vertical, Horizontal y Circular.
