fundamentos de antenas
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CAPITULO 1 FUNDAMENTOS DE ANTENAS
Introducción
En este capítulo se resume los conceptos más importantes sobre antenas, es necesario
tener claros estos conceptos para el mejor entendimiento de los capítulos posteriores.
Una antena es un elemento metálico, constituida de un material conductor muy liviano
(generalmente de aluminio), capaz de irradiar ondas electromagnéticas en varias
direcciones del espacio.
De todos los elementos de una estación de comunicaciones, la antena es la que posee
el comportamiento menos predecible, causado por la fuerte interacción que tiene con
todo lo que le rodea. Debido a esto, la necesidad de aprovechar en toda su capacidad
la señal que emite, es importante el estudio de los principios básicos de las antenas
que darán una idea general de las cualidades que deben tener las mismas:
polarización, directividad, ganancia, eficiencia, etc., sin dejar de mencionar que las
antenas deben tener seguridades mecánicas en su uso, tamaño y peso adecuados, ser
sencillas y versátiles; de tal modo que puedan orientar a las ondas radiadas de la mejor
manera.
1.1.- Antenas
El “Institute of Electrical and Electronics Engineers” (IEEE) define una antena como
“aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para
radiar o recibir ondas electromagnéticas” (IEEE Std. 145-1983). Las antenas tienen
en común el hecho de ser una región de transición entre la zona donde existe una
onda electromagnética guiada y una onda en espacio libre, a la cual se le puede
asignar un carácter direccional. La representación de una onda se realiza por
tensiones y corrientes (hilos conductores) o por campos (guías de onda) en espacio
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libre mediante campos. La misión de la antena es la de radiar la potencia que se le
suministra con las características de direccionalidad adecuadas para la aplicación.
La banda de frecuencia de trabajo va a definir el tipo de antena, e incluso sus
propiedades más importantes, porque estas propiedades van a depender del tamaño
eléctrico de las antenas, es decir, de la relación entre su longitud (l) y la longitud de
onda ( ), siendo c la velocidad de la luz en el vacío 3 ·108 m/s y f la
frecuencia.
1.2.- Principios fundamentales de antenas
Al circular una corriente por un elemento metálico se genera un campo magnético que
circula entorno al conductor y en el plano perpendicular a éste. Si la corriente
circulante es variable, el campo magnético producido será también variable; es decir,
si la corriente varía con la frecuencia, el campo cambiará de la misma manera y en
función también de la frecuencia. Cuando la frecuencia es baja toda la energía en el
conductor (antena) se disipa en forma de calor, a medida que aumenta la frecuencia,
una porción de la energía producida en el conductor desaparece. Esta energía perdida
del entorno de la antena fluye a través del espacio originando el fenómeno conocido
como radiación. Para que tal fenómeno pueda ocurrir, la corriente que circula por el
conductor debe ser variable en función del tiempo y de alta frecuencia, de tal modo
que la producción de ondas sea inminente.
I
90°
Figura 1.1 Campos magnéticos creados por la corriente que circula en un elemento metálico.
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1.2.1.- Dipolo elemental
A un conductor lineal de poca longitud se lo conoce como dipolo elemental. Una
antena lineal se puede considerar que esta conformada por varios dipolos elementales
conectados en serie, por esta razón es importante comenzar el estudio de las antenas
con el análisis de las propiedades del dipolo elemental.
I
Linea de tx
d
l l I
+q
-q
Figura 1.2 a) Antena dipolo elemental alimentada por línea de transmisión de dos conductores b)
Equivalente de la antena dipolo elemental
En la figura (1.2 a) se puede observar un dipolo elemental alimentado por una línea
de transmisión, la longitud del dipolo ( ) es mucho menor que la longitud de onda ( )
( ), al extremo de la línea de transmisión debido a la separación existente se
forma una carga capacitiva. La longitud corta y la presencia capacitiva producen una
corriente uniforme I a lo largo de toda la longitud del dipolo. Se considera también
que el diámetro del dipolo (d) es menor que la longitud del mismo, y además se debe
tomar en cuenta que la línea de transmisión no radia. Por estas consideraciones se
puede representar al dipolo como se muestra en la figura (1.2 b).
En la figura (1.2 b) se representa al dipolo como un conductor delgado de longitud
( ) con una corriente uniforme (I) y una carga puntual (q) en los extremos. La
corriente y la carga se relacionan por la siguiente ecuación:
Se ubica al dipolo en un sistema de coordenadas para luego encontrar los campos en
cualquier punto alrededor del dipolo elemental, en el siguiente gráfico se observa a la
antena en coincidencia con el eje z y con su centro en el origen.
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x
y
z
Er
E
EDipolo r
p
Il
Figura 1.3 Dipolo ubicado en el espacio y las componentes de campo en un punto (p) de referencia
En la figura 1.3 se ha tomado como referencia un punto cualquiera (p) para el
análisis del campo. Se supone que el medio que rodea al dipolo es el aire o el vacío.
Las componentes resultantes son:
Componente Expresión general Campo lejano
0
Tabla 1.1 Ecuaciones generales de campo
Fuente: CARDAMA Ángel y otros, Antenas, 2002
Entonces los campos eléctrico y magnético del dipolo tienen sólo tres componentes,
, y . Cuando r es muy grande, los términos que tienen 1/r2 y 1/r
3 en las
ecuaciones pueden despreciarse en comparación con los términos que llevan 1/r.
Entonces en el campo electromagnético lejano efectivamente se tiene solo dos
componentes de campo, y .
1.3.- Tipos de antenas
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1.3.1.- Antenas Omnidireccionales
Las antenas que constan de un dipolo simple se han utilizado desde los primeros días
de las comunicaciones inalámbricas para irradiar y recibir de igual manera en todas
las direcciones. Sin embargo, lo que parecía ser suficiente en entornos RF simples ya
no es eficaz en los sistemas actuales. La dispersión incontrolada de la energía en una
antena omnidireccional conduce a los usuarios que accedan al sistema con un
pequeño porcentaje de la energía radiada, y al mismo tiempo tener que desafiar otros
efectos perjudiciales para el medio ambiente como varias rutas de acceso o la
interferencia cocanal, esto limita la reutilización de frecuencias y la capacidad de los
usuarios.
Figura 1.4 Patrón de radiación de una antena omnidireccional
Fuente: International Engineering Consortium, Smart Antenna Systems,
http://www.iec.org/online/tutorials/acrobat/smart_ant.pdf
1.3.1.1.- Ejemplos de antenas omnidireccionales
Monopolo Vertical
Figura 1.5 Monopolo vertical
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Es una antena constituida de un solo brazo rectilíneo irradiante en posición vertical.
Podemos ver una antena vertical con ganancias de 3 hasta 17dBi.
- El uso en VHF es principalmente para las aplicaciones de radio móvil en
vehículos.
- En Monopolos de ¼ de onda: la impedancia de la antena es de 36 ohmios.
Dipolo
Figura 1.6 Dipolo
- Usada en frecuencias arriba de 2MHz
- Ganancia baja: 2.2 dBi
- Angulo de radiación ancho
- En el espacio ideal, la impedancia del dipolo simple es de 73 Ohm.
1.3.2.- Antenas direccionales
La ineficiencia de las antenas omnidireccionales pronto dio lugar a la utilización de
antenas direccionales. Las antenas direccionales intentan controlar la dispersión de la
energía por radiación de un sector de al menos 120° en un sistema de antenas
sectorizadas, es decir de 360° de la celda se divide en tres sectores de 120° con cada
sector tratado como una celda individual. Esto provee mayor alcance utilizando la
misma cantidad de potencia de transmisión usada en una antena omnidireccional, la
señal transmitida puede viajar más lejos en el sector, aumentar la eficiencia espectral
y la capacidad del usuario. Desafortunadamente, la potencia radiada en otras
direcciones distintas a la de usuarios previstos todavía se refleja como interferencia
en otros usuarios.
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Figura 1.7 Patrón de radiación de una antena sectorial
Fuente: International Engineering Consortium, Smart Antenna Systems,
http://www.iec.org/online/tutorials/acrobat/smart_ant.pdf
1.3.2.1.- Ejemplos de antenas direccionales
Yagi
Figura 1.8 Yagi
Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y
reflectores.
- Utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas,
comúnmente en frecuencias de 30Mhz y 3Ghz, (canal 2 al canal 6 de
50MHz a 86 MHz).
- Ganancia elevada: 8-15dBi.
- Para el servicio 802.11 pueden tener ganancias entre 12 y 18dBi. Manejan
una impedancia de 50 a 75 Ohms.
Parabólica
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Figura 1.9 Parabólica
Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina,
que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas.
- Se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.
- Ganancia alta: 12-25 dBi
- Directividad alta
- Ángulo de radiación bajo
Antenas de telefonía móvil (antena down tilt)
La antena “down tilt” sirve como método de enfoque de la radiación, con el cual se
puede dirigir hacia abajo la radiación que fluye de la antena, con el objetivo de
reducir o concentrar la radiación excesiva en el área de cobertura que está siendo
abarcada por la misma, buscando optimizar el “handoff”, corrigiendo problemas de
interferencia con celdas pequeñas por la consecuencia del aumento de capacidad de
tráfico. El método más simple de efectuar el “down tilt” es el “down tilt” mecánico.
Esto es inclinar la antena hacia abajo, utilizando unos ejes de la antena que permiten
este tipo de ajuste.
1.4.- Parámetros de las antenas
Una antena forma parte de un sistema muy amplio, por lo que es necesario
caracterizar con una serie de parámetros que la describan y permitan evaluar el efecto
sobre un sistema determinado, o bien especificar el comportamiento deseado de la
antena.
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1.4.1.- Densidad de potencia radiada
La densidad de potencia radiada se define como la potencia por unidad de superficie
en una determinada dirección. Las unidades son watios por metro cuadrado. Se
puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos como,
La densidad de potencia radiada también se puede calcular a partir de las dos
componentes del campo eléctrico.
La potencia total radiada se puede obtener como la integral de la densidad de
potencia en una esfera que encierre a la antena.
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una
determinada dirección. Las unidades son watios por estereoradián. Dicho parámetro
es independiente de la distancia a la que se encuentre la antena emisora. La relación
entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada es,
La potencia total radiada se puede calcular integrando la intensidad de radiación en
todas las direcciones del espacio.
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1.4.2.- Directividad
Figura 1.10 Directividad de una antena
Fuente: CARDAMA Ángel y otros, Antenas, 2002
La directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de
potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que
radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igual potencia total radiada.
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la Directividad se
refiere a la dirección de máxima radiación,
La directividad se puede obtener en general a partir del diagrama de radiación de la
antena,
Otro parámetro directamente relacionado con la directividad es la ganancia de la
antena G. La definición de ganancia es parecida pero con la diferencia en vez de
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potencia radiada es potencia entregada a la antena. La diferencia entre ambas
potencias es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas.
La eficiencia se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una
antena y la potencia entregada a la misma. La eficiencia es un número comprendido
entre 0 y 1. La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia.
1.4.3.- Polarización
Básicamente la polarización de una antena está definida por la dirección de las líneas
de fuerza del campo eléctrico. Como el plano de las líneas de fuerza del campo E son
paralelas a la antena, una antena horizontal emitirá ondas polarizadas
horizontalmente y una antena vertical ondas polarizadas verticalmente. Si se emplea
sistemas de antenas que lleven elementos de polarización diferentes, por ejemplo
elementos verticales y horizontales, la polarización resultante será intermedia entre
horizontal y vertical, dependerá de la respectiva amplitud y fase de las componentes
rectangulares del vector E.
Se produce una polarización lineal cuando las fases de dos componentes ortogonales
del campo eléctrico difieren un múltiplo entero de radianes. Se produce
polarización circular cuando las amplitudes son iguales y la diferencia de fase entre
las componentes es /2 o 3 /2. La polarización es elíptica en los demás casos.
1.4.4.- Impedancia
La impedancia de una antena se define como la relación entre la tensión y la
corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja. La
parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de
antena. La resistencia de antena la podemos considerar como la suma de la
resistencia de radiación y la resistencia óhmica.
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La eficiencia de una antena se puede obtener a partir de las resistencias de radiación
y óhmicas, teniendo en cuenta que es la relación entre la potencia total radiada y la
potencia entregada a la antena.
1.4.5.- Ancho de banda
Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar
satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias. Este intervalo de
frecuencias, en el que un parámetro de antena determinada no sobrepasa unos límites
prefijados, se conoce como el ancho de banda de la antena. El ancho de banda (BW)
se puede especificar como la relación entre el margen de frecuencias en que se
cumplen las especificaciones y la frecuencia central.
El ancho de banda de la antena lo impondrá el sistema del que forme parte y afectará
al parámetro más sensible o crítico de la aplicación. Para su especificación los
parámetros pueden dividirse en dos grupos, según se relacionen con el diagrama o
con la impedancia. En el primero de ellos tendremos la directividad, la pureza de
polarización, el ancho de haz, el nivel de lóbulo principal a secundario y la dirección
de máxima radiación. En el segundo, la impedancia de la antena y el coeficiente de
reflexión.
1.4.6.- Diagrama de radiación
Esta es una parte clave para el presente proyecto, ya que todo el estudio que se
realiza se lo hace en base al diagrama de radiación de una o varias antenas. Por
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medio de este diagrama se puede determinar la efectividad de una antena, como se
verá mas adelante una antena directiva tiene un patrón de radiación que permite
llegar a un punto más lejano con mayor potencia y sin interferir a otros sistemas.
Un diagrama de radiación es una representación grafica de las propiedades de
radiación de la antena, en función de las diferentes direcciones del espacio. Una
antena no radia del mismo modo en todas las direcciones del espacio, sino que según
su geometría, dimensiones o forma de excitación es capaz de orientar la energía en
unas determinadas direcciones del espacio.
El diagrama de radiación se puede representar en forma tridimensional. La figura
1.11 muestra el diagrama tridimensional de una antena y los planos E y H. Para
antenas linealmente polarizadas se define el plano E como el que forman la dirección
de máxima radiación y el campo eléctrico en dicha dirección. Análogamente, el
plano H es el formado por la dirección de máxima radiación y el campo magnético
en dicha dirección. Ambos planos son perpendiculares y su intersección determina
una línea que define la dirección de máxima radiación de la antena.
Figura 1.11 Diagrama de radiación tridimensional
Fuente: CARDAMA Ángel y otros, Antenas, 2002
Los cortes bidimensionales del diagrama de radiación se pueden representar en
coordenadas polares o cartesianas. En el primer caso el ángulo en el diagrama polar
representa la dirección del espacio, mientras que el radio representa la intensidad del
campo eléctrico o la densidad de potencia radiada. En coordenadas cartesianas se
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representa el ángulo en abscisas y el campo o la densidad de potencia en ordenadas.
La representación en coordenadas cartesianas permite observar los detalles en
antenas muy directivas, mientras que el diagrama polar suministra una información
más clara de la distribución de la potencia en las diferentes direcciones del espacio.
Figura 1.12 a) Diagrama de radiación en coordenadas polares b) Diagrama de radiación en
coordenadas cartesianas
Fuente: CARDAMA Ángel y otros, Antenas, 2002
En un diagrama de radiación típico, como los mostrados en las figuras anteriores, se
aprecia una zona en la que la radiación es máxima, a la que se denomina haz
principal o lóbulo principal. Las zonas que rodean a los máximos de menor amplitud
se denominan lóbulos laterales y al lóbulo lateral de mayor amplitud se denomina
lóbulo secundario.
El ancho de haz a -3 dB ( ) es la separación angular de las direcciones en las
que el diagrama de radiación de potencia toma el valor mitad del máximo. En el
diagrama de campo es la excursión angular entre las direcciones en las que el valor
del campo ha caído a 0,707 del valor máximo. El ancho de haz entre ceros ( ) es
la separación angular de las direcciones del espacio en las que el lóbulo principal
toma un valor mínimo.
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Figura 1.13 Parámetros del diagrama de radiación
1.4.7.- Ejemplos de directividad y radiación de las antenas
La función principal de una antena es la interacción con el medio ambiente recibiendo o
emitiendo las señales que llevan la información. Si se trata de un receptor, la antena recibe
la señal, simplemente actúa como un transformador de impedancia, que adapta la
impedancia de la línea de transmisión con la del medio ambiente o espacio libre, si
tenemos un transmisor es importante lo que se conoce como directividad de la antena, en
este caso la antena debe procurar dirigir la radiación a un punto y en lo posible suprimir la
misma hacia otros puntos para prevenir la interferencia. Para este análisis de radiación se
manejará con la siguiente expresión:
1.4.7.1.- Diagrama de radiación para
En este caso se tiene que
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Figura 1.14 Diagrama de radiación de una antena dipolo de longitud
Se puede observar que existen dos máximos de radiación que ocurren para 90° y 270
°, los ceros se producen en 0° y 180°.
1.4.7.2.- Diagrama de radiación para
En este caso se tiene que
Figura 1.15 Diagrama de radiación de una antena dipolo de longitud
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Arreglo Broadside de:2 Elementos
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Diagrama de radiacion de 1 antenas Dipolo
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Con los ejemplos anteriormente realizados se pueden concluir varias cosas entre las
más importantes, se puede decir que el aumento en la longitud de una antena produce
la aparición de lóbulos secundarios de radiación, los cual puede resultar beneficioso
o perjudicial según la aplicación para la cual se requiera la antena.
El objetivo principal es obtener diferentes diagramas de radiación con la variación de
magnitudes de la antena. Es interesante especialmente en una transmisión punto –
multipunto, llegar únicamente con el máximo poder a la antena receptora y anular o
conseguir mínimos de radiación en otras direcciones para prevenir la interferencia y
obtener confidencialidad, de ahí la importancia de obtener un patrón de radiación con
varios lóbulos.