Introducción a las Antenas

Mario VielmaAbril, 2005

Contenido:

Introducción HistóricaConceptos básicosMétodos de cálculo de antenasParámetros de una antenaTipos de antenaLa antena impresaSimuladores

Introducción HistóricaConceptos básicosMétodos de cálculo de antenasParámetros de una antenaTipos de antenaLa antena impresaSimuladores

Un poco de historia…

Franklin, Coulomb, Volta, Ampere, Faraday, HenryInicios de los estudios en electromagnetismo

Maxwell Unificación de la Teoría E.MMarconi Primera comunicación transoceánica (1901)Invención del radar (1930), de forma accidentalRadioastronomía (1930), detección de ruido del centro de la galaxiaII Guerra Mundial, desarrollo de teoría de guías de onda. Gran interés en teoría de microondas Mediados siglo XX, telecomunicación espacial, satélites rusos y norteamericanos.

Avances recientes..Uso de software para el calculo de antenas.

Método de los momentosMallas

Desarrollo de antenas de microstripAntenas adaptativas mediante el uso de arreglos de antenasAntenas desplegables e inflables (para ser lanzadas junto con elsatélite)Radioastronomía, construcción de interferómetros y mejora en algoritmos de cálculoMejora en instrumentación. (analizadores de redes), y nuevos software de simulación.

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Campo Electromagnético

¿Qué es una antena?

Es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas E.M. del espacio.Dispositivos que adaptan ondas guiadas, desde conductores o guías al espacio libre.

Radiación:

Ecuaciones de Onda:

Radiación: Consecuencia del movimiento acelerado de partículas cargadas. Se produce un campo E y un campo H.

La antena como adaptador:

La antena se puede ver como un adaptador de impedancias de la guía al espacio libre, cumpliendo con el teorema de máxima transferencia de potencia

Regiones de campo:

Región reactiva: R1<0.62(D^3/Lambda)^1/2Región de radiación de cercano: R2<2D^2/LambdaRegión de campo lejano: R3>R2 (onda plana)

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Campos en una antena genérica:

La idea es poder calcular adecuadamente los campos. De esta forma, podemos diseñar antenas que cumplan las características que requerimosPodemos optimizar diseños

Campos en una antena genérica:Introduciendo un vector potencial A, obtenemos:

Luego sólo bastará conocer el valor de A:

Y para conocer el vector A, es necesario conocer la distribuciónde corriente…

Distribuciones de corriente para el dipolo elemental:

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Impedancia de entradaVoltage Standing Wave Ratio (VSWR)DirectividadGananciaPolarizaciónAncho de BandaPattern de Radiación

Radiador isotrópico:

Es una antena puntual, que no se puede realizar en la práctica y que radía de igual manera en todas las direcciones:

Impedancia de Entrada

Es la razón entre el voltaje y la corriente en los terminales de la antena. Aquí están representados las pérdidas propias del conductor y la resistencia a radiar de la antena al espacio libre. Además, la reactancia representa el campo reactivo de la antena producido por el campo cercano.

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)Para tener una buena transmisión de potencia entre el transmisor y la antena, es necesario que la impedancia del transmisor sea el conjugado complejo de la impedancia de la antena.El VSWR: medida de desadaptación entre la impedancia del transmisor y de la antena.A mayor VSWR, es peor la adaptación.VSWR=1 Adaptación perfecta.Cuando no hay onda reflejada (| Γ |=0) hay una adaptación perfecta y VSWR=1.

Directividad y GananciaAmbos parámetros vienen dados por cuánto concentra una antena su radiación hacia una cierta dirección preferente. Es la razón entre esta antena y una antena isotrópicaLa ganancia se relaciona con la potencia de alimentaciónLa directividad se relaciona con la potencia de radiaciónAmbas difieren en un factor de eficiencia G= N*D Se miden en dBi (dB) o dBd

Polarización

Se le llama polarización de la antena a la polarización del campo eléctrico respecto a un plano de tierra dado.La polarización puede ser lineal, vertical o elíptica.CPL (Cross-Polarization Level) es una medida de polarizaciones no deseadas.

Ancho de Banda

Es el rango de frecuencias a los cuales los parámetros de antena son similares a las que tendría si operara en la frecuencia central

El estándar es comúnmente para VSWR≤2 (ó | Γ |≤1/3).

Pattern de RadiaciónEs la representación gráfica de la magnitud relativa de los campos en el espacioSe presenta generalmente en dos planos, uno que contiene al campo eléctrico (Plano E) y otro que contiene al campo magnético (Plano H)Aunque también se pueden representar en 3-D

Plano EPlano H

LóbulosLos lóbulos son direcciones preferenciales de radiaciónHPBW (Half Power Beamwidth): Ángulo al cual el lóbulo principal tiene la mitad de su potenciaFront to Back: Relación entre el lóbulo principal y el lóbulo trasero

Teorema de Reciprocidad Todos los parámetros vistos son válidos tanto en recepción como en transmisiónPermite medir de forma más sencilla los parámetros de las antenas

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Formas de clasificar las antenas:

Según su formaSegún su gananciaSegún la forma del patternSegún ancho de banda, precio, etc.Según la aplicación habrá una antena con mejores características según nuestras necesidades

Antenas de cable Dipolo: Usada principalmente en radiodifusión

Ganancia: 2dB, BW: 10%, HPBW: 78º, Directividad: 2.15 dB (1.64 Iso)

Monopolo: Usada en radiodifusiónZin: 36.5 [Ohm], Ganancia: 2-6 dB, BW: 10%, Directividad: 3.28 dB

Loop: Usada en recepciónGanancia: -2 a 3 dB, BW: 10%, Mejorable con núcleo de ferrita

Hélice Dos modos principales de operación: normal y axialOpera en modo normal si el diámetro de la vuelta es pequeño comparado con el largo de onda, y en modo axial si es comparableModo normal: Radía más bien en forma omnidireccionalModo axial: Radía con gran directividad (> 15dB) el cual aumenta con el número de vueltas y está eléctricamente polarizado. Debido a su gran directividad es apropiado para aplicaciones satelitáles

Bocina (Horn)

Son antenas comúnmente utilizadas a frecuencia de microondasGeneralmente usadas como alimentadores de reflectores parabólicosTienen alta ganancia, bajo VSWR, relativamente alto ancho de banda y fácil construcción y diseño.

Reflectores Los reflectores son elementos usados para mejorar las características de radiación (parabólica) y ancho de banda (yagi) Los reflectores son comúnmente superficies planas, parabólicas, hiperbólicas o lineales

Comparación de ganancia entre las distintas antenas estudiadas…

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Antena impresa o antena microstrip

Se diseñan a partir de líneas de transmisión. La idea es que la estructura resuene y disipe energía en forma de radiaciónSe compone de un parche radiador sobre un sustrato dieléctrico y bajo éste un plano a tierra

Formas del parche La forma dependerá de la aplicación que se requieraLos diseños van desde un simple parche rectangular hasta diseños fractales. Según el diseño y los materiales será su precio

Ventajas y desventajas…Ventajas:

Son livianas y ocupan poco volumenPerfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficiesBajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serieSoporta tanto polarización lineal como polarización circularFácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MICs)Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuenciasSon mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas

DesventajasSon de pequeño ancho de bandaBaja potenciaBaja gananciaLimitada potenciaBaja pureza de polarizaciónAdemás, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas

Técnicas de alimentación Técnicas por contacto

Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación)Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching)

Alimentación por linea microstrip Alimentación por cable coaxial

Técnicas de alimentación Técnicas sin contacto

Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo CPL (Cross Polarization Level)Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%), Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa

Alimentación por apertura Alimentación por proximidad

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Simuladores

Debido a la complejidad de los calculos para encontrar la distribución de corriente en estructuras, se hace indispensable el uso de simuladores computacionales.Las empresas más reconocidas son SONNET EM y ANSOFTANSOFT

HF: HFSS, Ansoft Designer, NEXXIM (simulacion de circuitos)EM: Maxwell 3D, Maxwell 2D, SimplorerSI (Signal-Integrity)Otros simuladores para elementos de RF

Direcciones: www.ansoft.com www.sonnetusa.com-

HFSS Simulación de una antena microstrip: Se pueden simular la magnitud y el vector de campos magnéticos y eléctricos, corrientes superficiales y parámetros de antenas tales como VSWR, Parámetros S, etc.

Optimización de parámetrosPara la misma antena anterior, podemos ver su desempeño a distintas frecuencias y distintos modos de alimentaciónCaracterísticas de la antena: Antena microstrip, resonante a 7.55 Ghz, de largo L cercano a Lambda/2

Simulación de distintas estructurasCon un apropiado diseño, se puede simular una muy alta variedad de estructuras, tales como bocinas, dipolos, guías de onda y filtros

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