parámetros de transmisión de una antena · intensidad de radiación • angulo sólido: – zona...
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RDPR-3- 1GR-SSR-UPM
Parámetros de Transmisión de una Antena
• Impedancia de Entrada,• Diagrama de Radiación,• Intensidad de Radiación,• Directividad, • Ganancia y Rendimiento,• Polarización,• Ancho de Banda.
RDPR-3- 2GR-SSR-UPM
• La antena presenta a la linea de transmisión una impedancia Zi.
• Circuitos Equivalentes de Transmisión y Recepción.
Z VIi =
Línea de Transmisión Antena
I
VZ0 Z R jXi i i= +
Z0 ZL=Zi Z0
Zg=Zi
Vc.a
( )( )
R fX f
i
i
Xi(f)=0, Antena Resonante
La antena como elemento de circuitoImpedancia de entrada.
RDPR-3- 3GR-SSR-UPM
• La parte real de la impedancia de entrada es la suma de la resistencia de pérdidas y la resistencia de radiacion.
• Otros parámetros alternativos a la impedancia de entrada, más fácilmente medibles en el rango de altas frecuencias son:
– Coeficiente de Reflexión:
– Pérdidas de Retorno (dB):
– Relación de Onda Estacionaria (ROE):
20logρ
ROE =+−
11
ρρ
ρ = −+
Z ZZ Z
i
i
0
0
R R Ri perdidas radiacion= +
2radiada
radiacionI
P2R∆= radiacionperdidas
radiacion
entregada
radiadaR RR
RPPoRendimient
+==ξ=
La antena como elemento de circuito Parámetros alternativos.
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Parámetros de RadiaciónDiagramas de Radiación
• Se definen como una representación gráfica de las propiedades direccionales de radiación de una antena en función de las coordenadas angulares del espacio.
• Se representan diagramas de:– campo : Ε , Εθ,Εφ,arg(Εθ), arg(Εφ), ECP, EXP, etc– potencia : <S>, Ganancia, Directividad.
• Los formatos que pueden tomar los diagramas son:– Diagramas Absolutos: se representan los campos o densidad de potencia para una
potencia entregada a la antena y una distancia constante.– Diagramas Relativos: son los anteriores normalizados respecto al máximo valor de la
función representada. En este caso la representación suele hacerse en escala logarítmica (dB). Entonces los diagramas de potencia y de campo coinciden ya que:
10 20log log< >< >
=SS
EEmax max
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uv
==
sen cossen sen
θ φθ φ
-
Diagramas de Radiación
• Las coordenadas respecto a las que se representan los diagramas son:– (θ,φ), (u, v)
• Desde el punto de vista de representación gráfica se realizan diagramas:– Tridimensionales
– Diagramas 2D: • Representación en forma de curvas de nivel.
– Cortes θ=cte. y φ=cte.: • Cortes del diagramas de radiación por superficies planas: φ=cte. y θ =π/2.• Cortes del diagramas de radiación por superficies cónicas: θ=cte.≠π/2 (≠0).
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Representación Tridimensional
DiagramaTridimensionalen coordenadas(u,v)
RDPR-3- 7GR-SSR-UPM
Diagrama Bidimensional
Diagrama 2Den coordenadas(u,v)
u
v
uv
==
sen cossen sen
θ φθ φ
0 dB
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Cortes del Diagrama de Radiación.Formatos: Polar y Cartesiano
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Eimax( )E
θi
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 9020
15
10
5
0
EdBi
θideg
Polar (Lineal) Cartesiano (dB)
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z
x
y
Diagramas de RadiaciónPlanos Principales
• Para antenas directivas y polarización lineal suele bastar con conocer los diagramas de los planos principales:– Plano E: contiene el vector E y a la
dirección de máxima radiación– Plano H: contiene el vector H y a la
dirección de máxima radiación
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Tipos de Diagramas
• Atendiendo al servicio que da la antena se clasifican en:– Isotrópicos (cuasi-isotrópico)
– Direccionales: Concentra la radiación fundamentalmente en un pequeño cono angular: • Pincel: Haz cónico (p.e. para comunicaciones punto a punto)• Abanico (p.e. antenas sectoriales de estaciones base de sistemas móviles)• Haz contorneado, típicos para dar cobertura ajustada en servicios DBS• Haz conformado, típicos de radares de vigilancia (csc2)• Multihaz (varios lóbulos principales)
– Omnidireccionales: Direccionales en un plano e isotrópicos en el otro (Diagramas con simetría de revolución).
– Multidiagrama: Varios diagramas simultáneos.
– Antenas de Haz Reconfigurable.
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Ejemplos de Diagramas Contorneados
Diagrama multihaz de haces contorneadosde la antena DBS del satélite HISPASAT.
Diagramas de la antena TVA-GOV (antena multidiagrama) del satélite
HISPASAT.
11,5 a 11,7 GHz
7,8 a 8 GHz
12,1 a 12,5 GHz
RDPR-3- 12GR-SSR-UPM
Parámetros del Diagrama de Radiación
• LOBULO: porción del diagrama delimitada por regiones de radiación más débil.– Lóbulo principal: contiene la dirección de
máxima radiación– Lóbulos secundarios: los no principales.– Lóbulos laterales: adyacentes al lóbulo
principal– Lóbulo posterior, en dirección opuesta al
principal.• Nivel de Lóbulos Secundarios (del mayor
lóbulo secundario respecto al principal)• Ancho del haz principal a -3dB (entre puntos
de potencia mitad).• Ancho del haz principal entre nulos.
• Relación delante-atrás, (relación entre el lóbulo principal y el posterior).
100 50 0 50 10035
30
25
20
15
10
5
0
θi
BW-3dB
Nivel de Lóbulo Lateral (S.L.L.)
BWNulos
Lóbulo Principal
Lóbulos Secundarios
Lóbulo Lateral
BWn dB≈ −2 3,25 BW
RDPR-3- 13GR-SSR-UPM
Intensidad de Radiación
• Angulo Sólido:– Zona del espacio abarcada por una sucesión de líneas
radiales con vértice en el centro de una esfera.– Su unidad es el estereoradián ( ángulo sólido que
abarca una superficie esférica r2 con un radio r).
• Intensidad de Radiación:– Es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido.
d dAr
r d dr
d dΩ = = =2
2
2
sensen
θ θ φθ θ φ
( ) ( ) ( )US r dA
dr S rθ φ
θ φθ φ,
, ,, ,=
< >= < >
Ω2
r
r senθ dφ
r dθdAz
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Directividad
• Ganancia Directiva: D(θ,φ)– Cociente entre la intensidad de radiación en una dirección y la intensidad de radiación
de una antena isótropa que radiase la misma potencia total.
• Directividad: D0.– Ganancia directiva en la dirección de máxima radiación.– Siempre mayor o igual que 1 (0 dBi).– Expresada en dBi vale: 10 log D0.
( ) ( ) ( ) ( )radiada
2
radiadaIsotropica P,,rS
r4P
,U4U
,U,Dφθ
π=φθπ=φθ=φθ∆
( )P U d dradiada === ∫∫ θ φ θ φ θ
φ
π
θ
π, sen
0
2
0
( )φθ,U
π=
4PU radiada
isotropica
RDPR-3- 15GR-SSR-UPM
• Ganancia de Potencia: G(θ,φ)
• Ganancia: G0.– Ganancia de Potencia en la dirección de máxima radiación.– Puede ser menor que 1– Expresada en dBi vale: 10 log G0.
• Rendimiento de radiación
• P.I.R.E.:Potencia Isotrópica Radiada Equivalente
( ) ( ) ( )entregada
2
entregada P,,rS
r4P
,U4,Gφθ
π=φθπ=φθ∆
0
0
entregada
radiadaR D
GPP ==ξ ( ) ( )φθ⋅ξ=φθ ,D,G R
( ) ( ) ( ) [ ]222
.ent m/Wr4
,PIREr4
P,G,,rSπ
φθ≡π
⋅φθ=φθ
Las curvas de P.I.R.E. se trazan normalmente en dBW
Ganancia y Eficiencia
( ) ( ) .entP,G,PIRE ⋅φθ=φθ
RDPR-3- 16GR-SSR-UPM
Directividad versus Ancho de Haz
• A partir del diagrama normalizado de potencia:
donde ΩA es el ángulo sólido del haz.
• Para antenas directivas, de diagrama tipo pincel
• Condición de normalización:
( ) ( )fUUmax
θ φθ φ
,,
= ≤1
( ) ( )( )
( )( )
( ) ( )A
0,f4,fD
4 d,f,f4
4 d,U,U4,D
Ωφθπ=φθ=
π Ωφθφθπ=
π Ωφθφθπ=φθ
∆
∫∫
( )
θ⋅θ
=θ⋅θπ≅
−θ⋅θ≅Ω
dosgra:drad:r412534D
dB3ahazdeAnchuras
d2d1r2r10
r2r1A
( )D dθ φ ππ
, Ω4
4∫ =
DA
04= πΩ
1
z
x
y
θ1r
θ2r
ΩA
( )∫ π Ωφθ=Ω 4 d,fA
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!E E E
E E eE E e
j
j= +==
θ φ
θ θδ
φ φδθ φ
θ
φ" " ( )
( )E E tE E t
i
i
θ θ θ
φ φ φ
ω δω δ
= += +
coscos
θφ
φ
φ
φ
φ
θ
θ
θ
θ
δ−δ=δ
δ=
+δ−
2
2
iii
2
i senEE
cosEE
EE2
EE
Tiempo
θ
φ
τOAOB
Elipse de Polarización
CW
Polarización
• Es la “figura que traza en función del tiempo, para una dirección fija, el extremo del vector del campo radiado y su sentido de giro, visto por un observador desde la antena”.
Eliminando t
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Tipos de Polarización
AR OAOB
asinE E
E Esin= =
+
cot 1
22
2 2θ φ
θ φ
δ
τ δθ φ
θ φ
=−
12
22 2atanE E
E Ecos
Características de la Elipse
• Relación Axial
• Angulo del Eje Mayor con θ
θ
φ
τOAOB
CW
Si δ= π/2 la elipse está centrada en los ejes (τ=0)
• Sentido de Giro de Polarización (Circular o Elíptica)A derechas (CW, RHC):A izquierdas (CCW, LHC):
δ < 0δ > 0
Tipos de Polarización:
• Lineal: El campo se mueve sobre una recta (AR=∞).
• Circular: El extremo del campo se mueve sobre una circunferencia (AR=1)( ) ( )RHCº90oLHC90yEE −=δ°=δ= φθ
a b E c E) ) )δ θ φ= = =0 0 0
RDPR-3- 19GR-SSR-UPM
• Una polarización cualquiera se puede poner como contribución de dos componentes ortogonales entre sí.
• Estas componentes pueden ser lineales (ECP,EXP) o circulares (ECPC, EXPC).
• Las antenas se construyen para radiar principalmente una de las componentes que se denominan:– Componente Copolar (la deseada).– Componente Contrapolar (la no deseada).
XPCXPCCPCCPC uEuEE +=!
( ) ( ) ( )!E E Eθ φ θ φ θ θ φ φθ φ, , " , "= +
Polarización:Componentes Copolar y Contrapolar
( ) ( ) ( )!E E Eθ φ θ φ θ θ φ φθ φ, , " , "= + XPXPCPCP uEuEE +=
!
0uu0uu *XPCCPCXPCP =⋅=⋅
( )
( ) φ+
φ−
=
±=
jXPCPXPC
jXPCPCPC
euju2
1u
euju2
1u
#
RDPR-3- 20GR-SSR-UPM
( ) ( ) ( ) xpXPcpCP u,Eu,E,E φθ+φθ=φθ!
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) φφθ−φφθ=φθ
φφθ+φφθ=φθ
φθ
φθ
sen,Ecos,E,Ecos,Esen,E,E
XP
CP
Antena Receptora
(sobre eje y)
( )( )
E E jE e
E E jE e
RHCj
LHCj
= −
= +
−
+
12
12
θ φφ
θ φφ
z
φ
θ E φ
E θ
x yComponentes CP y XP:
• Circulares
x
y
Eθ
Eφ
φ
( ) ( ) ( )!E E Eθ φ θ φ θ θ φ φθ φ, , " , "= +
• Lineales:3ª Definición de Ludwig para componentes lineales (Medidas)
Polarización: Diagramas Copolar y Contrapolar
RDPR-3- 21GR-SSR-UPM
Relaciones útiles entre Polarizaciones
θ
φRHC
RHC
LHC
EREL
ER
EL
∞=ρ=ρ=ρ
∞≤ρ≤=ρ∆
10
0EE
LHC
RHC
<>
∞≤≤=−+
=0r0r
AR1rAREEEE
rLHCRHC
LHCRHC
1r1r
11r
−+=ρ
−ρ+ρ=
Relación de Polarización Circular
Circular Izq.LinealCircular Der.
Relación Axial
Conversiones
Giro a derechasGiro a Izquierdas
AR=1 Polarización CircularAR=∞ Polarización Lineal
RDPR-3- 22GR-SSR-UPM
Diagramas CP-XP típicos de una estación terrena
XP
CP
RDPR-3- 23GR-SSR-UPM
Ancho de Banda
• Rango de frecuencias dentro del cual los parámetros característicos considerados (impedancia, anchura de haz, nivel de lóbulos ...), cumplen unas especificaciones prefijadas.
– Para las antenas de banda estrecha (antenas resonantes), suele expresarse en % de la frecuencia de resonancia.
– Para las antenas de banda ancha, se expresa como la relación entre la frecuencia superior de la banda a la inferior. P.e. 2:1 (una octava), 10:1 (una década), etc.
• Las antenas que superan una relación 2:1 para una cierta especificación (impedancia ...) se diseñan en función de ángulos y reciben el nombre de antenas independientes de la frecuencia.