Antena

Antena

Antena

Para otros usos de este término, véase Antena (desambiguación).
Antena de onda corta "Cortina", Moosbrunn, Austria
Antena para Comunicaciones por satélite en banda-C de 15 m de diámetro.

Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.

Existe una gran diversidad de tipos de antenas, dependiendo del uso a que van a ser destinadas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces). También es una antena la que está integrada en la computadora portátil para conectarse a las redes Wi-Fi.

Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda son directivas.

Contenido

Parámetros de una antena

Las antenas se caracterizan por una serie de parámetros, estando los más habituales descritos a continuación:

Diagrama de radiación (Patrón de radiación)

Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación). Lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Atendiendo al diagrama de radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional,…) Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiación con polaridad contraria.


Diagrama de radiación

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:

  • Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.
  • Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.
  • Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.
  • Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma el valor de la mitad del máximo. Es decir, la dirección en la que la - potencia radiada es 3 dB menos.
  • Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.
  • Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.

Ancho de banda

Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.

Directividad

La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.


D = U(max) / U(iso)


La unidad de Directividad (D) son los dBi.


Ganancia

Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.


G = 10log[4pi * U(max) / P(in)]


La unidad de Ganacia (G) de una antena es el dB al ser una unidad de potencia.

Eficiencia

Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena.

También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.


e = P(r) / P(in) = G / D


El parámetro e (eficiencia) es adimensional

Impedancia de entrada

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. Z=\frac{V}{I}. La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.

Anchura de haz

Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.

Polarización

Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).

Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.

Relación Delante/Atrás

Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta.

Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiacción y el nivel de radiacción a 180 grados. Este parámetro es especialmente útil cuando la interferencia hacia atrás es crítica en la elección de la antena que vamos a utilizar.

Esta relación, además lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las señales provinientes de la parte trasera. Rara vez es verdaderamente importante, ya que la interferencias por la parte trasera no ocurren habitualmente, pero puede suceder.

La relación F / B no es un número muy útil, ya que a menudo varía enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrón de radiación, entonces no se necesita la relación F/B.

Comparando una antena yagui con una parabólica, podemos ver que para la antena yagui tenemos una relación F/B de aproximadamente 15 dB (según modelo y fabricante) mientras que para la parabólica la relación F/B es >35dB (según modelo y fabricante). De esta forma observamos como es "de buena" una antena respecto al rechazo de señales por la parte trasera. Cuanto mayor sea este paramentro en las antenas parabolicas mejor será.

Los 15 dB de la antena yagui lo podemos interpretar también como la atenuación que tendriamos en el sistema, en caso de captar una onda rebotada por ejemplo de un edificio, por la parte trasera de esta.

Clasificación clásica de las antenas

Existen tres tipos básicos de antenas: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas. Asimismo, las agrupaciones de estas antenas (arrays) se suelen considerar en la literatura como otro tipo básico de antena.

Antenas de hilo

Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo.[1] . Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:

Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.

Antenas de apertura

La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satélite. La ganancia de dichas antenas está relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor directividad.

El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar de forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un subreflector. El alimentador está generalmente ubicado en el foco de la parábola. El alimentador, en sí mismo, también es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia (e.g. cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satélite en órbita geoestacionaria).

Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, D_0\,, con la siguiente expresión, donde S\, es el área y \lambda\, es la longitud de onda:

D_0={4 \pi} \frac {S} {\lambda^2} \,

Reflectores parabólicos

Hay varios tipos de antenas de apertura, como la antena de bocina, la antena parabólica, la antena parabólica del Radar Doppler y superficies reflectoras en general.

Antenas planas

Un tipo particular de antena plana son las antenas de apertura sintética, típicas de los radares de apertura sintética (SAR).

Antenas de Array

Antena de Array

Las antenas de array están formadas por un conjunto de dos o mas antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una única antena con un diagrama de radiación propio.


La característica principal de los arrys de antenas es que su diagrama de radiación es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.


Atendiendo a la distribución de las antenas que componen un array podemos hacer la siguiente clasificación:

  • Arrays lineales: Los elementos están dispuestos sobre una linea.
  • Arrays Planos: Los elementos están dispuestos bidimensionalmente sobre un plano.
  • Arrays conformados: Los elementos están dispuestos sobre una superficie curva.


A nivel de aplicación los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes.

Una definición básica de un sistema de antenas inteligentes es cualquier configuración adaptativa de múltiples antenas que mejoran el rendimiento de un sistema de comunicaciones inalámbricas.


Las características de las antenas inteligentes con unos haces de radiación con una mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad angular), proporcionan multiples ventajas:

  • Incremento de la zona de cobertura: Dado que la ganancia es mayor que en el caso de antenas omnidireccionales o sectorizadas.
  • Reducción de la potencia de transmisión: La mayor ganancia de la antena permite incrementar la sensibilidad.
  • Reducción del nivel de interferencia: La mejor selectividad espacial de la antena permitirá al receptor discriminar las señales de usuarios interferentes a favor de la señal del usuario deseado. Incluso se pueden utilizar antenas inteligentes con configuración antena principal y secundarias donde las secundarias anulan las interferencias.
  • Reducción de la propagación multitrayecto:Debido a la menor dispersión angular de la potencia radiada, se reduce el número de trayectorias que debe seguir la señal antes de llegar al receptor.
  • Mejora de la seguridad: Gracias a que la transmisión es direccional, hay una probabilidad muy baja de que un equipo ajeno intercepte la comunicación.
  • Introducción de nuevos servicios: Al poder identificar la posición de usuarios se puede aplicar a radiolocalización, tarificación geográfica, publicidad en servicios cercanos...

Clasificación funcional

La clasificación tradicional de las antenas se basa, fundamentalmente, en la forma en que se distribuye el campo electromagnético en la propia antena o en la tecnología utilizada. No obstante, también pueden hacerse clasificaciones desde un punto de vista práctico: una catalogación de las antenas desde el punto de vista de sus prestaciones y tecnología, casos de uso concretos y discusiones acerca de los parámetros de ingeniería que ayuden al entendimiento de su funcionamiento.

Antenas con reflector

El origen de la antena con reflector se remonta a 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas que habían sido predichas por James Clerk Maxwell unos quince años antes. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como receptor.

Su funcionamiento se basa en la reflexión de las ondas electromagneticas ondas electromagnéticas por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide. En el caso de una antena receptora, en cambio si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena.

Cuando se desea la máxima directividad de una antena, la forma del reflector generalmente es parabólica, con la fuente primaria localizada en el foco y dirigida hacia el reflector.

Las antenas con reflector parabólico, o simplemente antenas parabólicas se utilizan extensamente en sistemas de comunicaciones en las bandas de UHF a partir de unos 800 MHz y en las de SHF y EHF. Entre sus características principales se encuentran la sencillez de construcción y elevada direccionalidad. La forma más habitual del reflector es la de un paraboloide de revolución, excitado por un alimentador situado en el foco.


Tipos básicos de antenas con reflector
Antena Foco Primario
Foco primario

La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. Las ondas electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y dirigen al foco.

El foco está centrado en el paraboloide.

Tienen un rendimiento máximo de aproximadamente el 60%, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% lo hace al foco y se aprovecha, el resto se pierde debido principalmente a dos efectos, el efecto spillover y el efecto bloqueo.

Su relativa gran superficie implica un menor ángulo de anchura del haz (3 dB), por lo que la antena debe montarse con mayor precisión que una antena offset normal. La lluvia y la nieve pueden acumularse en el plato e interferir en la señal; Además como el LNB va montado centralmente, bloquea muchas señales con su propia sombra sobre la superficie de la antena.

Antena Offset
Offset

Una antena offset esta formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de Foco Primario, pudiendo ser de un 70% o algo más.

Cassegrain

Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.

El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico.

El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.

El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.

Alimentadores para antenas con reflector (bocinas)

Las bocinas son utilizadas como alimentador en las antenas, es decir, se utilizan para iluminar el reflector formando lo que se conoce como antena parabólica. La bocina de alimentación se encuentra situada en el foco del paraboloide.

Una única bocina puede utilizarse como una antena de cobertura global en satélites; además se pueden agrupar varias bocinas (alimentándolas con una amplitud y una fase diferentes), para conseguir un determinado diagrama de radiación y dar cobertura a un país o continente. La agrupación de bocinas sería el alimentador del reflector.

En una transmisión la bocina emite energía desde el foco hacia la superficie del reflector, consiguiendo radiar sobre el rango de cobertura deseado, mientras que en una recepción el reflector actúa como un acumulador de energía de la señal, que es concentrada hacia la bocina alimentadora.

Las bocinas pueden transmitir ó recibir dos ondas con polarización distinta, siempre que la polarización sea ortogonal. Esto se consigue con un dispositivo llamado acoplador ortomodo (OMT), que es un sistema de guía de ondas en forma de T, donde por la guía principal se propagan dos modos dominantes ortogonales y cada guía adosada soporta uno de los dos modos anteriores.

La polarización ha de ser ortogonal para que no se produzcan interferencias.

De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica.


Bocina piramidal

Bocina Piramidal

Es un tipo de bocina rectangular. Se ensancha tanto en el plano E como en el H, lo que permite radiar haces estrechos en ambos planos. Este tipo de bocinas son adecuadas para sistemas de polarización lineal. Su ganancia puede calcularse exactamente a partir de sus dimensiones físicas por ello se suelen utilizar como patrones de comparación en las medidas de ganancia. El diseño de una bocina piramidal requiere que su garganta coincida con la guía rectangular de alimentación.


Bocina cónica

Se utilizan fundamentalmente en antenas de satélites de haz global. Son las más adecuadas para utilizar polarizaciones circulares, aunque también pueden utilizar polarización lineal.

Bocina Cónica Corrugada (corrugaciones en la cara interna)

Según el modo de propagación transmitido se clasifican como: bocinas de modo dominante, bocinas de modo dual y bocinas corrugadas.

  • Bocinas de modo dominante: se sintoniza al modo predominante de la guía de onda circular, el modo TE11.
  • Bocinas multimodo: se sintoniza al modo de propagación TE11 de la onda que se propaga por la guía de onda, junto al modo TM11 que es el siguiente modo de propagación.
  • Bocinas corrugadas (o híbridas): se ajustan a un modo híbrido (HE11), con lo que se consigue un ancho de haz amplio y simétrico gracias a lo cual el reflector se alimenta uniformemente. Además con este tipo de bocinas se consigue una polarización más pura.
Bocina con lente dieléctrica
Lentes dieléctricas

Definición: Una lente dieléctrica es un objeto que nos sirve para conseguir que una onda esférica se transforme en una onda plana modificando amplitud y fase pudiendo de esta forma ganar directividad en la radiación aumentando la ganancia. De forma similar a las lentes ópticas, una lente dieléctrica está formada por dos materiales de constante dieléctrica diferente cuya forma geométrica describe una curva hiperbólica. De esta manera, podemos conseguir que una onda esférica se transforme en una onda plana consiguiendo así aumentar la ganancia. Para ello, es necesario que los caminos eléctricos recorridos sean los mismos para cualquier posible trazado de rayos. Una de las principales ventajas de la utilización de este tipo de dispositivos es poder modificar la distribución de amplitud, haciéndola más uniforme y aumentando la eficiencia de apertura del sistema. Una aplicación común de las lentes es su utilización a la salida de las antenas de bocina. Mediante este dispositivo, una fase distorsionada por este tipo de antena se puede corregir con una lente colocada a la salida de la antena

Gracias a la utilización de una lente dieléctrica en la boca del alimentador de una antena (bocina), se consigue disminuir el error de fase.

Ingeniería con estas antenas[2]
Iluminación parabólica sobre pedestal

Para distribuciones parabólicas sobre pedestal el modelo de campo de apertura es el siguiente:

Eab(r) = C + (1 - C) [1 - (r / a) 2] n


C \rightarrow Iluminación sobre el borde de la parábola (dB)

n \rightarrow Nivel del lóbulo secundario

a \rightarrow Radio de la apertura

a = D / 2


Distribuciones parabólicas sobre pedestal: parámetros de campo radiado
Iluminación en el borde n=1 n=2
C (dB) C HP (rad) SLL (dB) E HP (rad) SLL (dB) E
-8 0,398 1,12 λ /2a -21,5 0,942 1,14 λ /2a -24,7 0,918
-10 0,316 1,14 λ /2a -22,3 0,917 1,17 λ /2a -27,0 0,877
-12 0,251 1,16 λ /2a -22,9 0,893 1,20 λ /2a -29,5 0,834
-14 0,200 1,17 λ /2a -23,4 0,871 1,23 λ /2a -31,7 0,792
-16 0,158 1,19 λ /2a -23,8 0,850 1,26 λ /2a -33,5 0,754
-18 0,126 1,20 λ /2a -24,1 0,833 1,29 λ /2a -34,5 0,719
-20 0,100 1,21 λ /2a -24,3 0,817 1,32 λ /2a -34,7 0,690


HP \rightarrow Ancho de Haz a -3dB

SLL \rightarrow Nivel de lóbulo lateral

E \rightarrow Eficiencia de iluminación

Ganancia en estas antenas

La ganancia se puede calcular como: G = \Pi^2\frac{D^2}{\lambda^2}\epsilon_g

D \rightarrow Diámetro reflector

\epsilon \rightarrow Eficiencia global

La eficiencia total es debida a las siguientes eficiencias parciales:

  • Rendimiento de radiación (típicamente el del alimentador).
  • Eficiencia de iluminación (o de apertura).
  • Eficiencia de spillover.
  • Eficiencia por contrapolar.
  • Eficiencia por error en la superficie.
  • Eficiencia por bloqueo.
  • Pérdidas por desplazamientos del alimentador.
Eficiencia de Iluminación aplicando el modelo de iluminación parabólica sobre pedestal (n=2)


Eficiencia de Iluminación:

Son las pérdidas de ganancia relacionadas con la iluminación no uniforme de la apertura.

Eficiencia de Spillover:

Es la pérdida de ganancia debida a la radiación del alimentador fuera del ángulo que contiene el reflector.

A medida que la ilumnación del borde crece aumenta la eficiencia de iluminación pero disminuye la eficiencia de spillover.

El punto óptimo para la eficiencia Combinada (Iluminación y Spillover), se situa típicamente en torno a C=-10dB,-12dB.

Eficiencia combinada

Eficiencia por Contrapolar:

Es la medida de la pérdida de energía en la que el componente contrapolar radiada.

En los sitemas centrados que no introducen componente contrapolar, esta eficiencia mide las características del alimentador.


Eficiencia por error en la superficie:

Esta relacionada con las desviaciones del frente de fase en la apertura respecto a la onda plana ideal, debidas a las distorsiones de la superficie de los reflectores.


Eficiencia por Bloqueo:

Aparece a causa de la porción de apertura bloqueda por:

  • Alimentador (ó Subreflector).
  • Soportes del alimentador ó del subreflector.


Pérdidas por desplazamientos:

  • Desplazamiento lateral:

El desplazamiento lateral del alimentador causa un apuntamiento del haz en sentido contrario al movimiento del alimentador.

Se produce una caida de la Ganancia y el Efecto de Coma (incremento asimétrico en el nivel de los lóbulos secundarios hasta juntarse uno de ellos con el lóbulo principal).

  • Desplazamiento axial:

La variación en la posición del alimentador a lo largo del eje z produce un error de fase de orden cuadrático en el campo de apertura que rellena los nulos del diagrama de radiación y disminuye la ganancia.

Ganancias típicas

La ganancia de una antena reflectora de apertura circular se obtine como:


G = \left(\frac{\pi D}{\lambda}\right)^2 \prod_{i} Eficiencias_{i}

La eficiencia total que se suele obtener es del orden de:

  • Reflector simple centrado: 60%
  • Sistema Cassegrain centrado: 65 al 70%
  • Sistema Offset: 70 al 75%
  • Sistema doble con superficies conformadas para máxima ganacia: 85 al 90%
Uso de cada tipo de reflector

Antes de definir usos de antenas con reflector se debe notar que los tipos se deberían enunciar haciendo referencia a que todas son antenas "parabólicas" puesto que así queda más claro que son tipos de parabólicas.

Antena parabólica de foco primario

Usos: Televisión, radio y transmisión de datos Conexión VSAT: http://www.slb.com/content/services/consulting/infrastructure/global/spacetrack4000.asp?

Usos: Recepción de satélite, pero tiene un bloqueo del alimentador que reduce la simetria rotacional y reduce los haces http://www.plantaterrena.tv/antenas.htm http://www.satlex.it/es/satcom_pfa-page_1.html http://antenasparatodos.blogspot.com/ http://www.el-apeadero.com/showthread.php?t=201


Antena parabólica Offset

Usos: Antenas de recepción de satélite http://www.ikusi.es/public/ctrl_public_prod.php?accion=verGama&id_familia=4&id_gama=%2726%27 http://www.ikusi.es/public/ctrl_public_prod.php?accion=verProducto&id_familia=4&id_gama=%2726%27&id_producto=194

Antena parabólica Cassegrain

Es similar a la de Foco Primario, sólo que tiene dos reflectores; el mayor apunta al lugar de recepción, y las ondas al chocar, se reflejan y van al Foco donde está el reflector menor; al chocar las ondas, van al Foco último, donde estará colocado el detector. Se suelen utilizar en antenas muy grandes, donde es difícil llegar al Foco para el mantenimiento de la antena. Aplicaciones de radar multifunción: http://www.patentstorm.us/patents/4612550/description.html http://www.integratedsoft.com/News/RandDnews.aspx?Article=Cassegrain-Antenna Aplicaciones militares:

http://www.drdo.org/pub/techfocus/apr2000/Cassegrain%20antenna.htm
Sistema de antena Multihaz (MBA system)
Antena Multihaz Offset
Antena Multihaz Cassegrain

Las antenas multihaz o sistemas MBA se utilizan generalmente en sistemas de satélite.

Este tipo de antenas están formadas por arrays de elementos alimentadores y circuitos de control para variar la potencia variando o combinando funciones del BFN, de esta manera se consige generar una red o matriz de haces (BFN beam-forming network).

Cada elemento del array ilumina con una apertura óptica generando un haz, el ancho de haz de un rayo va determinado por el tamaño de la apertura óptica y la posición. La separación angular de los rayos está determinada por la separación entre los elementos.

Con esta configuración, los satélites pueden comunicarse a través de una sola antena con varias estaciones terrenas geográficamente dispersas.


Existen varios tipos de antenas multihaz, los más importantes y más usados son:

  • Offset Este tipo de antena se obtine recortando de grandes antenas parabólicas de forma esférica, tienen el Foco desplazado hacia abajo, de tal forma que queda fuera de la superficie de la antena, por esta razón, el rendimiento es mayor que en la de foco primario llegando a ser de un 70% aproximadamente. El diagrama de directividad tiene forma de óvalo.


  • Cassegrain. Estas antenas son similares a las de Foco Primario, la diferencia es que tienen dos reflectores; el mayor de ellos apunta al lugar de recepción y las ondas al chocar, se reflejan y van al Foco donde está el reflector menor; al chocar las ondas, van al Foco último, donde estará colocado el detector. Se suelen utilizar antenas muy grandes, donde es difícil llegar al Foco para el mantenimiento de la antena. Además utilizan un reflector que lleva el radiador primario en el foco del mismo. La dirección del haz se puede modificar cambiando la posición de los elementos radiadores alrededor del foco, se debe tener en cuenta el bloqueo que producen los radiadores dispuestos en torno a éste. Por este motivo es más útil el empleo de configuraciones Offset.

Antenas planas

Tipos Básicos de Antenas Planas

Antenas de bucle magnético

Las antenas de bucle magnético consisten en un bucle de forma circular, octogonal o rectangular. El perimetro de la antena puede ser del orden de la longitud de onda, o bien bastante menor.

Estas antenas tienen una elevada direccionalidad, con el maximo de recepción en el plano de la antena, y el minimo en el plano perpendicular al plano de la antena,

Son poco afectadas por la tierra a partir de alturas superiores a un metro y medio.

En contrapartida, estas antenas desarrollan tensiones de varios kilovolts en bornes, lo que significa que los materiales deben ser capaces de desarrollar esas tensiones. Las medidas de seguridad también se ven afectadas.

Finalmente, el ancho de banda es de unos pocos kilohertz, lo que significa que en caso de cambio de frecuencia require un nuevo ajuste de la impedancia.

Antenas Microstrip[3]

Definición: Las antenas Microstrip son un tipo de antenas planas. Son una extensión de la línea de trasmisión Microstrip Las antenas planas son monomodo. Son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesférica. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elelmentos de un array. La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiación Su estructura se basa en: - Parche metálico de dimensiones comparables a la longitud de onda - Substrato dieléctrico sin pérdidas - Plano de masa

Inconvenientes: - Baja eficiencia - Baja potencia - Alto Q - Pobre pureza de polarización - Banda estrecha - Radiación espúrea de las líneas

Ventajas: - Bajo perfil - Conformable a estructuras - Fabricación sencilla y barata - Robustas - Combinable con circuitos integrados de microondas - Versátiles en la elección de la frecuencia de resonancia o polarización

Existen varios tipos de antenas microstrip, la más común es la antena parche.Esta antena es de banda estrecha y esta fabricada cubriendo los elementos de la antena en un metal con sustrato dieléctrico formando una superficie plana. Las formas más comunes de los parches son cuadrados, rectangulares, circulares y elípticas pero es posible cualquier forma.

Estas antenas suelen estar montadas en aviones ,naves espaciales o incorporadas a radios de comunicaciones móviles. Las antenas microstrip son baratas de construir gracias a su simple estructura .Estas antenas también son utilizadas en UHF ya que el tamaño de la antenas es directamente proporcional al ancho de banda de la frecuencia de resonancia .Una sola antena microstrip puede tener una ganacia de 6-9dBi.Un array de estas antenas consigue mayores ganancias que una sola antena microstrip. La antena microstrip más utilizada es la de parche rectangular .Esta antena es aproximadamente la mitad de la sección de la longitud de onda de la linea de transmisión de una microstrip rectangular. Una ventaja de estas antenas es la diversidad de polarización, pueden ser fácilmente diseñadas para estar polarizadas en vertical, horizontal, circular derecha o circular izquierda.

Este tipo de antenas se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre substrato dieléctrico. Su estructura consiste en un parche metálico sobre un substrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor varia entre 0.003\lambda\, y 0.05\lambda\, y su constante dieléctrica puede tomar valores entre 2 y 12. En la parte inferior hay un plano conductor perfecto.

Las antenas parche son un tipo popular de antena cuyo nombre viene del hecho de que consisten básicamente en un parche de metal tapado por un soporte plano que normalmente es de plástico y lo protege de daños.

Antena parche

Configuración

La antena parche más simple usa un parche con una longitud que es las mitad de la longitud de onda y un soporte más largo. El flujo de la corriente va en la dirección del cable de alimentación, así el vector de potencia y el campo magnético siguen la misma dirección que la corriente. Una antena simple de este tipo radia una onda polarizada linealmente.

Gananciaantena.gif

Ganancia

En una antena microstrip con parche rectangular mientras la longitud del parche sea la misma que la del dipolo resonante podemos tener 2 dB de ganancia de la directividad de la línea vertical del parche. Si el parche es cuadrado pueden ser otros 2 o 3 dB. El soporte plano impide la radiación alrededor de la antena reduciendo la potencia media en todas las direcciones en un factor de 2.lo que hace que la ganancia aumente en 3 dB. Un patrón típico de diagrama de radiación de una antena polarizada linealmente de 900 Mhz es el dibujado en la siguiente gráfica. La gráfica muestra un corte en el plano horizontal, el plano vertical es muy similar.

En esta gráfica podemos ver que en un ángulo de 90º la radiación es máxima, mientras que si nos vamos alejando la radiación es menor y acaba cayendo 3 dB. También se puede ver que por detrás del parche hay una pequeña radiación.

Comparación entre dos antenas: la antena "A" con un parche de 2×2 dm y la antena "B" con 3×3 dm. Puede observarse cómo varía el ancho de banda y la perdida de retorno según va aumentando la frecuencia.

Impedancia del ancho de banda

La impedancia del ancho de banda de una antena está influenciado por el espacio que hay entre el parche y el soporte plano, cuanta menos distancia haya se radiara menos energía y más energía se quedara en la inductancia y capacitancia de la antena con lo que el factor Q aumenta. La ecuación para estimar el ancho de banda de estas antenas es:

\frac{{\delta f}}{{f_{res} }} = \frac{{Z_0 }}{{2R_{rad} }}\frac{d}{W}

Donde d es la altura del parche, W es el ancho, Z0 es la impedancia de espacio libre y Rrad es la resistencia de radiación de la antena. Una ecuación reducida podría ser:

\frac{{\delta f}}{{f_{res} }} = 1.2\left( {\frac{d}{W}} \right)

Polarización circular

Polarización circular

También es posible fabricar antenas con ondas polarizadas circularmente. Mirando el dibujo se puede ver como se introduce un retardador de frecuencia que lo que hace es desfasar el vector en 90º y así se consigue que sea una radiación circular.

Algunas de las aplicaciones de estas antenas son para antenas de los sistemas de teledetección, sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de calor de tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y todos los sistemas a frecuencias de microondas.

Estas antenas se pueden alimentar de varias formas:

  • A través de líneas impresas
  • A través de ranuras
  • Sondas coaxiales
  • Acoplamiento de las cavidades

Se puede encontrar un modelo de simulación y la configuración de los distitntos parámetros de estas antenas en la siguiente página:[1]

Una página donde se puede calcular una antena con los valores que desees es: [2]

Antenas de apertura sintética (SAR)

Este tipo de antenas o radares ilumina una escena a través de una sucesión de pulsos en una frecuencia determinada. Una parte de la energía que se propaga (en todas direcciones) vuelve a la antena (eco).Un sensor mide la intensidad y el retardo de las señales emitidas y las que vuelven y con la interpretación de estos últimos se forman imágenes en función de la distancia al radar. Este radar es un sensor activo, ya que lleva su propia fuente de alimentación. Opera principalmente en la radiación microondas, lo que hace que sea más independiente de factores externos como lluvia, nubosidad o niebla. Esto permite la observación continua, incluso en horario nocturno.

Se trabaja en dominio discreto al hacer muestreo de las señales. Las imágenes radar están compuestas por muchos puntos o elementos, denominados píxeles. Cada píxel representa un eco de vuelta detectado.

Un satélite que utiliza este tipo de antena o radar es el European Remote Sensing Satellite (ERS).

Aplicaciones de las antenas planas

Radio digital por satélite

Se trata de un servicio de radio con procesamiento digital de sonido que puede ser utilizado tanto en edificios como en un vehículo. Los abonados a este servicio podrán disponer de más de 100 canales con la posibilidad de escuchar la misma emisora de radio sin tener que mover el dial del receptor de la radio.

Este sistema sólo existe en Estados Unidos y hay 2 equipos disponibles: Sony XM -Plug and Play- Radio y Pioneer XM Universal Receiver.

Las empresas que han lanzado este sistema son XM y Worldspace.

SAR

En cuanto a los SAR algunas de sus aplicaciones son:

  • Generación de modelos digitales de terreno. Se reconstruyen las altitudes de terreno a partir del desenrollado de fase de un interferograma. Esto tiene importantes aplicaciones que incluyen la planificación de redes de telecomunicación móvil, explotación geológica y planificación urbana. También es útil para la construcción de modelos topográficos en áreas remotas donde no se dispone de datos.
  • Control del hielo en el mar. La observación casi continua sin la influencia de las condiciones meteorológicas y la larga noche invernal proporciona datos para servicios de navegación en invierno. Con un estudio de este tipo se obtienen datos como localizaciones de masas de hielo, estimaciones del tipo de hielo y su concentración.
  • Clasificación de uso de tierra y monitorización de bosques. Se puede estudiar la respuesta en amplitud o intensidad de la señal o eco de retorno para controlar distintos tipos de cultivos, talas incontroladas, es decir, los diferentes cultivos se pueden identificar según sus efectos sobre la variación de la coherencia o sobre la respuesta espectral.
  • Identificación de depósitos materiales. Se pueden detectar los accidentes y estructuras que indican la presencia de depósitos minerales, bien sea para prospección con fines de explotación como de estudio.
  • Vigilancia de zonas costeras. Se utilizan este tipo de radares para controlar los efectos del crecimiento incontrolado en las zonas costeras. Algunos de estos efectos pueden ser acumulación de contaminantes, erosión, agotamiento rápido de recursos...
  • Inundaciones. Se pueden emplear estas técnicas para tener modelos hidrológicos y de cauces que sirvan como previsión.
  • Control de glaciares. Es posible medir con estos radares sus dimensiones así como controlar sus variaciones a lo largo del tiempo
Antenas sectoriales

Son la mezcla de las antenas direccionales y las omnidireccionales. Es una solución tecnológica ideal para la planificación de redes móviles celulares.

Las antenas sectoriales emiten un haz más amplio que una direccional pero no tan amplio como una omnidireccional. La intensidad (alcance) de la antena sectorial es mayor que la omnidireccional pero algo menor que la direccional.

Para tener una cobertura de 360º (como una antena omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) deberemos instalar o tres antenas sectoriales de 120º ó 4 antenas sectoriales de 80º. Las antenas sectoriales suelen ser más costosas que las antenas direccionales u omnidireccionales.

A continuación podemos ver el diagrama patrón de una antena sectorial:

Archivo:Diagrama patron antena sectorial.jpg Diagrama antena sectorial

Combinando varias antenas en un mismo mástil, podemos lograr cubrir un territorio amplio, mitigando el efecto del ruido y ampliando el ancho de banda:

Antenas sectoriales

Ejemplo cálculo antenas sectoriales

Para simular un simple ejemplo de cálculo de antenas sectoriales utilizamos el siguiente applet: Applet cálculo antenas sectoriales

Calcularemos los diagramas para la siguiente antena real:

Antena sectorial de ejemplo

Estudiando la fotografía vemos que el número de elementos es 3, por lo que N=3

Por otro lado, para el funcionamiento del Applet necesitamos conocer la distancia d. Esta distancia, es la distancia en mm entre los dos centros de dos antenas contiguas. Esta distancia es por lo tanto una lambda (longitud de onda). Si nos fijamos en nuestro caso d = 0,92*lambda.

Para conocer su fase Beta = K * d , siendo d conocida y K=2*Pi / lambda.

De esta maner vemos que Beta es igual a Beta = 2*Pi*distancia, siendo en nuestro caso Beta=2*Pi*0,92 radianes. En grados Beta= 2*Pi*0,92*Pi / 180 = 0,1º, es decir practicamente cero.

Para estos parametros obtenemos el siguiente patrón:

Resultado cálculo

Ingeniería con antenas planas

Efecto del Dieléctrico

La carga dieléctrica de una antena microstrip afecta tanto a la radiación como a su impedancia de ancho de banda.A medida que incrementa la constante dieléctrica del sustrato, el ancho de banda disminuye lo que hace que disminuya también el factor Q y por lo tanto también disminuye la impedancia de ancho de banda.Esto no aparece inmediatamente cuando se utiliza el modelo lineal de transmisión pero si cuando utilizamos el modelo de cavidad.La radiación de una antena microstrip rectangular se puede entender como un par de ranuras equivalentes.Estas ranuras pueden actuar como un array y tener su directividad más alta cuando la antena tiene como dielectrico el aire y disminuye cuando la antena es cargada con material con incremento relativo de la constante dieléctrica.

Antenas de dipolos

Artículo principal: Dipolo (antena)

Un dipolo es una antena con alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son las más simples desde el punto de vista teórico.

Tipos básicos de antenas de dipolo

Dipolo corto

Un dipolo corto (o también llamado dipolo elemental) es un dipolo con una longitud mucho menor que la longitud de onda con polarización lineal (horizontal o vertical

A 1 MHz de frecuencia la longitud de onda es de 300 m. Por tanto, la mayoría de las antenas se comportan como dipolo corto a frecuencias menores de 1 Mhz.

Antena de dipolo corto
Dipolo de media onda

Es un dipolo muy similar al dipolo corto pero en este caso la longitud es igual a la mitad de la longitud de onda.

Dipolo doblado

Un dipolo doblado consiste en dos dipolos paralelos cortocircuitados en su extremo. Uno de los dipolos es alimentado en el centro por un generador.

El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que las reactancias se compensan y también tiene una mayor impedancia.

Antena Yagi

Una antena Yagi consiste en una antena de dipolo a la cual se le añaden unos elementos llamados "parásitos" para hacerlo direccional. Estos elementos pueden ser directores o reflectores.

Los elementos directores se colocan delante de la antena y refuerzan la señal en el sentido de emisión.

Los elementos reflectores se colocan detrás y bloquean la captación de señales en la dirección opuesta al emisor.

Log periódica
Antena logoperiódica.

Una antena de tipo log periódica 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.

Array

Una antena array es un conjunto de elementos radiantes individuales alimentados desde un mismo terminal mediante redes lineales. Normalmente suelen ser elementos iguales y con la misma orientación. Se pueden encontrar muchos tipos de arrays diferentes dependiendo de su clasificación. Las agrupaciones se pueden clasificar por ejemplo según su geometría, según la red, su aplicación..

Ingeniería con estas antenas

Log Periódica

Una antena de tipo logarítmica periódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Con una construcción similar a la de la antena Yagui, solo que las diferencias de longitudes entre los elementos y sus separaciones siguen una variación logarítmica en vez de lineal.

La ventaja de la antena logarítmica sobre la Yagui es que ésta no tiene un elemento excitado, sino que recibe alimentación en todos sus elementos. Con esto se consigue un ancho de banda mayor y una impedancia pareja dentro de todas las frecuencias de trabajo de esta antena.

Funcionamiento: La receptora de la señal o su región activa cambia continuamente dependiendo de la frecuencia, donde en la frecuencia más baja de operación, el elemento largo es el resonante y el resto de elementos actuan como directores. En la frecuencia más alta, el elemento más corto resuena y los otros elementos (más largos) actuan como reflectores en el centro de la banda de frecuencia.

Antena banda ancha: con dipolos resonando en diferentes frecuencias estrechas, en una misma antena, conseguimos abrir el ancho de banda de la antena. Antena multibanda: con dipolos resonando en diferentes bandas, podemos obetener una antena capaz de ser multibanda.

Estas antenas pueden proveer hasta 10 dB más de ganancia que una antena de 1/4 de onda, a la vez que pueden atenuar hasta 30 dB fuentes de interferencia provenientes de otras direcciones. La longitud del elemento horizontal y el número de elementos transversales determinan el ancho de banda y la direccionalidad de la antena.

Se utilizan principalmente para transmitir señales de TV,FM y para comunicaciones militares.

Fuente http://www.upv.es/antenas/

Yagi

A continuación se muestran tres tipos de antenas, cuya comparación ilustra lo común de estas antenas, y también sus diferencias. Este tipo de ejercicio es el que los ingenieros deben realizar para elegir la antena más adecuada en cada caso. [4]

Antena Yagi 1044

Este tipo de antena tiene un ancho de banda del 57 % (canales 21-69) y una ganancia de 16,5 dBi. A la hora de seleccionar una antena un ingeniero debe tener en cuenta otros conceptos como la descripción de la antena que se hace a continuación. Estas antenas se caracterizan por el diseño en X de sus elementos directores, los cuales la hacen más corta que una antena Yagi convencional. Esta construcción consigue una elevada inmunidad contra las señales generadas por la actividad humana, tales como motores o electrodomésticos; y una perfecta adaptación de impedancias.

Antena Yagi 1443

Esta antena tiene un ancho de banda y una ganancia muy similar al ejemplo anterior. Está compuesta por un array angular de dos conjuntos de elementos directores dispuestos en V. De la misma manera que la antena descrita anteriormente, esta también tiene una reducidas dimensiones.

Antena Yagi 1065

Este tipo de antena, al tener muchos menos directores y tener un único reflector, tiene una ganancia mucho menor que las antenas anteriores. En este caso la ganancia es de 9,5 dBi. De esta manera se puede apreciar cuál es la función de los reflectores y directores en las antenas de dipolo y cómo estos modifican la ganancia de las mismas.

Dipolo doblado

A la hora de estudiar este tipo de dipolos, la corriente que los alimenta se suele descomponer en dos modos; par (o modo antena), e impar (o modo línea de transmisión).

El análisis en modo par es el que se realiza cuando se tiene en cuenta que en ambos brazos hay la misma alimentación y en el mismo sentido. El análisis en modo impar, sin embargo, es el que se hace teniendo en cuenta un sentido contrario de la corriente en cada brazo (dos generadores con signos opuestos). Las corrientes totales serán por tanto la suma de las corrientes halladas en cada modo.

Análisis del modo impar

El modo impar equivale a dos líneas de transmisión en cortocircuito, alimentadas en serie. La impedancia de una línea de transmisión de longitud H, terminada en cortocircuito es

zt = jz0tankH

La corriente del modo impar del dipolo doblado es

I_{Impar}=\frac{V}{2jZ_{0}tankH}

Análisis del modo par

A partir de la siguiente fórmula se halla la corriente del modo par:

I_{Par}=\frac{V}{4z_{d}}

Siendo zd la impedancia de un dipolo aislado, ya que la impedancia mutua de dos dipolos cercanos tiende a la impedancia de un dipolo aislado.

Una vez halladas las corrientes tanto en modo par como impar, se sumarán para hallar la corriente total. La fórmula resultante será la siguiente:

I_{Total}=\frac{V}{4z_{d}}+\frac{V}{2jZ_{0}tankH}

El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que las reactancias se compensan. También hay que tener en cuenta que la relación entre las corrientes del dipolo doblado y del dipolo aislado es 2Idd = Id , y que la potencia a la entrada de los dos dipolos es idéntica, se deduce que

zdd = 4zd

En conclusión, un dipolo doblado equivale a un dipolo simple con corriente de valor doble, e impedancia 4 veces. El diagrama de radiación, sin embargo, será igual al del dipolo simple.

Arrays

El parámetro fundamental en el diseño de un array de antenas es el denominado factor de array.


El factor de array es el diagrama de radiación de una agrupación de elementos isotrópicos.


Cuando los diagramas de radiación de cada elemento del array son iguales y los elementos están orientados en la misma dirección del espacio, el diagrama de radiación de la agrupación se puede obtener como el producto del factor de array por el diagrama de radiación del elemento.


Para analizar el comportamiento de una antena array se suele dividir el análisis en dos partes: red de distribución de la señal y conjunto de elementos radiantes individuales. La red de distribución viene definida por su matriz de impedancias (Z), admitancias (Y) o parámetros de dispersión (S). Para analizar el Array, se excita un solo elemento y los demás de dejan en circuito abierto. También hay muchos casos en los que se debe tener en cuenta lo que influyen los demás elementos en la radiación del elemento alimentado (esto se denomina "acoplamiento"). El diagrama de radiación es el producto del diagrama del elemento y del factor de array. Gracias al factor de array (valor escalar) se puede analizar la geometría y la ley de excitación sobre la radiación.

La fórmula para hallar el campo total radiado será la siguiente:

\vec{E}_{grupo}=\vec{E}_{elemento} F


Factor de array:

F(\theta,\phi)=\sum A_{i}e^{jkr\vec{r_{1}}}


Resto de parámetros:

r\vec{r_{1}}=x_{i} sen(\theta)cos(\phi)+ y_{i}sen(\theta)sen(\phi)+z_{i}cos(\theta)

k=\frac{2\pi}{\lambda}=\frac{w}{v}

Arrays de Dipolos para Redes GSM/UMTS

Acoplamiento entre Elementos Radiantes

Normalmente una antena se sitúa en una pared o sobre una estructura y muchas veces rodeada de elementos conductores. Las estaciones base de las antenas modernas GSM, incluso suelen estar compuestas de múltiples antenas por sector, donde es posible que dos antenas estén tan cerca que pueden interferir en su radiación. Los operadores GSM deben tener esto en cuenta ya que la ganacia de la antena puede variar. Esta distorsión puede utilizarse a nuestro favor si es necesario, simplemente añadiendo algún director o reflector en el área cercana para conseguir más dBs en la dirección deseada.[5]

Aspectos Generales Relacionados con la Física de las Antenas

Influencia de la Tierra

La conductividad del terreno es un factor determinante en la influencia de la tierra sobre la propagación de las ondas electromagnéticas. La conductividad de la superficie de la tierra depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas que inciden sobre ella y del material por la que esté compuesta, comportándose como un buen conductor a bajas frecuencias y reduciendo su conductividad a frecuencias mayores.

El coeficiente de reflexión del suelo es un parámetro relacionado con la conductividad e informa acerca de como se reflejan las ondas en él. Su valor depende del ángulo de incidencia y del material que conforma el suelo: tierra húmeda, tierra seca, lagos, mares, zona urbana, etc.

Para un determinado coeficiente de reflexión, la energía reflejada por el suelo aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia respecto de la normal, siendo la mayor parte de la energía reflejada cuando la incidencia es rasante, y teniendo los campos eléctrico y magnético de la onda reflejada casi la misma amplitud que los de la onda incidente.

En el caso de las antenas, tratándose habitualmente de emisión o recepción a grandes distancias, casi siempre existe una incidencia rasante.

El rayo reflejado por la tierra puede modelarse, desde el punto de vista de la antena receptora, como el rayo transmitido por una antena imagen de la antena transmisora, situada bajo el suelo. El rayo reflejado recorre más distancia que el rayo directo.

La apariencia de la antena imagen es una imagen especular de la apariencia de la antena transmisora real. En algunos casos se puede considerar que la onda transmitida desde la antena real y la onda transmitida desde la antena imagen tienen aproximadamente la misma amplitud, en otros casos, por ejemplo cuando el suelo tiene irregularidades de dimensiones similares o mayores que la longitud de onda, la reflexión del rayo incidente no será neta.

La distancia recorrida por el rayo reflejado por la tierra desde la antena transmisora hasta la antena receptora es mayor que la distancia recorrida por el rayo directo. Esa diferencia de distancia recorrida introduce un desfase entre las dos ondas.

Véase también: Redes de antenas....

La figura de la derecha representa un ángulo de incidencia respecto de la horizontal \scriptstyle{\theta} muy grande cuando, en la realidad, el ángulo suele ser muy pequeño. La distancia entre la antena y su imagen es \scriptstyle{d}.

La reflexión de las ondas electromagnéticas depende de la polarización. Cuando la polarización es horizontal, la reflexión produce un desfase de \scriptstyle{\pi} radianes, mientras que cuando la polarización es vertical, la reflexión no produce desfase.

La componente vertical de la corriente se refleja sin cambiar de signo, en cambio, la componente horizontal cambia de signo.

En el caso de una antena que emite con polarización vertical (campo eléctrico vertical) el cálculo del campo eléctrico resultante es el mismo que en radiación de un par de antenas. El resultado es:

\textstyle{\left|E_\perp\right|=2\left|E_{\theta_1}\right| \left|\cos\left({kd\over2}\sin\theta\right) \right|}

La inversión de signo para el campo paralelo solo cambia un coseno en un seno:

\textstyle{\left|E_=\right|=2\left|E_{\theta_1}\right| \left|\sin\left({kd\over2}\sin\theta\right) \right|}

En estas dos fórmulas:

  • \scriptstyle{E_{\theta_1}} es el campo eléctrico de la onda electromagnética radiado por la antena si no hubiese la tierra.
  • \scriptstyle{k={2\pi\over\lambda}} es el número de onda.
  • \scriptstyle{\lambda} es la longitud de onda.
  • \scriptstyle{d} es la altura de la antena.


Antenas en recepción

Los diferentes tipos de antenas y su irradiación.

El campo eléctrico de una onda electromagnética induce una tensión en cada pequeño segmento del conductor de una antena. La corriente que circula en la antena tiene que atravesar la impedancia de la antena.

Utilizando el teorema de reciprocidad se puede demostrar que el circuito equivalente de Thévenin de una antena en recepción es el siguiente:

Circuito equivalente

V_a={\sqrt{R_aG_a}\,\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}E_b

  • \scriptstyle{V_a} es la tensión del circuito equivalente de Thevenin.
  • \scriptstyle{Z_a} es la impedancia del circuito equivalente de Thevenin y es igual a la impedancia de la antena.
  • \scriptstyle{R_a} es la resistencia en serie de la impedancia \scriptstyle{Z_a}\,de la antena.
  • \scriptstyle{G_a} es la ganancia de la antena (la misma que en emisión) en la dirección de donde vienen las ondas electromagnéticas.
  • \scriptstyle{\lambda} es la longitud de onda.
  • \scriptstyle{E_B} es el campo eléctrico de la onda electromagnética incidente.
  • \scriptstyle{\psi} es el ángulo que mide el desalineado del campo eléctrico con la antena. Por ejemplo, en el caso de una antena formada por un dipolo, la tensión inducida es máxima cuando el dipolo y el campo eléctrico incidente están alineados. Si no lo están, y que forman un ángulo \scriptstyle{\psi} la tensión inducida estará multiplicada por \scriptstyle{\cos\psi}.

El circuito equivalente y la fórmula de la derecha son válidos para todo tipo de antena: que sea un dipolo simple, una antena parabólica, una antena Yagi-Uda o una red de antenas.

He aquí tres definiciones:

\begin{matrix} { Longitud\ eficaz\ de\ la\ antena}&=&\textstyle{{\sqrt{R_aG_a}\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}} \\ & & \\ { Potencia\ disponible\ m\acute{a}xima}&=&\textstyle{{G_a\lambda^2\over 480\pi^2}E_b^2} \\ & & \\ { Superficie\ eficaz\ o\ secci\acute{o}n\ eficaz}&=&\textstyle{{G_a\over4\pi}\lambda^2}\\ \end{matrix}

El corolario de estas definiciones es que la potencia máxima que una antena puede extraer de una onda electromagnética depende exclusivamente de la ganancia de la antena y del cuadrado de la longitud de onda (λ).


La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo solido.

Referencias

  • Antenas. A. Cardama, L. Jofre, J.M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. Edicions UPC ISBN 84-8301-625-7
  • Antenna Theory: Analysis and Design (John Wiley & Sons, 2005) by Constantine A. Balanis
  • Introducción a la teoría de antenas
  • Radiocomunicaciones, Curso con cientos de preguntas y ejercicios prácticos de autoevaluación para el diseño práctico de radioenlaces, Francisco Ramos Pascual, 2007.

Véase también

Notas

  1. ↑ "Salvan: Cradle of Wireless, How Marconi Conducted Early Wireless Experiments in the Swiss Alps", Fred Gardiol & Yves Fournier, Microwave Journal, February 2006, pp. 124-136.
  2. ↑ Universidad Politécnica de Madrid: Reflectores
  3. ↑ Wikipedia en inglés: artículo "Microstrip Antenna"
  4. ↑ Televés
  5. ↑ Applied Electromagnetics and Communications, 2003. ICECom 2003. 17th International Conference

Enlaces externos

Commons

Obtenido de "Antena"

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