6.5_Tipos Mas Comunes de Antenas

8/3/2019 6.5_Tipos Mas Comunes de Antenas

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TIPOS MÁS COMUNESDE ANTENAS

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Objetivo

1.- Tipos más comunes de antenas.

Edison Coimbra G.ANTENAS Y PROPAGACIÓN DE ONDAS

Tema 5 de:Última modificación:

28 de marzo de 2011

Describir los tipos más comunes de antenas, clasificadossegún su longitud eléctrica, el ancho de banda defrecuencias en el que operan y su inteligencia.

Contenido

2.- Antenas pequeñas y antenas resonantes.

3.- Antenas de banda ancha.

4.- Grandes antenas. Reflectores.

5.- Agrupaciones de antenas.

6.- Sistemas de antenas inteligentes.



2

1.- Tipos más comunes de antenas

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Todos lo tipos más comunes de antenas que emplea la industria de comunicaciones se basanen un dipolo básico y la mayor parte de ellos son alguna forma modificada de un dipolo demedia longitud de onda.

¿Cuáles son?

1

¿Cómo se pueden clasificar?

El dipolo de media ondaes la antena básica

Antenas pequeñas y antenas resonantes.

Antenas de banda ancha e independientes dela frecuencia.

3 Grandes antenas. Reflectores.

4 Agrupaciones de antenas.

2

Una de las muchas formas de clasificarlas podría ser desde elpunto de vista de su longitud eléctrica, el ancho de banda

de frecuencias en el que operan y su inteligencia.

5 Sistemas de antenas inteligentes.



3Son de longitudes menores que /2. www.coimbraweb.com

2.- Antenas pequeñas y antenas resonantes.¿Qué son las antenas pequeñas?

Antena de bobina

Son antenas de dimensiones mucho menores que /2. Forman un conjunto útil en frecuenciasbajas. Las más comunes son el dipolo corto , el monopolo corto y las antenas de bobina .

La antena de paraguas estáformada por un monopolocorto sobre un plano detierra, terminado en una

capacitancia que forman unentramado de hilos.

Antena pequeña de bobina. Utilizada enreceptores de reducido tamaño, para onda media.

En las bandas de VLF a HF (10 kHz hasta 30 MHz), la construcción de antenas resulta difícil por sus grandes dimensiones físicas.

Monopolo corto



4En resonancia su impedancia es resistiva. www.coimbraweb.com

Antenas resonantes.¿Qué son las antenas resonantes?

Dipolo de media onda

Son antenas que tienen dimensiones del orden de /2 . Entre ellas, las de hilo o lineales condiferentes estructuras que se usan en todas las bandas de frecuencia. Las más usadas son los

dipolos , monopolos , anillos , hélices resonantes y combinaciones de todas ellas.

El dipolo resonante de /2 es el más utilizado. La alimentación se realiza con un cable coaxial ocon una línea bifilar.

El diagrama de radiación del dipolo es poco directivo y, en consecuencia, la ganancia llega a los2,15 dBi. La banda de trabajo está limitada a la frecuencia de resonancia.



5El chasis del auto actúa como una tierra eléctrica. www.coimbraweb.com

Antenas resonantes.Variante del dipolo

Antena monopolo

Las características de polarización vertical yomnidireccional de un dipolo, se logran con unradiador vertical de /4. Este monopolo sedenomina Marconi o antena con plano de tierra .Se alimenta con coaxial; el conductor centralconectado al radiador y el blindaje a tierra.

La tierra actúa como un “espejo” eléctrico al

proporcionar el otro /4 de longitud de la antena,haciéndola equivalente a un dipolo vertical.

El plano de tierra puede ser una láminaconductora o 4 ó más varillas metálicas radiando

hacia fuera de la base de la antena y con unalongitud similar a la de la antena.

Las antenas móviles por lo común son antenas con plano de tierra, con el automóvil actuando porsí mismo como el plano de tierra. La cubierta metálica del auto debe ser lo bastante grande paraque el radio del área que representa sea R /4 en la frecuencia más baja de operación.



6La espira es la contraparte magnética del dipolo. www.coimbraweb.com

Antenas resonantes.Contraparte magnético del dipolo

Antena en anillo o espira

El anillo o espira se considera como la contraparte magnética del dipolo.La espira y el dipolo tienen idénticos diagramas de campo pero con E y H intercambiados. Ambas antenas tienen la misma ganancia de 2.15 dBi.

La antena de hélice ohelicoidal produce ondas conpolarización circular y recibeondas con cualquier tipo depolarización.

Antena de hélice

La ganancia de la antena dehélice es proporcional al

número de vueltas y puedeser varios dB mayor que lade un dipolo. Suele utilizarsecon las transmisiones porsatélite de VHF (30 a 300MHz).



7La Yagi es una antena directiva. www.coimbraweb.com

Antenas resonantes.Dipolo doblado y elementos parásitos.

AntenaYagi

Una antena muy popular es el dipolo doblado, que se utilizaen antenas de TV en VHF y UHF (30 MHz hasta 3 GHz), ya

sea solo o en combinación con elementos parásitos formandola antena Yagi.

La antena Yagi se construye con un elementoexcitado , un reflector y varios directores .

Mediante este arreglo se consigue que la impedancia de 75 del dipolo, aumente hasta unos 300 .

La Yagi es una antena

directiva, con un sololóbulo principal yvarios menores.

Para una ganancia de 10 dBi , se necesitan 6 directores, pero con más directores se logran ganancias de hasta 16 dBi .

Además de su ganancia y ancho de haz, la Yagi se caracteriza por su relación frente-atrás, quetípicamente alcanza los 15 dB.



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Antenas resonantes.Complemento del dipolo

Antena deranura

Las antenas de ranura están asociadas a las líneasde transmisión cerradas como las guías de onda.

Una de las antenas más utilizadas ensistemas de radar de microondas esla guía de onda ranurada.

Si el dipolo se corta de una hoja de metal, deja una ranura. Eldipolo y la ranura son complementarios; tienen idénticos diagramas

de campo pero con E y H intercambiados.

Se sitúan de forma que corten las líneas de

corriente del modo dominante, generandoun campo en la ranura y radiando parte dela potencia que se propaga en la guía.

No es frecuente ver antenas de ranuraindividuales. Normalmente se utilizan paraformar agrupaciones de antenas sobre una

guía de ondas.

La ranura está asociadaa la guía de onda.



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Antenas resonantes.Antenas impresas

Antenadeparche

Antena de parche

o patch antenna .

Con la aparición de las estructuras impresas como líneas detransmisión en microondas (microstrip), aparece también la

antena impresa tipo parche.

Consta de un parche metálico impreso sobre unsustrato dieléctrico. Sus dimensiones, del ordende , se eligen de tal forma que la estructuradisipe la potencia en forma de radiación.

Los circuitos impresos de microondas las usan como unaextensión natural de ellos, integradas con parte del circuitopasivo (filtros ) o activo (amplificador ) en los mismossustratos.

Se las encuentra en sistemas de radar, GPS,

sistemas móviles y sistemas de microondas.

M é t o d o s d e

a l i m e n t a c i ó n



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Antena de onda progresiva

2.- Antenas de banda anchaSon independientes de la frecuencia

Las antenas resonantes tienen una banda limitada alrededor de la frecuencia de resonancia.Para mayores anchos de banda y para alcanzar un comportamiento más uniforme con la

frecuencia, evitando efectos resonantes, se diseñan antenas de banda ancha, entre ellas:

La antena en V es la clásica

Se basan en generar una onda progresivasobre una estructura radiante.

La forma más clásica de este tipo de antena laconstituye la antena en V y su extensión en la

antena rómbica . En ella se excita una ondaprogresiva sobre los hilos situadoshorizontalmente a un /4 de Tierra.

La onda pierde parte de su potencia por laradiación conforme progresa por la estructura,por eso, en el extremo se instala una carga querecoge la potencia sobrante para evitar lasreflexiones.

Su uso se ha extendido por su sencillez demontaje, sobre todo en frecuencias de HF yVHF (3 MHz a 300 MHz).

En frecuencias de UHF (300 MHz a 3 GHz) ysuperiores se usan estructuras impresas con el

mismo principio de antena de onda progresiva.


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Antena espiral

Antenas de banda anchaSon independientes de la frecuencia

Se basa en el principiode escalaelectromagnética.

La antena espiral se construye plana o sobre uncono. La espiral cónica se considera una espiralplana que se ha envuelto alrededor de un conodieléctrico, consiguiendo así mayor ganancia.Se alimenta por un cable

coaxial pegado a unacinta conductora, con suconductor interno unido ala otra cinta en el vértice.

El límite de frecuencia más baja ocurre cuando el

diámetro de la base es /2.

Si las dimensiones de la antena se amplían en un factor de escala, el funcionamiento se mantiene si

se escala también la en el mismo factor.

El límite de la más alta cuando el diámetro del vértice es /4.

Así, el ancho de banda está en la relación 1/2 (base avértice), la cual, para el cono es alrededor de 7 a 1.

Todas las antenasespirales tienen

polarización circular.

La espiral tiene un BW en un intervalo de 7 a 1.



Antena log-periódica

Antenas de banda anchaSon independientes de la frecuencia

La log-periódica tiene un BW en un intervalo de 4 a 1.

La antena log-periódica combina varios dipolos en la mismaestructura para conseguir que la antena sea autoescalable por

un factor K ; lo que significa que si funciona a una frecuencia f ,también lo hará a kf , y a k 2f , y en general a k nf .

La longitud de los dipolos varíade largo a corto y se relacionanen forma logarítmica.

El dipolo más largo tiene una

longitud L = /2 en la frecuenciamás baja por cubrirse.

El dipolo más corto tiene unalongitud L = /2 en la frecuenciamás alta por cubrirse.

Así, el ancho de bandadepende de la relación del dipolomás largo al más corto. Suelen

operar en un intervalo defrecuencias de 4 a 1.

Hoy en día, muchas de las antenas de TV en uso son de la variedad logarítmica periódica, con altaganancia y directividad (D ) en los canales de TV en VHF y UHF (30 MHz hasta 3 GHz).



3.- Grandes antenas. Reflectores.¿Qué son las grandes antenas?

Antena de bocina o horn antenna .

Se forma por la extensión natural de la guía de ondas, esdecir, por el ensanchamiento gradual de las dimensiones de

la guía, manteniendo las características de campo del mododominante que se propaga en la guía.

Son antenas de dimensiones mucho mayores que /2.

Entre ellas, las bocinas, cuyas dimensiones en su aperturavarían desde una hasta centenares de .

Antena de bocina

Las más utilizadas son la bocina piramidal conectada a una guía rectangular y la bocina cónica conectada a una guía circular.



Grandes antenas.Parámetros de las bocinas

A mayor apertura, mayor directividad o ganancia

Patrón de radiación

Son más directivas (D ) cuantomayor es su apertura. Lacondición de directividad máximalleva a una relación entre lasdimensiones de la apertura y la para cada tipo de bocina.



Grandes antenas. Reflectores.Reflector parabólico + antena de bocina =

A mayor diámetro, mayor directividad o ganancia

Antena parabólica

La antena parabólica es una estructura formada por un paraboloidemetálico y una antena alimentadora situada en el foco. Es la más

utilizado en aplicaciones donde se requiere una gran directividad.

La reflexión en el reflector transforma la onda incidente esférica en ondaplana (fase y amplitud uniformes), produciendo un diagrama muydirectivo en la dirección normal al plano de apertura. La antenaalimentadora es una bocina , dipolo o hélice .

El rendimiento de un reflector es de 50% a 60%, debido ala rugosidad del reflector, la sombra del alimentador, lasalida de radiación en los bordes, etc.

D = Directividad de la antena. d = diámetro del plato, en m.

= longitud de onda, en m.



Grandes antenas. Reflectores.Otros tipos de parabólicas

Tienen ventajas sobre la antena de foco primario.

Antena Cassegrain

Además de la antena de foco primario, existen tambiénotras como la Cassegrain y la offset.

Es de reflector doble. En este caso la ondagenerada en el alimentador se refleja primeroen un reflector hiperbólico para producir otraonda esférica que incide sobre el reflectorparabólico principal.

L a ventaja de este sistema es que evita llevarla señal con líneas de transmisión hasta elfoco.

Es de reflector offset o descentrado. Eliminael efecto de la sombra del alimentadortomando una sección asimétrica del reflector.

Antena offset



4.- Agrupaciones de antenas.¿Qué son las agrupaciones de antenas?

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Tipos de agrupaciones

Son una forma utilizada en grandes antenasconsistente en la agrupación (array ) de pequeñas

antenas idénticas trabajando en común, es decir,alimentadas desde una fuente común mediante unared lineal.

En conjunto, se comportan como una única antenacon un diagrama de radiación propio, modificable,pudiendo adaptarse a diferentes aplicaciones onecesidades.

Esta característica se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase (phased arrays )de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.

1 Según su geometría:

LinealesPlanasConformadas (cilíndricas , esféricas )

2 Según el elemento radiante:Hilos (dipolos )Impresas (parches )

RanurasBocinas

3 Según la red:Pasivas (un solo haz , multihaz)

Activas

Adaptativas

4 Según su aplicación:Comunicación (móvil, satelital)RadarGoniometría

Agrupación, array o arreglo.



Agrupaciones de antenas.

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Agrupación lineal

Se llama así cuando N elementos se agrupana lo largo de una línea recta, permitiendocontrolar el diagrama de radiación en el planoque contiene la línea.

Este es el Principio de multiplicación de diagramas , pues es el resultado del diagrama de unelemento multiplicado por un factor que depende solo del número (N ), posición y forma deexcitación de los elementos (factor de array ).

La forma más sencilla de situar los elementoses equiespaciados una distancia d.

La longitud total de la antena en ese caso

será L = N × d .

La máxima directividad teórica vendrá dadapor D = 2L/.

Para que esta ecuación sea válida, la distancia entre los elementos debe ser /2 < d < , casocontrario aparecen lóbulos de difracción.

Principio de multiplicación de diagrama

Factor de grupo o array factor .




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Agrupación lineal de dipolos

Ejemplo de agrupaciones lineales

Trabajan como una sola antena

Agrupación lineal de dipolos alimentada con una red de líneas bifilares con divisoresde potencia simples yestructura en paralelo.

Agrupación de ranuras

Agrupación deparches impresospara antenassectoriales entelefonía móvil.

Agrupación de aperturas para antena monopulso

Agrupación de parches




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Agrupación plana

Formas más utilizadas: reticular y circular

Se llama así cuando los elementos se sitúan en 2D sobre un plano:Permite mayor directividad: la radiación se apunta a cualquier dirección.

Permite mayor control: controla la fase relativa entre elementos en unalínea y en una columna.

La reticular sitúa los elementos radiantes en los nudos de una retícula rectangular o triangular. La circular sitúa los elementos sobrecircunferencias concéntricas. Son como una agrupación de agrupaciones lineales . Se sigue cumpliendo el principio de multiplicación de diagramas .

Array de 8 guías ranuradas

Utilizada por la NASA en laexploración de la superficie

de Mercurio.

Array de bocinas

Bocinas cónicas enuna retícula triangular

Array de parches microstrip

Para altasfrecuencias

(37 GHz).Alimentacióna través dered de guíasde ondas.





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Agrupación conformada

Ejemplos de agrupaciones conformadas

Array cilíndrico de ranuras sectoriales


Se llama así cuando los elementos se sitúan sobre una superficie curva, como un cilindro , uncono , una esfera o sobre otras superficies como el ala de un avión .

Array conformado porestructuras multicapas conelementos impresos.

Array cilíndrico de bocinas rectangulares

Array de parches

Si d i li



5.- Sistemas de antenas inteligentes.


¿Qué son las sistemas de antenas inteligentes?

Son una combinación de un array de antenas y un DSP (Procesador Digital de Señales ), queoptimizan los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente, en respuesta a una señal

de interés en el entorno. El más avanzado es el sistema de haz adaptativo.

Sistema de haz adaptativo

El lóbulo principal apunta hacia ladirección deseada (Ej.: usuario móvil).

Los lóbulos secundarios hacia las

direcciones de las componentes demultitrayecto de la señal deseada.

Los nulos de radiación hacia dondeestán las fuentes de interferencia.

E j e m p l o e n

l a

T V d i g i t a

l

Si d i li



Sistemas de antenas inteligentes.


Proceso de control en el array

Esquema del array de haz adaptativo

Con el control de amplitud y fase de la señalrecibida, se sintetiza el diagrama en cadamomento, y se lo adapta a una referenciapara una recepción óptima.

El diagrama de radiación se hace dependerde la señal recibida.

En forma interactivo se obtiene el óptimo deuna función error que resulta de comparar laseñal recibida con la de referencia.

Se minimiza el ruido e interferencia con losque se recibe la señal, si se conocen suscaracterísticas, como modulación ,

codificación , dirección de llegada , etc.

Este sistema se está utilizando conéxito en diversos sistemas decomunicaciones inalámbricas.

Los parámetros contenidos en el algoritmoadaptativo son: la fase con la que llega laseñal a cada elemento, la , la distancia entrelos elementos y la potencia del ruido captadopor cada elemento.

Se sintetiza el diagramaen cada instante.

Si d i li



Sistemas de antenas inteligentes.

Beneficio del sistema MIMO

Sistema inteligente MIMO

Los MIMO capitalizan losbeneficios de la multipropagación

Multiple Input Multiple Output es unatecnología de antenas inteligentes que

utiliza varias antenas tanto en el transmisorcomo en el receptor.

MIMO se utiliza en redes inalámbricascomo las femtoceldas de telefoníamóvil y en WiMAX.

La múltiples antenas capitalizan los

beneficios tanto del fenómeno demultipropagación como de la técnicade diversidad de espacio, paraconseguir una mayor velocidad y unmejor alcance del que se consigue consistemas SISO (single input single output ) tradicionales.

FIN

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