Alumno: Miguel Ángel López Calvo Curso 2001-2002

Asignatura: T R A N S M I S I Ó N Y R E D E S D E D A T O S

Alumno: Miguel Ángel López Calvo

Curso 2001-2002

II NN DD II CC EE

Página IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN HHIISSTTÓÓRRIICCAA ..............................................................................................................................................................................11 CCOONNCCEEPPTTOOSS BBÁÁSSIICCOOSS ................................................................................................................................................................................................22 Sistema de transmisión ...................................................................................2 Modulación .....................................................................................................2 Ondas electromagnéticas .................................................................................4 El espectro electromagnético ...........................................................................5 DDEEFFIINNIICCIIÓÓNN DDEE AANNTTEENNAA ........................................................................................................................................................................................77 CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS OO PPAARRÁÁMMEETTRROOSS GGEENNEERRAALLEESS DDEE LLAASS AANNTTEENNAASS ....................................................99 Densidad de potencia radiada ..........................................................................9 Diagrama de radiación ..................................................................................10 Direccionalidad..............................................................................................14 Ganancia .......................................................................................................14 Directividad...................................................................................................16 Polarización...................................................................................................17 Impedancia....................................................................................................18 Eficiencia ......................................................................................................19 Adaptación ....................................................................................................21 Área y longitud efectiva .................................................................................21 Ancho de banda .............................................................................................22 Ancho de haz .................................................................................................22 Carga al viento...............................................................................................22 Relación delante/detrás.................................................................................23 Características y elementos constituyentes de un emisor...............................23 Características y elementos constituyentes de un receptor ............................24 EECCUUAACCIIÓÓNN DDEE TTRRAANNSSMMIISSIIÓÓNN ...................................................................................................................................................................... 2255 FFUUNNCCIIOONNAAMMIIEENNTTOO DDEE UUNNAA AANNTTEENNAA.................................................................................................................................................. 2266 DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE CCOORRRRIIEENNTTEE EENN UUNNAA AANNTTEENNAA............................................................................................................ 2266 TTIIPPOOSS DDEE AANNTTEENNAASS.................................................................................................................................................................................................... 3300 Antenas elementales ......................................................................................31 Agrupaciones de antenas................................................................................33 Antenas de apertura.......................................................................................35 Bocinas............................................................................................35 Reflectores .......................................................................................38 Lentes..............................................................................................43 Clasificación en función del haz.....................................................................46 Clasificación por su estructura lobular ...........................................................47 Tipos de antenas receptoras...................................................................................................................................................... 4488 AANNEEXXOO:: AANNTTEENNAASS PPAARRAABBÓÓLLIICCAASS .......................................................................................................................................................... 5544 Satélites geoestacionarios..............................................................................54 Polarización vertical y horizontal...................................................................54 Posición geoestacionaria ................................................................................55 Posicionado de la parábola .............................................................................56 Cómo instalar una antena parabólica..............................................................57 BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFÍÍAA ..........................................................................................................................................................................................................................

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IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN HHIISSTTÓÓRRIICCAA

En 1831, Michael Faraday demostró que un campo magnético variable podía producir una corriente eléctrica, utilizando para ello un imán en movimiento y observando la corriente inducida en un hilo próximo. Estos experimentos permitieron a James Clerk Maxwell, profesor de la Universidad de Cambridge en Gran Bretaña, establecer la interdependencia de la electricidad y el magnetismo en 1873. En su “A treatise on E1ectricity and Magnetism” publicó la primera teoría unificada electromagnética. Postuló que la luz era de naturaleza electromagnética y que era posible la radiación a otras longitudes de onda. La teoría de las antenas surge a partir de sus desarrollos matemáticos, corroborados por los experimentos de Heinrich R. Hertz, en 1887, y los primeros sistemas de radiocomunicaciones de Guglielmo Marconi en 1897. Los primeros sistemas de comunicación eléctricos fueron la telegrafía, introducida en 1844, seguida por la telefonía, en el año 1878. En estos sistemas, las señales se enviaban a través de líneas de transmisión de dos hilos conductores, que conectaban el emisor con el receptor. La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901, desde Cornualles a Terranova. En 1907 ya existían servicios comerciales de comunicaciones. Desde la invención de Marconi, hasta los años 40, la tecnología de las antenas se centró en elementos radiantes de hilo, a frecuencias hasta UHF. Inicialmente se utilizaban frecuencias de transmisión entre 50 y 100 kHz, por lo que las antenas eran pequeñas comparadas con la longitud de onda. Tras el descubrimiento del tríodo por De Forest, se puedo empezar a trabajar con tamaños de antenas comparables a la longitud de onda. A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos elementos radiantes (como guía ondas, bocinas, reflectores, etc.). Una contribución muy importante fue el desarrollo de los generadores de microondas (como el magnetrón y el klistrón) a frecuencias superiores a 1 GHz. En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y tecnología de computadores tuvieron un gran impacto en el desarrollo de la moderna teoría de antenas. Los métodos numéricos se desarrollaron a partir de 1960 y permitieron el análisis de estructuras inabordables por métodos analíticos. Se desarrollaron métodos asintóticos de baja frecuencia (método de los momentos, diferencias finitas) y de alta frecuencia (teoría geométrica de la difracción GTD, teoría física de la difracción PTD). En el pasado las antenas eran una parte secundaria en el diseño de un sistema, en la actualidad juegan un papel crítico. Asimismo en la primera mitad del siglo XX se utilizaban métodos de prueba y error, mientras que en la actualidad se consigue pasar del diseño teórico al prototipo final sin necesidad de pruebas intermedias. Dentro de las tendencias actuales, cabe destacar la investigación en antenas reconfigurables para comunicaciones vía satélite, la miniaturización e integración de elementos radiantes, la tecnología impresa o los arrays adaptativos (son capaces de ajustar su diagrama de forma prefijada, dependiendo de las fases y de las amplitudes recibidas desde fuentes externas.)

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CCOONNCCEEPPTTOOSS BBÁÁSSIICCOOSS

S I S T E M A D E T R A N S M I S I Ó N En toda comunicación son necesarios los siguientes elementos:

• Emitente: la fuente de la comunicación • Emisor: toma la información del emitente y la adapta al canal. • Canal: el medio a través del cual se propaga la información. Puede ser físico

(mediante cables, guía ondas, fibras ópticas) o radioeléctrico (troposférico, ionosférico, vacío)

• Receptor: accede al canal y recupera la información transmitida • Destinatario: el que ha de recibir la comunicación.

emitente emisor canal receptor destinatario

En la forma más antigua de comunicación el emisor piensa el mensaje en el cerebro, mediante la voz emite un sonido que se transmite por el aire hasta el receptor que lo recoge con el oído y lo decodifica en el cerebro. El primer problema surge cuando queremos transmitir una señal a cierta distancia, ya que el receptor no lo recibe. El problema se solucionaría con elementos adicionales (amplificadores, etc...) y canalizando por distintas vías el sonido emitido y recibido Sin embargo si además de enviar sonido podemos mandar imágenes habríamos mejorado la comunicación puesto que "una imagen vale mas que 100 palabras". Por eso nació la TV. Para esto las señales de TV se graban con una cámara en unos estudios, mediante sistemas electrónicos se convierte a señales de radiofrecuencia que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz, y se envía mediante una antena al espacio Posteriormente esta señal se recogerá por otra antena en el receptor y se invertirá el proceso.

M O D U L A C I Ó N El problema que podría darse cuando enviamos muchas señales es que interferiríamos unas con otras; por eso hay que crear un sistema que salve este problema. A este sistema lo conocemos como "MODULACIÓN". La modulación consiste básicamente en añadir una señal llamada "portadora" a la señal inicial. La modulación se puede hacer de dos formas: en amplitud AM. o en frecuencia FM. La modulación en amplitud AM. consiste en modificar la amplitud de la portadora en función de la señal a transmitir.

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En la modulación en FM. lo que hacemos es variar la frecuencia de la portadora en función de la señal transmitida.

Una señal de TV. se compone de señales de audio y vídeo. Estas señales se envían de forma conjunta y moduladas de distinta manera. La señal de audio se modula en FM y la de vídeo en AM. .Para que el rango de frecuencias no interfieran con otras se limita el campo de frecuencias en canales. La modulación AM se ve afectada mucho más por el ruido que la FM Por lo que en la nueva T. V. Digital se modula audio y vídeo en FM Para comprobar lo dicho anteriormente basta con interceptar un canal de TV. sin antena y se verá que, aun recibiendo bien el audio, no se ve la imagen (afectada por el ruido). La señal, después de modulada, se radia al medio a través de la antena. Esta señal se trasmite por cualquier medio disponible, es decir, aire y tierra, pero las señales de tierra están muy amortiguadas. Eso hace que nos centremos solo en la que se transmite por el aire. Se necesita una antena para recibir la señal, la cual se debería adaptar a la frecuencia y características de la señal a recibir. Esta antena se debería colocar además a una altura determinada. Esto es a causa de que las señales de alta frecuencia se propagan en línea recta y por lo tanto debido a la curvatura de la tierra estas señales solo se pueden captar desde ciertos lugares.

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Canales: La señal de TV. se transmite en canales ya que una señal de TV. lleva señales de audio, vídeo, croma, etc. que ocupan unas frecuencias determinadas. Para evitar que haya problemas de interferencias estas señales se reparten en canales entre los 40 MHz y 860 MHz Bandas: A su vez estos canales se agrupan según el nivel de frecuencia por grupos denominados bandas.

O N D A S E L E C T R O M A G N É T I C A S Naturaleza de las ondas Cuando los electrones oscilan en un circuito eléctrico, parte de su energía se convierte en radiación electromagnética. La frecuencia (la rapidez de la oscilación) debe ser muy alta para producir ondas de intensidad aprovechable que, una vez formadas, viajan por el espacio a la velocidad de la luz. Cuando una de esas ondas encuentra una antena metálica, parte de su energía pasa a los electrones libres del metal y los pone en movimiento, formando una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la onda. Este es, sencillamente, el principio de la comunicación por radio. Modos de propagación Existen diferentes modos de propagación que pueden surgir como el resultado del lanzamiento de ondas electromagnéticas al espacio por medio de antenas de configuración adecuada. Si no existiera el aire ni las capas ionosféricas, esto es, en el vacío, las ondas de radio viajarían en línea recta. Sin embargo, debido a la presencia de gases de diferente composición en la atmósfera terrestre, la propagación de ondas se ve influenciada por una serie diversa de mecanismo. El modo de propagación más sencillo es aquel en que la onda sigue una trayectoria recta entre la antena de transmisión y la de recepción. A este tipo de onda se le conoce como directa o de línea de visión, LOS (Line Of Sight). Las microondas son el ejemplo clásico de este mecanismo de propagación. En condiciones óptimas las microondas pueden considerarse como un haz concentrado de energía electromagnética que hace la travesía desde la antena de emisión hasta la recepción desplazándose en línea recta. Más aún, debido a las longitudes de onda tan pequeñas en esta modalidad de aplicación, las antenas utilizadas, reflectores parabólicos, y en general todo el esquema de propagación, pueden analizarse como si fuera un sistema de características ópticas.

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Dependiendo del patrón de radiación de la antena involucrada, es posible que parte de la energía de la onda se dirija hacia tierra, a partir de lo cual, por reflexión, cambia su curso para dirigirse finalmente a la antena de recepción. Esta onda es conocida como la onda reflejada de tierra.

Adicionalmente, puede generarse una componente de onda cuyo modo de propagación es directamente sobre la tierra, desde el mismo momento de abandonar la antena de transmisión. Esta onda, denominada de superficie o terrestre, continúa su curso sobre la tierra hasta llegas a su destino final en el sitio de la antena receptora.

Finalmente, la onda electromagnética puede ser lanzada hacia el espacio, convirtiéndose así en una onda celeste u onda de cielo. Dependiendo de la frecuencia de la onda y del ángulo de lanzamiento, esta puede atravesar la atmósfera y salir al espacio libre, o en caso contrario, puede ser refractada hacia la tierra para ser posteriormente captada por la antena receptora.

E L E S P E C T R O E L E C T R O M A G N É T I C O Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. Al conjunto de todas las frecuencias se le denomina espectro.

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Las ondas electromagnéticas se clasifican en bandas. Bandas de frecuencia

Las denominaciones de las bandas de frecuencia se pueden realizar por décadas, como por ejemplo MF, HF, VHF, UHF.

En Televisión y FM se utilizan las denominaciones de Banda I, Banda II, Más detalles en la relación de canales para la TV terrestre, según la normativa CCIR.

A frecuencias de microondas se utilizan otras denominaciones, como bandas L, C, S, X, que provienen de los primeros tiempos del radar.

A frecuencias superiores nos encontramos con la parte del espectro electromagnético correspondientes al infrarrojo, visible y ultravioleta.

A frecuencias superiores tenemos los rayos X

Y los rayos Gamma, de energía mayor y longitudes de onda más reducidas.

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DDEEFFIINNIICCIIÓÓNN DDEE AANNTTEENNAA

Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores que, unido a un generador, convierte la onda guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre, o que, conectado a una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente lejana Es un elemento de transición entre la zona de onda guiada y la zona de espacio libre, con ciertas características de direccionalidad (filtrado espacial) Los sistemas de Comunicaciones utilizan antenas para realizar enlaces punto a punto, difundir señales de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles.

Antena Transmisora Permite la transición de la energía electromagnética desde un transmisor hacia el espacio libre

Antena Receptora

Realiza el proceso inverso, permitiendo la transición de la energía electromagnética desde el exterior hacia un receptor y la convierte en energía eléctrica

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La combinación de una antena transmisora y una receptora permite el establecimiento de un radioenlace. Comparativa de un radioenlace frente a un enlace mediante línea de transmisión o fibra óptica:

Ventajas:

∗ Permite enlaces “punto a multipunto” de forma muy sencilla ∗ No precisa tendido de líneas ∗ Los terminales pueden ser portátiles o móviles

Inconvenientes:

∗ La señal sufre una fuerte atenuación con la distancia y atenuaciones adicionales por la propagación en la atmósfera ∗ La antena transmisora “contamina” electromagnéticamente su entorno ∗ La antena receptora recoge ruido e interferencias presentes en su entorno, aparte de la señal deseada

En definitiva, las antenas se definen como un conjunto de conductores debidamente asociados, que se emplean tanto para la recepción como para la transmisión de ondas electromagnéticas, que comprenden los rayos gamma, los rayos X, la luz visible y las ondas de radio. Los mecanismos que contribuyen a la propagación de ondas de radio son muchos y muy diversos fundamentándose en diferentes principio físicos que definen el alcance de su propagación y sus limitaciones. En general, todos son inherentemente complejos, además de estar sujetos a las naturales variaciones en las condiciones atmosféricas debidas a efectos climatológicos de origen local y también extraterrestre, como el caso de las manchas solares y la radiación cósmica las cuales ejercen un marcado efecto sobre la ionosfera. Sin embargo el estudio sistemático de los mecanismos y las condiciones que los favorecen, ha permitido el uso confiable de la propagación de ondas de radio en el espacio para comunicaciones de largo alcance. A pesar de las muchas variables y factores que tienden a degradar la calidad de las comunicaciones obtenidas, los ingenieros de comunicaciones han desarrollado técnicas tales como la diversidad espacial y de frecuencia, que mejoran considerablemente la confiabilidad y calidad de las transmisiones por ondas de radio.

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CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS OO PPAARRÁÁMMEETTRROOSS GGEENNEERRAALLEESS DDEE LLAASS AANNTTEENNAASS Dado que una antena forma parte de un sistema, es necesario definir ciertos parámetros que la describan y permitan evaluar el efecto que produce sobre tal sistema. Los parámetros principales de una antena son:

D E N S I D A D D E P O T E N C I A R A D I A D A La densidad de potencia radiada se define como la potencia por unidad de superficie en una determinada dirección. Las unidades son watios por metro cuadrado. Se puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos como

La relación entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del campo magnético es la impedancia característica del medio

Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede calcular a partir de las dos componentes del campo eléctrico.

La potencia total radiada se puede obtener como la integral de la densidad de potencia en una esfera que encierre a la antena.

La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección. Las unidades son watios por estereoradián. Dicho parámetro es independiente de la distancia a la que se encuentre la antena emisora. La relación entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada es

La potencia total radiada se puede calcular integrando la intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio.

campos radiados

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D I A G R A M A D E R A D I A C I Ó N

Radiación de una antena Según las leyes de electromagnetismo (ecuaciones de Maxwell), una corriente eléctrica variable con el tiempo produce una onda electromagnética en el espacio que la rodea. Al alejarse de la fuente, la onda es esférica y se propaga hacia el infinito. Es una onda no homogénea, siendo la propagación de la energía más intensa en unas direcciones que en otras A veces es necesaria la representación gráfica de la fase del campo eléctrico. Esta representación recibe el nombre de Diagrama de Fase o Patrón de Radiación.

Un patrón de radiación es un diagrama polar o gráfico que representa las intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones angulares en relación con una antena. Si el patrón de radiación se traza en términos de la intensidad del campo eléctrico (E) o de la densidad de potencia (P), se llama patrón de radiación absoluto. De otro lado, es posible relacionar la densidad de potencia o la intensidad del campo en un determinado punto con su valor máximo, denominando a esto patrón de radiación relativo. Campos de radiación cercano y lejano: Estos dos campos de radiación, el cercano y el lejano, son de particular importancia en el tema de las antenas. El primero hace relación al patrón de radiación del campo que se encuentra en los alrededores de la antena. Es también llamado campo de inducción debido a sus características particulares en el proceso de emisión de potencia.

El campo lejano es todo aquello referido al patrón de campo localizado a grandes distancias de la antena. La potencia radiada en este campo no regresa a la antena (Campo de radiación). Cuando a una antena se le conecta un generador en ella se inducen campos electromagnéticos capaces de alcanzar grandes distancias. Una antena empieza a ser un buen radiador cuando su longitud es comparable a la longitud de onda de la señal que se desea radiar.

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Representación tridimensional de los campos radiados por una antena.

Sistema de coordenadas

Para el diagrama de radiación, se utilizará habitualmente un sistema de coordenadas esférico. Las tres variables de un sistema esférico son ( r, θ , φ )

En un sistema coordenado esférico las superficies r=cte son esferas, θ=cte son conos, mientras que φ=cte son semiplanos. La intersección de las tres superficies determina la orientación de los tres vectores unitarios, que son perpendiculares a las superficies respectivas. Las formas de representación pueden ser tridimensionales o bidimensionales, en escalas lineal o logarítmica. Diagramas tridimensionales Se puede representar el campo eléctrico, magnético o la densidad de potencia radiada. Dado que los campos son magnitudes vectoriales se pueden representar el módulo o la fase de sus componentes.

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Dada la dificultad de representar gráficamente el diagrama tridimensional, al no poder hacerse mediciones exactas sobre el, se opta por representar cortes del diagrama en coordenadas polares o cartesianas para pasarlo a dos dimensiones. Los cortes corresponden a la intersección del diagrama 3D con planos. Este tipo de diagrama es el más habitual ya que es más fácil de medir y de interpretar.

Diagramas bidimensionales Un corte bidimensional en coordenadas polares se representaría como

Diagrama de radiación en tres dimensiones de una antena yagi de seis elementos.

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Coordenadas cartesianas y escala logarítmica

Diagrama de radiación en dos dimensiones de una antena logarítmica.

Curvas de nivel Cuando la antena es muy directiva, y especialmente en el caso de antenas bidimensionales, se suelen utilizar métodos de representación en forma de curvas de nivel o en forma de funciones tridimensionales.

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D I R E C C I O N A L I D A D Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás. Esto es necesario ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección determinada. Esto se puede explicar con un ejemplo, hablando de las antenas que llevan los satélites. Estas acentúan mucho la dirección hacia la tierra y anulan la de sentido contrario, puesto que lo que se quiere es comunicarse con la tierra y no mandar señales hacia el espacio.

G A N A N C I A La Ganancia de una antena representa la capacidad que tiene este dispositivo como radiador. Es el parámetro que mejor caracteriza la antena. La forma más simple de esquematizar la Ganancia de una antena es comparando la densidad de potencia radiada en la dirección de máxima radiación con el valor medio radiado en todas las direcciones del espacio, ofreciéndose en términos absolutos. Aquellas antenas que radian por igual en todas las direcciones se llaman isotrópicas y su Ganancia es de 1. Basados en esta definición, podemos hablar de la Ganancia como la relación entre la potencia y campo eléctrico producido por la antena (experimental) y la que producirá una antena isotrópica (referencia), la cual radiará con la misma potencia.

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La Ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena.

Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la Ganancia se refiere a la dirección de máxima radiación.

La ganancia también puede definirse como la relación entre la tensión máxima captada por la antena y la tensión máxima captada por un dipolo

En la definición de Directividad se habla de potencia radiada por la antena, mientras que en la definición de Ganancia se habla de potencia entregada a la antena. La diferencia entre ambas potencias es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas. La eficiencia se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia entregada a la misma. La eficiencia es un número comprendido entre 0 y 1. La relación entre la Ganancia y la Directividad es la eficiencia

Si una antena no tiene pérdidas óhmicas, la Directividad y la Ganancia son iguales.

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GANANCIA IDEAL

La ganancia directiva viene dada por la siguiente expresión:

donde E(θ,φ) es la intensidad de campo en la dirección definida por las coordenadas polares.

Si asumimos que la antena ideal que ilumina un área angular de un determinado Ω con un nivel uniforme, como se ve en la figura:

La ganancia ideal será la siguiente:

donde se puede observar que la ganancia ideal no depende de las dimensiones de la antena ni de la frecuencia, sino únicamente del área iluminada.

D I R E C T I V I D A D Es la capacidad que tiene una antena para recibir señales solo en ciertas direcciones y sentidos determinados. Indica el ángulo en que una antena puede recibir. El ángulo de apertura nos muestra los puntos en los que la ganancia de la antena disminuye en 3 dB respecto al valor máximo. En este ángulo la señal captada por la antena es adecuada. Cada parte en el diagrama de radiación se denomina "lóbulo".

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La Directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada.

Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la Directividad se refiere a la dirección de máxima radiación

La Directividad se puede obtener en general a partir del diagrama de radiación de la antena

Simplificando términos, resulta

se define como el ángulo sólido equivalente. Para antenas directivas, con un solo lóbulo principal y lóbulos secundarios de nivel despreciable, se puede obtener una Directividad aproximada considerando que se produce radiación uniforme en el ángulo sólido definido a partir de los anchos de haz a –3dB en los dos planos principales del diagrama de radiación.

P O L A R I Z A C I Ó N La onda electromagnética posee el campo eléctrico vibrando en un plano transversal a la dirección de propagación, pudiendo tener diversas orientaciones sobre el mismo. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Para ondas con variación sinusoidal, esa figura es normalmente una elipse, pero hay dos casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es una recta, denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura trazada es un círculo, denominándose circularmente polarizada. Se produce una polarización lineal cuando las fases de dos componentes ortogonales del campo eléctrico difieren un múltiplo entero de π radianes. Se produce polarización circular cuando las amplitudes son iguales y la diferencia de fase entre las componentes es π/2 o 3π/2. La polarización es elíptica en los demás casos.

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El sentido de giro del campo eléctrico, para una onda que se aleja del observador, determina si la onda está polarizada circularmente a derechas o a izquierda. Si el sentido de giro coincide con las agujas del reloj, la polarización es circular a derechas. Si el sentido de giro es contrario a las agujas del reloj, la polarización es circular a izquierdas. El mismo convenio aplica a las ondas con polarización elíptica.

Polarización 3D

La polarización de una antena es la polarización de la onda radiada por dicha antena en una dirección dada. Es importante anotar que, para que una antena "responda" a una onda incidente, tiene que tener la misma polarización que la onda. Por ejemplo, un dipolo vertical responderá a una onda incidente si la polarización de dicha onda es vertical también.

I M P E D A N C I A Una antena se tendrá que conectar a un transmisor y deberá radiar el máximo de potencia posible con un mínimo de perdidas. Se deberá adaptar la antena al transmisor para una máxima transferencia de potencia, que se suele hacer a través de una línea de transmisión. Esta línea también influirá en la adaptación, debiéndose considerar su impedancia característica, atenuación y longitud. Como el transmisor producirá corrientes y campos, a la entrada de la antena se puede definir la impedancia de entrada de una antena como la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja, estando formada por una componente activa Re (la parte real, que se denomina resistencia de antena) y una reactiva Xe (la parte imaginaria, conocida como reactancia de antena), dependientes de la frecuencia.

Si a una frecuencia una antena no presenta parte imaginaria en su impedancia, entonces diremos que esa antena está resonando a esa frecuencia.

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Normalmente usaremos una antena en su frecuencia de resonancia, que es cuando mejor se comporta, luego a partir de ahora no hablaremos de la parte imaginaria de la impedancia de la antena, sino que hablaremos de la resistencia de entrada a la antena Re., que depende de la frecuencia. Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias, la resistencia de radiación (Rr) y la resistencia de pérdidas (RL). La resistencia de radiación es una resistencia que disiparía en forma de calor la misma potencia que radiaría la antena y se define como la relación entre la potencia total radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada, elevada al cuadrado. La antena por estar compuesta por conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Se define la resistencia óhmica de una antena (también llamada resistencia de pérdidas o resistencia efectiva) como la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente en sus terminales al cuadrado. Por lo tanto la resistencia de antena la podemos considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica.

Interesa que una antena esté resonando para que la parte imaginaria de la antena sea cero. Esto es necesario para evitar tener que aplicar corrientes excesivas, que lo único que hacen es producir grandes pérdidas.

E F I C I E N C I A

Se conoce con el nombre de eficiencia de una antena (rendimiento) a la relación existente entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena. La eficiencia de una antena se puede obtener a partir de las resistencias de radiación y óhmicas, teniendo en cuenta que es la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena Relacionado con la impedancia de la antena tenemos la eficiencia de radiación y la eficiencia de reflexión. Estas dos eficiencias nos indicarán una, lo buena es una antena emitiendo señal, y otra, lo bien que está adaptada una antena a una línea de transmisión. La Eficiencia de Radiación se define como la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia que se entrega a la misma antena. Como la potencia está relacionada con la resistencia de la antena, podemos volver a definir la Eficiencia de Radiación como la relación entre la Resistencia de radiación y la Resistencia de la antena

:

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La Eficiencia de Adaptación o Eficiencia de Reflexión es la relación entre la potencia que le llega a la antena y la potencia que se le aplica a ella. Esta eficiencia dependerá mucho de la impedancia que presente la línea de transmisión y de la impedancia de entrada a la antena, luego se puede volver a definir la Eficiencia de Reflexión como 1 - módulo del Coeficiente de reflexión2 , siendo el coeficiente de reflexión el cociente entre la diferencia de la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión, y la suma de las mismas impedancias.

Eficiencia de Reflexión = 1 - (Coeficiente de Reflexión)2, donde

Algunas veces se define la Eficiencia Total, siendo esta el producto entre la Eficiencia de Radiación y la Eficiencia de Reflexión. Eficiencia Total = Eficiencia de Radiación x Eficiencia de Reflexión Otra forma de calcular la eficiencia de una antena es utilizando la figura siguiente, en la que se muestra un circuito equivalente eléctrico simplificado para una antena.

Parte de la potencia de entrada se disipa en las resistencias efectivas (resistencia de tierra, dieléctricos imperfectos, etc.) y la restante se irradia. El total de la potencia de la antena es la suma de las potencias disipada y radiada. En términos de resistencia y corriente, la eficiencia es:

donde: η = eficiencia de la antena i = corriente de la antena Rr = resistencia de radiación Re = resistencia de la antena efectiva

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Área

longitud

A D A P T A C I Ó N

Las antenas receptoras tienen un circuito equivalente de Thevenin, con una impedancia de antena y un generador de tensión. La transferencia de potencia entre la antena y la carga es máxima cuando ambas impedancias son complejas conjugadas.

En general, si no hay adaptación, la potencia recibida por una carga conectada

a una antena de impedancia se puede calcular como

Se define el coeficiente de adaptación como la relación entre la potencia recibida y la potencia que se recibiría en el caso de máxima transferencia de potencia. Toma valores entre 0 y 1.

Á R E A Y L O N G I T U D E F E C T I V A

El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y la densidad de potencia incidente en una antena. La antena debe estar adaptada a la carga, de forma que la potencia transferida sea la máxima. La onda recibida debe estar adaptada en polarización a la antena.

La longitud efectiva de una antena linealmente polarizada se define como la relación entre la tensión inducida en una antena en circuito abierto y el campo incidente en la misma.

Longitud eficaz de la antena: Sobre una antena se inducen corrientes y voltajes. Por tal razón, a la antena receptora se le puede considerar como un generador ideal de voltaje (V), con una impedancia interna que resulta ser igual a la de entrada.

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A N C H O D E B A N D A , F R E C U E N C I A O B A N D A D E T R A B A J O D E L A A N T E N A El margen de frecuencias sobre el que una antena puede trabajar se denomina "ancho de banda pasante" o banda de trabajo y depende de las condiciones de los puntos de potencia media Las antenas podemos clasificarlas en banda estrecha (un solo canal) o banda ancha (para cubrir una gama de frecuencias UHF o todas las bandas de TV). Como regla general, la ganancia de una antena de banda ancha es inferior en algunos de a la de una de banda estrecha. La longitud de las varillas de una antena esta relacionada con la frecuencia central de trabajo. Para un dipolo resulta:

Para aumentar el ancho de banda de la antena se dispone de dos opciones: a) Aumentar la superficie de los conductores que formen la antena. b) Utilizar una red de compensación en frecuencia, que en TV se forma generalmente con una línea de transmisión en forma de tubo.

A N C H O D E H A Z D E U N A A N T E N A : Podemos hablar del ancho de haz de una antena como el espaciamiento angular entre dos puntos determinados de potencia media (-3dB), ubicándolos con respecto a la posición del lóbulo principal perteneciente al patrón de radiación de la antena. CARGA AL VIENTO:

Es el efecto que tiene el viento sobre la antena.

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RELACIÓN DELANTE/ATRÁS (D/A): Es la relación, expresada en dB entre la ganancia máxima del lóbulo principal de la antena y la ganancia máxima de cualquier lóbulo comprendido entre 90º y 270º respecto al lóbulo principal. Sin embargo, los fabricantes suelen suministrar el dato respecto a 180º (por detrás) del lóbulo principal.

CARACTERÍSTICAS Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UN EMISOR Las características básicas de un emisor son: ∗ Frecuencia de emisión: es un parámetro fundamental que condiciona el diseño del emisor. Debido a factores ambientales o condiciones de trabajo (temperatura, humedad, envejecimiento del equipo…) la frecuencia de emisión real es distinta de la nominal. ∗ Tipo de modulación y ancho de banda ∗ Potencia de emisión: La potencia de emisión condiciona el alcance. Cuanto mayor sea ésta, mayor será la zona geográfica cubierta con la emisión, pero normalmente no se puede transmitir toda la potencia que se desea, pues está limitada por las interferencias que se pueden producir a otros usuarios. ∗ Emisiones espurias: una emisión espuria es toda emisión no deseada dentro o fuera de la banda útil. Los espurios fuera de banda se pueden filtrar antes de emitir. Los de dentro contribuyen al ruido del transmisor y son imposibles de eliminar. Elementos constituyentes de un emisor: ∗ Oscilador: produce un tono senoidal a una frecuencia fija y estable (frecuencia de portadora) ∗ Modulador: Implanta la señal de información a una característica de la portadora (amplitud, frecuencia o fase) ∗ Amplificador: eleva la potencia de la señal

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∗ Redes de acoplo: sirven para adaptar impedancias y conseguir la máxima transferencia de potencia. ∗ Multiplicadores de frecuencia: sirven para facilitar el diseño de los osciladores. Se parte de uno estable de baja frecuencia y con multiplicadores se aumenta hasta la frecuencia deseada. ∗ Circuitos de protección de la etapa de potencia: para evitar que se queme la etapa de potencia

CARACTERÍSTICAS Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UN RECEPTOR Las características básicas de un receptor son: ∗ Sensibilidad: es la capacidad para extraer la señal útil del ruido en que está inmersa. Representa la mínima tensión necesaria para que el receptor actúe satisfactoriamente. ∗ Selectividad: es la capacidad para separar la señal útil de una señal no deseada próxima en frecuencia. ∗ Fidelidad: es una medida de la calidad con la que el receptor nos devuelve la señal. Es ausencia de distorsión. ∗ Elementos constituyentes de un receptor: ∗ Amplificador de radiofrecuencia (RF) : es la primera etapa después de la antena ∗ Demodulador: extrae la información que lleva la portadora. Pueden ser coherentes ( requieren el conocimiento de la frecuencia y la fase de la portadora) o incoherentes ( no requiere el conocimiento de la fase, aunque puede requerir la frecuencia) ∗ Circuitos de acoplo: análogos a los del emisor. ∗ Control automático de ganancia (CAG): es un circuito realimentado que posibilita la recepción independientemente del nivel de la señal recibida. Equivale a aumentar la amplificación de la señal de audio cuando disminuye el nivel de la señal recibida y viceversa. ∗ Control automático de frecuencia (CAF): posibilita la recepción independientemente de la deriva del emisor. ∗ Silenciador (Squelch): cuando no hay emisión, corta la alimentación del amplificador de audio y así evita amplificar el ruido de fondo, que es molesto.

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EECCUUAACCIIÓÓNN DDEE TTRRAANNSSMMIISSIIÓÓNN

Consideremos un enlace de comunicaciones entre dos puntos, con dos antenas separadas una distancia r. Si la antena transmisora fuera isotrópica, es decir si la potencia transmitida se repartiera por igual en todas las direcciones del espacio (radiación omnidireccional), la densidad de potencia en cualquier punto sería

En un caso real la antena transmisora es directiva, por lo que para calcular la densidad de potencia hay que tener en cuenta la definición de directividad

La potencia recibida en una antena, en el caso de tener adaptación será

Si las antenas transmisora y receptora están orientadas en la dirección de los máximos de los diagramas de radiación, la expresión final será

La relación entre el área efectiva y la directividad de cualquier antena es:

La ecuación de transmisión queda finalmente como

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FFUUNNCCIIOONNAAMMIIEENNTTOO DDEE UUNNAA AANNTTEENNAA

Si tenemos un circuito oscilante LC como el de la figura, el campo eléctrico esta concentrado en el pequeño espacio de separación entre las placas del condensador, mientras que el campo magnético abarca un pequeño espacio alrededor de la bobina del circuito.

En el caso dado, estando separados los campos, la obtención de ondas electromagnéticas es prácticamente imposible. En rigor, el circuito oscilante cerrado emite ondas de radio porque hay en él una corriente de desplazamiento, pero habitualmente dicha corriente no pasa del condensador al espacio, y entonces la radiación del circuito es insignificante.

Las condiciones de la radiación se cumplen en un circuito oscilante abierto, al que puede pasarse a partir del circuito cerrado separando las placas del condensador y aumentando al mismo tiempo su tamaño para conservar invariable la frecuencia propia del circuito como se indica en la siguiente figura:

La antena obtenida como resultado de esta conversión del circuito oscilante cerrado al abierto, se distingue por su simetría geométrica y por eso se llama DIPOLO. Posee cierta inductancia distribuida a lo largo de los conductores, y cierta capacidad entre conductores.

DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE CCOORRRRIIEENNTTEE EENN UUNNAA AANNTTEENNAA

Una antena, al ser un elemento de un circuito, tendrá una distribución de corrientes sobre ella misma. Esta distribución dependerá de la longitud que tenga la antena y del punto de alimentación de la misma.

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Una onda estacionaria es una onda que se crea cuando una señal se está propagando por un medio de transmisión y es reflejada por culpa de una mala adaptación o por culpa de un final de línea. Supongamos primero que tenemos una línea acabada en circuito abierto y alimentada en uno de sus extremos.

En el momento de alimentar a esta línea de transmisión con una señal senoidal, se crea una onda que se propaga por la línea. Esta señal se irá repitiendo cada longitud de onda landa (una longitud de onda y no media longitud de onda) ya que es una señal senoidal y es periódica. Esto provoca que ahora tengamos una distribución de corrientes que no es constante y que varía en función de la longitud de onda landa. En la siguiente figura podemos ver una representación gráfica de como quedaría una distribución de corrientes en la línea que estamos tratando.

Una vez que la onda llega al final de la línea, esta es reflejada al no poder continuar su camino, volviendo hacia el generador. Esta onda reflejada tiene un desfase de 90º respecto de la onda incidente, por lo que al sumarse con la onda incidente, tendremos puntos en donde la suma de un máximo y en donde de un mínimo. Esta suma de las dos ondas es la onda estacionaria que estamos buscando. Si en vez de estar acabada la línea en circuito abierto, estuviera acabada en corto circuito, también se reflejaría la onda, pero en vez de estar desfasada 90º, estaría desfasada 180º. También se sumaría a la onda incidente y lógicamente también creará la onda estacionaria.

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En la figura anterior observamos como quedan la onda incidente, la reflejada y la estacionaria en la línea de transmisión tratada. Esta es la onda estacionaria que se crea en la línea. Para entenderlo mejor se suele representar el módulo de la intensidad, que sería lo que mediría un medidor de corriente de RF, y la tensión en la misma línea.

Es muy importante la posición de los máximos y de los mínimos de una onda estacionaria. Al estar acabada la línea en un circuito abierto, en ese punto no podrá desplazarse la corriente, luego el módulo de la corriente en el extremo de la línea tendrá un mínimo. Por la misma razón, la tensión en ese punto tendrá un máximo, ya que hay máxima concentración de energía. Al ir variando la tensión y la intensidad en la línea, la impedancia también irá variando. Este detalle es importante puesto que una vez diseñada la antena, dependiendo del punto en el que la alimentemos, tendremos distinta impedancia. Así por ejemplo, si tenemos un cable de 50 ohmios para alimentar una antena, nos interesará alimentarla por un punto que presente impedancia cercana a 50 ohmios para tener las mínimas perdidas por desacoplo de impedancias. Como podemos ver en la imagen anterior, el módulo de la corriente en la línea se repite cada media longitud de onda, que es la distancia que se utiliza para diseñar antenas. Pero, ¿por qué se utiliza esa longitud y no otra? En realidad hay muchos tipos de antenas y cada una utiliza una parte distinta de la longitud de onda, así que dependiendo de la aplicación que queramos, del tipo de antena que queramos utilizar y de más factores (espacio,...) utilizaremos una medida u otra. Vamos a ver que ocurre cuando modificamos un poco la línea de transmisión que estamos tratando. Vamos a suponer que alimentamos en un punto cualquiera y que tenemos creada una onda estacionaria en ella. En la siguiente figura tenemos representado de forma esquemática como quedará esa onda en nuestra línea, en donde se indica con flechas el sentido de las corrientes.

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Sin meterse en cuestiones físicas, si una corriente circula por un conductor, creará un campo eléctrico y magnético en sus alrededores. Luego nuestra corriente creará un campo eléctrico y magnético, pero como supondremos que la distancia entre los dos conductores que forman nuestra línea (S) es pequeña, no se creará una onda que se propaga, puesto que la contribución que presenta el conductor superior se anulará con la que presenta el conductor inferior.

Pero si separamos en un punto los dos conductores, los campos que crean las corrientes ya no se anularán entre si, si no que se creará un campo eléctrico y magnético que formará una onda que se podrá propagar por el espacio. Según esto, dependiendo del punto desde el que separemos el conductor, tendremos una longitud en los elementos radiantes (H) variable. Al variar esta longitud, la distribución de corriente variará, y lógicamente la onda que se crea se propagará. Hay que seguir observando que en los extremos seguimos teniendo un mínimo de corriente y que continúa repitiéndose cada media longitud de onda. Luego ahora podemos ver de forma gráfica, que si suponemos que nuestra antena son solo los elementos radiantes y que el punto en el que los hemos separado es el punto de alimentación de la antena, el módulo de la intensidad en el punto de alimentación varía y lógicamente, también varía la impedancia que presenta la antena. Veamos como se distribuye la corriente en función de la longitud de la antena (H) y su diagrama de radiación en la siguiente tabla. En ella se indica el ancho de haz a -3 dB, la directividad (D), la resistencia de radiación en el punto de máxima corriente (Rrm) y la resistencia en el punto de alimentación de la antena (Rre).

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No por tener una antena más larga se radia mejor, lo único que se consigue es variar el diagrama de radiación y la impedancia que presenta. En esta tabla vemos que una antena vertical de 5/8 longitudes de onda es una de las mejores, de las representadas, para hacer contactos a larga distancia (DX) puesto que es la que tiene el lóbulo de radiación más bajo y es la que presenta la directividad más pronunciada. Esta directividad nos indica que presenta una mayor ganancia en la dirección de propagación que se observa en el diagrama de radiación.

TTIIPPOOSS DDEE AANNTTEENNAASS

Las antenas se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios. Aquí se presentan cuatro:

En una primera clasificación, se distingue entre antenas básicas, agrupaciones de antenas y aperturas.

La segunda clasificación según el tipo de haz La tercera clasificación se hará por su estructura lobular. La cuarta clasificación presenta una serie de antenas receptoras

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A N T E N A S B Á S I C A S Bajo esta denominación se estudian las antenas construidas con hilos conductores eléctricamente delgados (por eso se les llama también antenas de hilo). En estas condiciones las corrientes fluyen longitudinalmente sobre la superficie del hilo. Para calcular los campos radiados se modelan como una línea de corriente infinitamente delgada coincidente con el eje del conductor real, que soporta en cada punto un valor de corriente idéntico al que transporta la corriente superficial real en el contorno de la sección correspondiente a ese punto. Los generadores provocan distribuciones de corriente que actúan como fuentes de radiación Son antenas de hilo: Dipolos, espiras, monopolos Monopolos Los monopolos son antenas por hilos y planos de masa, alimentadas por una línea de transmisión. Equivalen a un dipolo.

Los monopolos tienen la misma corriente que los dipolos, los campos radiados son los mismos en el semiplano superior, mientras que el campo es cero en el semiplano inferior del monopolo. La comparación entre los diversos parámetros de radiación es

Otros ejemplos de monopolos, con cargas capacitivas son

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Ejemplos de Monopolos

monopolos GSM

monopolo doblado

Espira elemental Se denomina espira elemental a un conductor de forma arbitraria que se cierra sobre sí mismo y por el que circula una corriente uniforme. Las dimensiones deben ser pequeñas en términos de la longitud de onda.

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Dipolo elemental Un dipolo elemental es un elemento de corriente de longitud h, recorrido por una corriente uniforme, cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la longitud de onda. La mayor parte de las antenas a frecuencias inferiores a 1 MHz se comportan como dipolos elementales, dado que a esa frecuencia la longitud de onda es de 300 m.

Ejemplos de Dipolos

paneles

dipolos bicónicos

dipolos doblados

A G R U P A C I O N E S D E A N T E N A S

Los arrays son agrupaciones de dos o más antenas que radian o reciben simultáneamente. El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la interferencia de los campos radiados por cada una de las antenas, mientras que en recepción la señal recibida es una combinación lineal de las señales que capta cada antena. El diagrama de radiación total vendrá determinado por el diagrama de radiación conjunto (factor de array) y el diagrama de radiación del elemento aislado.

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En el diseño de arrays intervienen muchos parámetros: número de elementos, disposición física de los elementos, amplitud de la corriente de alimentación, fase relativa de la alimentación y tipo de antena elemental utilizada. Configurando estos parámetros se pueden mejorar las características de radiación del diagrama de radiación individual: mejorar la directividad, mejorar la relación de lóbulo principal a secundario, conformar el diagrama para cubrir la zona de interés y tener la posibilidad de controlar electrónicamente el apuntamiento del haz principal. Los arrays son utilizados en aplicaciones de satélite para :

• Obtener un haz fijo que puede ser simple o múltiple. • Obtener haces desapuntables electrónicamente. • Ser utilizados como elementos de alimentación de reflectores o lentes. •

Estas características hacen de los arrays una opción muy interesante para ser utilizados en los satélites, las principales desventajas son su peso, la complejidad y las pérdidas relativamente altas en el sistema de alimentación de las antenas.

PARÁMETROS DE DISEÑO

Para conseguir las especificaciones de una antena podemos diseñar los siguientes parámetros del array: Tamaño del array El tamaño del array viene determinado principalmente por la ganancia y el ancho de haz requeridos. A mayor tamaño mayor ganancia y menor ancho de haz. Número de elementos Los factores determinantes son la capacidad de resolución, los lóbulos de difracción, el peso y los lóbulos secundarios. En general al aumentar el número de elementos disminuye el haz principal y aumenta el número de lóbulos secundarios. Distribución de los elementos Los elementos pueden ser distribuidos de muchas formas: circularmente, en una malla cuadrada, rectangular, en paralelogramos o aleatoriamente. La distribución elegida viene determinada por la resolución, el número de elementos y los lóbulos de difracción. Tipos de elementos El tipo de elementos utilizados determina la ganancia alcanzable por el array, la polarización, las bandas de frecuencias y los anchos de banda, el tamaño y el peso. Los elementos más utilizados en los satélites son: guías de onda, hélices, bocinas y ranuras en guías. Errores de cuantificación en fase y amplitud Si se utilizan desfasadores y alimentadores digitales los efectos de los escalones de cuantificación en la precisión del apuntamiento del haz, la resolución y el nivel de los lóbulos secundarios debe de ser tenido en cuenta.

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A N T E N A S D E A P E R T U R A

La terminación o discontinuidad de una estructura guiada deja una superficie abierta sobre la que se produce una distribución de campo. Esta distribución produce radiación en todo el espacio por el principio de Huygens

A este grupo de antenas pertenecen las antenas de bocina, las reflectoras y las lentes.

AANNTTEENNAASS DDEE BBOOCCIINNAA

Las antenas de bocina son unas antenas que realizan la transición desde el medio guiado, guías de onda, al espacio libre. Las bocinas se utilizan en los satélites principalmente como alimentadores de los reflectores y en algunas ocasiones se utilizan como antenas simples cuando se requieren grandes anchos de haz. Las antenas de bocina se utilizan frecuentemente para conformar haces que den una cobertura terrestre. El ancho de haz necesario par dar cobertura a la tierra desde la órbita geoestacionaria es de 18º, que es fácilmente realizable con antenas de bocina.

Tipos. Bocina piramidal

Bocinas de modo dominante (o de modo único): Bocinas de modo dual (o multimodo

Bocina cónica

Bocinas corrugadas (o híbridas): De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica.

La bocina piramidal:

Se utiliza como extensión de la guía rectangular Adecuada para sistemas de polarización lineal, ya que minimiza las pérdidas y reduce la generación de modos de órdenes superiores que afecten al comportamiento de la eficiencia y de la polarización.

Tiene la ventaja de transmitir ondas con productos sin polarización cruzada, que junto con el hecho de que su ganancia se puede calcular exactamente a partir de sus dimensiones físicas, hacen de estas bocinas una atractiva herramienta para la medida de la ganancia útil.

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La bocina cónica:

Es la extensión natural de la guía circular Son las que se utilizan fundamentalmente en antenas de satélites de haz global. Son las más adecuadas para utilizar polarizaciones circulares, aunque también pueda utilizar polarizaciones lineales, estas polarizaciones tienen un mejor comportamiento en las bocinas piramidales.

Se pueden clasificar según el modo de propagación transmitido en:

Bocinas de modo dominante (o de modo único): Se sintoniza al modo

predominante de la guía de onda circular, el modo TE11. Este es el más básico de los tres tipos.

Bocinas de modo dual (o multimodo): Se sintoniza al modo de propagación TE11

de la onda que se propaga por la guía de onda, junto al modo TM11 (uno de los modos de propagación más altos).

El diagrama de radiación en campo lejano del modo dominante de la bocina cónica tiene un ancho de haz más estrecho en el plano E que en el plano H, pero los lóbulos laterales son más elevados. Las bocinas de modo dual se han desarrollado para obtener un ancho de haz igual en los planos E y H, con un bajo nivel de polarización cruzada. En este tipo de bocinas, los modos TE11 y TM11 son combinados con apropiadas relaciones de amplitud y diferencias de fase en su apertura.

En la siguiente figura se muestra los distintos modelos de bocinas cónicas de modo dual más típicas. El modo TM11 se obtiene del modo TE11 alimentado en la guía de onda circular por escalones (step), zonas acampanadas (flare), salientes (iris) o anillos de dieléctrico. De todas ellas, la más empleada es la antena de bocina de modo dual de tipo flare-iris .

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Bocinas corrugadas (o híbridas): Como su nombre indica, se ajusta a un modo híbrido, el HE11, que ofrece bajos lóbulos laterales sobre un ancho de haz particularmente ancho y simétrico a lo largo de sus ejes. Estas antenas mejoran la polarización cruzada

El efecto de las corrugaciones en las paredes es el de modificar la distribución de los campos, el especial el plano E, convirtiendo la distribución uniforme original en una cosenoidal. Las líneas de campo también se modifican y quedan prácticamente paralelas a la dirección de polarización.

En la figura se muestran los campos del modo dominante HE11 de la bocina corrugada y TE11 de la bocina lisa, donde se observa una mayor pureza de la polarización en la primera. La finalidad de las bocinas corrugadas es conseguir diagramas mas simétricos con un ancho de haz igual en los planos E y H, y obtener niveles de polarización cruzada más bajos y elevadas eficiencias del haz (aproximadamente del 95%). En la siguiente figura se observa la configuración de las bocinas cónicas corrugadas. La superficie interna esta provista de surcos circulares, que según su profundidad y espaciamiento, serán capaces de cancelar la energía procedente de otros modos de propagación que puedan provocar los indeseados efectos de polarización cruzada y altos lóbulos secundarios.

Unión guía-onda y bocina: Las dimensiones de la apertura son proporcionales a la longitud de onda y son impuestos por la forma del diagrama de radiación de la antena en campo lejano. La unión entre la guía-onda y la bocina necesita tener unas características muy concretas, ya que de ello depende la reducción de energía que se refleja de nuevo hacia el transmisor. Una buena unión asegura que la energía de la señal recibida sea adecuadamente conducida al puerto de entrada del repetidor Aplicaciones. Se utilizan extensamente en satélites comerciales. Pero la utilización más común de las bocinas es como un elemento de radiación para reflectores de antenas. La bocina se sitúa en el foco o en un lugar próximo a él de un reflector parabólico para iluminar su superficie tanto en la aplicación de transmisión como en recepción. La radiación electromagnética en la superficie del reflector produce corrientes eléctricas en la superficie y de estas corrientes se producen otros campos electromagnéticos que finalmente se convierten en un diagrama de radiación de campo lejano del sistema de antena total.

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RREEFFLLEECCTTOORREESS PPAARRAABBÓÓLLIICCOOSS

Son una buena solución para obtener altas ganancias y eficiencias en la huella que deja el haz sobre la compleja distribución geográfica de las estaciones terrestres.

Principios de funcionamiento del reflector parabólico En recepción, la onda plana que incide según el eje es reflejada por el espejo reflector para concentrar la potencia recibida en un “alimentador” En transmisión, por reciprocidad, el haz esférico y poco directivo que emerge del alimentador se refleja en la superficie produciendo un haz colimado, y por tanto una excitación de apertura en forma de onda plana, con una alta directividad.

La antena reflectora más simple consiste en una superficie parabólica reflectora iluminada por una fuente radiadora situada en el foco del paraboloide. Esta configuración ha sido ampliamente utilizada por razones de sencillez y economía, pero sus inconvenientes están relacionados con la situación del alimentador delante del reflector responsable del problema del bloqueo de la radiación; este bloqueo produce una pérdida de directividad y un aumento de los lóbulos secundarios y de los niveles de polarización cruzada.

El reflector es el mejor candidato en los sistemas de antenas de satélites debido a su peso ligero, a su estructura simple, y a la madurez de diseño. La principal desventaja es

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que el reflector debe ser del tipo offset para evitar el bloqueo producido por el alimentador. El reflector offset permite un mejor control del diagrama y una disminución del acoplamiento entre el alimentador y el reflector, pero no tiene simetría de rotación, lo que limita la capacidad de exploración.

En general una antena a base de reflectores puede consistir en una o más superficies reflectoras de diferentes formas: paraboloide, hiperboloide, esferoide, elipsoide o una forma general. Los reflectores parabólicos offset son los más utilizados.


Los principales parámetro de diseño de los reflectores son: tamaño de la apertura, tipo de reflector, distancia focal, distancia de offset, y tolerancia de la superficie.

Tamaño de la apertura

El tamaño de la apertura viene determinado por la ganancia y el ancho de haz requeridos. Los reflectores grandes permiten concentrar la energía radiada en una pequeña área y proporcionan mejores valores del NLPS, lo que permite reducir las interferencias entre haces cercanos y entre satélites. Pero hay que recordar que en un satélite el espacio es muy limitado, y por lo tanto el tamaño de la antena debe ser el mínimo posible que cumpla las especificaciones.

Tipo de reflector

Un reflector simple es siempre la primera opción. El candidato favorito es el reflector offset debido a las características comentadas anteriormente y su madurez de diseño. Sin embargo el reflector offset tiene una capacidad de exploración muy limitada. Un reflector esférico está libre de astigmatismo y de coma cuando el foco está colocado en el centro de curvatura. Por lo tanto para conseguir una mayor capacidad de exploración se recurre a reflectores con una forma entre paraboloide y esférica.

Por otra parte la superficie puede ser sólida para antenas con polarización circular y mallada para polarizaciones lineales. Un reflector mallado puede mejorar la pureza de polarización en una polarización lineal. Se pueden utilizar dos superficies malladas para compartir la misma área de apertura y formar un sistema compacto. La superficie delantera refleja una clase de polarización mientras que permite paso de la polarización ortogonal. El reflector trasero refleja la polarización ortogonal y filtra la polarización cruzada indeseada.

Se puede utilizar reflectores dobles para mejorar el sistema óptico. Los reflectores dobles tienen un grado más de libertad, y debe ser capaz de reducir la aberración de fase para permitir una mayor capacidad de exploración. Los reflectores dobles clásicos son los Cassegrain y los Gregorianos

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TIPO DIAGRAMA DE RAYOS ELEMENTOS ÓPTICOS

CARACTERÍSTICAS

Paraboloide

Mp=espejo parabólico

1. Libre de aberración esférica

2. Sufre de coma al desplazar fuera del eje

3. El detector debe estar en el foco

Cassegrain

Mp=espejo parabólico Ms=espejo hiperbólico


2. Más corto que el Gregoriano

3. Permite colocar el detector detrás del sistema óptico

4. Bastante usado

Gregoriano

Mp=espejo parabólico Ms=espejo elipsoidal


2. Más largo que el Cassegrain

3. Permite la colocación del detector detrás del sistema óptico

4. Menos común que el Cassegrain

Distancia Focal

Uno de los parámetros más importantes de un reflector es su relación distancia focal diámetro de la apertura (f /D). Cuanto mayor sea la relación (f /D), mejor será el comportamiento en una antena que realice exploración con el haz. Sin embargo, un valor alto de la relación (f /D) produce que el ángulo sólido subtendido por el reflector desde el alimentador sea pequeño, lo que provoca que el alimentador deba ser más grande para conseguir un haz menor. El fenómeno de la aberración, que se comporta peor en reflectores con una relación (f /D) menor puede ser corregida y mejorada colocando más

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alimentadores. La mejora es debida a que al tener más alimentadores tenemos más grados de libertad para optimizar la forma del haz. Por otro lado, una mayor relación de (f /D) significa un mayor tamaño en el satélite, lo que hay que tener muy en cuenta.

Distancia de Offset

La distancia de Offset, definida como la distancia desde el eje del reflector al centro de la apertura del reflector, debe ser lo suficientemente grande para eliminar el bloqueo del alimentador. El bloqueo producido por el alimentador hace crecer los lóbulos secundarios y la polarización cruzada.

Tolerancia de la Superficie

Los errores en la superficie del reflector pueden ser clasificados de dos formas:

• Errores aleatorios de la superficie • Errores deterministas de la superficie

Los errores aleatorios son debidos a defectos de fabricación y son tratados como aleatorios debido a la falta de precisión en la construcción de la superficie del reflector. Los errores deterministas son debidos a la distorsión que producen los cambios térmicos en las superficies.

Reflectores parabólicos Cassegrain y Gregoriano

En aplicaciones espaciales donde se requiere una gran directividad de la antena, 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 la solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico y en el caso de la configuración Gregoriana se trata de un elipsoide cóncavo.

Analizaremos el comportamiento de estas antenas a partir de una antena parabólica asimétrica que sea geométricamente equivalente.

Cabe decir que cuando las características de direccionamiento del haz se evalúan mediante el modelo equivalente la aproximación resulta ser buena para pequeños ángulos de desviación del haz, aumentando el error cometido en el caso de ángulos mayores. El error también dependerá del sistema reflector original y de sus parámetros.

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De este estudio se deduce:

La relación (fm/Dp) se maximiza cuando s vale cero. En este caso, la antena parabólica asimétrica con dos reflectores es equivalente a una antena parabólica simétrica sin bloqueo.

Si además disminuimos el valor del ángulo qm conseguiremos relaciones (fm/Dp) todavía mayores.

Teóricamente, en este caso cuando no hay desviación del haz no debería generarse componente de polarización cruzada, aunque en la práctica no llega a ser así.

En el caso de las antenas Cassegrain el ángulo qm debe ser pequeño, pues de lo contrario rayos incidentes en el reflector primario tras ser reflejados por este podrían pasar sin ser reflejados por el secundario.

TAMAÑO DEL SUBREFLECTOR DE UNA ANTENA CASSEGRAIN DISEÑADA PARA UN ÁNGULO DE VARIACIÓN DE 20 GRADOS

En las antenas Gregorianas asimétricas no es posible generar las desviaciones del haz requeridas utilizando una alimentación en forma de array planar. Sin embargo, en el caso de Cassegrain si es posible, permitiendo un sistema reflector más compacto.

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LLEENNTTEESS

Las lentes, al igual que los reflectores son un método para conseguir grandes superficies radiantes con campos en fase. El principio de funcionamiento de las lentes consiste en hacer viajar la radiación por un medio que iguale los caminos eléctricos y produzca un frente de onda plano a partir de uno esférico.

Las lentes no tienen bloqueo de la apertura por el alimentador, como ocurre en los reflectores, pero tienen pérdidas por reflexiones en las superficies y son relativamente pesadas y voluminosas. La principal ventaja de las lentes frente a los reflectores parabólicos es que la capacidad de exploración por desplazamiento del alimentador fuera del foco es mayor.

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A las frecuencias de microondas los medios naturales homogéneos siempre tienen un índice de refracción n>1, es decir, una velocidad de fase menor que la de la luz en el vacío. Esto provoca que las lentes tengan que ser convexas. Sin embargo se pueden conseguir medios artificiales en los que n<1, en concreto se utilizan guías de onda para realizar lentes cóncavas.


Los parámetros de diseño son los siguientes:

Tipo de lentes

Las lentes más usadas en aplicaciones de satélites son las de guías de onda, TEM y dieléctricas. Las lentes de guías de onda están limitadas a anchos de banda estrechos debido a que son medios dispersivos. Las lentes TEM tienen un ancho de banda mayor, pero son más pesadas. Las lentes dieléctricas son las más pesadas de todas y de mayor ancho de banda. En altas frecuencias, donde el tamaño de las lentes es menor las lentes dieléctricas son un candidato viable. Normalmente se suelen utilizar lentes escalonadas (Zoned lenses) por ser menos pesadas y voluminosas. Las lentes dieléctricas reducen su ancho de banda al ser escalonadas, mientras que las lentes de guías de onda escalonadas mejoran su ancho de banda.

El ancho de banda para una lente de guía de onda escalonada viene dado por:

donde Kz es el número de zonas y no es el índice de refracción de la guía de onda.

El ancho de banda para una lente dieléctrica escalonada viene dado por:

Tamaño

El tamaño de una lente viene determinado por su relación foco-diámetro (f/D). El diámetro viene determinado por los requerimientos de ganancia y ancho de haz. Cuanto mayor sea la distancia focal (f), mejor capacidad de exploración por desplazamiento del alimentador.

Tolerancias de las superficies

Las deformaciones de las superficies son debidas a las tolerancias de fabricación y a los efectos térmicos en el espacio. Las desviaciones de la superficie de la lente respecto a su forma ideal pueden causar pérdidas de ganancia y una degradación del diagrama de radiación.

La deformación de la superficie de la lente se traduce en errores de fase del campo en la apertura. La tolerancia permisible en una primera aproximación puede ser relacionada con las máximas irregularidades de fase permisibles en la apertura formada por la lente.

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Si se toma un error máximo de fase de se puede demostrar que el error máximo de anchura permisible en la lente viene dado por:

Lentes Cóncavas Lentes Convexas

En general los efectos de la deformación de la superficie en la ganancia, los lóbulos secundarios y la polarización cruzada deben ser analizados de una forma más rigurosa.

El diagrama de radiación puede ser obtenido con mayor precisión integrando la distribución de campo en la apertura una vez que los detalles de los errores de fase son conocidos. Las especificaciones de las tolerancias de las superficies deben ser estudiadas en todos los casos posibles para ser contrastadas con los requerimientos del sistema.

Desadaptación en las superficies

Para diseñar una buena antena de lente es necesario adaptar la superficie de la lente para reducir los efectos de las reflexiones. Las técnicas de adaptación son las mismas utilizadas en microondas, pero adaptadas a lentes. Se utilizan tres técnicas de adaptación:

1. Adaptación con capa de cuarto de onda. 2. Transformador de impedancias con múltiples capas de cuarto de onda 3. Placas de dieléctrico artificial de cuarto de onda

La primera técnica proporciona adaptación a una sola frecuencia, mientras que las otras dos proporcionan un mayor ancho de banda. Los problemas con la primera y segunda técnica son la falta de materiales con el índice de refracción adecuado y las dificultades de fabricación. La tercera técnica requiere que la superficie del dieléctrico esté ranurada para dar el efecto equivalente de adaptación.

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OOTTRROOSS CCRRIITTEERRIIOOSS DDEE CCLLAASSIIFFIICCAACCIIÓÓNN DDEE LLAASS AANNTTEENNAASS::

Clasificación en función del tipo de haz

Tipo Ejemplos

Antenas de un único haz

Las antenas de un único haz son utilizadas en los satélites de comunicaciones como antenas que proporcionan un haz de cobertura reducida o bien como antenas que proporcionan un haz de cobertura global.

Antenas de bocina.

Reflectores parabólicos.

Bocinas reflectoras.

Antenas de haz modelado

Las antenas de haz modelado se definen como antenas cuyos haces de radiación son conformados de acuerdo a un modelo deseado.

La ventaja de estas antenas no es sólo el incremento de ganancia sino la mejora del aislamiento de haz a haz, el cual es un parámetro clave para el incremento de la capacidad de comunicación debido a la reutilización de frecuencias.

La ganancia de una antena de haz modelado está estrechamente relacionada con el área iluminada. Por lo tanto, la ganancia que se obtiene para este tipo de antenas esta determinada por su área de cobertura.

Las antenas de haz modelado pueden ser clasificadas en los siguientes tipos:

• Reflectores modelados: emplean formas predeterminadas del reflector para formar el haz requerido con una única bocina.

• Reflectores parabólicos alimentados por multibocinas: consisten en un reflector parabólico y bocinas de alimentación, de manera que se consiguen las formas de haz deseadas ajustando la posición, amplitud y fase de la distribución de las bocinas de alimentación.

• Reflectores modelados alimentados por multibocinas: Se trata de una mejora de los dos tipos anteriores. En este caso el reflector modelado controla la forma de los haces para mejorar la eficiencia de la antena y posibilitar la reducción del número de bocinas del sistema de alimentación.

• Array de antenas: Están formados por las mismas bocinas alimentadoras que las antenas reflectoras. En el caso de multibocinas con un reflector, el incremento del número de alimentadores generalmente puede hacer que el tamaño del sistema alimentador sea comparable con el tamaño del propio reflector.

Reflectores modelados.

Reflectores parabólicos alimentados por multibocinas.

Reflectores modelados alimentados por multibocinas.

Array de antenas.

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Tipo Ejemplos Antenas multihaz

Dentro de las antenas multihaz podemos distinguir entre aquellas capaces de generar varios haces por unidad de tiempo y las que generando un único haz en cada instante son capaces de adoptar en el tiempo su dirección de apuntamiento.

Una posible configuración que permite obtener directividades elevadas consistiría en un reflector parabólico como superficie reflectante. En las antenas simétricas de tipo reflector, el radiador primario se sitúa en el foco. En estas antenas multihaz de tipo reflector tenemos varios radiadores primarios. Se agudizan de esta forma los inconvenientes de esta geometría relacionados con la situación de la alimentación: el bloqueo de la radiación que produce una pérdida de directividad y un aumento de los lóbulos secundarios.

Una manera de evitar el bloqueo consiste en situar la alimentación descentrada iluminando una porción de superficie parabólica localizada asimétricamente a un lado del eje horizontal.

Esta solución permite un control mayor de la radiación proveniente del reflector en cuanto a directividad y lóbulos secundarios. Permite utilizar relaciones (f/Dm) superiores.

Antenas de Reflector parabólico asimétrico (offset).

Reflectores Parabólicos Cassegrain y Gregoriano Asimétricos.

Antenas Reflectoras Bifocales.

Antenas Reflectoras Multifocales.

Antena Dual-Grid.

Reflectores Dicroicos.

Clasificación de antenas por su estructura lobular

Antena Isotrópica (.ΩH=4π)

Antena Omnidireccional (.ΩH=2π·BWV)

Antena directiva de pincel (pencil beam) (Ω.H=BWH·BWV)

Haz contorneado

Multihaz

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Tipos de antenas para captar las ondas emitidas por una fuente lejana:

Antena colectiva:

Antena receptora que, mediante la conveniente amplificación y el uso de distribuidores, permite su utilización por diversos usuarios.

Antena de cuadro:

Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría.

Antena de reflector o parabólica:

Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.

Antena lineal:

La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición vertical.

Antena multibanda:

La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias.

Dipolo de Media Onda

El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo de 2 MHz, la longitud física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena de Hertz.

Una antena de Hertz es una antena resonante. O Sea, es un múltiplo de un cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante.

La figura anterior podemos observar las distribuciones de corriente y voltaje ideales a lo largo de un dipolo de media onda. Cada polo de la antena se ve como una sección abierta de un cuarto de longitud de onda de una línea de transmisión. Por lo tanto en los extremos hay un máximo voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de

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alimentación esta en el centro de la antena, la impedancia de entrada es Eminimo / Imaximo y un valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena de Emaximo / Iminimo y un valor máximo.

La figura siguiente muestra la curva de impedancia para un dipolo de media onda alimentado en el centro.

La impedancia varia de un valor máximo en los extremos de aproximadamente 2500 W a un valor mínimo en el punto de alimentación de aproximadamente 73 W (de los cuales entre 68 y 70 W es la impedancia de radiación).

El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la localización horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie de la tierra.

La figura siguiente muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo de media onda montado verticalmente. Obsérvese que los dos lóbulos principales que irradian en direcciones opuestas están en ángulo derecho a la antena, los lóbulos no son círculos, se obtienen solo en el caso ideal donde la corriente es constante a todo lo largo de la antena, y esto es inalcanzable en una antena real.

Antena Yagi:

Antenas Yagi: son antenas construidas con dipolos paralelos, en las que sólo se alimenta uno (“excitador”, activo) de forma directa, haciéndolo los demás (“parásitos”, cortocircuitados) a través del acoplamiento mutuo con el primero.

Esta antena está constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan.

Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por: G = 10 log n, donde n es el número de elementos por considerar.

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Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de 0.15λ , y entre el activo y el director es de 0.11λ. Estas distancias de separación entre los elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí, bajando la ganancia.

Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho de banda angosto, ya que el elemento dipolar está cortado a una sola frecuencia que generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos de TV; es decir, del canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es posible cubrir varios canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razón se utiliza la denominada antena yagi de banda ancha, la cual puede cubrir varios canales a la vez aunque sacrificando la ganancia.

En la figura siguiente se muestran los parámetros de diseño x y y, creando la relación x + y = λ /4, la ganancia se acentúa alrededor de un solo canal, como se muestra en la figura.

Para considerar una antena yagi de banda ancha es necesario, entonces, hacer ajustes en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia óptima. Se recuerda que para un arreglo de antenas en las cuales todos los elementos van alimentados se obtiene mejor ganancia para el denominado "en línea".

Como la antena yagi utiliza elementos alimentados y parásitos, es común aumentar el numero de elementos alimentados a 2 o 3; estos dipolos se cortan a la frecuencia media del ancho de banda; generalmente para los canales bajos de televisión da muy buen

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resultado. En la figura siguiente se proporciona las dimensiones para óptima ganancia de una antena yagi de tres elementos

Ejemplos de antenas Yagi

reflector

sistema radiodifusión

paneles

instalaciones TV

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Antena GPS

Uno de los elementos más importante de los gps es la antena ya que es su modo de comunicarse con el exterior. En una primera clasificación se podría distinguir entre las antenas que llevan incorporadas los equipos y las antenas externas que se les pueden acoplar.

Antenas incorporadas en los gps:

Principalmente son de dos tipos: internas y externas

• Internas: funcionan como un gran dieléctrico. Se trata de antenas planas constituidas por dos láminas separadas por material cerámico aislante. Una lámina actúa como conductor y la otra como plano de tierra. Por su disposición esta antena recibe mejor la señal en posición horizontal que en vertical. Algunos modelos de gps que utilizan esta antena son los Garmin gps12, 12XL, 12 CX, eTrex, eTrex Summit y eMap.

Interior de un gps con antena plana

• Externas: la más frecuente es la cuadrifilar helicoidal... Consta de cuatro conductores paralelos de cobre girados. En principio a este tipo de antena, por su estructura, se le supone una mayor sensibilidad en la recepción de la señal gps ya que ésta posee una polarización circular. Pero lo cierto es que existen experiencias contradictorias en este sentido y no se han realizado estudios rigurosos, o nosotros los desconocemos, que permitan afirmar categóricamente que un tipo sea más sensible que otro. Algunos modelos que utilizan estas antenas son los Garmin II+, III+, StreetPilot, StreetPilot ColorMap y los Magellan 315, 320 y 330 Map entre otros.

Antena cuadrifilar helicoidal

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Antenas externas:

Para determinados usos, por ejemplo gps que se utilizan en interiores de vehículos, puede ser interesante incorporar una antena externa para mejorar la recepción de la señal. Estas antenas se pueden dividir en pasivas y activas.

• Pasivas: se trata de antenas que tienen la ventaja de que no consumen energía pero a cambio tampoco amplifican la señal por lo que su uso es muy limitado.

• Activas: son antenas mucho más interesantes que las anteriores ya que aunque

tienen un consumo eléctrico amplifican la señal recibida. Hay algunas que se alimentan a 5 voltios como las diseñadas para los Garmin 12XL, 12CX, II+, III+, Street Pilot, etc y otras que se alimentan a 2,5 ó 3 voltios como la diseñada para el Garmin eMap.

Antena activa alimentada a 3V para Garmin eMap

Antena activa alimentada a 5V para Garmin II+

Antena activa re-radiante Big Brother alimentada a 12 voltios

Existe un modelo de antenas activas denominadas re-radiantes pensadas para los equipos que carecen de toma para antena externa. Estas antenas reciben la señal de los satélites y la amplifican, radiando la señal de nuevo, para que un gps situado a una pequeña distancia pueda recibirlas.

Todas las antenas activas se pueden utilizar con el gps para actividades al aire libre pero tienen el problema de la necesidad de alimentación, que generalmente es a 12 voltios, por lo que es necesario llevar una batería aparte, que siempre es un peso más para ir por el monte. Por tanto, son más indicadas para vehículos donde es posible la alimentación a través del mechero del coche.

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ANEXO: ANTENAS PARABÓLICAS.- Para recibir las emisiones procedentes de un satélite, es necesario la instalación de una antena parabólica exterior de 30 cm a 1,80 de diámetro, añadirle un convertidor, que convierte la señal de 11 GHz a 1 GHz, así como un polarizador, capaz de separar las señales polarizadas horizontalmente de las polarizadas en sentido vertical. Si esta antena dispone de un posicionador, podemos captar varios satélites. LLOOSS SSAATTÉÉLLIITTEESS GGEEOO--EESSTTAACCIIOONNAARRIIOOSS Es conveniente recordar algunos conceptos estudiados hace ya algún tiempo. La posición de un lugar en la superficie de la tierra queda determinada mediante coordenadas geográficas. La longitud o altitud se mide desde el meridiano de Greenwich hasta el meridiano del lugar. Se cuenta desde 0º hasta +180º hacia el este y desde 0º hasta -180º hacia el oeste. La latitud geográfica se mide desde el Ecuador hacia el norte, (0º hasta

+90º), y hacia el sur, (0º hasta -90º).

Los satélites se encuentran en una órbita a 36.000 Km de la tierra, órbita geoestacionaria, sobre el plano del Ecuador, en la que presenta igual período y sentido de rotación que la tierra. Esto significa que el satélite estará siempre en el mismo punto con respecto a la tierra.

Aunque son muchos estos satélites, sólo unos cuantos podemos utilizarlos satisfactoriamente, pues su franja de irradiación no se dirige a nuestro país, o es muy débil su señal. En principio debemos centrarnos en el Astra, Eutelsat e Intelsat, y recientemente en el Hispasat. PPOOLLAARRIIZZAACCIIÓÓNN VVEERRTTIICCAALL YY HHOORRIIZZOONNTTAALL Si situamos el pequeño dipolo existente en el interior del convertidor,

en posición vertical respecto al suelo, sólo podremos ver las emisoras que transmiten con polarización vertical,

sin lograr ver ninguna de las que transmiten con polarización horizontal

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En la antena parabólica tendremos que girar el convertidor, con el fin de situar el dipolo en posición horizontal o vertical, en función de la señal que queramos recibir. Esto se puede realizar automáticamente mediante un polarrotor, llamado también polarizador, que no es más que un dispositivo electromecánico que se encarga de girar la polarización de la señal captada. De esta forma, con un solo convertidor, podremos recibir tanto las señales de polarización horizontal como vertical. La limitación que tiene este sistema es la fiabilidad de las partes móviles sometidas a la acción de los agentes atmosféricos y la precisión en el posicionamiento. Otra solución consiste en la utilización del llamado sistema ortomodo, que consiste en una doble guía de ondas que separa las dos polarizaciones, horizontal y vertical, en dos diferentes salidas que aplican las señales a dos diferentes convertidores. El iluminador, tiene la misión de recoger todas las señales que se reflejan en el disco parabólico y enviarlas al dipolo a través del polarizador. LLAA PPOOSSIICCIIÓÓNN GGEEOO--EESSTTAACCIIOONNAARRIIAA La posición de cada satélite se localiza con dos medidas fundamentales: la elevación y el acimut.

La elevación es el parámetro más importante para apuntar un satélite, es decir, los grados de inclinación de la parábola con respecto al suelo. En la práctica, en la línea del Ecuador, se situará en horizontal, 0 grados, mientras que cuanto más nos alejemos hacia el Norte, más tendremos que bajarla, más grados. Por ello, quienes se encuentre en el Sur de España (latitud 36º), la antena tendrá una inclinación menor que quienes se encuentren en el Norte (latitud 44º)

El acimut, que es el otro parámetro, se indica con grados Este u Oeste, tomando como referencia, aunque no se diga explícitamente, la longitud de Greenwich es el ángulo de rotación sobre el plano horizontal respecto a la posición del satélite Por ejemplo, si el satélite se encuentra a 1 grado Oeste, el habitante de Mérida, ciudad que se encuentra en la longitud 6,3º Oeste, debe realizar la siguiente operación: 1º - 6,3º = 5,3º Este

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PPOOSSIICCIIOONNAADDOO DDEE LLAA PPAARRÁÁBBOOLLAA Existe una gran diferencia, en cuanto a exactitud en la orientación, entre una antena 'yagi' de TV y una antena parabólica. La primera, dispone de un ángulo de apertura superior a 30º para emisoras a 100 Km de distancia, mientras que en la segunda, es de 2º, para un satélite geoestacionario situado a 36.000 Km de distancia. Basta un error de escasos milímetros, ya sea en vertical (elevación) como en horizontal (acimut), para encontrarse direccionado a varios centenares de kilómetros del lugar en que se encuentra el satélite. Hay que tener en cuenta que el satélite no tiene el diámetro de la Luna, sino tan solo 2 metros y a la distancia a que se encuentra, no es más que un "puntito" que, si fuera luminoso, veríamos como una estrella. Por consiguiente, la parábola debe disponer de un desplazamiento micrométrico, tanto en sentido vertical como horizontal. Primeramente deberemos hacer una visita previa para decidir el emplazamiento más óptimo de la antena parabólica. Un lugar libre de obstáculos entre la antena y el satélite y con posibilidad de orientación desde el sureste hasta el suroeste. Para localizar la línea Norte-Sur disponemos de dos sistemas: - Una sería el uso del Sol como medio de orientación. Todos sabemos que a las doce, hora solar, el Sol se encuentra en el cenit, con lo que indica con total precisión el Sur geográfico. En ese momento, la sombra de una plomada marca en el suelo la dirección Norte-Sur, con lo que, marcando dicha sombra con una tiza dispondremos de la dirección adecuada. Hay que recordar, que la hora oficial está adelantada una hora en invierno y dos en verano. - El otro sistema es con ayuda de una brújula. Teniendo en cuenta el error que existe entre el Norte geográfico, 0º y el Norte magnético, deberemos sumarle a esta indicación, entre 4º y 8º, según el lugar en que nos encontremos. Debido a la gran sensibilidad de la brújula, tendremos que alejarnos de objetos metálicos, pues pueden falsear la medida.

Si es necesario se darán las instrucciones precisas para la construcción de la cimentación para la base de la parábola, teniendo en cuenta la orientación y las fuerzas que deba soportar. En una segunda visita se procederá al montaje de la antena. Montaremos la antena con

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el mayor cuidado en aprietes de tornillos, colocación de varillas, etc. Una vez nivelada la base de la parábola, con ayuda de un nivel o plomada, montaremos la parábola, orientándola hacia el Sur. El ángulo de elevación es el primer ajuste que debemos realizar. Con ayuda de un instrumento, llamado inclinómetro, ajustaremos la elevación de la parábola teniendo en cuenta la latitud más el ángulo de compensación en el lugar que nos encontremos

Así para una parábola montada en Mérida, deberemos ajustarla a una elevación de 39º+6,2º=45,2º. En la práctica es conveniente bajar 2 ó tres grados, e ir haciendo barridos sobre la zona del posible satélite, ir subiendo hasta ajustar la elevación correcta. El inclinómetro se puede colocar en el borde de la parábola o en el mismo convertidor. En algunas antenas, viene incorporada una escala graduada para este ajuste. El acimut se ajustará con ayuda de la brújula, apuntando la

parábola hacia el satélite elegido y haciendo barridos. Estos barridos se harán con ayuda de tornillos de ajuste o motores, pues si lo hacemos manualmente será casi imposible poder direccionar correctamente la antena, debido a la precisión requerida. Para localizar los satélites, las unidades de recepción llevan incorporado un escáner, cuya misión es la de hacer un barrido rápido en el espectro de frecuencias de emisión de los satélites: 10 GHz a 12 GHz.

CCOOMMOO CCOOLLOOCCAARR UUNNAA AANNTTEENNAA PPAARRAABBÓÓLLIICCAA Sencilla explicación de todos los pasos a dar para la instalación de una antena parabólica de tipo Offser, aunque la mayoría de los pasos son comunes a todos los tipos de antena.

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1. Materiales necesarios: Antes de comenzar vamos a ver todos los materiales que se van a utilizar.

• Soporte: existen numerosos tipos de soportes diferentes. Siempre va a haber uno, o una combinación de varios, que se adecue a tu situación: soportes en U, en L, postes, para suelos, barras para separar el poste de la pared, torretas,...

• Antena parabólica: compuesta por:

o Plato: Refleja las ondas del satélite y las concentra en el conversor LNB. o Barra de sujeción al poste y del LNB: sobre ella se monta el lato y el soporte

para el LNB. o Soporte del LNB: pieza en forma de abrazadera que sostiene el LNB.

• Conversor LNB (sensor): Es la pieza que recibe las ondas que se han reflejado en el

plato.

• Receptor satélite: Aparato que recibe y descodifica la señal del satélite (por ejemplo un descodificador de plataforma digital).

• Cable coaxial y grapas: cable de antena, preferiblemente de cobre.

• Conectores tipo F: se usarán para la conexión a LNB (normalmente) y al receptor.

• Cinta vulcanizante: está recomendado usarla para hacer estanca la conexión al

LNB.

• Tomas de pared y cajas de bifurcación, en caso necesario. Además de esto utilizaremos tacos metálicos (en todos los casos) para tomar el soporte a la pared (a no ser que se quiera que la antena desaparezca en un día de viento). 2. Instalación del soporte. Antes de comenzar el montaje del soporte comprobaremos que la zona hacia la que debemos orientar la antena está libre de objetos (árboles, paredes...). En el caso del satélite Astra, debe estar libre un mínimo 30º de ángulo vertical y hacia el suroeste. Sea cual sea el soporte que vamos a utilizar, siempre usaremos tacos metálicos para su sujeción (de unos 10 mm). En algunos casos es posible usar el mismo poste de una antena terrestre que ya exista, siempre que este esté bien firme.

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Comenzaremos marcando los puntos exactos a taladrar y perforando uno de los agujeros. Insertamos el taco metálico sin sacar el tornillo y lo expansionamos, es decir, apretaremos el tornillo antes de colocar el soporte. Es necesario hacerlo así porque si no la pieza móvil de los mismos se soltaría y quedaría inutilizado el taco. Una vez expansionados, retiramos el tornillo y comprobamos de nuevo la localización del siguiente agujero. Hay que ser muy riguroso en este sentido, puesto que los tacos metálicos requieren mucha mas precisión que los de plástico. Si un tornillo queda medio torcido simplemente no va a entrar. En caso de utilizar soportes para poste (barras que separan el poste de la pared), una vez fijadas montaremos el poste sobre ellos. Para ello se aprietan las dos tuercas de la mordaza de presión fuertemente. 3. Montaje de la antena y orientación. En el suelo montaremos la antena según la siguiente secuencia:

En primer lugar montaremos sobre el plato las dos piezas en forma de U que van a unir este a la barra. La unión está realizada con pares de tornillos, de manera que la cabeza de los mismos queda por el frontal del plato. No es necesario el uso de tuercas puesto que las piezas tienen unos orificios roscados.

Unimos la barra a las piezas que acabamos de montar por medio de dos tornillos y turcas. En el extremos superior colocamos un tapón y en el frontal montaremos el soporte para el LNB por medio de otro tornillo.

Montamos la pieza que unirá todo el conjunto al poste de sujeción por medio de dos tornillos. Una vez montado todo esto pasaremos a fijar el ángulo vertical.

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Para ello giramos la pieza prevista para ese fin (imagen de la derecha) hasta que hagamos coincidir con la escala graduada el ángulo correspondiente al satélite que nos interesa y a la zona en la que nos encontremos y apretamos muy fuertemente los tornillos de fijación. En el caso del satélite Astra, esos ángulos para ciudades de España son los que aparecen como ángulo "a" en la tabla situada más abajo.

Una vez concluida esta fase es hora de colocar la antena en el soporte o en el poste. Para ello fijamos la abrazadera que une la pieza que arriba hemos ajustado con el mástil con sus tuercas, pero no las apretaremos del todo, dejaremos que la antena se pueda girar.

Fijaremos el ángulo horizontal. En el caso del satélite Astra, los ángulos que corresponden a las distintas ciudades españolas son los abajo mencionados, identificados con la letra "b". Una vez fijado, apretaremos definitivamente las tuercas de la abrazadera que une la antena al mástil. Apretaremos muy fuertemente estas tuercas. En teoría nuestra antena ya está situada.

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El paso siguiente es el montaje del LNB en su soporte. Para ello aflojaremos los tornillos que sujetan la parte superior del mismo y la sacaremos. Montaremos el LNB y apretaremos los tornillos. El LNB debe tener un ángulo de inclinación con respecto a la vertical (ángulo alfa). En teoría tenemos que fijar este ángulo con un aparato que mide la cantidad y calidad de la señal.

Muchas veces los propios descodificadores o receptores cuentan con un indicador para este efecto. En caso de disponer del aparato, fija el ángulo y aprieta los tornillos. Si no se dispone de él o el descodificador lo incluye, ajustaremos el ángulo al final de la instalación, con el descodificador ya montado. 4. Cableado Utilizaremos cable coaxial normal, preferiblemente de cobre.

En primer lugar fijaremos el cable al LNB con un conector de tipo F. La forma de montar el conector al cable es la mostrada a la derecha. Aislaremos esta conexión con cinta vulcanizante. Bajaremos el cable por los soportes, fijándolos con corbatas de plástico. También prepararemos un cable de la longitud deseada que conectará el receptor con la toma que vamos a situar en la pared. Por tanto, en el extremo del receptor tendrá otro conector de tipo F y en el otro extremo un conector hembra normal, como

el de los cables que conectan la televisión con la toma normal. Fijado el cable al LNB, comenzaremos a llevarlo con grapas hasta el punto donde nos interese. Si se tiene que bifurcar en algún sitio, utilizaremos un repartidor. Esto no es más que una caja en la que entra un cable y salen dos. Nunca haremos conexiones a mano, es decir, con cinta aislante. Montaremos tomas normales de pared en los puntos que nos interese. Si la toma es final, es decir, el cable muere en ella, usaremos una toma final, y si el cable debe continuar a una toma siguiente usaremos una prevista para hacer montajes en serie. Esquema que engloba todas estas posibilidades

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5. Recepción Conectaremos el receptor a una de las tomas que hemos montado y procedemos a su sintonización según los manuales que adjunte éste. Si antes habíamos dejado sin fijar el ángulo de inclinación del LNB es el momento de hacerlo. Si el descodificador tiene indicador de la calidad de la señal, gíralo hasta que este sea máximo. Si no lo tiene, simplemente busca la posición en que la pantalla tenga menos nieve. En teoría, estaría terminado. Si no funciona, habría que probar lo siguiente:

• Revisar todas las conexiones. Para esto podría ser útil un multímetro, comprobando la resistencia del conjunto.

• Comprobar la orientación de la antena. Si es necesario, tantear nuevos ángulos hasta que consigas la mejor señal.

• Comprobar que el cable no se haya dañado.

Si nada de esto funciona señal de que algo va mal. El LNB o el receptor podrían estar estropeados.

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BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFÍÍAA

http://www.geocities.com/Paris/Opera/1255/Samuel/doc/antenas1.html http://www.upv.es/ http://www.bricomundo.com/todosobre_colocaantena.htm http://www.ciberteca.net/cgi-bin/visitarenlace.asp?id=587 http://www.monografias.com/trabajos10/coin/coin.shtml http://www.metacontrol.cl/soporte.html http://personal.redestb.es/jorgecd/antenas.html http://www.el-mundo.es/radio/glosario.html

Alumno: Miguel Ángel López Calvo Curso 2001-2002

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