2015

CARACTERISTICAS DE LAS ANTENAS

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ANTENAS El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define una antena como aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas (IEEE Std. 145-1983). Si bien sus formas son muy variadas, todas las antenas tienen en común el ser una región de transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, a la que puede además asignar un carácter direccional. La representación de la onda guiada se realiza por voltajes y corrientes (hilos conductores y líneas de transmisión) o por campos (guías de ondas); en el espacio libre, mediante campos. La misión de la antena es radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas a la aplicación. Por ejemplo, en radiodifusión o comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en radiocomunicaciones fijas interesará que las antenas sean direccionales. En general, cada aplicación impondrá unos requisitos sobre la zona del espacio en la que se desee concentrar la energía. Asimismo, para poder extraer información se ha de ser capaz de captar en algún punto del espacio la onda radiada, absorber energía de esa onda y entregarla al receptor. Existen, pues, dos misiones básicas de una antena: transmitir y recibir, imponiendo cada aplicación condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar, frecuencia de trabajo y otros parámetros. Las antenas tienen unas características de impedancia y de radiación que dependen de la frecuencia. El análisis de dichas características se realiza a partir de las ecuaciones de Maxwell en el dominio de la frecuencia, utilizando las expresiones de los campos en forma compleja o fasorial. Cada aplicación y cada banda de frecuencias presentan características peculiares que dan origen a unas tipologías de antenas muy diversas. En una forma amplia y no exhaustiva, los tipos más comunes se pueden agrupar en los grandes bloques siguientes: Antenas alámbricas. Se distinguen por estar construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolo, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y hélices. Este tipo de antenas se caracterizan por corrientes y cargas que varían de forma armónica con el tiempo y con amplitudes que también varían a lo largo de los hilos. Antenas de apertura y reflectores. En ellas la generación de la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen excitar con guías de ondas. Son antenas de apertura las bocinas (piramidales y cónicas), las aperturas y las ranuras sobre planos conductores, y las bocas de guía. Este tipo de antenas se caracterizan por los campos eléctricos y magnéticos de la apertura, variables armónicamente con el tiempo. El empleo de reflectores, asociados a un alimentador primario, permite disponer de antenas con las prestaciones necesarias para servicios de comunicaciones a

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grandes distancias, tanto terrestres como espaciales. El reflector más común es el parabólico. Agrupaciones de antenas. En ciertas aplicaciones se requieren características de radiación que no pueden lograrse con un solo elemento; sin embargo, con la combinación de varios de ellos se consigue una gran flexibilidad que permite obtenerlas. Estas agrupaciones pueden realizarse combinando, en principio, cualquier tipo de antena.

CARACTERISTICAS DE LAS ANTENAS

Impedancia

La impedancia o resistencia de entrada es la resistencia compleja que presenta la antena en su punto de alimentación. Esta resistencia es la suma de la resistencia óhmica y de la componente reactiva (inductiva o capacitiva).

Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias, la resistencia de radiación (Rr) y la resistencia de pérdidas (RL). Se define la resistencia de radiación como una resistencia que disiparía en forma de calor la misma potencia que radiaría la antena. La antena por estar compuesta por conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Estas pérdidas son las que definen la resistencia de pérdidas en la antena.

Adaptación de impedancia: Emparejar o igualar la impedancia, consiste en hacer que la impedancia de salida de una fuente de alimentación sea igual a la impedancia de entrada de la carga a la cual que se conecta. Esto con el fin de encontrar la máxima transferencia de poder y aminorar las pérdidas de potencia.

Patrón de Radiación.

Un patrón de radiación es un diagrama polar o gráfica 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. Si se traza la intensidad del campo o la densidad de potencia en relación al valor en un punto de referencia, se llama patrón de radiación relativo.

Existen antenas que radían casi

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uniformemente en todas direcciones (antenas omnidireccionales) y otras que favorecen una dirección (antenas directivas), pero no existe ninguna antena que radíe exactamente la misma energía en todas las direcciones. Razones puramente teóricas excluyen esta eventualidad. No obstante, es utilizada como antena de referencia para la definición general de la ganancia de las antenas bajo el nombre de antena isotrópica.

La característica de radiación o patrón de radiación de una antena se refiere siempre al espacio único caso éste en el que la antena puede radiar libremente sin el menor obstáculo. Entre ese diagrama de radiación puramente teórico y el diagrama de radiación real de una antena trabajando en la proximidad del suelo, existe a menudo una gran diferencia. Esta es puesta en evidencia por los cálculos teóricos y las medidas experimentales.

Ancho del Haz de la Antena: El ancho del haz de la antena es sólo la separación angular entre los dos puntos de media potencia (-3dB) en el lóbulo principal del patrón de radiación del plano de la antena, por lo general tomando en uno de los planos "principales". El ancho de haz de la antena se llama ancho de haz de -3dB o ancho de haz de media potencia.

El ancho del haz de una antena usualmente se entiende como ancho del haz a mitad de potencia. Se encuentra el pico de intensidad de radiación, luego se localizan los puntos de ambos lados de pico que representan la mitad de la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de la mitad de la potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3dB, por lo tanto algunas veces el ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3dB. Generalmente se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal.

Suponiendo que la mayor parte de la potencia radiada no se dispersa en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz: cuando el ancho del haz decrece, la ganancia directiva se incrementa.

Lóbulos laterales: Ninguna antena es capaz de radiar toda la energía en una dirección preferida. Inevitablemente, una parte de ella es radiada en otras direcciones. Esos picos más pequeños son denominados lóbulos laterales, especificados comúnmente en dB por debajo del lóbulo principal.

Nulos: En los diagramas de radiación de una antena, una zona nula es aquella en la cual la potencia efectivamente radiada está en un mínimo. Un nulo a menudo tiene un ángulo de directividad estrecho en comparación al haz principal. Los nulos son útiles para varios propósitos tales como la supresión de señales interferentes en una dirección dada.

GANANCIA

La ganancia de una antena es la relación entre la intensidad de radiación en una dirección determinada y la intensidad de potencia de una antena de referencia alimentada con la misma potencia. La antena de referencia teórica está constituida por la antena isotrópica que radia de forma igual en todas direcciones. Está claro

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que no existe una antena como esta en la práctica pero existen sin embargo algunas antenas de referencia que si son realizables y cuya ganancia sobre la isotrópica es conocida o se puede calcular y medir y nos sirven como antenas de referencia.

El dipolo de 1/2 onda es una de referencia. Presenta una ganancia de 2.15 dBi, esta anotación dBi, significa que son decibeles sobre la isotrópica.

Sin la indicación de la referencia, el valor de la ganancia no tiene ningún significado, por eso cuando se dice que una antena direccional tiene una ganancia de 7.5 dBd sabemos que esa antena tendrá una ganancia de 7.5 + 2.15 =9.65 decibeles sobre la isotrópica ya que dBd significa ganancia sobre dipolo y el dipolo tiene una ganancia teórica de 2.15 decibeles sobre isotrópica.

La ganancia de una antena siempre esta dada para la dirección de máxima radiación del lóbulo principal. En un dipolo son 2 los lóbulos principales de radiación a diferencia de los arreglos direccionales que tienen solamente un lóbulo principal.

Polarización

La polarización de una antena se refiere solo a la orientación del campo eléctrico radiado desde ésta. Una antena puede polarizarse en forma lineal (por lo general, polarizada horizontal o vertical), en forma elíptica o circular. Si una antena irradia una onda electromagnética polarizada verticalmente, la antena se define como polarizada verticalmente; si la antena irradia una onda electromagnética polarizada horizontalmente, se dice que la antena está polarizada horizontalmente; si el campo eléctrico radiado gira en un patrón elíptico, está polarizada elípticamente; y si el campo eléctrico gira en un patrón circular, está polarizada circularmente.

Relación Frente/Atrás o delante/atras

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Es una particularidad propia de las antenas directivas. Se expresa en dBs, pero no tiene nada que ver con la ganancia de la antena. El valor de la relación delante/atras indica únicamente hasta que punto el lóbulo principal de radiación es más importante que el lóbulo posterior. Las antenas Yagi de 3 elementos presentan una relación del orden de los 20 dB. Las antenas parabólicas están en el orden de los 60 dB.

Decimos que una buena antena direccional debe estar equilibrada, es decir, tener una buena ganancia y también una buena relación de delante/atras. Si deseamos más ganancia, la relación se reduce necesariamente y si deseamos una excelente relación, la ganancia también se reduce.

Eficiencia Relacionado con la impedancia de la antena tenemos la eficiencia de radiación y la eficiencia de reflexión. Estas dos eficiencias nos indicarán una, cuanto de buena es una antena emitiendo señal, y otra, cuanto de bien 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. 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. Ancho de Banda de la Antena El ancho de banda de la antena se define como el rango de frecuencias sobre las cuales la operación de la antena es "satisfactoria". Esto, por lo general, se toma entre los puntos de media potencia, pero a veces se refiere a las variaciones en la impedancia de entrada de la antena. Campos Cercanos y Lejano El campo de radiación que se encuentra cerca de una antena no es igual que el campo de radiación que se encuentra a gran distancia. El termino campo cercano se refiere al patrón de campo que esta cerca de la antena, y el termino campo lejano se refiere al patrón de campo que está a gran distancia. Durante la mitad del ciclo, la potencia se irradia desde una antena, en donde parte de la potencia se guarda temporalmente en el campo cercano. Durante la segunda mitad del ciclo, la potencia que esta en el campo cercano regresa a la antena. Esta acción es similar a la forma en que un inductor guarda y suelta energía. Por tanto, el campo cercano se llama a veces campo de inducción. La potencia que alcanza el campo lejano continua irradiando lejos y nunca regresa a la antena por lo tanto el campo lejano se llama campo de radiación. La potencia de radiación, por lo general es la mas importante de las dos, por consiguiente, los patrones de radiación de la antena, por lo regular se dan para el campo lejano. El campo cercano se define como el área dentro de una

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distancia D2/l de la antena, en donde l es la longitud de onda y D el diámetro de la antena en las mismas unidades. Pérdida de retorno La pérdida de retorno es otra forma de expresar la desadaptación. Es una medida logarítmica expresada en dB, que compara la potencia reflejada por la antena con la potencia con la cual la alimentamos desde la línea de transmisión.

Desadaptación de polarización

Para transferir la máxima potencia entre una antena transmisora y una receptora, ambas antenas deben tener la misma orientación espacial, el mismo sentido de polarización y el mismo coeficiente axial. Cuando las antenas no están alineadas o no tienen la misma polarización, habrá una reducción en la transferencia de potencia entre ambas antenas. Esto va a reducir la eficiencia global y las prestaciones del sistema. Cuando las antenas transmisora y receptora están polarizadas linealmente, una desalineación física entre ellas va a resultar en una pérdida por desadaptación de polarización, que puede ser determinada utilizando la siguiente fórmula:

Pérdida (dB) = 20 log10 (cos θ)

Espero que este breve trabajo les sea de utilidad, no dejen de enviarnos sus consultas a gsbroadcastservices@gmail.com