Caracteristicas de Las Antenas

Propagación y Tratamiento de SeñalesAplicación de las TelecomunicacionesAplicación de las Telecomunicaciones

Características de las

Antenas

Propagación y Tratamiento de SeñalesAplicación de las Telecomunicaciones

Definición de Antena

Una antena es un sistema conductor metálico capaz de RADIAR y CAPTURARRADIAR y CAPTURAR Ondas Electromagnéticas.

Se utilizan para acoplar las señales entre los equipos y las líneas de transmisión con el espacio libre:

En el TxTx, la antena convierte le Energía Energía Eléctrica a OEMEléctrica a OEM, que se emiten al espacio.En el RxRx, la antena convierte las OEM OEM captadas, en Energía EléctricaEnergía Eléctrica para que el receptor pueda procesarlas.


Funcionamiento de una Antena

Una antena funciona como una línea de transmisión terminada en circuito abierto y cuyos conductores han sido separados para aumentar su eficiencia de radiación. A este tipo de antena se le conoce como DIPOLODIPOLO (dos polos).(dos polos).

DipoloDipolo


Antena Hertz

Si el dipolo está cortado a la mitad de la longitud de onda (), se conoce como dipolo de media onda o antena Hertz:

/ 2

Línea de Transmisión


Antena Marconi

Si uno de los conductores se aparta en línea recta a la distancia de ¼ de longitud de onda, la antena se conoce como monopolo vertical o antena Marconi:

/ 4

Conexión aTierraLínea de

Transmisión


Reciprocidad de las Antenas

Una antena básica es un dispositivo recíproco pasivo:

Recíproco, porque las características de desempeño de transmisión y recepción son idénticas:• Aunque se prefiere que las antenas de

transmisión soporten altas potencias y las de recepción sean conductores delgados que produzcan voltajes y corrientes suficientes, sin embargo muchos sistemas utilizan las mismas antenas para transmitir y recibir, pero es necesario que se les adapte un diplexor para aislar la señal de Tx de la de Rx.


Pasiva, porque en realidad no amplifica una señal, a pesar de que se dice que tiene una ganancia. No contiene componentes activos como diodos, ni transistores.

•Suele llamarse antenas activas a la combinación de una antena pasiva con un amplificador de bajo ruido (LNA: Low Noise Amplifier), estás no son recíprocas: o transmiten o reciben.


Patrón de Radiación

Es una gráfica polar que representa las intensidades de campo o la densidad de potencia que irradia la antena en las diferentes posiciones angulares, pueden ser:

•AbsolutosAbsolutos, se traza en términos de la o P (distancia variable, potencia o intensidad fija)

•RelativosRelativos, el E o P se grafican con respecto a un punto de referencia (potencia o intensidad variable y distancia fija)


Patrón de radiación Absoluto

-90º

2km

6km4km

8km10km

90º

-45º

180º

135º

45º

0º (Referencia)

-135º

Línea de Tiro

P = 10 W/m2

Lóbulo Frontal (mayor)

Lóbulo Lateral (menor)


Patrón de Radiación Relativo

1W

3W

2W

4W

5W

90º

-45º

180º

135º

45º

0º (Referencia)

-90º

-135º

D = 10 km



Lóbulo Posterior (menor)


Patrón de Radiación Relativo (en dB´s)

2dB

6dB

4dB

8dB

10dB

90º

-45º

180º

135º

45º

0º (Referencia)

-90º

-135º



Lóbulo Posterior (menor)


-3dB-3dB


Patrón de Radiación de una Antena Omnidireccional (en

dB´s)

-8dB-4dB

-6dB-2dB

0dB

90º

-45º

180º

135º

45º

0º (Referencia)

-90º

-135º


Patrón de Radiación Tridimensional


Patrón de Radiación Tridimensionalde una antena

Omnidireccional


PATRÓN DE RADIACIÓNEjemplos y ejercicio


Ancho de HazEs la separación angular entre los dos puntos de media potencia (-3dB) en el lóbulo principal del patrón de radiación de la antena. También se le conoce como ancho de haz de –3dB o ancho de haz de media potencia.

Se les llama puntos de media potencia porque su densidad de potencia es la mitad de lo que es en el punto de la máxima dirección:

Si está en Watts, la media potencia será Pmáx/2,Si está en Volts, la media potencia será el Vrms (0.707*Vmáx)Si está en dB, la media potencia se obtiene restando 3dB al valor máximo en dB´s.


Ancho de HazEn el siguiente ejemplo se puede observar, que la máxima radiación está en 10dB, si se disminuye la mitad de la potencia, es decir, -3dB, llegaremos a 7dB y es justamente ahí donde debe medirse el haz, que para este ejemplo es de aproximadamente 90º


Ancho de Haz

Existe una relación inversamente proporcional entre el ancho de haz y la ganancia de una antena,

puesto que los incrementos de la ganancia reducen el ángulo de dicho haz, es decir, a mayor ganancia-menor ancho de haz.


ANCHO DE HAZ3 ejercicios


Resistencia de Radiación

Una parte de la potencia que se suministra a la antena se convierte en calor y se disipa (Re = resistencia efectiva) la otra parte se irradia. La resistencia de radiación es aquella que, si se reemplazara a la antena, disiparía exactamente la misma potencia, es la resistencia de la antena al paso de la corriente alterna y es igual:

Rr = Prad / i 2

Donde: Rr = Resistencia de radiación ()

Prad = Potencia irradia por la antena (W) i = corriente en el punto de

alimentación de antena (A)


...Resistencia de Radiación

En los sistemas de comunicaciones que manejan redundancia, se conectan Cargas Cargas Fantasma (Dummy Load)Fantasma (Dummy Load) en los transmisores de reserva. Estos dispositivos tienen una resistencia igual a la resistencia de radiación de la antena y su función es acoplar la salida de dicho transmisor para que no se dañe su etapa de salida mientras esté encendido y disipa la misma potencia que disiparía la antena si estuviera conectada (por seguridad se duplica la capacidad nominal de potencia que debe soportar).


...Resistencia de Radiación

Transmisor Transmisor de reservade reserva

Transmisor Transmisor PrincipalPrincipal

DLDL

Característas de DL :

Resistencia = Rrad de la Antena

Disipación de potencia = Doble de la potencia de salida


CARGAS FANTASMA(DUMMY LOAD)

Ejemplos comerciales


Impedancia de entradaEl espacio pequeño entre los conductores que forman la antena se llama terminal de entrada de la antena o punto de alimentación. El punto de alimentación representa una carga de C.A. para la línea de transmisión, llamada impedancia de entrada de la antena.

Es necesario que la impedancia de salida del transmisor, la impedancia de la línea de transmisión y la impedancia de entrada de la antena sean iguales, para que se transfiera la máxima potencia a la antena y no se generen ondas estacionarias en la línea.


Impedancia de entrada

Un medidor de onda estacionarias (SWR) mide los voltajes reflejados y ofrece una medida relativa de que tan bien están acopladas las impedancias desde la antena hasta el transmisor.

Cuando las impedancias no son iguales, una parte de la energía será reflejada desde la antena hasta el transmisor, lo que causa ondas estacionarias en la línea, produciendo que los voltajes y las corrientes no sean uniformes y se suscitan varios problemas.


Impedancia de entrada

Un acoplamiento perfecto quedaría indicado en este medidor como 1:1, sin embargo son aceptables valores que lleguen incluso hasta 2:1, pero mayores a ésta existirán problemas:

en el acoplamiento de las impedanciasel rango de frecuencias que se está utilizando o en algún punto físico del sistema.

Una antena Hertz, alimentada por el centro, tiene una impedancia de entrada, que es igual a su resistencia de radiación, de 73.2(75aprox.)


Eficiencia de Radiación ()

Es la relación entre la potencia irradiada por la antena y la potencia total de entrada, expresada en porcentaje:

= Pr x 100% = Pr x 100% PT Pr + Pd

Donde: = Eficiencia de la antena (%)

Prad = Potencia radiada (W)Pd = Potencia disipada (W)PT = Potencia total en entrada (W)


Parte de la potencia de entrada se disipa en la resistencia efectiva Re

(resistencia del suelo, dieléctricos imperfectos, corrientes parásitas, etc. ) y el resto se irradia (resistencia de radiación Rr) y la eficiencia también puede ser expresada en función de ellas:

= Rr x 100% Rr + Re

...Eficiencia de Radiación


Ancho de Banda (BW)

Se define como el rango de frecuencias sobre el cual

la operación de la antena es “satisfactoria”, es decir,

trabaja sin pérdidas considerables.


Ancho de Banda (BW)

El BW se mide entre los puntos de media potencia, y tiene una estrecha relación con la impedancia de entrada de la antena.

Se utiliza una gráfica de Bode para esquematizar el BW.


BW, punto Q

Otro parámetro que se relaciona con el ancho de banda de la antena, es el punto Q, que es el punto que determina el ancho de banda más eficiente para una antena. Cada tipo de antena tiene un punto Q diferente y se determina:

Q = fCORTE

Ancho de banda

La frecuencia de corte es aquella para la cual fue diseñada la antena y es justamente la frecuencia que puede radiar con mayor eficiencia y sin alterar sus principales características.


Ancho de Banda (BW)

Las antenas también suelen clasificarse como: Antenas de banda estrecha (un solo canal de comunicación) y Antenas de banda ancha (cubre varios canales e incluso bandas de frecuencia)

Pero se tiene menor ganancia de una antena de banda ancha comparada con una de banda estrecha.Una opción para incrementar el ancho de banda de una antena es aumentar la superficie (o calibre) de los conductores que la forman.


Ancho de Banda (BW)

Si es necesario utilizar la misma antena para diferentes frecuencias, se suelen utilizar arreglos con reactancias inductivas y capacitivas, llamados “trampas” que según la frecuencia, se comportarán como circuitos cerrados o abiertos.

Las trampas se colocan una en cada lado del dipolo y son circuitos sintonizados diseñados para ser resonantes en las frecuencias que alargarán la antena.


ANCHO DE BANDA (BW = BAND WIDTH)

Ejemplos y ejercicios Bode


La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia irradiada en una densidad de potencia irradiada en una dirección particulardirección particular entre la densidad de potencia en el mismo punto por una antena de referencia (isotrópica), ambas con la misma potencia de alimentación. La máxima ganancia directiva se conoce como Directividad:

D = P Pref

Directividad (D)

D = Directividad (sin unidades)

P = Densidad de potencia en la antena elegida (W/m2)

P ref = Densidad de potencia en la antena isotrópica (W/m2)


Ganancia de Potencia (Ap)

Es lo mismo que la ganancia directiva únicamente que se considera la eficiencia () de la antena. Se supone que la antena dada y la de referencia se alimentan con la misma potencia, pero la última no tiene pérdidas:Ap = D

Ap (dBi) = 10 log D 10 log P

P ref


Directividad & Ganancia de Potencia

Si la antena dada no tiene pérdidas, entonces irradia el 100% de la potencia de entrada ( =1 =1) y su directividad será igual directividad será igual a su ganancia de potenciaa su ganancia de potencia.

Una antena no amplificano amplifica la potencia, tan sólo la concentra hacia una determinada concentra hacia una determinada direccióndirección y los puntos en esta dirección obtienen una ganancia aparente en relación con una antena isotrópica.

Como una antena es un dispositivo recíproco, su ganancia es igual de transmisión que de recepción.


PIRE: PPotencia IIsotrópica RRadiada EEfectiva

El PIRE (también conocido como EIRP, por sus siglas en inglés:Effective Isotropic Radiated Power), se define como la potencia equivalente de transmisión y se expresa como:

En función de Pent y Ap (el que se utiliza):

PIRE= Pr Dt (Watts)

PIRE(dBm)= 10 log (Pr/0.001) +10 log Dt

PIRE(dBW)=10 log Pr Dt

PIRE= Pent At (Watts)PIRE(dBW)=10 log Pent At

PIRE(dBm)= 10 log (PentAt/0.001)


... PIRE

El PIRE es la potencia equivalente que tendría que irradiar una antena isotrópica para tener la misma densidad de potencia, en la dirección elegida y en un determinado punto, respecto a una antena dada.

Ejemplo: Si una antena Tx, tiene una ganancia de 10 (10dB) su densidad de potencia sería 10 veces mayor que si se tratara de una antena isotrópica con la misma potencia de entrada.


Las OEM provenientes de la antena Tx, cuando inciden en el área de captura de la

antena receptora, inducen corrientes y voltajes de RF que producirán una potencia en las terminales de salida de la antena Rx,

ésta es la

Potencia Capturada (real), que se puede entregar a una carga, sea esta

carga el cable que baja al receptor, el mismo receptor o un circuito de entrada.

Potencia Capturada


La Potencia Capturada y otros valores de interés sobre las pérdidas, ganancias y niveles

de señal a través de un sistema de telecomunicaciones, se resuelve a través de

un análisis llamado cálculo de enlace.

Este consiste en una suma algebraica de las pérdidas y ganancias del sistema utilizando el

sistema logarítmico, es decir, en dB´s tomando como referencia los niveles de

potencia de la señal.

Cálculo de Enlace


CÁLCULO DE ENLACEEjemplos

Caracteristicas de Las Antenas

Documents

Transcript of Caracteristicas de Las Antenas