CH 01 Intro Antennas UNI 2015-2

UNI FIEE EE-525M - ANTENAS 2015-2

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Captulo 1

Introduccin a las Antenas

(Overview)

Ing. Marcial A. Lpez Tafur [email protected]

2015-2Antenas 2

Metodologa

Se desarrolla en base a sesiones tericas semanales con uso de material multimedia y el dilogo pedaggico.

Seminarios de problemas.

Se toman 4 prcticas y 2 exmenes para evaluar el aprendizaje de los temas desarrollados en clase, de la prcticas se elimina la de menor nota de las 4 ( la que no se d).

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Sistema de Evaluacin

Se aplica el sistema de evaluacin F, que establece que el promedio se calcula con la siguiente frmula:

Nota Final = ( EP + 2 EF + PP) / 4

Donde:

EP, EF = Examen Parcial, Final

PP = Promedio prcticas, sin considerar la menor nota o la que no se de.

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Asistencia

La asistencia es no es obligatoria, pero hay alta correlacin entre las faltas a clases y la desaprobacin.

Si se trabaja (o practica) deber planear el tiempo libre que disponga el estudiante, para poder aprender el curso y no slo pasarlo con las justas.

La regla de oro es estudiar cada curso 20 minutos al da.

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Si se vive lejos de la UNI, tomar sus precauciones para llegar temprano.

No est permitido el uso de telfonos celulares durante la clase o prctica.

Distribuir bien el tiempo de manera de poder estudiar y aprender los temas.

Recuerde que tenemos nueva ley universitaria.

Sobre todo estudie, no hay otra frmula para aprender el curso.

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Otras consideraciones

El hecho de trabajar o practicar no da concesiones especiales a ningn alumno.

Un error muy comn es estudiar slo la vspera de los exmenes, se debeestudiar regularmente da a da.

Asista a clases y preprese para las prcticas y exmenes, hay mucho material en Internet o en las fotocopiadoras como para salir mal.


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Recuerde

No deje para la noche lo que puede hacer en la maana

Traducido a nuestra costumbre: No deje para maana lo que pudo hacer ayer

Slo el conocimiento nos har libres, es decir, el poder de transformar el futuro de uno mismo y no estar echndole la culpa a otros otras causas por nuestros fracasos.

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Antenas: Un vistazo general

Qu es una antena?

Es la parte de un sistema de transmisin o recepcin diseado para radiar o recibir ondas electromagnticas

Teorema de la Reciprocidad:

Las antenas se comportan de la misma manera, sea que estn transmitiendo o recibiendo

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Frecuencias y Longitudes de Onda

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF

3

kHz

30

kHz

300

kHz

3

MHz

30

MHz

300

MHz

3

GHz

30

GHz

100

km

10

km

1

km

100

m

10

m

1

m

10

cm

1

cm

Los tipos y tamaos de antenas son muy dependientes de la frecuencia de operacin

(longitud de onda) y del ancho de banda.

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La Antena ms simple:

Matemticamente el radiador Isotrpicoes la antena ms simple. (Concepto Terico)

Radia toda la potencia que se le suministra, igualmente en todas direcciones.

Slo en teora, no se puede construirla

Se usa como una referencia para otras antenas que a menudo son comparadas con ella. (Antenas parablicas por ejemplo)

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Fuente Isotrpica (Antena)

Una fuente isotrpica radia su potencia uniformemente en todas direcciones.

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Patrones de Radiacin

Potencia radiada (o Refuerzo de la seal recibida) es una funcin de ngulos (coordenadas esfricas en 3-D)

x y

z


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Dipolo de media onda

Es la antena prctica ms simple

Puede ser

Dipolo simple

Dipolo doblado

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Desarrollo del Dipolo de Media Onda

Lnea en circuito abierto

Lnea con su extremo extendido

Lnea con dipolo de media onda

Campo Elctrico

/4 /4

/4 /4

Campo Elctrico Campo Elctrico

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Antena Dipolo de /2

El patrn de radiacin horizontal es omnidireccional, visualcelo como una dona o rosquilla circundando un alambre

/ 2

i

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Patrn Vertical

Patrn Horizontal

Dipolo de /2

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Patrn de ganancia del dipolo

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Resistencia de Radiacin

La seal radiada al espacio aparece como prdida desde la antena

Elctricamente esto se traduce en una resistencia

Para un dipolo de /2 alimentado en su centro la resistencia de radicacin es aproximadamente 70 ohmios

Antenas tambin tienen resistencia real debido a sus conductores metlicos.


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Eficiencia de la Antena

T

r

T

r

R

R

P

P

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Antena direccional vs. isotrpica

Radiador IsotrpicoSin las

Prdidas (de temp.)

Medicin de la antena

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Ganancia y Directividad

La Directividad es un valor terico que ignora las prdidas

La Ganancia (medicin) incluye prdidas

Como relacin:

ganancia = directividad eficiencia

Las especificaciones dan la ganancia, pero a menudo los modelos computarizados calculan la directividad (tener cuidado)

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Potencia Efectiva Radiada (ERP)

ERP = PT GT Desde que la ganancia incluye eficiencia

de transmisin, podemos usarla para determinar la potencia de radiacin total en una determinada direccin

Realmente, es difcil determinar con exactitud GT, pero el producto PT GT es fcil de medir utilizando un medidor de intensidad de campo.

Antenas 23

La Antena desarrollan ganancia por medio del enfocamiento y formacin del patrn de radiacin.

Las Antenas no pueden crear potencia, slo pueden direccionarla.

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PotenciaIntensidad de campo

En()2

n nP ()=E ()

= 0 = 0

PnEn1.0 1.0

0.707

0.5

HPBW

HPBW

FNBW = 74

FNBW= 74

= 40= 40

(a) (b)

Diagrama de Campo

Diagrama de Potencia

2

n 2max

2n n

E () / ZP () =

E () / Z

P () = E ()

n

max

n n

E()E () =

E ()

E () = E ()

HPBW: Half Power Beam Width FNBW: First Null Beam Width


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EIRP y ERP EIRP = effective isotropic radiated power

Igual a la cantidad de potencia que tendra que ser aplicada a un radiador isotrpico para tener la misma densidad de potencia en un determinado punto.

ERP = effective radiated power

Igual a la cantidad de potencia que tendra que ser aplicada a un dipolo de media onda, orientado en direccin de mxima ganancia, para tener la misma densidad de potencia en un determinado punto.

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Polarizacin del Dipolo

La polarizacin es la misma que la de como esta montado el dipolo:

Dipolo Vertical est polarizado verticalmente

Dipolo Horizontal est polarizado horizontalmente.

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Polarizacin del Dipolo

Dipolo Vertical Dipolo Horizontal

Polarizacin Vertical

Polarizacin Horizontal

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Arreglo o agrupamientode antenas

Antenas simples pueden ser combinada para obtener determinados efectos direccionales

Antenas individuales son llamadas elementos y la combinacin es un arreglo (array).

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Arreglos de antenas (arrays) Es una forma de conformar el patrn de

radiacin

Bsicamente es el resultado de la interaccin de patrones radiados por varias antenas

Antenas de varios elementos tales como las yagis, log peridicas, etc. son esencialmente arreglos de antenas simples (dipolos)

Arreglo de 4-elementos

Antenas 30

Para la ganancia de una antena se usan mltiples elementos especialmente posicionados para enfocar la potencia en una determinada direccin.

Arreglo Horizontal

(Yagi)

Arreglo Vertical

(Co-linear)


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Antenas 31

Se pueden espaciar las antenas cuidadosamente para tener el deseado patrn resultante

Pueden usarse retardos de fases elctricos para explorar o dirigir el haz, no requirindose posicionamiento mecnico

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Arreglos de Dipolos Verticales

Alimentacin comn: Cada elementoes alimentado con igual potencia y fase.

3 dBd

3 dBd

6 dBd Total

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Interferencias constructivas y destructivas

++

==

en fasefuera de fase

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Tipos de Arreglos

Broadside: mxima radiacin en ngulo recto del eje principal de la antena

End-fire: mxima radiacin a lo largo del eje principal de la antena

En Fase: todos los elementos conectados a la fuente

Parasticas: algunos elementos no estn conectados a la fuente Ellos re-radian la potencia de otros elementos

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Arreglo de Dipolos Log-Peridica

Varios elementos activos (dipolos) de diferentes longitudes

Arreglo en fase

End-fire unidireccional

Tiene gran ancho de banda pero poca ganancia

A menudo usado para antenas de TV

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Arreglo Log-Peridica

Alimentacin Balanceada

L5 L4 L3 L2 L1

D5

D4

D3

D2

D1


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Antenas 37

Antena Log peridica y su patrn

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Arreglo Colinear

Todos los elemento estn a travs del mismo eje

Usada para proveer un patrn omnidireccional horizontal con una antena vertical

Concentra la radiacin en el plano horizontal

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Mxima Radiacin

Arreglo Colinear

Mxima Radiacin

Stub de /4 con extremo en corto circuito

Stub de /4 con extremo en corto circuito

Lnea balan-ceada

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Antenas para Frecuencia modulada (FM)

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Similar al arreglo broadside excepto que los dipolos son alimentados 180 fuera de fase

Arreglo End-Fire

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Mxima Radiacin

/2 /4

/4

Lnea balan-ceada

Arreglo End-Fire


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Arreglo Yagi-Uda

End-fire, Parastica, unidireccional

Un elemento activo: dipolo o dipolo doblado

Un reflector detrs del elemento activo y ligeramente ms largo

Uno o ms directores en frente del elemento activo y ligeramente ms cortos

Hay variantes con dos elementos activos, acoplados.

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Reflector

Elemento Activo

Directores

Direccin de mxima propagacin

Yagi-uda

Antenas 45

Yagi-Udacon Dipolo doblado

Yagi-Udacon Dipolo simple

Antenas 46

Antenas 47 Antenas 48

Yagi-Uda para bandas de radio aficionados de 14, 21, 28 MHz


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Antenas 49

Antena tipo Panel Reflector

Antena montada a /4 de la superficie metlica plana (reflector)

La onda directa y reflejada estn en fase

Se incrementa la radiacin en esa direccin.

Antenas 50

Antena para

transmisin de

televisin

Antenas 51

Apilamiento de Yagis

Apilamiento en-fase Yagis con media longitud de onda de espaciamiento vertical

Reduce radiacin sobre y debajo del horizonte

Incrementa la ganancia en el plano de la a antena

Antenas 52

Antenas 53

Apilamiento de otras antenas

Antenas 54


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Antena sector parablico para recepcin

55 56

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Reflector de EsquinaCorner Reflector

Radiacin ms enfocada que en el caso del reflector plano.

A menudo usado en antenas de TV UHF

Antenas 58

AntenaMxima radiacin

Reflector (Vista de costado)

Reflector de esquina y sus imgenes

Imagen

Imagen

Antenas 59

Antena UHF-TV : Yagi con reflector de esquina

Antenas 60


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Reflector Parablico

Toda la radiacin emitida hacia el foco emerge en un haz paralelo al eje

Se obtiene un haz muy estrecho

Adecuado principalmente en frecuencias de microondas porque el dimetro de la parbola es muy grande comparada con su longitud de onda

Antenas 62

Antena parablica slida para microondas


Antenas 65

Antena Parablica para Recepcin Satelital de TV

(TVRO: Televisin Reception Only)

Antenas 66

Antena Parablica para Recepcin Satelital de TV en la casa

(DTH: Direct To Home)


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Otros tipos de antenas Apertura/Corneta (horn)

Las ondas son radiadas desde un hueco en la gua de onda

Es bueno para altas frecuencias (microondas)

Parche (Patch)

Pueden fabricarse tipo circuito impreso

Helicoidales

Radian con polarizacin circular

Broadband (de gran ancho de banda)

Diseos novedosos que lucen extraos


Antenas 71

Antenas para comunicaciones mviles

72

Antena fractal para telfono mvil


13

Antena fractal en circuito impreso

73VISTA POSTERIOR DE LA ANTENA

VISTA FRONTAL DE LA ANTENA

Antenas 74

Mediciones de antenas

Analizador de Redes (Network Analyzer)

Impedancia de Entrada

Parmetros S

Medidas de Transmisin

Rangos de la antenna

Patrn de Radiacin

Ganancia

Polarizacin ...


Herramientas de Simulacin

Software especficos (propietarios y de open source como el phytonxy)

Mediciones de campo

Usando instrumental adecuado como medidor de intensidad de campo, analizador de espectro, etc.

Analizador de espectro


Medidores de intensidad de campo

porttiles


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Antenas 79

Cmara Anecoica

Absorve las reflexionesen paredes, techo y piso

Antenas 80


Antenas 83

Muchas gracias por su atencin

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