Clase 1 Antenas

Antenas y Propagación (ET0845)

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FUNDAMENTOS DE RADIOCOMUNICACIÓN

La importancia de las radiocomunicaciones es transferir información de un lugar a otro, de otra

forma se puede decir que son la transmisión, recepción y el procesamiento de información entre dos o más lugares. Las fuentes de información pueden estar dadas en forma analógica (proporcional o continua como la voz humana, información sobre una imagen de video o música) o digital (etapas discretas tales como codificación binaria, códigos alfanuméricos, símbolos gráficos), pero sin embargo, estas formas de información se deben convertir a energía electromagnética antes de ser propagadas a través de un sistema de comunicación. Como Historia podemos contar que: La teoría de las comunicaciones comenzó a mediados del siglo XIX, con el físico ingles, JAMES CLERK MAXWELL, las investigaciones de Maxwell indicaron que la electricidad y la luz viajan en forma de ondas electromagnéticas, y por lo tanto están relacionadas una con la otra. Maxwell predijo que era posible propagar ondas electromagnéticas por el espacio libre utilizando descargas eléctricas, sin embargo la propagación de ondas fue lograda por científico Alemán HEINRICH HERTZ en 1888, cuando pudo radiar energía electromagnética desde una máquina que el llamaba oscilador. HERTZ desarrollo el primer transmisor de radio y usando estos aparatos pudo generar radiofrecuencias entre 31 MHZ y 1.25 GHz, el también desarrollo la primera antena rudimentaria, la cual aún se utiliza de forma modificada.

En 1892, el Frances BRANLY desarrollo el primer detector de radio y exactamente un año después un experimentador Ruso, POPOFF, grabo ondas de radio emanadas de relámpagos.

SAMUEL MORSE en 1837 creo el primer sistema de comunicación (el telégrafo), usando inducción electromagnética.

ALEJANDRO GRAHAM BELL y THOMAS A. WATSON en 1876 fueron los primeros en transferir en forma exitosa la conversación humana (el teléfono) usando cables metálicos como medio de transmisión.

GUGLIELMO MARCONI transmitió por primera vez señales de radio sin hilo a través de la atmósfera en 1894, cuando transmitió señales de radio a tres cuartos de milla atravesando la propiedad de su padre, en 1896 pudo transmitir a dos millas y en 1899 envío el primer mensaje inalámbrico por el canal de la mancha (de Francia a Inglaterra).

LEE DEFOREST invento el triodo (o válvula de vacío) en 1908, con lo que permitió contar con el primer método práctico para amplificar señales eléctricas.

La radio comercial comenzó en 1920, cuando las primeras estaciones de radio (WWJ de Detroit y KDKA de Pittsburg) comenzaron a emitir señales de amplitud modulada (AM).

EDWIN HOWARD ARMSTRONG en 1933 inventó la modulación de frecuencia (FM) y la emisión comercial en FM comenzó en 1936.

En 1948 fue inventado el Transistor en los laboratorios de Teléfonos BELL, por WILLIAM SHOCKLEY, WALTER BRATTAIN y JOHN BARDEEN. El transistor llevo al desarrollo y refinamiento del circuito integrado en la década de 1960.


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MODELO DE REFERENCIA DE RADIOCOMUNICACIONES

En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques simplificado de un sistema de

comunicación, en el cual se muestra la relación entre la información de la fuente de origen, el transmisor, el medio de transmisión (conducto), el receptor y la información recibida en destino. Como se muestra en figura 1 un sistema de comunicación consiste de tres secciones principalmente, un transmisor, un medio de transmisión y un receptor.

El transmisor convierte la información original de la fuente a una forma más adecuada para la

transmisión, el medio de transmisión proporciona un medio de conexión entre el transmisor y el receptor (tal como un conductor metálico, una fibra óptica o espacio libre) y el receptor convierte la información recibida a su forma original y la transfiere a su destino.

FIGURA 1 (Sistema de comunicación en una sola dirección).

La información original puede originarse una variedad de fuentes diferentes y ser de forma analógica o digital. El sistema de comunicación mostrado en la figura 1 es capaz de transmitir información solamente en una dirección (de la estación A a la estación B), mientra que el sistema de comunicación de la figura 2 es capaz de transmitir información en ambas direcciones (de la estación A la estación B y de la estación B a la estación A).

FIGURA 2 (Sistema de comunicación en ambas direcciones).


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MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN.

Comúnmente no es fácil propagar señales de información a través de cables metálicos, por

fibra óptica o a través de la atmosfera terrestre, para eso es necesario modular la información de la fuente, con una señal analógica de mayor frecuencia, llamada portadora. En esencia, la señal portadora transporta la información a través del sistema. La señal de información modula a la portadora cambiando su amplitud, su frecuencia o su fase. La modulación no es más que el proceso de cambiar a una o más propiedades de la portadora, en proporción de la señal de información, recíprocamente la demodulación es el proceso de convertir los cambios en la portadora a la información original de la fuente.

La modulación se realiza en el transmisor, en un circuito llamado modulador, y la

demodulación se realiza en el receptor, en un circuito llamado demodulador. Las modulaciones de señales analógicas se muestran en la figura 3a, 3b y 3c.

FIGURA 3a (Modulación señal analógica por Amplitud).

FIGURA 3b (Modulación señal analógica por Frecuencia).

FIGURA 3b (Modulación señal analógica por Fase).


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La ecuación 1 es la expresión general para una onda senoidal variante con el tiempo de

voltaje. Tal como una portadora analógica. Tres propiedades de una onda senoidal pueden ser variadas:

a. La amplitud (V). b. La frecuencia (f). c. La fase (Ɵ)

También la combinación de dos o más de estas propiedades. A continuación se muestra la siguiente ecuación:

( ) ( )θ+Π= ftVsentv 2 (1)

En donde:

( )tv = onda de voltaje que varía senoidalmente en el tiempo.

V = máxima amplitud (volts)

f = frecuencia (Hertz)

θ = fase (radianes)

Si la Amplitud de la de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la Amplitud Modulada (AM).

Si la frecuencia de la de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la

fuente, resulta la Frecuencia Modulada (FM). Si la Fase de la de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la fuente,

resulta la Fase Modulada (PM). Si la señal de información es digital, y la amplitud (V) de la portadora varia proporcionalmente

a la señal de información, se produce una señal modulada digitalmente llamada Modulación por Conmutación de Fase (ASK amplitude shift keying).

Si la frecuencia (f) varía en forma proporcional a la señal de la información, se produce la

Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK frequency amplitude shift keying).

Si la fase θ varía de manera proporcional a la señal de información, se produce la Modulación por Conmutación de Fase (PSK phase shift keying).

Si se varia al mismo tiempo la amplitud y la fase en proporción con la señal de información

resulta la Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM quadrature amplitude modulation).


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A continuación se muestra un resumen de las diversas técnicas de modulación.

AM FM PM ↓ ↓ ↓

v (t) = V sen (2Π f t + θ ) ↑ ↑ ↑

ASK FSK PSK

QAM Hay dos razones por la que la modulación es necesaria en las comunicaciones:

1. Es en extremo difícil irradiar señales de baja frecuencia en forma de energía electromagnética con una antena.

2. Ocasionalmente las señales de la información ocupan las mismas bandas de frecuencia y

si se transmiten al mismo tiempo las señales de dos o más fuentes, interferirían entre si (ej. Las estaciones de radio FM, emiten señales de voz y música, para evitar su interferencia mutua, cada estación convierte su información a una banda o canal de frecuencias distinto).

En la figura 4 se muestra un diagrama simplificado de bloques de un sistema de

comunicación, donde se ve la relación de entre la señal modulada, la portadora de alta frecuencia y la onda modulada.

FIGURA 4 (Diagrama de bloques de un sistema de comunicación).


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CAMPO MAGNETICO Y CAMPO ELECTRICO

Concepto de Campo Eléctrico (E).

La fuerza eléctrica ejercida por una carga sobre otra es un ejemplo de acción a distancia

semejante a la fuerza gravitatoria ejercida por una masa sobre otra. Para evitar el problema de la acción a distancia se introduce el concepto de campo eléctrico E. Una carga crea un campo eléctrico E en todo el espacio y este campo ejerce una fuerza sobre la otra carga. La fuerza es así ejercida por el campo en la posición de la segunda carga, más que por la propia carga que se encuentra a cierta distancia.

En la figura 5 se muestra la acción ejercida por una serie de cargas puntuales q1,q2 y q3

dispuestas arbitrariamente en el espacio. Si situamos una carga q0 en algún lugar punto próximo a este sistema de cargas, sobre ella se ejercerá una fuerza. La presencia de la carga q0 cambiara generalmente la distribución original de las restantes cargas, particularmente si las cargas están depositadas sobre conductores. La fuerza neta ejercida sobre q0 es la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercidas sobre q0 por cada una de las cargas del sistema.

Concepto de campo magnético (B) Se sabe que la fuente fundamental del magnetismo no es un polo magnético, sino una

corriente eléctrica. La interacción magnética básica es la fuerza magnética que existe entre dos cargas. Lo mismo que en el caso de fuerza eléctrica, se considera que la fuerza magnética se transmite por otro agente, el campo magnético. La carga móvil produce un campo magnético, y el campo, a su vez ejerce una fuerza sobre la otra carga móvil. Como una carga móvil constituye una corriente eléctrica, la interacción magnética puede considerarse como una interacción entre dos corrientes

FIGURA 5 (Acción ejercida por cargas puntuales)


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Cuando una carga q posee una velocidad v dentro de un campo magnético, aparece una

fuerza que depende de q y del a magnitud y dirección de la velocidad. Si sabemos la dirección del campo magnético B, podemos describir que (figura 6):

1. La fuerza es proporcional a la carga q. La fuerza que actúa sobre la una carga negativa

posee dirección opuesta a la de una carga positiva con igual velocidad.

2. La fuerza es proporcional al modulo de la velocidad v.

3. La fuerza es perpendicular a ambas, el campo magnético y la velocidad.

4. La fuerza es proporcional a sen Ɵ, en donde Ɵ es el ángulo formado entre la velocidad v y el campo magnético B.

FIGURA 6 (Dirección y sentido de la fuerza magnética sobre una partícula cargada con velocidad v

con diversas orientaciones en el interior de un campo magnético B). Modelo básico de generación de campo electromagnético.

Faraday describió que se generaban campos eléctricos a partir de campos magnéticos variantes en el tiempo, la cual se describe matemáticamente mediante la ley de Faraday.

Otro efecto complementario es la generación de campo magnético a partir de campos

eléctricos variantes en el tiempo, lo que se demuestra a partir de la corriente de desplazamiento introducida por Maxwell.

En general un fenómeno de ondas resulta siempre que coexistan dos formas de energía y la

variación con el tiempo de una provoca un cambio en la otra, que por lo cierto es la base de la generación y propagación de ondas electro-magnéticas, lo que se puede demostrar mediante las ecuaciones de Maxwell.


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Para demostrar esta ecuaciones conllevan a la propagación de ondas, es decir a la propagación de una perturbación electromagnética a través del espacio, hay una forma gráfica de hacerlo la cual se observa en la figura 7.

El proceso de generación de ondas es el siguiente: La corriente de conducción causa una circulación (o rotación) del campo magnético (líneas

discontinuas) alrededor del lazo de corriente, como muestra la figura 7a (por claridad se muestran pocas líneas de corrientes), este campo magnético variante crea, así vez, una circulación (o rotación) de campo eléctrico, como se muestra en la figura 7b. Este campo eléctrico variante crea a su vez otra circulación del campo magnético y así sucesivamente, tal como se muestra en la figura 7c. El resultado finales un crecimiento y expansión continuo del campo electromagnético en el espacio que rodea al lazo de corriente. La perturbación se mueve a la velocidad de luz.

FIGURA 7 (Propagación de ondas).

EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

El objetivo de un sistema de comunicación es transferir información entre dos o más lugares,

cuyo nombre común es estación. Esto se logra convirtiendo la información original a energía electromagnética, para transmitirla a continuación a una o más estaciones receptoras, donde se convierte a su forma original. La energía electromagnética se puede propagar en forma de corriente o voltaje, a través de un conductor o hilo metálico, o bien en formas de onda de radio emitidas hacia el espacio libre, o como ondas luminosas a través de una fibra óptica. La energía electromagnética se distribuye en un intervalo casi infinito de frecuencias.

La frecuencia no es más que la cantidad de veces que sucede un movimiento periódico, como

puede ser una onda senoidal de voltaje o de corriente, durante determinado periodo. Cada inversión completa de la onda se llama ciclo. La unidad de medida básica de la frecuencia es el Hertz (Hz), y un hertz es igual a un ciclo por segundo (ecuación 2)

1 Hz = 1cps (2)


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El espectro electromagnético se muestra en la figura 8.

FIGURA 8 (Espectro electromagnético de frecuencias).

Frecuencias de transmisión. Este espectro va desde las subsónicas (pocos hertz) hasta los rayos cósmicos (1022 Hz). El espectro de frecuencias se divide en subsecciones o bandas. Cada banda tiene un nombre y sus límites.

Por ejemplo, La banda de emisión en FM tiene asignada las frecuencias de 88MHz a 108 MHz. El espectro total útil de radiofrecuencia (RF) se divide en bandas de frecuencias más angostas, a las que se les da nombre y numero descriptivo, y algunas de ellas se subdividen a su vez. Las designaciones de bandas se muestran en la tabla 1. Estas designaciones se resumen como sigue:

• Frecuencia extremadamente bajas (ELF extremely low frequencies), son señales en el intervalo de 30 a 300 Hz, y comprenden las señales de distribución eléctrica (50 y 60 Hz) y las de telemetría de baja frecuencia.

• Frecuencia de voz (VF voice frequencies), son señales en el intervalo de 300 a 3000 Hz, e

incluyen a las que generalmente se asocian a la voz humana. Los canales telefónicos normales tienen el ancho de banda de 300 a 3000 Hz, y con frecuencia se llaman canales de frecuencia de voz, o canales de banda de voz.

• Frecuencias bajas (VLF very low frequencies), son señales dentro de los limites de 3 a 30

kHz, que correspondes al extremo superior del intervalo audible humano. Las VLF se usan en algunos sistemas especiales, del gobierno y militares, como por ejemplo las comunicaciones con submarinos.

• Frecuencias bajas (LF low frequencies), son señales del intervalo de 30 a 300 kHz, y se

usan principalmente en la navegación marina y aeronáutica.


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• Frecuencias intermedias (MF medium frequencies), son señales del intervalo de 300 kHz a 3MHz, y se usan principalmente para emisiones comerciales de radio AM (535 a 1605 kHz).

• Frecuencia altas (HF high frequencies), son señales del intervalo de 3 a 30MHz, con

frecuencia llamadas ondas cortas. La mayoría de las radiocomunicaciones en dos sentidos usa este intervalo. También los radios aficionados y la banda civil (CB) usan señales HF.

• Muy altas frecuencias (VHF very high frequencies), son señales de 30 a 300MHz, y se

usan en radios móviles, comunicaciones marinas y aeronáutica, emisiones comerciales de FM (88 a 108 MHz) y en la emisión de televisión, en los canales 2 a 13 (54 a 216 MHz).

• Frecuencias ultra altas (UHF ultra high frequencies), son señales entre los limites de 300

MHz a 3 GHz, y las usa la emisión comercial de televisión, en los canales 14 a 83, en los servicios móviles de comunicaciones terrestres, teléfonos celulares, algunos sistemas de radar y de navegación, y los sistemas de radio por microondas y por satélite. Hablando con generalidad se considera que las frecuencias mayores que 1 GHz son de microondas, y eso incluye al extremo superior del intervalo de UHF.

• Frecuencias súper altas (SHF super high frequencies), son señales de 3 a 30 GHz, donde

están la mayoría de las frecuencias que se usan en sistemas de radiocomunicaciones por microondas y satelitales.

• Frecuencias extremadamente altas (EHF extremely high frequencies), son señales entre

los 30 y 300 GHz, y casi no son usadas para radiocomunicaciones, a excepción de aplicaciones muy complicadas, costosas y especializadas.

• Infrarrojo, las frecuencias del infrarrojo son señales de 0,3 a 300 THz, y por lo general no

son consideradas como ondas de radio. Infrarrojo indica una radiación electromagnética que en lo general se asocia con el calor. Los infrarrojos se usan en sistema de guiado de proyectiles con blancos de proyectiles con blancos térmicos, o con fotografía electrónica y la astronomía.

• Luz visible, en la luz visible influyen las frecuencias electromagnéticas captadas por el ojo

humano (0,3 a 3 PHz). Las comunicaciones con ondas luminosas se usan en sistemas de fibra óptica, que en los últimos años han llegado a ser un medio principal de transmisiones en los sistemas de comunicaciones.

• Rayos Ultravioleta, rayos X, rayos gamma y rayos cósmicos, tienen poca aplicación en las

comunicaciones, pero tienen aplicaciones específicas.


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Numero

de Banda

Intervalo de frecuencias Designación

2 30 Hz – 300 Hz ELF (frecuencia extremadamente bajas) 3 0,3 kHz – 3 kHz VF (frecuencia de voz) 4 3 kHz – 30 kHz VLF (frecuencia muy bajas) 5 30 kHz – 300 kHz LF (bajas frecuencia) 6 0,3 MHz – 3 MHz MF (frecuencia intermedias) 7 3 MHz – 30 MHz HF (frecuencia altas) 8 30 MHz – 300 MHz VHF (frecuencia muy altas) 9 300 MHz – 3 GHz UHF (frecuencia ultra altas)

10 3 GHz – 30 GHz SHF (frecuencia super altas) 11 30 GHz – 300 GHz EHF (frecuencia extremadamente altas) 12 0,3 THz – 3 THz Luz infrarroja 13 3 THz – 30 THz Luz infrarroja 14 30 THz – 300 THz Luz infrarroja 15 0,3 PHz – 3 PHz Luz visible 16 3 PHz – 30 PHz Luz ultravioleta 17 30 PHz – 300 PHz Rayos X 18 0,3 EHz – 3 EHz Rayos gamma 19 3 EHz – 30 EHz Rayos cósmicos

100 hertz (Hz); 103 kilohertz (kHz); 106 megahertz (MHz); 109 gigahertz (GHz); 1012 terahertz (THz); 1015 pentahertz (PHz); 1018 exahertz (EHz)

TABLA 1 (Designaciones de bandas según CCIR).

LONGUITUD DE ONDA

Cuando se utilizan ondas de radio se acostumbran usar unidades de longitud de onda, y no de frecuencia. La longitud de onda es la distancia que ocupa en el espacio un ciclo de una onda electromagnética, es decir la distancia entre los puntos correspondientes en una onda repetitiva. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda, y directamente proporcional a su velocidad de propagación. Se supone que la velocidad de propagación de la energía en el espacio libre es 3x108 m/s. La relación entre frecuencia, velocidad y longitud de onda se expresa en forma matemática como sigue (ecuación 3):

Longitud de onda = Velocidad frecuencia

λ = c f

Donde:

λ = longitud de onda (metros por ciclo) c = velocidad de la luz (300.000.000 metros por segundo) f = frecuencia (Hertz)

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En la figura 9 se ve el espectro de longitudes de ondas electromagnéticas donde se indican

los diversos servicios con sus bandas.

FIGURA 9 (Espectro electromagnético de longitudes de onda).

Para calcular la longitud de onda en pulgadas se usa la siguiente ecuación

λ = c f

Donde:

λ = longitud de onda (pulgadas por ciclo). c = velocidad de la luz (11,8 x 109 pulgadas por segundo) f = frecuencia (Hertz)

INTRODUCCIÓN A LAS ANTENAS

Una antena es un sistema conductor metálico que es capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas. Otra definición, en las IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE std 145-1983) definen la antena como “un medio para radiar o recibir ondas de radio”. En otras palabras es la estructura de transición entre el espacio libre y un dispositivo de transmisión de ondas de guiadas.

Sus formas son muy variadas, y todas ellas tienen como común denominador ser una transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y el espacio libre, a la vez que distribuye la energía radiada en las distintas direcciones del espacio con un cierto carácter direccional, que dependerá de la aplicación concreta. Por ejemplo en radiodifusión o comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en radioenlaces fijos interesará que las antenas sean direccionales. Si se estudia la antena en recepción, toda antena es capaz de captar energía del espacio, absorberla y entregarla al receptor.

En definitiva, las dos misiones básicas de una antena son las de transmitir y recibir. Estas misiones imponen para cada aplicación una serie de condiciones particulares sobre:

• Su capacidad de radiar o recibir de unas determinadas direcciones (direccionalidad). • La frecuencia o banda de frecuencias de trabajo • Los niveles de potencia que debe soportar. • La eficiencia de la antena.

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Estas características, y en particular el carácter más o menos directivo de la antena y la banda de frecuencia de trabajo, van a imponer la existencia de una gran variedad de tipos de antenas; algunas de las cuales se estudiarán a lo largo de este curso. Las antenas son elementos radiadores o interceptores de energía electromagnética y, por radiación, se entiende aquí el proceso mediante el cual la energía generada en un circuito eléctrico es transferida a una antena y emitida por ésta en forma de ondas electromagnéticas hacia el espacio. El circuito generador suele ser la etapa de amplificación final de un transmisor y el medio de acoplamiento entre éste y la antena, una línea de transmisión o una guía de onda. La antena puede entonces considerarse como un dispositivo que permite la transición de una onda guiada en una línea de transmisión a una onda no guiada o radiada al espacio. La onda guiada por una línea de transmisión es, en general, plana, en tanto que la onda radiada tiene propiedades de onda esférica. Las antenas son elementos pasivos cuyas características pueden considerarse bidireccionales, es decir, que permiten también la transición de una onda no guiada que se propaga en el espacio, a una onda guiada en una línea de transmisión conectada a un receptor. Cuando la antena es utilizada para radiar ondas electromagnéticas al espacio, cumple el papel de antena emisora o transmisora y cuando se emplea para interceptar o capturar ondas que se propagan en el espacio y convertirlas en energía útil, aprovechable por un receptor, cumple la función de antena receptora. En ambos casos se trata de un proceso de transferencia de energía entre diversos puntos: de un transmisor al espacio, o de éste a un receptor. La transferencia de energía debe realizarse con la mayor eficiencia posible, de modo que debe buscarse el acoplamiento óptimo entre las impedancias de los diversos elementos del sistema. De no ser así, una parte importante de la energía recibida o transmitida serán reflejadas en la línea de transmisión dando lugar a ondas estacionarias que no contribuyen a la energía útil y que, además, son causa de distorsiones en la señal transportada por la onda electromagnética y de pérdidas por calentamiento en los diversos componentes del sistema línea-antena. De manera similar al caso de las líneas de transmisión, las antenas pueden considerarse como elementos de circuito con parámetros distribuidos, ya que sus dimensiones en general, son comparables a la longitud de onda de la energía de radiofrecuencia que manejan. Por esta razón, en el análisis de las antenas debe emplearse la Teoría del Campo Electromagnético y sólo, bajo condiciones singulares en un reducido número de situaciones, resulta válido aplicar la Teoría de Circuitos Eléctricos. En su forma más simple una antena puede estar constituida por un alambre conductor o por una combinación de éstos, que pueden ser alambres, varillas, tubos, placas, etc., de dimensiones adecuadas. La energía radiada por una antena cuando es alimentada por una corriente de alta frecuencia, depende de la geometría del conductor y de la magnitud de la corriente aplicada. Manteniendo constantes las dimensiones de la antena, las intensidades de campo eléctrico y magnético radiados son directamente proporcionales a la magnitud de la corriente aplicada a la antena. Para que una antena sea eficiente, es decir, para que radie la mayor parte de la energía que se le suministre, o que transmita al receptor la mayor parte de la energía que capture, sus dimensiones deben ser del orden de una longitud de onda. Lo habitual en la práctica las dimensiones de la


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antenas se sitúan entre alrededor de 1/8λ y alrededor de una λ. Si sus dimensiones son mucho menores su eficiencia se reduce considerablemente, pero esto en algunas aplicaciones como los controles de cierre y apertura de puertas de casas o vehículos o teclados y ratones de computadoras, no es de mucha importancia porque se manejan potencias muy pequeñas y las distancias entre los transmisores y receptores por lo general son muy pequeñas. En otras aplicaciones, como los sistemas de comunicaciones en las bandas de ondas kilométricas (30-300 KHz) y miriamétricas (3 a 30 KHz), también se utilizan antenas mucho menores de una longitud de onda. En estos sistemas, la baja eficiencia de la antena se compensa con la muy alta potencia de los transmisores, superior por lo general a 100 Kw. Antenas elementales

Los tipos de antenas más comunes se dividen según el modo de radiación en los siguientes bloques:

• Elementos de corriente: típicamente son hilos conductores que soportan una onda estacionaria de corriente.

• Antenas de onda progresiva: se suelen construir con hilos conductores eléctricamente largos terminados en cargas adaptadas o con guías dieléctricas.

• Arrays o agrupaciones de antenas: son un conjunto de antenas iguales donde se controla la amplitud y fase de la alimentación de cada elemento para conseguir unas propiedades de radiación u otras.

• Aperturas: la radiación se produce en función de los campos de la onda que atraviesa dicha apertura. Ejemplos de antenas de este tipo son el extremo de una guía de onda en circuito abierto, guías abocinadas (bocina) y estructuras más complejas como reflectores o lentes.

En la figura 10 se presentan los distintos tipos de elemento que se utilizan en cada banda de frecuencia y el tamaño eléctrico de dichas antenas.

FIGURA 10 (Tipos de antenas según la banda de frecuencia y el tamaño eléctrico de las mismas).


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La distribución de corriente de una antena es la función que define la forma que toma la corriente (amplitud y fase) sobre su estructura. Viene fijada por las condiciones de contorno anteriores y es, por lo tanto, una propiedad de la geometría de la estructura y del punto de excitación por la correspondiente línea de transmisión. Su obtención exacta es uno de los problemas electromagnéticos más complejos, si bien hoy en día se utilizan métodos numéricos que permiten obtener buenas aproximaciones de las mismas. En la figura 11 se puede ver la distribución de corriente aproximada de una antena de tipo dipolo, derivada de la distribución de corriente de onda estacionaria de la línea bifilar de partida en circuito abierto.

FIGURA 11 (distribución de corriente aproximada de una antena de tipo dipolo).

Las antenas presentan tres regiones de radiación, las cuales son (figura 12):

• Región de campo próximo reactivo: región próxima a la antena donde predomina el campo reactivo.

• Región de campo próximo radiante (Zona de Fresnel): región intermedia entre la de campo

reactivo y la de campo lejano. Predominan los campos de radiación, pero su distribución angular es función de la distancia a la antena.

• Región de Campo Lejano o Zona de Fraunhofer: es la más importante porque es donde se

va a situar normalmente la antena receptora. Se caracteriza porque la distribución angular del campo radiado es independiente de la distancia r a la antena.


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FIGURA 12 (regiones de campo de una antena).

Antenas de referencia isotrópica y dipolar Se define como antena isotrópica (también como radiador isotrópica, fuente isotrópica o elemento isotrópico) a un punto emisor de ondas electromagnéticas que radia uniformemente en todas direcciones, de manera que la energía se distribuye uniformemente en forma esférica en el espacio. Esta es una antena ideal que no existe en la práctica, pero cuyo concepto es de gran utilidad para analizar el comportamiento de antenas reales, cuyas características suelen expresarse en relación a la antena isotrópica como antena patrón. En la práctica además de utilizar la antena isotrópica al dipolo de media onda. No hay que olvidar que la antena isotropita es, en realidad un concepto y no una antena real, en tanto que un dipolo es una antena real, muy fácil de construir y la más utilizada sobre todo para mediciones. Al consultar las especificaciones de antenas reales es indispensable saber en referencia a que antena están dadas, si a un dipolo de λ /2 o a una antena isotrópica. Cuando se habla de una antena dipolar, se dice existen dos polos y dividen la onda en ½ onda para cada polo, en cambio para una antena isotrópica en vez de usar una señal de ½ onda, se usa una señal de referencia de ¼ de onda. Unidades dB, dBi, dBd, dBk. dB: Se define al decibel (dB) como “la unidad utilizada para expresar la magnitud de una modificación en un nivel sonoro o señal física, eléctrica o electromagnética”, se usa para expresar una relación entre dos magnitudes, la magnitud a estudiar y la de referencia. El decibel es una unidad logarítmica, adimensional y matemáticamente escalar.

El decibel es la unidad más utilizada en el campo de las telecomunicaciones por la simplificación que su naturaleza logarítmica posibilita a la hora de efectuar cálculos con valores de potencia de la señal muy pequeños. Como relación de potencias que es, la cifra en decibel no indica nunca el valor absoluto de las dos potencias comparadas, sino la relación entre ellas. A diferencia de lo que ocurre en el sonido, donde siempre se refiere al mismo nivel de referencia, en telecomunicación, el nivel de referencia es cambiante. Esto permite, por ejemplo, expresar en decibel la ganancia de un


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amplificador o la pérdida de un atenuador sin necesidad de referirse a la potencia de entrada que, en cada momento, se les esté aplicando. La ganancia de un dispositivo, expresada en decibelios viene dada por la fórmula:

en donde PE es la potencia de la señal en la entrada (o de referncia) del dispositivo, y PS la potencia a la salida del mismo. Si hay ganancia de señal (amplificación) la cifra en decibelios será positiva, mientras que si hay pérdida (atenuación) será negativa.

• dBi: Decibeles medidos con respecto a una antena isotrópica.

• dBd: Decibeles medidos con respecto a una antena dipolo. Está 2,15 dB por debajo del

radiador isotrópico.

• dBk: Decibeles medidos con respecto a una señal de 1kw (1 kilo watts). INTRODUCCIÓN A LA RADIACIÓN La radiación puede definirse como energía en tránsito de un lugar a otro. También llamamos radiación a toda energía que se propaga en forma de onda a través del espacio. Las radiaciones también pueden definirse como la propagación a través del espacio de energía ondulatoria o partículas. De modo que podemos decir que la radiación es la emisión y propagación de energía, a través del vacío o de un medio material, en forma de onda electromagnética o bien en forma de partícula. Diagramas o Patrones de Radiación El patrón de radiación de una antena es la representación gráfica de la ganancia directiva en cada ángulo o representación gráfica de la magnitud relativa de los campos magnético y eléctrico en el espacio. Se pueden representar en 2 dimensiones, mostrando los patrones para el plano E ( x,z ) y el plano H ( x,y ) es decir, el vertical o el horizontal, o bien se puede representar todo el espacio con una gráfica en 3 dimensiones. A continuación mostramos una serie de ejemplos de patrón de radiación con las dos formas de representación

Figura 13 (Diagrama de radiación de una antena isotrópica).


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Figura 14 (Diagrama de radiación de un dipolo).

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son los siguientes:

• Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia. • Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación. Está

comprendido entre dos mínimos relativos. • Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal. • Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de

un haz toma el valor de la mitad del máximo. • Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor

máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario. • Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el

de la misma dirección y sentido opuesto. Los patrones o diagramas de radiación describen la intensidad relativa del campo radiado en varias direcciones desde la antena a una distancia constante. El patrón de radiación es también de recepción, porque describe las propiedades de recepción de la antena. El patrón de radiación es tridimensional, pero generalmente las mediciones de los mismos son una porción bi-dimensional del patrón, en el plano horizontal o vertical. Estas mediciones son presentadas en coordenadas rectangulares o en coordenadas polares. La siguiente figura muestra el diagrama de radiación en coordenadas rectangulares de una antena Yagi de diez elementos. El detalle es bueno pero se hace difícil visualizar el comportamiento de la antena en diferentes direcciones.

Figura 15 (Diagrama de radiación de una antena Yagi en coordenadas rectangulares).


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En los sistemas de coordenadas polares, los puntos se obtienen por una proyección a lo largo de un eje que rota (radio) en la intersección con uno de varios círculos concéntricos. El siguiente es un diagrama de radiación en coordenadas polares de la misma antena Yagi de diez elementos. Los sistemas de coordenadas polares pueden dividirse en dos clases: lineales y logarítmicos. En el sistema de coordenadas polares lineal, los círculos concéntricos están uniformemente espaciados y graduados. La retícula resultante puede ser utilizada para preparar un diagrama lineal de la potencia contenida en la señal. Para facilitar la comparación, los círculos concéntricos equiespaciados pueden reemplazarse por círculos ubicados adecuadamente, representando la respuesta en decibeles, con 0 dB correspondiendo al círculo más externo. En este tipo de gráficas los lóbulos menores se suprimen. Los lóbulos con picos menores de 15 dB debajo del lóbulo principal desaparecen por su pequeño tamaño. Esta retícula mejora la presentación de las características de antenas con alta directividad y lóbulos menores pequeños. En un sistema de coordenadas lineales, se puede trazar el voltaje de la señal en lugar de la potencia, En este caso también, se enfatiza la directividad y desenfatizan los lóbulos menores, pero no en el mismo grado que en la retícula lineal de potencia.

Figura 16 (Diagrama polar lineal de la misma antena Yagi).

En el sistema de coordenadas polares logarítmico, las líneas concéntricas de la retícula son espaciadas periódicamente de acuerdo con el logaritmo de voltaje de la señal. Se pueden usar diferentes valores para la constante logarítmica de periodicidad, y esta elección va a tener un efecto en la apariencia de los diagramas trazados. Generalmente se utiliza la referencia 0 dB para el extremo externo de la gráfica. Con este tipo de retícula, los lóbulos que están 30 o 40 dB por debajo del lóbulo principal aún pueden distinguirse. El espacio entre los puntos a 0 dB y a -3 dB es mayor que el espacio entre -20 dB y -23 dB, el cual es mayor que el espacio entre -50 dB y -53 dB. Por lo tanto el espacio corresponde a la significancia relativa de dichos cambios en el desempeño de la antena. Una escala logarítmica modificada enfatiza la forma del haz mayor mientras comprime los lóbulos laterales de muy bajo nivel (<30 dB) hacia el centro del patrón.


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Hay dos tipos de diagramas de radiación: los absolutos y los relativos. Los diagramas de radiación absolutos se presentan en unidades absolutas de potencia o intensidad de campo. Los diagramas de radiación relativos se referencian a unidades relativas de potencia o intensidad de campo. La mayoría de las mediciones de los diagramas de radiación son relativas a la antena isotrópica, y el método de transferencia de ganancia es utilizado para establecer la ganancia absoluta de la antena.

Figura 17 (Trazado polar logarítmico).

El patrón de radiación en la región cercana a la antena no es el mismo que el patrón a largas distancias. El término campo cercano se refiere al patrón del campo que existe cerca de la antena, mientras que el término campo lejano refiere a los diagramas del campo a largas distancias. El campo alejado también es denominado campo de radiación, y generalmente es el que más interesa. Normalmente el punto de interés es la potencia radiada, y por lo tanto los diagramas de la antena son medidos en la región del campo alejado. Para las medidas necesarias para confeccionar los diagramas es importante elegir una distancia suficientemente grande para estar en el campo lejano, más allá del campo cercano. La distancia mínima depende de las dimensiones de la antena con relación a la longitud de onda. La fórmula aceptada para esta distancia es:

donde rmin es la distancia mínima desde la antena, d es la dimensión más grande de la antena, y ! es la longitud de onda.


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La intensidad de radiación La intensidad de radiación se define como la potencia radiada por unidad de ángulo sólido y su Unidad es el watt/estereorradián; esta intensidad es útil a la hora de calcular la directividad de la antena. Podemos obtener esta intensidad como el producto de la distancia al cuadrado y del módulo del vector de Poynting o densidad de potencia. La intensidad radiada es dependiente del ángulo, por ello es que permite el cálculo de la directividad y su respectivo diagrama polar. Para el cálculo de la directividad también es interesante conocer la intensidad de radiación isotrópica por lo que mostramos el cálculo concreto de una antena isotrópica. Polarización La polarización se define como la orientación del campo eléctrico de una onda electromagnética. En general la polarización se describe por una elipse. Dos casos especiales de la polarización elíptica son la polarización lineal y la polarización circular. La polarización inicial de una onda de radio es determinada por la antena. Con la polarización lineal, el vector del campo eléctrico se mantiene en el mismo plano todo el tiempo. El campo eléctrico puede dejar la antena en una orientación vertical, horizontal, o en algún ángulo entre los dos. La radiación polarizada verticalmente se ve ligeramente menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen una polarización vertical. Con la polarización horizontal, tales reflexiones causan variaciones en la intensidad de la señal recibida. Las antenas horizontales tienen menos probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre, normalmente polarizadas verticalmente.

Figura 18 (La onda senoidal eléctrica se mueve perpendicular a la onda magnética en la dirección de

la propagación). .

En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con un movimiento circular en la dirección de la propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. La elección de la polarización es una de las elecciones de diseño disponibles para el diseñador del sistema de RF. En polarización elíptica el vector de campo eléctrico describe una trayectoria elíptica. Al igual que antes, se puede distinguir entre polarización elíptica a derechas o a izquierdas.


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Resistencia de radiación Normalmente se usa una antena a 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, si no que hablaremos de la resistencia de entrada a la antena Re. Lógicamente esta resistencia también dependerá de la frecuencia. Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias, la resistencia de radiación (Rr) y la resistencia de pérdidas (RL). Entonces 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. Como nos 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. Dicho de otra forma la resistencia de radiación es la resistencia que, si reemplazamos la antena, disiparía exactamente la misma cantidad de potencia de la que irradia la antena. Impedancia de entrada Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. La impedancia es un numero complejo. La parte real de la impedancia se denomina la resistencia de la antena y la parte imaginaria es la reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada. Para una transferencia de energía eficiente, la impedancia del radio, la antena, y el cable de transmisión que las conecta debe ser la misma. Las antenas y sus líneas de transmisión generalmente están diseñadas para una impedancia de 50". Si la antena tiene una impedancia diferente a 50", hay una desadaptación, y se necesita un circuito de acoplamiento de impedancia. Cuando alguno de estos componentes no tiene la misma impedancia, la eficiencia de transmisión se ve afectada. Ancho de banda El ancho de banda de una antena se refiere al rango de frecuencias en el cual puede operar de forma correcta. Este ancho de banda es el número de hercios (Hz) para los cuales la antena va a tener una Razón de Onda Estacionaria (SWR) menor que 2:1. El ancho de banda también puede ser descrito en términos de porcentaje de la frecuencia central de la banda.

...donde FH es la frecuencia más alta en la banda, FL es la frecuencia más baja, y FC es la frecuencia central. De esta forma, el ancho de banda porcentual es constante respecto a la


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frecuencia. Si fuera expresado en unidades absolutas, variaría dependiendo de la frecuencia central. Los diferentes tipos de antenas tienen variadas limitaciones de ancho de banda. Directividad y Ganancia La Directividad es la habilidad de una antena de transmitir enfocando la energía en una dirección particular, o de recibirla de una dirección particular. Si un enlace inalámbrico utiliza locaciones fijas para ambos extremos, es posible utilizar la directividad de la antena para concentrar la transmisión de la radiación en la dirección deseada. En una aplicación móvil donde la antena no está fijada a un punto, es imposible predecir dónde va a estar, y por lo tanto la antena debería radiar en todas las direcciones del plano horizontal. En estas aplicaciones se utiliza una antena omnidireccional. La ganancia no es una cantidad que pueda ser definida en términos de una cantidad física como vatios u ohmios, es un cociente sin dimensión. La ganancia se expresa en referencia a una antena estándar. Las dos referencias más comunes son la antena isotrópica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda. La antena isotrópica irradia en todas direcciones con la misma intensidad. En la realidad esta antena no existe, pero provee un patrón teórico útil y sencillo con el que comparar las antenas reales. Cualquier antena real va a irradiar más energía en algunas direcciones que en otras. Puesto que las antenas no crean energía, la potencia total irradiada es la misma que una antena isotrópica. Toda energía adicional radiada en las direcciones favorecidas es compensada por menos energía radiada en las otras direcciones. La ganancia de una antena en una dirección dada es la cantidad de energía radiada en esa dirección comparada con la energía que podría radiar una antena isotrópica en la misma dirección alimentada con la misma potencia. Generalmente estamos interesados en la ganancia máxima, que es aquella en la dirección hacia la cual la antena está radiando la mayor potencia. Una ganancia de antena de 3dB comparada con una isotrópica debería ser escrita como 3dBi. El dipolo resonante de media longitud de onda puede ser un estándar útil a la hora de compararlo con otras antenas a una frecuencia, o sobre una banda estrecha de frecuencias. Para comparar el dipolo con una antena sobre un rango de frecuencias se requiere de un número de dipolos de diferentes longitudes. La ganancia de una antena comparada con un dipolo debería ser escrita como 3dBd. El método para medir la ganancia mediante la comparación de la antena bajo prueba con una antena estándar conocida, de ganancia calibrada, es conocido como técnica de transferencia de ganancia. Otro método para medir la ganancia es el de las tres antenas, donde la potencia transmitida y recibida en las terminales de las antenas es medida entre tres antenas elegidas arbitrariamente a una distancia fija conocida. Área y longitud efectiva. 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.

ref

i

WA

P=


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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.

aef

i

Vl

E=

Coeficiente de reflexión El coeficiente de reflexión es utilizado en física y en ingeniería eléctrica cuando se consideran medios con discontinuidades en propagación de ondas. Un coeficiente de reflexión describe la amplitud (o la intensidad) de una onda reflejada respecto a la onda incidente. El coeficiente de reflexión está estrechamente relacionado con el coeficiente de transmisión. Una parte de la onda se transfiere y otra se refleja cuando pasa de un medio a otro. El coeficiente de reflexión determina la relación entre las ondas incidente y reflejada. Relación de ondas estacionarias: ROE Cuando una línea de trasmisión lleva potencia a una carga que no la disipa completamente decimos que la línea tiene una componente reactiva, que tiene entre sus características devolver potencia hacia la fuente emisora (equipo de radio). Esta potencia devuelta se llama componente reflejada que fluye en sentido contrario a la componente directa (la que va del trasmisor de radio a la antena) y como hay dos ondas que fluyen en sentido contrario éstas se suman vectorialmente para producir ondas estacionarias en la línea de trasmisión. La relación entre los valores máximos y mínimos de tensión de R.F.en la línea se denomina R.O.E (relación ondas estacionarias) y resulta una medida de relación de desajuste de la impedancia entre la línea y la carga o viceversa ( en inglés se denomina S.W.R)

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