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ANTENAS

Una antena es un dispositivo diseado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnticas y una receptora realiza la funcin inversa, todo esto se hace para enviar y recibir algn tipo de informacin que se encuentra "consignada" en dichas ondas.Una onda electromagntica es la forma de propagacin de la radiacin electromagntica a travs del espacio, y los aspectos tericos de estas estan relacionados con la solucin en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecnicas, las ondas electromagnticas no tienen la necesidad de un medio material para propagarse, y aqui entra la definicin anterior de lo que es una antena.Las caractersticas de las antenas dependen principalmente de sus dimensiones estructurales y la longitud de onda de la seal de radiofrecuencia que se transmite o recibe. Si las dimensiones de una antena son son considerablemente mucho ms pequeas que la longitud de onda que manejan estas antenas se denominan elementales, si manejan dimensiones de median longitud de onda se les llama resonantes, y si su tamao es mayor que su longitud de onda se denominan directivas.

Antena Elemental

Antena de helice resonante

Antena directiva Yagi

Parmetros de una Antena

Las antenas se caracterizan por una amplia gama de parmetros, reseando los mas habituales y distintivos:

Diagrama de Radiacin Patrn de Radiacin:

Es la representacin grfica de las caractersticas de radiacin de una antena, en funcin de la direccin (coordenadas en azimut y elevacin). Lo ms habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque tambin se pueden encontrar diagramas de polarizacin o de fase. Atendiendo al diagrama de radiacin, podemos hacer una clasificacin general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrpica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional, etc) Dentro de los diagramas de radiacin podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiacin de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiacin con polaridad contraria.

Diagrama de Radiacin

Los parmetros ms importantes del diagrama de radiacin son:

Direccin de apuntamiento: Es la de mxima radiacin. Directividad y Ganancia.

Lbulo principal: Es el margen angular en torno a la direccin de mxima radiacin.

Lbulos secundarios: Son el resto de mximos relativos, de valor inferior al principal.

Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiacin de un haz toma el valor de la mitad del mximo. Es decir, la direccin en la que la - potencia radiada es 3 dB menos.

Relacin de lbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor mximo del lbulo principal y el valor mximo del lbulo secundario.

Ancho de banda:

Es el margen de frecuencias en el cual los parmetros de la antena cumplen unas determinadas caractersticas. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarizacin, de ganancia o de otros parmetros.

Directividad:

La Directividad (D) de una antena se define como la relacin entre la intensidad de radiacin de una antena en la direccin del mximo y la intensidad de radiacin de una antena isotrpica que radia con la misma potencia total.

D = U(max) / U(iso)

La unidad de Directividad (D) son los decibeles (dB).

Ganancia:

Se define como la ganancia de potencia en la direccin de mxima radiacin. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiacin.

G = 10log[4pi * U(max) / P(in)]

La unidad de Ganacia (G) de una antena es el dB al ser una unidad de potencia.

Eficiencia:

Relacin entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. Tambin se puede definir como la relacin entre ganancia y directividad. e = P(r) / P(in) = G / DEl parmetro e (eficiencia) es adimensional.

Anchura de haz:

Es un parmetro de radiacin, ligado al diagrama de radiacin. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia mxima (en la direccin principal de radiacin). Tambin se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiacin, entre los dos ceros adyacentes al mximo.

Relacin Delante/Atrs:

Este parmetro se define como la relacin existente entre la mxima potencia radiada en una direccin geomtrica y la potencia radiada en la direccin opuesta a esta.Cuando esta relacin es reflejada en una grfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la mxima radiaccin y el nivel de radiaccin a 180 grados. Este parmetro es especialmente til cuando la interferencia hacia atrs es crtica en la eleccin de la antena que vamos a utilizar.Esta relacin, adems lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las seales provinientes de la parte trasera. Rara vez es verdaderamente importante, ya que la interferencias por la parte trasera no ocurren habitualmente, pero puede suceder.La relacin F / B no es un nmero muy til, ya que a menudo vara enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrn de radiacin, entonces no se necesita la relacin F/B.

Impedancia de entrada:

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relacin entre la tensin y la corriente de entrada. La impedancia es un nmero complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiacin y la resistencia de prdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.

Impedancia

Polarizacin:

Las antenas crean campos electromagnticos radiados. Se define la polarizacin electromagntica en una determinada direccin, como la figura geomtrica que traza el extremo del vector campo elctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarizacin puede ser lineal, circular y elptica. La polarizacin lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45, -45). Las polarizaciones circular o elptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrgiras o levgiras), segn el sentido de giro del campo (observado alejndose desde la antena).Se llama diagrama copolar al diagrama de radiacin con la polarizacin deseada y diagrama contrapolar al diagrama de radiacin con la polarizacin contraria.

Clasificacin bsica de las antenas

Existen tres tipos bsicos de antenas: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas:

Antenas de hilo:Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una seccin despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como mximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:

El monopolo vertical.

El dipolo y su evolucin, la antena Yagi.

La antena espira

La antena helicoidal es un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Un conductor describe una hlice, consiguiendo as una polarizacin circular.

Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes elctricas de los conductores.

La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagntico de forma que concentran la emisin y recepcin de su sistema radiante en una direccin. La ms conocida y utilizada es la antena parablica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satlite. La ganancia de dichas antenas est relacionada con la superficie de la parbola, a mayor tamao mayor colimacin del haz tendremos y por lo tanto mayor directividad. El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar de forma directa a la parbola o en forma indirecta mediante un subreflector. El alimentador est generalmente ubicado en el foco de la parbola. El alimentador, en s mismo, tambin es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura ms amplia (cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satlite en rbita geoestacionaria). Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, Do, con la siguiente expresin, donde S es el rea y lambda es la longitud de onda:

Clculo de la directividad

Son diversos los tipos de antenas de antenas de apertura, como por ejemplo las antenas parablicas, las de bocina, la antena parablica de los radares Doppler y las antenas reflectoras.

Reflectores parablicos

Antenas de Array:

Las antenas de array estn formadas por un conjunto de dos o mas antenas idnticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una nica antena con un diagrama de radiacin propio.

La caracterstica principal de los arrays de antenas es que su diagrama de radiacin es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase de la seal que alimenta a cada uno de los elementos del array.

Atendiendo a la distribucin de las antenas que componen un array podemos hacer la siguiente clasificacin:

Arrays lineales: Los elementos estn dispuestos sobre una linea.

Arrays Planos: Los elementos estn dispuestos bidimensionalmente sobre un plano.