Tiposmascomunes de antenas
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TIPOS MÁS COMUNES DE ANTENAS 1 www.coimbraweb.com Objetivo 1.- Tipos más comunes de antenas. Edison Coimbra G. ANTENAS Y PROPAGACIÓN DE ONDAS Tema 5 de: Última modificación: 28 de marzo de 2011 Describir los tipos más comunes de antenas, clasificados según su longitud eléctrica, el ancho de banda de frecuencias en el que operan y su inteligencia. Contenido 2.- Antenas pequeñas y antenas resonantes. 3.- Antenas de banda ancha. 4.- Grandes antenas. Reflectores. 5.- Agrupaciones de antenas. 6.- Sistemas de antenas inteligentes.
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TIPOS MÁS COMUNES
DE ANTENAS
1www.coimbraweb.com
Objetivo
1.- Tipos más comunes de antenas.
Edison Coimbra G.
ANTENAS Y PROPAGACIÓN DE ONDAS
Tema 5 de:Última modificación:
28 de marzo de 2011
Describir los tipos más comunes de antenas, clasificados
según su longitud eléctrica, el ancho de banda de
frecuencias en el que operan y su inteligencia.
Contenido
2.- Antenas pequeñas y antenas resonantes.
3.- Antenas de banda ancha.
4.- Grandes antenas. Reflectores.
5.- Agrupaciones de antenas.
6.- Sistemas de antenas inteligentes.
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1.- Tipos más comunes de antenas
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Todos lo tipos más comunes de antenas que emplea la industria de comunicaciones se basan
en un dipolo básico y la mayor parte de ellos son alguna forma modificada de un dipolo de
media longitud de onda.
¿Cuáles son?
1
¿Cómo se pueden clasificar?
El dipolo de media onda
es la antena básica
Antenas pequeñas y antenas resonantes.
Antenas de banda ancha e independientes de
la frecuencia.
3 Grandes antenas. Reflectores.
4 Agrupaciones de antenas.
2
Una de las muchas formas de clasificarlas podría ser desde el
punto de vista de su longitud eléctrica, el ancho de banda
de frecuencias en el que operan y su inteligencia.
5 Sistemas de antenas inteligentes.
3Son de longitudes menores que /2.www.coimbraweb.com
2.- Antenas pequeñas y antenas resonantes.
¿Qué son las antenas pequeñas?
Antena de bobina
Son antenas de dimensiones mucho menores que /2. Forman un conjunto útil en frecuencias
bajas. Las más comunes son el dipolo corto, el monopolo corto y las antenas de bobina.
La antena de paraguas está
formada por un monopolo
corto sobre un plano de
tierra, terminado en una
capacitancia que forman un
entramado de hilos.
Antena pequeña de bobina. Utilizada en
receptores de reducido tamaño, para onda media.
En las bandas de VLF a HF (10 kHz hasta 30 MHz), la construcción
de antenas resulta difícil por sus grandes dimensiones físicas. Monopolo corto
4En resonancia su impedancia es resistiva.www.coimbraweb.com
Antenas resonantes.
¿Qué son las antenas resonantes?
Dipolo de media onda
Son antenas que tienen dimensiones del orden de /2 . Entre ellas, las de hilo o lineales con
diferentes estructuras que se usan en todas las bandas de frecuencia. Las más usadas son los
dipolos, monopolos, anillos, hélices resonantes y combinaciones de todas ellas.
El dipolo resonante de /2 es el más utilizado. La alimentación se realiza con un cable coaxial o
con una línea bifilar.
El diagrama de radiación del dipolo es poco directivo y, en consecuencia, la ganancia llega a los
2,15 dBi. La banda de trabajo está limitada a la frecuencia de resonancia.
5El chasis del auto actúa como una tierra eléctrica.www.coimbraweb.com
Antenas resonantes.
Variante del dipolo
Antena monopolo
Las características de polarización vertical y
omnidireccional de un dipolo, se logran con un
radiador vertical de /4. Este monopolo se
denomina Marconi o antena con plano de tierra.
Se alimenta con coaxial; el conductor central
conectado al radiador y el blindaje a tierra.
La tierra actúa como un “espejo” eléctrico al
proporcionar el otro /4 de longitud de la
antena, haciéndola equivalente a un dipolo
vertical.
El plano de tierra puede ser una lámina
conductora o 4 ó más varillas metálicas radiando
hacia fuera de la base de la antena y con una
longitud similar a la de la antena.
Las antenas móviles por lo común son antenas con plano de tierra, con el automóvil actuando por
sí mismo como el plano de tierra. La cubierta metálica del auto debe ser lo bastante grande para
que el radio del área que representa sea R /4 en la frecuencia más baja de operación.
6La espira es la contraparte magnética del dipolo.www.coimbraweb.com
Antenas resonantes.
Contraparte magnético del dipolo
Antena en anillo o espira
El anillo o espira se considera como la contraparte magnética del dipolo.
La espira y el dipolo tienen idénticos diagramas de campo pero con E y H
intercambiados. Ambas antenas tienen la misma ganancia de 2.15 dBi.
La antena de hélice o
helicoidales produce ondas
con polarización circular y
recibe ondas con cualquier
tipo de polarización.
Antena de hélice
La ganancia de la antena de
hélice es proporcional al
número de vueltas y puede
ser varios dB mayor que la
de un dipolo. Suele utilizarse
con las transmisiones por
satélite de VHF (30 a 300
MHz).
7La Yagi es una antena directiva.www.coimbraweb.com
Antenas resonantes.
Dipolo doblado y elementos parásitos.
Antena
Yagi
Una antena muy popular es el dipolo doblado, que se utiliza
en antenas de TV en VHF y UHF (30 MHz hasta 3 GHz), ya
sea solo o en combinación con elementos parásitos formando
la antena Yagi.
La antena Yagi se construye con un elemento
excitado, un reflector y varios directores.
Mediante este arreglo se consigue que la
impedancia de 75 del dipolo, aumente hasta
unos 300 .
La Yagi es una antena
directiva, con un solo
lóbulo principal y
varios menores.
Para una ganancia de 10 dBi, se necesitan 6
directores, pero con más directores se logran
ganancias de hasta 16 dBi.
Además de su ganancia y ancho de haz, la Yagi se caracteriza por su relación frente-atrás, que
típicamente alcanza los 15 dB.
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Antenas resonantes.
Complemento del dipolo
Antena de
ranura
Las antenas de ranura están asociadas a las líneas
de transmisión cerradas como las guías de onda.
Una de las antenas más utilizadas en
sistemas de radar de microondas es
la guía de onda ranurada.
Si el dipolo se corta de una hoja de metal, deja una ranura. El
dipolo y la ranura son complementarios; tienen idénticos diagramas
de campo pero con E y H intercambiados.
Se sitúan de forma que corten las líneas de
corriente del modo dominante, generando
un campo en la ranura y radiando parte de
la potencia que se propaga en la guía.
No es frecuente ver antenas de ranura
individuales. Normalmente se utilizan para
formar agrupaciones de antenas sobre una
guía de ondas.
La ranura está asociada
a la guía de onda.
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Antenas resonantes.
Antenas impresas
Antena
de
parche
Antena de parche
o patch antenna.
Con la aparición de las estructuras impresas como líneas de
transmisión en microondas (microstrip), aparece también la
antena impresa tipo parche.
Consta de un parche metálico impreso sobre un
sustrato dieléctrico. Sus dimensiones, del orden
de , se eligen de tal forma que la estructura
disipe la potencia en forma de radiación.
Los circuitos impresos de microondas las usan como una
extensión natural de ellos, integradas con parte del circuito
pasivo (filtros) o activo (amplificador ) en los mismos
sustratos.
Se las encuentra
en sistemas de
radar, GPS,
sistemas móviles y
sistemas de
microondas.
Mé
todos d
e
alim
en
tació
n
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Antena de onda progresiva
2.- Antenas de banda ancha
Son independientes de la frecuencia
Las antenas resonantes tienen una banda limitada alrededor de la frecuencia de resonancia.
Para mayores anchos de banda y para alcanzar un comportamiento más uniforme con la
frecuencia, evitando efectos resonantes, se diseñan antenas de banda ancha, entre ellas:
La antena en V es la clásica
Se basan en generar una onda progresiva
sobre una estructura radiante.
La forma más clásica de este tipo de antena la
constituye la antena en V y su extensión en la
antena rómbica. En ella se excita una onda
progresiva sobre los hilos situados
horizontalmente a un /4 de Tierra.
La onda pierde parte de su potencia por la
radiación conforme progresa por la
estructura, por eso, en el extremo se instala
una carga que recoge la potencia sobrante
para evitar las reflexiones.
Su uso se ha extendido por su sencillez de
montaje, sobre todo en frecuencias de HF y
VHF (3 MHz a 300 MHz).
En frecuencias de UHF (300 MHz a 3 GHz) y
superiores se usan estructuras impresas con el
mismo principio de antena de onda progresiva.
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Antena espiral
Antenas de banda ancha
Son independientes de la frecuencia
Se basa en el principio
de escala
electromagnética.
La antena espiral se construye plana o sobre un
cono. La espiral cónica se considera una espiral
plana que se ha envuelto alrededor de un cono
dieléctrico, consiguiendo así mayor ganancia. Se alimenta por un cable
coaxial pegado a una
cinta conductora, con su
conductor interno unido a
la otra cinta en el vértice.
El límite de frecuencia más baja ocurre cuando el
diámetro de la base es /2.
Si las dimensiones de la antena se amplían en un factor de escala, el funcionamiento se mantiene si
se escala también la en el mismo factor.
El límite de la más alta cuando el diámetro del vértice es /4.
Así, el ancho de banda está en la relación 1/2 (base a
vértice), la cual, para el cono es alrededor de 7 a 1.
Todas las antenas
espirales tienen
polarización circular.
La espiral tiene un BW en un intervalo de 7 a 1.
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Antena log-periódica
Antenas de banda ancha
Son independientes de la frecuencia
La log-periódica tiene un BW en un intervalo de 4 a 1.
La antena log-periódica combina varios dipolos en la misma
estructura para conseguir que la antena sea autoescalable por
un factor K; lo que significa que si funciona a una frecuencia
f, también lo hará a kf, y a k2f, y en general a knf. La longitud de los dipolos varía
de largo a corto y se relacionan
en forma logarítmica.
El dipolo más largo tiene una
longitud L = /2 en la frecuencia
más baja por cubrirse.
El dipolo más corto tiene una
longitud L = /2 en la frecuencia
más alta por cubrirse.
Así, el ancho de banda
depende de la relación del dipolo
más largo al más corto. Suelen
operar en un intervalo de
frecuencias de 4 a 1.
Hoy en día, muchas de las antenas de TV en uso son de la variedad logarítmica periódica, con alta
ganancia y directividad (D) en los canales de TV en VHF y UHF (30 MHz hasta 3 GHz).
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3.- Grandes antenas. Reflectores. ¿Qué son las grandes antenas?
Antena de bocina o horn antenna.
Se forma por la extensión natural de la guía de ondas, es
decir, por el ensanchamiento gradual de las dimensiones de
la guía, manteniendo las características de campo del modo
dominante que se propaga en la guía.
Son antenas de dimensiones mucho mayores que /2.
Entre ellas, las bocinas, cuyas dimensiones en su apertura
varían desde una hasta centenares de .
Antena de bocina
Las más utilizadas son la bocina piramidal
conectada a una guía rectangular y la bocina
cónica conectada a una guía circular.
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Grandes antenas.Parámetros de las bocinas
A mayor apertura, mayor directividad o ganancia
Patrón de radiación
Son más directivas (D) cuanto
mayor es su apertura. La
condición de directividad máxima
lleva a una relación entre las
dimensiones de la apertura y la
para cada tipo de bocina.
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Grandes antenas. Reflectores.Reflector parabólico + antena de bocina =
A mayor diámetro, mayor directividad o ganancia
Antena parabólica
La antena parabólica es una estructura formada por un paraboloide
metálico y una antena alimentadora situada en el foco. Es la más
utilizado en aplicaciones donde se requiere una gran directividad.
La reflexión en el reflector transforma la onda incidente esférica en onda
plana (fase y amplitud uniformes), produciendo un diagrama muy
directivo en la dirección normal al plano de apertura. La antena
alimentadora es una bocina, dipolo o hélice.
El rendimiento de un reflector es de 50% a 60%, debido a
la rugosidad del reflector, la sombra del alimentador, la
salida de radiación en los bordes, etc.
D = Directividad de la antena.d = diámetro del plato, en m.
= longitud de onda, en m.
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Grandes antenas. Reflectores.Otros tipos de parabólicas
Tienen ventajas sobre la antena de foco primario.
Antena Cassegrain
Además de la antena de foco primario, existen también
otras como la Cassegrain y la offset.
Es de reflector doble. En este caso la onda
generada en el alimentador se refleja primero
en un reflector hiperbólico para producir otra
onda esférica que incide sobre el reflector
parabólico principal.
L a ventaja de este sistema es que evita llevar
la señal con líneas de transmisión hasta el
foco.
Es de reflector offset o descentrado. Elimina
el efecto de la sombra del alimentador
tomando una sección asimétrica del reflector.
Antena offset
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4.- Agrupaciones de antenas.
¿Qué son las agrupaciones de antenas?
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Tipos de agrupaciones
Son una forma utilizada en grandes antenas
consistente en la agrupación (array) de pequeñas
antenas idénticas trabajando en común, es
decir, alimentadas desde una fuente común
mediante una red lineal.
En conjunto, se comportan como una única antena
con un diagrama de radiación
propio, modificable, pudiendo adaptarse a diferentes
aplicaciones o necesidades.
Esta característica se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase (phased arrays)
de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.
1Según su geometría:
Lineales
Planas
Conformadas (cilíndricas, esféricas)
2Según el elemento radiante:
Hilos (dipolos)
Impresas (parches)
Ranuras
Bocinas
3 Según la red:
Pasivas (un solo haz, multihaz)
Activas
Adaptativas
4 Según su aplicación:
Comunicación (móvil, satelital)
Radar
Goniometría
Agrupación, array o arreglo.
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Agrupaciones de antenas.
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Agrupación lineal
Se llama así cuando N elementos se agrupan
a lo largo de una línea recta, permitiendo
controlar el diagrama de radiación en el plano
que contiene la línea.
Este es el Principio de multiplicación de diagramas, pues es el resultado del diagrama de un
elemento multiplicado por un factor que depende solo del número (N), posición y forma de
excitación de los elementos (factor de array).
La forma más sencilla de situar los elementos
es equiespaciados una distancia d.
La longitud total de la antena en ese caso
será L = N × d.
La máxima directividad teórica vendrá dada
por D = 2L/ .
Para que esta ecuación sea válida, la distancia entre los elementos debe ser /2 < d < , caso
contrario aparecen lóbulos de difracción.
Principio de multiplicación de diagrama
Factor de grupo o array factor.
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Agrupaciones de antenas.
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Agrupación lineal de dipolos
Ejemplo de agrupaciones lineales
Trabajan como una sola antena
Agrupación lineal de dipolos
alimentada con una red de
líneas bifilares con divisores
de potencia simples y
estructura en paralelo.
Agrupación de ranuras
Agrupación de
parches impresos
para antenas
sectoriales en
telefonía móvil.
Agrupación de aperturas para antena monopulso
Agrupación de parches
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Agrupaciones de antenas.
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Agrupación plana
Formas más utilizadas: reticular y circular
Se llama así cuando los elementos se sitúan en 2D sobre un plano:
Permite mayor directividad: la radiación se apunta a cualquier dirección.
Permite mayor control: controla la fase relativa entre elementos en una
línea y en una columna.
La reticular sitúa los elementos radiantes en los nudos de una retícula
rectangular o triangular. La circular sitúa los elementos sobre
circunferencias concéntricas. Son como una agrupación de agrupaciones
lineales. Se sigue cumpliendo el principio de multiplicación de diagramas .
Array de 8 guías ranuradas
Utilizada por la NASA en la
exploración de la superficie
de Mercurio.
Array de bocinas
Bocinas cónicas en
una retícula triangular
Array de parches microstrip
Para altas
frecuencias
(37 GHz).
Alimentación
a través de
red de guías
de ondas.
Trabajan como una sola antena
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Agrupaciones de antenas.
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Agrupación conformada
Ejemplos de agrupaciones conformadas
Array cilíndrico de ranuras sectoriales
Trabajan como una sola antena
Se llama así cuando los elementos se sitúan sobre una superficie curva, como un cilindro, un
cono, una esfera o sobre otras superficies como el ala de un avión.
Array conformado por
estructuras multicapas con
elementos impresos.
Array cilíndrico de bocinas rectangulares
Array de parches
5.- Sistemas de antenas inteligentes.
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¿Qué son las sistemas de antenas inteligentes?
Son una combinación de un array de antenas y un DSP (Procesador Digital de Señales), que
optimizan los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente, en respuesta a una señal
de interés en el entorno. El más avanzado es el sistema de haz adaptativo.
Sistema de haz adaptativo
El lóbulo principal apunta hacia la
dirección deseada (Ej.: usuario móvil).
Los lóbulos secundarios hacia las
direcciones de las componentes de
multitrayecto de la señal deseada.
Los nulos de radiación hacia donde
están las fuentes de interferencia.
Eje
mplo
en la
TV
dig
ital
Sistemas de antenas inteligentes.
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Proceso de control en el array
Esquema del array de haz adaptativo
Con el control de amplitud y fase de la señal
recibida, se sintetiza el diagrama en cada
momento, y se lo adapta a una referencia
para una recepción óptima.
El diagrama de radiación se hace depender
de la señal recibida.
En forma interactivo se obtiene el óptimo de
una función error que resulta de comparar la
señal recibida con la de referencia.
Se minimiza el ruido e interferencia con los
que se recibe la señal, si se conocen sus
características, como
modulación, codificación, dirección de
llegada, etc. Este sistema se está utilizando con
éxito en diversos sistemas de
comunicaciones inalámbricas.
Los parámetros contenidos en el algoritmo
adaptativo son: la fase con la que llega la
señal a cada elemento, la , la distancia entre
los elementos y la potencia del ruido captado
por cada elemento.Se sintetiza el diagrama
en cada instante.
Sistemas de antenas inteligentes.
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Beneficio del sistema MIMO
Sistema inteligente MIMO
Los MIMO capitalizan los
beneficios de la multipropagación.
Multiple Input Multiple Output es una
tecnología de antenas inteligentes que
utiliza varias antenas tanto en el transmisor
como en el receptor.
MIMO se utiliza en redes inalámbricas
como las femtoceldas de telefonía
móvil y en WiMAX.
La múltiples antenas capitalizan los
beneficios tanto del fenómeno de
multipropagación como de la técnica
de diversidad de espacio, para
conseguir una mayor velocidad y un
mejor alcance del que se consigue con
sistemas SISO (single input single
output) tradicionales.
FIN
