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ANTENAS
Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas y una receptora realiza la función inversa, todo esto se hace para enviar y recibir algún tipo de información que se encuentra "consignada" en dichas ondas.
Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y los aspectos teóricos de estas estan relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no tienen la necesidad de un medio material para propagarse, y aqui entra la definición anterior de lo que es una antena.
Las características de las antenas dependen principalmente de sus dimensiones estructurales y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia que se transmite o recibe. Si las dimensiones de una antena son son considerablemente mucho más pequeñas 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 tamaño es mayor que su longitud de onda se denominan directivas.
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Antena Elemental
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Antena de helice resonante
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Parámetros de una Antena
Las antenas se caracterizan por una amplia gama de parámetros, reseñando los mas habituales y distintivos:
Diagrama de Radiación ó Patrón de Radiación:
Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación). Lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Atendiendo al diagrama de radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional, etc) Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiación con polaridad contraria.
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Diagrama de Radiación
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Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:
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.
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. Es decir, la dirección en la que la - potencia radiada es 3 dB menos.
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.
Ancho de banda:
Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.
Directividad:
La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica 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 dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.
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:
Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.
e = P(r) / P(in) = G / D
El parámetro e (eficiencia) es adimensional.
Anchura de haz:
Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. 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 máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.
Relaciòn Delante/Atràs:
Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta.
Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiacción y el nivel de radiacción a 180 grados. Este parámetro es especialmente útil cuando la interferencia hacia atrás es crítica en la elección de la antena que vamos a utilizar.
Esta relación, además lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las señales 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 relación F / B no es un número muy útil, ya que a menudo varía enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrón de radiación, entonces no se necesita la relación F/B.
Impedancia de entrada:
Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. La impedancia es un número 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 radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.
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Impedancia
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Polarizaciòn:
Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarizaciòn electromagnètica en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).
Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar al diagrama de radiación con la polarización contraria.
Clasificaciòn bàsica de las antenas
Existen tres tipos básicos 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 sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo 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 evolución, 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 hélice, consiguiendo así una polarización circular.
Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.
La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satélite. La ganancia de dichas antenas está relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor directividad.
El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar de forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un subreflector. El alimentador está generalmente ubicado en el foco de la parábola. El alimentador, en sí mismo, también es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia (cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satélite en órbita geoestacionaria).
Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, Do, con la siguiente expresión, donde S es el área y lambda es la longitud de onda:
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Cálculo de la directividad
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Son diversos los tipos de antenas de antenas de apertura, como por ejemplo las antenas parabólicas, las de bocina, la antena parabólica de los radares Doppler y las antenas reflectoras.
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Reflectores parabólicos
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Antenas de Array:
Las antenas de array están formadas por un conjunto de dos o mas antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una única antena con un diagrama de radiación propio.
La característica principal de los arrays de antenas es que su diagrama de radiación es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.
Atendiendo a la distribución de las antenas que componen un array podemos hacer la siguiente clasificación:
Arrays lineales: Los elementos están dispuestos sobre una linea.
Arrays Planos: Los elementos están dispuestos bidimensionalmente sobre un plano.
Arrays conformados: Los elementos están dispuestos sobre una superficie curva.
A nivel de aplicación los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes.Una definición básica de un sistema de antenas inteligentes es cualquier configuración adaptativa de múltiples antenas que mejoran el rendimiento de un sistema de comunicaciones inalámbricas.
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Antena de Array
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Clasificación funcional de las antenas:
La clasificación que comúnmente se hace a las antenas se basa casi que enteramente en la forma en como se distribuye el campo electromagnético en la misma antena. La clasificación funcional nos permite tomar todo lo que tiene que ver con las antenas desde una nuevo punto de vista, como su clasificación desde su eficiencia o en la tecnologia que estas emplean, todos parámetros de la ingenieria que nos expliquen con es su funcionamiento.
Antenas con reflector:
El origen de la antena con reflector data de 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente que existen las ondas electromagnéticas, que habían sido predichas por James Clerk Maxwell. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como receptor.
El funcionamiento de la antena con reflector se basa en la reflexión de las ondas electromagneticas por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide, en el caso de una antena receptora; en cambio si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena.
Tipos de antenas con reflector:
Antenas de foco primario:
La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución . Las ondas electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y dirigen al foco.El foco está centrado en el paraboloide.
Tienen un rendimiento máximo de aproximadamente el 60%, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% lo hace al foco y se aprovecha, el resto se pierde debido principalmente a dos efectos, el efecto spillover (es un efecto que se produce en las antenas parabólicas cuando la radiación emitida por el alimentador primario situado en el foco de la parábola desborda la superficie del plato de la antena provocando una pérdida de ganancia en la señal) y el efecto bloqueo.
Su relativa gran superficie implica un menor ángulo de anchura del haz (3 dB), por lo que la antena debe montarse con mayor precisión que una antena offset normal. La lluvia y la nieve pueden acumularse en el plato e interferir en la señal; Además como el LNB va montado centralmente, bloquea muchas señales con su propia sombra sobre la superficie de la antena. Este tipo de antenas son usadas para televisiòn, radio y para la transmisiòn de datos en conexiòn VSAT.
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Antena de foco primario
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Antena Offset:
Una antena offset esta formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica. El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (por esto se le llama offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de foco primario, pudiendo ser de un 70% o algo más. Estas antenas se usan principalmente como receptoras de señales satelitales.
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Antena Offset
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Antena de Cassegrain:
Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.
El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico.
El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.
El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.
Se suelen utilizar en antenas muy grandes, donde es difícil llegar al foco para el mantenimiento de la antena; tambièn tiene aplicaciones para radares multifuncionales y algunas aplicaciones para el campo militar.
Alimentadores para antenas con reflector o bocinas:
Las bocinas son utilizadas como alimentador en las antenas, es decir, se utilizan para iluminar el reflector formando lo que se conoce como antena parabólica. La bocina de alimentación se encuentra situada en el foco del paraboloide.
Una única bocina puede utilizarse como una antena de cobertura global en satélites; además se pueden agrupar varias bocinas, claro, todas estas alimentadas con una amplitud y una fase diferentes, para conseguir un determinado diagrama de radiación y dar cobertura a un país o continente. La agrupación de bocinas sería el alimentador del reflector.
En una transmisión la bocina emite energía desde el foco hacia la superficie del reflector, consiguiendo radiar sobre el rango de cobertura deseado, mientras que en una recepción el reflector actúa como un acumulador de energía de la señal, que es concentrada hacia la bocina alimentadora.
Las bocinas pueden transmitir ó recibir dos ondas con polarización distinta, siempre que la polarización sea ortogonal. Esto se consigue con un dispositivo llamado acoplador ortomodo, que es un sistema de guía de ondas en forma de T, donde por la guía principal se propagan dos modos dominantes ortogonales y cada guía adosada soporta uno de los dos modos anteriores.La polarización ha de ser ortogonal para que no se produzcan interferencias.
De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica.
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Bocina cónica para polarización circular
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Bocina piramidal para polarización lineal
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