INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
“Trabajo de antenas”
Enrique Velasco Méndez
“Teoria de radiadores”
Indice:
Antenas
Antenas:
Una antena es un dispositivo
(conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas
electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma
energía eléctrica en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la
función inversa.
Existe una gran diversidad de
tipos de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia
radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio
comercial o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo
para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios
(antenas entre estaciones de radioenlaces).
Las características de las
antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de
la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la
antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan
elementales, si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda se
llaman resonantes, y si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda son
directivas.
Patrón de radiación:
El patrón de radiación
es una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena en
función de las coordenadas espaciales. En la mayoría de los casos, el patrón de
radiación es determinado para la región de campo lejano. Las propiedades de
radiación incluyen: intensidad de radiación, fuerza del campo, fase,
polarización.
Ganancia:
La ganancia de una
antena es la relación entre la potencia que entra en una antena y la potencia
que sale de esta. Esta ganancia es comúnmente referida en dBi's, y se refiere a
la comparación de cuanta energía sale de la antena en cuestión, comparada con
la que saldría de una antena isotrópica. Una antena isotrópica es aquella que
cuenta con un patrón de radiación esférico perfecto y una ganancia lineal
unitaria.
Directividad:
La directividad de la
antena es una medida de la concentración de la potencia radiada en una
dirección particular. Se puede entender también como la habilidad de la antena
para direccionar la energía radiada en una dirección especifica. Es usualmente
una relación de intensidad de radiación en una dirección particular en
comparación a la intensidad promedio isotrópica.
Polarización:
Es la orientación de
las ondas electromagnéticas al salir de la antena. Hay dos tipos básicos de
polarización que aplican a las antenas, como son: Lineal (incluye vertical,
horizontal y oblicua) y circular (que incluye circular derecha, circular
izquierda, elíptica derecha, y elíptica izquierda). No olvide que tomar en
cuenta la polaridad de la antena es muy importante si se quiere obtener el
máximo rendimiento de esta. La antena transmisora debe de tener la misma
polaridad de la antena receptora para máximo rendimiento.
La propiedad de
radiación que más interesa es la distribución tridimensional de la energía
radiada como función de la posición de un observador a lo largo de un radio
constante.
El patrón de radiación
de una antena se puede representar como una grafica tridimensional de la
energía radiada vista desde fuera de esta. Los patrones de radiación usualmente
se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimuth. El
patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de
perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía radiada vista
directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una
representación tridimensional de como es realmente radiada la energía desde la
antena.
Tipos de antenas:
Antenas Dipolo:
Todas las antenas de dipolo
tienen un patrón de radiación generalizado. Primero el patrón de elevación
muestra que una antena de dipolo es mejor utilizada para transmitir y recibir
desde el lado amplio de la antena. Es sensible a cualquier movimiento fuera de
la posición perfectamente vertical. Se puede mover alrededor de 45 grados de la
verticalidad antes que el desempeño de la antena se degrade más de la mitad.
Otras antenas de dipolo pueden tener diferentes cantidades de variación vertical
antes que sea notable la degradación.
Un ejemplo de patrón de
elevación puede verse en la figura 1a. A partir del patrón de azimuth se ve que
las antenas operan igualmente bien en 360 grados alrededor de la antena.
Físicamente las antenas dipolo son cilíndricas por naturaleza, y pueden ser
ahusadas o con formas especificas en el exterior para cumplir con
especificaciones de medidas. Estas antenas son usualmente alimentadas a través
de una entrada en la parte inferior, pero también pueden tener el conector en
el centro de la misma.
Se calculan el campo eléctrico
cercano y lejano
Antenas Dipolo Multi-Elemento:
Las antenas multi-elemento
tipo dipolo cuentan con algunas de las características generales del dipolo
simple. Cuentan con un patrón de elevación y azimuth similar al de la antena
dipolo simple. La diferencia más clara entre ambas es la direccionalidad de la
antena en el plano de elevación, y el incremento en ganancia debido a la
utilización de múltiples elementos. Con el uso de múltiples elementos en la
construcción de la antena, esta puede ser configurada para diferentes
ganancias, lo cual permite diseños con características físicas similares. Tal
como se puede ver en el patrón de elevación de la fig. 2, múltiples antenas de
dipolo son muy direccionales en el plano vertical. Debido a que la antena de
dipolo radía igualmente bien en todas las direcciones del plano horizontal, es
capaz de operar igualmente bien en configuración horizontal.
Se calcula de la misma manera que un dipolo sencillo pero
una vez por cada elemento
Antenas Yagi:
Estas se componen de un
arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos
transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el
número de elementos directores) determina la ganancia y directividad. Las
antenas Yagi no son tan direccionales como las antenas parabólicas, pero son
más directivas que las antenas panel.
Para el calculo de esta antena
se hace de forma matricial para obtener ya sea la impedancia característica o
las corrientes circundantes
Para el calculo de campo
lejano
Donde
Antenas
Panel Plano (Flat Panel):
Las antenas de panel plano
como su nombre lo dice son un panel con forma cuadrada o rectangular. y están
configuradas en un formato tipo patch. Las antenas tipo Flat Panel son muy
direccionales ya que la mayoría de su potencia radiada es una sola dirección ya
sea en el plano horizontal o vertical. En el patrón de elevación (Fig. 4) y en
el patrón de azimuth (Fig. 5) se puede ver la directividad de la antena Flat
Panel. Las antenas Flat Panel pueden ser fabricadas en diferentes valores de
ganancia de acuerdo a su construcción. Esto puede proveer excelente
directividad y considerable ganancia.
Para la impedancia
Antenas Parabólicas:
Las antenas parabólicas usan
características físicas así como antenas de elementos múltiples para alcanzar
muy alta ganancia y direccionalidad. Estas antenas usan un plato reflector con
la forma de una parábola para enfocar las ondas de radio recibidas por la
antena a un punto focal. La parábola también funciona para capturar la energía
radiada por la antena y enfocarla en un haz estrecho al transmitir. Como puede
verse en la Figura 5, la antena parabólica es muy direccional. Al concentrar
toda la potencia que llega a la antena y enfocarla en una sola dirección, este
tipo de antena es capaz de proveer muy alta ganancia.
Antena de Ranura:
Las antenas de ranura cuentan
con características de radiación muy similares a las de los dipolos, tales como
los patrones de elevación y azimuth, pero su construcción consiste solo de una
ranura estrecha en un plano. Así como las antenas microstrip mencionadas abajo,
las antenas de ranura proveen poca ganancia, y no cuentan con alta
direccionabilidad, como evidencían su patrones de
radiación y su similiridad al
de los dipolos. Su más atractiva característica es la fáicilidad de construcción
e integración en diseños existentes, así como su bajo costo. Estos factores
compensan por su desempeño poco eficiente.
Su ganancia esta dada por
Antenas Microstrip:
Estas antenas pueden ser
hechas para emular cualqueira de los diferentes tipos de antenas antes
mencionados. Las antenas microstrip ofrecen varios detalles que deben de ser
considerados. Debido a que son manufacturadas con pistas en circuito impreso,
pueden ser muy pequeñas y livianas. Esto tiene como costo no poder manejar
mucha potencia como es el caso de otras antenas, además están hechas para
rangos de frecuencia muy especificos. En muchos casos, esta limitación de
frecuencia de operación puede ser benéfico para el desempeño del radio. Debido
a sus características las antenas microstrip no son muy adecuadas para equipos
de comunicación de banda amplia.
Las antenas nos han permitido
transmitir grandes cantidades de información a través del espacio libre, los
diferentes tipos de antenas nos permiten obtener la mayor ganancia dependiendo
de diversos factores como la dirección de la transmisión el radio efectivo y el
espacio con el que se cuenta, el cálculo y diseño de antenas es el primero de
los pasos para crear una comunicación efectiva la codificación y decodificación
de la información enviada nos permitirá realizar sistemas completos, esta
pequeña introducción que tuvimos a diferentes tipos de antenas nos permitió
conocer las herramientas con las que contamos para futuros proyectos o investigaciones.
Bibliografía
Balanis, Constantine A. Antenna
Theory: Analysis and Design, John Wiley and Sons, Inc., USA,
Kraus, John D. & Marhefka,
Ronald J., Antennas for all applications, Mc. Graw-Hill, México,
Stutzman, Warren L. & Thiele,
Gary A., Antenna Theory and Design, John Wiley and Sons,
