Unidad 3 Antenas

Unidad IIIAntenas

M.C. José Irving Hernández Jácquez

martes, 18 de abril de 2023


Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas.

Las antenas son para conectar las líneas de transmisión con el espacio libre, el espacio libre a líneas de transmisión, o ambas cosas.

Una línea de transmisión acopla la energía de un transmisor o de un receptor con una antena, que a su vez acopla la energía con la atmósfera terrestre, y de la atmósfera terrestre a una línea de transmisión.

Introducción


En el extremo transmisor de un sistema de radiocomunicaciones con el espacio libre, una antena convierte la energía eléctrica que viaja por una línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se emiten al espacio.

En el extremo receptor, una antena convierte las ondas electromagnéticas en el espacio en energía eléctrica en una línea de transmisión.

Introducción


Una guía de ondas es un tipo especial de línea de transmisión formado por un tubo metálico conductor, a través del cual se propaga energía electromagnética.

Una guía de ondas se usa para interconectar en forma eficiente ondas electromagnéticas entre una antena y un receptor.

Introducción


En la siguiente figura se puede observar cómo la línea de transmisión de una antena termina en un circuito abierto, que representa una discontinuidad para la onda incidente de voltaje y tienen la forma de una inversión de fase.

La inversión de fase hace que se irradie algo del voltaje incidente, sin reflejarse hacia la fuente.

Principio de Funcionamiento


La energía irradiada se propaga alejándose de la antena, en forma de ondas electromagnéticas transversales.

La eficiencia de irradiación de una línea de transmisión abierta es extremadamente baja.

Es la relación de la energía irradiada entre la energía reflejada.



Para irradiar más energía tan sólo se apartan entre sí los conductores.

A la antena obtenida así se le llama un dipolo (que quiere decir dos polos).



En la siguiente figura, los conductores se apartan en una línea recta a la distancia de un cuarto de onda.

Esa antena se llama antena de cuarto de onda o monopolo vertical (llamada antena de Marconi).



Un dipolo de media onda se llama antena de Hertz.



No toda la potencia que se suministra a una antena se irradia, algo de ella se convierte en calor y se disipa.

Rr=

Rr= resistencia de radiación (ohms)Pent= potencia de entrada (watts)i= corriente en el punto de alimentación de la antena (Amperes)

Resistencia de radiación


La eficiencia de la antena es la relación de la potencia irradiada por ella entre la suma de la potencia disipada o la relación de la potencia irradiada por la antena entre la potencia total de entrada.

n=η=eficiencia de la antenaPrad= potencia irradiada (watts)Pent= potencia de entrada (watts)

n=Pd= potencia disipada en la antena (watts)



La potencia total de la antena es la suma de las potencias disipada e irradiada.

n=η=eficiencia de la antena (%)i= corriente de la antena (Amperes)Rr= resistencia de radiación (ohms)Re= resistencia efectiva de la antena (ohms)



La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia irradiada en una dirección particular entre la densidad de potencia irradiada al mismo punto a una antena de referencia.

La ganancia directiva máxima se llama directividad.D=

D=ganancia directiva (adimensional)P=densidad de potencia en un punto con determinada antena (watts/m2)Pref=densidad de potencia en un mismo punto, con una antena de referencia (watts/m2)

Ganancia Directiva y Ganancia de Potencia


La ganancia de potencia es la misma que la ganancia directiva, excepto que se usa la potencia total alimentada a la antena, es decir, se toma en cuenta la eficiencia de la antena.

La ecuación de ganancia de potencia es:



Si la antena es sin perdidas, irradia 100% de la potencia de entrada y la ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva.

La ganancia de potencia de una antena también se expresa en decibeles en relación con una antena de referencia:



Se acostumbra expresar la ganancia de potencia en decibelios, cuando se refiere a un dipolo de λ/2(dB).

La potencia irradiada de una antena nunca puede ser mayor que la potencia de entrada.



Se define como la potencia equivalente de transmisión se expresa:

EIRP= (watts)Prad = potencia total irradiada (watts)

Dt = ganancia directiva de la antena de transmisión (adimensional)

Potencia isotrópica efectivamente irradiada (EIRP)


O bien:

O también:



También se puede escribir en función de la potencia de entrada y la ganancia de potencia de la antena:

Pent = potencia total de entrada de la antena (watts)At = ganancia de potencia de la antena de transmisión (adimensional)





Las antenas son dispositivos recíprocos, por lo que tienen la misma resistencia de radiación, ganancia de potencia y directividad cuando se utilizan para recibir las ondas electromagnéticas que cuando se utilizan para transmitirlas por lo tanto:

C= densidad de potencia capturada (w/m2)Pent= potencia de entrada de la antena de transmisión (w)

Densidad de potencia capturada


At= ganancia de potencia de la antena de transmisión (adimensional)Ar= ganancia de potencia de la antena de recepción (adimensional)R= distancia entre las antenas de la recepción y transmisión (metros) La densidad de potencia capturada es la densidad

de potencia en el espacio, en w/m2.

Densidad de potencia capturada


La ganancia de potencia es el parámetro natural para describir la mayor densidad de potencia de una señal transmitida por las propiedades direccionales de la antena transmisora, es decir, el área de captura es la propiedad receptora de la antena.

El área de captura de una antena es un área efectiva y es una onda electromagnética irradiada por una antena de transmisión en w/m2.

Área de captura y potencia de captura


Una antena receptora expuesta al campo electromagnético tendrá inducidos en ella un voltaje y una corriente de radiofrecuencia que producirá una potencia de radiofrecuencia en las terminales de salida de la antena (potencia capturada en watts).

Ac= área efectiva de captura (m2) λ= Longitud de onda de la señal recibida (metros)Ar= ganancia de potencia de la antena receptora (adimensional)



Si se despeja la ganancia de la antena, se obtiene:



La potencia capturada es tan sólo el producto de la densidad de potencia en la zona que rodea a la antena receptora por el área de captura de esa antena:

Pcap = potencia capturada (watts)Ac = área efectiva de captura (m2)P = densidad de potencia capturada (w/m2)



Donde también:

En dBm



Es la orientación del campo eléctrico que se irradia de ella (horizontal, vertical, elíptica, circular).

Polarización de antena


La abertura angular (haz) de una antena es la separación angular entre 2 puntos de media potencia (-3 dBm) en el lóbulo mayor de la grafica de radiación de una antena.

Mientras mas grande es la ganancia de una antena, la abertura del haz es menor. Una antena isotrópica irradia por igual en todas direcciones.

Las antenas normales tienen una abertura de haz de 30° a 60°.

Abertura del haz de una antena


Es el intervalo de frecuencias dentro del cual el funcionamiento de la antena es “satisfactorio”. Se toma, en el caso normal como la diferencia entre las frecuencias de media potencia (diferencia entre las frecuencias máxima y mínima de operación), pero en ocasiones indica variaciones en la impedancia de entrada de la antena. Se expresa normalmente como porcentaje.

Ancho de banda de una antena


La radiación de una antena es un resultado directo del flujo de corriente de RF. La corriente va hacia la antena pasando por una línea de transmisión, que esta conectada con un espacio pequeño entre los conductores que forman la antena. El punto de la antena donde se conecta la línea de transmisión se llama terminal de entrada de la antena o punto de alimentación.

Impedancia de entrada de la antena


El punto de alimentación presenta una carga de ca a la línea de transmisión llamada impedancia de entrada de (o a) la antena.

Si la impedancia de salida del transmisor y la impedancia de entrada de la antena son iguales a la impedancia característica de la línea de transmisión se transmitirá una potencia máxima a la antena, potencia que será irradiada.

Zent= impedancia de entrada a la antena (ohms)Ei = Voltaje de entrada a la antena (volts)Ii = Corriente de entrada a la antena (amperes)

Impedancia de entrada de la antena


Antenas Básicas


Es el tipo mas sencillo. Es un dipolo eléctricamente corto en comparación con media longitud de onda. Un doblete elemental tiene corriente uniforme en toda su longitud. Sin embargo se supone que la corriente varia en forma senoidal en función del tiempo y que en cualquier instante es:

i(t)=corriente instantánea (A)I = amplitud máxima de la corriente de RF (A)f= frecuencia (hertz)t= tiempo instantáneo (segundos)θ= ángulo de fase (radianes)

Doble Elemental


El campo de radiación será:

ε= Intensidad del campo eléctrico (volts por metro)I= Corriente del dipolo (amperes rms)l= Longitud de uno a otro extremo del dipolo (metros)R= Distancia al dipolo (metros)λ= Longitud de onda (metros)ϕ= ángulo que forma el eje de la antena con la dirección de radiación

Doble Elemental


Es una clase de antena utilizada para frecuencias mayores a 2 MHz y no soporta frecuencias menores. Es una antena resonante, es decir, tiene un múltiplo de cuartos de longitud de onda de largo (λ/4) y tiene circuito abierto en los extremos lejanos.

A lo largo de una antena resonante se desarrollan ondas estacionarias de voltaje y corriente.

Dipolo de media onda (antena de Hertz)


Curva de impedancia para un dipolo de media onda con alimentación central



Para una antena ideal, la eficiencia es 100%, la directividad es igual a la ganancia de potencia y la resistencia de radiación es igual a la impedancia de entrada.

La impedancia varia desde un valor máximo en los extremos, de aproximadamente 2500Ω, hasta un mínimo en el punto de alimentación de unos 73Ω, de los cuales 68Ω y 70Ω es la resistencia de radiación.



= 120/73=1.64

10 log 1.64 = 2.16 dB



La altura de una antena no aterrizada, sobre la superficie del suelo también influye sobre la resistencia de radiación. Esto se debe a que las ondas reflejadas atraviesan o interceptan la antena y alteran su corriente.

Dependiendo de la fase de la onda reflejada en el suelo, la corriente de antena puede aumentar o disminuir, causando un aumento o disminución en la impedancia de entrada.



Las características se parecen a la antena de Hertz, a causa de las ondas reflejadas en el suelo. Es una antena de ¼ de onda de longitud de largo, montada en dirección vertical con el extremo inferior conectado en forma directa al suelo, o aterrizada a través de la red de acoplamiento de la antena.

Antena conectada a tierra (antena de Marconi)


Los máximos de corriente se presentan en los extremos aterrizados, y hace que pase una gran corriente por el suelo. Para reducir las perdidas, el terreno debe ser buen conductor, como un suelo rico en arcilla. Si es mal conductor (arenoso o rocoso) necesitara tierra física.

Una antena de Marconi tiene ventaja sobre la de Hertz de solo tener la mitad de longitud. La desventaja es que debe estar cerca del suelo.

Antena conectada a tierra (antena de Marconi)


Para una frecuencia de transmisión de 1GHz, ¼ de longitud de onda es 7.5 cm. Para 1MHz, ¼ de longitud de onda es 75m y a 100kHz es 750 metros.

Las dimensiones físicas para las antenas de baja frecuencia no son practicas, en especial para radio móvil. Pero se puede aumentar la longitud eléctrica, mediante una técnica llamada carga.

No se modifica el tamaño, solo la longitud eléctrica efectiva aumenta.

Carga de la antena


La bobina de carga anula y elimina bien el componente capacitivo de la impedancia de entrada de la antena. Así la antena se ve como si fuera un circuito resonante, es resistiva y así puede absorber el 100% de la potencia incidente.

La bobina de carga se suele poner en la parte inferior de la antena para que se sintonice con facilidad con la resonancia.

Una bobina de carga aumenta efectivamente la resistencia de radiación en 5Ω.

Bobina de carga


Se coloca un conjunto metálico que parece una rueda con rayos en el extremo superior de la antena. La rueda aumenta la capacitancia en paralelo con el suelo y reduce la capacitancia general la antena.

Este método no es practico para comunicación móvil. La carga por el extremo superior da como resultado un

aumento considerable en la resistencia de radiación y la eficiencia de irradiación. También reduce el voltaje de la onda estacionaria de la antena.

Carga por extremo superior


Si a la antena se le agrega un techo plano, hoja o hilos horizontales, o se dobla una antena en forma vertical en su parte superior para formar una L o una T, la onda de corriente estará mas cerca del extremo superior del radiador.

Si el techo plano y las partes verticales son de ¼ de longitud de onda de largo cada uno, el máximo de corriente estará en la parte superior del radiador vertical.

Carga por extremo superior


Dipolo doblado


Antena de Yagi-Uda


Antena de torniquete


Antena log periódica


Antena de cuadro


Antena helicoidal


Antenas UHF y de Microondas


Las antenas UHF (300 MHz a 3 GHz) y para microondas (1 a 100 GHz) deben ser muy direccionales.

Una antena tiene ganancia aparente porque concentra la potencia irradiada en un haz delgado, más que mandarlo por igual en todas direcciones; además la abertura del haz disminuye al aumentar la ganancia de la antena.



Las antenas de microondas suelen tener aberturas de haz a mitad de potencia del orden de 1° o menos.

Un haz angosto minimiza los efectos de la interferencia debida a fuente externas y a antenas adyacentes.



Las antenas de reflector parabólico proporcionan ganancias y directividades extremadamente altas, y son muy usadas en los enlaces de comunicación por radio y satélite.

Una antena parabólica consiste en dos partes principales: un reflector parabólico y el elemento activo llamado mecanismo de alimentación.

El mecanismo de alimentación encierra la antena primaria, que normalmente es un dipolo o una red de dipolos; la antena irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector.

Antenas de reflector parabólico


Antena parabólica


El reflector es un dispositivo pasivo, que tan sólo refleja la energía que le llega del mecanismo de alimentación.

La abertura aproximada del haz para una antena parabólica en grados es:

O bien

c= Velocidad de propagación, 3 X 108 m/sf= Frecuencia (MHz)



La ganancia de una antena parabólica:

Ap = ganancia de potencia con respecto a una antena isotrópica (adimensional)D= Diámetro de la boca de un reflector parabólico (metros)



Para una eficiencia normal de antena del 0.55, la ecuación se reduce a:

O



El área de captura será:

Ac= Área de captura(m2)A= Área real(m2)k= eficiencia de abertura, constante que depende del tipo de antena, aprox. 0.55 para una parabólica alimentada con un dipolo de media onda.



La ganancia de una antena parabólica de recepción con eficiencia de 0.55 se puede calcular con mucha aproximación:

O en dB

D= Diámetro del plato (metros)



Guías de Onda


Las líneas de transmisión no pueden propagar con eficiencia la energía electromagnética arriba de 20 GHz.

Existen varias alternativas para la transmisión de UHF y Microondas, como lo son los cables de fibra óptica y guías de onda.

Una guía de onda es un tubo conductor hueco, por lo general de corte transversal rectangular, aunque a veces circular o elíptico.

Guías de onda


Las dimensiones de la sección transversal se establecen de tal manera que se puedan propagar las ondas electromagnéticas por el interior de la guía.

Una guía de ondas no conduce la corriente eléctrica, sólo sirve de frontera para confinar la energía electromagnética.

Las paredes de la guía de onda son conductores, por lo que reflejan la energía electromagnética en su superficie.

Guías de onda


La conducción de la energía no se hace en las paredes, sino por el dieléctrico del interior, que por lo general es aire deshidratado o un gas inerte.

La energía se propaga por una guía de ondas reflejándose y rebotando, su trayectoria es en zigzag.

Guías de onda


La velocidad de fase:

Vph= velocidad de fase (m/s)fc= frecuencia de corte

Guías de onda


La velocidad de un grupo de ondas es aquella con la que se propagan las señales de información de cualquier tipo.

Las velocidades de grupo y de fase tienen el mismo valor en el espacio libre y en las líneas de transmisión de hilos paralelos. Sin embargo, para guías de ondas, las dos velocidades no son las mismas.

Guías de onda


La velocidad de fase siempre es igual o mayor que la velocidad de grupo:

Vg= velocidad de grupo

Guías de onda


La longitud de onda en la guía:

λg= longitud de onda de la guíaλo= longitud de onda en el espacio libre

Guías de onda


a= longitud transversal

Guías de onda


Impedancia característica:

Zo= impedancia característica (ohms)

Guías de onda

Unidad 3 Antenas

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