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TIPOS MÁS COMUNESDE ANTENAS
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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, clasificadossegún su longitud eléctrica, el ancho de banda defrecuencias 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 basanen un dipolo básico y la mayor parte de ellos son alguna forma modificada de un dipolo demedia longitud de onda.
¿Cuáles son?
1
¿Cómo se pueden clasificar?
El dipolo de media ondaes la antena básica
Antenas pequeñas y antenas resonantes.
Antenas de banda ancha e independientes dela frecuencia.
3 Grandes antenas. Reflectores.
4 Agrupaciones de antenas.
2
Una de las muchas formas de clasificarlas podría ser desde elpunto de vista de su longitud eléctrica, el ancho de banda
de frecuencias en el que operan y su inteligencia.
5 Sistemas de antenas inteligentes.
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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 frecuenciasbajas. Las más comunes son el dipolo corto , el monopolo corto y las antenas de bobina .
La antena de paraguas estáformada por un monopolocorto sobre un plano detierra, terminado en una
capacitancia que forman unentramado de hilos.
Antena pequeña de bobina. Utilizada enreceptores 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
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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 condiferentes 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 ocon una línea bifilar.
El diagrama de radiación del dipolo es poco directivo y, en consecuencia, la ganancia llega a los2,15 dBi. La banda de trabajo está limitada a la frecuencia de resonancia.
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5El chasis del auto actúa como una tierra eléctrica. www.coimbraweb.com
Antenas resonantes.Variante del dipolo
Antena monopolo
Las características de polarización vertical yomnidireccional de un dipolo, se logran con unradiador vertical de /4. Este monopolo sedenomina Marconi o antena con plano de tierra .Se alimenta con coaxial; el conductor centralconectado 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 láminaconductora o 4 ó más varillas metálicas radiando
hacia fuera de la base de la antena y con unalongitud similar a la de la antena.
Las antenas móviles por lo común son antenas con plano de tierra, con el automóvil actuando porsí mismo como el plano de tierra. La cubierta metálica del auto debe ser lo bastante grande paraque el radio del área que representa sea R /4 en la frecuencia más baja de operación.
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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 ohelicoidal produce ondas conpolarización circular y recibeondas con cualquier tipo depolarización.
Antena de hélice
La ganancia de la antena dehélice es proporcional al
número de vueltas y puedeser varios dB mayor que lade un dipolo. Suele utilizarsecon las transmisiones porsatélite de VHF (30 a 300MHz).
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7La Yagi es una antena directiva. www.coimbraweb.com
Antenas resonantes.Dipolo doblado y elementos parásitos.
AntenaYagi
Una antena muy popular es el dipolo doblado, que se utilizaen antenas de TV en VHF y UHF (30 MHz hasta 3 GHz), ya
sea solo o en combinación con elementos parásitos formandola antena Yagi.
La antena Yagi se construye con un elementoexcitado , 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 sololóbulo principal yvarios 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, quetípicamente alcanza los 15 dB.
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Antenas resonantes.Complemento del dipolo
Antena deranura
Las antenas de ranura están asociadas a las líneasde transmisión cerradas como las guías de onda.
Una de las antenas más utilizadas ensistemas de radar de microondas esla guía de onda ranurada.
Si el dipolo se corta de una hoja de metal, deja una ranura. Eldipolo 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, generandoun campo en la ranura y radiando parte dela potencia que se propaga en la guía.
No es frecuente ver antenas de ranuraindividuales. Normalmente se utilizan paraformar agrupaciones de antenas sobre una
guía de ondas.
La ranura está asociadaa la guía de onda.
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Antenas resonantes.Antenas impresas
Antenadeparche
Antena de parche
o patch antenna .
Con la aparición de las estructuras impresas como líneas detransmisión en microondas (microstrip), aparece también la
antena impresa tipo parche.
Consta de un parche metálico impreso sobre unsustrato dieléctrico. Sus dimensiones, del ordende , se eligen de tal forma que la estructuradisipe la potencia en forma de radiación.
Los circuitos impresos de microondas las usan como unaextensión natural de ellos, integradas con parte del circuitopasivo (filtros ) o activo (amplificador ) en los mismossustratos.
Se las encuentra en sistemas de radar, GPS,
sistemas móviles y sistemas de microondas.
M é t o d o s d e
a l i m e n t a c i ó n
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Antena de onda progresiva
2.- Antenas de banda anchaSon 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 progresivasobre una estructura radiante.
La forma más clásica de este tipo de antena laconstituye la antena en V y su extensión en la
antena rómbica . En ella se excita una ondaprogresiva sobre los hilos situadoshorizontalmente a un /4 de Tierra.
La onda pierde parte de su potencia por laradiación conforme progresa por la estructura,por eso, en el extremo se instala una carga querecoge la potencia sobrante para evitar lasreflexiones.
Su uso se ha extendido por su sencillez demontaje, sobre todo en frecuencias de HF yVHF (3 MHz a 300 MHz).
En frecuencias de UHF (300 MHz a 3 GHz) ysuperiores se usan estructuras impresas con el
mismo principio de antena de onda progresiva.
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Antena espiral
Antenas de banda anchaSon independientes de la frecuencia
Se basa en el principiode escalaelectromagnética.
La antena espiral se construye plana o sobre uncono. La espiral cónica se considera una espiralplana que se ha envuelto alrededor de un conodieléctrico, consiguiendo así mayor ganancia.Se alimenta por un cable
coaxial pegado a unacinta conductora, con suconductor interno unido ala 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 avértice), la cual, para el cono es alrededor de 7 a 1.
Todas las antenasespirales 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 anchaSon 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 mismaestructura 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 k 2f , y en general a k nf .
La longitud de los dipolos varíade largo a corto y se relacionanen forma logarítmica.
El dipolo más largo tiene una
longitud L = /2 en la frecuenciamás baja por cubrirse.
El dipolo más corto tiene unalongitud L = /2 en la frecuenciamás alta por cubrirse.
Así, el ancho de bandadepende de la relación del dipolomás largo al más corto. Suelen
operar en un intervalo defrecuencias de 4 a 1.
Hoy en día, muchas de las antenas de TV en uso son de la variedad logarítmica periódica, con altaganancia 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, esdecir, por el ensanchamiento gradual de las dimensiones de
la guía, manteniendo las características de campo del mododominante que se propaga en la guía.
Son antenas de dimensiones mucho mayores que /2.
Entre ellas, las bocinas, cuyas dimensiones en su aperturavarían 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 ) cuantomayor es su apertura. Lacondición de directividad máximalleva a una relación entre lasdimensiones 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 paraboloidemetálico 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 ondaplana (fase y amplitud uniformes), produciendo un diagrama muydirectivo en la dirección normal al plano de apertura. La antenaalimentadora es una bocina , dipolo o hélice .
El rendimiento de un reflector es de 50% a 60%, debido ala rugosidad del reflector, la sombra del alimentador, lasalida 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 tambiénotras como la Cassegrain y la offset.
Es de reflector doble. En este caso la ondagenerada en el alimentador se refleja primeroen un reflector hiperbólico para producir otraonda esférica que incide sobre el reflectorparabólico principal.
L a ventaja de este sistema es que evita llevarla señal con líneas de transmisión hasta elfoco.
Es de reflector offset o descentrado. Eliminael efecto de la sombra del alimentadortomando 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 antenasconsistente en la agrupación (array ) de pequeñas
antenas idénticas trabajando en común, es decir,alimentadas desde una fuente común mediante unared lineal.
En conjunto, se comportan como una única antenacon un diagrama de radiación propio, modificable,pudiendo adaptarse a diferentes aplicaciones onecesidades.
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.
1 Según su geometría:
LinealesPlanasConformadas (cilíndricas , esféricas )
2 Según el elemento radiante:Hilos (dipolos )Impresas (parches )
RanurasBocinas
3 Según la red:Pasivas (un solo haz , multihaz)
Activas
Adaptativas
4 Según su aplicación:Comunicación (móvil, satelital)RadarGoniometría
Agrupación, array o arreglo.
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Agrupaciones de antenas.
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Agrupación lineal
Se llama así cuando N elementos se agrupana lo largo de una línea recta, permitiendocontrolar el diagrama de radiación en el planoque contiene la línea.
Este es el Principio de multiplicación de diagramas , pues es el resultado del diagrama de unelemento multiplicado por un factor que depende solo del número (N ), posición y forma deexcitación de los elementos (factor de array ).
La forma más sencilla de situar los elementoses equiespaciados una distancia d.
La longitud total de la antena en ese caso
será L = N × d .
La máxima directividad teórica vendrá dadapor D = 2L/.
Para que esta ecuación sea válida, la distancia entre los elementos debe ser /2 < d < , casocontrario 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 divisoresde potencia simples yestructura en paralelo.
Agrupación de ranuras
Agrupación deparches impresospara antenassectoriales entelefonía 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 unalínea y en una columna.
La reticular sitúa los elementos radiantes en los nudos de una retícula rectangular o triangular. La circular sitúa los elementos sobrecircunferencias 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 laexploración de la superficie
de Mercurio.
Array de bocinas
Bocinas cónicas enuna retícula triangular
Array de parches microstrip
Para altasfrecuencias
(37 GHz).Alimentacióna través dered de guíasde 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 , uncono , una esfera o sobre otras superficies como el ala de un avión .
Array conformado porestructuras multicapas conelementos impresos.
Array cilíndrico de bocinas rectangulares
Array de parches
Si d i li
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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 ), queoptimizan 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 ladirección deseada (Ej.: usuario móvil).
Los lóbulos secundarios hacia las
direcciones de las componentes demultitrayecto de la señal deseada.
Los nulos de radiación hacia dondeestán las fuentes de interferencia.
E j e m p l o e n
l a
T V d i g i t a
l
Si d i li
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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 señalrecibida, se sintetiza el diagrama en cadamomento, y se lo adapta a una referenciapara una recepción óptima.
El diagrama de radiación se hace dependerde la señal recibida.
En forma interactivo se obtiene el óptimo deuna función error que resulta de comparar laseñal recibida con la de referencia.
Se minimiza el ruido e interferencia con losque se recibe la señal, si se conocen suscaracterísticas, como modulación ,
codificación , dirección de llegada , etc.
Este sistema se está utilizando conéxito en diversos sistemas decomunicaciones inalámbricas.
Los parámetros contenidos en el algoritmoadaptativo son: la fase con la que llega laseñal a cada elemento, la , la distancia entrelos elementos y la potencia del ruido captadopor cada elemento.
Se sintetiza el diagramaen cada instante.
Si d i li
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Sistemas de antenas inteligentes.
Beneficio del sistema MIMO
Sistema inteligente MIMO
Los MIMO capitalizan losbeneficios de la multipropagación
Multiple Input Multiple Output es unatecnología de antenas inteligentes que
utiliza varias antenas tanto en el transmisorcomo en el receptor.
MIMO se utiliza en redes inalámbricascomo las femtoceldas de telefoníamóvil y en WiMAX.
La múltiples antenas capitalizan los
beneficios tanto del fenómeno demultipropagación como de la técnicade diversidad de espacio, paraconseguir una mayor velocidad y unmejor alcance del que se consigue consistemas SISO (single input single output ) tradicionales.
FIN