Antenas

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 1

Resumen - Durante el desarrollo de este articulo hablaremos sobre las Antenas, empezando por su definición, como un sistema muy importante para la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas, las regiones (campos cercanos y campos lejanos), los diferentes tipos y los parámetros que las caracterizan y determinan su aplicación.

Índice de términos – Antena, ecuaciones de Maxwell, campo cercano reactivo, campo cercano de radiación, campo lejano de radiación, vector de Pointing, directividad, ganancia, patrón de radiación, Antena isotrópica, impedancia de entrada, eficiencia de radiación, razón de voltaje de onda estacionaria(VSWR), polarización de una antena, ancho de banda, ecuación de Friis.

I. UN POCO DE HISTORIA

Los primeros experimentos que involucró el acoplamiento de la electricidad y el magnetismo y que mostró una relación definitiva fue el realizado por Faraday en algún lugar alrededor de la década de 1830. Se deslizó un campo magnético alrededor de las bobinas de un cable conectado a un galvanómetro. En el movimiento del imán, que estaba en efecto la creación de un campo magnético variable en el tiempo, que como consecuencia de las ecuaciones de Maxwell, debe haber tenido un campo eléctrico variable en el tiempo. La bobina actúa como antena de cuadro y recibió la radiación electromagnética, que se recibió (detectada) por el galvanómetro (el trabajo de una antena). Curiosamente, el concepto de las ondas electromagnéticas ni siquiera se había pensado en este momento. En 1886 Heinrich Hertz desarrolló un sistema de comunicación inalámbrica en la que obligó a una chispa eléctrica que se produzca en el espacio de una antena dipolo. Hertz utilizó una antena de cuadro como un receptor, y observó una alteración similar. En 1901, Marconi realizaba un envío de información a través del Atlántico. Y para este procedimiento implemento para una antena de transmisión,

utilizó varios cables verticales fijados en el suelo. Al otro lado del Atlántico, implemento para la antena receptora un cable de 200 metros sostenido por una cometa. En 1906, en la Universidad de Columbia había una estación experimental inalámbrica donde se utilizaba una jaula de transmisión aérea. Esta fue una jaula formada por cables y suspendido en el aire. La investigación actual en la antena consiste en meta-materiales (materiales que se han diseñado constantes dieléctricas y magnéticas, que pueden ser negativos al mismo tiempo, lo que permite interesantes propiedades como un índice negativo de refracción). Actualmente se centra en la fabricación de antenas más pequeñas, especialmente en las comunicaciones personales de los dispositivos de comunicación inalámbrica (por ejemplo, los teléfonos celulares, antenas para WI-FI). Una gran cantidad de trabajo está siendo realizado en el modelado numérico de antenas, realizando simulaciones en diferentes software destinados para este campo, de modo que sus propiedades se pueden predecir antes de que sean construidos y probados.

II. DEFINICION

“ La antena es la parte de un sistema transmisor o receptor que es diseñada para radiar y recibir ondas electromagnéticas”. De la definición formal de la IEEE.

La antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de recibir o emitir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Existe una gran diversidad de tipos de antenas, dependiendo del uso a que van a ser destinadas. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. Así vemos que la antena es un tipo de transductor. El algunos casos deben expandir la potencia radiada, otras veces tienen que canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios. 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

Antenas: Diseño de un sistema receptor o trasmisor

Felipe Andrés Peralta, Sofía Lozano Departamento de Electrónica

Pontificia Universidad Javeriana Bogotá, Colombia

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 2 es mucho mayor que la longitud de onda son directivas. Además de recibir o transmitir la energía, una antena en un sistema inalámbrico avanzado por lo general se requiere para optimizar o acentuar la energía de la radiación en algunas direcciones y reprimir en los demás. Así, la antena también debe servir como un dispositivo de dirección, además de un dispositivo de sondeo. La antena debe tomar varias formas para satisfacer la necesidad particular en cuestión, y puede ser un pedazo de alambre que conduce, una abertura, un parche, un conjunto de elementos (arreglo), un reflector, una lente, y así sucesivamente.

Para los sistemas de comunicación inalámbrica, la antena es uno de los más importantes componentes. Un buen diseño de la antena puede disminuir los requisitos del sistema y mejorar el rendimiento general del sistema. Un ejemplo típico es la televisión para la que puede ser la recepción general mejorado mediante la utilización de una antena de alto rendimiento. La antena sirve para un sistema de comunicación con el mismo fin que los ojos y lentes sirven para un ser humano. El campo de antenas es vigoroso y dinámico, y en los últimos 60 años la tecnología de antena ha sido un socio indispensable de la revolución de las comunicaciones. Muchos de los grandes avances que se produjeron durante este periodo son de uso común hoy en día, sin embargo, muchas más cuestiones y retos que enfrentamos hoy en día, sobre todo porque las demandas de prestaciones del sistema son aún mayores.

III. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Como ya conocemos cada uno de los fenómenos electromagnéticos están descritos por las leyes de Maxwell, y obviamente el funcionamiento de las antenas no es la excepción. Para la descripción de este concepto las leyes de Maxwell son validas considerando una respuesta en estado estable sinusoidal y medios homogéneos e isotrópicos.

!.! ∇ x ! = −!! − !"#!

!.! ∇ x ! = !! + !! + !"#!

∇ x ! = 0

∇ x ! =!!

En términos generales, la densidad de corriente impresa eléctrica (!!) y/o magnética (!!) en un volumen, produce la existencia de la intensidad del campo eléctrico ( !) y magnético ( ! ) en dicho volumen. Si las condiciones de frontera son las adecuadas en la frontera del volumen, entonces dichos campos pueden ser radiados al exterior.

IV. REGIONES DE UNA ANTENA

A) Región de Campo Cercano Reactivo: En esta región, los campos son campos predominantemente reactivos, lo que significa que tanto el campo eléctrico E y el campo magnético H están fuera de fase de 90 grados entre sí (recordemos que para la propagación de la radiación o los campos, los campos son ortogonales (perpendiculares) pero están en fase. El límite de esta región se da como:

! < 0.62!!

!

B) Región de Campo Cercano de Radiación: Esta región también es conocida con el nombre de “Región de Fresnell” o en ingles como “ Radiation Near-Field Region”. En esta región, los campos electromagnéticos no forman una onda TEM y por tal razón se forman transitorios espaciales en la radiación. En esta región, la dirección de radiación no es radial. La región se da comúnmente por:

0.62!!

!< ! <

2!!

!

C) Región de Campo Lejano de Radiación: Esta región también es conocida como la “Región de Franhofer” o en ingles como “Radiation Far-Field Region” o “FF”, es la región de operación normal de la antena y corresponde al sitio(s) espacial donde los campos electromagnéticos tienen una forma de movimiento TEM y por tal motivo la dirección de radiación es radial. La región se da normalmente por:

! >2!!

!

Figura 1

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 3 Conociendo la definición del vector de Pointing, el cual representa la densidad de potencia que viaja debido a una fuente de densidad impresa. Dicho campo indica con su magnitud el valor de dicha densidad y con su dirección hacia donde viaja la onda electromagnética en estado estable sinusoidal:

! =12!" ! ! !

Con esto es posible calcular la potencia radiada total escogiendo un volumen.

!"#$ = ! .!"

Con esto vemos el comportamiento en campo lejano de una Antena, radia un vector de Pointing de tipo radial y que depende del inverso del cuadrado de la distancia al origen. La intensidad de radiación indica que tan “intenso” es el vector de Pointing en la zona de campo lejano.

V. TIPOS DE ANTENAS

A) Antenas de Alambre: Estas Antenas de alambre son familiares para la mayoría de las personas, ya que se ven prácticamente en todas partes en los automóviles, edificios, barcos, aviones, naves espaciales, y así sucesivamente. Hay varias formas de las antenas de alambre, como un alambre recto (dipolo), bucle, y la hélice que se muestran en la Figura 2.1. Pueden adoptar la forma de un rectángulo, cuadrado, elipse, o cualquier otra configuración. El circuito circular es el más común debido a su simplicidad en la construcción. Las antenas de alambre, lineales o curvas, son de las mas simples, mas antiguas, mas económicas y en muchos casos el mas versátil para muchas aplicaciones. Otro tipo de antena simple, barato y muy versátil es la antena de bucle (loop). Estas Antenas pueden adoptar muchas formas diferentes, tales como un rectángulo, cuadrado, triángulo, elipse, círculo, y muchas otras configuraciones. Debido a la simplicidad en el análisis y la construcción, el bucle circular es el más popular y ha recibido la mayor atención. Se verá que un pequeño lazo (circular o cuadrada) es equivalente a un dipolo magnético infinitesimal cuyo eje es perpendicular al plano de la espira. Es decir, los campos radiados por un bucle eléctricamente pequeños circulares o cuadrados son de la misma forma matemática que los radiada por un dipolo magnético infinitesimal. Antenas de bucle (loop), Figura 2.2 se suelen clasificar en dos categorías, eléctricamente pequeñas y grandes eléctricamente. Antenas eléctricamente pequeñas son aquellos cuya circunferencia es por lo general menos de la décima parte de una longitud de onda (C <λ/10). Sin embargo, los lazos eléctricamente grandes son aquellos cuya circunferencia es de aproximadamente una longitud de onda en espacio libre (C ~ λ). La mayoría de las aplicaciones de las antenas de lazo en el HF (3-30 MHz), de ondas métricas (30-300 MHz) y UHF (300-3,000 MHz). Cuando se utiliza como sondas de campo, se encuentran las aplicaciones, incluso en el rango de frecuencias de microondas.

Figura 2.1

Figura 2.2

B) Antenas de Apertura: Estas Antenas de apertura pueden ser más familiares para la mayoría de las personas hoy que en el pasado debido a la creciente demanda de formas más sofisticadas de las antenas y la utilización de frecuencias más altas. Algunas formas de las antenas de apertura se muestra en la Figura 3.1. Antenas de este tipo son muy útiles para aplicaciones de aeronaves y naves espaciales, ya que pueden ser muy convenientemente montado al ras en la piel de la aeronave o una nave espacial. Además, se puede cubrir con un material dieléctrico para protegerlos de las condiciones peligrosas del medio ambiente. Las Antenas de apertura son más comunes en las frecuencias de microondas. Pueden adoptar la forma de una guía de onda o “Horn”, cuya apertura puede ser cuadrada, rectangular, circular, elíptica, o cualquier otra configuración. Antenas de apertura son muy prácticas para las aplicaciones espaciales. Este tipo de montaje no altera el perfil aerodinámico de la nave, que en aplicaciones de alta velocidad es fundamental. Uno de los más sencillos y, probablemente, la antena de

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 4 microondas más utilizado es la Antena “Horn”. La Antena Horn se usa ampliamente como un elemento de alimentación para la astronomía de radio grande, de localización por satélite, y los platos de comunicación que se encuentran instalados en todo el mundo. Además de su utilidad como alimento para los reflectores y lentes, es un elemento común de los arreglos de fase y sirve como un estándar universal para la medición de calibración y la ganancia de otras antenas de alta ganancia. Su aplicabilidad generalizada se debe a su simplicidad en la construcción, la facilidad de la excitación, la versatilidad, gran ganancia, y el rendimiento general preferido. Este tipo de Antena puede adoptar muchas formas diferentes, cuatro de los cuales se muestran en la Figura 3.2. La bocina no es más que un tubo hueco de diferentes secciones, que se ha afilado con una abertura más grande. El tipo, la dirección y cantidad de la forma cónica puede tener un profundo efecto en el rendimiento global del elemento como un radiador.

Figura 3.1

Figura 3.2

C) Antenas en Microstrip (Microcinta): Estas Antenas en (microcinta) Microstrip se hizo muy popular en la década de 1970 principalmente para aplicaciones en vehículos espaciales. Hoy en día se utilizan para aplicaciones gubernamentales y comerciales. Estas antenas consisten en un parche metálico sobre un sustrato de tierra, popularmente conocida como “Baquela”. El parche metálico que puede adoptar muchas configuraciones diferentes, las cuales se muestran en la figura 4.1. Sin embargo, los parches rectangulares y circulares, que se muestra en la Figura 4.2, son los más populares debido a la facilidad de análisis y fabricación, y sus características de radiación, sobre todo la radiación de baja polarización cruzada (cross-polarization). Las antenas microstrip son de bajo perfil, confortable a las superficies planas y no planas, simples y poco costosos de fabricar con la tecnología moderna de circuito impreso, mecánicamente robustas cuando se montan en superficies rígidas, compatibles con diseños MMIC, y muy versátil en cuanto a frecuencia de resonancia, la polarización, patrón de radiación y la impedancia. Estas antenas se pueden montar en la superficie de las aeronaves de alto rendimiento, vehículos espaciales, satélites, vehículos de misiles, y los teléfonos móviles. Principales desventajas operativas de las antenas de microcinta son su baja eficiencia, de baja potencia, alto Q (a veces en más de 100), la pureza de polarización pobre, pobre rendimiento de los análisis, la radiación de alimentación y ancho de banda muy estrecho, que es normalmente sólo una fracción de un por ciento, a lo sumo un pequeño porcentaje. En algunas aplicaciones, como en los sistemas de seguridad del gobierno, anchos de banda estrechos son deseables. Sin embargo, existen métodos, como el aumento de la altura del sustrato, que puede ser utilizado para ampliar la eficiencia (y tan grandes como 90 por ciento si las ondas superficiales no están incluidas) y ancho de banda (hasta un 35 por ciento). Sin embargo, a medida que aumenta la altura, las ondas superficiales son introducidas, que generalmente no son deseables, ya que extraer energía del total disponible para la radiación directa (ondas espaciales). Las ondas superficiales viajan en el sustrato y se encuentran dispersos en las curvas y discontinuidades de la superficie, tales como el truncamiento de la placa de dieléctrico y la tierra y degradan el diagrama de antena y características de la polarización.


Figura 4.1

Figura 4.2

D) Arreglo de Antenas: Muchas aplicaciones requieren características de radiación que puede no ser posible por un solo elemento. Puede, sin embargo, es posible que un conjunto de elementos radiantes en un arreglo eléctrico y de posición dará lugar a las características de radiación deseada. La disposición del arreglo puede ser tal que la radiación de los elementos se suma para dar un máximo de radiación en una dirección particular o direcciones. Ejemplos típicos de las matrices se muestran en la Figura 5.1. La ampliación de las dimensiones de los elementos individuales a menudo lleva a las características más directiva. Otra forma de ampliar las dimensiones de la antena, sin necesidad de aumentar el tamaño de los elementos individuales, es formar un conjunto de elementos radiantes en una configuración eléctrica y geométricas. Esta nueva antena, formada por multi-elementos, se conoce como un arreglo. En la mayoría de los casos, los elementos de una matriz son idénticos. Esto no es necesario, pero a menudo es conveniente, más simple y más práctico. Los elementos individuales de un

arreglo pueden ser de cualquier forma (cables, aberturas, loop, antenas tipo “Horn” etc.) El campo total de la matriz está determinado por la suma vectorial de los campos radiados por los elementos individuales. Esto supone que la corriente en cada elemento es el mismo que el del elemento aislado (despreciando acoplamiento). Esto no suele ser el caso y depende de la separación entre los elementos. En una serie de elementos idénticos, hay por lo menos cinco controles que se pueden utilizar para dar forma a la estructura general de la antena. Estos son:

• La configuración geométrica de la matriz general (esférica lineal, circular, rectangular, etc).

• El desplazamiento relativo entre los elementos. • La amplitud de la excitación de los elementos

individuales. • la fase de excitación de los elementos individuales.

Hay una gran cantidad de agrupaciones de antenas utilizadas para aplicaciones personales, comerciales y militares que utilizan elementos diferentes, incluyendo dipolos, bucles, aberturas, microcintas, bocinas, reflectores, etc. Un arreglo triangular de dipolos utilizado como una antena de estación-base para comunicaciones móviles se muestra en las figuras 5.2. En la figura 5.3 es una Antena clásica de los dipolos, conocido como el arreglo Yagi-Uda, y se utiliza principalmente para aplicaciones de TV y de radio básica. El arreglo de la figura 5.4 es también un conjunto de dipolos, que se conoce como la antena log-periódico, que se utiliza principalmente para la recepción de TV y tiene mayor ancho de banda que el arreglo Yagi-Uda, pero una directividad poco más pequeña. Una serie de bucles se muestra en la Figura 5.5 y un arreglo de antenas en microcintas se muestra en la Figura 5.6.

Figura 5.1


Figura 5.2

Figura 5.3

Figura 5.4

Figura 5.5

Figura 5.6

E) Antenas Reflectoras: Antenas reflectoras, de una forma u otra, han estado en uso desde el descubrimiento de la propagación de ondas electromagnéticas en 1888 por Hertz. Sin embargo, el arte de análisis y diseño de los reflectores de muchas formas geométricas diferentes no seguir adelante hasta los días de la Segunda Guerra Mundial, cuando numerosas aplicaciones de radar se desarrollaron. Tras las demandas de los reflectores para su uso en radioastronomía, la comunicación de microondas, y el seguimiento por satélite traducido en progresos espectaculares en el desarrollo de sofisticadas técnicas analíticas y experimentales en la configuración de las superficies del reflector y la optimización de la iluminación sobre sus aberturas a fin de maximizar la ganancia. El uso de antenas reflectoras para comunicaciones de espacio profundo, como en el programa espacial y, sobre todo su despliegue en la superficie de la luna, como resultado en el establecimiento de la antena de reflector casi como una palabra de uso común durante la década de 1960.

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 7 El éxito en la exploración del espacio ultraterrestre se ha traducido en el avance de la teoría de la antena. Debido a la necesidad de comunicarse a través de grandes distancias, formas sofisticadas de antenas tuvo que ser utilizado para transmitir y recibir señales de que tenían que viajar millones de kilómetros. Una forma muy común de antena para tal solicitud es un reflector parabólico se muestra en las figuras 6.1. Antenas de este tipo han sido construidas con diámetros tan grandes como 305 m. Dimensiones tan grandes son necesarios para alcanzar la elevada ganancia necesaria para transmitir o recibir señales después de millones de millas de viaje. A pesar que las Antenas reflectoras pueden tomar muchas configuraciones geométricas, algunas de las formas más populares son el plano, la esquina (corner), y los reflectores curvos (especialmente el paraboloide), como se muestra en la Figura 6.2.

Figura 6.1

Figura 6.2

E) Antenas de Lente: Las lentes se utilizan principalmente para enfocar la energía incidente divergentes para evitar que se propague en direcciones no deseadas. Para el correcto funcionamiento la configuración de la geometría y la elección del material adecuado de las lentes, pueden transformar las diversas formas de energía divergentes en ondas planas. Pueden ser utilizados en la mayoría de la misma solicitudes al igual que los reflectores parabólicos, especialmente en frecuencias más altas. Sus dimensiones y el peso son extremadamente grandes a frecuencias más bajas. Antenas de lentes son clasificadas según el material del que están construidos, o de acuerdo a su forma geométrica. Algunas formas se muestran en la Figura 7.1.

Figura 7.1

En resumen, una antena ideal es aquella que se irradia a todo el poder que le llegan del transmisor en una dirección deseada o direcciones. En la práctica, sin embargo, tales actuaciones ideal no se puede lograr, pero puede ser abordado de cerca. Varios tipos de antenas disponibles y cada tipo puede adoptar diferentes formas a fin de lograr las características de radiación necesario para la aplicación particular.


VI. PARAMETROS DE LAS ANTENAS

A) Directividad: “ La relación o el radio de la intensidad de radiación en una dirección dada de la antena sobre la intensidad de radiación promedio sobre todas las direcciones. La intensidad promedio de radiación es igual a la potencia total radiada por la antena dividido 4π” De la definición formal de la IEEE.

A partir de esta definición se tiene que la directividad es :

! !,! =! !,!!!"#$%&'#

=! !,!!"#$4!

Si la dirección !,! en la directividad no es especifica indica la directividad máxima:

! = !"#$ =!"# ! !,!!!"#$%&'#

=!"#$

!!"#$%&'#

Una antena que irradia igualmente en todas direcciones habría efectivamente cero direccionalidad, y la direccionalidad de este tipo de la antena sería de 1 (o 0 dBi). Antenas para teléfonos celulares deben tener una directividad baja porque la señal puede venir desde cualquier dirección, y la antena debe atraparla. Por el contrario, para señales satelitales, antenas parabólicas tienen una directividad muy alta, porque son para recibir señales a partir de una dirección fija. Por ejemplo, una antena (un plato) de “DirectTV”, debe decirle un punto fijo al cual debe apuntar para tener una potencia de la señal ideal. B) Ganancia de una Antena: Cuando se esta hablando de un sistema de comunicaciones puede ser mas importante referirlas características de radiación a la potencia de entrada de la antena. Entonces la ganancia se define como:

! !,! =! !,!!!"4!

y la ganancia máxima como:

!"#$ =!"# ! !,!

!"#4!

=!"#$

!!"#$%&'#

La proporción de la potencia de entrada en la antena (Pin) que no es radiada (Prad) debe ser absorbida por la antena y sus estructuras cercanas. Por lo anterior se define la eficiencia de radiación (apartado C), y con esto podemos definir el concepto de ganancia y ganancia máxima como:

!"#$ = !!!"# !"# 0 ≤ !! ≤ 1

! !,! = !!! !,!

!"#$ = !!!"#$ Antena Isotrópica: Se define como un radiador de bajas perdidas hipotéticas que tiene igual radiación o recepción en todas las direcciones. Esta antena no es físicamente realizable,

pero se pueden llegar a realizar aproximaciones con la ayuda de este modelo.

! !,! = 1

! !,! = 1

! !,! =!"#$4!

Antena Omnidireccional y Antena Directiva: Son dos tipos de antenas muy importante en comunicaciones inalámbricas y cuya clasificación es debido a la forma general de su patrón de radiación. La omnidireccional hace referencia a una antena que tiene la propiedad de radiar o recibir ondas electromagnéticas de forma no direccional en un plano específico (Azimuth o elevación) y direccional en algún otro plano. La antena direccional corresponde a una antena cuya propiedad es radiar o recibir ondas electromagnéticas mas eficiente en una dirección que en otras. C) Eficiencia de radiación de la Antena: Las perdidas de radiación de una antena se pueden considerar mayormente por las perdidas de conducción y las perdidas dieléctricas de la antena. Por tal, el coeficiente !!puede ser definido como la relación de la potencia disipada sobre la resistencia de radiación, dividido la potencia total disipada sobre la resistencia de entrada de la antena.

!! =!!

!! + !!

donde !! representa la resistencia de radiación de la antena y !! la resistencia de perdidas de la antena.

D) Patrón de Radiación: Se define como una función matemática o grafica que describe las propiedades de radicación o recepción de una antena como función del espacio de coordenadas. El valor de dicha función se mide a lo largo de una superficie con radio constante, se encuentra normalizado y es una parámetro en campo lejano. En la Figura 8.1 vemos el sistema de coordenadas para análisis de antenas.

Figura 8.1


• Patrón del campo (en escala lineal) por lo general representa una gráfica de la magnitud del campo eléctrico o magnético en función del espacio angular.

• Patrón de potencia (en escala lineal) por lo general representa una parcela de la plaza de la magnitud del campo eléctrico o magnético en función del espacio angular.

• Patrón de potencia (en dB) representa la magnitud del campo eléctrico o magnético, en decibeles, en función del espacio angular.

Los vemos en la siguiente Figura 8.2

Figura 8.3

El patrón de radiación se mide a una distancia en campo lejano siguiendo una superficie esférica de radio constante.

! !,! =! !,!!"#$

=! !,!!"#$

=! !,!!"#$

En el patrón de radiación se distinguen varias regiones especificas, Figura 8.4:

• Lóbulo de Radiación: Porción del patrón de radiación limitada por regiones mínimas de intensidad de radiación.

• Lóbulo Mayor: Lóbulo de radiación que contiene la dirección de máxima radiación de la antena.

• Lóbulo Menor: Lóbulo de radiación que contiene la dirección de mínima radiación de la antena. Son de gran importancia porque captan la radiación de ondas en direcciones no deseadas.

• Lóbulo Lateral: Lóbulos de radiación adyacentes al principal. Estos lóbulos son de gran importancia porque captan señales de sistemas localizadas en la vía de propagación.

• Lóbulo Trasero (Back lobe): Lóbulo de radiación que queda a 180º con respecto al lóbulo principal de la antena. Es de especial importancia, ante ondas que puedan tener ecos y crear efectos fantasma.

Figura 8.4

Para poder ver el concepto claramente se presentara un ejemplo con un arreglo de antenas realizado en EZNEC (software para poder ver el patrón de radiación en azimuth y en tres dimensiones y otros parámetros de la antena) y también miraremos el patrón con ayuda de Matlab; así nuestro ejemplo es para una antena a 300MHz, una potencia de radiación igual a 1, A es la amplitud y ! la fase. A igual a 1 y ! = ! y ! = !!

!.

Se realizo primero la simulación en Matlab. Figura 8.5 phi=[0:1:360].*(pi/180); I1=1*exp(i*pi); I2=1; m=(abs(1+I2./I1.*exp(-i.*pi.*3.*cos(phi)))).^2; polar(phi,m,'y') title('Primer Arreglo')


Figura 8.5

Ahora se realiza la simulación en EZNEC en dos dimensiones, Figura 8.6 y en tres dimensiones Figura 8.7

Figura 8.6

Figura 8.7

E) Impedancia de entrada de la Antena: “La impedancia presentada en una antena en los terminales definidos como entrada o la relación de voltaje y corriente en el par de terminales definidos como entradas o la relación apropiada de componentes del campo eléctrico y magnético en los puntos definidos como entrada”. De la definición formal de la IEEE.

Así la impedancia esta representada como:

!! = !! + !!!

!! = !! + !!

donde !! representa la resistencia de radiación de la antena y !! la resistencia de perdidas de la antena.

F) VSWR (Razón de onda estacionaria de voltaje) de una Antena: Proveniente de la teoría de líneas de transmisión, se define el coeficiente de reflexión en los terminales de entrada de una antena referido a una impedancia de referencia (característica) !!.

Γ! =!! − !!!! + !!

y con esto obtenemos:

!"#$ =1 + Γ!1 − Γ!

ya que el coeficiente de reflexión se encuentra en el intervalo 0 ≤ Γ! ≤ 1, entonces el VSWR se encontrara en el intervalo, !"#$ ≥ 1. Cuando la antena esta acoplada a la referencia, entonces el coeficiente de reflexión es cero y por ende el VSWR = 1.

G) Polarización de una Antena: La polarización de una antena describe la forma de la propagación de la onda radiada, y esta se define “ como la propiedad de una onda electromagnética que describe la dirección variando en tiempo y relativo a la magnitud de la intensidad del campo eléctrico; específicamente, la figura trazada como uno función del tiempo por la extremidad del vector en una localización del espacio fijo y el sentido en el cual este es trazado, como un observador a lo largo de la dirección de movimiento”. De la definición formal de la IEEE.

En la Figura 9.1 vemos polarización lineal, observando la dirección de la propagación en un tiempo fijo.

Figura 9.1

Como tal encontramos tres clases diferentes de polarización, lineal, horizontal o vertical, polarización circular, derecha o a

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 11 izquierda y la polarización elíptica, a derecha o a izquierda. Figura 9.2.

Figura 9.2

El concepto de polarización de una antena es muy importante por dos factores, primero porque entre dos puntos A y B, con la misma frecuencia y al mismo tiempo, es posible establecer una comunicación exitosa si las señales enviadas tienen el mismo tipo de polarización separado entre la derecha y la izquierda. Segundo, en la practica, la onda electromagnética radiada de una antena tiene diferentes polarizaciones en las diferentes porciones del patrón de radiación. Por tal motivo es posible tener perdidas en la comunicación debido a desacoplamientos entre la polarización de la antena y la polarización de la onda electromagnética. Por ejemplo la mayoría de aplicaciones celulares tiene polarización vertical, las aplicaciones satelitales como tiene que pasar la ionosfera la señal en cual es un medio anisótropico e variante con el tiempo entonces debe tener un polarización circular para que no se pierda información en el envió y recepción de datos, la aplicación de Wi-Fi comúnmente tiene polarización circular para poder distribuir la señal en el lugar donde se necesite. H) Ancho de banda de una antena: Este parámetro usualmente se define como el rango de frecuencias aceptables de desempeño de una antena por medición de uno o mas parámetros de desempeño. El parámetro HPBW (Half Power Bandwidth), es el único parámetro que no esta directamente relacionado a variaciones en frecuencia sino al rango en grados o radianes del patrón de radiación comprendido entre el máximo y la mitad de su máxima radiación.

I) Ecuación de Friss: La ecuación de Friss relaciona la potencia recibida en un receptor con la potencia trasmitida por un trasmisor cuando se utilizan antenas y bajo condiciones de campo lejano. Figura 10.1

Figura 10.1

La densidad de potencia en campo lejano a una distancia R debido al transmisor esta dada por:

!" =!"#" !",!"

4!!!

el área efectiva se define:

!! = !" !",!"!!

4!

así con esto anteriormente nombrado obtenemos la ecuación de Friss que solo es valida en campo lejano y en el espacio libre: !"!"

=!4!"

!

!" !",!" !" !",!" 1 − Γ! ! 1 − Γ! !

J) Elementos adicionales para tener en cuenta:

• Tamaño físico de la antena. • Peso de la antena. • Manejo de potencia máximo. • Condiciones ambientales y protecciones (descargas). • Materiales de construcción. • Lugar donde se vaya a implementar. • Factores climáticos.

VII. CONCLUSIONES

Para los sistemas de comunicación inalámbrica, la antena es uno de los más importantes componentes. Un buen diseño de la antena puede disminuir los requisitos del sistema y mejorar el rendimiento general del sistema. Un ejemplo típico es la televisión para la que puede ser la recepción general mejorado mediante la utilización de una antena de alto rendimiento. La antena sirve para un sistema de comunicación con el mismo fin que los ojos y lentes sirven para un ser humano. Muchos de los grandes avances en la tecnología de antenas

Medios de Transmisión, Abril 18, 2011. Bogotá, Colombia. 12 que se han completado en la década de 1970 hasta la década de 1990, los que estaban en marcha a principios de 1990, y las señales de futuros descubrimientos y los avances fueron capturados en una edición especial de los procedimientos de la IEEE (Vol. 80, No. 1, enero de 1992) dedicado a las antenas. El campo de antenas es vigoroso y dinámico, y en los últimos 60 años la tecnología de antena ha sido un socio indispensable de la revolución de las comunicaciones. Muchos de los grandes avances que se produjeron durante este periodo son de uso común hoy en día, sin embargo, muchas más cuestiones y retos que enfrentamos hoy en día, sobre todo porque las demandas de prestaciones del sistema son aún mayores. Los procedimientos que hacemos hoy en día, para hace unos años hubieran podido ser una utopía, pero con ayudas tecnológicas y avances como los de el desarrollo de las antenas podemos tener esas cosas que considerábamos utopías y hoy tenerlas como una aplicación mas de nuestras vidas.

VIII. REFERENCIAS

[1] IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vols. AP-17, No. 3, May 1969; AP-22, No. 1, January 1974; and AP-31, No. 6, Part II, November 1983. [2] C. Balanis, "Antenna Theory: Analysis and Design", Third Edition, 2005. [3]W.L. Stutzman, "Antenna Theory and Design, 2nd Edition", Second Edition, 1997. [4] http://www.antenna-heory.com/spanish/antena.php

[5]http://www.analyzemath.com/antenna_tutorials/introduction_antennas.html

[6] http://wndw.net/pdf/wndw-es/chapter4-es.pdf

[7] Apuntes de clase. Transmisión electromagnética. Ing. Carlos Ivan Paez. 2010.

[8] Apuntes de clase. Medios de transmisión. Ingeniero Carlos Ivan Paez.

[9]http://antenasparatodos.blogspot.com/2008/05/polarizacin.html

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