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descripcion de antenas
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Fundamentos de Antenas
En los sistemas de comunicación inalámbricos se genera una señal de RF mediante
un transmisor y se envía al espacio libre, que en un tiempo determinado es captada
por un receptor.
La interfase entre el transmisor y el espacio libre, y entre éste y el receptor es la
antena. En el extremo de transmisor, la antena convierte la energía de (RF) radio
frecuencia en señal electromagnéticas capas de propagarse a grandes distancias; en
el extremo del receptor la antena capta las señales electromagnéticas y las convierte
en señales para el receptor.
Existe una gran variedad de tipo de antena usados en comunicaciones de radio y
todo se basa en unos cuantos conceptos clave.
Fundamentos de ondas de Radio
Las señales de radio reciben el nombre de onda electromagnética, ya que se
constituye de campo eléctrico y campo magnético.
Cuando se aplica voltaje a la antena se genera un campo eléctrico, y este voltaje
hace fluir una corriente en la antena, produciendo un campo magnético. Los campos
magnéticos, y eléctricos están en ángulos rectos uno en relación con el otro.
El campo electromagnético en antena se propaga por el espacio a grandes distancias.
Campo Magnético
Un campo magnético es un campo de fuerza invisible que produce un imán. La
antena es un tipo de electroimán, cuando fluye corriente a través de él, se genera un
campo magnético alrededor de un conductor.
En la figura 14-1 podemos ver el campo magnético o flujo, alrededor de un alambre
que conduce corriente.
La fuerza y dirección del campo magnético depende de la magnitud y dirección del
flujo de la corriente.
H = a la fuerza de un campo magnético producida por una antena de alambre.
H =
I = corriente en (A)
d = distancia al alambre (m)
H = Amperes vueltas por metro
Campo Eléctrico
El campo eléctrico es una fuerza invisible producida por la presencia de una
diferencia de potencia entre los conductores. En electrónica podemos tomar como
ejemplo el campo eléctrico que se genera entre dos placas de un capacitor cargado
como podemos ver en la figura 14-2.
F = es la fuerza de un campo eléctrico.
E =
q = carga entre los dos puntos (c)
E = permisividad
d = distancia entre los conductores (m)
E = volt. por metro
Permisividad: Es la constante dieléctrica del material entre los dos conductores. El
dieléctrico por lo regular es el aire o el espacio libre, el cual tiene un valor de E de
casi E de casi 8.85 x 10-12 ER.
ER = es la constante dieléctrica de medio.
Campo magnético y eléctrico en una línea de transmisión.
El campo magnético y eléctrico alrededor de una línea de transmisión de dos
conductores, lo podemos observar en la figura 14-3a se puede que los conductores
tienen polaridades opuesta.
Durante medio ciclo de la entrada de corriente alterna, un conductor es positivo y el
otro negativo; durante el semiciclo negativo la polaridad se invierte.
Esto significa que la dirección del campo eléctrico entre los conductores se invierte
una vez por ciclo. En la figura 14-3b es un ejemplo de un campo eléctrico entre
conductores.
La corriente que entra a un conductor es opuesta a la corriente que sale por el otro
conductor, generando campos magnéticos en cada uno en sentido contrario como se
puede observar en la figura 14-3c.
En la figura 14-4a podemos ver que los campos eléctricos asociados a un cable
coaxial y podemos ver que las líneas de campo eléctrico están contenidas en un
blindaje externo del cable.
En la figura 14-4b podemos ver los campos magnéticos combinados con un cable
coaxial.
Operación de una antena
Sabiendo que una antena actúa como la interfase entre un transmisor o receptor y el
espacio libre. Esta acción se efectúa al radiar o detectar un campo electromagnético.
Naturaleza de una antena
Si se deja abierta una línea de transmisión de conductores paralelos, los campos
eléctrico y magnético escapan del extremo de la línea y radian al espacio como
podemos ve en la figura 14-5a sin embargo esta radiación es ineficaz y no adecuada
para una transmisión o recepción confiables.
Se puede mejorar la radiación de una línea de transmisión, si se doblan los
conductores de la línea de transmisión de manera que queden en ángulo recto con
dicha línea. Esto lo podemos ver en la figura 14-5b. En este caso los campos
magnéticos no se cancelan y, de hecho, se ayudan uno a otro.
El campo eléctrico se separa de conductor a conductor como se observa en la figura
14-6. El resultado es una antena. La radiación óptima se presenta si el segmento de
conductor de transmisión convertido en una antena, es de un cuanto de longitud de
onda de la frecuencia de operación. Esto hace una antena de media longitud de onda
de largo.
Una antena es un conductor o par de conductora los cuales se aplica el voltaje de
corriente alterna en la frecuencia deseada.
En la figura 14-5 la antena esta conectada al transmisor mediante la línea de
transmisión empleada para formar la antena.
La antena generalmente se instala alejada del transmisor y el receptor usando una
línea de transmisión para transferir la energía entre la antena y el transmisor o
receptor.
Sin embargo, algunas veces es útil analiza una antena como si los conductores se
conectaran en forma directa al generador o transmisor, como podemos ver en la
figura 14-7.
En la figura 14-7a muestra un campo magnética para una polaridad del generador y
en la figura 14-7b aparece el campo eléctrico acompañante, la figura 14-7c y d
muestran los campos magnéticos y eléctrico respectivamente para la polaridad
opuesta del generador.
La relación de la intensidad del campo eléctrico de una onda radiada con la
intensidad del campo magnético es una constante, que recibe el nombre de
Impedancia del Espacio o Impedancia de Onda, su valor 377 .
Los campos resultantes son radiados al espacio a la velocidad de la luz (3x108 m/s).
La antena que esta radiando energía electromagnética aparece ante el generador
como una carga eléctrica resistiva ideal, de manera que la potencia aplicada se
consume como energía radiada.
Una antena puede tener también un campo reactivo. Este componente recibe el
nombre de Resistencia de Radiación de la Antena. Esta resistencia no disipa energía
en forma de calor, como en los circuitos eléctricos o electrónicos. En vez de esto la
potencia se disipa como energía electromagnética radiada.
Polarización: El termino polarización refiere a la orientación de los campos
magnéticos y eléctricos con respecto a la tierra.
Cuando un campo eléctrico es paralelo a la tierra, se dice que la onda
electromagnética esta polarizada horizontalmente.
Cuando el campo eléctrico es perpendicular a la tierra la onda esta polarizada de
modo vertical.
Reciprocidad de Antena
Cuando una antena tiene en relación a otra, la misma característica y funcionamiento
se dice que tiene reciprocidad.
En la mayor parte de los sistemas de comunicación, se usa la misma antena par
transmitir y para recibir, fenómeno que suele suceder en tiempos diferentes o de
manera simultanea, cuando lo hace de manera simultanea se usa un dispositivo
llamado diplexor, este se encarga de mantener la energía del transmisor fuera del
receptor en el momento de la acción.
Antena Básica
Una antena puede ser un tramo de alambre o una barra metálica, o bien un pedazo de
tubo. Hay muchos tipos de antena con tamaño y formas, diferentes. El tamaño del
conductor dependerá de la frecuencia de operación.
Las antenas radian con mayo eficacia cuando su longitud esta relacionada
directamente con la longitud de onda de la señal transmitida. Muchas antenas tienen
una longitud que es alguna fracción de la longitud de onda, siendo las más comunes
las de media onda y un cuarto de onda.
En la figura 4-9 muestra una onda estacionaria tal, que el voltaje es máxima al final
de la línea y la corriente es mínima. Un cuarto de onda hacia atrás del extremo
abierto, hay un mínimo de voltaje y un máximo de corriente como muestra la
segunda figura. Al dólar los conductores en ángulo recto con la línea de transmisión
en el punto del cuarto de onda, se forma una antena. La longitud total de la ante será
media onda o sea /4 + = en la operación de la frecuencia.
Hay que captar la distribución de voltaje y corriente de las ondas estacionarias en la
antena. En el centro, el voltaje es mínimo y la corriente máxima.
Tipos de antenas comunes
Todos los tipos más comunes de antenas que emplea la industria de comunicaciones
se basa en el dipolo básico y la mayor parte de ellos son alguna forma modificada de
dipolo de media longitud de onda.
Antena Dipolo
Uno de los tipos de antema más usados es el dipolo de media longitud de onda que
podemos ver la descripción en la figura 14-10. A esta antena también se le
denomina Antena Hertz en honor a Heinrich Hertz, quien demostró en primera
instancia la existencia de onda electromagnética. También se le llama doblete: Una
antena dipolo es dos tramos de alambre, barra o tubo que es de un cuarto de longitud
de onda en la frecuenta resonante de operación.
Los dipolos de alambre están soportados de vidrio, cerámica, o aisladores de plástico
en los extremos y en el centro como podemos ver en la figura 14-11. Los dipolos
autosoportados se hacen con barras de metal rígido o tubos.
Resistencia de Radiación
La línea de transmisión se conecta en el centro donde el dipolo debe tener 73 , este
valor representa la resistencia de radiación.
En la frecuencia de resonancia, la antena aparece como resistencia pura de 73 .
Para una transferencia máxima de potencia es importante que la impedancia de línea
de transmisión sea igual a la de la carga.
Cuando la resistencia de radiación de la antena se iguala a la impedancia y la SWR
(perdidas) es mínima y la antena alcanza el máximo de potencia.
Longitud del Dipolo
Para calcular una antena dipolo de una longitud de onda, se usa la formula:
= 984/f
Para calcular una antena dipolo de media onda, se usa la formula:
= 482/f
Como se produce efecto de punta en el extremo del dipolo cuando lo sostenemos
con aisladores la capacitancia producida en su extremo y este hace que se deba
acortar un poquito la longitud del dipolo en cada extremo.
La ecuación que debe usarse es:
L = =
L =
Resonancia de la Antena
Circuito resonante puede verse en la figura 14-13.
Cuando la frecuencia de operación y la longitud de la antena concuerdan, se dice
que el circuito equivalente es resonante.
Los circuitos resonantes tienen impedancia compleja, formada de componentes
resistivos y reactivos.
Ancho de Banda de la Antena
El ancho de banda de una antena lo determina la frecuencia de operación.
Antenas Cónicas
Otra forma de aumentar el ancho de banda es usar una versión de la antena dipolo
llamada antena cónica como podemos ver en la figura 14-4a muestra una vista plana
del costado de una antena cónica.
La longitud total de la antena es 0.73 de la longitud de onda o sea 0.73 (984) / f =
718.31/f.
La resistencia de radiación central de una antena cónica es mucho más alta que los
73 encontrado cuando se usan alambre recto o tubos, como conductores.
La impedancia central se obtiene por:
Z = 120 ln
Z= es la resistencia de centro de radiación a resonancia y el ángulo asociado con el
cono de la figura 14-4-b.
Para un ángulo de 30º, la impedancia central es Z = 120 ln = 120 ln (15) = 120
(2.7) = 352 .
Como los conos son difíciles de fabricar, en cambio existe la fabricación de la
antena corbata de moño que tiene forma parecida a la antena dipolo cónica, como
podemos ver en la figura 14-4-b y 14-4-c.
La principal ventaja de este tipo de antena es su gran ancho de banda, logran
mantener una impedancia constante y ganancia dentro de un intervalo de frecuencia
de 4:1. La longitud de la antena se calcula mediante frecuencia central de intervalo
a cubrir.
Ejemplo:
Una antena para cubrir el intervalo de 4:1 de 250MHz a 1GHz se
cortaría para una frecuencia:
1GHz = 1000MHz
250MHz
(1000+250)/2 = 1250/2 = 625MHz
Polarización del Dipolo
La mayor parte de los dipolos de media longitud de onda se forman en forma
horizontal a la tierra.
Esto hace al campo eléctrico horizontal a la tierra. De esta forma la antena queda
polarizada horizontalmente. En la práctica se prefiere montarla de esta manera para
frecuencias baja (< 30MHz) por la facilidad de construcción e instalación y al
mismo tiempo su conexión y orientación al transmisor y receptor.
Patrón de Radiación y Directividad
El patrón de radiación de cualquier antena es la forma de energía electromagnética
radiada de 0 recibida por la antena. La mayor parte de las antenas tienen
características direccionales que les hacen radiar o recibir energía en una dirección
especifica. Por lo común, la radiación se concentra en un patrón con forma
geométrica reconocible.
El patrón de radiación de una antena dipolo de media longitud de onda tienen forma
de dona. En la figura 14-15 se muestra el patrón con la mitad de la dona cortada y
retirada.
El dipolo está en el agujero del centro de la dona, mientras que la dona en sí
representan la energía radiada.
En una observación de arriba hacia abajo del dipolo, el patrón de radiación
aparecería en forma de 8, como muestra la figura 14-16. Este patrón de radiación
esta dibujado en un gráfico de coordenadas polares teniendo en cuenta que el centro
de la antena esta en el centro de la gráfica de la figura 14-16.
El dipolo está alineado con el eje de 90º a 270º, como se muestra, la máxima
cantidad de energía es radiada en ángulos rectos con el dipolo, a 0o y 180º. Por ello
el dipolo es lo que se llama Antena Direccional. Para transmisión y recepción
óptima, la antena deberá alinearse en forma transversal al destino de la señal fuente
de la misma.
Para una transmisión y recepción optima de la señal, las antenas transmisoras y
receptoras deben estar paralelas entre sí.
Siempre que una antena dipolo receptora se apunta hacia un transmisor, o viceversa
debe estar en ángulo recto con la dirección del transmisor. Cuando no esta de esta
forma orientada, no se recibirá la mayor parte de la energía.
Medida de Diversidad
En una antena es conocido el Ancho del Haz que corresponde a la medida de la
diversidad.
Es el ángulo del patrón de radiación dentro del cual se dirige o se recibe la energía
de un transmisor. El ancho del haz se mide en un patrón de radiación de la antena.
Los círculos concéntricos que se extienden hacia fuera del patrón, como se ve en la
figura 14-16 indican la intensidad relativa de la señal al alejarse de la antena.
El ancho del haz se mide entre los puntos que están 3db por debajo de la magnitud
máxima de la curva de radiación. Como se dio a conocer, la máxima amplitud del
patrón aparece a 0o y 180º, los puntos de 3db por abajo son de 70.7% del máximo.
El ángulo formado con dos líneas que van del centro de la curva a estos puntos de
3db, es el ancho del Haz es 90º. A menor ancho del haz, mayor será la
direccionalidad de la antena.
Ganancia de la Antena
La ganancia de antena del tipo dipolo es expresada como la relación de la potencia
de salida efectiva radiada, Psal, con la potencia de entrada, Pent. La potencia
efectiva radiada es la potencia actual que tendría que radiar una antena de referencia
(en general una antena no direccional o dipolo), para producir la misma intensidad
de señal en el receptor que produce la antena actual.
La ganancia de antena por lo general se expresa en decibeles.
db = 10 lg
La potencia radiada por una antena con directividad y, por lo tanto, ganancia se
llama Potencia Efectiva Radiada (ERP, effective radiated power). La ERP se
calcula al multiplicar la potencia del transmisor alimentada a la antena (P t) por la
ganancia en potencia (Ap) de la antena:
ERP = Ap Pt
Para calcular la ERP, debe convertirse de decibeles a relación de potencia o
ganancia.
La potencia de una antena por lo regular se expresa en referencia de un dipolo o de
un radiador isotropico.
Un radiador isotropico es una fuente puntual teórica de energía electromagnética.
Los campos eléctricos y electromagnéticos radian hacia fuera en todas direcciones
desde la fuente puntual y, a cualquier distancia dada de la fuente puntual, los campos
forman una esfera. Para visualizar esto, se debe pensar en un foco de luz al centro
de un globo del mundo y la luz que ilumina la parte interior de la esfera como la
energía electromagnética.
En el campo cercano de la antena, definido como parte del campo de menos de 10
longitudes de onda de la antena en la frecuencia de operación, una porción del área
de la superficie en la esfera se ve como la que describe la figura 14-17. En el campo
lejano, 10 ó más longitudes de onda de la antena en la frecuencia de operación, una
porción del área de la superficie en la esfera se ve la que describe la figura 14-17.
En el campo lejano, 10 ó más longitudes de onda distante de la fuente, la esfera es
tan grande que un área pequeña aparenta ser plana en vez de curva, como en una
pequeña área de tierra aparenta ser plana de radiación con los campos eléctricos y
magnéticos en ángulos rectos entre sí.
No hay antena que radie isotopicamente; en vez de esto, la radiación se concentra en
un patrón específico, como muestran las figuras 14-15 y 14-16. Esta concentración
de energía electromagnética aumenta la potencia de radiación sobre un área de su
antena sobre un radiador isotropico.
La mayor partes de las formulas para ganancia de antena están expresadas en
términos de ganancia de antena están expresadas en términos de ganancia en
decibeles sobre un dipolo. Para calcular la ganancia de una antena con respecto a un
radiador isotrópico agregue 2.15 db a la ganancia sobre un dipolo. En general, a
mayor concentración de energía en una antena, mayor será la ganancia.
Antena vertical Marconi con plano de tierra
En la figura 14-19 nos presenta una vista lateral de un dipolo vertical, que muestra el
patrón de radiación en forma de Dona. La mitad del patrón esta bajo la superficie de
la tierra. Este fenómeno se llama Patrón de Radiación Vertical.
En la figura 14-21 se observa que los radiales están inclinados y esto proporciona un
ajuste a la impedancia de la antena.
La ventaja de esta antena es que tiene características de polaridad vertical y
omnidireccional también tiene la ventaja de su longitud.
Por ejemplo: Una antena de media longitud de onda para una frecuencia de 2MHz
tendría que ser 468/f = 468/2 tendremos como respuesta 234 pies (71.32m).
Construir una antena vertical de 71.32m significa un problema estructural mayor ya
que requeriría de un soporte de cuanto menos esa longitud.
Una alternativa es usar una antena vertical de un cuarto de longitud de onda, cuya
longitud sólo tendrá 234/ = 117 pie (35.66m). Por esto la mayor parte de los
transmisores de baja frecuencia utilizan configuraciones verticales de un cuarto de
longitud de onda.
En la figura 14-22 presenta una antena con un inductor de carga. Cuando una antena
no es posible hacer antena de un cuarto de longitud de onda completa, si se usa
antena mucho más corta y se añaden componentes eléctricos para concentrarla y
compensarla en su longitud.
Cuando se confecciona una antena de menos de un cuarto de longitud de onda, el
efecto práctico es una inductancia disminuida. De esta manera la antena no resuena
en la frecuencia de operación deseada, sino en una frecuencia más alta. El inductor
de carga trae de nuevo a la antena o su frecuencia de resonancia deseada.
En la figura 14-24 podemos ver otro tipo de antena vertical acortada.
La antena omnidireccional: Es aquella que montada horizontalmente o
verticalmente transmite la mis energía o sea que puede enviar y recibir mensajes en
cualquier dirección.
La directividad: Es la habilidad de una antena para enviar y recibir señales dentro
de un margen direccional horizontal angosto.
Las antenas direccionales proporcionan mayor eficacia en la transmisión de energía.
Con antenas omnidireccionales, la energía transmitida se radia en todas direcciones
y solo la recibe una pequeña cantidad de energía mediante la estación deseada; el
resto es, en efecto, desperdicio. Si la antena se vuelve direccional, la energía del
transmisor puede enfocarse en un haz angosto dirigido hacia la estación deseada.
En la figura 14-25 muestra el patrón de diversidad de una antena altamente
direccional. El lóbulo más grande representa la curva de respuesta principal la curva
de respuesta principal la máxima recepción y radiación esta en la posición del
ángulo Oo.
Los otros lóbulos reciben el nombre de lóbulos menores.
En la figura 14-25-b muestra una visión tridimensional del patrón de la figura 14-25-
a.
En la antena direccional la ganancia se calcula como:
db = 10 log
Ptrans = Potencia transmitida
Pent = Potencial de entrada
db = Ganancia en decibeles
La relación entre Directividad y Ganancia
La relación entre la ganancia y la directividad de una antena se expresa de manera
matemática por la formula.
B =
B = ancho de haz de la antena, en grado
X = ganancia en potencia de la antena en decibeles dividida entre 10(x=db/10)
Ejemplo: El ancho de haz de una antena con una ganancia de 15db sobre un dipolo
se calcula como sigue.
(X = db/100 = 15/10 = 1.5)
B = = = = 36.1º
B = 36.1º
La ganancia se calcula
X = 2 log
El ancho de haz de una antena de ganancia desconocida puede medirse en el campo,
y luego calcularse la ganancia. Suponga, por ejemplo un ancho de haz medido a-
3db de 7º. La ganancia es:
X = 2 log = 2 log 29 = 2 (1.462) = 2.925
X = 2.925
Como X = db/10 luego db = 10X, por lo tanto la ganancia en db es 2.925 x 10 =
29.25db.
Para crear una antena con directividad y ganancia, se cambia dos o más elementos
de antena para una red. Se usan dos tipos básicos de sistema de antena para obtener
ganancia y directividad: Sistema parásitos y sistemas de elementos excitados.
Un sistema parasito: consta de una antena básica conectada a una línea de
transmisión más o uno más conductores adicionales que no están conectados a la
línea de transmisión. Estos conductores extras se llaman elementos parásitos y la
antena misma se le llama elemento excitado. Por lo general, el elemento excitado es
un dipolo de media onda a alguna variación.
Los elementos parásitos son un poco más largo que y ligeramente más corto que
media longitud onda. Estos elementos parásitos se colocan en paralelo con cerca de
los elementos excitados. Un arreglo común se ilustra en la figura 14-26.
El reflector, un elemento parasito que por lo regular es 5% más largo que el
elemento excitado de media longitud de onda, esta espaciado del elemento excitado
por 0.25 de la longitud de onda de la antena.
Cuando la señal que radia el elemento excitado llega al reflector, induce un voltaje
en el reflector y éste, a su vez, produce alguna radiación. Debido al espaciamiento
la radiación del elemento excitado. En consecuencia la señal reflejada se suma a la
señal del dipolo, creándose un haz más fuente y más altamente enfocado en la
dirección del elemento excitado.
Los directores se colocan al frente del elemento excitado y espacios entre casi uno o
dos décimas de longitud de onda del elemento excitado. La señal que radia dicho
elemento causa un voltaje inducido en el director, luego la señal radiada por el
director se suma en fase a la radiada por el elemento excitado. Luego tenemos un
incremento de la señal enfocada, un ancho de haz más angosto y mayor ganancia de
antena en la dirección del director.
Una antena construida de un elemento excitado y uno o más elementos parásitos por
lo regular se llama Antena Yagi, en honor a uno de sus inventores. Los elementos de
construcción de la antena por lo regular se hace con tubos de aluminio y se montan
en un miembro cruzado de aluminio o brazo.
Como los centros de los elementos parásitos son eléctricamente neutros, estos
pueden conectarse de manera directa al brazo. Para mejor protección a descargas
eléctricas, el brazo también puede conectarse al mástil de metal y a la tierra
eléctrica. Cuando la antena tiene esta configuración a esta se le llama antena de Haz
(Beam Antena) porque es bastante direccional y tiene una ganancia muy alta.
En la figura 14-26 se muestra una antena Yagi de tres elementos, que muestra en la
forma que esta construida, y esta antena tiene una ganancia de 8 db cuando se
compara con un dipolo de media longitud de onda. La Yagi más sencilla es un
elemento excitado y en reflector con una ganancia de unos 3db sobre un dipolo.
La mayor parte de los Yagi tienen un elemento excitado, un reflector y de 1 a 20
directores. A mayor numero de directores, mayor es la ganancia y más angosto el
ángulo de haz.
La relación de eficiencia direccional frente-atrás (F/B) se calcula:
F/B = 10 lg db
Pf = potencia hacia enfrente
Pb = potencia hacia atrás
Sistemas Excitados
Otro tipo de antena direccional es el sistema excitado, antena con dos o más
elementos excitados. Cada elemento recibe energía de RF de la línea de transmisión
y diferentes arreglos produciendo diferentes grados de directividad y ganancia. Los
tres tipos básicos de sistemas excitados son colineales, de radiación transversal y de
radiación longitudinal. Un cuarto tipo es el de amplio ancho de banda, antena
logarítmica periódica.
Ver figura 14-28, figura 14-29
Figura 14-30, figura 14-31, figura 14-32.
Acoplamiento de impedancia
Uno de los aspectos más importante de cualquier sistema de antena es asegurar la
máxima transferencia de potencia del transmisor a la antena.
Una parte relevante de esto es, por supuesto la misma línea de transmisión. Cuando
la impedancia característica de la línea es igual a la impedancia de salida del
transmisor y la impedancia de la antena, la SWR será 1:1 y tendrá lugar la máxima
transferencia de potencia.
