PARÁMETROS DE ANTENAS Contenido 1.- ¿Qué es una antena? 2.- Polarización de la antena. 3.- Campo de radiación lejano. 4.- Diagrama de radiación. 5.- Densidad de potencia. 6.- Directividad y ganancia. 7.- Impedancia de antena.
Objetivos Definir los parámetros espaciales y eléctricos de una antena. Interpretar los patrones de radiación para tipos comunes de antenas. Última modificación: 9 de marzo de 2011
Tema 4 de: ANTENAS Y PROP PRO PAGACIÓN
Edison Coimbra G.
1.- ¿Qué es una antena? Una antena es un transductor
Es un “conversor ” entre dos medios.
La antena convierte la energía electromagnética de una línea (cable) en potencia electromagnética radiada en el espacio libre.
Las diversas
características de la antena determinan la eficacia de esa conversión.
Tipos de antenas según su forma Tienen formas variadas, hay antenas de hilos (dipolos), de apertura (bocinas), y aún más complejas como las parabólicas. En todo caso, siempre se conectan a una línea de transmisión a través de un par de terminales que será la entrada a la antena.
Requerimientos de diseño de antena ¿Qué aspectos deben considerarse? Las antenas se diseñan para conseguir una fuerte radiación. Deben considerarse dos aspectos.
1
2
Conseguir que la antena convierta en radiación la máxima energía que se le entrega. Por tanto, la antena no debe consumir energía. Concentrar la energía radiada lo más eficazmente posible de la forma requerida y en una dirección o direcciones preferentes. De este modo, se puede alcanzar un amplio margen de cobertura y reducir la potencia de transmisión.
Tipos de antenas según su radiación
Antena omnidireccional
Antena directiva Por tanto, la tecnología de la antena es una simple cuestión de ahorro de energía.
Tipos de antenas de comunicaciones Se distinguen 2 tipos 1 Antenas para estación base 2 Antenas móviles
Las antenas móviles se pueden dividir en:
1.- Antenas móviles (para vehículos) 2.- Antenas marinas (para embarcaciones) 3.- Antenas portátiles (para equipos portátiles) 4.- Antenas para aviación (para aeronaves)
Antena móvil se utiliza para designar
2.- Polarización de la antena Polarización lineal 1
En tecnología de antenas, polarización se refiere a la orientación de los campos E y H con respecto a la Tierra.
Si E es perpendicular a la Tierra, la onda está polarizada de modo vertical. Una antena vertical produce polarización vertical. Si la dirección no varía, la polarización es lineal.
2
Si E es paralelo a la Tierra, la onda está polarizada de modo horizontal. Una antena horizontal produce polarización horizontal .
Ejemplo
Onda radiada por una antena transmisora de TV con polarización vertical y horizontal:
La antena receptora debe tener la misma polarización
Ambas antenas deben
Polarización de la antena Polarización circular y elíptica
A veces el eje de polarización gira a medida que la onda se mueve por el espacio. Gira 360º por cada de recorrido.
Circular
Elíptica
Casos 1
Es polarización circular si la intensidad de E es igual en todos los ángulos.
2
Es polarización elíptica si la intensidad de E varía conforme cambia la polarización.
La polarización puede ser de mano derecha ( RHCP) o izquierda ( LHCP). Las ondas con polarización circular se reciben bien con antenas con polarización vertical, horizontal o circular. La radiodifusión comercial FM, por ejemplo, utiliza polarización circular.
Ejercicio 1
Polarización. Una onda de radio se propaga de tal manera que su campo magnético es paralelo con el horizonte. ¿Cuál es su polarización? Vertical
3.- Campo de radiación lejano ¿Qué es el campo lejano? El análisis de radiación de una antena se efectúa en la región de campo lejano (a una distancia de varias ). En general, un receptor está a mayor distancia.
Frentes de onda La onda radiada tiene forma esférica. Los frentes de onda son esferas centradas en el centro de la antena y la amplitud y fase dependen de la distancia a la antena, que es el radio de la esfera. En campo lejano, el frente de onda parece ser casi plano, como si fuese una onda plana uniforme.
Condición
El campo E no tiene componente en la dirección de propagación, es perpendicular.
La región de Fraunhoffer se
Impedancia del espacio libre ¿Qué es la impedancia característica? Una onda electromagnética que se propaga por el espacio consiste en campos E y H que varían juntos, en tiempo y espacio. La razón entre las intensidades de ambos campos se conoce como impedancia característica del espacio libre y se expresa en .
Ley de Ohm para circuitos y para ondas
En el espacio libre
Con base en la teoría
4.- Diagrama de radiación ¿Qué es el diagrama de radiación? Una antena es capaz de orientar la energía radiada en determinadas direcciones del espacio. La radiación se concentra en un patrón con forma geométrica reconocible, que se puede representar con un diagrama de radiación o de campo.
Coordenadas esféricas Los diagramas de radiación son cantidades tridimensionales que involucran la variación del campo E como una función de las coordenadas esféricas θ y . Este es un diagrama de radiación de rad io r proporcional a la intensidad de campo en la dirección θ y . El diagrama tiene el lóbulo principal (radiación máxima) en la dirección z (θ = 0º) y los lóbulos menores (al lado y atrás) en otras direcciones.
El patrón de radiación es la forma característica
Diagrama de plano principal ¿Qué es el diagrama de plano principal? Para ver cómo radia una antena, se elimina la dependencia con el radio (r ) y se trazan diagramas en función de las coo rdenadas polares θ y : Estos diagramas se representan en cortes denominados d i a g r am a s d e p l a n o p r i n c i p a l (planos X ─ Z y Y─Z). Se representan normalizados respecto al valor máximo (y en dB).
Ejemplo
Patrón de radiación de una antena dipolo.
Diagrama 3D de una antena dipolo.
Diagrama polar en el plano X ─ Z (el del plano Y─Z es similar).
Parámetros espaciales ¿Qué son los parámetros espaciales? En el diagrama de la antena se definen los parámetros que describen su comportamiento y permiten especificar su funcionamiento. Son cantidades escalares necesarias para diseñar antenas directivas.
Descripción de los parámetros 1
2
Dirección de apuntamiento (θ0 = 30º). Dirección que corresponde al máximo de radiación de la antena.
Son cantidades de un solo valor
Lóbulo principal. Margen angular correspondiente a la zona próxima al máximo y comprendido entre éste y los mínimos relativos que lo rodean.
3
Ancho de haz. Ancho del lóbulo principal entre puntos de ─ 3 dB (BW3dB = 20º). Margen
4
Nivel de lóbulo secundario (SLL). El mayor de los máximos secundarios medido respecto
5
Relación frente ─ atrás (F/B). Relación en dB de la radiación principal a la obtenida en la
angular entre las dos direcciones próximas al máximo principal cuya amplitud está 3 dB por debajo del máximo. al máximo principal, en dB.
dirección opuesta.
5.- Densidad de potencia Para circuitos se define la ecuación de potencia
Para ondas en el espacio se define la densidad de potencia
En términos físicos, la densidad de potencia S en el espacio es la cantidad de potencia que fluye por cada m2 de una superficie perpendicular a la dirección de propagación. El producto vectorial de los vectores de campo E y H corresponde al módulo del Vector de Poynting, que en condiciones de campo lejano apunta siempre en la dirección de propagación.
Si E y H son ortogonales, el producto
Densidad de potencia de un radiador isotrópico ¿Qué es el radiador isotrópico y en qué se usa? Sería inútil hablar de antenas si no se tiene algo con qué compararlas. Por eso se creó una antena imaginaria, el radiador isotrópico. Es una antena ideal perfectamente omnidireccional, que radia la señal en forma de esfera perfectamente uniforme, con la misma intensidad en todas las direcciones.
¿Qué densidad de potencia produce? Si se dibujara una esfera concéntrica al radiador, toda la energía radiada pasaría por la superficie de la esfera. En consecuencia, la densidad de potencia (Si ), en W/m2, sería la potencia radiada o transmitida ( P T ) entre el área de la superficie de la esfera (4πr 2).
Observe que la energía se dispersa sobre una superficie más grande a medida que aumenta la distancia.
Densidad de potencia de un dipolo estándar ¿Qué es el dipolo estándar y en qué se usa? Es una antena casi perfecta que también se usa como punto de comparación. Se construye bajo un control estricto de laboratorio, garantizando que su construcción, materiales y comportamiento sean idénticos a un estándar establecido para antenas dipolo.
¿Cómo es su patrón de radiación? Tiene una forma aproximada de figura 8 tridimensional, similar a un “ donut” sin agujero, donde las puntas de los brazos son puntos “sordos” hacia donde no radia. El dipolo estándar radia 1, 64 veces (2.15 dB) con mayor intensidad en la dirección de máxima radiación que un radiador isotrópico.
Densidad de potencia - Ejercicios Ejercicio 2 Intensidad de campo. Calcule la densidad de potencia que se requiere para producir una int ensidad de campo E de 100 V/m en el aire.
Respuesta. -
S = 26.5 W/m2
Ejercicio 3 Intensidad de campo. Una señal tiene una densidad de potencia de 50 mW/m2 en el espacio libre. Calcule sus intensidades de campo eléctrico y magnético.
Respuesta. -
E = 4,34 V/m
H = 11,52 mA/m
Ejercicio 4 Radiador isotrópico. Una potencia de 100 W se suministra a un radiador isotrópico. Calcule la densidad de potencia a un punto distante 10 km.
Respuesta. -
S = 79,6 nW/m2 . En términos de radio esta es una señal ba stante fuerte.
Ejercicio 5 Dipolo estándar . Una potencia de 100 W se suministra a un dipolo estándar. Calcule la densidad de potencia a un punto distante 10 km en la dirección de máxima radiación.
Respuesta. -
S = 130,5 nW/m2
Impedancia en el espacio libre = 377
Superficie de una esfera= 4 r 2
6.- Directividad y ganancia ¿Qué es la directividad de una antena? La directividad D es una indicación de la capacidad de la antena para conducir la potencia radiada hacia un “determinado emplazamiento”. Normalmente, se habla de antenas omnidireccionales y directivas.
Omnidireccional Una antena omnidireccional con gran directividad tiene un patrón de radiación similar a un “donut” sin agujero.
Directiva Una antena directiva de alta directividad tiene un patrón de radiación similar al cono de luz de un proyector.
Cálculo de la directividad y ganancia ¿Cómo se calcula la directividad D? La directividad D es la razón entre la densidad de potencia en la dirección de máxima radiación ( S) y la que radiaría un radiador isotrópico (Si ) con la misma potencia radiada (P T ).
Definición de ganancia G La ganancia G de una antena se define como G = η·D, donde η es el rendimiento de radiación que indica la eficacia de la antena. Por tanto, la ganancia comprende una posible pérdida. En la mayoría de las antenas la pérdida es tan baja que se puede considerar G = D.
Densidad de potencia de una antena directiva La ganancia G T de una antena transmisora de bajas pérdidas (η ≈ 1) es GT = D. Por tanto, su densidad de potencia se escribe:
Directividad y ganancia - Ejercicios Ejercicio 6 Antena Yagi. Una potencia de 100 W se suministra a una antena Yagi de 12 dBi. Calcule la densidad de potencia a un punto distante 10 km en la dirección de máxima radiación.
Respuesta. -
S = 1,26 W/m2 .
El dipolo tiene una ganancia de 2.15 dBi.
Ejercicio 7
Ganancia. Dos antenas tienen ganancias de 5.3 dBi y 4.5 dBd, respectivamente. ¿Cuál tiene mayor ganancia?
Respuesta. -
La de 4.5 dBd → 4.15 dBd + 2.15 = 6.65 dBi.
Ejercicio 8 Ganancia de dipolo. Una antena dipolo tiene una eficiencia de 85%. Calcule su ganancia en decibeles.
Respuesta. -
G = 1, 44 dBi
Ejercicio 9 Patrón de radiación. Determine la ganancia y el ancho de haz para la antena de la figura.
Respuesta. -
3dBd, 5.15 dBi, 70 o.
Patrón de radiación - Ejercicios Ejercicio 10 Ganancia. Determine la ganancia y el ancho de haz para la antena de la figura.
Respuesta. -
5dBi, 20 o.
Ejercicio 11
Ganancia. Para el patrón de antena en la figura, encuentre: a) La ganancia de la antena en dBi y dBd. b) La relación frente-atrás en dB. c) El ancho de haz para el lóbulo principal. d) La ganancia para el lóbulo menor más importante.
Respuesta. -
a)13.95 dBi, 11.8 dBd; b) 15 dB; c) 44o; d) –1.05 dBi.
dBi = dBd + 2.15
7.- Impedancia de antena ¿Cómo se modela eléctricamente la antena? Al conectar un generador a una antena, la relación de V e I en los terminales de entrada permite modelar la antena como una i m p e d a n c i a c o m p l e ja (Z A) que varía con la frecuencia. R . Res is ten ci a d e p é rd id as . Representa la potencia disipada en la superficie de los conductores o en elementos propios del diseño de la antena.
Circuito equivalente de la antena en transmisión
R r . Resistencia de radiación . Representa la capacidad de disipación de potencia mediante radiación al espacio, y que puede ser equiparada a una resistencia óhmica disipadora de potencia.
X A . Reactancia d e la antena . Representa la inductancia de los conductores que forman la antena y su capacitancia respecto al plano de tierra. Estas reactancias son responsables en los circuitos AC de pérdidas de potencia en forma de " pérdidas reactivas de potencia", que no disipan calor, pero que están ahí.
El dipolo tiene una resistencia
Resistencia de radiación del dipolo estándar El dipolo corto
Un dipolo corto de /10 << /2 tiene una impedancia compleja, que se calcula asumiendo que I 0 = 0 en los extremos y se incrementa linealmente a su máximo valor en las terminales, resultando una resistenc ia de radiación R r = 2 y una reactancia capacitiva 1 900 .
Impedancia del dipolo de /2 Si la longitud del dipolo aumenta, la reactancia disminuye y R r se incrementa. En la práctica, cuando un dipolo tiene exactamente λ /2 de longitud, su impedancia (Z A) está dada por:
Si disminuye la longitud de la antena en un 95% de λ/2, el dipolo se vuelve resonante, es decir, la impedancia se hace completamente resistiva: la resistencia de r adiación disminuye a 70 y la reactancia inductiva se vuelve cero.
El dipolo de 0.95( /2) tiene una
Relación de onda estacionaria SWR ¿Cómo se forma una onda estacionaria? Si la impedancia Z A de la antena no es igual que la impedancia Z 0 del cable, la antena refleja parte de la energía incidente a través del cable de alimentación hacia el transmisor, lo cual no es deseable. La suma de la onda incidente y su onda reflejada forman la onda estacionaria.
¿Cómo se calcula la ROE? La relación de onda estacionaria ROE o SWR (Standing Wave Ratio) se expresa en función de la impedancia característica y de la impedancia de la antena.
Ejemplo Normalmente, la impedancia característica del cable es de 50 Ω, por tanto, un dipolo de 70 produce una SWR = 1.4. Es importante que la SWR se acerque lo máximo posible a 1.0 obteniendo así la máxima potencia de transmisión P T de la antena.
Lo deseable es un
Transferencia de potencia – Cálculo rápido Porcentaje de energía reflejada Para SWR = 1, el % de energía reflejada es 0. Sin embargo, a medida que se pierde el acoplamiento, la energía reflejada aumenta. Cuando SWR = 1.5 es de 4 %. Para valores de SWR 2, el % de energía reflejada es <10 %, lo que significa que más del 90% llega a la antena. Para la mayor parte de las aplicaciones esto es aceptable. Para valores de SWR > 2, el % aumenta de manera espectacular, y deben tomarse medidas para reducir la SWR con el fin de prevenir un daño potencial.
Solución para SWR alto Algunos sistemas de estado sólido, cortan en forma automática cuando SWR > 2. Pero la solución práctica para reducir la SWR es aplicar técnicas de acoplamiento de impedancia.
La situación ideal se
Rendimiento de radiación Cálculo del rendimiento de radiación Las antenas se diseñan para resonar a la frecuencia central de la banda de utilización, puesto que así se facilita la adaptación de impedancias a la línea de transmisión que es siempre real. Por tanto X A = 0. Aún así, no toda la potencia entregada a la antena se traduce en potencia radiada. El cociente entre la potencia radiada y la entregada corresponde al r e n d i m i e n t o de radiación (η).
Ejercicio 12 Eficiencia de un dipolo. Una antena dipolo tiene una resistencia de radiación de 67 y una resistencia de pérdida de 5 , medidas en el punto de alimentación. Calcule la eficiencia.
Respuesta. -
η = 0.93 ó 93%.
Los conductores de la antena tienen una resistencia de pérdidas.
Las pérdidas óhmicas se producen por el efecto Joule.
SWR y transferencia de potencia - Ejercicios Ejercicio 13 Potencia radiada. Un transmisor con una salida de potencia de 100 W se conecta a una antena dipolo con una resistencia de radiación de 70 y una resistencia óhmica de 2 . a) ¿Cuánta potencia se radia al espacio? b) ¿Qué sucede con el resto de la potencia?
Respuesta. a) 97.2 W b) Se disipa como calor en la antena
Ejercicio 14 SWR. Una línea de 50 se conecta a una antena de 25 . Calcule la SWR.
Respuesta. - SWR = 2
Ejercicio 15 Impedancia del cable. Un cable coaxial de impedancia desconocida se conecta a dos cargas distintas, y la SWR se mide en cada caso. Con una antena de 75 de resistencia de radiación, la SWR mide 1,5. Con una carga de 300 , mide 2,67. Calcule la impedancia característica del cable.
Respuesta. -
Z 0 =
112
Ejercicio 16
SWR se calcule en función de las impedancias del cable y de la antena.
Potencia radiada. Un transmisor suministra 50 W a una antena a través de un cable con una SWR de 2:1. Determine la potencia radiada por la antena. Utilice la gráfica de % de potencia reflejada versus SWR.
Respuesta. -
P T = 44,4 W
El desacoplamiento produce
