TEORIA DE ANTENAS
Dipolo: Es una antena con alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son las más simples desde el punto de vista teórico. Tipos de dipolos Dipolo simple En su versión más sencilla, el dipolo consiste en dos elementos conductores rectilíneos colineales de igual longitud, alimentados en el centro, y de radio mucho menor que el largo. La longitud del dipolo es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de resonancia del dipolo, y puede calcularse como 150/frecuencia (MHz). El resultado estará dado en metros. Dipolo en V invertida Es un dipolo cuyos brazos han sido doblados el mismo ángulo respecto del plano de simetría. Tiene la forma de una V invertida. La realización exige algunas precauciones. Autores como Brault y Piat recomiendan que el ángulo de la V no sea inferior a 120 grados, y que los extremos de la V estén lo más lejos posible del suelo; la proximidad de los extremos a la tierra induce capacidades que alteran la frecuencia de resonancia. Dipolo doblado Es un dipolo cuyos brazos han sido doblados por la mitad y replegados sobre sí mismos. Los extremos se unen. La impedancia del dipolo doblado es de 300 Ohm, mientras que la impedancia del dipolo simple en el vacío es de 73 Ohm. El dipolo doblado es, en esencia, una antena única formada por dos elementos. Un elemento se alimenta en forma directa, mientras que el otro tiene acoplamiento inductivo en los extremos. Cada elemento tiene media longitud de onda de largo. Sin embargo, como puede pasar corriente por las esquinas, hay una longitud de onda completa de corriente en la antena Dipolo de brazos plegados
Es un dipolo cuyos brazos tienen una pequeña parte del extremo parcialmente plegada. Eso hace que se economice espacio, a costa de sacrificar parcialmente la eficiencia del dipolo. Dipolo eléctricamente acortado Es un dipolo en el cual un segmento de cada brazo (por ejemplo, el tercio central) es reemplazado por un solenoide. Eso hace que el dipolo sea mucho más corto, pero a costa de sacrificar otras cualidades del dipolo original, como la eficiencia, la impedancia y el ancho de banda. Una Antena es un elemento que convierte la energía eléctrica de alta frecuencia, entregada por el transmisor, en ondas electromagnéticas que pueden viajar por el espacio, llevando la información hacia uno o varios receptores. Cuando Hertz realizó sus primeros experimentos sobre la transmisión inalámbrica de ondas electromagnéticas, empezó a utilizar las antenas. Pero las antenas, tal como las conocemos hoy, se originaron en los experimentos de Marconi y Popov, que desarrollaron las primeras tecnologías sobre este importante aspecto de las radiocomunicaciones. Una antena es básicamente un pedazo de material conductor que está conectado al transmisor. Este conductor es generalmente un alambre de cobre o una varilla de aluminio, material muy utilizado debido a su buena resistencia y bajo peso. Para que una antena cumpla su función correctamente, debe tener un determinado tamaño, forma y estar construida con materiales especiales. Las antenas se basan en el principio de la radiación producida al circular una corriente eléctrica por un conductor. Esta corriente produce un campo magnético alrededor del conductor, cuyas líneas de fuerza están en ángulo recto con respecto al conductor y su dirección está determinada por la dirección de la corriente. Este campo magnético es variable y sigue las mismas ondulaciones de la corriente eléctrica de alta frecuencia que se le entrega a la antena. Cuando el transmisor entrega la señal de corriente alterna, ésta aumenta desde cero voltios hasta su máximo valor. Así al llegar al pico máximo de voltaje, la antena adquiere una carga eléctrica positiva. Esta carga produce a su alrededor un campo eléctrico. Cuando la señal de corriente alterna empieza a decrecer de su máximo valor hacia cero, el campo eléctrico también decrece. Por lo mismo se puede concluir que en una antena existen un campo eléctrico y un campo magnético simultáneos que siguen las variaciones de la señal entregada a ella, y que además son perpendiculares entre sí. Así resulta una radiación de energías eléctrica y magnética que se unen para formar las ondas electromagnéticas.
El tipo de antena más sencillo consiste en un conductor de suficiente longitud para permitir que la carga eléctrica se desplace de un extremo a otro y viceversa durante cada ciclo de la señal de radiofrecuencia. Se dice entonces que ese conductor es una antena de 1/2 longitud de onda. Hay dos tipos principales de antenas: La antena tipo Hertz, que consiste en una antena horizontal aislada de la tierra con un tamaño de 1/2 longitud de onda de la frecuencia que se desea transmitir. Esta antena está formada por dos alambres y recibe popularmente el nombre de antena dipolo. El otro tipo de antena es el tipo Marconi, que utiliza como uno de sus polos la tierra, y mide 1/4 de la longitud de la onda para transmitir. Este tipo de antena se monta en forma vertical (l/4). Las antenas poseen diferentes características con las cuales se puede medir su calidad. Las principales características que se deben tener en cuenta son: Impedancia, directividad, ganancia, polarización, y el ancho de banda. Impedancia de una Antena El valor de la impedancia de una antena es la resistencia que ésta presenta en su punto de conexión a la señal de corriente alterna que le llega del transmisor por la línea de transmisión. Esta impedancia debe ser igual a la impedancia de la línea de transmisión para que haya una máxima transferencia de energía. Cuando la impedancia de la antena es de un valor diferente se utilizan bobinas o transformadores con el fin de acoplar esas impedancias. Directividad De acuerdo a su posición y forma, una antena irradia la energía entregada por el transmisor en una disposición específica. Esta disposición recibe el nombre de patrón de radiación o directividad. Según este parámetro, existen dos grupos de antenas: Las antenas omnidireccionales, que son las que irradian las ondas en forma casi uniforme en todas las direcciones, y las antenas direccionales, que concentran la energía en una sola dirección. Este patrón de radiación se refiere teóricamente al espacio libre sin tener en cuenta los obstáculos que pueda encontrar la señal. Ganancia Teniendo en cuenta el patrón de radiación, se dice que una u na antena tiene ganancia no en el sentido que amplifica la señal recibida del transmisor, sino que la concentra hacia una sola dirección, o que hace ver como si la señal fuera emitida con una potencia mayor. Este es el caso de las antenas direccionales que dirigen sus ondas hacia un sólo sector, llegando la señal con más fuerza que si fuera emitida por una antena omnidireccional.
Para determinar la ganancia se establece la intensidad en un punto, irradiada por una antena omnidireccional sin ganancia y la intensidad de la señal emitida por la antena direccional. La relación de estas señales se utiliza para obtener los decibeles de ganancia. Polarización La polarización de una antena se refiere a la dirección del campo eléctrico dentro de la onda electromagnética emitida por ésta. Las antenas verticales emiten un campo eléctrico vertical y se dice que están polarizadas verticalmente. Las antenas horizontales tienen, por lo tanto, polarización horizontal. Para que haya una buena comunicación entre dos estaciones, éstas deben tener el mismo tipo de polarización. Por ejemplo n el caso de la Banda Ciudadana, se utilizan preferiblemente las antenas verticales tanto para las estaciones fijas, como para las estaciones móviles. La Antena de Yagi-Uda es una u na antena direccional creada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda (de ahí al nombre YagiUda). La característica más importante de esta antena de dipolo es que la tierra ha sido eliminada, su simple estructura de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, son imprescindibles en la construcción de esta antena de muy alto rendimiento. Aunque no tuvo hasta la II Guerra Mundial mucho uso en Japón, fue en Europa y Norteamérica, donde se incorporó a la producción comercial, de los sistemas de difusión, TV y radio. Los elementos que forma una antena Yagi-Uda Yagi -Uda son: Elemento conductor (radiador/captador). Este es el elemento que capta o emite las señales. Reflectores. Estas dos varillas actúan reflejando las ondas en la dirección del elemento conductor. Directores o guías de ondas. Estas varillas, de longitud progresivamente menor alejándose del conductor y espaciadas a distancias precisas, hacen que la onda siga el camino correcto hasta llegar al elemento conductor. También influyen sobre la impedancia de la antena. Como funciona una antena Yagi-Uda:
Gracias al principio de reciprocidad, se puede demostrar que la propiedades (impedancia,ganancia, (impedancia,ganancia, etc.) de una antena cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción. 1. Antenas de Emisión: Como ya se ha mencionado, una antena Yagi-Uda está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador". Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios elementos aislados llamados, elementos parásitos. La corriente que circula en el elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás. Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos.
La amplitud y la fase de esa corriente dependen de la posición y de las dimensiones de cada elemento. El campo electromagnético irradiado por la antena en cada dirección será la suma de los campos irradiados por cada uno de los elementos. Esta suma es complicada porque la amplitud y la fase de la corriente que circulan en cada elemento son diferentes. Además, como la distancia a cada elemento depende de la dirección del punto de medida del campo, la suma dependerá de la dirección. El elemento parásito, situado delante el elemento alimentado y que refuerza el campo hacia adelante, se llama director. Los elementos situados detrás y que refuerzan el campo hacia adelante se llaman reflectores. Pero no hay que confundirlos con las superficies o rejas reflectoras utilizadas en otros tipos de antenas.
Generalmente se ponen uno o dos reflectores y uno o varios directores. Se calculan las posiciones y las dimensiones de manera que las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición de los campos sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante.
Eléctricamente, el costo de esta directividad es una disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Con una misma corriente de alimentación, el campo radiado es más débil. Se compensa este inconveniente remplazando el dipolo
alimentado
por
un dipolo
doblado.
2. Antena en recepción: Para las antenas receptoras la fase y la amplitud de las corrientes inducidas en los elementos por el campo incidente y los demás elementos hace que la corriente inducida en el elemento alimentado (ahora conectado al receptor) sea máxima para los campos que vienen de delante y mínima para los campos que vienen de detrás.
3. Alimentación de una antena Yagi-Uda Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión se utilizan distintos tipo de alimentación. Alimentación asimétrica por cable coaxial: adaptación gamma. Alimentación simétrica por cable de dos hilos: adaptación delta. A veces es necesario interponer un simetrizador para asegurar que la antena Yagi esté correctamente alimentada. 4. Evoluciones de antenas Yagi Red de antenas Yagi Es un conjunto de antenas Yagi que han sido alineadas apuntando perpendicularmente a un mismo plano. La razón para agregar varias antenas Yagi en paralelo, es que cada antena suplementaria aporta 3 dB a la señal, o sea, la multiplica por dos en potencia, con un límite teórico de 20dB. Es por eso que las redes de antenas Yagi se utilizan sobre todo en EME (contactos por reflexión lunar), donde las señales recorren 600 000 km entre emisor y receptor y llegan considerablemente atenuadas; cada decibelio de ganancia imprescindible. Existe una distancia mínima entre antenas para minimizar el efecto de cada antena sobre su adyacente. Las redes de antenas Yagi exigen una interconexión precisa, sobre todo para respetar la impedancia de salida requerida por el transmisor. Por razones de dimensiones de las antenas, las redes de antenas Yagi se utilizan mucho en VHF y UHF. Antenas Yagi de elementos ahusados
Por razones mecánicas convienen elementos gruesos, mientras que por razones eléctricas convienen elementos lo más finos que sea posible. Un compromiso entre ambos es hacer elementos ahusados, gruesos en el centro y afinándose progresivamente hacia el extremo.
Antenas Yagi de elementos acortados Sobre todo en las bandas HF (3-30 MHz), los elementos tienen longitudes del orden de las decenas de metros. Eso hace que una antena Yagi sea poco práctica, sea por razones mecánicas, sea por razones de espacio. Una antena Yagi para la banda de 80m tiene un ancho mayor que la envergadura de un Airbus A320. Es posible construir antenas Yagi más cortas, reemplazando un segmento de cada elemento (por ejemplo, el tercio central de cada mitad de elemento) por un solenoide o bobina. Eso hace que la antena sea más corta, y por lo tanto mecánicamente viable, a costa de otras virtudes: ancho de banda, ganancia, y otras características. Diagramas de Radiación:
La antena Yagi puede concebirse como una evolución del dipolo, donde los reflectores reducen la emisión hacia atrás, y donde los directores concentran la emisión hacia adelante. Dependiendo entre otras cosas de la cantidad de elementos directores, y de la
longitud de la antena, es posible llegar a ganancias máximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la señal por 32. Una antena de tipo logarítmica-periódica es una antena cuyos parámetros de Impedancia de Radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. El diseño de estas antenas se realiza a partir de unas ciertas dimensiones, como las dimensiones de un dipolo o la separación que se van multiplicando por una constante. Según la clasificación clásica de antenas, este modelo corresponde al grupo de ³Antenasde Hilo´, en las cuales el elemento radiante ó elemento de excitación de la antena tiene una sección transversal despreciable con relación a la longitud de onda de la frecuencia resonante ó frecuencia de trabajo de la antena. También corresponde al grupo de las de tipo ³Arrays´ (Agrupaciones de antenas individuales), ya que se constituye mediante un Arreglo Logarítmico Periódico de Dipolos (Log-Periodic Dipole Arrays ± LDPA). Esun grupo de antenas dipolos unidas y alimentadas alternativamente a través de una línea de transmisión común. La antena log-periódica se asemeja a la Yagi, en cuanto está formada por dipolos; perola diferencia fundamental es que todos los dipolos se alimentan y la fase de alimentación se invierte en cada paso. El modelo log-periódica tiene una construcción similar a la de la antena Yogi, solo quelas diferencias de longitudes entre los elementos y sus separaciones siguen una variación logarítmica en vez de lineal. La ventaja de la antena logarítmica, con respecto a la Yagi, es que no tiene solo un elemento excitado, sino que recibe alimentación en todos sus elementos. Con esto se consigue un ancho de banda mayor y una impedancia pareja dentro de todas las frecuencias de trabajo de esta antena. 2.- Características generales de la antena Logo-Periódica:
La impedancia es una función periódica de la frecuencia de operación.‡ Unidireccionalidad y gran ancho de banda.‡ la frecuencia más alta, mientras que ‡ Ganancia inferior a una Yagi con el mismo número de elementos.‡ Parámetro de diseño: t = L1/L2 = D1/D2 = L2/L3 =« ‡
Un Dipolo de Media Onda constituye la base de muchos modelos de antena, y puede utilizarse para polarización horizontal ó vertical, dependiendo de cómo se disponga.
Es el fundamento constructivo y operacional de la antena Log-periódica. Un dipolo es una antena con alimentación central, empleada para emitir ó recibir ondas de
radiofrecuencia. Esta es la forma más simple de antena, desde el punto de vistateórico.El Dipolo de media onda es muy fácil de construir en una variedad de frecuencias. Está formado por dos trozos de material conductor, cada uno de un cuarto de longitud de onda. Si se conecta, a la línea de alimentación, por el centro, la distribución de corriente y de voltaje es simétrica y ofrece una impedancia de 72 ohmios. Es fácil ver que la corriente en los extremos debe ser cero y como la corriente y el voltaje están defesados90 grados, el voltaje, en cambio, es máximo en los extremos. Fig-2: Dipolo de Media Onda. 3.- Principio de Funcionamiento:
La antena trabaja en su región activa, que es la porción en la cual está emitiendo o recibiendo radiación eficientemente, dependiendo de la frecuencia de operación. El elemento de excitación de la antena ó su región activa cambia continuamente dependiendo de las variaciones de la frecuencia de operación. En la frecuencia más baja de operación, el elemento largo es el resonante y el resto de elementos actúan como dire direct ctor ores es.. En la frecuenci frecue nciaa más alta, alta , el elemento elem ento más corto cor to resuen res uenaa y los elementos próximos más largos actúan como reflectores. En el centro de la banda de frec frecue uenc ncia ia un dipo dipolo lo de long longit itud ud media es el elemento elem ento resonan res onante te y actúa act úa como Elemento Elem ento de Excitación. El adyacente más largo actúa como Reflector y el adyacente más corto actúa como Director.
El elemento de excitación (emisor ó receptor, según sea el caso de operación de lantén) es el que coincide con la longitud de onda de la señal. La región activa de la antena se ubica en la vecindad del punto medio del dipolo resonante a la frecuencia dela señal transmi tra nsmitid tidaa ó recibi rec ibida da por la antena, ante na, según seg ún el caso. cas o. Los elem elemen ento toss dir direc ecto tore ress son son los los que que quedan ubicados delante del elemento de excitación resonante, con longitudes ligeramente inferior. Estos refuerzan la señal en el sentido de emisión, enfocando la energía en la misma dirección. El número de directores contribuye a aumentar la
ganancia de la antena. Los elementos reflectores son los que quedan ubicados detrás del elemento de excitación, con una longitud ligeramente mayor. Estos bloquean la captación de señales en la dirección opuesta al emisor. Con Dipolos resonando en diferentes frecuencias, estrechamente separadas, en una misma antena, se consigue desplegar el Ancho de Banda de la antena. Se obtiene de este modo modo una una Ant Anten enaa Mul Multi tiba band nda. a.Est Estas as antenas ante nas pueden pued en proveer pro veer hasta has ta 10 dB más de ganancia que una antena de 1/4 de onda, a la vez que pueden atenuar hasta 30 dB fuentes de interferencia provenientes de otras direcciones. La longitud del elemento horizontal (Boom) y el número de elementos transversales (Dipolos) determinan el Ancho de Banda y la Direccionalidad de la antena. Se utilizan principalmente para transmitir señales de TV, FM y para Comunicaciones Militares.
