Manual de antenas PROLOGO Espero que este pequeño manual de antenas sirva a todos los entusiastas de la radioafición que se inician en estos menesteres con el objeto que puedan aprender los primeros pasos de este hobby y con estos conocimientos básicos profundizar en otras materias superiores mas avanzados sobre estos ingenios que son capaces de irradiar y recibir las ondas electromagnéticas,como son los elementos llamados antenas. Trataré de ser lo mas sencillo y explícito posible considerando lo difícil de explicar algunos conceptos incluídos acá, y además sin ninguna experiencia pedagógica trataré de resumir en simples ecuaciones aritméticas algunas complicadas fórmulas de matemáticas superiores. Incluiré conceptos de antenas y algunas fórmulas prácticas con sus conceptos y en capítulo aparte incluiré las complejas ecuaciones para aquellos que tengan un dominio y manejo normal de las matemáticas superiores. Dedico este pequeño manual de antenas y su teoría electromagnética a mi querido Radio Club José Francisco Vergara de Viña del Mar (C.E.2-R.F.V) y especialmente a la memoria de nuestro tan querido e inolvidable amigo radioaficionado a quien bautizáramos cariñosamente como el Tío Héctor Don Héctor Lazo Alvarado A-7459 (Q.E.P.D) entusiasta socio que durante el corto tiempo que nos acompañó en nuestro Radio Club supo guíarnos con su mesura, caballerosidad, compañerismo y sabiduría. Espero que esta pequeña colaboración ayude a muchos integrantes de nuestro Club a compenetrarse de estos ingenios de las comunicaciones.
I 1.
NDICE
TEORIA BASICA DE LAS ANTENAS Clasificación general de ellas. Conceptos de transmisión de Ondas La onda electromagnética
2. PROPIEDADES DE LAS ANTENAS Definiciones y conceptos básicos Antena imagen - Impedancias - Directividad
Diagramas Corriente y Voltaje Circuito eléctrico - Ley de Ohms 3. CALCULO SIMPLIFICADO DE ANTENAS Cálculo Dipolo de media onda normal Diagramas de Radiación dipolo media onda 4. DIAGRAMAS IRRADIACION Campos eléctricos y magnéticos Representaciones gráficas - Coordenadas Polares 5. LINEAS DE TRANSMISION Conceptos básicos y generalidades Relación ondas estacionarias - Impedancias Líneas balanceadas y desbalanceadas Atenuaciones en las líneas de transmisión TEORIA TE ORIA BASICA DE DE LAS ANTE ANTENAS NAS ANTENAS: ANTE NAS: Una antena podríadenominarse como un ** ingenio ** que transforma una corriente eléctrica alternada en ondas electromagnéticas o v ice-versa. También podría definirse como un sistema de conductores que radia o intercepta ondas el ectromagnéticas. POSIBILIDADE POSIBILIDAD ES DE DE AN ANTE TENAS NAS Y TIPOS DE DE ELLAS Para esta primera parte de la teoría básica dividiremos las antenas en dos grandes tipos dependiendo de su forma de irradiación de las ondas e lectromagnéticas y que llamaremos. 1.
ANTE AN TENAS NAS OMNIDIRE OMNIDIRECCIONAL CCIONALE ES
2. AN ANTE TENAS NAS DIRE DIRECCIONAL CCIONALE ES Las antenas omnidireccionales son aquellas que irradian un campo en todo su contorno en la forma de una figura geometrica llamada "TORO" (similar a un picarón) pero sin agujero central. Las antenas direccionales son aquellas con la que es posible dirigir su campo de irradiación hacia uno o mas lugares en forma f orma instantánea dependiendo del concepto de cálculo y su f orma de construcción. Para redundancia valga decir que una antena v ertical es por naturaleza generalmente omnidireccional y antena horizontal tipo dos polos es por lo general direccional o directiva. Dado que es una realidad que existen innumerables y variados tipos de antenas construídos por el hombre de las mas variadas y diferentes propiedades tales como verticales, plano de tierra, cuadracúbicas, de alambre largo (long wire), yagis, quagis, dipolos plegados, doble Lazy, de período logarítmico (log periodocs) colineales, doble zeppellin, de cuernos, parabólicas, rómbicas, etc. para este curso básico trataremos solamente en forma inicial sobre la antena Yagi del tipo direccional (llamada así en honor a su inventor un profesor japonés de apellido Yagi) y entre ellas las mas primitiva y elemental como es el dipolo que muchos radioaficionados habrán fabricado.
Diagramas Corriente y Voltaje Circuito eléctrico - Ley de Ohms 3. CALCULO SIMPLIFICADO DE ANTENAS Cálculo Dipolo de media onda normal Diagramas de Radiación dipolo media onda 4. DIAGRAMAS IRRADIACION Campos eléctricos y magnéticos Representaciones gráficas - Coordenadas Polares 5. LINEAS DE TRANSMISION Conceptos básicos y generalidades Relación ondas estacionarias - Impedancias Líneas balanceadas y desbalanceadas Atenuaciones en las líneas de transmisión TEORIA TE ORIA BASICA DE DE LAS ANTE ANTENAS NAS ANTENAS: ANTE NAS: Una antena podríadenominarse como un ** ingenio ** que transforma una corriente eléctrica alternada en ondas electromagnéticas o v ice-versa. También podría definirse como un sistema de conductores que radia o intercepta ondas el ectromagnéticas. POSIBILIDADE POSIBILIDAD ES DE DE AN ANTE TENAS NAS Y TIPOS DE DE ELLAS Para esta primera parte de la teoría básica dividiremos las antenas en dos grandes tipos dependiendo de su forma de irradiación de las ondas e lectromagnéticas y que llamaremos. 1.
ANTE AN TENAS NAS OMNIDIRE OMNIDIRECCIONAL CCIONALE ES
2. AN ANTE TENAS NAS DIRE DIRECCIONAL CCIONALE ES Las antenas omnidireccionales son aquellas que irradian un campo en todo su contorno en la forma de una figura geometrica llamada "TORO" (similar a un picarón) pero sin agujero central. Las antenas direccionales son aquellas con la que es posible dirigir su campo de irradiación hacia uno o mas lugares en forma f orma instantánea dependiendo del concepto de cálculo y su f orma de construcción. Para redundancia valga decir que una antena v ertical es por naturaleza generalmente omnidireccional y antena horizontal tipo dos polos es por lo general direccional o directiva. Dado que es una realidad que existen innumerables y variados tipos de antenas construídos por el hombre de las mas variadas y diferentes propiedades tales como verticales, plano de tierra, cuadracúbicas, de alambre largo (long wire), yagis, quagis, dipolos plegados, doble Lazy, de período logarítmico (log periodocs) colineales, doble zeppellin, de cuernos, parabólicas, rómbicas, etc. para este curso básico trataremos solamente en forma inicial sobre la antena Yagi del tipo direccional (llamada así en honor a su inventor un profesor japonés de apellido Yagi) y entre ellas las mas primitiva y elemental como es el dipolo que muchos radioaficionados habrán fabricado.
A este simple dipolo construído por lo general con alambres, veremos mas adelante que es posible agregarle mas elementos (sintonizados o desintonizados) con los cuales se van formando antenas direccionales de buenos rangos de eficiencia en la relación recepción-transmisiónde recepción-transmisiónde ondas electromagnéticas y que son l a base de los contactos entre radioaficionados.
GRAFICO EX EXPLICA PLICAT TIVO - FIGURA T IPICA DIPOLO DE D E MEDIA ONDA
En la figura Nº 1 se muestra el tí pico dipolo de media onda en su f orma mas básica, de uso ampliamente generalizado en las bandas de cuarenta y ochenta m etros, con los cuales es posible efectuar excelentes contactos a pesar de tener ganancia unitaria, dipolo en la figura en f orma horizontal. Para terminar esta introducción a la teoría de las antenas diremos que un señor de apellido HERTZ fué quien ideó y fabricó la primera antena de radio por el año 1884 aproximadamente cuando hacía experimentos de comunicaciones, aumentando con ello en forma substancial los,precarios conocimientos que se tenían de las antenas y sus propiedades.
En la actualidad los ingenios usados para trasmisión y recepción de ondas electromagnéticas distan mucho de aquella precaria antena fabricada por Hertz, pero su t eoría básica sigue siendo la misma de aquella época. CONCE CONC EPTO ELEMENT AL DE DE LA T RASMISION DE D E ONDAS.
La figura 2 muestra el concepto de trasmisión dde las ondas efectuadas por un transmisor siguiendo por una línea de trasmisión hasta la antenas que es la encargada de irradiar las ondas al espacio.
NAT NA T URAL URALEZ EZA A DE DE LA ONDA DE DE RADIO-LA ONDA ELECT ROMAGN ROMAGNET ETICA ICA Un campo electromagnético variable en el tiempo puede ser propagado a través del espacio vacío a la velocidad de la luz. l uz. La onda así propagada está constituída por CAMPOS ELECTRICOS ELECTRICOS (E) y CAMPOS MAGNETICOS (H (H)) según se puede apreciar en la figura Nº 3.
La onda electromagnética plana puede ser representada en funci ón de sus campos. Se dice que la onda está polarizada verticalmente cuando su campo eléctrico es vertical y que está polarizada horizontalmente cuando su campo el éctrico es horizontal.. NOTA: La onda originada en una fuente puntual en el espacio se expande en esferas crecientes cuyo centro siempre es la fuente. El camino del rayo de energía desde la f uente productora hasta cualquier punto de la esfera es una línea recta y a una distancia grande el frente de onda no se percibe esf érico, sino que aparentemente se percibe como una superficie plana . La onda electromagnética viajando a través del espacio es muy difícil de comprender sin recurrir a las Ecuaciones de Max well que conforman la herramienta básica para el análisis de la mayoría de los problemas de l as ondas electromagnéticas. Para resumir podemos acotar que una antena montada en forma horizontal a la tierra esta polarizada horizontalmentey viceversa cuando la antena está instalada en forma vertical se dice que está polarizada verticalmente. Mas adelante veremos que las propiedades de ambas difieren en los aspectos básicos de irradiación de las ondas.
PROPIEDADES GENERALES DE ANTENAS - DEFINICIONES DE CONCEPTOS. RESISTENCIA DE RADIACION ( Rr ): Es una resistencia ideal que agregada a circuito resonante equivalente a la antena, disipa la misma potencia calórica que la antena radia realmente en el espacio. Esta alcanza un valor máximo cuando el conductor es resonante. ANGULO DE RADIACION ( r ) Es el ángulo sobre el horizonte con respecto al eje del lóbulo principal de radiación y que va ligado directamente a la polarización dde la antena (horizontal o vertical) como a la altura por sobre la superficie del suelo, frecuencia de funcionamiento,etc ANTENA IMAGEN: Es una antena imaginaria o imagen especular de una antena real, donde las direcciones del flujo de corriente son diferentes ( tal como mirados de frente a un espejo) donde además su polarización eléctrica instantánea es de signo opuesto. La diferencia de fase entre la antena real y antena imagen es de 180º cuando l a antena está colocada en forma horizontal al plano de tierra. y para el caso del dipolo vertical la antena real y su imagen están en fase IMPEDANCIA DE LA ANTENA: La impedancia de entrada de una antena podríamos definirla como la impedancia presentada por una antena en sus terminales o como la relación del voltajecorriente en un par de terminales, o como la relación de los componentes apropiados del campo eléctrico-magnético en un punto cualquiera. Luego podemos decir que si la corriente y el voltaje están en fase la impedancia es puramente resistiva y la antena es resonante. Cuando la antena no es resonante (corriente y v oltaje fuera de fase) la antena muestra reactancia y resistencia. NOTA: El concepto anterior está referido para dipolo alimentado al centro tal como se mostro en la figura Nº1. POLARIZACION DE LA ANTENA: Como fue explicado anteriormente las antenas pueden e star polarizadas vertical u horizontalmente dependiendo del campo eléctrico de la antena ( Campo eléctrico [E]) GANANCIA DE LA ANTENA : Se llama ganancia de la antena la relación del poder entregado por la antena ( que generalmente está relacionado con su directividad) y su unidad de ganacia se expresa en decibeles ( dB ) DECIBEL: Decibel o decibelio es la unidad de medida para las rel aciones de poder entregado por una antena y representa un cambio detectable en la fuerza de la señal, mirado como valor actual de voltaje de dicha señal EFICIENCIA DE LA ANTENA : Es la relación entre la resistencia de radiación de la antena con respecto a la resistencia total del sistema trasmisor que incluye resistencia de radiación, la resistencia de los conductores, de dieléctricos incluídas las bobinas si se usan en el sistema, así como la resistencia de la tierra
ANCHO DE BANDA DE LA ANTENA :Es la medida de su aptitud para funcionar en una gama especificada de frecuencias en buenas condiciones de resonancia.
RELACION PECHO-ESPALDA (FRONT TO BACK): Es la relación de irradiación de la antena calculada entre su lóbulo principal y el lóbulo opuesto ( y se relaciona para antenas direccionales o directivas) ( Q ) DE LA ANTENA El factor Q de la antena es l a medida del factor de calidad o factor de mérito y se le expresa como selectividad de la antena DIRECTIVIDAD DE LA ANTENA: Es la capacidad de una antena para concentrar el m áximo valor de radiación en una dirección deseada seleccionando el objetivo donde se desea trasmitir o recepcionar en el caso inverso. LARGO DE ONDA - LONGITUD FISICA - LONGITUD ELECTRICA: La onda electromagnética viaja en el espacio a una velocidad cercana a los 300,000 Kilómetros por segundo dependiendo del medio en que lo hace, por lo que podemos calcular que una onda de radio demora aproximadamente 1/7 de segundo para dar la v uelta al mundo, siguiendo las líneas del círculo máximo. El concepto de la onda se desarrolla porque una corriente eléctrica alterna fluye a través de un alambre (antena) moviendo así campos eléctricos y magnéticos. Esta onda tiene un largo específico llamado largo de onda que se representa por la letra griega ( ) y es la medida en que una emisión de onda, en una frecuencia dada con respecto allargo físico de la antena, la mantienen en resonancia. La ecuación para calcular el largo de onda puede ser resumida como sigue
300 Lambda= ----------------------- ( metros) Frecuencia (Mhz)
Es preciso aclarar que la longitud física o geométrica de un elemento v aría ligeramente con respecto a la longitud eléctrica del mismo fundamentalmente a causa del diámetro usado en el elemento para construír la antena por ejemplo antenas de alambre,tubo,etc) y además por el efecto de cuerpos próximos al elemento irradiador o antena.
FIGURA Nº 4
Cuando se aplica potencia de radiofrecuencia (r.f.) a una antena esta potencia es irradiada en el espacio actuando la antena como carga para el trasmisor de radio, y esta base de referencia puede compararse con un circuito eléctrico en lo referente a la relación Corriente / Voltaje y su potencia disipada con una carga artificial. ( Este concepto fue explicado como Resistencia de Radiación) NOTA IMPORTANTE: Por ser de interés incluíremos los conceptos básicos de la Ley de Ohm por las similitudes que tiene con los conceptos de las antenas.
E = VOLTAJE EN VOLTIOS I = CORRIENTE EN AMPERIOS R = RESISTENCIA EN OHMS P = POTENCIA EN WATTS
FIGURA Nº 5
LEY DE OHM : La corriente (I) en amperes en un circuito es igual al cuociente de dividir la Tensión o Voltaje (e) en Voltios por la Resistencia del Circuito (r) expresada en Ohms. La potencia necesaria para producir una corriente en un ci rcuito está relacionada en forma directa con la corriente que debe fluír a l o largo del circuito y por ende de su resistencia y v oltaje. La unidad de potencia es el Watt que corresponde a la cantidad de potencia necesaria para producir una corriente de un amperio con una energía aplicada de un voltal circuito. Luego la potencia representa un consumo de energía por unidad de tiempo. Como en el circuito existe un flujo de electrones libres que chocan constantemente con los átomos de la materia (conductor) ésto produce un desprendimiento de energía traducida en cal or disipado por el circuito y se calcula por las siguientes fórmulas.
P = I² x R ( EXPRESADA EN WATTS ) P = E x I ( EXPRESADA EN WATTS ) P = E²/ R ( EXPRESADA EN WATTS )
CALCULO SIMPLIFICADO DE UNA ANTENA RESONANTE - DIPOLO MEDIA ONDA El largo de una antena resonante (es decir) la medida física del largo de una antena sintonizada no es exactamente el largo de la m edida calculada con la fórmula del largo de onda () o largo eléctrico de la antena. Por diferentes motivos que explicaremos mas adelante, el largo físico de la antena para poder resonar, generalmente es mas corto que el largo eléctrico debido a los ef ectos de la relación largo/diámetro de la antena y el efecto de punta de la mi sma. A este factor de corrección del largo físico lo denominaremos con la letra " k " que tendrá valores entre 0,9257 y 0,9772 dependiendo de la relación largo/diámetro entre 10 hasta 4,000 veces según la banda de trasmisión a calcular. El factor (k) deberá ser aplicado al largo eléctrico para acortar físicamente la antena y hacerla así resonante.
k * 150 L(a) = ------------------ ( Metros) f ( Mhz)
EJEMPLO: Calcular una antena dipolo para operar en la banda de cuarenta metros, y ajustar a frecuencia 7,100 Mhz. y hacerla en alambre de cobre. 1.- Determina factor K según tabla adjunta k= 0,9513 s/g largo/diam) 2.- Calcula dipolo aplicando fórmula (0,9513 * 150 / 7,1) = 20,098 metros 3.- Determina medida de cada polo ( 20,098 / 2 )= 10,049 metros por lado 4.- Cálculo fue efectuado para dipolo libre de elementos desintonizadores en su cercanía, destacando que el ajuste final de la antena deberá hacerse ya instalada en su lugar de i nstalación con todos los elementos circundantes. Ciertamente cada radioaficionado tiene sus propias medidas para cortar sus antenas dipolos como sus propias fórmulas corregidas por su experiencia práctica, y que son tan v álidas como este cálculo para aplicar la t eoría y sus conceptos. Un viejo adagio dice que:
En antenas nunca estará dicha la última palabra
El dipolo horizontal tiene una radiación bidireccional teórica, es decir irradia en f orma perpendicular a la línea del dipolo y con la misma intensidad para cada lado.
DIAGRAMAS DE RADIACION DE ANTENA DIPOLO MEDIA ONDA Como decíamos al comienzo de este capítulo, el campo irradiado por una antena omnidireccional tenía la forma geométrica de un TORO ( similar a un picarón). Para poder representar las características de irradiación de una antena ( que son diagramas de irradiación tridimensionales) recurriremos a la representación plana con el motivo de comprender el concepto que encierra. FIGURA Nº 6
Si se suspende una antena dipolo en el espacio libre o a una altura suficiente de la tierra ( para poder despreciar el efecto de la cercanía de la misma ) la radiación del campo magnético toma la forma mostrada en la parte superior.
Si la antena es montada cerca de la tierra o de otro objeto conductor el diagrama de irradiación dejará de ser concéntrico o regular. Esto es debido principalmente a la influencia de las ondas reflejadas que se sumarán vectorialmente a las ondas generadas por la antena. Cuando estas ondas ( real y reflejada ) se suman vectorialmente aumenta la fuerza del campo irradiado y vice-versa. Este efecto tiene mucha importancia cuando el dipolo está montado cerca de la tierra aunque no afecta el diagrama de irradiación de una antena vertical u horizontal, pero referida solamente a la radiación contenida en el plano horizontal.
Es necesario aclarar que las representaciones gráficas de los diagramas de irradiación corresponde a una antena hipotética llamada *radiador isotrópico* ( o antena ideal) y se han mostrado para establecer una base de cálculo para las antenas reales, las que en realidad no tienen la misma intensidad en todas las direcciones por igual, presentando unas intensidades máximas y mínimas dependiendo del diseño o de l a cercanía de objetos que lo distorsionen. Para comprender y estudiar las características de irradiación de las antenas representaremos sus giagramas en forma plana que sería el resultado de cortar la figura geométrica TORO (diagrama de abajo) para quedar como la vista del corte (diagrama superior).
ANEXOS INCLUIDOS: 1.-Hoja de diagramas de i rradiación (Elevation plane amplitude paterns for thin dipole with sinusoidal current of distribution) 2.-Three-dimesional radiation patterns of infinitesimal dipole 3.-Electric Field of free-space wawe for a lambda/2 antenna. 4.-Antenna and electric fields lines 5.-Antennas and free space wawes
FUENTES DE ORIGEN. 1.-Antenna Theory Infinitesimal Calculus 2.-Mac Graw Hill Edit.
DIAGRAMA PLANO DE IRRADIACION (E) (H) CAMPOS ELECTRICOS Y MAGNETICOS Como explicamos anteriormente, era muy difícil representar los diagramas de radiación en forma tridimensional , por lo que para su estudio y di scusión presentamos un corte seccional plano tomando como centro la antena o elemento irradiador representado en la figura Nº7.
Las áreas encerradas entre líneas punteadas representan el diagrama plano ( E plane ) de una antena de media onda. Se puede observ ar que el campo irradiado es perpendicular a ella y tiene una magnitud igual para cada lado de la antena ( y tal como explicáramos del radiador isotrópico o ideal) Luego las antenas reales (que tienen siempre en sus cercanías elementos físicos que alteran su campo irradiado) pueden calcularse tomando como base la figura Nº 7 que representa el campo eléctrico (E) de una antena media onda. En las antenas simples ( como el dipolo de referencia ) la ganancia suele ser modesta y no tiene una relación apreciable pecho-espalda (adelante-atrás) y su lóbulo es de tamaño igual para ambos lados, motivo por el cual se puede llamar bidireccional lo que está expresado en la figura superior. El sistema de coordenadas del gráfico (donde está representado el lóbulo principal de irradiación) está compuesta de círculos concéntricos que representan la graduación de la escala de decibeles (círculos que por comodidad han sido encuadrados dentro de un cuadrilátero ) El eje central de partida del lóbulo (donde la irradiación es cero) representa la antena dipolo de media onda
REPRESENTACIONES GRAFICAS - SISTEMAS DE COORDENADAS
Dada la importancia de las representaciones gráficas en el ramo de las antenas (ya que generalmente efectos de leyes físicas y fórmulas se representan de esa manera) estimamos de interés incluír un pequeño recordatorio de los sistemas de coordenadas que serán de m ucha conveniencia para entender los capítulos posteriores. SISTEMA DE COORDENADAS CARTESIANAS El sistema de coordenadas cartesianas determina la situación de un punto con respecto al plano, referidas sus distancias a dos rectas perpendiculares entre sí ( en forma de cruz ) llamadas * ejes de coordenadas *.
En la representación gráfica de la figura Nº8 superior llamamos eje vertical al eje de las * Y * y eje horizontal al eje de las * X * y la intersección entre ambos ejes se llama origen. Para situar un punto dentro de estos ejes, debe ser ac ompañado de dos variables ( ejemplo punto 2,3) que significa que el punto está con un valor de X=2 .( eje de l as absisas) y un valor de Y=3 (eje de las ordenadas). Se ha convenido que desde su centro (origen ) de valor =0 los v alores de X hacia la derecha sean los positivos (signo +) y hacia la izquierda sean l os negativos..( signo -), del mismo modo en eje de las Y hacia arriba sean positivos (signo+) y hacia abajo sean negativ os.
SISTEMA DE COORDENADAS POLARES Además del sistema de coordenadas cartesianas existe otro sistema llamado de coordenadas polares para definir la situación de un punto "O" de una línea en un plano. Esta es una definición algebraica de la situación del punto que queda deteminado por su distancia al origen "O" y con el ángulo que forma con el eje llamado OX.
En la figura el punto se define por la longitud "OP" conocida como radio vector y por el ángulo llamado ángulo vectorial. Ejemplo: P = 3 60º ANTENAS DE USO GENERALIZADO EN H.F. Sin duda dentro de las propiedades de las antenas la que tiene mas efecto para trasmitir de un punto a otro, es el ángulo de radiación (afectado por la altura sobre el suelo) y la impedencia que permita una buena adapatación a las líneas de trasmisión con antenas y equipos., a objeto de poder lograr el máximo de eficiencia en la ganancia de salida. Bajo circunstancias normales las ondas electromagnéticas en H.F. se propagan a distancias largas siguiendo la trayectoria del círculo máximo hasta el área elegida como meta o blanco de destino de la trasmisión..
La reflexión ionósfera de esta trayectoria es mas efectiva cuando la onda se propaga el lóbulo principal de radiación a un cierto ángulo (denominado r ) por sobre el horizonte Generalmente este lóbulo en antenas moderadas en trasmisiones de H.F. es muy ancho y ocupa un área grande delante de la antena con la cual ésta rocía una gran sección de la ionósfera c on la energía irradiada permitiendo la posibilidad de llegar en buena forma al punto de destino. Este ángulo de radiación es afectado por la altura sobre el suelo, la polarización elegida para la antena y la frecuencia de funcionamiento. El cálculo del ángulo vertical de radiación se hace partiendo del concepto de antena imagen a fin de establecer la efectiva reflexión de las ondas electromagnéticas ( para esto suponemos que la superficie de la tierra bajo l a antena es plana y perfectamente conductora.
Nota : en condiciones reales la conductividad del suelo varía ampliamente con la ubicación geográfica (donde en áreas de mala conductividad superficial la verdadera superficie reflectante puede estar ubicada a varios metros bajo el suelo) actuando las capas superficiales como dieléctrico que actúa sobre las ondas de radio causando pérdidas en su ganancia. Si la amplitud de la onda reflejada se reduce por pérdidas del suelo su característica vertical se verá afectada lo mismo que la impedancia en el punto de alimentación de la antena. El principal efecto del dieléctrico es absorber una gran parte de la energía radiada por la magnitud de sus lóbulos resulta seriamente disminuída por la cantidad de energía perdida y l os nulos tienden a ser oscurecidos El arreglo para lograr un suelo perfectamente conductor see puede lograr instalando una pantalla de tierra bajo la antena, extendida por lo menos m edia longitud de largo de onda en cada dirección desde el centro dde la antena hacia afuera. (radiales de las antenas verticales)
ANTENA IMAGEN : Como vimos al principio de este manual la antena imagen se introduce por debajo del plano de tierra (como mirada en un espejo)
Esta antena imagen especular situada a una misma distancia bajo tierra que la real( como se observa en la imagen) emite un rayo reflejado que en algún punto distante se combina con el directo dependiendo su resultante de la orientación de la antena c on respecto al suelo. Si ambos rayos están en fase se suman y por el contrario si llegan en oposición de fase, el campo resultante es la diferencia entre ellos ( se restan los campos).
LINEAS DE TRASMISION Es sabido que las estaciones de radio básicamente están com puestas por un equipo trasmisorreceptor (transceiver) una antena y para acoplar ambas cosas se usa una línea de trasmisión cuya finalidad es hacerlo de f orma mas eficiente,donde parámetros muy complejos están involucrados. Para este cursillo básico separaremos las líneas de trasmisión entre aquellas fornadas por dos conductores paralelos (líneas balanceadas) y las coaxiales (líneas desbalanceadas) que corresponden a los coaxiales comúnmente usados por los radioaficionados.( RG8 - RG58 - RG59 etc)
CONCEPTOS BASICOS DE LINEAS DE TRASMISION RELACION DE ONDAS ESTACIONARIAS: Cuando una línea de trasmisión lleva potencia a una carga que no la disipa completamente decimos que la línea tiene una componente reactiva, que tiene entre sus características devolver potencia hacia la fuente emisora (equipo de radio). Esta potencia devuelta se llama componente reflejada que fluye en sentido contrario a la componente directa (la que va del trasmisor de radio a la antena) y como hay dos ondas que fl uyen en sentido contrario éstas se suman vectorialmente para producir ondas estacionarias en la línea de trasmisión. La relación entre los valores máximos y mínimos de tensión de R.F.en la línea se denomina R.O.E (relación ondas estacionarias) y resulta una medida de relación de desajuste de la impedancia entre la línea y la carga o v iceversa ( en inglés se denomina S.W.R) IMPEDANCIA DE LA LINEA: Tal como indican las tablas, la línea de trasmisión coaxial tiene una impedancia característica la que debe ser adaptada a la impediancia de la antena para evitar esta relación de ondas estacionarias y por ende un desmejoramiento en el sistema transmisor. LINEAS BALANCEADAS DE TRASMISION: Se denomina a las que están formadas por dos conductores paralelos en proximidad física y generalmente van espaciados por medio de separadores (para mantener paralelismo) mediante aisladores de porcelanas, poliestireno,madera impreganada,etc y que trabajan abiertas (al aire). Las fabricadas en forma comercial tienen por lo general impedancias características elevadas de orden de 300 - 450 - 600 Ohms. LINEAS COAXIALES O DESBALANCEADAS: Llaman líneas desbalanceadas a las concéntricas que poseen dos conductores (interno y externo) con un espaciado constante entre conductores y muy usada hoy en las instalaciones modernas por su fácil instalación entre equipo y antena ( El conductor interno generalmente es de alambre que va recubierto con un aislante y envuelto en una malla metálica) ATENUACION POR LINEA DE TRASMISION: Dada su construcción física las l íneas de trasmisión son una combinación de constantescapacitivas, resistivas e inductivas y como tienen elementos conductores tienen también agregada una cierta resistencia. La suma de estos componentes hace que las líneas tengan pérdidas que v arían logarítmicamente con el largo de la lí nea. y cuya pérdida se expresa en decibeles por unidad de l argo ( Nota: decibel es una unidad logarítmica). La atenuación aumenta a medida que se eleva la f recuencia de funcionamiento aunque no en proporción directa a ese cambio.
BALUNES ( BALANCED TO UNBALANCED): En los cables coaxiales la corriente fluye por el conductor interno y es balanceada por una corriente igual que fluye en dirección opuesta por la superficie del conductor (malla). Al acoplar esta línea desbalanceada (coaxial) a una antena dipolo ( de carga balanceada en dos polos iguales) se produce un efecto de desbalance cuyo resultado es que una corriente neta fl uye de regreso a tierra por la parte externa del conductor. La cantidad de corriente I (3) que fluye por la parte externa está determinada por la impedancia Z(g) de la malla externa a tierra. Si esta impedancia se logra hacer grande, la corriente I(3) será reducida considerablemente. El dipositivo que se usa en esos casos es un adaptados de impedancias balanceadas a desbalanceadas para cancelar la corriente I(3) que fluye por la parte externa. y que es llamado BALUN (abrevación de la palabra inglesa " BALANCED TO UNBALANCED") .
Estos balunes pueden hacerse de las mas v ariadas formas y materiales pero lo que analizaremos será el balún 1:1 que adapta el sistema pero sin transformar la impedancia de la l ínea ( balún relación 1:1 ) Nota: existen balunes que además pueden transformar la impedancia para adaptar las líneas (ejemplo balún 4: 1 usado en TV para adaptar cable paralelo de 300 Ohms a cable coaxial RG-59 de 75 Ohms de impedancia)
TABLA APROXIMADA ATENUACION POR LARGO DE CABLE Y PERDIDA POR ROE: CABLE RG-8U f. 3,5 MHz 0.25 dB cada 30 m etros largo de cable f. 7.0 MHz 0.45 dB cada 30 m etros largo de cable f. 14 MHz 0.65 dB cada 30 metros largo de cable
f. 21 MHz 0.80 dB cada 30 metros largo de cable f. 28 MHz 0.97 dB cada 30 metros largo de cable PERDIDAS POR R.O.E. R.O.E 1 : 1,2 implica 0.05 dB aproximados R.O.E. 1 : 1,5 implica 0.10 dB aproximados R.O.E. 1 : 1,8 implica 0.15 dB aproximados R.O.E 1 : 2,0 implica 0.23 dB aproximados Hemos incluído las tablas anteriores para tener una referencia para calcular una sencilla antena y las pérdidas de ganancia de salida para diferentes valores del ROE en la línea de trasmisión.
IV-2. TIPOS DE ANTENAS
En la realidad existen infinidad de tipos de antenas. Muchos de ellos se derivan de otros más básicos a los que se les ha añadido algún elemento o modificación. En esta parte se pretende tan solo enumerar los tipos de antenas más frecuentemente utilizados, junto a sus características más representativas. Los datos ofrecidos no son precisos ni rigurosos sino más bien orientativos. Téngase en cuenta que para un mismo tipo de antena, variando algunos de sus parámetros físicos como grosor de conductores, separación de elementos, etc.. varían sus características directivas y eléctricas. En cuanto a las aplicaciones que se apuntan, tener presente que, teóricamente, cualquier tipo de antena puede funcionar en cualquier frecuencia, siempre y cuando tenga las dimensiones adecuadas en longitudes de onda. Sin embargo por sus características directivas, ancho de banda y dimensiones, unas son más aptas para unas aplicaciones que para otras, aunque a priori, por la frecuencia de funcionamiento, no puede descartarse ningún tipo en ninguna aplicación. 4.5.1-DIPOLO
DE P/2
Esta antena esta formada por dos hilos conductores de P/4 cada uno. De ella se derivan luego otros muchos tipos de antenas. Una de las grandes ventajas de esta antena es su fácil construcción:
Figura 4-16: Dipolo de P/2. CARACTERÍSTICAS GENERALES: Resistencia:
73
;.
Ganancia:
2,15 dBi.
Ancho de Banda:
Del 5% al 40%.
Aplicaciones: De todo tipo. En la banda de frecuencias de 10 Mhz a 5 Ghz.
Figura 4-17 : Diagrama de radiación de un dipolo de P/2. A) En el plano del dipolo.B) En un plano perpendicular al dipolo. C) En el espacio.
Figura 4-18: Antena con dos dipolos para lograr omnidireccionalidad. Polarización horizontal.
4.5.2-DIPOLO PLEGADO P/2
Se construye conectando a los extremos de un dipolo de P /2 uno o varios elementos conductores también de P /2. Las corrientes en un dipolo plegado de dos varillas están en fase en ambas varillas, por ello, alimentándole con la mitad de corriente que a un dipolo simple, la potencia radiada es la misma. Como la potencia de alimentación en ambos dipolos es la misma, significa que:
Es decir, la Resistencia de radiación del dipolo plegado de dos varillas es cuatro veces la del dipolo simple. Si el dipolo tuviera 3 varillas, la Rr sería 9 veces mayor.
Figura 4-19: Resistencias de radiación de dipolo simple y dipolo plegado. CARACTERISTICAS GENERALES: Diagrama de radiación: Similar al Dipolo de P /2. Resistencia: Unos 300 ;. (4 veces la del dipolo simple para el dipolo de dos varillas). Ancho de banda: Mayor que el dipolo simple. Esta es la característica que le hace más útil que el dipolo simple en algunas aplicaciones. Combinando distintos diámetros de conductores se obtienen distintas resistencias y anchos de banda. 4.5.3-ANTENA
MARCONI. MONOPOLO DE P/4
Consiste en un conductor de P/4 de longitud, perpendicular a un plano conductor.
Recuérdese que el suelo es un plano conductor a frecuencias de HF e inferiores.
Figura 4-20: Esquema de una antena Marconi. El plano se comporta como un reflector, dando lugar a que el conjunto tenga una distribución de corriente idéntica a la del dipolo simple, siendo sus características directivas similares a las de éste. CARACTERÍSTICAS: Resistencia: 37 ;. Diagrama de radiación: Similar al dipolo simple. Ganancia: 4.76 dBi. Ancho de Banda: Del 5 al 40%. Depende del grosor y del circuito de adaptación a la línea. Aplicaciones: De todo tipo: Comunicaciones de largo alcance, Radiodifusión, Telefonía móvil, etc.. 4.5.4-
ANTENA GR OUND-PLANE
A veces, en la antena Marconi, se sustituye el plano conductor por varias varillas, comportándose de forma casi igual a la del plano. Esto da lugar a lo que se conoce como antenas ground-plane (plano de tierra artificial). El diagrama de radiación varía ligeramente, estando el máximo de radiación ligeramente desplazado respecto a la antena marconi. Para obtener un máximo en el plano horizontal se inclinan las varillas hacia abajo. Se usa en comunicaciones en HF, VHF y UHF.
Figura 4-21:Antena Marconi con plano de tierra artificial (Ground-plane). 4.5.5-ANTENA
DISCONO
Es otro desarrollo de la antena Marconi. En este caso, se trata de poner un disco como elemento radiante y un cono como plano reflector. En lugar de poner un disco y un cono completos se sustituyen por varillas, mejorando así las características de resistencia al viento. Sus características eléctricas y directivas son muy similares a la antena Marconi, siendo aquí la polarización horizontal.
Figura 4-22:Antena Discono. CARACTERÍSTICAS Impedancia: 50 ;. Varía con el ángulo de la generatriz del cono. Ancho de Banda: Mayor que una Marconi. Del orden de 4 octavas. Aplicaciones: VHF y UHF. Comunicaciones tierra-aire. A veces, puede verse en torres de control. 4.5.6-MÁSTIL
RADIANTE
En frecuencias inferiores a HF y sobre todo en radiodifusión de onda media, el suelo se comporta como un conductor perfecto y se construye la antena Marconi con un conductor perpendicular al suelo que debe tener muchos metros. Por ejemplo, para 1000 Khz, P es igual a 300 metros, por tanto la antena debe medir del orden de 75 metros. En la práctica, lo que se hace es colocar una torreta metálica sujeta con vientos y aislada eléctricamente del suelo. A ella se conecta la alimentación, haciendo de elemento radiante. A este tipo de antena se le conoce como mástil radiante y se la identifica fácilmente.
Figura 4-23:Mástil Radiante 4.5.7-ANTENA
BICÓNICA
Desarrollo a partir de la teoría, utilizando conductores de longitud infinita en forma de cono. En la práctica, se utilizan varillas de 0,365 P (para que la antena sea resonante) unidas por anillos aislantes de sujeción.A mayor ángulo de abertura menor resistencia de radiación. Para una abertura de 20º, la resistencia de radiación vale unos 300;.
Figura 424:Conjunto de dos antenas bicónicas con posibilidad de variar la polarización.
CARACTERÍSTICAS: Ancho de banda: Mucho mayor que el del dipolo simple. Polarización: La dirección del eje del cono. Suele ser vertical. Diagrama de radiación: Igual al del dipolo simple. Aplicaciones: VHF y UHF. 4.5.8-ANTENA
R OMB ICA
Existe una familia de antenas empleadas en frecuencias de HF e inferiores, que se les conoce como antenas de hilo largo (long wire) y que se construyen con conductores de hasta varias longitudes de onda, de ahí su nombre.En la práctica, la única descendiente de ellas que aún se utiliza es la antena rómbica. La antena rómbica se construye formando un rombo en un plano paralelo al suelo con conductores de varias P, acabados en una resistencia de carga. Es directiva en sentido alimentación resistencia de carga, tiene buen ancho de banda, es barata y fácil de construir y se emplea en HF para comunicaciones por reflexión ionosférica.
Figura 4-25:Antena rómbica con sus diagramas de radiación horizontal y vertical.
CARACTERÍSTICAS: Longitud conductores: De 2 a 8 P. Resistencia de Radiación: 600 a 800 ;. Ganancia : Del orden de 15 dB. Ancho de Banda: De 3 a 1. Resistencia terminal = 600 ;. Aplicaciones: Comunicaciones en HF. La resistencia terminal es de un valor similar a la resistencia de radiación para evitar reflexiones hacia el transmisor. 4.5.9-ANTENA LOGARÍTMICO-PER IÓDICA
Formada por gran número de dipolos activos de P/2, alimentados en contrafase. La separación entre elementos contiguos y su longitud, guardan una relación logarítmica constante, de ahí su nombre. La geometría de la antena es consecuencia de que las propiedades eléctricas de la misma, se repiten periódicamente con el logaritmo de la frecuencia. Cada dipolo resuena en una pequeña banda de frecuencias, estando el ancho de banda total definido por las longitudes del primer y último elemento. Sus cualidades más importantes son el ancho de banda y directividad que son muy grandes. Para un mismo ancho de banda total, cuanto mayor sea el número de elementos, más constantes son sus características eléctricas y directivas en toda la banda.
Figura 4-26:Antena logarítmo-periódica de polarización vertical.
Figura 4-27:Antena logarítmo-periódica para HF con polarización horizontal. En algunas aplicaciones se usan pares de antenas de este tipo interconectadas, teniendo la característica que de un dipolo al siguiente existe un desfase de 180º ( contrafase) al variar la alimentación de cada lado del dipolo. CARACTERÍSTICAS:
Gran ancho de banda: 6 a 1. Ganancia de 8 a 12 dBi. Dipolos contiguos alimentados en contrafase. Impedancia característica: 50 ;. Para el par de antenas de la figura 40, esta impedancia se incrementa a valores de entre 100 a 300 ;. Polarización: Horizontal principalmente, aunque en algún caso se puede construir para que sea vertical. Aplicaciones: Comunicaciones en HF, VHF y UHF principalmente. En frecuencias por encima de 1 Ghz. se emplean antenas de periodo logarítmico construidas en forma de hueco o ranura sobre una superficie metálica. Se basan en la misma teoría y gozan de las mismas características pero son más sencillas de construir. Aquí se consiguen anchos de banda incluso mayores (del orden de 10 a 1). Las características básicas para éstas últimas son además de lo dicho: Polarización lineal. Ganancia típica de 6,5 dB. Aplicaciones: ECM, determinación direccional entre 10 Mhz y 12 Ghz. En muchas aplicaciones se emplea formando arrays.
Figura 4-28:Antena logarítmico-periódica de ramas trapezoidales.
4.5.10-ANTENA
DE CUADR O
Consiste en una o varias espiras conductoras de diámetro mucho menor que la longitud de onda de la frecuencia de trabajo (P). Dichas espiras pueden ser circulares, triangulares o cuadradas. Es una de las antenas más primarias y su uso ha sido principalmente en recepción. Dependiendo de la longitud del cuadro, estas antenas de cuadro se pueden dividir en: Antenas de cuadro pequeñas (la longitud total de los cables es 0,1P). Su uso esta muy extendido, principalmente cuando los lazos están enrollados en una bobina como por ejemplo las antenas receptoras de nuestros aparatos de radio de AM. Antenas de cuadro grandes (la longitud de la circunferencia u0,1 P ). Un ejemplo típico de estas antenas es cuando la longitud de la circunferencia es igual a P. (antena resonante).
Figura 4-29:Antena de cuadro multiespira y su diagrama de radiación.
Figura 4-30:Antena de cuadro blindado. CARACTERÍSTICAS: Polarización lineal en el plano de la espira. Ganancia 1.76 dBi. Resistencia de radiación baja. Rendimiento bajo. -
Aplicaciones: Recepción en radiodifusión, navegación y comunicaciones.
Figura 4-31:Antena de cuadro magnética ó de bobina. Se utiliza en recepción. 4.5.11-ARRAYS
DE ANTENAS
Pueden ser lineales y planares. Un array lineal está formado por varias antenas del mismo tipo colocadas siempre de la misma forma, siguiendo una línea recta y guardando siempre la misma distancia entre cada una de ellas. Un array planar estará formado por p filas de arrays lineales de n elementos cada uno. La separación entre filas es constante y en muchos casos ésta coincide con la separación entre antenas en cada fila. La ganancia aumenta proporcionalmente al número de elementos y lo más importante es que, variando la fase de alimentación entre elementos, se varía la dirección de máxima radiación, es decir, podemos mover el lóbulo de máxima radiación electrónicamente sin mover la antena. Se suelen construir utilizando, como elementos componentes del array, dipolos de P /2 ó bocinas (tipo de antena que se verá más adelante).
Figura 4-32:Diagrama de radiación de arrays lineales de varios dipolos a distintas distancias y fases de alimentación. CARACTERÍSTICAS: Ganancia: Aumenta con el n º de elementos, consiguiéndose ganancias muy altas. Resto de características: Dependen de n º de dipolos, separación entre estos y fase de alimentación. Aplicaciones: Radar, comunicaciones espaciales y operaciones en que se necesita alta ganancia.
Figura 4-33 : Diagramas de radiación de arrays planares. En (a) son 6 filas de dipolos y en (b) son 8 filas de dipolos. 4.5.12-ANTENA
YAGI-UDA
Formada por un elemento activo que suele ser un dipolo y varios pasivos (reflector y directores). El elemento reflector es un conductor ligeramente más largo que P/2 (5% a 10%) y por tanto se comporta de forma inductiva .Debido a ello las ondas electromagnéticas que llegan a él, procedentes del elemento activo (en transmisión), son reflejadas en dirección contraria, haciendo a la antena unidireccional, reforzándose la energía que viaja en dirección reflector-dipolo y atenuándose mucho la que viaja en sentido dipolo-reflector. Los elementos directores son conductores de longitud ligeramente inferior a P /2 (5% a 10%) y se comportan de forma capacitiva. En este caso se refuerza la energía que viaja en sentido dipolo-director, aumentando la directividad.
Figura 4-34:Reflector y director de una antena yagui-uda. El resultado final es una antena muy directiva en sentido reflector-dipolo-directores. La antena yagi siempre consta, como mínimo, de un dipolo y un reflector. El número de directores varía. Cuanto más se colocan mayor es la ganancia y más estrecho el lóbulo de máxima radiación. En muchas ocasiones suele emplearse un dipolo plegado en lugar de uno simple con el fin de aumentar el ancho de banda y adaptar mejor la impedancia de la antena. Esto es común sobre todo en antenas de TV.
Figura 4-35:Antena yagui-uda típica.
Figura 4-36:Antena yagui-uda de TV para VHF la (a) y UHF la (b). CARACTERÍSTICAS: Ganancia máxima, sobre 18 dB. Ancho de banda: 10% a 40%. Se puede variar jugando con las longitudes y separaciones de los elementos pasivos. Aplicaciones: Comunicaciones en VHF y UHF.TV y FM. 4.5.13-ANTENA
HELICOIDAL
Consiste en realizar un helicoide con un conductor. Su comportamiento varía en función del diámetro de las espiras con respecto a la longitud de onda de trabajo. Diámetro de espiras mucho menor que P/T (modo normal). D
Diámetro de espiras entre 1/4 y 1/2 de P. Es decir, P/4 < D < P /2 (modo axial). Modo típico de trabajo. Se construye con reflector ara proporcionarle más directividad y evitar los lóbulos traseros. Unidireccional en la línea del eje. Polarización : circular. Resistencia: De 100 a 180 ; . Para D = P/T , 140 ; . Ganancia : Depende del n º de espiras y separación. Típica de 7 a 15 dBi. Aplicaciones: Seguimiento espacial, telemetría, ECM, de 100 Mhz a 3 Ghz. Diámetro de espiras mucho mayor que P/T (modo cónico). Polarización: circular. Diagrama de radiación: Aparecen lóbulos en distintas direcciones en el plano del eje.
Figura 4-37:Dimensiones típicas de una antena helicoidal axial y representación de los tres tipos con su diagrama de radiación. 4.5.14-ANTENA
DE BOCINA
Consiste en un ensanchamiento progresivo del final de un guía de ondas y por tanto es una prolongación de éste. Debido a este ensanchamiento hay una adaptación de impedancias entre la impedancia característica del guía de ondas y la del medio de propagación para que exista una máxima transferencia de energía entre ambos.Puede ser de varios tipos: rectangular, piramidal y cónica. Las dimensiones de la bocina determinan sus características. Según aumenta la abertura en
un plano, aumenta la directividad y ganancia. Debido a esta abertura, se caracterizan por convertir un frente de ondas plano en esférico (cónicas y piramidales) ó cilíndrico (rectangulares). Esto no es deseable cuando se necesitan buenas ganancias, por eso existen unas relaciones óptimas en sus dimensiones para llegar a un compromiso entre ganancia y el efecto antes mencionado. También por eso, es típico utilizarla como alimentador de otros tipos de antenas que realizan el efecto contrario, tales como parabólicas o de lente que se verán más adelante. CARACTERÍSTICAS: Polarización: Lineal. Ancho de banda: 1,6 a 1. Rendimiento : Próximo a 1. Ganancia: Variable desde 12 a 30 dB, dependiendo de la longitud de la bocina. Aplicaciones: Radar y Comunicaciones de 0,3 a 70 Ghz.
Figura 4-38:Antenas de bocina. Distintos tipos y haces de radiación. 4.5.15-REFLECTOR PARABOLICO
Consiste en una superficie en forma de paraboloide de revolución, ó una parte de éste, que tiene un emisor de energía electromagnética en su foco geométrico (alimentador ó elemento que alumbra). De esta forma, la energía emitida hacia el reflector, se refleja concentrándose en sentido reflector-foco. Cuanto mayor es la superficie reflectora, mayor es la ganancia. Debe tener unas dimensiones del orden de 10 P para conseguir buenas ganancias. Por eso, y debido al tamaño que necesita el reflector, únicamente se puede utilizar en frecuencias por encima de 1 GHz.
Figura 4-39:Reflector parabólico. Sombra que crea la estructura. Los reflectores tienen la facultad de convertir un frente de ondas esférico en plano y viceversa por eso su alimentador más corriente es una antena de bocina. El frente de ondas plano que viaja por el guía ondas se convierte en esférico al salir por la bocina, volviendo a ser plano al reflejarse en la superficie parabólica. Otra propiedad de los reflectores parabólicos, es que debido a la curvatura de la superficie, al reflejarse la onda, se producen pequeñas componentes ortogonales a los campos eléctricos de la onda, dando lugar a un diagrama de radiación en polarización cruzada que es indeseable para ciertas aplicaciones.
Figura 4-40:Antena tipo OFF-SET.
Figura 4-41:Antena tipo Cassegrain y Gregorian. Existen varios tipos de antenas parabólicas, tales como: a) CASSEGRAIN: En el foco de la parábola se sitúa un reflector hiperboloide (subreflector) y la bocina se sitúa junto al plano del paraboloide. El foco del hiperboloide coincide con el del paraboloide. Esto simplifica la construcción mecánica y la alimentación sobre todo en antenas de grandes dimensiones como las que se utilizan para seguimiento espacial (la superficie parabólica puede tener un tamaño del orden de una plaza de toros). Además disminuyen la temperatura de ruido al disminuir la línea de alimentación y apuntar la bocina en sentido contrario a la tierra. b) GREGORIAN: Sigue el mismo esquema de construcción que la Cassegrain, aunque en este caso el subreflector es un elipsoide cuyo foco coincide con el foco del paraboloide. c) OFFSET: En este caso, se toma una parte de la superficie del paraboloide de forma que los elementos situados en el foco no se interpongan en el camino que sigue la onda electromagnética. Con esto se evita que hagan sombra, aumentando el rendimiento (y ganancia) a igualdad de superficie. En antenas transmisoras, también se evita que parte de la energía radiada por la bocina, se refleje y vuelva a introducirse en ella, evitando la aparición de las ondas estacionarias a que da lugar este hecho.
Figura 4-42:Antena tipo OFF-SET de plato parabólico de aplicación para la recepción de
TV vía satélite. Figura 4-43:Antena parabólica de Radar tridimensional. CARACTERÍSTICAS: - Ganancia: Muy alta 20 a 50 dB.
.
Ancho de banda: depende del alimentador. Puede adoptar diversas formas para obtener distintos haces de radiación. Aplicaciones: Radar, comunicaciones, astronomía. Lóbulos laterales: El nivel de medio es de -20 dB del máximo del haz principal (típico). 4.5.16-ANTENA
DE RANURA DE P/2
Si practicamos una ranura de P/2 en un plano conductor y conectamos una línea de alimentación por el centro de la ranura, obtenemos una antena que se comporta como un dipolo de P /2 y que tiene el mismo diagrama de radiación. La diferencia está en que la distribución de los campos eléctricos y magnéticos en la ranura es ortogonal a la distribución de éstos en el dipolo conductor de varilla (en la ranura la corriente circula alrededor de ella).Por eso se llama también dipolo magnético. También se realizan antenas ranuradas practicando aberturas en un guía de ondas. Lo normal es realizar varias aberturas en el guía de ondas formando un array y así conseguir mejores características en cuanto a directividad y ganancia. Estas ranuras deben estar situadas y tener unas dimensiones acordes con el modo de propagación en el guía de ondas.
Figura 4-44:Antena de ranura (a). Diagramas de radiación en planos perpendiculares. Los arrays lineales son de dos tipos: Ranuras longitudinales con cortocircuito al final. Y dentro de estas tenemos las de alimentación lateral o de alimentación centrada. b) Ranuras al borde con cortocircuito al final. Los arrays planares resonantes son usados para los radares de a bordo de aeronaves, con las siguientes características: Todas las ranuras resuenan a la misma frecuencia. Todas las ranuras están separadas entre si P/2. El haz principal es perpendicular al array. CARACTERÍSTICAS:
Diagrama de radiación: Direccional. Varía según el número de ranuras y situación. Polarización: Lineal (opuesta al dipolo P /2). Resistencia : 1000 ; con cavidad de P /4 ; 363; para ranura abierta a ambos lados. Ganancia: 5 dB con cavidad ; 2.15 dB sin ella. Ancho de banda: 5%. - Aplicaciones: Aviones y misiles, montadas en fuselaje, de 100 Mhz a 35 Ghz.
Figura 4-45:Arrays de ranura sobre guía ondas. (a) alimentación lateral. (b) alimentación centrada. 4.5.17-ANTENA
ESPIRAL
Consiste en formar una espiral con hilos conductores. Esta espiral puede hacerse con doble o cuádruple rama. Además podrá estar sobre un plano ó en el espacio formando una espiral cónica. La propiedad fundamental de este tipo de antenas es su gran ancho de banda.
Figura 4-46 :Antena espiral aritmética de dos ramas. También existe la posibilidad de construirla con hilo conductor ó practicando ranuras con la forma de la espiral en un guía de ondas.
Figura 4-47:Antena espiral logarítmica de dos ramas.
La Intensidad se va atenuando en las ramas según nos alejamos del centro debido a la energía que se va radiando. Así al final de las ramas casi no radia, comportándose como un elemento infinitamente largo (ideal). Por ello, se conservan las propiedades direccionales en una amplia gama de frecuencias. Para conseguir directividad en un solo sentido, se construye con un dieléctrico y una placa conductora por detrás. En las espirales logarítmicas, el grosor del conductor ó de la ranura, crece progresivamente según la ley de la espiral.
Figura 4-48:Construcción de una antena espiral logarítmica de ranura con dos ramas. CARACTERÍSTICAS: Diagrama de radiación con lóbulos perpendiculares al plano espiral. Polarización: Circular. Resistencia : 150 ;. Ganancia: 5 dB. - Ancho de banda muy grande: hasta de 20 a 1 (típico de 10 a 1). Aplicaciones: Telemetría en aviones y misiles, ECM. A veces se utiliza en arrays. Banda de trabajo: Desde 0,2 a 18 GHz. Antenas cónicas con espiral. Este tipo de antenas se emplean para obtener diagramas de radiación direccionales sin necesidad de usar cavidad o reflector. Las antenas cónicas con espiral se han desarrollado preferentemente con la espiral logarítmica.
Figura 4-49:Antena cónica con espiral logarítmica. Cuando el eje del cono esta orientado verticalmente, la antena tiene una cobertura con polarización circular omnidireccionalmente. 4.5.18-ANTENAS
MICR OSTR IP
Consiste en una superficie rectangular conductora en una cara de una placa de circuito impreso, estando la otra cara totalmente cubierta por superficie conductora.
Figura 4-50:Constitución de un elemento microstrip. Tipo L = P/2. Existen tres tipos de elementos microstrip dependiendo de la longitud (L): a) L = P/2, y W P. La otra dimensión es t que suele ser del tamaño estandar de las placas de circuito impreso que van desde los 0,127 mm a los 3,175 mm. Las características directivas y eléctricas dependen de la dimensión de la superficie conductora (L x W) , del grosor de la placa t y del coeficiente dieléctrico (I) del material aislante de la placa. b) L = P, Este tipo de elemento es semejante a la del tipo anterior. Únicamente varía el
punto en el cual esta situado el alimentador de la placa, que en el tipo de L = P/2, esta situado descentradamente y en las del tipo L = P, esta situado en el centro de la placa. c) L = P/4. Este tipo de elemento se caracteriza por tener en un extremo cortocircuitos. El punto de alimentación suele estar en el lado opuesto a donde se encuentran los cortocicuitos para conseguir que la impedancia sea semejante a la de la línea coaxial de entrada. La velocidad de propagación de las ondas en el dieléctrico (v) es menor que en el espacio (c), en consecuencia, la longitud eléctrica de éste es mayor, por ser P menor. Las propiedades más atractivas de los microstrip, son su bajo coste de construcción (por ir en placa de circuito impreso) y la gran facilidad de construir además en dicha placa, mediante pistas conductoras, todo tipo de elementos como adaptadores de impedancia, transformadores, líneas de distintas longitudes de onda, desfasadores, etc... sin apenas incrementar su coste. Es muy común construirlos en arrays para conseguir las características directivas necesarias. CARACTERÍSTICAS: Impedancia: Viene dada por la expresión: = P/W. Además del ancho del elemento, dependen del punto de alimentación. Este punto se suele seleccionar para que la adaptación de impedancia sea la de un cable coaxial de 50 ;. Ancho de Banda (BW): Suele ser muy pequeño y es proporcional al espesor de la placa (t). Viene dado por la expresión:
Esta expresión, lleva t en pulgadas y f en GHz. Rendimiento : De un 80 a un 99 %. Polarización : Lineal principalmente pero se puede conseguir con polarización circular de la siguiente manera: Si L = W = P/2, y se alimenta el microestrip con dos puntos que tienen un desfase entre ellos de 90 º. Aplicaciones: Para cualquier aplicación este tipo de elementos suele estar formando arrays. Las aplicaciones más importantes suelen estar en aeronaves, misiles, ECM, Radar SAR.
Bandas de Frecuencias : Muy altas.
Figura 4-51:Antena array microstrip de 16 elementos en fase para 5 GHz .
