Valentino Trainotti, IEEE Life Senior Member, BTS
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ANTENAS Valentino Trainotti, IEEE Life Senior Member, BTS-DL Con colaboración de: Gonzalo Figueroa, IEEE Student Member Nicolás Tempone, IEEE Student Member Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Argentina Secretaría de Investigación y Doctorado Facultad de Ingeniería Secretaría de Investigación y Doctorado Breve cronología histórica • • • • • William Gilbert Benjamin Franklin Charles Augustin Coulomb Alessandro Volta Hans Christian Oersted 1600 1750 1780 1800 1819 • • • • • • Andre Marie Ampère George Simon Ohm Michael Faraday Joseph Henry James Clerk Maxwell Heinrich Rudolph Hertz 1823 1825 1831 1831 1873 1888 Electroscopio De Magnete Ley de conservación Ley entre cargas Celdas y baterías Electricidad produce magnetismo Electrodinámica Relación entre V, I y R Magnetismo produce elect. Inducción electromagnética Teoría electromagnética Comprueba la teoría Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894) Transmisor y detector de Hertz Antena con reflector parabólico cilíndrico con alimentador dipolar Heinrich Rudolph Hertz Primera antena dipolo Primera antena parabólica cilíndrica Guglielmo Marconi (1874-1937) Transmisor de Marconi Sistema de transmisión de Marconi Sistema receptor de Marconi Guglielmo Marconi (1874 – 1937) • 1895 – Primeras experiencias en Bologna • 1896 – Obtiene patente inglesa (12039) • 1897 – Crea la Wireless Telegraph & Signal Company Limited • 1899 – Enlace entre Inglaterra y Francia • 1900 – Crea la Marconi Wireless Telegraph Company Limited • 1901 – Transmisión a través del Atlántico. • 1902 – Experiencia en el Buque Philadelphia • 1909 – Premio Nobel de Física 12 de Diciembre de 1901 Primera comunicación a través del Atlántico 300 años entre los primeros experimentos del Doctor Gilbert y el cruce del Atlántico mediante una radiocomunicación telegráfica Antena transmisora de Marconi Antena receptora de Marconi Instalando la antena barrilete en Newfoundland (Canada) Diciembre de 1901 Antena transmisora de Marconi Guglielmo Marconi - Yate Elettra Experimentos en ondas cortas HF (3 – 30 MHz) Reginald Aubrey Fessenden (1866 - 1932) Reginald Aubrey Fessenden (1866 - 1932) •1901 - Experiencia de radiotelefonía con transmisor a chispa de alta velocidad para simular onda continua •1902 – Patenta la onda continua (CW) •1905 – Diseña el primer alternador de “alta frecuencia” (LF 0.5 kW, 50 kHz) •1906 – Fessenden y Alexanderson diseñan alternador de 20000 rpm (1 kW, 50 kHz) instalado en Brant Rock, MA. Transmisión de telefonía y música •1906 – Primera transmisón bilateral entre EEUU y Escocia Fessenden – Antena Transmisora Brand Rock Massachusetts (1905 - 1906) Fessenden Alternador de “alta frecuencia” LF 50 kHz, 1 kW Fessenden – Detector electrolítico (1905 - 1906) Desarrollo del campo eléctrico de un dipolo Circuito de antena monopolo Magnitudes • • • • • • • • • • • E Intensidad de Campo Eléctrico [V/m] H Intensidad de Campo Magnético [A/m] P Densidad de Potencia Radiada [W/m2] U Intensidad de Radiación [W/Rad2] WT Potencia Total Irradiada [W] D Directividad [veces o dBi] G Ganancia [veces o dBi] Za Impedancia de Antena [Ω] RR Resistencia de Radiación [Ω] Z00 Impedancia del Medio [Ω] Ta Temperatura de Ruido [K] Parámetros de las antenas • • • • • • • • • • • • A) B) C) D) E) F) G) H) I) J) K) L) Diagrama de radiación Directividad Ganancia Área, apertura o superficie Altura Rendimiento o eficiencia Impedancia Temperatura Capacidad de potencia Ancho de banda Polarización Mecanismos Diferentes diagramas de radiación Diferentes diagramas de radiación Diagrama rectangular Directividad IEEE STD 149-1979 Directividad Ganancia Área Área Área Longitud o altura efectiva Longitud efectiva Impedancia de antena Impedancia Impedancia Impedancia Rendimiento o eficiencia de antena η= Potencia total irradiada Potencia de entrada de la antena Rr = Resistencia de radiación [Ω] RL = Resistencia de pérdidas [Ω] Depende de las pérdidas en conductores y dieléctricos que forman el circuito completo de la antena. No están incluidas las pérdidas por desadaptaciones de impedancias ni en la línea de transmisión. Capacidad de potencia Este parámetro depende de las características físicas para soportar altas potencias: • • • • • • • • • • Configuración geométrica de conductores Espaciado entre conductores Evitar bordes filosos Presurizar áreas críticas Evitar desadaptaciones de impedancia Utilizar dieléctricos adecuados Evitar la unión de diferentes metales Evitar la corrosión Utilizar baja impedancia de alimentación Evitar terminaciones de alto potencial Temperatura de antena Ruido: • • • • • • Térmico Atmosférico Industrial o hecho por el hombre Galáctico Cósmico Fotónico Temperatura de antena ∆f = 1 Hz Temperatura de antena Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura Gráfico de la temperatura del cosmos (simplificado) Temperatura Medición realizada por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965 (4.08 GHz) Antena Bocina reflectora (Bell Labs) TA = 6,7ºK Apuntando cerca del cenit (cielo vacío) Esta temperatura compuesta por: 2,3 ± 0,3 ºK Atmósfera 0,3 ± 0,4 ºK Pérdidas óhmicas < 0.1 ºK Lóbulo posterior que apunta a la tierra 3,2 ± 0,5 ºK 6,7 – 3,2 = 3,5 ± 0,5 ºK 3,5 ºK Atribuidos al ruido de fondo del cielo vacío A. A. Penzias – R. W. Wilson – Astrophys. J. 142, pp 419-421, 1965 Temperatura Bocina parabólica Holmdel, Bell Labs Temperatura Antena directiva de Karl Jansky. Holmdel, Bell Labs, 1931. Primera medición del ruido galáctico. Temperatura Antena con pérdidas (óhmicas) Temperatura Figura de Ruido Polarización La polarización depende de la orientación del vector campo eléctrico producido por la antena Plano transverso Polarización En general la polarización es elíptica. La polarización lineal y circular son casos particulares. Plano transverso Polarización La polarización de una antena transmisora en una dada dirección desde la antena, es la polarización de la onda transmitida (IEEE STD 145). Muchas antenas son recíprocas y las propiedades de polarización son idénticas en transmición y recepción. En el caso de antenas receptoras la polarización se define como la polarización de una onda plana incidente desde una dirección dada que produce la máxima potencia disponible en los terminales de la antena (IEEE 145-1983). Polarización Relación de polarización Polarización Polarización Polarización Relación de polarización Relación axial Lineal Vertical ρL = ∞ ρD = 1 ρC = 1 R=∞ R = ∞ dB Lineal Horizontal ρL = 0 ρD = 1 ρC = 1 R=∞ R = ∞ dB Circular Derecha ρL = 1 ρD = 1 ρC = ∞ R=1 R = 0 dB Circular Izquierda ρL = 1 ρD = 1 ρC = 0 R = -1 R = 0 dB Polarización Polarización Pérdida Antena onda dB Horizontal Horizontal 0 Horizontal Vertical 20 Horizontal Circular 3 Vertical Vertical 0 Vertical Horizontal 20 Vertical Circular 3 Circular Horizontal 3 Circular Vertical 3 Circular Izquierda Circular Izquierda 0 Circular Izquierda Circular Derecha 25 Circular Derecha Circular Derecha 0 Circular Derecha Circular Izquierda 25 Oblicua 45 Horizontal 3 Oblicua 45 Vertical 3 Oblicua 45 Circular 3 Radiadores Básicos Foco isotrópico Radiadores Básicos Dipolo Elemental Dipolo Corto Radiadores Básicos Dipolo Radiadores Básicos Dipolo Radiadores Básicos Dipolo Radiadores Básicos Diagrama de Radiación Radiadores Básicos Dipolo de media onda Radiadores Básicos Dipolo de media onda Radiadores Básicos Dipolo Radiadores Básicos Monopolo Elemental Monopolo Corto Radiadores Básicos Monopolo Intensidad de campo del monopolo en función de su altura Intensidad de campo del monopolo en función de su altura física y de la conductividad terrestre a 1 MHz Balunes Balunes Balun de banda ancha para HF (2 – 30 MHz) Radiadores Básicos MF 0.53 – 1.7 MHz Monopolo plegado para radiodifusión en ondas medias Radiadores Básicos Monopolo conectado a tierra Unidad de sintonía Radiadores Básicos MF 0.53 – 1.7 MHz Alta potencia Monopolo plegado para radiodifusión en ondas medias Radiadores Básicos MF 0.53 – 1.7 MHz Monopolo para radiodifusión en ondas medias (punto de a limentación) Radiadores Básicos Variantes del dipolo Radiadores Básicos Dipolo con reflector para polarización vertical (VHF 88 – 108 MHz) Radiadores Básicos ELEMENTO FORMADO POR DOS DIPOLOS DESPLAZADOS 90º (PENETRATOR) POLARIZACION CIRCULAR Radiadores Básicos Dipolos ”Rototiller” (ERI) para polarización circular (VHF 88 – 108 MHz) Radiadores Básicos Dipolo con reflector para polarización circular (VHF 88 – 108 MHz) Líneas de transmisión Líneas bifilares (balanceadas) Líneas coaxiles (desbalanceadas) Características: •Impedancia característica (Z0) •Bifilares (100 – 800 Ω) •Coaxiles (30 – 120 Ω) Normalización de coaxiles: Z0=50 Ω •Atenuación (dieléctricos y conductores) Líneas de transmisión Cable coaxil rígido Líneas de transmisión Cable coaxil semirígido Radiadores Básicos Cuadro pequeño Radiadores Básicos Cuadro (de cualquier tamaño) Radiadores Básicos Cuadro Radiadores Básicos Cuadro Radiadores Básicos Variantes del cuadro Radiadores Básicos Bocinas Radiadores Básicos Bocinas Piramidal Radiadores Básicos Bocinas Diagramas de radiación Radiadores Básicos Bocinas Directividad Radiadores Básicos Bocinas Sectorial E Directividad normalizada Radiadores Básicos Bocinas Sectorial H Directividad normalizada Radiadores Básicos Bocinas Piramidal óptima Radiadores Básicos Bocina cónica Valores óptimos Radiadores Básicos Bocina corrugada Antenas de banda ancha Impedancia de entrada Antenas de banda ancha Antena monopolo de banda ancha (2 – 30 MHz) Antenas de banda ancha Antena dipolo de banda ancha (2 – 30 MHz) Antenas de banda ancha Diagrama de radiación Antenas de banda ancha Antena “V” Antena Rómbica Antenas de banda ancha Antena helicoidal Antenas de banda ancha Antena espiral equiangular Antenas de banda ancha Antena espiral cónica equiangular Antenas de banda ancha Antenas logarítmicas – Periódicas a dientes trapezoidales Antenas de banda ancha Antena Helicoidal Antenas de banda ancha Antena Espiral Plana Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica a dientes trapezoidales Vista lateral Vista de frente Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica a dientes trapezoidales Vista lateral Vista de frente Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica Dipolar Impedancia de Antena Impedancia Propia del Dipolo Cilindrico Impedancia Mutua Conjuntos de Dipolos - Lado a lado Impedancia Mutua Conjuntos de Dipolos - Colineales Conjuntos de Dipolos Diagramas de radiación G. H. Brown – “Directional Antennas” P.I.R.E, 25 pp 78-145 January 1937 Conjuntos de Dipolos Ganancia Resistencia de entrada Conjuntos de Dipolos Dipolo λ/2 sobre tierra Conjuntos de Dipolos Dipolo λ/2 sobre tierra Diagramas de radiación Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra Diagramas de radiación Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra Conjuntos Antena Yagi-Uda Conjuntos Antena Yagi-Uda Conjuntos Antena Yagi-Uda Conjuntos Antena Yagi-Uda Espaciados óptimos Antenas con reflectores Reflector plano Antenas con reflectores Antena Direccional para Radiodifusión en HF Antena para Radar en VHF Antenas con reflectores Conjunto con Reflector Diedro Reflector Antenas con reflectores Diedro Reflector Antenas con reflectores Reflector Parabólico Antenas con reflectores Reflector Parabólico Antenas con reflectores Aperturas Uniformemente Iluminadas Antenas con reflectores parabólicos Limitaciones 0 ≤ε ≤ 1 • • • • • • • • • • • • ε0 Eficiencia por pérdidas óhmicas. ε1 Eficiencia de haz. ε2 Eficiencia de apertura. ε3 Eficiencia de superficie. ε4 Eficiencia de bloqueo. ε5 Eficiencia de fase. ε6 Eficiencia por desenfoque. ε7 Eficiencia por desalineación. ε8 Eficiencia del iluminador. ε9 Eficiencia por polarización. ε10 Eficiencia por desborde. εT 30 al 70% Antenas con reflectores Antena parabólica para comunicaciones punto a punto Antenas con reflectores parabólicos Diagramas de radiación medidos Antenas con reflectores Reflector Parabólico Antenas con reflectores Reflector Parabólico Offset Antenas con reflectores Antena para radar (1 – 2 GHz) Antenas con reflectores Reflector parabólico de rejas (1.3 – 1.9 GHz) Antenas con reflectores Reflector parabólico sólido (1 – 2 GHz) Antenas con reflectores parabólicos Cassegrain – Beneficios: • Permite colocar el alimentador en una ubicación conveniente. • Permite reducir los desbordes y lóbulos secundarios. • Obtención de una longitud focal equivalente más grande que la física. • Posibilidad de barrido o ensanche de haz moviendo el subreflector. Antenas con reflectores parabólicos Cassegrain con reflector parabólico sólido Antenas con reflectores parabólicos Detalle del iluminador y sub-reflector Mediciones Diagramas de Radiación Mediciones Ganancia Mediciones Impedancia Mediciones Impedancia Muchas gracias por vuestra atención
