Introducción a las Antenas

Introducción a las
Antenas
Mario Vielma
Abril, 2005
Contenido:
Introducción Histórica
„ Conceptos básicos
„ Métodos de cálculo de antenas
„ Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„ La antena impresa
„ Simuladores
„
„ Introducción
Histórica
Conceptos básicos
„ Métodos de cálculo de antenas
„ Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„ La antena impresa
„ Simuladores
„
Un poco de historia…
„
„
„
„
„
„
„
Franklin, Coulomb, Volta, Ampere, Faraday, Henry
… Inicios de los estudios en electromagnetismo
Maxwell Æ Unificación de la Teoría E.M
Marconi Æ Primera comunicación transoceánica (1901)
Invención del radar (1930), de forma accidental
Radioastronomía (1930), detección de ruido del centro de la galaxia
II Guerra Mundial, desarrollo de teoría de guías de onda. Gran interés
en teoría de microondas
Mediados siglo XX, telecomunicación espacial, satélites rusos y
norteamericanos.
Avances recientes..
„
„
„
„
„
„
Uso de software para el calculo de antenas.
… Método de los momentos
… Mallas
Desarrollo de antenas de microstrip
Antenas adaptativas mediante el uso de arreglos de antenas
Antenas desplegables e inflables (para ser lanzadas junto con el
satélite)
Radioastronomía, construcción de interferómetros y mejora en
algoritmos de cálculo
Mejora en instrumentación. (analizadores de redes), y nuevos software
de simulación.
„
Introducción Histórica
„ Conceptos
básicos
Métodos de cálculo de antenas
„ Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„ La antena impresa
„ Simuladores
„
Campo Electromagnético
¿Qué es una antena?
„
„
Es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas
E.M. del espacio.
Dispositivos que adaptan ondas guiadas, desde conductores o
guías al espacio libre.
Radiación:
Ecuaciones de Onda:
Radiación: Consecuencia del movimiento acelerado de partículas cargadas. Se
produce un campo E y un campo H.
La antena como adaptador:
„
La antena se puede ver como un adaptador de impedancias de la
guía al espacio libre, cumpliendo con el teorema de máxima
transferencia de potencia
Regiones de campo:
„
„
„
Región reactiva: R1<0.62(D^3/Lambda)^1/2
Región de radiación de cercano: R2<2D^2/Lambda
Región de campo lejano: R3>R2 (onda plana)
Introducción Histórica
„ Conceptos básicos
„
„ Métodos
de cálculo de antenas
Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„ La antena impresa
„ Simuladores
„
Campos en una antena genérica:
„
„
„
La idea es poder calcular
adecuadamente los campos.
De esta forma, podemos diseñar
antenas que cumplan las
características que requerimos
Podemos optimizar diseños
Campos en una antena genérica:
„
Introduciendo un vector potencial A, obtenemos:
„
Luego sólo bastará conocer el valor de A:
„
Y para conocer el vector A, es necesario conocer la distribución
de corriente…
Distribuciones de corriente para el dipolo
elemental:
Introducción Histórica
„ Conceptos básicos
„ Métodos de cálculo de antenas
„
„ Parámetros
de una antena
Tipos de antena
„ La antena impresa
„ Simuladores
„
… Impedancia
de entrada
… Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
… Directividad
… Ganancia
… Polarización
… Ancho de Banda
… Pattern de Radiación
Radiador isotrópico:
„
Es una antena puntual, que no se puede realizar en la práctica y
que radía de igual manera en todas las direcciones:
Impedancia de Entrada
„
Es la razón entre el voltaje y la corriente en los terminales de la
antena. Aquí están representados las pérdidas propias del
conductor y la resistencia a radiar de la antena al espacio libre.
Además, la reactancia representa el campo reactivo de la antena
producido por el campo cercano.
Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
„
„
„
„
„
Para tener una buena transmisión de potencia entre
el transmisor y la antena, es necesario que la
impedancia del transmisor sea el conjugado complejo
de la impedancia de la antena.
El VSWR: medida de desadaptación entre la
impedancia del transmisor y de la antena.
A mayor VSWR, es peor la adaptación.
VSWR=1 Æ Adaptación perfecta.
Cuando no hay onda reflejada (| Γ |=0) hay una
adaptación perfecta y VSWR=1.
Directividad y Ganancia
„
„
„
„
„
Ambos parámetros vienen dados por cuánto concentra una antena su
radiación hacia una cierta dirección preferente. Es la razón entre esta
antena y una antena isotrópica
La ganancia se relaciona con la potencia de alimentación
La directividad se relaciona con la potencia de radiación
Ambas difieren en un factor de eficiencia G= N*D
Se miden en dBi (dB) o dBd
Polarización
„
„
„
Se le llama polarización de la antena a la polarización del campo
eléctrico respecto a un plano de tierra dado.
La polarización puede ser lineal, vertical o elíptica.
CPL (Cross-Polarization Level) es una medida de polarizaciones no
deseadas.
Ancho de Banda
„
Es el rango de frecuencias a
los cuales los parámetros de
antena son similares a las que
tendría si operara en la
frecuencia central
„
El estándar es comúnmente
para VSWR≤2 (ó | Γ |≤1/3).
Pattern de Radiación
„
„
„
Es la representación gráfica de la magnitud relativa de los
campos en el espacio
Se presenta generalmente en dos planos, uno que contiene al
campo eléctrico (Plano E) y otro que contiene al campo
magnético (Plano H)
Aunque también se pueden representar en 3-D
Plano E
Plano H
Lóbulos
„
„
„
Los lóbulos son direcciones preferenciales de radiación
HPBW (Half Power Beamwidth): Ángulo al cual el lóbulo principal
tiene la mitad de su potencia
Front to Back: Relación entre el lóbulo principal y el lóbulo trasero
Teorema de Reciprocidad
„
„
Todos los parámetros vistos son válidos tanto en recepción como
en transmisión
Permite medir de forma más sencilla los parámetros de las antenas
Introducción Histórica
„ Conceptos básicos
„ Métodos de cálculo de antenas
„ Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„ La antena impresa
„ Simuladores
„
Formas de clasificar las antenas:
„
„
„
„
„
Según su forma
Según su ganancia
Según la forma del pattern
Según ancho de banda, precio, etc.
Según la aplicación habrá una antena con mejores características según
nuestras necesidades
Antenas de cable
„
Dipolo: Usada principalmente en radiodifusión
…
„
Monopolo: Usada en radiodifusión
…
„
Ganancia: 2dB, BW: 10%, HPBW: 78º, Directividad: 2.15 dB (1.64 Iso)
Zin: 36.5 [Ohm], Ganancia: 2-6 dB, BW: 10%, Directividad: 3.28 dB
Loop: Usada en recepción
…
Ganancia: -2 a 3 dB, BW: 10%, Mejorable con núcleo de ferrita
Hélice
„
„
„
„
Dos modos principales de operación: normal y axial
Opera en modo normal si el diámetro de la vuelta es pequeño
comparado con el largo de onda, y en modo axial si es comparable
Modo normal: Radía más bien en forma omnidireccional
Modo axial: Radía con gran directividad (> 15dB) el cual aumenta
con el número de vueltas y está eléctricamente polarizado. Debido a
su gran directividad es apropiado para aplicaciones satelitáles
Bocina (Horn)
„
„
„
Son antenas comúnmente utilizadas a frecuencia de microondas
Generalmente usadas como alimentadores de reflectores parabólicos
Tienen alta ganancia, bajo VSWR, relativamente alto ancho de
banda y fácil construcción y diseño.
Reflectores
„
„
Los reflectores son elementos usados para mejorar las
características de radiación (parabólica) y ancho de banda (yagi)
Los reflectores son comúnmente superficies planas, parabólicas,
hiperbólicas o lineales
Comparación de ganancia entre las distintas
antenas estudiadas…
Introducción Histórica
„ Conceptos básicos
„ Métodos de cálculo de antenas
„ Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„
„ La
„
antena impresa
Simuladores
Antena impresa o antena microstrip
„
„
Se diseñan a partir de líneas de transmisión. La idea es que la
estructura resuene y disipe energía en forma de radiación
Se compone de un parche radiador sobre un sustrato dieléctrico y
bajo éste un plano a tierra
Formas del parche
„
„
La forma dependerá de la aplicación que se requiera
Los diseños van desde un simple parche rectangular hasta diseños
fractales. Según el diseño y los materiales será su precio
Ventajas y desventajas…
„
Ventajas:
…
…
…
…
…
…
…
„
Son livianas y ocupan poco volumen
Perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies
Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie
Soporta tanto polarización lineal como polarización circular
Fácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MICs)
Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias
Son mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas
Desventajas
…
…
…
…
…
…
Son de pequeño ancho de banda
Baja potencia
Baja ganancia
Limitada potencia
Baja pureza de polarización
Además, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas
Técnicas de alimentación
„
Técnicas por contacto
…
Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de
fabricación)
…
Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching)
Alimentación por linea microstrip
Alimentación por cable coaxial
Técnicas de alimentación
„
Técnicas sin contacto
…
Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo
CPL (Cross Polarization Level)
…
Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%),
…
Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa
Alimentación por apertura
Alimentación por proximidad
Introducción Histórica
„ Conceptos básicos
„ Métodos de cálculo de antenas
„ Parámetros de una antena
„ Tipos de antena
„ La antena impresa
„
„ Simuladores
Simuladores
„
Debido a la complejidad de los calculos para encontrar la
distribución de corriente en estructuras, se hace indispensable
el uso de simuladores computacionales.
„
Las empresas más reconocidas son SONNET EM y ANSOFT
„
ANSOFT
„
…
HF: HFSS, Ansoft Designer, NEXXIM (simulacion de circuitos)
…
EM: Maxwell 3D, Maxwell 2D, Simplorer
…
SI (Signal-Integrity)
…
Otros simuladores para elementos de RF
Direcciones: www.ansoft.com - www.sonnetusa.com
HFSS
„
Simulación de una antena microstrip: Se pueden simular la magnitud y el
vector de campos magnéticos y eléctricos, corrientes superficiales y
parámetros de antenas tales como VSWR, Parámetros S, etc.
Optimización de parámetros
„
Para la misma antena anterior, podemos ver su desempeño a distintas
frecuencias y distintos modos de alimentación
„
Características de la antena: Antena microstrip, resonante a 7.55 Ghz,
de largo L cercano a Lambda/2
Simulación de distintas estructuras
„
Con un apropiado diseño, se puede simular una muy alta variedad de
estructuras, tales como bocinas, dipolos, guías de onda y filtros
Comentarios