Sistemas de Potencia

INTERFERENCIA DE FUENTES EXTERNAS
Lmneas de transmisisn: Los sistemas de potencia son los que mayor cantidad de problemas presentan
induccisn electromagnitica y tambiin, debido a que pueden alcanzar un potencial lo suficientemente grande
como para rebasar la correspondiente rigidez dielictrica del aire; y se producen pirdidas de energma debido a
la corriente que se forma a travis del medio. Es decir, el aire se comporta como si fuera un conductor, dando
lugar a una corriente de fuga. En los conductores de potencia aireos como el mostrado, este efecto es visible
en la oscuridad, pudiindose observar como quedan envueltos por un halo luminoso, azulado, de seccisn
transversal circular, tal como su fuera una corona, de ahm que se le diera el nombre de efecto corona.
PERTURBACIONES POR "EFECTO CORONA"
El "efecto corona" surge en un gas que se encuentra sometido a un intenso campo elictrico no uniforme. Este
viene a ser el caso de las LAT, y se suele originar junto a irregularidades y asperezas en los conductores. Este
efecto se presenta en la capa inmediata del entorno de los conductores, al ionizarse el aire que los envuelve, y
puede hacerse visible en la oscuridad como "corona" luminosa.
Desde esas irregularidades (asperezas, zonas corromdas, insectos pegados, gotas de agua en caso de lluvia,
etc.) se originan "avalanchas" de electrones donde se produce un reforzamiento local del campo elictrico. De
este fensmeno se deducen tres tipos de efectos molestos:
− El primero se deriva de los choques entre iones y moliculas, que engendran una onda sonora perceptible en
las inmediaciones de la lmnea. Con tiempo hzmedo este ruido aumenta bastante, debido a que se incrementa
el nzmero de avalanchas. Una lmnea de 400 Kv. presenta un ruido semejante al de una intensa lluvia, y en
determinadas circunstancias puede perturbar la vida ordinaria de los habitantes ribereqos.
− El segundo se debe a la propagacisn a lo largo de la lmnea de impulsos de corriente engendrados por esas
avalanchas electrsnicas. Estos impulsos se desplazan a una velocidad prsxima a la de la luz y originan una
onda electromagnitica que es perceptible a muchos kilsmetros del punto de origen, manifestandose en un
espectro de frecuencias de muchos megahercios. Un receptor de radio puede captar estas perturbaciones,
como ruido radioelictrico, a 80 o 100 m de la lmnea.
− Y finalmente, los iones creados por las avalanchas electrsnicas se someten a un movimiento de vaivin,
alejandose de los conductores hasta distancias superiores a un metro. En su movimiento transmiten energma
cinitica a las moliculas neutras mediante choque, lo que se traduce en pirdidas suplementarias de energma
EFECTO CORONA
Con el tirmino "efecto corona" se quiere seqalar al conjunto de fensmenos que llevan a la aparicisn de la
conductividad del aire u otro gas alrededor de un conductor sometido a alta tensisn. Siendo el origen de esta
ionizacisn la magnitud del campo elictrico en la proximidad del conductor y en particular en las vecindades de
las regiones de fuerte curvatura (efecto de puntas). Estas descargas disruptivas generan luz, ruido audible,
ruido de radio, vibracisn del conductor, ozono y otros productos que causan una disipacisn de energma que
debe ser suministrada por el sistema de alimentacisn. El efecto corona ha sido estudiado extensivamente en
muchos de sus aspectos tesricos desde principios de siglo formulandose muchas leyes y ecuaciones tomadas
como base por los diseqadores para la evaluacisn de los distintos fensmenos asociados. Aunque no es
necesario tener un amplio conocimiento de la teorma de descarga en gases, sm es importante conocer la base
de la cinitica de gases para comprender mejor el mecanismo del efecto corona.
MECANISMO Y MODOS DE CORONA
En mezclas de gases, cada constituyente tiene su propia distribucisn y siendo su temperatura la misma, el
valor rms varma con la ramz cuadrada de las masas de las moliculas componentes. En particular, cuando hay
electrones, estos tienen la mas alta velocidad debido a su masa mucho mas pequeqa que la de los atomos o
1
moliculas del gas. Todas las partmculas estan en permanente colisisn unas contra otras y siendo la mayorma
de ellas de tipo elastico, la energma translacional y el momentum se conservan. Sin embargo, sm una
partmcula tiene singularmente alta energma (parte de la pequeqa poblacisn en el extremo alto de la
distribucisn de velocidades), estas pueden causar colisiones inelasticas
IONIZACION DEL AIRE A TRAVES DEL EFECTO CORONA.
En cualquier momento que exista una poblacisn de electrones en el aire como consecuencia de cualquier
fensmeno, en una regisn de alta intensidad de campo elictrico, estos se aceleraran con el campo y adquiriran
suficiente energma para excitar o ionizar un atomo neutro. Esta es la fuente del fensmeno de efecto corona.
Cuando el campo es lo suficientemente alto, ocurre ionizacisn acumulativa. Un electrsn ioniza un atomo
produciendo un segundo electrsn. Este a su vez, junto con el electrsn original puede ionizar otros atomos,
produciendo una avalancha llamada de Townsend. Asm, la ionizacisn tiende a aumentar exponencialmente,
por supuesto que no todas las colisiones producidas resultan en un nuevo electrsn, algunas causan excitacisn y
esto es en efecto el fensmeno visual. En un campo uniforme el proceso descrito puede conducir a la ruptura
dielictrica total del gas a travis de una descarga de flameo. Esto puede ocurrir tambiin en campos no
uniformes si el voltaje es lo suficientemente alto, siendo la causa de, por ejemplo, el flameo entre conductores
o a travis de cadenas de aisladores. Este es el proceso basico que ocurre bajo una descarga atmosfirica. Sin
embargo cuando el voltaje no es lo suficientemente alto para causar disrupcisn total, pero si lo suficiente para
producir ionizacisn en algunas regiones, allm aparecera el efecto corona. De acuerdo con Peek (1920), el
gradiente elictrico en la superficie de un conductor, necesario para producir corona AC visual en el aire
DISTINTAS APLICACIONES PARA LOS TRATADORES DE EFECTO CORONA
Con la elaboracisn de este proyecto se ha querido implementar un nuevo mitodo de esterilizacisn para
materiales plasticos utilizados en la manipulacisn de pruebas en laboratorios clmnicos, se han escogido estos
por lo que este material no resiste los mitodos convencionales de esterilizacisn que utilizan procedimientos
que trabajan a altas temperaturas para la completa esterilizacisn de los materiales. Otro procedimiento para la
esterilizacisn utiliza el gas oxido de etileno para tratar los materiales clmnicos, este mitodo requiere de una
adecuada manipulacisn puesto que el compuesto qummico utilizado es tsxico para el ser humano. Los equipos
que utilizan il oxido de etileno tienen la necesidad de un suministro externo de gas y un complicado sistema
de valvulas, instalaciones y tubermas que pueden representar una fuente de fugas con la concebida puesta en
peligro para los operarios y para la capa de ozono de la tierra. A travis de la investigacisn de este proyecto se
quiere implementar un equipo que sea capaz de esterilizar materiales plasticos y reemplace tanto en costos
como en funcionalidad a los actuales equipos utilizados para tal propssito. El equipo que se espera realizar
esta diseqado basicamente para esterilizar materiales plasticos, no tiene la capacidad de esterilizar implemento
que es necesario para la manipulacisn en laboratorios y clmnicas como textiles e instrumentos metalicos de
gran utilidad en el ambiente quirzrgico. Al terminar el proyecto se quiere comprender la capacidad y
propiedad que tiene el uso del ozono para la debida esterilizacisn de materiales expuestos a esta variedad
alotrspica del oxmgeno.
CARGA SUPERIOR
Hace a la antena helicoidal particularmente ztil en comunicacisn por satilite. dos antenas helicoidales no
pueden comunicarse a menos que sean para aqadir la longitud requerida en las antenas verticales de bajas y
mediana frecuencia se usan extensiones que consisten de elementos sofisticados en forma de estrella o mallas
pantalla, llamada carga superior.
BALUNS ( UNIDADES BALANCEADAS )
Muchas de las antenas mas comznmente usadas son estructuras balanceadas, por otro lado, es comzn
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alimentar las antenas con cables coaxiales con el fin de evitar problemas en la transmisisn que pudiera afectar
el campo radiado, o para el caso de sistemas de recepcisn, problemas de campos inducidos indeseables en la
lmnea de transmisisn. Un cable coaxiales una estructura desvalanceada respecto a tierra. La interconexisn
entre una estructura balanceada y una desvalanceada produce efectos que es necesario eliminar, lo que se
logra por el empleo de los llamados transformadores BALUN . Los problemas y la solucisn mencionados
pueden entenderse mejor si lo analizamos a partir de la teorma de lmneas de transmisisn. En teorma de
circuitos, se define un sistema desvalanceado de dos conductores, aquel en el cual ambos estan a diferente
potencial con respecto a tierra(posiblemente alguno este a tierra) La capacidad con respecto a tierra de cada
conductor es diferente, consecuentemente la corriente en los dos puede ser diferente. Por otro lado, un sistema
balanceado es aquel en el que los dos conductores tienen el mismo potencial, pero de signo contrario, respecto
a tierra. En teorma de antenas y lmneas de transmisisn las definiciones anteriores se aplican de la siguiente
forma: Una lmnea de transmisisn simitrica o una antena se dice que esta balanceada si sus conductores
transportan la misma corriente pero en sentido contrario y es desvalanceada si las corrientes son diferentes.
Un desvalance en una lmnea de transmisisn balanceada inducirma una corriente en superficies conductoras
cercanas provocando perdidas a tierra pero sobretodo, campos radiados que pudieran afectar el patrsn de
radiacisn de la antena, supuestamente conectada a sus terminales. Si un cable coaxial (estructura
desvalanceada) se conecta a su lmnea de transmisisn balanceada se producira una onda de corriente en el
conductor exterior anulando las caractermsticas propias de no radiacisn del cable coaxial. Usualmente un
desvalance en los potenciales respecto a tierra provoca el desvalance en la corriente, pero el potencial respecto
a tierra de una lmnea de transmisisn o un sistema de antenas no es facil de definir ya que la referencia a tierra
es valida znicamente en un punto determinado, lo que puede observarse mas facilmente en la representacisn
circuital
De una lmnea de transmisisn.
Como no existe inductancia cero entre dos puntos diferentes de cada conductor no es correcto suponer que
estan al mismo potencial. Casi nunca se requiere la comparacisn de dos puntos diferentes en un plano
longitudinal por lo que el problema aparece pocas veces en teorma, sin embargo en la practica, normalmente
se observa que "aterrizar" no siempre tiene los resultados deseados. El termino BALUN es utilizado
ampliamente por los ingenieros en comunicaciones, esta formado por las abreviaturas en ingles de balanced
y unbalanced y al igual que muchos otros tirminos a sido adoptado por ingenieros de habla hispana. El
BALUN mas sencillo es el usado en audiofrecuencias y en frecuencias bajas de R. F. Y consiste en un simple
transformador 1:1. Si el tamaqo del transformador es pequeqo comparado con la longitud de onda de la
frecuencia mas alta, los dos puntos de tierra pueden considerarse como el mismo punto. En altas frecuencias
un BALUN puede construirse usando lmneas de transmisisn, quizas el mas simple consiste en un blindaje
desacoplador de (/4, aterrizado a todo lo largo, uno de sus extremos esta conectado al cable coaxial y el otro
extremo esta abierto. El blindaje y el conductor exterior del cable coaxial de (/4, cortocircuitado en un
extremo lo que produce una alta impedancia en el corto extremo y por tanto, esta aislado de tierra y puede
conectarse a un circuito balanceado. El dispositivo es simitrico con respecto a tierra, condicisn fundamental en
los sistemas balanceados. El transformador esta formado por dos cables coaxiales, uno de los cuales lleva la
seqal y el otro es una seccisn soldada al conductor exterior del primero. Las mallas de los coaxiales se
conectan a la lmnea bifiliar, mientras que el conductor central del primero coaxial se conecta a la malla del
segundo. Aparentemente hay un corto circuito en el punto C de la figura, sin embargo, como la longitud del
cable coaxial 2 es de (/4, la impedancia neta en el punto de conexisn con la lmnea bifilar, es el paralelo de la
impedancia del cable coaxial 1 con una impedancia infinita. Una de las desventajas del transformador balun es
que funciona para frecuencias cuya ( sea igual o cercana a 4 veces la longitud del transformador es decir,
trabaja en un rango limitado de frecuencias. Para operar sobre un ancho de banda mayor, se embobinan los
cables coaxiales, con lo cual se obtiene una reactancia grande sobre una banda de frecuencias considerables, el
esquema de conexisn es el mismo. Con este tipo de transformadores se pueden obtener bandas de operacisn
hasta de tres octavas. En algunas aplicaciones, por ejemplo: televisisn, se requiere tener un transformador no
solo de balance−desvalance sino tambiin de impedancias. Es posible introducir esta nueva caractermstica al
transformador balun. Este transformador, normalmente se construye sobre un nzcleo de ferrita lo que
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proporciona un ancho de banda de hasta seis o siete octavas. La relacisn de impedancias es:
Z1 / Z2=(N1+ N2)2/N12
Tesricamente N1 se hace igual a N2, con lo que se obtiene una transformacisn de 4 a 1, sin embargo, en la
practica, la relacisn de vueltas difiere un poco para compensar capacitancias parasitas en el transformador. Un
mitodo obvio para realizar la transformacisn entre circuitos simitricos y asimitricos es el de utilizar un
transformador. En el circuito asociado con la lmnea de dos conductores se realiza simitrico con respecto a su
centro, se provee de un blindaje electrostatico conectado a tierra para evitar las disimetrmas resultantes de las
capacidades del devanado 1, el que es asimitrico con respecto a la tierra. Otra alternativa posible es el de
emplear circuitos de reactancias concentradas. En este cto. , X es una reactancia, preferiblemente del mismo
orden de la magnitud que las resistencias asociadas con la entrada y la salida del cto. , y puede ser o bien una
reactancia capacitiva o una inductiva. Con frecuencias suficientemente altas como para que resulten practicas
las lmneas resultantes. A menudo se designan en ingles como BALUNS ( unidades balanceadas. Su operacisn
puede comprenderse considerando la situacisn que existe cuando se aplica tensisn al balun desde el lado
balanceado. Asm, la tensisn se aplica sin sufrir cambios sobre los puntos y se transfiere al sistema coaxial. Al
mismo tiempo el balun no introduce una carga asimitrica sobre el sistema equilibrado, por cuanto la
impedancia se aproxima a infinito, siempre que el manguito tenga una longitud exactamente igual a un cuarto
de longitud de onda. Puede mantenerse la simetrma sobre un amplio rango de frecuencias con cierta
disposicisn, por cuanto en ella la impedancia a travis del balun entre la lmnea superior y tierra es la misma que
la impedancia entre la lmnea inferior y tierra a un cuando las longitudes no sean de un cuarto de onda. Esto
acorta la longitud y permite realizar el ajuste de la longitud efectiva del balun por desplazamiento de la barra
de corto circuito.
ANTENA HELICOIDAL
Una hilice con una frecuencia de aproximadamente 1( actza como una antena de haz de radiacisn longitudinal
con radiacisn maxima en la direccisn axial. La relacisn es circularmente polarizada en el eje, y la
directividad de la hilice aumenta linealmente con la longitud de la hilice, esto es, duplicando la longitud se
duplica la directividad.
La antena helicoidal esta alimentada convenientemente con una lmnea de transmisisn coaxial y tierra cuadrada
o circular. Las dimensiones importantes de la hilice son su diametro D, su circunferencia C, el espaciamiento
entre vueltas S, la longitud de la vuelta l, y el angulo de paso ( . Estos se relacionan. Cuando la circunferencia
de la hilice es (C=(D) es aproximadamente 1( , la distribucisn de la carga y corrientes instantaneas en una sola
vuelta, con el campo E resultante.
Conforme la onda avanza hacia fuera de la hilice, el vector del campo elictrico gira, produciendo una
polarizacisn circular en el eje. La antena helicoidal actza como una antena de onda viajera o progresiva sin
requerir una terminacisn. La distribucisn de corrientes es esencialmente la de una sola onda que viaja hacia
fuera con amplitud uniforme, la onda que se refleja hacia el punto de alimentacisn desde el extremo abierto de
la hilice es muy pequeqa.
El patrsn de una antena helicoidal puede calcularse con facilidad si se considera como un sistema de radiacisn
longitudinal de n fuentes ispotropicas representando cada fuente una vuelta. Por el principio de multiplicador
de patrones o diagramas, el diagrama real de la hilice es entonces el producto de este diagrama o patrsn del
sistema o red del diagrama o patrsn de una vuelta. El diagrama puede aproximarse a una funcisn coseno E (()
= cos (. Esta es una sobre simplificacisn, pero el diagrama de una sola vuelta tiene poco efecto, especialmente
cuando se trata de hilices largas, porque el diagrama de radiacisn del sistema es mucho mas agudo que el
diagrama de una sola vuelta. Entonces puede escribirse para el diagrama o patrsn del campo
4
E ( ( ) = cos ( sen ( ( ( / 2)
sen ( ( / 2 )
(1)
donde
( = ( S cos ( − (L
p
(2)
Adviirtase que (1) difiere del diagrama o patrsn de una antena lineal de una progresiva en el que el diagrama
de la hilice de una sola vuelta tiene un maximo en el eje mientras que para la antena lineal el diagrama del
dipolo infinitesimal tiene un cero o nulo en el eje, produciendo el patrsn o diagrama csnico y menor
directividad.
Si todos los campos se suman en fase en el eje, se tendrma la condicisn ordinario de radiacisn longitudinal,
que requiere ( = 0, + 2( , +4( etc., en el presente caso ( es igual a −2( . Comparando un diagrama calculado con
este valor de ( con el diagrama real medido se observa que el diagrama real es mucho mas agudo o mucho
mas direccional para obtener un diagrama o patrsn calculado acorde con una real se requiere un cambio
adicional de fase por vuelta de aproximadamente (/( , de manera que el cambio total de fase por vuelta es
( = − 2( − ( / (
ANTENA LOG−PERIODICA
La antena de reciprocidad logarmtmica S es otro ejemplo de una antena independiente de la frecuencia. Las
longitudes del dipolo aumentan a lo largo de la antena de manera que el angulo incluido es una constante y las
longitudes y espaciamientos de los elementos adyacentes se gradzan de manera que
donde k es una constante. A una longitud de onda cercana ala mitad del intervalo de operacisn, ocurre una
radiacisn principalmente de la regisn central de la antena. Los elementos en esta regisn activa son de alrededor
de ?/2 de longitud y el enfasamiento es bajo los elementos. Al tiempo en que el campo radiado a la izquierda
del elemento 8 llega al elemento 7, la fase de 7 a avanzado 90 grados y su campo se suma en fase al del
elemento 8. Cuando estos elementos 8 y 7 llegan a su vez al elemento 6, su fase a avanzado de manera que
los campos de los tres elementos se suman fase, produciendo un campo resultante grande que radia hacia la
izquierda. Examinando el campo radiado hacia la derecha por el elemento 6, se encuentra que se combina con
los elementos 7 y 8 para producir solo un pequeqo campo resultante que radia hacia la derecha. Entonces, la
radiacisn maxima es hacia la izquierda o en direccisn de regreso de la onda que entra en la antena por la
lmnea de transmisisn o de alimentacisn. Los elementos 9, 11 y 10 estan en la vecindad de 1? de longitud y
llevan solamente corrientes pequeqas ( presentan una impedancia grande a la lmnea. Las pequeqas corrientes
en los elementos 9, 10,11 significan que la antena esta efectivamente truncada a la derecha de la regisn activa.
Cualesquiera de los campos pequeqos de dichos elementos, tienden tambiin a cancelarse en las direcciones
uno contra el otro. Sin embargo, puede producir algo de radiacisn transversal puesto que las corrientes estan
aproximadamente en fase. Los elementos que estan a la izquierda 1,2,3etc.,Son menores que ?/2 de longitud y
ofrecen una gran reactancia capacitiva a la lmnea. Por lo tanto, las corrientes en estos elementos son pequeqas
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y la radiacisn es pequeqa. Asm pues, en la condicisn que se supone arriba de que la longitud de onda esta
cerca del centro de la regisn de operacisn, solo la porcisn medida de la antena es activa, mientras que los
extremos izquierdo y derecho son relativamente inactivos. Si se aumenta la longitud de onda, la regisn activa
se mueve a la derecha, y si la longitud de onda disminuye, la regisn activa se desplaza hacia la izquierda. En
consecuencia se ve que a cualquier frecuencia dada, solo se usa una fraccisn de la antena ( en donde los
dipolos tienen aproximadamente una longitud de ?/2. En el limite corto de la longitud de onda del ancho de
banda, solo puede usarse el 15% de la longitud, mientras que en el limite largo de la longitud de onda se usa
una fraccisn mayor pero algo menor que el 50%.
ANTENA CONICA.
En muchas ocasiones es necesario operar con una antena transmisora y su sistema de adaptacisn de
impedancias con una amplia banda de frecuencias, asm los transmisores de televisisn deben de transmitir una
banda lateral de ancho muy grande, con ausencia casi completa de ondas reflejadas de la antena y en la lmnea
de transmisisn de la banda.
Los circuitos de banda ancha deben de cumplir lo siguiente:
+El diagrama direccional de la antena debe de mantenerse en el rango de frecuencias considerado. Donde el
lsbulo principal no debe de cambiar de direccisn, ni dividirse en dos lsbulos sobre ese rango de frecuencias.
+La relacisn de ondas estacionarias de la lmnea de transmisisn que proporciona energma a la antena no debe
de ser excesiva en ninguna frecuencia de la banda que interesa, si esta es excesiva, el acoplamiento del
transmisor a la entrada de la lmnea de transmisisn debe de variarse con respecto a la frecuencia, para que el
transmisor pueda entregar a la lmnea de transmisisn toda la energma que es capaz de desarrollar.
Para resolver este problema, los sistemas de antenas no resonantes proporcionan una buena efectividad para
cuando se opera en este tipo de banda. Estos sistemas proporcionan una terminacisn resistiva a la lmnea de
transmisisn que puede ser facilmente adaptada a la impedancia caractermstica de la lmnea sobre cualquier
rango de frecuencias deseado, por medio de una seccisn de variacisn gradual de impedancia caractermstica.
Este tipo de antena tiende a poseer una estrecha banda de frecuencias como resultado de la variacisn que
sufre la impedancia de la antena con la frecuencia, sin embargo, este efecto puede ser disminuido
construyendo la antena con un conductor de gran diametro. Asm la antena de conductor grueso (antena
gruesa), corresponde a un circuito resonante que posee una relacisn L/C pequeqa pero de la misma resistencia
de la antena.
La excitacisn de los virtices origina una onda esfirica, que se propaga a lo largo del cono y en el espacio
adyacente sin reflexisn, hasta que alcanza el extremo del cono. La variacisn de la impedancia del cono con la
frecuencia esta determinada por la fraccisn de esta onda que se refleja desde el extremo del cono y en general
sera menor a medida que sea mayor el semiangulo ( y el largo del cono. Cuando el semiangulo es del orden de
los 50( y la longitud del cono es apenas mayor que 1/4 de (, la antena csnica tiende a resultar un sistema no
resonante. El diagrama direccional de una antena csnica depende de la longitud y de la magnitud de la
reflexisn en el extremo del cono, cuando la reflexisn es pequeqa, el cono tiende a comportarse como una
lmnea no resonante.
ANTENA DE CUADRO.
Una antena de cuadro puede ser considerada, como una bobina por la que circula una corriente de
radiofrecuencia. Un cuadro esta dispuesto para usarse en frecuencias altas, puede tener una sola espira,
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mientras que los cuadros para las frecuencias menores pueden estar constituidos por muchas vueltas.
capacitor de sintonma
Este es el ejemplo de una antena de cuadro tmpica, indicada de una sola espira, conjuntamente con las
caractermsticas direccionales que son validas para todos los cuadros de tamaqo pequeqo en comparacisn con
su longitud de onda.
Las caractermsticas direccionales de la antena, son el hecho de que los lados opuestos del cuadro funcionan
como un par de antenas espaciadas que conducen corrientes de polaridad opuesta. No se irradia ninguna
energma en una direccisn perpendicular al plano de la espira debido a que la radiacisn en esta direccisn, que
proviene de un elemento del cuadro, es cancelada por la radiacisn del elemento diametralmente opuesto del
cuadro, que conduce una corriente en sentido contrario.
Por otra parte, la radiacisn sera maxima en el plano del cuadro debido a que en este caso los dos lados del
cuadro que conducen corrientes de sentido opuesto, estan mas alejadas, de tal manera que las irradiaciones
tienen la maxima diferencia de fase posible. Los diagramas direccionales son independientes de la forma
exacta del cuadro, siempre que este sea pequeqo en comparacisn con la longitud de onda.
Por zltimo, se puede decir que el campo irradiado por un cuadro siempre resulta polarizado en el plano del
cuadro.
REFLECTORES PARABSLICOS
Figura 1
Figura 2
Una onda que se propaga en el espacio tiene un frente de onda esfirico. Si la distancia en longitudes de onda,
entre el punto de observacisn y el punto de emisisn es muy grande, el frente puede considerarse como un
frente de onda plano. Esto significa que, si se toma una superficie normal a la direccisn de propagacisn (frente
de onda), las ondas que arriban a esa superficie lo hacen con igual fase.
Es posible construir un conjunto de superficies ordenadas de tal forma, que una onda plana al incidir en ellas,
se refleja pasando por un punto f (fig.1.
Si en el punto f se coloca una fuente receptora, es de esperar que se reciba en ella toda la energma del frente
de onda.
Como se puede apreciar en la figura 1, los n caminos, tienen longitudes distintas, ello provoca que las ondas
que inciden en f, lo hacen con fases diferentes, y la suma de los campos que arriban a dicho punto, puede
llegar a ser destructiva. !Situacisn no deseable!.
Para que los campos que arriban al punto f se sumen con la misma fase, hay que procurar que los caminos
tengan iguales longitudes. Es posible modificar la ubicacisn y el angulo de cada superficie reflectora de tal
forma, que los diferentes caminos sean iguales. Asm: fph = fp1h1 = fp2h2 =...= fpnhn.
Ademas, deben ser orientadas de manera tal, que cada una de las superficies, presente un angulo de incidencia
, igual al angulo de reflexisn (fig.2.
Figura 3
7
Esta representacisn da lugar a visualizar csmo converge en f la energma de la onda plana que proviene del
frente de onda. Las superficies aisladas regulables permiten transportar, por reflexisn, la energma del frente de
onda al punto f. Punto en donde se sumarman las ondas con igual fase. La parabola como figura geomitrica en
un plano, o el paraboloide como figura espacial "tienen naturalmente" las propiedades enunciadas para las n
superficies aisladas. Una propiedad del paraboloide es que: los caminos que parten del foco f y se reflejan en
el paraboloide, llegan a una superficie S con recorridos de igual longitud (fig.3.
Por lo dicho, una onda reflejada segzn el camino 1, tarda el mismo tiempo o lo hace con igual fase, que las
ondas que recorren los caminos 2,...,n.
Otra propiedad de la parabola es que, la tangente en un punto P (fig.3) tiene una orientacisn tal, que el angulo
de incidencia, es igual al angulo de reflexisn .
Las propiedades enunciadas son ztiles para el diseqo y construccisn de Antenas con Reflectores Parabslicos.
Como lo sugiere el tmtulo, los reflectores en sm mismos no son antenas. El sistema requiere de una antena
primaria que se complementa con el reflector. El conjunto, antena primaria mas reflector, se define como
Antena con Reflector Parabslico.
Existen muchos tipos de reflectores parabslicos. Los mas usados son: Cilindros parabslicos, paraboloides de
revolucisn truncados y paraboloides de revolucisn (fig.4).
Figura 4
La construccisn de estos dispositivos tiene por objeto lograr altas ganancias (posiblemente sean los arreglos de
antenas con mayor ganancia practica). Son muy usadas en radar y vmnculos de microondas terrestres y/o
satelitales.
Parabola
Figura 5
Dada una parabola de boca D y distancia focal f (fig.5). Se tienen las siguientes ecuaciones:
(1)
(2)
Como:
en la boca de la parabola es:
(3)
En donde:
D = Boca de la parabola
f = Distancia focal
c = Profundidad de la parabola en el centro
Debe advertirse que en las ecuaciones (2) y (3), se han acomodado los tirminos para agrupar una relacisn de
foco a diametro (f/D). Se vera mas adelante la importancia de esta relacisn para el diseqo de un reflector
parabslico, en particular, cuando deba vincularse iste, con la fuente primaria (iluminador) .
Fuente Isotrspica Puntual
Se define una fuente isotrspica puntual, a aquella fuente ideal, que radia energma en todas las direcciones del
espacio con igual intensidad (fig.6). Esta fuente es utilizada como referencia para especificar la ganancia de
una antena en particular. El angulo sslido de radiacisn es de estereorradian, y la forma de radiacisn
corresponde a una esfera.
Figura 6
Diagrama de Radiacisn
8
Todas las antenas tienen un diagrama de radiacisn que les es particular. Este diagrama, es la forma y direccisn
del angulo sslido con el que se manifiesta la radiacisn en el espacio. En la fig.7, se ve un ejemplo. Se puede
apreciar que una antena con reflector parabslico, presenta un diagrama de radiacisn con un angulo sslido muy
pequeqo. Ello significa que toda la potencia de la fuente se densifica en una direccisn del espacio. Asm, el
vector de Poynting en esa direccisn, tiene una magnitud mayor que el correspondiente a una antena isotrspica,
y la relacisn entre el angulo sslido de la fuente isotrspica, al angulo sslido de una antena en particular, da lugar
a la definicisn de ganancia.
Figura 7
Ganancia
La ganancia de un sistema con reflector parabslico, referida a la fuente isotrspica y adecuadamente iluminado
es:
(4)
Para un paraboloide de boca circular es:
(5)
* D Es el diametro del paraboloide.
* Es la longitud de onda
* Aem Es el area efectiva maxima de captacisn (electromagnitica) o de radiacisn del sistema parabslico. Si el
sistema no tiene pirdidas, representa el area de la boca del paraboloide.
La ecuacisn (5), expresa la ganancia maxima que se podrma obtener de un sistema parabslico de construccisn
perfecta, y adecuadamente iluminado.
En la practica, la ganancia G es funcisn del rendimiento. Este expresa las pirdidas, defectos de construccisn y
fallas de iluminacisn.
Asm:
(6)
Normalmente se trabaja con valores de ,entre:
(7)
En la fig. 8 se muestra un grafico que relaciona la ganancia del sistema, frecuencia, diametro del paraboloide
y el angulo de media potencia del diagrama de radiacisn.
Figura 8
Como se puede apreciar en las ecuaciones (5) y (6), la ganancia depende del diametro de la boca del
paraboloide y es independiente de la distancia focal. Distintos reflectores parabslicos con igual diametro de
boca, y con distancias focales diferentes, poseen la misma ganancia.
La distancia focal y su relacisn con el diametro (f/D), es una relacisn que sirve para vincular la fuente
primaria, en lo que se refiere a la forma del diagrama de radiacisn de ista, y csmo, la fuente ilumina el
paraboloide segzn sea el diametro de su boca.
.
Relacisn entre el Foco y el Diametro del Paraboloide f/d
En la fig. 9, se ve que uniendo la boca del paraboloide con el foco, se forma un angulo sslido . Este angulo
depende de la distancia focal f para un diametro D constante. es mayor, en la medida que f se aproxime al
virtice del paraboloide, y menor, si f se aleja. En la fig. 10 se muestra una fuente primaria que ilumina
reflectores con igual diametro, pero, con diferentes distancias focales. Para iluminar adecuadamente el
reflector, la fuente primaria debe tener un diagrama de radiacisn con un angulo sslido similar a .
Si la fuente primaria tuviera un diagrama de radiacisn menor o mayor que , el reflector quedarma iluminado
parcialmente como se muestra en la fig.10a, o habrma desborde de energma como se indica en la fig.10b
(spillover).
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Como es de apreciar, el diseqo de una fuente primaria y su diagrama de radiacisn, debe coincidir con la
relacisn foco a diametro (f/D) del paraboloide, esto, a fin de obtener una adecuada ganancia y buen
rendimiento del sistema.
Ademas, se buscan otros efectos como los indicados en el conjunto de la fig.11.
Para lograr maxima ganancia del sistema, la fuente primaria debe tener un diagrama de radiacisn tal, que en
los bordes del paraboloide incida un dicimo (−10 db) de la energma que llega al centro (fig.10).
Figura 10
Con el fin de disminuir los lsbulos laterales, se logra un buen compromiso entre istos y la maxima ganancia, si
se ilumina el reflector con un diagrama primario que tenga −20 db de energma dirigida a los bordes (fig.11).
.
Figura 11
Fuentes Primarias para Alimentar Reflectores Rarabslicos
El centro de fase de la fuente primaria debe coincidir con el foco del reflector para lograr una adecuada
distribucisn de la energma, y obtener asm una iluminacisn sin desbordes, subalimentacisn, y sin lsbulos
laterales.
El centro de fase de una antena es funcisn de la frecuencia. Este es un punto a considerar en la seleccisn de la
fuente primaria. Otro aspecto a tener en cuenta, es si el sistema de comunicacisn requiere polarizacisn lineal
en uno o varios planos, o polarizacisn circular, esto es importante puesto que se logran diferentes
caractermsticas de transmisisn − recepcisn, segzn sea el caso de la polarizacisn usada.
Algunos vmnculos con satilites o de microondas, envman dos canales de informacisn en una misma
frecuencia, separados uno de otro 60 db mediante el uso de polarizacisn lineal ortogonal.
Las fuentes primarias mas usadas son:
* Dipolo de media onda con reflector
* Antena bocina (horn)
* Dipolo de media onda complementado con guma de onda circular y bocina circular corrugada.
Es de advertir que una antena primaria actuando con un reflector de muy baja relacisn, f/D <<0,25, es muy
sensible a los cambios de frecuencia. Pequeqas variaciones de frecuencia, provocan cambios en la impedancia
del punto de excitacisn, y esto ocasiona pirdidas por desadaptacisn. Ademas, los reflectores con muy baja
relacisn foco diametro exigen mayor precisisn en la construccisn, que aquellos con mayor relacisn f/D.
Un buen compromiso es: 0,25 < f/D < 0,6
Los reflectores se iluminan de dos formas:
.
* Iluminacisn directa
* Iluminacisn indirecta
Figura 12
La iluminacisn directa se hace colocando la fuente primaria al frente de reflector.(fig.12a)
La indirecta se hace utilizando un reflector adicional, como por ejemplo un reflector Cassegrain (fig.12b).
Angulo Sslido
En un sistema de coordenadas polares, un elemento de superficie puede ser expresado como:
(fig.13) (8)
En la fig.14 se ven tres elementos de superficies segzn las distancias: que pueden ser expresados como sigue:
(9)
Los distintos elementos de area dependen del cuadrado de la distancia considerada. Pero hay un elemento que
es comzn a todas ellas y es: .
Si a cada elemento de area se lo refiere a su correspondiente distancia al cuadrado se tiene:
(10)
10
Figura 13
Figura 14
Esta relacisn es definida como elemento de angulo sslido y es comzn a las superficies consideradas. Asm:
(11)
Si la superficie que representa la fig.13 fuese una esfera, el angulo sslido sera:
(12)
estereorradian. Puede ser escrito como: (13)
o estereorradian (14)
El angulo sslido puede ser expresado en grados. Asm:
(15)
(16)
En algunos casos se expresa el angulo sslido en grados cuadrados. Es mas facil imaginar un angulo en grados
que en radianes, y es ztil para el calculo de ganancia de antenas con mitodo aproximado.
Ganancia de una Antena
La ganancia de una antena es una expresisn relativa, indica la relacisn del angulo sslido de una fuente
isotrspica, al angulo sslido del diagrama de radiacisn de la antena. Se puede expresar como:
(17)
F = (18)
La expresisn (18) corresponde al angulo sslido del diagrama de radiacisn de la antena en cuestisn.
es el factor diagrama de la antena. (19)
Para un diagrama unidireccional como el de la fig.15, se puede hacer una simple aproximacisn poniendo:.
Sustituyendo en la (17) es:
(20)
Donde: son los angulos de media potencia del diagrama de radiacisn (fig.15).
Figura 15
Angulos de Media Potencia
Figura 16
Se definen los angulos de media potencia , a los angulos de un diagrama de radiacisn, en donde el vector de
Poynting se hace igual a 1/2 de su valor maximo. En la fig.16 se indican istos en los planos zy y xy.
Ganancia de una Antena con Reflector Parabslico Truncado
De las ecuaciones (6) y (17), se deduce que el angulo de media potencia de un paraboloide de revolucisn
idealmente iluminado y con diagrama de radiacisn unidireccional (como el de la fig.15) es:
(21)
En la fig.17 se muestra un reflector truncado en sus dimensiones verticales.
El calculo de la ganancia para este tipo de paraboloide puede ser realizado, calculando el angulo que
corresponde a un paraboloide de revolucisn no truncado, cuyo diametro de boca es: y mediante la ecuacisn
(10) se obtiene .
Para la dimensisn truncada, se inscribe un cmrculo de diametro y se calcula con la ecuacisn (10) el angulo que
corresponderma a un paraboloide de boca . Asm:
y (22)
Con se puede calcular la ganancia del reflector dada por:
(23)
(24)
Si se hace: , en donde n es la relacisn de diametros, se tiene:
que expresada en decibeles es: (25)
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Figura 17
(26)
Es de notar que la ganancia queda disminuida por el factor n. Para n=1 la ganancia es la del paraboloide de
revolucisn no truncado.
Figura 18
REFLECTORES PLANOS
Un reflector tal como chapa o una pantalla de cobre colocada prsxima a una antena, influye en las
caractermsticas direccionales de la misma forma que lo hace la tierra. Por ejemplo, una pantalla de cobre
paralela a un irradiador de media onda , produce un diagrama direccional. La accisn puede analizarse con el
mitodo de las imagenes en la que la pantalla de cobre se remplaza por la imagen negativa de la antena A4 ,
que es alimentada con una corriente de igual magnitud y fase opuesta a la de la antena A . En el diagrama
direccional
Imagen negativa logrado con la antena A y el reflector es entonces el mismo diagrama de un sistema de dos
elementos separados 2S y consiste en las antenas A y A4, por las que circulan corrientes iguales y opuestas.
Sin embargo, debe observarse que la porcisn del diagrama direccional no existe , por cuanto se encuentra,
respecto al reflector o plano de tierra , de lado de la antena imagen. La maxima ganancia de potencia que se
obtiene con una combinacisn de un irradiador de media onda y un reflector plano cuando la separacisn S es de
0.1 a0.2 longitudes de onda , es aproximadamente 6.5 veces en relacisn con un irradiador isstropo
reflector
antena
reflector
RELECTOR ANGULADO.
Siguiendo con lo de reflectores, hay uno que parte del principio del reflector plano, solo que este se dobla
como para formar un reflector diedro, con el que se logra una mayor directividad. La siguiente figura muestra
la forma de uno, donde el angulo ( del diedro se hace de 180(/(, en la que ( es un numero entero.
Reflector formado por una lamina
Plana.
Angulo ( del diedro
Dicha disposicisn produce una pronunciada concentracisn de la irradiacisn en el plano perpendicular a la recta
de interseccisn de las dos superficies planas. Con un angulo de 90(,la maxima ganancia de potencia realizable
es de aprox. 16 veces en comparacisn con el irradiador isstropo, y tiene lugar cuando la separacisn "s" se
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aproxima a 1/4 de la longitud de onda.
CARGA FANTASMA
Algunos la llaman 'carga fantasma', otros 'carga ficticia'. No importando la nomenclatura usada, algunos
radioaficionados la usan znicamente para "cargar" o ajustar el equipo en lugar de molestar a quienes estan
cerca de la frecuencia con portadoras, transmitiendo olas interminables y produciendo un QRM
(interferencias) innecesario.
Es tambiin probable que algunos colegas no sepa que la carga fantasma es un instrumento de prueba
sumamente ztil y que ademas de la aplicacisn indicada tiene muchas otras. Si se tienen problemas entre el
equipo y la antena es probable que ese accesorio le permita localizarlos y buscarles una solucisn adecuada.
La carga fantasma es tambiin sumamente ztil para la prueba de receptores.
Porque elictricamente reemplaza a la antena su ventaja es que no captara ruidos y seqales externas. Esto es
sumamente importante. Para la prueba de lmneas de transmisisn en principio debe decirse que representa la
carga de la antena o sea que se puede descubrir el problema por substituciones decir, que cuando se recurre a
las resistencias que contiene ese envase y que representan los 50 o 75 ohms que conocemos, se puede
determinar si deberan hacerse cambios substanciales en el sistema para llevar la RF a la antena.
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