Alumno: Miguel Ángel López Calvo Curso 2001-2002

Asignatura: T R A N S M I S I Ó N Y R E D E S D E D A T O S
Alumno: Miguel Ángel López Calvo
Curso 2001-2002
INDICE
Página
INTRODUCCIÓN HISTÓRICA ....................................................................................... 1
CONCEPTOS BÁSICOS ................................................................................................ 2
Sistema de transmisión ...................................................................................2
Modulación .....................................................................................................2
Ondas electromagnéticas .................................................................................4
El espectro electromagnético ...........................................................................5
DEFINICIÓN DE ANTENA ............................................................................................ 7
CARACTERÍSTICAS O PARÁMETROS GENERALES DE LAS ANTENAS .......................... 9
Densidad de potencia radiada ..........................................................................9
Diagrama de radiación .................................................................................. 10
Direccionalidad.............................................................................................. 14
Ganancia ....................................................................................................... 14
Directividad ................................................................................................... 16
Polarización ................................................................................................... 17
Impedancia .................................................................................................... 18
Eficiencia ...................................................................................................... 19
Adaptación .................................................................................................... 21
Área y longitud efectiva ................................................................................. 21
Ancho de banda ............................................................................................. 22
Ancho de haz ................................................................................................. 22
Carga al viento............................................................................................... 22
Relación delante/detrás ................................................................................. 23
Características y elementos constituyentes de un emisor............................... 23
Características y elementos constituyentes de un receptor ............................ 24
ECUACIÓN DE TRANSMISIÓN ................................................................................... 25
FUNCIONAMIENTO DE UNA ANTENA ......................................................................... 26
DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE EN UNA ANTENA...................................................... 26
TIPOS DE ANTENAS.................................................................................................. 30
Antenas elementales ...................................................................................... 31
Agrupaciones de antenas................................................................................ 33
Antenas de apertura....................................................................................... 35
Bocinas............................................................................................ 35
Reflectores ....................................................................................... 38
Lentes.............................................................................................. 43
Clasificación en función del haz ..................................................................... 46
Clasificación por su estructura lobular ........................................................... 47
Tipos de antenas receptoras ........................................................................... 48
ANEXO: ANTENAS PARABÓLICAS ............................................................................. 54
Satélites geoestacionarios .............................................................................. 54
Polarización vertical y horizontal................................................................... 54
Posición geoestacionaria ................................................................................ 55
Posicionado de la parábola ............................................................................. 56
Cómo instalar una antena parabólica.............................................................. 57
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................
INTRODUCCIÓN HISTÓRICA
En 1831, Michael Faraday demostró que un campo magnético variable podía producir
una corriente eléctrica, utilizando para ello un imán en movimiento y observando la
corriente inducida en un hilo próximo.
Estos experimentos permitieron a James Clerk Maxwell, profesor de la Universidad de
Cambridge en Gran Bretaña, establecer la interdependencia de la electricidad y el
magnetismo en 1873. En su “A treatise on E1ectricity and Magnetism” publicó la primera
teoría unificada electromagnética. Postuló que la luz era de naturaleza electromagnética
y que era posible la radiación a otras longitudes de onda. La teoría de las antenas surge
a partir de sus desarrollos matemáticos, corroborados por los experimentos de Heinrich
R. Hertz, en 1887, y los primeros sistemas de radiocomunicaciones de Guglielmo
Marconi en 1897.
Los primeros sistemas de comunicación eléctricos fueron la telegrafía, introducida en
1844, seguida por la telefonía, en el año 1878. En estos sistemas, las señales se
enviaban a través de líneas de transmisión de dos hilos conductores, que conectaban el
emisor con el receptor. La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901,
desde Cornualles a Terranova. En 1907 ya existían servicios comerciales de
comunicaciones.
Desde la invención de Marconi, hasta los años 40, la tecnología de las antenas se centró
en elementos radiantes de hilo, a frecuencias hasta UHF. Inicialmente se utilizaban
frecuencias de transmisión entre 50 y 100 kHz, por lo que las antenas eran pequeñas
comparadas con la longitud de onda. Tras el descubrimiento del tríodo por De Forest, se
puedo empezar a trabajar con tamaños de antenas comparables a la longitud de onda.
A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos elementos radiantes
(como guía ondas, bocinas, reflectores, etc.). Una contribución muy importante fue el
desarrollo de los generadores de microondas (como el magnetrón y el klistrón) a
frecuencias superiores a 1 GHz.
En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y tecnología de
computadores tuvieron un gran impacto en el desarrollo de la moderna teoría de
antenas. Los métodos numéricos se desarrollaron a partir de 1960 y permitieron el
análisis de estructuras inabordables por métodos analíticos. Se desarrollaron métodos
asintóticos de baja frecuencia (método de los momentos, diferencias finitas) y de alta
frecuencia (teoría geométrica de la difracción GTD, teoría física de la difracción PTD).
En el pasado las antenas eran una parte secundaria en el diseño de un sistema, en la
actualidad juegan un papel crítico. Asimismo en la primera mitad del siglo XX se
utilizaban métodos de prueba y error, mientras que en la actualidad se consigue pasar
del diseño teórico al prototipo final sin necesidad de pruebas intermedias.
Dentro de las tendencias actuales, cabe destacar la investigación en antenas
reconfigurables para comunicaciones vía satélite, la miniaturización e integración de
elementos radiantes, la tecnología impresa o los arrays adaptativos (son capaces de
ajustar su diagrama de forma prefijada, dependiendo de las fases y de las amplitudes
recibidas desde fuentes externas.)
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CONCEPTOS BÁSICOS
S I S T E M A
D E
T R A N S M I S I Ó N
En toda comunicación son necesarios los siguientes elementos:
•
•
•
•
•
Emitente: la fuente de la comunicación
Emisor: toma la información del emitente y la adapta al canal.
Canal: el medio a través del cual se propaga la información. Puede ser físico
(mediante cables, guía ondas, fibras ópticas) o radioeléctrico (troposférico,
ionosférico, vacío)
Receptor: accede al canal y recupera la información transmitida
Destinatario: el que ha de recibir la comunicación.
emitente emisor canal receptor destinatario
En la forma más antigua de comunicación el emisor piensa el mensaje en el cerebro,
mediante la voz emite un sonido que se transmite por el aire hasta el receptor que lo
recoge con el oído y lo decodifica en el cerebro. El primer problema surge cuando
queremos transmitir una señal a cierta distancia, ya que el receptor no lo recibe. El
problema se solucionaría con elementos adicionales (amplificadores, etc...) y canalizando
por distintas vías el sonido emitido y recibido
Sin embargo si además de enviar sonido podemos mandar imágenes habríamos mejorado
la comunicación puesto que "una imagen vale mas que 100 palabras". Por eso nació la
TV.
Para esto las señales de TV se graban con una cámara en unos estudios, mediante
sistemas electrónicos se convierte a señales de radiofrecuencia que se propagan en el
espacio a la velocidad de la luz, y se envía mediante una antena al espacio
Posteriormente esta señal se recogerá por otra antena en el receptor y se invertirá el
proceso.
M O D U L A C I Ó N
El problema que podría darse cuando enviamos muchas señales es que interferiríamos
unas con otras; por eso hay que crear un sistema que salve este problema. A este
sistema lo conocemos como "MODULACIÓN".
La modulación consiste básicamente en añadir una señal llamada "portadora" a la señal
inicial. La modulación se puede hacer de dos formas: en amplitud AM. o en frecuencia
FM.
La modulación en amplitud AM. consiste en modificar la amplitud de la portadora en
función de la señal a transmitir.
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En la modulación en FM. lo que hacemos es variar la frecuencia de la portadora en
función de la señal transmitida.
Una señal de TV. se compone de señales de audio y vídeo. Estas señales se envían de
forma conjunta y moduladas de distinta manera. La señal de audio se modula en FM y la
de vídeo en AM. .Para que el rango de frecuencias no interfieran con otras se limita el
campo de frecuencias en canales.
La modulación AM se ve afectada mucho más por el ruido que la FM Por lo que en la
nueva T. V. Digital se modula audio y vídeo en FM
Para comprobar lo dicho anteriormente basta con interceptar un canal de TV. sin antena
y se verá que, aun recibiendo bien el audio, no se ve la imagen (afectada por el ruido).
La señal, después de modulada, se radia al medio a través de la antena. Esta señal se
trasmite por cualquier medio disponible, es decir, aire y tierra, pero las señales de tierra
están muy amortiguadas. Eso hace que nos centremos solo en la que se transmite por el
aire. Se necesita una antena para recibir la señal, la cual se debería adaptar a la
frecuencia y características de la señal a recibir.
Esta antena se debería colocar además a una altura determinada. Esto es a causa de que
las señales de alta frecuencia se propagan en línea recta y por lo tanto debido a la
curvatura de la tierra estas señales solo se pueden captar desde ciertos lugares.
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Canales: La señal de TV. se transmite en canales ya que una señal de TV. lleva señales
de audio, vídeo, croma, etc. que ocupan unas frecuencias determinadas. Para evitar que
haya problemas de interferencias estas señales se reparten en canales entre los 40 MHz
y 860 MHz
Bandas: A su vez estos canales se agrupan según el nivel de frecuencia por grupos
denominados bandas.
O N D A S
E L E C T R O M A G N É T I C A S
Naturaleza de las ondas
Cuando los electrones oscilan en un circuito eléctrico, parte de su energía se convierte en
radiación electromagnética. La frecuencia (la rapidez de la oscilación) debe ser muy alta
para producir ondas de intensidad aprovechable que, una vez formadas, viajan por el
espacio a la velocidad de la luz. Cuando una de esas ondas encuentra una antena
metálica, parte de su energía pasa a los electrones libres del metal y los pone en
movimiento, formando una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la
onda. Este es, sencillamente, el principio de la comunicación por radio.
Modos de propagación
Existen diferentes modos de propagación que pueden surgir como el resultado del
lanzamiento de ondas electromagnéticas al espacio por medio de antenas de
configuración adecuada. Si no existiera el aire ni las capas ionosféricas, esto es, en el
vacío, las ondas de radio viajarían en línea recta. Sin embargo, debido a la presencia de
gases de diferente composición en la atmósfera terrestre, la propagación de ondas se ve
influenciada por una serie diversa de mecanismo.
El modo de propagación más sencillo es aquel en que la onda sigue una trayectoria recta
entre la antena de transmisión y la de recepción. A este tipo de onda se le conoce como
directa o de línea de visión, LOS (Line Of Sight). Las microondas son el ejemplo clásico de
este mecanismo de propagación. En condiciones óptimas las microondas pueden
considerarse como un haz concentrado de energía electromagnética que hace la travesía
desde la antena de emisión hasta la recepción desplazándose en línea recta. Más aún,
debido a las longitudes de onda tan pequeñas en esta modalidad de aplicación, las
antenas utilizadas, reflectores parabólicos, y en general todo el esquema de propagación,
pueden analizarse como si fuera un sistema de características ópticas.
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Dependiendo del patrón de radiación de la antena involucrada, es posible que parte de la
energía de la onda se dirija hacia tierra, a partir de lo cual, por reflexión, cambia su
curso para dirigirse finalmente a la antena de recepción. Esta onda es conocida como la
onda reflejada de tierra.
Adicionalmente, puede generarse una componente de onda cuyo modo de propagación es
directamente sobre la tierra, desde el mismo momento de abandonar la antena de
transmisión. Esta onda, denominada de superficie o terrestre, continúa su curso sobre la
tierra hasta llegas a su destino final en el sitio de la antena receptora.
Finalmente, la onda electromagnética puede ser lanzada hacia el espacio, convirtiéndose
así en una onda celeste u onda de cielo. Dependiendo de la frecuencia de la onda y del
ángulo de lanzamiento, esta puede atravesar la atmósfera y salir al espacio libre, o en
caso contrario, puede ser refractada hacia la tierra para ser posteriormente captada por
la antena receptora.
E L
E S P E C T R O
E L E C T R O M A G N É T I C O
Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. Al
conjunto de todas las frecuencias se le denomina espectro.
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Las ondas electromagnéticas se clasifican en bandas.
Bandas de frecuencia
Las denominaciones de las bandas de frecuencia se pueden
realizar por décadas, como por ejemplo MF, HF, VHF, UHF.
En Televisión y
FM se utilizan
las
denominaciones
de Banda I,
Banda II,
Más detalles en
la relación de canales para la TV terrestre, según la normativa
CCIR.
A frecuencias de
microondas se utilizan
otras denominaciones,
como bandas L, C, S,
X, que provienen de
los primeros tiempos
del radar.
A frecuencias superiores nos encontramos con la parte del
espectro electromagnético correspondientes al infrarrojo, visible
y ultravioleta.
A frecuencias superiores tenemos los rayos X
Y los rayos Gamma, de energía mayor y longitudes de onda más
reducidas.
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DEFINICIÓN DE ANTENA
Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de
conductores que, unido a un generador, convierte la onda
guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de
onda) en ondas electromagnéticas que se pueden
transmitir por el espacio libre, o que, conectado a una
impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una
fuente lejana
Es un elemento de transición entre la zona de onda guiada
y la zona de espacio libre, con ciertas características de
direccionalidad (filtrado espacial)
Los sistemas de Comunicaciones utilizan antenas para realizar enlaces punto a punto,
difundir señales de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos
portátiles.
Antena Transmisora D
Permite
la
transición
de
la
electromagnética desde un transmisor
hacia el espacio libre
energía
CAntena Receptora
Realiza el proceso inverso, permitiendo la
transición de la energía electromagnética
desde el exterior hacia un receptor y la
convierte en energía eléctrica
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La combinación de una antena transmisora y una receptora permite el establecimiento
de un radioenlace.
Comparativa de un radioenlace frente a un enlace mediante línea de transmisión o
fibra óptica:
∗
Ventajas:
Permite enlaces “punto a multipunto”
de forma muy sencilla
∗
∗
No precisa tendido de líneas
Los terminales pueden ser portátiles
o móviles
∗
Inconvenientes:
La señal sufre una fuerte atenuación
con la distancia y atenuaciones
adicionales por la propagación en la
atmósfera
∗
La antena transmisora “contamina”
electromagnéticamente su entorno
∗
La antena receptora recoge ruido e
interferencias presentes en su entorno,
aparte de la señal deseada
En definitiva, las antenas se definen como un conjunto de conductores debidamente
asociados, que se emplean tanto para la recepción como para la transmisión de ondas
electromagnéticas, que comprenden los rayos gamma, los rayos X, la luz visible y las
ondas de radio.
Los mecanismos que contribuyen a la propagación de ondas de radio son muchos y muy
diversos fundamentándose en diferentes principio físicos que definen el alcance de su
propagación y sus limitaciones. En general, todos son inherentemente complejos,
además de estar sujetos a las naturales variaciones en las condiciones atmosféricas
debidas a efectos climatológicos de origen local y también extraterrestre, como el caso de
las manchas solares y la radiación cósmica las cuales ejercen un marcado efecto sobre la
ionosfera.
Sin embargo el estudio sistemático de los mecanismos y las condiciones que los
favorecen, ha permitido el uso confiable de la propagación de ondas de radio en el
espacio para comunicaciones de largo alcance. A pesar de las muchas variables y
factores que tienden a degradar la calidad de las comunicaciones obtenidas, los
ingenieros de comunicaciones han desarrollado técnicas tales como la diversidad
espacial y de frecuencia, que mejoran considerablemente la confiabilidad y calidad de las
transmisiones por ondas de radio.
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CARACTERÍSTICAS O PARÁMETROS GENERALES DE LAS ANTENAS
Dado que una antena forma parte de un sistema, es necesario definir ciertos parámetros
que la describan y permitan evaluar el efecto que produce sobre tal sistema. Los
parámetros principales de una antena son:
D
E N S I D A D
D E
P O T E N C I A
R A D I A D A
La densidad de potencia radiada se define como la potencia por unidad de superficie en
una determinada dirección. Las unidades son watios por metro cuadrado. Se puede
calcular a partir de los valores eficaces de los campos como
campos radiados
La relación entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del campo magnético es la
impedancia característica del medio
Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede calcular a partir de las
dos componentes del campo eléctrico.
La potencia total radiada se puede obtener como la integral de la densidad de potencia
en una esfera que encierre a la antena.
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una
determinada dirección. Las unidades son watios por estereoradián. Dicho parámetro es
independiente de la distancia a la que se encuentre la antena emisora. La relación entre
la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada es
La potencia total radiada se puede calcular integrando la intensidad de radiación en
todas las direcciones del espacio.
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D
I A G R A M A
D E
R A D I A C I Ó N
Radiación de una antena
Según
las
leyes
de
electromagnetismo
(ecuaciones de Maxwell), una corriente eléctrica
variable con el tiempo produce una onda
electromagnética en el espacio que la rodea. Al
alejarse de la fuente, la onda es esférica y se
propaga hacia el infinito. Es una onda no
homogénea, siendo la propagación de la energía
más intensa en unas direcciones que en otras
A veces es necesaria la representación gráfica de la fase del campo eléctrico. Esta
representación recibe el nombre de Diagrama de Fase o Patrón de Radiación.
Un patrón de radiación es un diagrama polar o gráfico que representa las intensidades
de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones angulares en relación
con una antena. Si el patrón de radiación se traza en términos de la intensidad del
campo eléctrico (E) o de la densidad de potencia (P), se llama patrón de radiación
absoluto. De otro lado, es posible relacionar la densidad de potencia o la intensidad del
campo en un determinado punto con su valor máximo, denominando a esto patrón de
radiación relativo.
Campos de radiación cercano y lejano:
Estos dos campos de radiación, el cercano y el lejano, son de particular importancia en el
tema de las antenas. El primero hace relación al patrón de radiación del campo que se
encuentra en los alrededores de la antena. Es también llamado campo de inducción
debido a sus características particulares en el proceso de emisión de potencia.
El campo lejano es todo aquello referido al patrón de campo localizado a grandes
distancias de la antena. La potencia radiada en este campo no regresa a la antena
(Campo de radiación). Cuando a una antena se le conecta un generador en ella se
inducen campos electromagnéticos capaces de alcanzar grandes distancias. Una antena
empieza a ser un buen radiador cuando su longitud es comparable a la longitud de onda
de la señal que se desea radiar.
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Sistema de coordenadas
Para el diagrama de radiación, se utilizará habitualmente
un sistema de coordenadas esférico. Las tres variables de
un sistema esférico son ( r, θ , φ )
En un sistema coordenado esférico las superficies r=cte son
esferas, θ=cte son conos, mientras que φ=cte son semiplanos. La
intersección de las tres superficies determina la orientación de
los tres vectores unitarios, que son perpendiculares a las
superficies respectivas.
Las formas de representación pueden ser tridimensionales o
bidimensionales, en escalas lineal o logarítmica.
Diagramas tridimensionales
Se puede representar el campo eléctrico, magnético o la densidad de potencia radiada.
Dado que los campos son magnitudes vectoriales se pueden representar el módulo o la
fase de sus componentes.
Representación tridimensional de
campos radiados por una antena.
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los
Diagrama de radiación en tres dimensiones de una antena yagi de
seis elementos.
Dada la dificultad de representar gráficamente el diagrama tridimensional, al no poder
hacerse mediciones exactas sobre el, se opta por representar cortes del diagrama en
coordenadas polares o cartesianas para pasarlo a dos dimensiones. Los cortes
corresponden a la intersección del diagrama 3D con planos. Este tipo de diagrama es el
más habitual ya que es más fácil de medir y de interpretar.
Diagramas bidimensionales
Un corte bidimensional en coordenadas polares se representaría como
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Coordenadas cartesianas y escala
logarítmica
Diagrama de radiación en dos dimensiones de
una antena logarítmica.
Curvas de nivel
Cuando la antena es muy directiva, y especialmente en el caso de antenas
bidimensionales, se suelen utilizar métodos de representación en forma de curvas de
nivel o en forma de funciones tridimensionales.
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D
I R E C C I O N A L I D A D
Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es decir,
deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás. Esto es
necesario ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección determinada.
Esto se puede explicar con un ejemplo, hablando de las antenas que llevan los satélites.
Estas acentúan mucho la dirección hacia la tierra y anulan la de sentido contrario,
puesto que lo que se quiere es comunicarse con la tierra y no mandar señales hacia el
espacio.
G
A N A N C I A
La Ganancia de una antena representa la capacidad que tiene este dispositivo como
radiador. Es el parámetro que mejor caracteriza la antena. La forma más simple de
esquematizar la Ganancia de una antena es comparando la densidad de potencia radiada
en la dirección de máxima radiación con el valor medio radiado en todas las direcciones
del espacio, ofreciéndose en términos absolutos.
Aquellas antenas que radian por igual en todas las direcciones se llaman isotrópicas y su
Ganancia es de 1. Basados en esta definición, podemos hablar de la Ganancia como la
relación entre la potencia y campo eléctrico producido por la antena (experimental) y la
que producirá una antena isotrópica (referencia), la cual radiará con la misma potencia.
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La Ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia
radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a
igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena.
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la Ganancia se refiere a la
dirección de máxima radiación.
La ganancia también puede definirse como la relación entre la tensión máxima captada
por la antena y la tensión máxima captada por un dipolo
En la definición de Directividad se habla de potencia radiada por la antena, mientras que
en la definición de Ganancia se habla de potencia entregada a la antena. La diferencia
entre ambas potencias es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas.
La eficiencia se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una antena y
la potencia entregada a la misma. La eficiencia es un número comprendido entre 0 y 1.
La relación entre la Ganancia y la Directividad es la eficiencia
Si una antena no tiene pérdidas óhmicas, la Directividad y la Ganancia son iguales.
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GANANCIA IDEAL
La ganancia directiva viene dada por la siguiente expresión:
donde E(θ,φ) es la intensidad de campo en la dirección definida por las coordenadas
polares.
Si asumimos que la antena ideal que ilumina un área angular de un determinado Ω con
un nivel uniforme, como se ve en la figura:
La ganancia ideal será la siguiente:
donde se puede observar que la ganancia ideal no depende de las dimensiones de la
antena ni de la frecuencia, sino únicamente del área iluminada.
D
I R E C T I V I D A D
Es la capacidad que tiene una antena para recibir señales solo en ciertas direcciones y
sentidos determinados. Indica el ángulo en que una antena puede recibir. El ángulo de
apertura nos muestra los puntos en los que la ganancia de la antena disminuye en 3 dB
respecto al valor máximo. En este ángulo la señal captada por la antena es adecuada.
Cada parte en el diagrama de radiación se denomina "lóbulo".
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La Directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia
radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la
misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada.
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la Directividad se refiere a
la dirección de máxima radiación
La Directividad se puede obtener en general a partir del diagrama de radiación de la
antena
Simplificando términos, resulta
se define como el ángulo sólido equivalente.
Para antenas directivas, con un solo lóbulo principal y lóbulos secundarios de nivel
despreciable, se puede obtener una Directividad aproximada considerando que se
produce radiación uniforme en el ángulo sólido definido a partir de los anchos de haz a –
3dB en los dos planos principales del diagrama de radiación.
P
O L A R I Z A C I Ó N
La onda electromagnética posee el campo eléctrico vibrando en un plano transversal a la
dirección de propagación, pudiendo tener diversas orientaciones sobre el mismo.
La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por
el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano
perpendicular a la dirección de propagación.
Para ondas con variación sinusoidal, esa figura es normalmente una elipse, pero hay dos
casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es una recta,
denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura trazada es un círculo,
denominándose circularmente polarizada.
Se produce una polarización lineal cuando las fases de dos componentes ortogonales del
campo eléctrico difieren un múltiplo entero de π radianes. Se produce polarización
circular cuando las amplitudes son iguales y la diferencia de fase entre las componentes
es π/2 o 3π/2. La polarización es elíptica en los demás casos.
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El sentido de giro del campo eléctrico, para una onda que se aleja del observador,
determina si la onda está polarizada circularmente a derechas o a izquierda. Si el sentido
de giro coincide con las agujas del reloj, la polarización es circular a derechas. Si el
sentido de giro es contrario a las agujas del reloj, la polarización es circular a izquierdas.
El mismo convenio aplica a las ondas con polarización elíptica.
Polarización 3D
La polarización de una antena es la polarización de la onda radiada por dicha antena en
una dirección dada. Es importante anotar que, para que una antena "responda" a una
onda incidente, tiene que tener la misma polarización que la onda. Por ejemplo, un
dipolo vertical responderá a una onda incidente si la polarización de dicha onda es
vertical también.
I
M P E D A N C I A
Una antena se tendrá que conectar a un transmisor y deberá radiar el máximo de
potencia posible con un mínimo de perdidas. Se deberá adaptar la antena al transmisor
para una máxima transferencia de potencia, que se suele hacer a través de una línea de
transmisión. Esta línea también influirá en la adaptación, debiéndose considerar su
impedancia característica, atenuación y longitud.
Como el transmisor producirá corrientes y campos, a la entrada de la antena se puede
definir la impedancia de entrada de una antena como la relación entre la tensión y la
corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja,
estando formada por una componente activa Re (la parte real, que se denomina
resistencia de antena) y una reactiva Xe (la parte imaginaria, conocida como reactancia
de antena), dependientes de la frecuencia.
Si a una frecuencia una antena no presenta parte imaginaria en su impedancia,
entonces diremos que esa antena está resonando a esa frecuencia.
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Normalmente usaremos una antena en su frecuencia de resonancia, que es cuando
mejor se comporta, luego a partir de ahora no hablaremos de la parte imaginaria de la
impedancia de la antena, sino que hablaremos de la resistencia de entrada a la antena
Re., que depende de la frecuencia.
Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias, la resistencia de
radiación (Rr) y la resistencia de pérdidas (RL).
La resistencia de radiación es una resistencia que disiparía en forma de calor la misma
potencia que radiaría la antena y se define como la relación entre la potencia total
radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada,
elevada al cuadrado.
La antena por estar compuesta por conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Se define
la resistencia óhmica de una antena (también llamada resistencia de pérdidas o
resistencia efectiva) como la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdidas
resistivas y la corriente en sus terminales al cuadrado.
Por lo tanto la resistencia de antena la podemos considerar como la suma de la
resistencia de radiación y la resistencia óhmica.
Interesa que una antena esté resonando para que la parte imaginaria de la antena sea
cero. Esto es necesario para evitar tener que aplicar corrientes excesivas, que lo único
que hacen es producir grandes pérdidas.
E
F I C I E N C I A
Se conoce con el nombre de eficiencia de una antena (rendimiento) a la relación existente
entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena. La eficiencia de una
antena se puede obtener a partir de las resistencias de radiación y óhmicas, teniendo en
cuenta que es la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la
antena
Relacionado con la impedancia de la antena tenemos la eficiencia de radiación y la
eficiencia de reflexión. Estas dos eficiencias nos indicarán una, lo buena es una antena
emitiendo señal, y otra, lo bien que está adaptada una antena a una línea de
transmisión.
La Eficiencia de Radiación se define como la relación entre la potencia radiada por la
antena y la potencia que se entrega a la misma antena. Como la potencia está
relacionada con la resistencia de la antena, podemos volver a definir la Eficiencia de
Radiación como la relación entre la Resistencia de radiación y la Resistencia de la antena
:
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La Eficiencia de Adaptación o Eficiencia de Reflexión es la relación entre la potencia
que le llega a la antena y la potencia que se le aplica a ella. Esta eficiencia dependerá
mucho de la impedancia que presente la línea de transmisión y de la impedancia de
entrada a la antena, luego se puede volver a definir la Eficiencia de Reflexión como 1 módulo del Coeficiente de reflexión2 , siendo el coeficiente de reflexión el cociente entre la
diferencia de la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión, y la
suma de las mismas impedancias.
Eficiencia de Reflexión = 1 - (Coeficiente de Reflexión)2,
donde
Algunas veces se define la Eficiencia Total, siendo esta el producto entre la Eficiencia de
Radiación y la Eficiencia de Reflexión.
Eficiencia Total = Eficiencia de Radiación x Eficiencia de Reflexión
Otra forma de calcular la eficiencia de una antena es utilizando la figura siguiente, en la
que se muestra un circuito equivalente eléctrico simplificado para una antena.
Parte de la potencia de entrada se disipa en las resistencias efectivas (resistencia de
tierra, dieléctricos imperfectos, etc.) y la restante se irradia. El total de la potencia de la
antena es la suma de las potencias disipada y radiada. En términos de resistencia y
corriente, la eficiencia es:
donde:
η = eficiencia de la antena
i = corriente de la antena
Rr = resistencia de radiación
Re = resistencia de la antena efectiva
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A
D A P T A C I Ó N
Las antenas receptoras tienen un circuito
equivalente de Thevenin, con una impedancia
de antena y un generador de tensión. La
transferencia de potencia entre la antena y la
carga es máxima cuando ambas impedancias
son complejas conjugadas.
En general, si no hay adaptación, la potencia recibida por una carga
conectada
se puede calcular como
a una antena de impedancia
Se define el coeficiente de adaptación como la relación entre la potencia recibida y la
potencia que se recibiría en el caso de máxima transferencia de potencia. Toma valores
entre 0 y 1.
Á
R E A
Y
L O N G I T U D
E F E C T I V A
El área efectiva se define como la relación entre la
potencia recibida y la densidad de potencia
incidente en una antena. La antena debe estar
adaptada a la carga, de forma que la potencia
transferida sea la máxima. La onda recibida debe
estar adaptada en polarización a la antena.
Área
La longitud efectiva de una antena linealmente
polarizada se define como la relación entre la
tensión inducida en una antena en circuito
abierto y el campo incidente en la misma.
longitud
Longitud eficaz de la antena:
Sobre una antena se inducen corrientes y voltajes. Por tal razón, a la antena receptora se
le puede considerar como un generador ideal de voltaje (V), con una impedancia interna
que resulta ser igual a la de entrada.
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ANCHO
DE BANDA, FRECUENCIA O BANDA DE TRABAJO DE LA ANTENA
El margen de frecuencias sobre el que una antena puede trabajar se denomina "ancho de
banda pasante" o banda de trabajo y depende de las condiciones de los puntos de
potencia media
Las antenas podemos clasificarlas en banda estrecha (un solo canal) o banda ancha
(para cubrir una gama de frecuencias UHF o todas las bandas de TV).
Como regla general, la ganancia de una antena de banda ancha es inferior en algunos de
a la de una de banda estrecha.
La longitud de las varillas de una antena esta relacionada con la frecuencia central de
trabajo. Para un dipolo resulta:
Para aumentar el ancho de banda de la antena se dispone de dos opciones:
a) Aumentar la superficie de los conductores que formen la antena.
b) Utilizar una red de compensación en frecuencia, que en TV se forma generalmente con
una línea de transmisión en forma de tubo.
A
N C H O
D E
H A Z
D E
U N A
A N T E N A
:
Podemos hablar del ancho de haz de una antena como el espaciamiento angular entre
dos puntos determinados de potencia media (-3dB), ubicándolos con respecto a la
posición del lóbulo principal perteneciente al patrón de radiación de la antena.
CARGA AL VIENTO:
Es el efecto que tiene el viento sobre la antena.
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RELACIÓN DELANTE/ATRÁS (D/A):
Es la relación, expresada en dB entre la ganancia máxima del lóbulo principal de la
antena y la ganancia máxima de cualquier lóbulo comprendido entre 90º y 270º respecto
al lóbulo principal. Sin embargo, los fabricantes suelen suministrar el dato respecto a
180º (por detrás) del lóbulo principal.
CARACTERÍSTICAS Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UN EMISOR
Las características básicas de un emisor son:
∗
Frecuencia de emisión: es un parámetro fundamental que condiciona el diseño del
emisor. Debido a factores ambientales o condiciones de trabajo (temperatura, humedad,
envejecimiento del equipo…) la frecuencia de emisión real es distinta de la nominal.
∗ Tipo de modulación y ancho de banda
∗ Potencia de emisión: La potencia de emisión condiciona el alcance. Cuanto mayor sea
ésta, mayor será la zona geográfica cubierta con la emisión, pero normalmente no se
puede transmitir toda la potencia que se desea, pues está limitada por las interferencias
que se pueden producir a otros usuarios.
∗ Emisiones espurias: una emisión espuria es toda emisión no deseada dentro o fuera
de la banda útil. Los espurios fuera de banda se pueden filtrar antes de emitir. Los de
dentro contribuyen al ruido del transmisor y son imposibles de eliminar.
Elementos constituyentes de un emisor:
∗ Oscilador: produce un tono senoidal a una frecuencia fija y estable (frecuencia de
portadora)
∗ Modulador: Implanta la señal de información a una característica de la portadora
(amplitud, frecuencia o fase)
∗ Amplificador: eleva la potencia de la señal
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∗
Redes de acoplo: sirven para adaptar impedancias y conseguir la máxima
transferencia de potencia.
∗ Multiplicadores de frecuencia: sirven para facilitar el diseño de los osciladores. Se
parte de uno estable de baja frecuencia y con multiplicadores se aumenta hasta la
frecuencia deseada.
∗ Circuitos de protección de la etapa de potencia: para evitar que se queme la etapa de
potencia
CARACTERÍSTICAS Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UN RECEPTOR
Las características básicas de un receptor son:
∗
Sensibilidad: es la capacidad para extraer la señal útil del ruido en que está inmersa.
Representa la mínima tensión necesaria para que el receptor actúe satisfactoriamente.
∗ Selectividad: es la capacidad para separar la señal útil de una señal no deseada
próxima en frecuencia.
∗ Fidelidad: es una medida de la calidad con la que el receptor nos devuelve la señal.
Es ausencia de distorsión.
∗
Elementos constituyentes de un receptor:
∗
∗
Amplificador de radiofrecuencia (RF) : es la primera etapa después de la antena
Demodulador: extrae la información que lleva la portadora. Pueden ser coherentes (
requieren el conocimiento de la frecuencia y la fase de la portadora) o incoherentes ( no
requiere el conocimiento de la fase, aunque puede requerir la frecuencia)
∗ Circuitos de acoplo: análogos a los del emisor.
∗ Control automático de ganancia (CAG): es un circuito realimentado que posibilita la
recepción independientemente del nivel de la señal recibida. Equivale a aumentar la
amplificación de la señal de audio cuando disminuye el nivel de la señal recibida y
viceversa.
∗ Control automático de frecuencia (CAF): posibilita la recepción independientemente de
la deriva del emisor.
∗ Silenciador (Squelch): cuando no hay emisión, corta la alimentación del amplificador
de audio y así evita amplificar el ruido de fondo, que es molesto.
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ECUACIÓN DE TRANSMISIÓN
Consideremos un enlace de comunicaciones entre dos puntos, con dos antenas
separadas una distancia r. Si la antena transmisora fuera isotrópica, es decir si la
potencia transmitida se repartiera por igual en todas las direcciones del espacio
(radiación omnidireccional), la densidad de potencia en cualquier punto sería
En un caso real la antena transmisora es directiva, por lo que para calcular la densidad
de potencia hay que tener en cuenta la definición de directividad
La potencia recibida en una antena, en el caso de tener adaptación será
Si las antenas transmisora y receptora están orientadas en la dirección de los máximos
de los diagramas de radiación, la expresión final será
La relación entre el área efectiva y la directividad de cualquier antena es:
La ecuación de transmisión queda finalmente como
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FUNCIONAMIENTO DE UNA ANTENA
Si tenemos un circuito oscilante LC como el de la figura, el campo eléctrico esta
concentrado en el pequeño espacio de separación entre las placas del condensador,
mientras que el campo magnético abarca un pequeño espacio alrededor de la bobina del
circuito.
En el caso dado, estando separados los campos, la obtención de ondas electromagnéticas
es prácticamente imposible. En rigor, el circuito oscilante cerrado emite ondas de radio
porque hay en él una corriente de desplazamiento, pero habitualmente dicha corriente
no pasa del condensador al espacio, y entonces la radiación del circuito es insignificante.
Las condiciones de la radiación se cumplen en un circuito oscilante abierto, al que puede
pasarse a partir del circuito cerrado separando las placas del condensador y
aumentando al mismo tiempo su tamaño para conservar invariable la frecuencia propia
del circuito como se indica en la siguiente figura:
La antena obtenida como resultado de esta conversión del circuito oscilante cerrado al
abierto, se distingue por su simetría geométrica y por eso se llama DIPOLO. Posee cierta
inductancia distribuida a lo largo de los conductores, y cierta capacidad entre
conductores.
DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE EN UNA ANTENA
Una antena, al ser un elemento de un circuito, tendrá una distribución de corrientes
sobre ella misma. Esta distribución dependerá de la longitud que tenga la antena y del
punto de alimentación de la misma.
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Una onda estacionaria es una onda que se crea cuando una señal se está propagando
por un medio de transmisión y es reflejada por culpa de una mala adaptación o por
culpa de un final de línea.
Supongamos primero que tenemos una línea acabada en circuito abierto y alimentada en
uno de sus extremos.
En el momento de alimentar a esta línea de transmisión con una señal senoidal, se crea
una onda que se propaga por la línea.
Esta señal se irá repitiendo cada longitud de onda landa (una longitud de onda y no
media longitud de onda) ya que es una señal senoidal y es periódica. Esto provoca que
ahora tengamos una distribución de corrientes que no es constante y que varía en
función de la longitud de onda landa.
En la siguiente figura podemos ver una representación gráfica de como quedaría una
distribución de corrientes en la línea que estamos tratando.
Una vez que la onda llega al final de la línea, esta es reflejada al no poder continuar su
camino, volviendo hacia el generador. Esta onda reflejada tiene un desfase de 90º
respecto de la onda incidente, por lo que al sumarse con la onda incidente, tendremos
puntos en donde la suma de un máximo y en donde de un mínimo. Esta suma de las dos
ondas es la onda estacionaria que estamos buscando.
Si en vez de estar acabada la línea en circuito abierto, estuviera acabada en corto
circuito, también se reflejaría la onda, pero en vez de estar desfasada 90º, estaría
desfasada 180º. También se sumaría a la onda incidente y lógicamente también creará la
onda estacionaria.
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En la figura anterior observamos como quedan la onda incidente, la reflejada y la
estacionaria en la línea de transmisión tratada.
Esta es la onda estacionaria que se crea en la línea. Para entenderlo mejor se suele
representar el módulo de la intensidad, que sería lo que mediría un medidor de corriente
de RF, y la tensión en la misma línea.
Es muy importante la posición de los máximos y de los mínimos de una onda
estacionaria.
Al estar acabada la línea en un circuito abierto, en ese punto no podrá desplazarse la
corriente, luego el módulo de la corriente en el extremo de la línea tendrá un mínimo. Por
la misma razón, la tensión en ese punto tendrá un máximo, ya que hay máxima
concentración de energía.
Al ir variando la tensión y la intensidad en la línea, la impedancia también irá variando.
Este detalle es importante puesto que una vez diseñada la antena, dependiendo del
punto en el que la alimentemos, tendremos distinta impedancia. Así por ejemplo, si
tenemos un cable de 50 ohmios para alimentar una antena, nos interesará alimentarla
por un punto que presente impedancia cercana a 50 ohmios para tener las mínimas
perdidas por desacoplo de impedancias.
Como podemos ver en la imagen anterior, el módulo de la corriente en la línea se repite
cada media longitud de onda, que es la distancia que se utiliza para diseñar antenas.
Pero, ¿por qué se utiliza esa longitud y no otra?
En realidad hay muchos tipos de antenas y cada una utiliza una parte distinta de la
longitud de onda, así que dependiendo de la aplicación que queramos, del tipo de antena
que queramos utilizar y de más factores (espacio,...) utilizaremos una medida u otra.
Vamos a ver que ocurre cuando modificamos un poco la línea de transmisión que
estamos tratando. Vamos a suponer que alimentamos en un punto cualquiera y que
tenemos creada una onda estacionaria en ella.
En la siguiente figura tenemos representado de forma esquemática como quedará esa
onda en nuestra línea, en donde se indica con flechas el sentido de las corrientes.
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Sin meterse en cuestiones físicas, si una corriente circula por un conductor, creará un
campo eléctrico y magnético en sus alrededores. Luego nuestra corriente creará un
campo eléctrico y magnético, pero como supondremos que la distancia entre los dos
conductores que forman nuestra línea (S) es pequeña, no se creará una onda que se
propaga, puesto que la contribución que presenta el conductor superior se anulará con
la que presenta el conductor inferior.
Pero si separamos en un punto los dos conductores, los campos que crean las corrientes
ya no se anularán entre si, si no que se creará un campo eléctrico y magnético que
formará una onda que se podrá propagar por el espacio.
Según esto, dependiendo del punto desde el que separemos el conductor, tendremos una
longitud en los elementos radiantes (H) variable. Al variar esta longitud, la distribución
de corriente variará, y lógicamente la onda que se crea se propagará.
Hay que seguir observando que en los extremos seguimos teniendo un mínimo de
corriente y que continúa repitiéndose cada media longitud de onda. Luego ahora
podemos ver de forma gráfica, que si suponemos que nuestra antena son solo los
elementos radiantes y que el punto en el que los hemos separado es el punto de
alimentación de la antena, el módulo de la intensidad en el punto de alimentación varía y
lógicamente, también varía la impedancia que presenta la antena.
Veamos como se distribuye la corriente en función de la longitud de la antena (H) y su
diagrama de radiación en la siguiente tabla. En ella se indica el ancho de haz a -3 dB, la
directividad (D), la resistencia de radiación en el punto de máxima corriente (Rrm) y la
resistencia en el punto de alimentación de la antena (Rre).
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No por tener una antena más larga se radia mejor, lo único que se consigue es variar el
diagrama de radiación y la impedancia que presenta.
En esta tabla vemos que una antena vertical de 5/8 longitudes de onda es una de las
mejores, de las representadas, para hacer contactos a larga distancia (DX) puesto que es
la que tiene el lóbulo de radiación más bajo y es la que presenta la directividad más
pronunciada. Esta directividad nos indica que presenta una mayor ganancia en la
dirección de propagación que se observa en el diagrama de radiación.
TIPOS DE ANTENAS
Las antenas se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios. Aquí se presentan
cuatro:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
En una primera clasificación, se distingue entre antenas básicas, agrupaciones de
antenas y aperturas.
La segunda clasificación según el tipo de haz
La tercera clasificación se hará por su estructura lobular.
La cuarta clasificación presenta una serie de antenas receptoras
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A
N T E N A S
B Á S I C A S
Bajo esta denominación se estudian las antenas construidas con hilos conductores
eléctricamente delgados (por eso se les llama también antenas de hilo). En estas
condiciones las corrientes fluyen longitudinalmente sobre la superficie del hilo.
Para calcular los campos radiados se modelan como una línea de corriente infinitamente
delgada coincidente con el eje del conductor real, que soporta en cada punto un valor de
corriente idéntico al que transporta la corriente superficial real en el contorno de la
sección correspondiente a ese punto. Los generadores provocan distribuciones de
corriente que actúan como fuentes de radiación
Son antenas de hilo:
Dipolos, espiras, monopolos
Monopolos
Los monopolos son antenas por hilos y planos de masa, alimentadas por una línea de
transmisión. Equivalen a un dipolo.
Los monopolos tienen la misma corriente que los dipolos, los campos radiados son los
mismos en el semiplano superior, mientras que el campo es cero en el semiplano inferior
del monopolo.
La comparación entre los diversos parámetros de radiación es
Otros ejemplos de monopolos, con cargas capacitivas son
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Ejemplos de Monopolos
monopolos GSM
monopolo doblado
Espira elemental
Se denomina espira elemental a un conductor de forma arbitraria que se cierra sobre sí
mismo y por el que circula una corriente uniforme. Las dimensiones deben ser pequeñas
en términos de la longitud de onda.
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Dipolo elemental
Un dipolo elemental es un elemento de corriente de longitud h, recorrido por una
corriente uniforme, cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la longitud de
onda.
La mayor parte de las antenas a frecuencias inferiores a 1 MHz se comportan como
dipolos elementales, dado que a esa frecuencia la longitud de onda es de 300 m.
Ejemplos de Dipolos
paneles
dipolos doblados
dipolos bicónicos
A
G R U P A C I O N E S
D E
A N T E N A S
Los arrays son agrupaciones de dos o más antenas que radian o reciben
simultáneamente. El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la interferencia
de los campos radiados por cada una de las antenas, mientras que en recepción la señal
recibida es una combinación lineal de las señales que capta cada antena. El diagrama de
radiación total vendrá determinado por el diagrama de radiación conjunto (factor de
array) y el diagrama de radiación del elemento aislado.
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En el diseño de arrays intervienen muchos parámetros: número de elementos,
disposición física de los elementos, amplitud de la corriente de alimentación, fase relativa
de la alimentación y tipo de antena elemental utilizada. Configurando estos parámetros
se pueden mejorar las características de radiación del diagrama de radiación individual:
mejorar la directividad, mejorar la relación de lóbulo principal a secundario, conformar el
diagrama para cubrir la zona de interés y tener la posibilidad de controlar
electrónicamente el apuntamiento del haz principal.
Los arrays son utilizados en aplicaciones de satélite para :
•
•
•
•
Obtener un haz fijo que puede ser simple o múltiple.
Obtener haces desapuntables electrónicamente.
Ser utilizados como elementos de alimentación de reflectores o lentes.
Estas características hacen de los arrays una opción muy interesante para ser utilizados
en los satélites, las principales desventajas son su peso, la complejidad y las pérdidas
relativamente altas en el sistema de alimentación de las antenas.
PARÁMETROS DE DISEÑO
Para conseguir las especificaciones de una antena podemos diseñar los siguientes
parámetros del array:
Tamaño del array
El tamaño del array viene determinado principalmente por la ganancia y el ancho de haz
requeridos. A mayor tamaño mayor ganancia y menor ancho de haz.
Número de elementos
Los factores determinantes son la capacidad de resolución, los lóbulos de difracción, el
peso y los lóbulos secundarios. En general al aumentar el número de elementos
disminuye el haz principal y aumenta el número de lóbulos secundarios.
Distribución de los elementos
Los elementos pueden ser distribuidos de muchas formas: circularmente, en una malla
cuadrada, rectangular, en paralelogramos o aleatoriamente. La distribución elegida viene
determinada por la resolución, el número de elementos y los lóbulos de difracción.
Tipos de elementos
El tipo de elementos utilizados determina la ganancia alcanzable por el array, la
polarización, las bandas de frecuencias y los anchos de banda, el tamaño y el peso. Los
elementos más utilizados en los satélites son: guías de onda, hélices, bocinas y ranuras
en guías.
Errores de cuantificación en fase y amplitud
Si se utilizan desfasadores y alimentadores digitales los efectos de los escalones de
cuantificación en la precisión del apuntamiento del haz, la resolución y el nivel de los
lóbulos secundarios debe de ser tenido en cuenta.
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A N T E N A S
D E
A
P E R T U R A
La terminación o discontinuidad de una estructura guiada deja una superficie abierta
sobre la que se produce una distribución de campo.
Esta distribución produce radiación en todo el espacio por el principio de Huygens
A este grupo de antenas pertenecen las antenas de bocina, las reflectoras y las lentes.
ANTENAS DE BOCINA
Las antenas de bocina son unas antenas que realizan la transición desde el medio
guiado, guías de onda, al espacio libre. Las bocinas se utilizan en los satélites
principalmente como alimentadores de los reflectores y en algunas ocasiones se utilizan
como antenas simples cuando se requieren grandes anchos de haz. Las antenas de
bocina se utilizan frecuentemente para conformar haces que den una cobertura
terrestre. El ancho de haz necesario par dar cobertura a la tierra desde la órbita
geoestacionaria es de 18º, que es fácilmente realizable con antenas de bocina.
Tipos.
Bocina piramidal
Bocina cónica
Bocinas de modo dominante (o de modo
único):
Bocinas de modo dual (o multimodo
Bocinas corrugadas (o híbridas):
De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y
cónica.
‰La bocina piramidal:
Se utiliza como extensión de la guía rectangular Adecuada para sistemas de
polarización lineal, ya que minimiza las pérdidas y reduce la generación de modos de
órdenes superiores que afecten al comportamiento de la eficiencia y de la polarización.
Tiene la ventaja de transmitir ondas con productos sin polarización cruzada, que junto
con el hecho de que su ganancia se puede calcular exactamente a partir de sus
dimensiones físicas, hacen de estas bocinas una atractiva herramienta para la medida
de la ganancia útil.
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‰La bocina cónica:
Es la extensión natural de la guía circular Son las que se utilizan fundamentalmente en
antenas de satélites de haz global. Son las más adecuadas para utilizar polarizaciones
circulares, aunque también pueda utilizar polarizaciones lineales, estas polarizaciones
tienen un mejor comportamiento en las bocinas piramidales.
Se pueden clasificar según el modo de propagación transmitido en:
●Bocinas de modo dominante (o de modo único): Se sintoniza al modo
predominante de la guía de onda circular, el modo TE11. Este es el más
básico de los tres tipos.
●Bocinas de modo dual (o multimodo): Se sintoniza al modo de propagación TE11
de la onda que se propaga por la guía de onda, junto al modo TM11 (uno de
los modos de propagación más altos).
El diagrama de radiación en campo lejano del modo dominante de la bocina
cónica tiene un ancho de haz más estrecho en el plano E que en el plano H, pero
los lóbulos laterales son más elevados.
Las bocinas de modo dual se han desarrollado para obtener un ancho de haz
igual en los planos E y H, con un bajo nivel de polarización cruzada. En este tipo
de bocinas, los modos TE11 y TM11 son combinados con apropiadas relaciones
de amplitud y diferencias de fase en su apertura.
En la siguiente figura se muestra los distintos modelos de bocinas cónicas de modo
dual más típicas. El modo TM11 se obtiene del modo TE11 alimentado en la guía de
onda circular por escalones (step), zonas acampanadas (flare), salientes (iris) o anillos
de dieléctrico. De todas ellas, la más empleada es la antena de bocina de modo dual de
tipo flare-iris .
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●Bocinas corrugadas (o híbridas): Como su nombre indica, se ajusta a un modo
híbrido, el HE11, que ofrece bajos lóbulos laterales sobre un ancho de haz
particularmente ancho y simétrico a lo largo de sus ejes. Estas antenas
mejoran la polarización cruzada
El efecto de las corrugaciones en las
paredes es el de modificar la
distribución de los campos, el especial
el plano E, convirtiendo la distribución
uniforme original en una cosenoidal.
Las líneas de campo también se
modifican y quedan prácticamente
paralelas
a
la
dirección
de
polarización.
En la figura se muestran los campos del modo
dominante HE11 de la bocina corrugada y TE11 de la
bocina lisa, donde se observa una mayor pureza de la
polarización en la primera. La finalidad de las
bocinas corrugadas es conseguir diagramas mas simétricos con un ancho de haz igual
en los planos E y H, y obtener niveles de polarización cruzada más bajos y elevadas
eficiencias del haz (aproximadamente del 95%).
En la siguiente figura se observa la configuración de las bocinas cónicas corrugadas. La
superficie interna esta provista de surcos circulares, que según su profundidad y
espaciamiento, serán capaces de cancelar la energía procedente de otros modos de
propagación que puedan provocar los indeseados efectos de polarización cruzada y altos
lóbulos secundarios.
Unión guía-onda y bocina:
Las dimensiones de la apertura son proporcionales a la longitud de onda y son
impuestos por la forma del diagrama de radiación de la antena en campo lejano.
La unión entre la guía-onda y la bocina necesita tener unas características muy
concretas, ya que de ello depende la reducción de energía que se refleja de nuevo hacia el
transmisor. Una buena unión asegura que la energía de la señal recibida sea
adecuadamente conducida al puerto de entrada del repetidor
Aplicaciones.
Se utilizan extensamente en satélites comerciales. Pero la utilización más común de las
bocinas es como un elemento de radiación para reflectores de antenas. La bocina se
sitúa en el foco o en un lugar próximo a él de un reflector parabólico para iluminar su
superficie tanto en la aplicación de transmisión como en recepción. La radiación
electromagnética en la superficie del reflector produce corrientes eléctricas en la
superficie y de estas corrientes se producen otros campos electromagnéticos que
finalmente se convierten en un diagrama de radiación de campo lejano del sistema de
antena total.
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REFLECTORES PARABÓLICOS
Son una buena solución para obtener altas ganancias y eficiencias en la huella que deja
el haz sobre la compleja distribución geográfica de las estaciones terrestres.
Principios de funcionamiento del reflector parabólico
En recepción, la onda plana que incide según el eje es reflejada por el espejo reflector
para concentrar la potencia recibida en un “alimentador”
En transmisión, por reciprocidad, el haz esférico y poco directivo que emerge del
alimentador se refleja en la superficie produciendo un haz colimado, y por tanto una
excitación de apertura en forma de onda plana, con una alta directividad.
La antena reflectora más simple consiste en una superficie parabólica reflectora
iluminada por una fuente radiadora situada en el foco del paraboloide. Esta
configuración ha sido ampliamente utilizada por razones de sencillez y economía, pero
sus inconvenientes están relacionados con la situación del alimentador delante del
reflector responsable del problema del bloqueo de la radiación; este bloqueo produce una
pérdida de directividad y un aumento de los lóbulos secundarios y de los niveles de
polarización cruzada.
El reflector es el mejor candidato en los sistemas de antenas de satélites debido a su
peso ligero, a su estructura simple, y a la madurez de diseño. La principal desventaja es
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que el reflector debe ser del tipo offset para evitar el bloqueo producido por el
alimentador. El reflector offset permite un mejor control del diagrama y una disminución
del acoplamiento entre el alimentador y el reflector, pero no tiene simetría de rotación, lo
que limita la capacidad de exploración.
En general una antena a base de reflectores puede consistir en una o más superficies
reflectoras de diferentes formas: paraboloide, hiperboloide, esferoide, elipsoide o una
forma general. Los reflectores parabólicos offset son los más utilizados.
PARÁMETROS DE DISEÑO
Los principales parámetro de diseño de los reflectores son: tamaño de la apertura, tipo
de reflector, distancia focal, distancia de offset, y tolerancia de la superficie.
Tamaño de la apertura
El tamaño de la apertura viene determinado por la ganancia y el ancho de haz
requeridos. Los reflectores grandes permiten concentrar la energía radiada en una
pequeña área y proporcionan mejores valores del NLPS, lo que permite reducir las
interferencias entre haces cercanos y entre satélites. Pero hay que recordar que en un
satélite el espacio es muy limitado, y por lo tanto el tamaño de la antena debe ser el
mínimo posible que cumpla las especificaciones.
Tipo de reflector
Un reflector simple es siempre la primera opción. El candidato favorito es el reflector
offset debido a las características comentadas anteriormente y su madurez de diseño.
Sin embargo el reflector offset tiene una capacidad de exploración muy limitada. Un
reflector esférico está libre de astigmatismo y de coma cuando el foco está colocado en el
centro de curvatura. Por lo tanto para conseguir una mayor capacidad de exploración se
recurre a reflectores con una forma entre paraboloide y esférica.
Por otra parte la superficie puede ser sólida para antenas con polarización circular y
mallada para polarizaciones lineales. Un reflector mallado puede mejorar la pureza de
polarización en una polarización lineal. Se pueden utilizar dos superficies malladas para
compartir la misma área de apertura y formar un sistema compacto. La superficie
delantera refleja una clase de polarización mientras que permite paso de la polarización
ortogonal. El reflector trasero refleja la polarización ortogonal y filtra la polarización
cruzada indeseada.
Se puede utilizar reflectores dobles para mejorar el sistema óptico. Los reflectores dobles
tienen un grado más de libertad, y debe ser capaz de reducir la aberración de fase para
permitir una mayor capacidad de exploración. Los reflectores dobles clásicos son los
Cassegrain y los Gregorianos
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TIPO
DIAGRAMA DE RAYOS
Paraboloide
Cassegrain
Gregoriano
ELEMENTOS CARACTERÍSTICAS
ÓPTICOS
Mp=espejo
parabólico
Mp=espejo
parabólico
Ms=espejo
hiperbólico
Mp=espejo
parabólico
Ms=espejo
elipsoidal
1. Libre de
aberración
esférica
2. Sufre de coma
al desplazar
fuera del eje
3. El detector
debe estar en el
foco
1. Libre de
aberración
esférica
2. Más corto que
el Gregoriano
3. Permite colocar
el detector
detrás del
sistema óptico
4. Bastante usado
1. Libre de
aberración
esférica
2. Más largo que
el Cassegrain
3. Permite la
colocación del
detector detrás
del sistema
óptico
4. Menos común
que el
Cassegrain
Distancia Focal
Uno de los parámetros más importantes de un reflector es su relación distancia focal
diámetro de la apertura (f /D). Cuanto mayor sea la relación (f /D), mejor será el
comportamiento en una antena que realice exploración con el haz. Sin embargo, un valor
alto de la relación (f /D) produce que el ángulo sólido subtendido por el reflector desde el
alimentador sea pequeño, lo que provoca que el alimentador deba ser más grande para
conseguir un haz menor. El fenómeno de la aberración, que se comporta peor en
reflectores con una relación (f /D) menor puede ser corregida y mejorada colocando más
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alimentadores. La mejora es debida a que al tener más alimentadores tenemos más
grados de libertad para optimizar la forma del haz. Por otro lado, una mayor relación de
(f /D) significa un mayor tamaño en el satélite, lo que hay que tener muy en cuenta.
Distancia de Offset
La distancia de Offset, definida como la distancia desde el eje del reflector al centro de la
apertura del reflector, debe ser lo suficientemente grande para eliminar el bloqueo del
alimentador. El bloqueo producido por el alimentador hace crecer los lóbulos
secundarios y la polarización cruzada.
Tolerancia de la Superficie
Los errores en la superficie del reflector pueden ser clasificados de dos formas:
•
•
Errores aleatorios de la superficie
Errores deterministas de la superficie
Los errores aleatorios son debidos a defectos de fabricación y son tratados como
aleatorios debido a la falta de precisión en la construcción de la superficie del reflector.
Los errores deterministas son debidos a la distorsión que producen los cambios térmicos
en las superficies.
Reflectores parabólicos Cassegrain y Gregoriano
En aplicaciones espaciales donde se requiere una gran directividad de la antena, una
elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido, utilizar una gran antena
reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar
equipos en él) por lo que la solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el
caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico y en el caso de la
configuración Gregoriana se trata de un elipsoide cóncavo.
Analizaremos el comportamiento de estas antenas a partir de una antena parabólica
asimétrica que sea geométricamente equivalente.
Cabe decir que cuando las características de direccionamiento del haz se evalúan
mediante el modelo equivalente la aproximación resulta ser buena para pequeños
ángulos de desviación del haz, aumentando el error cometido en el caso de ángulos
mayores. El error también dependerá del sistema reflector original y de sus parámetros.
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De este estudio se deduce:
La relación (fm/Dp) se maximiza cuando s vale cero. En este caso, la antena parabólica
asimétrica con dos reflectores es equivalente a una antena parabólica simétrica sin
bloqueo.
Si además disminuimos el valor del ángulo qm conseguiremos relaciones (fm/Dp) todavía
mayores.
Teóricamente, en este caso cuando no hay desviación del haz no debería generarse
componente de polarización cruzada, aunque en la práctica no llega a ser así.
En el caso de las antenas Cassegrain el ángulo qm debe ser pequeño, pues de lo
contrario rayos incidentes en el reflector primario tras ser reflejados por este podrían
pasar sin ser reflejados por el secundario.
TAMAÑO DEL SUBREFLECTOR DE UNA ANTENA CASSEGRAIN DISEÑADA PARA UN ÁNGULO DE VARIACIÓN DE 20
GRADOS
En las antenas Gregorianas asimétricas no es posible generar las desviaciones del haz
requeridas utilizando una alimentación en forma de array planar. Sin embargo, en el
caso de Cassegrain si es posible, permitiendo un sistema reflector más compacto.
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LENTES
Las lentes, al igual que los reflectores son un método para conseguir grandes superficies
radiantes con campos en fase. El principio de funcionamiento de las lentes consiste en
hacer viajar la radiación por un medio que iguale los caminos eléctricos y produzca un
frente de onda plano a partir de uno esférico.
Las lentes no tienen bloqueo de la apertura por el alimentador, como ocurre en los
reflectores, pero tienen pérdidas por reflexiones en las superficies y son relativamente
pesadas y voluminosas. La principal ventaja de las lentes frente a los reflectores
parabólicos es que la capacidad de exploración por desplazamiento del alimentador fuera
del foco es mayor.
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A las frecuencias de microondas los medios naturales homogéneos siempre tienen un
índice de refracción n>1, es decir, una velocidad de fase menor que la de la luz en el
vacío. Esto provoca que las lentes tengan que ser convexas. Sin embargo se pueden
conseguir medios artificiales en los que n<1, en concreto se utilizan guías de onda para
realizar lentes cóncavas.
PARÁMETROS DE DISEÑO
Los parámetros de diseño son los siguientes:
Tipo de lentes
Las lentes más usadas en aplicaciones de satélites son las de guías de onda, TEM y
dieléctricas. Las lentes de guías de onda están limitadas a anchos de banda estrechos
debido a que son medios dispersivos. Las lentes TEM tienen un ancho de banda mayor,
pero son más pesadas. Las lentes dieléctricas son las más pesadas de todas y de mayor
ancho de banda. En altas frecuencias, donde el tamaño de las lentes es menor las lentes
dieléctricas son un candidato viable. Normalmente se suelen utilizar lentes escalonadas
(Zoned lenses) por ser menos pesadas y voluminosas. Las lentes dieléctricas reducen su
ancho de banda al ser escalonadas, mientras que las lentes de guías de onda
escalonadas mejoran su ancho de banda.
El ancho de banda para una lente de guía de onda escalonada viene dado por:
donde Kz es el número de zonas y no es el índice de refracción de la guía de onda.
El ancho de banda para una lente dieléctrica escalonada viene dado por:
Tamaño
El tamaño de una lente viene determinado por su relación foco-diámetro (f/D). El
diámetro viene determinado por los requerimientos de ganancia y ancho de haz. Cuanto
mayor sea la distancia focal (f), mejor capacidad de exploración por desplazamiento del
alimentador.
Tolerancias de las superficies
Las deformaciones de las superficies son debidas a las tolerancias de fabricación y a los
efectos térmicos en el espacio. Las desviaciones de la superficie de la lente respecto a su
forma ideal pueden causar pérdidas de ganancia y una degradación del diagrama de
radiación.
La deformación de la superficie de la lente se traduce en errores de fase del campo en la
apertura. La tolerancia permisible en una primera aproximación puede ser relacionada
con las máximas irregularidades de fase permisibles en la apertura formada por la lente.
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Si se toma un error máximo de fase de
se puede demostrar que el error máximo de
anchura permisible en la lente viene dado por:
Lentes Cóncavas
Lentes Convexas
En general los efectos de la deformación de la superficie en la ganancia, los lóbulos
secundarios y la polarización cruzada deben ser analizados de una forma más rigurosa.
El diagrama de radiación puede ser obtenido con mayor precisión integrando la
distribución de campo en la apertura una vez que los detalles de los errores de fase son
conocidos. Las especificaciones de las tolerancias de las superficies deben ser estudiadas
en todos los casos posibles para ser contrastadas con los requerimientos del sistema.
Desadaptación en las superficies
Para diseñar una buena antena de lente es necesario adaptar la superficie de la lente
para reducir los efectos de las reflexiones. Las técnicas de adaptación son las mismas
utilizadas en microondas, pero adaptadas a lentes. Se utilizan tres técnicas de
adaptación:
1.
2.
3.
Adaptación con capa de cuarto de onda.
Transformador de impedancias con múltiples capas de cuarto de onda
Placas de dieléctrico artificial de cuarto de onda
La primera técnica proporciona adaptación a una sola frecuencia, mientras que las otras
dos proporcionan un mayor ancho de banda. Los problemas con la primera y segunda
técnica son la falta de materiales con el índice de refracción adecuado y las dificultades
de fabricación. La tercera técnica requiere que la superficie del dieléctrico esté ranurada
para dar el efecto equivalente de adaptación.
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OTROS CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LAS ANTENAS:
Clasificación en función del tipo de haz
Tipo
Ejemplos
Antenas de
bocina.
Antenas de un único haz
Las antenas de un único haz son utilizadas en los satélites de
comunicaciones como antenas que proporcionan un haz de cobertura Reflectores
reducida o bien como antenas que proporcionan un haz de cobertura parabólicos.
global.
Bocinas
reflectoras.
Antenas de haz modelado
Reflectores
modelados.
Las antenas de haz modelado se definen como antenas cuyos haces
de radiación son conformados de acuerdo a un modelo deseado.
Reflectores
parabólicos
La ventaja de estas antenas no es sólo el incremento de ganancia sino alimentados por
la mejora del aislamiento de haz a haz, el cual es un parámetro clave multibocinas.
para el incremento de la capacidad de comunicación debido a la
reutilización de frecuencias.
Reflectores
modelados
La ganancia de una antena de haz modelado está estrechamente alimentados por
relacionada con el área iluminada. Por lo tanto, la ganancia que se multibocinas.
obtiene para este tipo de antenas esta determinada por su área de
cobertura.
Array de
antenas.
Las antenas de haz modelado pueden ser clasificadas en los
siguientes tipos:
•
Reflectores modelados: emplean formas predeterminadas del
reflector para formar el haz requerido con una única bocina.
•
Reflectores parabólicos alimentados por multibocinas:
consisten en un reflector parabólico y bocinas de alimentación,
de manera que se consiguen las formas de haz deseadas
ajustando la posición, amplitud y fase de la distribución de las
bocinas de alimentación.
•
Reflectores modelados alimentados por multibocinas: Se trata
de una mejora de los dos tipos anteriores. En este caso el
reflector modelado controla la forma de los haces para mejorar
la eficiencia de la antena y posibilitar la reducción del número
de bocinas del sistema de alimentación.
•
Array de antenas: Están formados por las mismas bocinas
alimentadoras que las antenas reflectoras. En el caso de
multibocinas con un reflector, el incremento del número de
alimentadores generalmente puede hacer que el tamaño del
sistema alimentador sea comparable con el tamaño del propio
reflector.
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Tipo
Ejemplos
Antenas multihaz
Antenas de
Reflector
Dentro de las antenas multihaz podemos distinguir entre aquellas parabólico
capaces de generar varios haces por unidad de tiempo y las que asimétrico
generando un único haz en cada instante son capaces de adoptar en (offset).
el tiempo su dirección de apuntamiento.
Reflectores
Una posible configuración que permite obtener directividades Parabólicos
elevadas consistiría en un reflector parabólico como superficie Cassegrain y
reflectante. En las antenas simétricas de tipo reflector, el radiador Gregoriano
primario se sitúa en el foco. En estas antenas multihaz de tipo Asimétricos.
reflector tenemos varios radiadores primarios. Se agudizan de esta
forma los inconvenientes de esta geometría relacionados con la Antenas
situación de la alimentación: el bloqueo de la radiación que produce Reflectoras
una pérdida de directividad y un aumento de los lóbulos secundarios. Bifocales.
Una manera de evitar el bloqueo consiste en situar la alimentación Antenas
descentrada iluminando una porción de superficie parabólica Reflectoras
localizada asimétricamente a un lado del eje horizontal.
Multifocales.
Esta solución permite un control mayor de la radiación proveniente Antena Dualdel reflector en cuanto a directividad y lóbulos secundarios. Permite Grid.
utilizar relaciones (f/Dm) superiores.
Reflectores
Dicroicos.
Clasificación de antenas por su estructura lobular
ƒ
Antena Isotrópica (.ΩH=4π)
ƒ
Antena Omnidireccional (.ΩH=2π·BWV)
ƒ
Antena directiva de pincel (pencil beam) (Ω.H=BWH·BWV)
ƒ
Haz contorneado
ƒ
Multihaz
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Tipos de antenas para captar las ondas emitidas por una fuente lejana:
™
Antena colectiva:
Antena receptora que, mediante la conveniente amplificación
distribuidores, permite su utilización por diversos usuarios.
™
y
el
uso
de
Antena de cuadro:
Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras
arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en
radiogoniometría.
™
Antena de reflector o parabólica:
Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina, que
limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se
utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.
™
Antena lineal:
La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición vertical.
™
Antena multibanda:
La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que abarca muy
diversas frecuencias.
™
Dipolo de Media Onda
El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente
utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo de 2 MHz, la longitud
física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media onda
se le refiere por lo general como antena de Hertz.
Una antena de Hertz es una antena resonante. O Sea, es un múltiplo de un cuarto de
longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más lejano. Las ondas
estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante.
La figura anterior podemos observar las distribuciones de corriente y voltaje ideales a lo
largo de un dipolo de media onda. Cada polo de la antena se ve como una sección abierta
de un cuarto de longitud de onda de una línea de transmisión. Por lo tanto en los
extremos hay un máximo voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un
máximo de corriente en el centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de
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alimentación esta en el centro de la antena, la impedancia de entrada es Eminimo / Imaximo y
un valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena de Emaximo / Iminimo y un valor
máximo.
La figura siguiente muestra la curva de impedancia para un dipolo de media onda
alimentado en el centro.
La impedancia varia de un valor máximo en los extremos de aproximadamente 2500 W a
un valor mínimo en el punto de alimentación de aproximadamente 73 W (de los cuales
entre 68 y 70 W es la impedancia de radiación).
El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la
localización horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie de la tierra.
La figura siguiente muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo de media onda
montado verticalmente. Obsérvese que los dos lóbulos principales que irradian en
direcciones opuestas están en ángulo derecho a la antena, los lóbulos no son círculos, se
obtienen solo en el caso ideal donde la corriente es constante a todo lo largo de la
antena, y esto es inalcanzable en una antena real.
™
Antena Yagi:
Antenas Yagi: son antenas construidas con dipolos paralelos, en las que sólo se alimenta
uno (“excitador”, activo) de forma directa, haciéndolo los demás (“parásitos”,
cortocircuitados) a través del acoplamiento mutuo con el primero.
Esta antena está constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores,
activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los
elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los
reflectores lo reflejan.
Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi puede tener varios
elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por: G = 10 log n, donde n
es el número de elementos por considerar.
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Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de
0.15λ , y entre el activo y el director es de 0.11λ. Estas distancias de separación entre los
elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra manera los
campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí, bajando la ganancia.
Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho de banda
angosto, ya que el elemento dipolar está cortado a una sola frecuencia que generalmente
se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos de TV; es decir, del
canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es
posible cubrir varios canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razón
se utiliza la denominada antena yagi de banda ancha, la cual puede cubrir varios
canales a la vez aunque sacrificando la ganancia.
En la figura siguiente se muestran los parámetros de diseño x y y, creando la relación x +
y = λ /4, la ganancia se acentúa alrededor de un solo canal, como se muestra en la
figura.
Para considerar una antena yagi de banda ancha es necesario, entonces, hacer ajustes
en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado,
la ganancia óptima. Se recuerda que para un arreglo de antenas en las cuales todos los
elementos van alimentados se obtiene mejor ganancia para el denominado "en línea".
Como la antena yagi utiliza elementos alimentados y parásitos, es común aumentar el
numero de elementos alimentados a 2 o 3; estos dipolos se cortan a la frecuencia media
del ancho de banda; generalmente para los canales bajos de televisión da muy buen
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resultado. En la figura siguiente se proporciona las dimensiones para óptima ganancia
de una antena yagi de tres elementos
Ejemplos de antenas Yagi
reflector
sistema radiodifusión
paneles
instalaciones TV
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™
Antena GPS
Uno de los elementos más importante de los gps es la antena ya que es su modo de
comunicarse con el exterior. En una primera clasificación se podría distinguir entre las
antenas que llevan incorporadas los equipos y las antenas externas que se les pueden
acoplar.
Antenas incorporadas en los gps:
Principalmente son de dos tipos: internas y externas
•
Internas: funcionan como un gran dieléctrico. Se trata de antenas planas
constituidas por dos láminas separadas por material cerámico aislante. Una
lámina actúa como conductor y la otra como plano de tierra. Por su disposición
esta antena recibe mejor la señal en posición horizontal que en vertical. Algunos
modelos de gps que utilizan esta antena son los Garmin gps12, 12XL, 12 CX,
eTrex, eTrex Summit y eMap.
Interior de un gps con antena plana
•
Externas: la más frecuente es la cuadrifilar helicoidal... Consta de cuatro
conductores paralelos de cobre girados. En principio a este tipo de antena, por su
estructura, se le supone una mayor sensibilidad en la recepción de la señal gps ya
que ésta posee una polarización circular. Pero lo cierto es que existen experiencias
contradictorias en este sentido y no se han realizado estudios rigurosos, o
nosotros los desconocemos, que permitan afirmar categóricamente que un tipo sea
más sensible que otro. Algunos modelos que utilizan estas antenas son los
Garmin II+, III+, StreetPilot, StreetPilot ColorMap y los Magellan 315, 320 y 330
Map entre otros.
Antena
cuadrifilar
helicoidal
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Antenas externas:
Para determinados usos, por ejemplo gps que se utilizan en interiores de vehículos,
puede ser interesante incorporar una antena externa para mejorar la recepción de la
señal. Estas antenas se pueden dividir en pasivas y activas.
•
Pasivas: se trata de antenas que tienen la ventaja de que no consumen energía
pero a cambio tampoco amplifican la señal por lo que su uso es muy limitado.
•
Activas: son antenas mucho más interesantes que las anteriores ya que aunque
tienen un consumo eléctrico amplifican la señal recibida. Hay algunas que se
alimentan a 5 voltios como las diseñadas para los Garmin 12XL, 12CX, II+, III+,
Street Pilot, etc y otras que se alimentan a 2,5 ó 3 voltios como la diseñada para el
Garmin eMap.
Antena activa
alimentada a 3V para
Garmin eMap
Antena activa alimentada a 5V
para Garmin II+
Antena activa re-radiante
Big Brother alimentada a
12 voltios
Existe un modelo de antenas activas denominadas re-radiantes pensadas para los
equipos que carecen de toma para antena externa. Estas antenas reciben la señal de los
satélites y la amplifican, radiando la señal de nuevo, para que un gps situado a una
pequeña distancia pueda recibirlas.
Todas las antenas activas se pueden utilizar con el gps para actividades al aire libre pero
tienen el problema de la necesidad de alimentación, que generalmente es a 12 voltios,
por lo que es necesario llevar una batería aparte, que siempre es un peso más para ir por
el monte. Por tanto, son más indicadas para vehículos donde es posible la alimentación a
través del mechero del coche.
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ANEXO: ANTENAS PARABÓLICAS.Para recibir las emisiones procedentes de un satélite, es necesario la instalación de una
antena parabólica exterior de 30 cm a 1,80 de diámetro, añadirle un convertidor, que
convierte la señal de 11 GHz a 1 GHz, así como un polarizador, capaz de separar las
señales polarizadas horizontalmente de las polarizadas en sentido vertical. Si esta antena
dispone de un posicionador, podemos captar varios satélites.
LOS SATÉLITES GEO-ESTACIONARIOS
Es conveniente recordar algunos conceptos estudiados hace ya algún tiempo. La posición
de un lugar en la superficie de la tierra queda determinada mediante coordenadas
geográficas. La longitud o altitud se mide desde el meridiano de Greenwich hasta el
meridiano del lugar. Se cuenta desde 0º hasta +180º hacia el este y desde 0º hasta -180º
hacia el oeste. La latitud geográfica se mide desde el Ecuador hacia el norte, (0º hasta
+90º), y hacia el sur,
(0º hasta -90º).
Los
satélites
se
encuentran en una
órbita a 36.000 Km de
la
tierra,
órbita
geoestacionaria, sobre
el plano del Ecuador,
en la que presenta
igual período y sentido
de rotación que la
tierra. Esto significa
que el satélite estará
siempre en el mismo
punto con respecto a
la tierra.
Aunque son muchos estos satélites, sólo unos cuantos podemos utilizarlos
satisfactoriamente, pues su franja de irradiación no se dirige a nuestro país, o es muy
débil su señal. En principio debemos centrarnos en el Astra, Eutelsat e Intelsat, y
recientemente en el Hispasat.
POLARIZACIÓN VERTICAL Y HORIZONTAL
Si situamos el pequeño dipolo existente en el interior del convertidor,
en posición vertical respecto al suelo, sólo podremos ver las emisoras que
transmiten con polarización vertical,
sin lograr ver ninguna de las que transmiten con polarización
horizontal
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En la antena parabólica tendremos que girar el convertidor, con el fin de situar el dipolo
en posición horizontal o vertical, en función de la señal que queramos recibir. Esto se
puede realizar automáticamente mediante un polarrotor, llamado también polarizador,
que no es más que un dispositivo electromecánico que se encarga de girar la polarización
de la señal captada. De esta forma, con un solo convertidor, podremos recibir tanto las
señales de polarización horizontal como vertical.
La limitación que tiene este sistema es la fiabilidad de las partes móviles sometidas a la
acción de los agentes atmosféricos y la precisión en el posicionamiento.
Otra solución consiste en la utilización del llamado sistema ortomodo, que consiste en
una doble guía de ondas que separa las dos polarizaciones, horizontal y vertical, en dos
diferentes salidas que aplican las señales a dos diferentes convertidores.
El iluminador, tiene la misión de recoger todas las señales que se reflejan en el disco
parabólico y enviarlas al dipolo a través del polarizador.
LA POSICIÓN GEO-ESTACIONARIA
La posición de cada satélite se localiza con dos medidas fundamentales: la elevación y el
acimut.
La elevación es el parámetro más importante para apuntar un
satélite, es decir, los grados de inclinación de la parábola con
respecto al suelo. En la práctica, en la línea del Ecuador, se
situará en horizontal, 0 grados, mientras que cuanto más nos
alejemos hacia el Norte, más tendremos que bajarla, más grados.
Por ello, quienes se encuentre en el Sur de España (latitud 36º), la
antena tendrá una inclinación menor que quienes se encuentren
en el Norte (latitud 44º)
El acimut, que es el otro parámetro, se indica con grados Este u Oeste, tomando como
referencia, aunque no se diga explícitamente, la longitud
de Greenwich es el ángulo de rotación sobre el plano
horizontal respecto a la posición del satélite
Por ejemplo, si el satélite se encuentra a 1 grado Oeste, el
habitante de Mérida, ciudad que se encuentra en la
longitud 6,3º Oeste, debe realizar la siguiente operación:
1º - 6,3º = 5,3º Este
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POSICIONADO DE LA PARÁBOLA
Existe una gran diferencia, en cuanto a exactitud en la orientación, entre una antena
'yagi' de TV y una antena parabólica. La primera, dispone de un ángulo de apertura
superior a 30º para emisoras a 100 Km de distancia, mientras que en la segunda, es de
2º, para un satélite geoestacionario situado a 36.000 Km de distancia. Basta un error de
escasos milímetros, ya sea en vertical (elevación) como en horizontal (acimut), para
encontrarse direccionado a varios centenares de kilómetros del lugar en que se
encuentra el satélite. Hay que tener en cuenta que el satélite no tiene el diámetro de la
Luna, sino tan solo 2 metros y a la distancia a que se encuentra, no es más que un
"puntito" que, si fuera luminoso, veríamos como una estrella.
Por consiguiente, la parábola debe disponer de un desplazamiento micrométrico, tanto
en sentido vertical como horizontal.
Primeramente deberemos hacer una visita previa para decidir
el emplazamiento más óptimo de la antena parabólica. Un
lugar libre de obstáculos entre la antena y el satélite y con
posibilidad de orientación desde el sureste hasta el suroeste.
Para localizar la línea Norte-Sur disponemos de dos sistemas:
- Una sería el uso del Sol como medio de orientación. Todos
sabemos que a las doce, hora solar, el Sol se encuentra en el
cenit, con lo que indica con total precisión el Sur geográfico. En ese momento, la sombra
de una plomada marca en el suelo la dirección Norte-Sur, con lo que, marcando dicha
sombra con una tiza dispondremos de la dirección adecuada. Hay que recordar, que la
hora oficial está adelantada una hora en invierno y dos en verano.
- El otro sistema es con ayuda de una brújula. Teniendo en cuenta el error que existe
entre el Norte geográfico, 0º y el Norte magnético, deberemos sumarle a esta indicación,
entre 4º y 8º, según el lugar en que nos encontremos. Debido a la gran sensibilidad de la
brújula, tendremos que alejarnos de objetos metálicos, pues pueden falsear la medida.
Si es necesario se darán las instrucciones precisas para la construcción de la
cimentación para la base de la parábola, teniendo en cuenta la orientación y las fuerzas
que deba soportar.
En una segunda visita se procederá al montaje de la antena. Montaremos la antena con
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el mayor cuidado en aprietes de tornillos, colocación de varillas, etc. Una vez nivelada la
base de la parábola, con ayuda de un nivel o plomada, montaremos la parábola,
orientándola hacia el Sur.
El ángulo de elevación es el primer ajuste que debemos realizar. Con ayuda de un
instrumento, llamado inclinómetro, ajustaremos la elevación de la parábola teniendo en
cuenta la latitud más el ángulo de compensación en el lugar que nos encontremos
Así para una parábola montada
en Mérida, deberemos ajustarla
a
una
elevación
de
39º+6,2º=45,2º. En la práctica
es conveniente bajar 2 ó tres
grados, e ir haciendo barridos
sobre la zona del posible
satélite, ir subiendo hasta
ajustar la elevación correcta.
El
inclinómetro
se
puede
colocar en el borde de la
parábola o en el mismo
convertidor.
En
algunas
antenas, viene incorporada una
escala graduada para este
ajuste.
El acimut se ajustará con ayuda
de la brújula, apuntando la
parábola hacia el satélite elegido y
haciendo barridos.
Estos barridos se harán con ayuda
de tornillos de ajuste o motores, pues
si lo hacemos manualmente será casi
imposible
poder
direccionar
correctamente la antena, debido a la
precisión requerida.
Para localizar los satélites, las
unidades
de
recepción
llevan
incorporado un escáner, cuya misión
es la de hacer un barrido rápido en el
espectro de frecuencias de emisión de
los satélites: 10 GHz a 12 GHz.
COMO COLOCAR UNA ANTENA PARABÓLICA
Sencilla explicación de todos los pasos a dar para la instalación
de una antena parabólica de tipo Offser, aunque la mayoría de los
pasos son comunes a todos los tipos de antena.
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1. Materiales necesarios:
Antes de comenzar vamos a ver todos los materiales que se van a utilizar.
•
Soporte: existen numerosos tipos de soportes diferentes. Siempre va a haber uno,
o una combinación de varios, que se adecue a tu situación: soportes en U, en L,
postes, para suelos, barras para separar el poste de la pared, torretas,...
•
Antena parabólica: compuesta por:
o Plato: Refleja las ondas del satélite y las concentra en el conversor LNB.
o Barra de sujeción al poste y del LNB: sobre ella se monta el lato y el soporte
para el LNB.
o Soporte del LNB: pieza en forma de abrazadera que sostiene el LNB.
•
Conversor LNB (sensor): Es la pieza que recibe las ondas que se han reflejado en el
plato.
•
Receptor satélite: Aparato que recibe y descodifica la señal del satélite (por ejemplo
un descodificador de plataforma digital).
•
Cable coaxial y grapas: cable de antena, preferiblemente de cobre.
•
Conectores tipo F: se usarán para la conexión a LNB (normalmente) y al receptor.
•
Cinta vulcanizante: está recomendado usarla para hacer estanca la conexión al
LNB.
•
Tomas de pared y cajas de bifurcación, en caso necesario.
Además de esto utilizaremos tacos metálicos (en todos los casos) para tomar el soporte a
la pared (a no ser que se quiera que la antena desaparezca en un día de viento).
2. Instalación del soporte.
Antes de comenzar el montaje del soporte comprobaremos que la zona hacia la que
debemos orientar la antena está libre de objetos (árboles, paredes...). En el caso del
satélite Astra, debe estar libre un mínimo 30º de ángulo vertical y hacia el suroeste.
Sea cual sea el soporte que vamos a utilizar, siempre usaremos tacos metálicos para su
sujeción (de unos 10 mm). En algunos casos es posible usar el mismo poste de una
antena terrestre que ya exista, siempre que este esté bien firme.
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Comenzaremos marcando los puntos exactos a taladrar y perforando uno de los
agujeros. Insertamos el taco metálico sin sacar el tornillo y lo expansionamos, es decir,
apretaremos el tornillo antes de colocar el soporte. Es necesario hacerlo así porque si no
la pieza móvil de los mismos se soltaría y quedaría inutilizado el taco.
Una vez expansionados, retiramos el tornillo y comprobamos de nuevo la localización del
siguiente agujero. Hay que ser muy riguroso en este sentido, puesto que los tacos
metálicos requieren mucha mas precisión que los de plástico. Si un tornillo queda medio
torcido simplemente no va a entrar.
En caso de utilizar soportes para poste (barras que separan el poste de la pared), una vez
fijadas montaremos el poste sobre ellos. Para ello se aprietan las dos tuercas de la
mordaza de presión fuertemente.
3. Montaje de la antena y orientación.
En el suelo montaremos la antena según la siguiente secuencia:
En primer lugar montaremos sobre el plato las dos
piezas en forma de U que van a unir este a la barra. La
unión está realizada con pares de tornillos, de manera
que la cabeza de los mismos queda por el frontal del
plato. No es necesario el uso de tuercas puesto que las
piezas tienen unos orificios roscados.
Unimos la barra a las piezas que acabamos de montar
por medio de dos tornillos y turcas. En el extremos
superior colocamos un tapón y en el frontal montaremos
el soporte para el LNB por medio de otro tornillo.
Montamos la pieza que unirá todo el conjunto al poste de
sujeción por medio de dos tornillos.
Una vez montado todo esto pasaremos a fijar el ángulo
vertical.
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Para ello giramos la pieza prevista para ese fin (imagen de la
derecha) hasta que hagamos coincidir con la escala
graduada el ángulo correspondiente al satélite que nos
interesa y a la zona en la que nos encontremos y apretamos
muy fuertemente los tornillos de fijación. En el caso del
satélite Astra, esos ángulos para ciudades de España son
los que aparecen como ángulo "a" en la tabla situada más
abajo.
Una vez concluida esta fase es hora de colocar la antena en
el soporte o en el poste. Para ello fijamos la abrazadera que
une la pieza que arriba hemos ajustado con el mástil con sus
tuercas, pero no las apretaremos del todo, dejaremos que la
antena se pueda girar.
Fijaremos el ángulo horizontal. En el caso del satélite
Astra, los ángulos que corresponden a las distintas
ciudades españolas son los abajo mencionados,
identificados con la letra "b". Una vez fijado, apretaremos
definitivamente las tuercas de la abrazadera que une la
antena al mástil. Apretaremos muy fuertemente estas
tuercas.
En teoría nuestra antena ya está situada.
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El paso siguiente es el montaje del LNB en su soporte. Para
ello aflojaremos los tornillos que sujetan la parte superior del
mismo y la sacaremos. Montaremos el LNB y apretaremos los
tornillos.
El LNB debe tener un ángulo de
inclinación con respecto a la vertical
(ángulo alfa). En teoría tenemos que
fijar este ángulo con un aparato que
mide la cantidad y calidad de la señal.
Muchas veces los propios descodificadores o receptores cuentan
con un indicador para este efecto. En caso de disponer del
aparato, fija el ángulo y aprieta los tornillos. Si no se dispone de él o el descodificador lo
incluye, ajustaremos el ángulo al final de la instalación, con el descodificador ya
montado.
4. Cableado
Utilizaremos cable coaxial normal, preferiblemente de cobre.
En primer lugar fijaremos el cable al LNB con un conector de
tipo F. La forma de montar el conector al cable es la mostrada a
la derecha. Aislaremos esta conexión con cinta vulcanizante.
Bajaremos el cable por los soportes, fijándolos con corbatas de
plástico.
También prepararemos un cable de la longitud deseada que
conectará el receptor con la toma que vamos a situar en la
pared. Por tanto, en el extremo del receptor tendrá otro conector
de tipo F y en el otro extremo un conector hembra normal, como
el de los cables que conectan la televisión con la toma normal.
Fijado el cable al LNB, comenzaremos a llevarlo con grapas hasta el punto donde nos
interese. Si se tiene que bifurcar en algún sitio, utilizaremos un repartidor. Esto no es
más que una caja en la que entra un cable y salen dos. Nunca haremos conexiones a
mano, es decir, con cinta aislante.
Montaremos tomas normales de pared en los puntos que nos interese. Si la toma es final,
es decir, el cable muere en ella, usaremos una toma final, y si el cable debe continuar a
una toma siguiente usaremos una prevista para hacer montajes en serie.
Esquema que engloba
todas estas posibilidades
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5. Recepción
Conectaremos el receptor a una de las tomas que hemos montado y procedemos a su
sintonización según los manuales que adjunte éste.
Si antes habíamos dejado sin fijar el ángulo de inclinación del LNB es el momento de
hacerlo. Si el descodificador tiene indicador de la calidad de la señal, gíralo hasta que
este sea máximo. Si no lo tiene, simplemente busca la posición en que la pantalla tenga
menos nieve.
En teoría, estaría terminado. Si no funciona, habría que probar lo siguiente:
•
•
•
Revisar todas las conexiones. Para esto podría ser útil un multímetro,
comprobando la resistencia del conjunto.
Comprobar la orientación de la antena. Si es necesario, tantear nuevos ángulos
hasta que consigas la mejor señal.
Comprobar que el cable no se haya dañado.
Si nada de esto funciona señal de que algo va mal. El LNB o el receptor podrían estar
estropeados.
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BIBLIOGRAFÍA
http://www.geocities.com/Paris/Opera/1255/Samuel/doc/antenas1.html
http://www.upv.es/
http://www.bricomundo.com/todosobre_colocaantena.htm
http://www.ciberteca.net/cgi-bin/visitarenlace.asp?id=587
http://www.monografias.com/trabajos10/coin/coin.shtml
http://www.metacontrol.cl/soporte.html
http://personal.redestb.es/jorgecd/antenas.html
http://www.el-mundo.es/radio/glosario.html
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