I.E.S “ANTONIO MACHADO” ALCALÁ DE HENARES (MADRID) C.F.G.S – 1º M.E ANTENAS 30/10/2018 1 PARÁMETROS DE LAS ANTENAS La definición formal de una antena es: un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio 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. En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre. 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 (o en ocasiones en todas direcciones) Cuando la antena es utilizada para radiar ondas electromagnéticas al espacio, cumple el papel de antena emisora o transmisora y cuando se emplea para interceptar o capturar ondas que se propagan en el espacio y convertirlas en energía útil, aprovechable por un receptor, cumple la función de antena receptora. Para que una antena sea eficiente, es decir, para que radie la mayor parte de la energía que se le suministre, las dimensiones de la antenas se sitúan entre alrededor de 1/8λ y una λ. Si sus dimensiones son mucho menores su eficiencia se reduce considerablemente, pero en los sistemas de comunicaciones en las bandas de ondas kilométricas (30-300 KHz) y miriamétricas (3 a 30 KHz), también se utilizan antenas mucho menores de una longitud de onda, en estos sistemas, la baja eficiencia de la antena se compensa con la muy alta potencia de los transmisores, superior por lo general a 100 Kw. 2 Antena ISOTRÓPICA o Radiador ISOTRÓPICO.Se define como antena isotrópica a un punto emisor de ondas electromagnéticas que radia uniformemente en todas direcciones, de manera que la energía se distribuye uniformemente en forma esférica en el espacio. La antena isotrópica es un radiador ideal que no existe en la práctica, pero cuyo concepto es de gran utilidad para analizar el comportamiento de antenas reales, cuyas características suelen expresarse en relación a la antena isotrópica como antena patrón. Figura 9. Antena DIPOLO DE MEDIA LONGITUD DE ONDA.- ro P Figura 9. Radiador Isotrópico λ /4 λ /2 TRANSMISOR Guia de onda En la práctica suele utilizarse el dipolo de media longitud de onda (λ/2). Figura 10. La antena está formada por dos longitudes de cable de λ/4 siendo λ= longitud de onda equivalente a la frecuencia (f) de transmisión o recepción, siendo: c f En la práctica se construye un poco más pequeña, 95% de la longitud teórica. La figura 10 muestra una antena real de media longitud de onda. λ /4 Antena Figura 10. Antena Dipolo de media onda o antena de Hertz Figura 11. Antena Dipolo de media onda real 3 Parámetros de una antena Los parámetros de una antena son parámetros susceptibles de ser medidos y definidos de acuerdo con el estándar del IEEE 145-1973. Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como una caja negra. Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional. La mayoría de estos parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción Directividad de una antena.La directividad es la propiedad que tiene una antena de transmitir o recibir la energía irradiada en una dirección particular. Para un enlace inalámbrico que utiliza antenas fijas en ambos extremos, se puede utilizar esta directividad para concentrar la radiación en la dirección deseada. En cambio, para una estación móvil y otra fija o ambas móviles, donde no se puede predecir donde va a estar una de ellas, la antena deberá radiar en todas las direcciones del plano horizontal y para ello se utiliza una antena omnidireccional. La directividad de una fuente es la razón entre la intensidad de radiación hacia una cierta dirección dada con respecto a la que tendría una fuente isotrópica . U 4 U Donde: 5)D Ui P D: es la directividad de la antena U: es la intensidad de radiación de la antena por unidad de ángulo sólido en una dirección. Ui: es la intensidad de radiación de una fuente isotrópica 4 P: es la potencia radiada total Impedancia de entrada.La impedancia de entrada de una antena, se define como: “ la razón entre el voltaje y la corriente en los terminales de la antena. Así, la impedancia de la antena puede ser expresada como: 6) Zi Ri jXi Zi Im pedancia. de. entrada. vista. en. los. ter min ales. de. la. antena Ri La. resistencia.. de. emtrada Xi La.. reac tan cia. de. entrada La reactancia de la antena (Xi), representa la potencia guardada en el campo cercano de la antena, es decir, es provocado por la energía reactiva que va y vuelve y que no es radiada. La parte resistiva (Ri), tiene dos componentes: - Una resistencia de radiación (Rr) asociada a la resistencia a radiar de la antena. - Una resistencia asociada a las pérdidas de potencia (Rp o RL) en el conductor y en el dieléctrico. La figura 12 muestra un esquema representando las impedancias del Transmisor y de la Antena. 7)Ri Rr RL Rs Rr Ri Zs RL jXs es jXi TRANSMISOR ANTENA Zi Figura 12. Circuito equivalente de la antena y el transmisor. 5 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) o Relación de onda estacionaria.Para tener una buena eficiencia de transmisión, en una antena, debe haber una máxima transferencia de potencia entre el transmisor (que puede ser una guía de onda o una línea de transmisión) y la antena. Para que haya máxima transferencia de potencia, la impedancia de la antena (Zi) debe ser adaptada con la impedancia de transmisión (Zs) (que una impedancia esté adaptada significa, en este caso, que no produce reflexión de ondas). De acuerdo con el teorema de máxima transferencia de potencia, la máxima potencia puede ser transferida sólo si la impedancia del transmisor es el conjugado complejo de la impedancia de la antena. Con esto, la condición de adaptación ocurre cuando: 8) Zs Zi * 9) Zi Ri jXi 10) Zs Rs jXs. . . . . el. conjugado. es: 11) Zs Rs jXs...... y......12) Xs Xi Si la condición de adaptación no es satisfecha, habrá potencia reflejada entre la antena y el transmisor, lo cual creará ondas estacionarias, las cuales pueden ser caracterizadas por un parámetro llamado Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). También llamado ROE (Razón de Onda Estacionaria). 6 El VSWR es definido como: Siendo: VSWR=ROE=Relación de onda estacionaria Г= Coeficiente de reflexión Vr= Amplitud de la onda de tensión reflejada Vi= Amplitud de la onda de tensión incidente 13)VSWR ROE 1 1 Vr Zi Zs * 14) Vi Zi Zs El VSWR=ROE es básicamente una medida de desadaptación entre la impedancia del Transmisor y de la Antena. A mayor VSWR, es peor la adaptación. El mínimo VSWR, el cual corresponde a una adaptación perfecta, es la unidad. En otras palabras, cuando no hay onda reflejada (| Γ |=0) hay una adaptación perfecta y VSWR=ROE=1. En aplicaciones profesionales, un criterio adecuado es que la ROE debe ser tal que la máxima potencia reflejada no exceda el 1% de la incidente en toda la banda de interés. Esto corresponde a un valor de ROE de 1’22, si bien es frecuente en muchos casos tener valores de ROE de 1’5 y aún hasta de 2. Otro parámetro es la Perdidas de Retorno (dB): 15) 20 log Г Rendimiento: 16) Re n dim iento p Rr Pr adiada tr Pentregada pt R p Rr .. en.%.. seria...(%) : ptr Rr .100 100 pt R p Rr 7 Ganancia de una antena.La ganancia (G) de una antena difiere de la directividad (D) por un factor, el cual se relaciona con la eficiencia de la antena (η). Como todas las antenas reales tienen algún tipo de pérdida disipativa, no toda la potencia que entra es radiada. Entonces, la ganancia de una antena es definida por: 17)G( , ) 4 Donde: U ( , ) Pi U(θ,)= Densidad de potencia por unidad de ángulo sólido en la dirección (θ, ϕ) Pi = Potencia total que entra a la antena por los terminales de esta. Otra forma de ver la ganancia en función de la directividad (D) y la eficiencia (η) viene dada por la siguiente ecuación : 18)G Ganancia D max 4 U max P Siendo la eficiencia (η): 19) Pr adiada Pr adiada Penytregada Pr adiada Pperdidas 8 La ganancia es el parámetro más usado para describir el desempeño de una antena práctica. Tanto la ganancia como la directividad pueden ser referidas a cualquier antena estándar, tales como dipolo de media onda o bien un radiador isotrópico. - La ganancia de una antena está normalmente dada en decibeles isotrópicos [dBi]. Es la ganancia de energía en comparación con una antena isotrópica o isótropa-. - También puede estar expresada en [dBd], que es la ganancia comparada con una antena dipolo de media onda (λ/2). La ganancia de una antena es la misma para recibir y transmitir. EJEMPLOS: Así, podemos decir que: * Una antena dipolo de λ/2 tiene una ganancia de G=0dBd=2’15dBi. 20)dBi dBd 215 ' Potencia Irradiada Isotrópica Efectiva (EIRP) o PIRE.La EIRP (o PIRE o potencia isotrópica radiada equivalente) se define como la potencia efectiva que se halla en el lóbulo principal de la antena transmisora. Es igual a la suma de la ganancia de la antena, en dBi, más el nivel de potencia en dBm, que entra a la antena. PIRE= Po( potencia de salida del transmisor)+Ga (ganancia de la antena)- LccTx (pérdidas en la línea de transmisión desde el Transmisor a la entrada de la antena-cables o guías de ondas y 9 conectores). Polarización de una antena.Se denomina polarización de la antena a la polarización del campo eléctrico (E) respecto a un plano de tierra dado. - La polarización puede ser LINEAL, CIRCULAR O ELÍPTICA.. - CPL (Cross-Polarization Level) es una medida de polarizaciones no deseadas. La figura 13 muestra los campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre si y a su vez respecto a la dirección de propagación de la onda. Así mismo la figura 14 muestra la polarización Vertical, Horizontal en polarización lineal y las polarizaciones circulares a derechas (sentido agujas del reloj) y a izquierdas (sentido anti horario). Figura 13 Figura 14 10 La figura 14.bis nos muestra una representación de los tres tipos de polarización: LINEAL, CIRCULAR Y ELÍPTICA. POLARIZACIÓN CRUZADA Por otra parte, las antenas se suelen compartir entre el transmisor y el receptor. Si el sistema utiliza dos polarizaciones ortogonales, una para transmitir (H o V) y otra para recibir (V o H), el aislamiento entre transmisor y receptor se aumenta de forma considerable. De hecho hay radioenlaces que usan polarización cruzada para poder transmitir y recibir a distintas frecuencias (f1 y f2). En la figura 15, podemos observar como son las polarizaciones Horizontal y Vertical para dos tipos de antenas muy usadas: a) Antenas transmisoras de PANEL (típicas de los transmisores de TDT). b) Antenas receptores tipo YAGI empleadas en las azoteas para la recepción de la señal de televisión (TDT) y su colocación para captar el tipo de polarización. Figura 15 12 Ancho de Banda de una antena.Se define como (BW) y es el rango de frecuencias a los cuales los parámetros de la antena son similares a las que tendría si operara en la frecuencia central. BW=Ancho de banda=fH-fL El estándar es comúnmente para VSWR≤2 (ó| Γ|≤1/3). La figura 16, muestra una representación del ancho de banda de una antena en la cual en el eje vertical están las Perdidas de retorno de la antena (Return Loss) y en el eje horizontal la frecuencia (f). Los puntos de frecuencia del ancho de banda son aquellos (fH y fL) para los cuales la Relación de onda estacionaria VSWR=2 o las Perdidas de retorno son igual o superior a -9’54dB. Figura 16 13 Patrón de radiación o Diagrama de radiación.- Es la representación gráfica de la magnitud relativa de los campos Eléctricos (E) y Magnéticos (H) en el espacio. Los patrones de radiación usualmente se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimuth. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía radiada vista directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una representación tridimensional de como es realmente radiada la energía desde la antena. La figura 17 muestra un ejemplo de lo descrito. Figura 17. Patrón de radiación de una antena colineal, omnidireccional, plano horizontal y vertical. Plano en 3 D. 14 Los parámetros más importantes del diagrama de radiación, Figura 18,son: - Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia. - Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación. - Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal. - Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de -3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad. - Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario. - Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto. Figura 18. Patrón de radiación de una antena con sus lóbulos secundarios y a la derecha los puntos de -3dB o de mitad de potencia dan lugar al Ancho del haz. 15 TIPOS DE ANTENAS. APLICACIONES. CARACTERÍSTICAS Una antena es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. Una misma antena puede se a su vez Transmisora y Receptora. Existe una gran diversidad de tipos de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces). También es una antena la que está integrada en la computadora portátil para conectarse a las redes Wi-Fi 2.4.1 TIPOS DE ANTENAS SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda (λ=c/f) de la señal de radiofrecuencia que va a ser transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda (l<<λ) las antenas se denominan ELEMENTALES. Si tienen dimensiones son del orden de media longitud de onda (l=λ/2) se llaman RESONATES. Si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda (l>λ) son DIRECTIVAS. 16 CLASIFICACIÓN DE LAS ANTENAS Existen tres tipos básicos de antenas: 1) Antenas de hilo. 2) Antenas de apertura 3) Antenas planas. Asimismo, las agrupaciones de estas antenas (arrays) se suelen considerar en la literatura como otro tipo básico de antena. TIPOS DE ANTENAS 1.- Antenas de hilo Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son: El monopolo vertical o colineal. El dipolo simple y su evolución, la antena Yagi. La antena circular o en espira. La antena helecoidal es un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Un conductor describe una hélice, consiguiendo así una polarización circular. La figura 19, nos muestra un conjunto de las antenas descritas anteriormente. 17 Figura 19. Antenas: Monopolo vertical o colineal, Dipolo, Yagi, Espira y Helecoidal 18 2. Antenas parabólicas o de apertura Las antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. La más conocida y utilizada es la ANTENA PARABÓLICA. Se usan preferentemente en sistemas de Radioenlace Terrestre y Satélite. La antena parabólica consta de un plato o rejilla reflector/a y en centro se dispone del elemento emisor o receptor en su caso denominado alimentador el cual radia o concentra los rayos. En la antena transmisora el punto focal del alimentador envía las ondas al plato reflector y este las refleja en forma de haz paralelo con la misma potencia. De la misma manera, en la antena receptora, si un haz paralelo incide en un reflector de forma parabólica, la radiación converge o se enfocará hacia un punto que es conocido como punto focal que es donde se sitúa el receptor de la señal. La figura 20, nos muestra el concepto en la antena emisora que por analogía describe a la antena receptora y diferentes tipos de parabólicas. Reflector (parábola) Vértice Alimentador Punto focal Figura 20. Antena parabólica y diferentes tipos: para recepción de satélite, transmisión- recepción de radioenlaces terrestre y de rejilla para Wifi y antena con radomo de protección. Ejemplo de ganancia de una antena parabólica en función de la frecuencia para distintos diámetros de la misma 2 2 2)Gparabolica ( ) 2 4 A 4 AE 2 2 2 ren dim iento. o. eficiencia. de. la. parabola entre.0'5. y.0'8 Diametro. de. la. parabola c f A Area. del. reflector;....... AE Area. Efectica. de. la. antena longitu. de. onda. de. la. señal. a. transmitir 2 2 3)Gparabolica (dB) 10 log 2 20 - Antena de foco primario.-La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. Las ondas electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y dirigen al foco. El foco está centrado en el paraboloide. Tienen un rendimiento máximo de aproximadamente el 60%, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% lo hace al foco y se aprovecha, el resto se pierde. Su relativa gran superficie implica un menor ángulo de anchura del haz (3 dB), por lo que la antena debe montarse con mayor precisión que una antena offset normal. La lluvia y la nieve pueden acumularse en el plato e interferir en la señal; Además como el LNB va montado centralmente, bloquea muchas señales con su propia sombra sobre la superficie de la antena. - Antena Offset.- Figura 21. Una antena offset está formada por una sección de un reflector paraboloide deforma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de Foco Primario, pudiendo ser de un 70% o algo más. Figura 21. Antena Offset - Antena Cassegrain.- Figura 22. Este tipo de antenas presentan una gran directividad, 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 una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico. El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico. El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide. El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador. Usadas en estaciones terrestres de enlace satelital. Véase: http://www.gdsatcom.com/Antennas/Data_Sheets/6550025B_9.0m.pdf Figura 22. Fundamento de la antena Cassegrain. Antena Gregorian.- Figura 23. Es similar ala Cassegrain pero el segundo reflector es cóncavo en lugar de convexo. Vease: http://www.satellite-calculations.com/Fibo/fibo.htm Figura 23. Fundamento de la antena Gregorian y aspecto de la misma 3. Antena Plana Las antenas planas, Figura 24, están formadas por un agrupamiento plano de radiadores microstrip y un circuito que distribuye la señal entre los radiadores. Ambos, radiadores y circuito, se fabrican utilizando técnicas de fotograbado sobre un sustrato dieléctrico laminado en cobre por ambas superficies. Son muchas las aplicaciones de este tipo de antenas, pero las principales están en el área de las telecomunicaciones, como antenas de alta, media y baja ganancia, generalmente en las bandas L,S,C y X. Se utilizan tanto para la estación base, como para los terminales de usuario. Así mismo tiene aplicación en enlaces Wifi bandas 2’4 y 5GHz. En recepción de TDT, etc. Figura 24. Antena plana microstrip y sus aspecto exterior 4. Panel LB13 para emisión de señal de TV-TD (Televisión Digital Terrestre) y arraid de paneles La Figura 25 , muestra la estructura de un panel denominado LB13 apto para emitir las señales de los distintos canales de TDT en las bandas IV y V. Pueden estar diseñados para polarización H o V. Las características del panel LB13/SA de la empresa ABE (Italia) http://www.abe.it/prodotti%5C7%5C68%5CB _xx_LB13SA_04_2009.pdf Otros fabricantes similares: que diseñan paneles Figura 25. Aspecto externo de un panel LB13/SA (de ABE italia). RYMSA: Antenas de polarización H,V, Circular y Elíptica http://www.rymsarf.com/rf_products_esp.html 25 Características técnicas: dBi=dBd+2’15≈dBd+2´2 dBd=dBi-2’2 26 Los citados paneles pueden conectarse en configuraciones individuales o agrupados formando un arraid (agrupación) a fin de conseguir una mayor cobertura o ganancia. Las siguientes imagen nos muestran la disposición y ganancia que obtenemos según la cantidad y disposición de los paneles: Paneles enfasados 27 La siguiente tabla muestra la ganancia cuando montamos un arraid de paneles (cortesía de Rymsa): dBi=dBd+2’15 Nº de vías Nº de paneles por vía 28 2.5 BIBLIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Antena http://www.slideshare.net/r4y4n/modulo-7 http:/www.rymsa.es
