ANTENAS CAPÍTULO 3: CONTINUACIÓN ANTENAS DE BANDA ANCHA Y ANTENA MICROSTRIP CONTENIDOS 1.- Introducción 2.- Definición 3.- Tipos de Antenas de banda ancha 4.- Antenas Microstrip 1.- INTRODUCCIÓN Las antenas analizadas presentan mayoritariamente un comportamiento muy variable con la frecuencia, de forma que sólo pueden ser empleadas en un margen estrecho de frecuencias. Las limitaciones que se generan son: - Los dipolos finos presentan impedancias de entrada que varían rápidamente con la frecuencia y, por tanto, sólo pueden adaptarse a los transmisores o receptores en márgenes de frecuencias pequeños - Las bocinas están limitadas en banda por la guía que las alimenta, que en general presenta anchos de banda inferiores a una octava (guía rectangular) - El comportamiento de las agrupaciones de antenas está en gran parte determinado por la frecuencia, ya que el margen visible del factor de la agrupación está ligado al espaciado de los elementos, medido en términos de la longitud de onda; - El empleo de reflectores, aunque son estructuras de banda ancha, también está limitado por el ancho de banda de los alimentadores que, en general, son bocinas. El interés por obtener antenas de banda ancha se originó, durante y después de la II Guerra Mundial, por la necesidad de reducir y simplificar el número de sistemas radiantes embarcados en aeronaves: comunicaciones en distintas bandas de frecuencias, sistemas de radionavegación, altímetros, etc., de modo que se realizó un esfuerzo importante para desarrollar antenas que permitieran cubrir grandes márgenes de frecuencias. 2.- Definición Concepto: Por antenas de banda ancha se entienden, habitualmente, aquellas antenas que mantienen alguno de sus parámetros (impedancia, dirección del haz principal, directividad, etc.) constantes o con variaciones pequeñas para un gran margen de frecuencias (por ejemplo, dos o más octavas). • Otro concepto asociado es el de antenas independientes de la frecuencia; en este caso se trata de antenas con un comportamiento que no varía con la frecuencia. Teóricamente, esto puede conseguirse con ciertas antenas de dimensión infinita. En la realización práctica de una antena independiente de la frecuencia es necesario acotar sus dimensiones, lo que producirá una variación de los parámetros con la frecuencia; con todo, es posible conseguir mantener las especificaciones de la antena dentro de cotas pequeñas de variación en márgenes de frecuencias de varias décadas. 3.- Tipos de Antenas de Banda Ancha Históricamente, las primeras antenas de banda ancha fueron las antenas de hilo largo o antenas de onda progresiva, ya que era la única manera de realizar antenas de tamaño eléctrico apreciable. • Antenas de Hilo La antena de hilo largo o de Beverage está formada por un hilo de varias longitudes de onda terminado con una carga. El hilo y el plano de tierra forman una línea de transmisión con una impedancia característica que es función del diámetro del hilo y de la distancia al plano de tierra. • Es la mejor opción para rescatar señales muy débiles en bandas ruidosas como son las bandas bajas de 160 metros, 80 metros e incluso 40 metros. • Su hilo largo es instalado a poca altura, entre 1,5 metros y 4 metros, la cual tiene una resistencia de entorno a 500 Ohmios en el extremo que apunta a la dirección que quieres escuchar y en el otro extremo se encuentra un transformador de impedancia (por ejemplo un Balun 9:1), para transformar los entorno a 450 ohmios a 50 ohmios donde alimentamos la antena con cable RG-58 y que conectamos a nuestro receptor. • En la mayoría de las ocasiones estas antenas se utilizan solo para recepción y se instalan junto a otras cuantas antenas iguales direccionadas a diferentes zonas que queremos receptar, controladas por un conmutador, por ejemplo direccionadas en los cuatro puntos cardinales. Aun cuando estamos delante de un diseño bastante simple tenemos que tener en cuenta varias variables que influyen en el comportamiento de la antena: • Longitud.- Las longitudes típicas varían entre 1 a 4 longitudes de onda. • Altura sobre el Suelo.- La altura varia entre 1.5 metros a 5 metros y siempre colocado en mástiles o postes de material aislado, madera o plástico, una buena opción son los postes de plástico que se utilizan para las alambradas electrificadas. • Calidad del Suelo.- La calidad del suelo tiene que ver con la resistencia del suelo. En su mayor parte, esta antena funciona mejor en suelos de peor calidad. Esto es especialmente cierto a medida que la frecuencia se vuelve más y más baja (por debajo de 500 KHz, por ejemplo). Aunque el agua salada se considera un terreno maravilloso para una antena vertical, esta antena no funcionará muy bien si se encuentra sobre agua salada (ya que es relativamente muy conductora). • Terminación del Cable.- El extremo de la antena debe caer al nivel del suelo en cada extremo. Algunas fuentes sugieren que de forma suave hacia el suelo para minimizar la captación de señal debido a la caída vertical. • Resistencia en la Terminación.- La resistencia generalmente oscila entre 450 y 600 ohmios. Debe de coincidir con la impedancia de la antena y la misión de esta resistencia es absorber la señal y el ruido de la dirección no deseada. • Otros Factores, como el material de alambre, son de importancia secundaria. Utilizar alambre eléctrico de aluminio desnudo es muy económico, pero sin embargo el cable de cobre aislado posiblemente proporcionara un mejor rendimiento tanto en protección ante la intemperie como a nivel de salida de señal. • https://www.youtube.com/watch?v=qvat-54IqhY • La antena en V está formada por dos hilos de longitud l que forman un ángulo a respecto al eje de la V. El diagrama de radiación de esta antena puede analizarse como la superposición del diagrama de radiación de dos antenas de hilo largo Otra configuración de antena de onda progresiva es la antena rómbica. Su comportamiento se analiza en forma similar a la antena en V. Si el ángulo α es ligeramente menor que el ángulo 𝜃m, formado por el máximo del diagrama de radiación de cada uno de los hilos con la dirección del eje, se consigue un haz elevado, que junto al efecto del suelo se acaba convirtiendo en un haz de tipo pincel elevado respecto a la horizontal. • Además de estas antenas de onda progresiva pueden construirse dipolos de banda ancha teniendo en cuenta, como se observa en la figura, que cuanto más grueso es un dipolo menos varía su reactancia de entrada respecto a la frecuencia. Estos dipolos se utilizan en los sistemas emisores de radiodifusión y en algunos radares de UHF. • https://www.youtube.com/watch?v=aUF0HBWGTwQ • Antenas bicónicas. Son usadas para realizar mediciones de intensidad de campo en cámaras anecoicas; pueden ser ajustables para adaptarse a la frecuencia de operación. • Antena Vivaldi Pertenece al grupo de las antenas de ranura afilada exponencial (exponentially tapered slot antenna, ETSA), y es generalmente de un amplio ancho de banda. Esta antena es miembro de las llamadas antenas aperíodicas, gradualmente curveadas y continuamente escaladas. Idealmente su BW es infinito pero en realidad, es dependiente de tres cosas: la transición de la alimentación, su dimensión y la forma • HÉLICES Un tipo de antena que presenta un comportamiento de banda ancha es la hélice. Una hélice es el resultado de bobinar un hilo conductor sobre un cilindro de diámetro constante. Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son : su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas). En función de las dimensiones de la hélice existen dos modos básicos de funcionamiento: el modo normal y el modo axial • El modo normal de radiación se presenta cuando la longitud de onda es mucho mayor a las dimensiones de la antena y se caracteriza por tener un campo radiado máximo en el plano perpendicular al eje y mínimo en el eje de la antena. • El modo axial de radiación se presenta cuando el perímetro de la circunferencia que forma el helicoide es cercano a un largo de onda • Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son: su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de hélice, el número de vueltas, el diámetro del conductor y el sentido del bobinado (a derechas o a izquierdas). • Presenta una polarización de tipo circular. Poco sensible a los fenómenos atmosféricos. Además, independiza la calidad de los enlaces respecto de la orientación angular de las antenas ya que todas las posiciones son equivalentes. Usadas para actividades de telecontrol satelital y en actividades de radioaficionados. A mayor número de espiras mayor ganancia (aunque no es una relación lineal) https://www.youtube.com/watch?v=d2dMIdVaGp 0 - Walkie – talkie - Recepción Satelital - Antena Halo • ANTENAS INDEPENDIENTES DE LA FRECUENCIA Rumsey estableció el siguiente principio: una antena cuya geometría pueda ser descrita únicamente en función de ángulos tendrá un comportamiento independiente de la frecuencia, ya que su geometría no varía al realizar el escalado. El comportamiento puede ser de banda muy ancha si toda la onda de corriente que se propaga en la estructura decae rápidamente al alejarse de los terminales de alimentación. Esto puede conseguirse obligando a la estructura a radiar a lo largo del camino de las corrientes, de forma que la corriente disminuya por pérdidas de radiación. Antena Espirales y Plana espiral Una de la geometrías empleadas para la realización de antenas independientes de la frecuencia es la espiral. Entre estas antenas encontramos la espiral equiangular plana y la espiral cónica. Una antena espiral puede formarse a partir de cuatro espirales convenientemente rotadas. La antena puede ser autocomplementaria o no, dependiendo de cuánto estén rotadas la diferentes espirales que la definen. https://www.youtube.com/watch?v=0RKdhljbIY4 • ANTENAS LOG-PERIÓDICAS. Si se representa gráficamente cualquier parámetro de la antena en función del logaritmo de la frecuencia, se observará que presenta un comportamiento periódico cuyo periodo log t . Es por este motivo que a estas estructuras se las llama log periódicas. Nótese que una antena log periódica no sería de banda ancha si los parámetros de la antena variasen dentro de un periodo más de lo permisible. https://www.youtube.com/watch?v=uoKFzpDtUQk • ANTENAS FRACTALES Algunas antenas fractales tienen unas propiedades geométricas que permiten construir antenas con un comportamiento multifrecuencia. Ciertas formas fractales ideales son autosimilares. De forma intuitiva un objeto clásico de geometría fractal autosimilar es la alfombra de Sierpinski. https://www.youtube.com/watch?v=Wea_1L-C9Xo https://www.youtube.com/watch?v=CckPXjiY7ow 4.- ANTENAS MICROSTRIP • Tipos de Geometría de una Antena Microstrip • Estructura de una Antena Microstrip • Técnicas de Alimentación •1 •2
