Principios Básicos de Antenas: Guía para Telecomunicaciones

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Técnico en Instalaciones de Telecomunicaciones
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Principios básicos de antenas
En Telecomunicaciones, uno de los elementos fundamentales en el proceso de enviar y recibir datos es la antena , y por ello, vamos a
dedicar un poco a estudiar los elementos fundamentales y sus parámetros más importantes.
Se puede definir la antena como un dispositivo (de uno o varios conductores metálicos) diseñado para emitir y/o recibir ondas
electromagnéticas hacia el espacio libre.
La antena como transmisora transforma energía eléctrica en ondas electromagnéticas al espacio
La antena como receptora transforma el campo eléctrico en energía eléctrica
En la imagen superior ( obtenida de wikipedia ), tenemos una antena dipolo de media onda que recibe una señal de radio. Esta antena está
compuesta por dos barillas metálicas ( dipolos ) de longitud igual a la cuarta parte de la longitud de onda. Juntando los dos dipolos, suma la mitad de
la longitud de onda de la señal. Los dipolos se conectan al receptor cuya impedancia se representa por la letra R. Esa R debe ser igual a la
impedancia característica de la antena para que la potencia recibida y entregada sea óptima.
En la representación sólo vamos a mostrar el campo eléctrico ( en verde ) pero no el magnético, para simplificar el modelo. También hay que destacar
que lo representado es en el plano donde tenemos el dipolo. Si nos desplazamos un centímetro mas arriba, en un plano paralelo al anterior,
tendríamos la misma onda, lo mismo que a cualquier distancia por arriba o por debajo del plano dibujado. La oscilación del campo eléctrico ( verde )
provoca que los electrones que están en la barra metálica ( dipolo ) se muevan a derecha e izquierda ( según el campo ), provocando mayor o menor
concentración de ellos a lo largo de la barra ( ver cómo varia la zona roja ). Esto provoca un cambio de potencial en los dipolos opuestos y, por tanto,
se establece una corriente por el receptor con la misma frecuencia con la que varía el campo E.
Tenemos que tener en cuenta que el proceso es reversible, o sea, si aplicamos una tensión variable en los bornes del dipolo, provocaremos una
campo electromagnético, que podrá ser recibido por otra antena y, así, recibir la señal que deseamos transmitir.
2. Parámetros más importantes de la antena
Con la antigua TV analógica, a la hora de instalar su antena y en el proceso de orientación al repetidor, podíamos observar cómo al ir rotando la
misma sobre el eje del mástil, la señal iba apareciendo en la pantalla, desde una imagen con "*nieve" hasta verla bien y luego, de nuevo, la "nieve".
*Nieve = Denominación que el argot de los instaladores se denominaba a la falta de señal, mostrando en pantalla gránulos negros y blancos (
parecidos a la nieve ).
Lo que ha ocurrido es que hemos pasado por zonas de poca ganancia hasta llegar a la de máxima ganancia. Este concepto de ganancia según la
posición de la antena, se denomina :
Diagrama de radiación .
Normalmente de define el Diagrama de radiación como el comportamiento de la densidad de
potencia radiada por una antena al variar las coordenadas de azimut y elevación.
También se puede definir por otros parámetros , pero la densidad de potencia es la más habitual.
En la imagen tenemos una representación de este concepto en dos planos ( falta la elevación ). Vemos
que a 0º tenemos la máxima potencia radiada con la formación de un lóbulo que se denomina principal.
Por la parte trasera se crea otro de una magnitud considerable y unos terceros de menor importancia (
lóbulos laterales ). Adjuntamos un lóbulo 3D real de cómo sería la densidad
de densidad de potencia de la antena. Otro ejemplo que podemos poner
como diagrama de radiación es el
que emite un dipolo. En este caso, se
genera una señal con forma de
donut, donde el máximo lo tiene en el
eje horizontal, al instalar la antena
verticalmente.
En la figura que se adjunta, se muestra el dipolo y cómo varia la señal. Como se concentra mas la energía en
esa zona ( eje horizontal ), la ganancia es 2,14 Db mayor que la isotrópica . Otros parámetros importantes son:
2.1
Ancho de haz .
Angulo donde la potencia radiada cae a la mitad ( 3 dB ). Mientras menor sea, mas selectiva es la antena. En el caso de la
figura, se tiene un ancho de haz de 44 grados.
2.2 Relación de lóbulo principal y secundario ,que se obtiene al dividir entre valor máximo del lóbulo principal y secundario
2.3 Relación lóbulo principal y trasero , sería lo mismo que el anterior, pero tomando el lóbulo trasero.
2.4 Las antenas no funcionan para todas las frecuencias. Se les define un margen de ellas para las cuales la antena tienen
cierto rendimiento. Evidentemente, para una de ellas, funcionará en las mejores condiciones.
Se puede definir el Ancho de Banda como el rango de frecuencias donde la la energía radiada no es inferior a la potencia
máxima radiada ( 3 dB )
2.5 Directividad. A la hora de fabricar una antena, si queremos que la potencia se transmita en una dirección determinada, interesa que en el resto
de direcciones, la potencia sea 0. En este aspecto entra en juego la Directividad , que se define como la densidad de potencia máxima radiada en
esa dirección y la densidad de potencia radiada por una antena isotrópica ( radia la misma energía en todas las direcciones ) , siendo igual la
potencia total radiada por cada una de las antenas.
La densidad de potencia se mide en Vatios/m2
La Directividad se suele expresar en (dBi) como:
Donde el término dBi de la antena real indica que hemos tomado como referencia la antena isotrópica
2.6 Ganancia . Ahora tenemos un parámetro que quizás, por su nombre, de lugar a confusión. Hablamos de la Ganancia .
Como término, nos da la idea de lo que ganamos ( lo que multiplicamos algún parámetro , como la ganancia en tensión, etc).
En las antenas, la ganancia es lo que radia respecto a otra antena.
Se define la Ganancia como la relación entre la densidad de potencia que radia una antena en una dirección ( dada por su directividad )
respecto a una antena isotrópica o dipolar que radie en esa misma dirección y distancia, dando a ambas la misma potencia de entrada Se
mide en decibelios y según el referente sea el dipolo o la antena isotrópica.
Podemos encontrar antenas con valores dados en dBi ( porque se ha realizado la prueba respecto a una antena isotrópica ) o el Dbd ( si
la referencia ahora ha sido una antena dipolar.
La Ganancia y directividad son conceptos análogos
2.7 Eficiencia Se define como el cociente entre la potencia radiada y la potencia que se suministra a la antena.
Una antena con alta eficiencia radia la mayor parte de la energía que le llega.
Una antena de baja eficiencia radia poca energía, debido a que la mayoría de la potencia es absorbida en pérdidas por la misma antena.
Estas perdidas de la antena se deben a las pérdidas de conducción de las barras metálicas y las pérdidas dieléctricas de la misma.
Podemos demostrar la formula anterior pinchando en el siguiente enlace
Mostrar/Ocultar Demostración de la eficiencia de la antena
2.8 Impedancia . Valor complejo que nos indica la oposición que presenta la antena al paso de la corriente alterna. La antena se vuelve
resonante si se anulan las componentes reactivas y capacitivas.
Para terminar con estos conceptos, veremos un vídeo de este maestro de la comunicación.
ANTENAS 10: potencia, ganancia y directividad.
3 Polarización:
Hace referencia a la posición del campo eléctrico respecto del plano de la tierra, de esta forma tenemos
3.1 Polarización Vertical: Si el campo eléctrico generado por la antena ( denominado E ) es vertical respecto a la tierra. Se mueve de arriba a abajo
3.2 Polarización Horizontal : En este caso, E es paralelo al plano de la tierra.
3.3 Polarización Circular : El campo eléctrico generado por la antena ( E ) se mueve generando círculos en su desplazamiento, que puede ser en el
sentido de las agujas del reloj o al contrario.
3.4 Polarización Elíptica : Es igual a la anterior, pero en este caso, la fuerza del campo E varia según la dirección ( por ser elíptica ). Veremos un
vídeo donde se muestran las tres primeras
w32 Polarizacion de una onda electromagnetica - Visualización Espacial de Fen…
4. POTENCIA TRANSMITIDA por una antena
Las antenas , aparte de recibir la señal, puede transmitir, y lo hacen con diferentes potencias, según su alimentación y diseño. Para medir este valor
se usa el dBm (decibelios relativos a una referencia de 1 milivatio). Como es lógico, está limitado la radiación máxima emitida por la antena.
En EEUU es de un vatio y en la Unión europea de 250 mW.
Veremos a que valores en db equivalen cada una de estas potencias.
a) Para la Unión, tenemos 250 mW. Lo pasamos a la fórmula y tenemos:
b) Para USA, tenemos un vatio, que son 1000 mW
5 Tipos de antenas.
En el mercado existen multitud de tipos de antena. Veremos los más importantes, que son:
5.1 ANTENAS OMNIDIRECCIONALES
Como su nombre indica, ( omni = todas ), esta antena se utilizan para emitir la señal en todas las direcciones. La realidad es un poco
diferente, puesto que, aunque en el plano horizontal tenemos mas o menos la misma intensidad de campo , en el eje vertical, varía de
forma sustancial.
Se suelen utilizar tanto en espacios abiertos como cerrados. Si se instalan en el exterior, se suelen instalar unos filtros de saltos de
tensión, para que los rayos no les afecten. Su ganancia ronda los 15 dBi.
ANTENAS DIRECCIONALES
Estas antenas direccionales (de tipo yagui), tienen forma
como se muestra en al imagen de la izquierda, que son las
típicas para la recepción de TV, pero también pueden tener
forma de tubo ( imagen derecha ), usadas para recibir
señales WIFI.
Las partes fundamentales de la antena son:
1. Caja de conexión. Elemento de plástico que conecta el dipolo al cable coaxial. Para ello se usa
un balum (circuito impreso que adapta la impedancia del cable ( 75 Ω ) a la típica de la antena(
unos 300Ω)
2. Dipolo. Elemento activo de la antena. Recoge todo el campo electromagnético de la antena para
llevar la señal al cable coaxial.
3. Parrilla reflectora. Componente pasivo, situado detrás del dipolo, cuya función principal es la de
rechazar señales traseras que vengan de rebotes u otros repetidores. Además, permite aumentar la ganancia de la antena.
4. Parrilla de elementos directores. Es otro elemento pasivo, cuya función principal es la de concentrar sobre el dipolo las ondas electromagnéticas
incidentes. Con estos elementos , aumentamos directividad y ganancia.
En la imagen adjunta mostramos cómo sería un balum, donde se consigue adaptar las impedancias del dipolo
y cable con una simple pista de cobre.
El rango de ganancia de este tipo de antenas está comprendida entre los 15 y los 30 dBi.
También se puede usar para comunicaciones punto a punto, consiguiendo alcances importantes.
En la sección de prácticas veremos como obtener el diagrama de radiación de
este tipo de antenas y cómo difiere respecto a la facilitada por el fabricante para esta antena del tipo L 790 de
Televés. Eso es debido a la reflexión que tenemos en los edificios circundantes del patio del centro.
Por otro lado, podemos observar cómo varía la ganancia dBi respecto de la frecuencia de trabajo, con una caída
muy pronunciada en los 820 MHz
ANTENAS DE SECTOR
Se suelen usar cuando queremos dar cobertura a un sector determinado del espacio angular entre los 60 y 180 grados.
En la figura se muestra la forma típica de una antena de este tipo. La ganancia de estas antenas es mejor que las omnidireccionales
(aproximadamente 22 dBi), y permiten orientarlas hacia la dirección que mas interesa (incluso hacia arriba y hacia abajo)
ANTENAS PARABÓLICAS
Las antenas parabólicas son apropiadas para largas distancias.
Son las empleadas en la recepción satélite.
En el caso de emplearlas para WIFI, se suelen usar de tipo rejilla, conservando la forma de la parábola. Suelen tener ganancias hasta 27 dBi
Actividades.
1º
Nos vamos a una terraza donde nos aseguran que, recientemente han puesto una red WIFI con antena
omnidireccional. La buscamos y la vemos que justamente está situada justo encima de nuestra mesa. Teniendo en
cuenta el diagrama de radiación que se adjunta, ¿ porqué no tenemos conexión ?.
2º
Tenemos una antena con ganancia de 20 dBi y directividad 40 dBi. Calcular la eficiencia en valor absoluto y
en %.
Conceptos
En física, la isotropía ( proviene del griego [isos] -> igual y tropos ->‘medio, dirección’) nos indica que la
propiedad física ( en este caso la densidad de potencia) , no dependen de la dirección en que son examinadas.
Una antena isotrópica teórica ( es imposible construirla ) emite una amplitud de potencia vertical y horizontal igual
generando un patrón de radiación esférico. Es una antena ideal que se utiliza para compararla con el resto de las
antenas. En este caso, tiene una ganancia de 0Db.
Práctica de Antena
El diagrama de radiación de una antena sirve para conocer la respuesta en ganancia que tiene una antena en
función de la orientación respecto a un eje principal.
Esta respuesta vale tanto en transmisión como en recepción.
Tenemos que fijarnos en las características del fabricante a qué valor se refiere ( Campo eléctrico, magnético o la densidad de potencia ).
En la siguiente imagen se representa la ganancia en campo eléctrico y magnético de una antena
ver carpeta
También destacar que la ganancia de la antena depende de la frecuencia de trabajo
Proceso de la práctica
1º Instalar la base de mástil sobre un terreno despejado. Dentro del patio, elegir el mejor lugar considerando que vamos a recibir señales desde otros
puntos por efecto de la reflexión de señales por objetos cercanos
2º Orientar la antena al repetidor de Mijas.
3º Conectar nuestro medidor de campo. Ajustar par tomar la señal de un canal de la banda UHF, por ejemplo 55
4º Medir la ganancia máxima que tenemos. A ese valor le daremos la máxima ganancia, con 0 db. Por ejemplo, si con el medidor recibimos 80dBµV
cuando orientamos al repetidor de Mijas, a ese valor le damos una ganancia max de 0dB. Si al tomar otra medición recibimos 77dBµV, hemos bajado
3 dB, y por tanto, el nuevo valor será -3dB.
5º Tomar cada 5 grados el valor de campo eléctrico y lo vamos anotando en una tabla. Para esta tarea, utilizar alguna brújula del móvil
6º Pasar cada valor a la gráfica que se adjunta Ficha Práctica radiación de Antena terrestre
Diseño PCB Principios básicos de antenas
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