Antenas y Guias de Ondas

1. Operaciones básicas de las antenas Se puede comprender el funcionamiento de las antenas al observar los patrones de ondas estacionarias de voltaje en una linea de transmision (ver la siguiente figura):

La línea de transmisión termina en circuito abierto, que representa una discontinuidad abrupta en la onda de voltaje incidente en la forma de una inversión de fase. La inversión de la fase resulta cuando parte del voltaje incidente se irradia, en lugar de reflejarse hacia la fuente. La energía radiada se propaga lejos de la antena en forma de ondas electromagnéticas transversales. La eficiencia de la radiación (relación entre la energía radiada y la energía reflejada) de una línea de transmisión abierta es muy baja. Para radiar más energía solo hay que separar más los conductores, este tipo de antena es la más básica, se llama dipolo eléctrico y se muestra en la siguiente figura:

2. Ganancias directivas y ganancia de potencias La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia radiada en una dirección en particular con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas irradian la misma cantidad de potencia. Matemáticamente es:

Donde: ganancia directiva (sin unidades) densidad de potencia en algún punto de una antena determinada ( densidad de potencia en el mismo punto de una antena de referencia (

) )

La ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva excepto que se utiliza el total de potencia que alimenta a la antena (eficiencia de la antena). Se supone que la antena indicada y la antena de referencia irradian la misma cantidad de potencia y que la antena de referencia no tiene perdidas ( ).

Si una antena no tiene perdidas, irradia de la potencia de entrada y la ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva. La ganancia de potencia para una antena también se da en decibeles en relación con alguna antena de referencia. Matemáticamente es:

3. Polarización de la antena Se refiere a la orientación del campo eléctrico radiado desde una antena. Dependiendo de la forma del patrón del campo eléctrico se le da el nombre a la polarización, por ejemplo: polarización elíptica, polarización circular, polarización horizontal y polarización vertical.

4. Ancho del haz de la antena Es la separación angular entre los dos puntos de media potencia ) en el lóbulo principal del patrón de radiación del plano de la antena, por lo general tomando uno de los planos principales. Como ejemplo, se muestra la siguiente figura correspondiente a una antena:

El ancho de haz de esta antena es el ángulo formado entre los puntos A, X y B (ángulo ). Los puntos A y B son los puntos de media potencia (la densidad de potencia en estos puntos es la mitad de lo que es, una distancia igual de la antena en la dirección de la máxima radiación). El ancho de haz de la antena se llama ancho de haz de o ancho de haz de media potencia.

5. Ancho de banda de las antenas Se define como el rango de frecuencias sobre las cuales la operación de la antena es satisfactoria. Esto, por lo general, se toma entre los puntos de media potencia, pero a veces se refiere a las variaciones en la impedancia de entrada de la antena.

6. Impedancia de entrada de la antena El punto en la antena donde se conecta la línea de transmisión se llama terminal de entrada o punto de alimentación; el punto de alimentación presenta una carga en ca a la línea de transmisión llamada impedancia de entrada de la antena. Si la impedancia de salida del transmisor y la impedancia de entrada de la antena son iguales a la impedancia característica de la línea de transmisión, no habrá ondas estacionarias en la línea, y se transfiere la potencia máxima a la antena y se irradia. La impedancia de entrada de la antena es sola la relación del voltaje de entrada de la antena con la corriente de entrada. Matemáticamente:

Donde: impedancia de entrada de la antena (ohms) voltaje de entrada de la antena (volts) corriente de entrada de la antena (ampers) La impedancia de entrada de la antena es generalmente compleja, sin embargo, si el punto de alimentación se encuentra en un máximo de corriente y no hay componente reactiva, la impedancia de entrada es igual a la suma de la impedancia de radiación y la impedancia efectiva.

7. Antenas básicas 7.1.

Dipolo de media onda

Es una de las antenas mas utilizadas en frecuencias por encima de los 2 MHz, también se conoce como antena de Hertz. Esta antena es resonante, es decir, 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 corriente existen a lo largo de una antena resonante. -

Distribución de corriente y voltaje en un dipolo de media onda

La distribución de corriente y voltaje ideales a lo largo de un dipolo de media onda se muestran en la siguiente figura:

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 de

voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el centro. -

Impedancia de un dipolo de media onda

En consecuencia, suponiendo que el punto de alimentación esta en el centro de la antena, la impedancia de entrada es y un valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena es y un valor máximo. En la siguiente figura se muestra la curva de impedancia de un dipolo de media onda alimentado en el centro:

-

Patrón de radiación en condiciones de espacio libre

Un radiador de cable como un dipolo de media onda se puede considerar como un número finito de dobletes elementales colocados extremo con extremo. Por lo tanto el patrón de radiación se puede obtener integrando la siguiente ecuación sobre la longitud de la antena:

Donde: intensidad de campo eléctrico (voltios/metros) corriente del dipolo (amperes rms) longitud del dipolo (metros) ángulo entre el eje de la antena y la dirección de radiación longitud de onda (metros) distancia desde el dipolo (metros) Entonces, los patrones de radiación del dipolo de media onda son los siguientes:

Donde (a): patrón de radiación vertical visto desde un lado para un dipolo de media onda colocado verticalmente. En este se tienen dos lóbulos principales que irradian en direcciones opuestas y están en ángulo derecho a la antena; estos lóbulos no son circulares, ya que son circulares solo si son casos ideales donde la corriente es constante a lo largo de antena, algo imposible en una antena real. (b): patrón de radiación desde vista atravesada. El patrón tiene forma de ocho y asemeja a una dona. La radiación máxima se encuentra en un plano paralelo a la superficie de la Tierra. Entre mas alto sea el ángulo de elevación, es menor la radiación, y para 90o no hay radiación. (c): patrón de radiación horizontal visto desde arriba para un dipolo de media onda montado verticalmente. El patrón es circular porque la radiación es uniforme en todas las direcciones perpendiculares a la antena. -

Efectos de la tierra en un dipolo de media onda En la atmosfera de la Tierra la propagación de las ondas se ve afectada por la orientación de la antena, la absorción atmosférica y los efectos de la Tierra como reflexión. En la siguiente figura se muestra el efecto de reflexión de la Tierra para un dipolo de media onda no aterrizado:

La antena se monta en un numero apreciable de longitudes de onda (altura ) arriba de la superficie de la Tierra. La intensidad del campo en cualquier punto determinado del espacio es la suma de las ondas directa y reflejada de la Tierra. La onda reflejada de Tierra se invierte 180o y viaja una distancia de mas lejos que la onda directa para alcanzar el mismo punto en el espacio (punto P). El patrón de radiación que resulta es la suma de las radiaciones de la antena real y de la antena de imagen reflejada. Las siguientes figuras muestran los patrones de radiación vertical para un dipolo de media onda montado horizontalmente de un cuarto y de media longitud de onda arriba de Tierra, donde el lóbulo inferior se ha ido por completo y la intensidad del campo directamente se duplica hacia arriba.

Donde: (a): muestra, en la línea punteada, el patrón de espacio libre y en la línea solida la distribución vertical en un plano a través de la antena. (b): muestra la distribución vertical en un plano en ángulo derecho a la antena. (c): muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo horizontal a media longitud de onda arriba dela Tierra. La altura sin aterrizar sobre la superficie de la Tierra también afecta de impedancia de radiación de la antena. Esto se debe a que las ondas atraviesan o interceptan la antena y alteran su corriente. Dependiendo de la fase de la onda reflejada de tierra, puede incrementarse o reducirse la corriente de la antena, causando un incremento o reducción correspondiente en la impedancia de entrada.

7.2.

Antena aterrizada

Una antena de monopolo (de un solo polo) de un cuarto de longitud de onda de largo montada verticalmente con el extremo inferior conectado directamente a tierra

o conectado a tierra a través de la red acoplada de la antena se llama antena de Marconi. Las características de esta antena son similares a la antena de Hertz debido a las ondas reflejadas de tierra. En la siguiente figura se muestaran las ondas estacionarias de voltaje y de corriente para una antena aterrizada de un cuarto de longitud de onda:

Puede verse que si la antena de Marconi se monta directamente en la superficie de la Tierra la antena real y su imagen se combinan y producen exactamente los mismos patrones de ondas estacionarias que la antena Hertz sin aterrizar de media longitud de onda. La corriente máxima ocurre en los extremos aterrizados, que causa un flujo de alta corriente a través de tierra. Para reducir las perdidas de potencia, la tierra deberá ser un buen conductor. Si la tierra es un conductor pobre, como un terreno rocoso o arenoso, puede requerirse de un sistema artificial de tierra física sencilla hecha de cables de cobre pesados extendidos en forma radial debajo de la antena. También se puede mejorar utilizando un contrapunto, que es una estructura de cables colocada debajo de la antena y construida arriba de la tierra, este se debe aislar del suelo de la tierra; un contrapunto es un sistema de tierra física capacitiva, se forma la capacitancia entre el contrapunto y la superficie de la Tierra. -

Patrón de radiación En la siguiente figura se muestra el patrón de radiación de una antena de Marconi aterrizada de un cuarto de longitud de onda:

Puede verse que la mitad inferior de cada lóbulo se cancela con las ondas reflejadas e tierra. Esto por lo general no tiene ninguna consecuencia porque la radiación en dirección horizontal se incrementa, incrementando así la radiación a lo largo de la superficie de la tierra (ondas de tierra) y mejorando la cobertura de área. También puede verse que incrementar la longitud de la antena mejora la radiación horizontal costa de la propagación de ondas del cielo. La radiación horizontal máxima ocurre para una antena que tiene aproximadamente cinco octavos de longitud de onda de largo. Para una antena de una longitud de onda no hay propagación de ondas a tierra. Una antena Marconi tiene ventaja sobre la antena de Hertz en cuanto a que tiene la mitad de la longitud. La desventaja es que tiene que estar ubicada cerca del cielo. 8. Carga de la antena Debido a los problemas de longitud de las antenas de bajas frecuencias, se implementa una técnica llamada carga de la antena para incrementar la longitud eléctrica y no la longitud física de la antena. Entre las técnicas están: 8.1.

Bobinas de carga

La siguiente figura muestra como una bobina (inductor) agregada en serie con una antena dipolo incrementa efectivamente la longitud eléctrica de la antena:

Dicha bobina se llama bobina de carga. Esta cancela efectivamente el componente capacitivo de la impedancia de entrada de la antena. Por lo tanto, la antena se ve como un circuito resonante, es resistivo, y puede el 100% de la potencia incidente. La siguiente figura muestra los patrones de ondas estacionarias de la corriente en una antena con bobina de carga:

La bobina de carga por lo regular se coloca en la parte de debajo de la antena, permitiendo que la antena se sintonice fácilmente a la resonancia. Una bobina de carga incrementa efectivamente la impedancia de radiación en aproximadamente 5. También es importante resaltar que la onda estacionaria de corriente tiene un valor máximo en la bobina, incrementado las pérdidas de potencia, creando una situación posiblemente de corona y reduciendo efectivamente la eficiencia de radiación de la antena. 8.2.

Carga superior

Los inconvenientes que genera la bobina de carga pueden evitarse utilizando la técnica de carga superior de la antena. En este caso se coloca una tabla metálica que asemeja una rueda de haz encima de la antena. La rueda incrementa la capacitancia derivada a tierra, reduciendo la capacitancia total de la antena. En la siguiente figura se muestra la carga superior de la antena

El patrón de onda estacionaria de la corriente se encuentra a lo largo de la antena como si la longitud de la antena se hubiera incrementado a la distancia d, colocando la corriente máxima en la base. La carga superior resulta en un incremento considerable en la impedancia de radiación en el la eficiencia de radiación. También reduce el voltaje de onda estacionaria en la base de la antena. Desafortunadamente, esta técnica es difícil para las aplicaciones móviles. Puede ser aun mas eficiente si se agrega una parte superior plana a la antena. Si una antena se dobla en la parte superior para formar una L o T, como se muestra en la siguiente figura:

El circuito de corriente ocurrirá cerca de la parte superior del radiador. Si cada una de las porciones vertical y superior plana tiene un cuarto de longitud de onda de largo, la corriente máxima ocurrirá en la parte superior del radiador vertical.

9. Arreglo de antena Un arreglo de antena se forma cuando dos o más elementos de la antena se combinan para formar una sola antena. Un elemento de la antena es un radiador individual como un dipolo de media o un cuarto de onda. Los elementos se colocan de tal forma que sus campos de radiación interactúan entre si, produciendo un patrón total de radiación que es la suma de los vectores de los campos individuales. El propósito de un arreglo es incrementar la directividad de un sistema de antenas y concentrar la potencia radiada dentro de un área geográficamente más pequeña. Hay dos tipos de elementos de antenas: excitación y de parasítico (no excitado). Los elementos de excitación se conectan directamente a la línea de transmisión y reciben potencia y reciben potencia de o están excitados por la fuente. Los elementos parasíticos no se conectan a la línea de transmisión, reciben energía a través de una inducción mutua con un elemento de excitación o con otro elemento parasítico. Un elemento parasítico que es más largo que un elemento de excitación, donde recibe la energía se llama reflector; el reflector reduce la intensidad de señal que va en su dirección y la incrementa en dirección opuesta. Un elemento parasítico que es mas corto que su elemento de excitación asociado se llama director; un director tiene una función inversa a la del reflector.

La directividad de radiación se puede incrementar en el plano horizontal o vertical, dependiendo de la colocación de los elementos y si están excitados. Si no están excitados, el patrón depende de que los elementos sean directores o reflectores. Si se excitan, el patrón depende de la fase relativa de los alimentadores. 9.1. Arreglo de borde ancho Es uno de los tipos de arreglos más sencillos para antenas. Se hace colocando varios dipolos resonantes de igual tamaño (tanto de longitud como de diámetro) en forma paralela y en línea recta, alimentándose en fase desde la misma fuente. Como su nombre lo indica, este arreglo irradia en ángulo recto al plano de arreglo e irradia muy poco en dirección del plano. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un arreglo de borde ancho:

El arreglo de la figura esta formado por cuatro elementos de media onda excitados, separados por media longitud de onda. Por otra parte el patrón de radiación del arreglo es el siguiente:

Aunque el patrón de radiación horizontal individual es omnidireccional, cuando se combinan sus campos producen un patrón de radiación bidireccional altamente directivo. La directividad puede incrementarse aun mas aumentando la longitud del arreglo agregando mas elementos.

10. Antenas de propósito especial 10.1. Dipolo plegado Un dipolo plegado es una sola antena hecha con dos elementos, uno se alimenta directamente y el otro esta acoplado conductivamente en los extremos. Cada elemento es de media longitud de onda de largo. Debido a que la corriente puede fluir del otro lado de las orillas, hay una corriente de longitud de onda completa en la antena. Por lo tanto para la misma potencia de entrada, la corriente de entrada será la mitad del dipolo básico de media onda y la impedancia de entrada es cuatro veces más alta. En la siguiente figura se muestra un dipolo plegado de dos cables y su patrón de onda estacionaria de voltaje:

10.2. Antena Yagi-Uda Es una antena utilizada ampliamente, por lo general usa un dipolo plegado como elemento de excitación. Esta antena es un arreglo lineal que consiste de un dipolo y dos o más elementos parasíticos: un reflector y uno o más directores. En la siguiente figura se muestra una antena yagi de 3 elementos y su patrón de radiación:

10.3. Antena logarítmica periódica La antena logarítmica periódica no es solo un tipo de antena sino, una clase de antena, porque hay muchos tipos diferentes. Estas antenas pueden ser bidireccionales o unidireccionales y su ganancia directiva es de bajo a moderado. Las ventajas principales de la antena logarítmica periódica es la independencia de su impedancia de radiación y su patrón de radiación a la frecuencia. La estructura física de esta antena es repetitiva, el diseño consiste de un patrón geométrico básico que se repite, excepto con un patrón de diferente tamaño. Estas antenas son utilizadas principalmente para comunicaciones HF y VHF, sin embargo, las antenas logarítmicas periódicas no poseen una impedancia final, por lo que son más eficientes. En la siguiente figura de muestra una antena logarítmica periódica:

10.4. Antena de loop La más fundamental, es una bobina de vuelta sencilla del alambre que es más corto que una longitud de onda y lleva una corriente de RF, el circuito de loop (circuito cerrado) está rodeado por un campo magnético que esta en ángulo recto al cable, y el patrón bidireccional es independiente de su forma exacta, generalmente son circulares. Los circuitos loop tienen una ventaja sobre la mayoría de antenas que buscan direcciones, en cuanto a que generalmente son mucho más pequeños y por lo tanto se adaptan fácilmente a las aplicaciones para comunicaciones móviles. En la siguiente figura de muestra una antena de loop:

10.5. Antenas de arreglo en fase Una antena de arreglo de fase es un grupo de antenas que, cuando se conectan, funcionan como una sola antena cuyo ancho de banda y dirección (o sea, patrón de radiación) puede cambiarse electrónicamente sin tener que mover físicamente ninguna de las antenas individuales. La ventaja principal de las antenas de arreglo de fase es que eliminan la necesidad de girar en forma mecánica los elementos de la antena. En esencia, un arreglo de fase es una antena cuyo patrón de radiación puede ajustarse o cambiarse electrónicamente. La aplicación principal de arreglo de fase es en radares, donde los patrones de radiación deben ser capaces de cambiar rápidamente para seguir un objeto en movimiento. El principio básico de las antenas de arreglo de fase se basa en la interferencia entre las ondas electromagnéticas en el espacio libre. Cuando las energías electromagnéticas de diversas fuentes ocupan el mismo espacio al mismo tiempo, se combinan, a veces en forma constructiva (se suman entre si) y a veces de forma destructiva (se oponen entre si). Existen dos tipos de antenas de arreglo de fase: en el primer tipo, utiliza un solo dispositivo de salida de potencia relativamente alta para todos los elementos que la conforman, mientras que el segundo tipo utiliza tantos dispositivos de salida variable de baja potencia como elementos para irradiar. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de antenas de arreglo en fase:

10.6. Antena helicoidal Es una antena de VHF o UHF de banda ancha que es perfecta para aplicaciones que, en lugar de ondas electromagnéticas polarizadas verticales u horizontales requieren de radiación circular. Una antena helicoidal se monta en un plano de tierra hecho de metal solido o una rejilla de metal que asemeja a la tela de alambre. Con una antena de este tipo se tienen dos modos de propagación: normal y axial. En el modo normal, la radiación electromagnética esta en una dirección que se encuentra en ángulo recto con respecto al eje de la hélice. En el modo axial, la radiación esta la dirección axial y produce un patrón relativamente direccional de banda ancha. En la siguiente figura se muestra una antena helicoidal refractario en el extremo:

11. Antenas de UHF y microondas Las antenas utilizadas para UHF y microondas tienen que será altamente directivas. Las antenas microondas casi siempre tienen anchos de haz de media potencia, ya un ancho de haz angosto minimiza los efectos de la interferencia de fuentes externas y antenas adyacentes, sin embargo para transmisión de línea de vista es desventajoso.

Toda la energía electromagnética emitida por una antena de microondas no se difunden en dirección del lóbulo principal, parte de esta se concentra en los lóbulos laterales. Tres características importantes de las antenas microondas son la relación frontal a trasero, acoplamiento de lado a lado, y acoplamiento trasero a trasero. Las antenas altamente direccionales (alta ganancia) se utilizan en sistemas de microondas de punto a punto. El tipo mas comun de la antena utilizada para transmisión y recepción de microondas es el reflector parabólico. 11.1. Antena reflectora parabólica Las antenas reflectoras parabólicas proporcionan una ganancia y una directividad extremadamente altas y son muy populares para los radios de microondas y el enlace de comunicaciones por satélite. Una antena parabólica se compone de dos partes principales: un reflector parabólico y elemento activo llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación aloja la antena principal (por lo general un dipolo o una tabla de dipolo), que irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector o que recoge cualquier señal reflejada por la parábola. El reflector es un dispositivo pasivo que solo refleja la energía irradiada por el mecanismo de alimentación en una emisión concentrada altamente direccional donde las ondas individuales están todas en fase entre sí. La ganancia de una antena parabólica expresa la cantidad de señal captada que se concentra en el alimentador. Depende del diámetro y la exactitud geométrica del reflector y de la frecuencia de recepción. Esta aumenta con el diámetro, debido a que se concentra mayor energía en el foco. La exactitud geométrica esta relacionada con la precisión con la que se fabrique el reflector de la antena parabólica. Cualquier desviación de la curva parabólica causa que la energía que llega al reflector no se refleje exactamente en el foco, sino en un punto por delante o por detrás de el, por lo cual se pierde energía. Lo mismo sucede si presenta irregularidades mecánicas en la superficie del reflector, golpes y abolladuras. Con respecto a la frecuencia, cuanto mayor sea esta, menor debería ser el diámetro del reflector. En la siguiente figura se muestran los lóbulos (principales, laterales y traseros) y el haz para una antena reflectora parabólica típica:

12. Guías de ondas Una guía de ondas es un conductor muy especial encargado de conducir la señal recogida por el alimentador hasta la sonda o la antena, que se utiliza en la técnica de las hiperfrecuencias, con forma tubular hueca, por lo general de corte transversal rectangular, circular o elíptico. Las dimensiones de la sección transversal se establecen de tal manera que se puedan propagar las ondas electromagnéticas por el interior de la guía (de aquí el nombre de guía de ondas). Una guía de ondas no conduce la corriente en el sentido estricto, sino más bien sirve como una frontera para confinar la energía electromagnética. Las paredes de la guía de ondas son conductores y, en consecuencia, reflejan la energía electromagnética en superficie. Si la pared de la guía de ondas es un buen conductor y es muy delgada, pasa poca corriente a través de las paredes interiores y, por consiguiente, se disipa muy poca potencia. En una guía de ondas, la conducción de la energía no se hace en las paredes, sino más bien por el dieléctrico del interior, que por lo general es aire deshidratado o un gas inerte. En esencia, una guía de ondas se parece a un conductor de alambre metálico, con su interior eliminado. La energía electromagnética se propaga por una guía de ondas reflejándose y rebotando, y su trayectoria es en zigzag. Al describir el comportamiento de los guías de onda es necesario hablar citando conceptos de campo electromagnético, es decir, campos eléctricos y magnéticos, y no corrientes y voltajes, como en las líneas de transmisión. El área transversal de una guía de ondas debe ser el mismo orden que la longitud de onda de la señal que propaga. En consecuencia, los guías de onda se restringen a frecuencias mayores que 1GHz.

13. Tipos de guías de ondas 13.1. Guías de ondas rectangular Las guías de onda rectangulares son los que mas se usan. Para comprender como funciona es necesario comprender el comportamiento básico de las ondas que se reflejan en una superficie conductora. La energía electromagnética se propaga por el espacio libre en forma de ondas electromagnéticas transversales (TEM), y su campo magnético, campo eléctrico y dirección de propagación son perpendiculares entre si. Para que exista una onda electromagnética en una guía de ondas debe satisfacer las ecuaciones de Maxwell en su interior. En las guías de ondas la velocidad varía en función a la frecuencia. Es necesario diferenciar entre dos clases de velocidad: velocidad de fase (es la velocidad

con la cual la onda cambia de fase) y la velocidad de grupo (velocidad con la que se propaga una onda). - Velocidad de fase y velocidad de grupo La velocidad de fase es la velocidad aparente de una fase determinada de la onda, por ejemplo, su cresta, o punto de máxima intensidad de campo eléctrico. La velocidad de fase es aquella con la que cambia de fase una onda, en dirección paralela a una superficie conductora que pueden ser las paredes de una guía de ondas. Se determina midiendo la longitud de una onda de determinada frecuencia, su formula es: Vph= f  Vph= velocidad de fase (metros por segundo) f =frecuencia (hertz) = longitud de onda (metros por ciclo) La velocidad de grupo es la velocidad de un grupo de ondas, es decir, de un pulso. La velocidad de grupo es aquella con la que se propagan las señales de información de cualquier tipo. También, es la velocidad con la que se propaga la energía. Se puede medir determinando el tiempo necesario para que un pulso se propague por determinada longitud de la guía de ondas. Las velocidades de grupo y fase tiene el mismo valor en el espacio libre y en las líneas de transmisión de hilos paralelos. Sin embargo, si se miden esas dos velocidades con la misma frecuencia se en encontrara que, en general, las dos velocidades no son las mismas. En ciertas frecuencias serán casi iguales, y en otras pueden ser muy distintas. La velocidad de fases siempre es igual o mayor que la velocidad de grupo, y su producto es igual al cuadrado de la velocidad de propagación en el espacio libre, así: Vg = c2/ Vph donde Vph = velocidad de fase (metros por segundo) Vg = velocidad de grupo (metros por segundo) c = 3x108 (metros por segundo) La velocidad e fase puede ser mayor que la velocidad de la luz. Un principio básico de la física establece que ninguna forma de energía puede viajar a mayor velocidad que la luz (ondas electromagnéticas) en el espacio libre. Este principio no se viola,

porque es la velocidad de grupo y no la de fase la que representa la propagación de la energía. Como la velocidad de fase en una guía de ondas es mayor que su velocidad en el espacio libre, la longitud de onda para determinada frecuencia será mayor en la guía que en el espacio libre. La relación entre la longitud de onda en el espacio libre, en la guía y la velocidad de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es la siguiente: g= o (Vph/c) donde: g = longitud de la onda en la guía (metros por ciclo) o = longitud de onda en el espacio libre (metros por ciclo) Vph = velocidad de fase (metros por segundo) c = velocidad de la luz en el espacio libre (3x108 metros por segundo) -

Frecuencia de corte y longitud de onda de corte

Las guías de onda tienen una frecuencia de mínima de operación que se llama frecuencia de corte. Es una frecuencia de limitadora única; las frecuencias inferiores a la de corte no se propagaran por la guía de ondas. Las guías de onda tienen una longitud de onda de corte. Esta última se define como la mínima en el espacio libre que ya no puede propagarse en la guía de ondas. En otras palabras, solo las frecuencias cuyas longitudes de onda sean menores que la de corte se pueden propagar por la guía de ondas. La relación matemática entre la longitud de onda de la guía en determinada frecuencia, y la frecuencia de corte es: g =

√

g = longitud de onda en al guía (metros por ciclo)

f = frecuencia de operación (hertz) fc = frecuencia de corte (hertz) c= velocidad de propagación en el espacio libre (3x108 metros por segundo) Esta ecuación hace evidente que si se hace menor que , la velocidad de fase se vuelve imaginaria lo que indica que la onda no se propaga. La guía de ondas

rectangular tienes dos dimensiones a y b (se acostumbra a usar a como la mayor de ellas), la dimensión a determina la frecuencia de corte de la guía de ondas, de acuerdo con la siguiente relación:

fc=c/2a donde

fc = frecuencia de corte (hertz) a= longitud transversal (metros) También se puede expresar en función de la longitud de onda c=2a c = longitud de onda de corte (metros por ciclo) a= longitud transversal (metros)

13.2. Guías de ondas circular La guía de onda rectangular es por mucho la más común, pero la circular es más utilizada para radares y microondas. Estas guías de ondas se utilizan cuando es necesario o ventajoso propagar tanto ondas polarizadas verticales como horizontales en la misma guía de onda. El comportamiento de las ondas electromagnéticas en la guía de onda circular es el mismo como en la guía de onda rectangular. Pero debido a la diferente geometría, algunos de lo cálculos se realizan diferentes. La longitud de onda de corte para una guía de onda circular es la siguiente: λ0

π r kr

D nde: λ : n itud de nda de espaci ibre r = radio interno de la guía de onda (m) kr = solución de una ecuación de función Bessel La longitud de onda para el modo TE se reduce a: λ0 = 1.7d

Donde: d = diámetro (m) kr = 1.7 La guía de onda circular es más fácil de construir que una guía de onda rectangular y más fácil de unir. Una de las desventajas es que la guía de onda circular tiene un área mucho más grande que una guía de onda rectangular y ambas llevan la misma señal. 13.3. Guías de ondas acanalada Una guía de onda acanalada es más costosa de fabricar pero permite la operación a frecuencias mas bajas para un tamaño determinado; en consecuencia, son posibles dimensiones mas pequeñas generales de la guía de onda utilizando la guía de onda acanalada. Una guía de onda acanalada tiene mas perdida por unidad de longitud que una guía de onda rectangular, esta característica combinada con el incremento en su costo limita su uso a aplicaciones especializadas.

13.4. Guías de ondas flexible La guía de onda flexible consiste en listones envueltos en espiral de latón o cobre. La parte exterior esta cubierta por una capa suave dieléctrica para mantener la guía de onda hermética contra agua y aire. Pequeños pedazos de guías de ondas flexibles se utilizan en los sistemas de microondas cuando varios transmisores y receptores están interconectados a una unidad compleja para combinar o separar. La guía de onda flexible también se utiliza extensamente en equipo para pruebas de microondas.

INTRODUCCIÓN

Una parte importante de las comunicaciones es el área de las antenas y guías de ondas; las antenas son dispositivos conductores metálicos diseñados con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre, mientras que, las guías de ondas son conductores metálicos huecos que se utilizan en frecuencias por encima de los 1 GHz para llevar la energía entre una antena y un transmisor o receptor o ambos. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa y una guía de ondas refleja, a través de su interior, las ondas electromagnéticas debido a que sus paredes son conductoras, así las llevan de un punto a otro. Existen muchos tipos de antenas, dependiendo de las características que se requieran para la transmisión o recepción de señales, entre las características más importantes están: la frecuencia de operación, el modo de propagación de las señales, la longitud de onda, la impedancia, las ganancias, la polarización y el ancho de haz. Teniendo en cuenta éstas, se puede elegir una antena que cubra las necesidades. Por ejemplo, para televisión nacional son comunes las antenas yagi y para televisión por satélite antenas parabólicas pequeñas. También hay varios tipos de guías de ondas que utilizan el mismo principio pero con funciones diferentes, las más comunes son las guías de ondas rectangulares, pero también están: las guías de ondas circulares, acanaladas y flexibles.

CONCLUSIÓN

La función de las antenas es radiar energía que se propaga lejos de la antena en forma de ondas electromagnéticas transversales. Unas de sus características son: -

La ganancia, que es la relación entre la potencia de la antena que se este estudiando con respecto a la potencia de una antena de referencia. La polarización de la antena, que describe la orientación del campo eléctrico de la antena. El ancho de banda de la antena, que se refiere al rango de frecuencias en las que puede trabajar eficazmente este dispositivo. El ancho de haz de la antena, que es la separación angular entre los puntos de media potencia de la antena. La impedancia de entrada de la antena, que es la relación del voltaje de entrada con respecto a la corriente de entrada, generalmente es compleja.

Se pueden formar antenas nuevas combinando diferentes elementos, a esto se le conoce como arreglo de antena. También se puede aumentar la longitud eléctrica (y no la física) para antenas de baja frecuencia colocándole cargas (bobina de carga o carga superior), esta técnica se llama carga de la antena. Entre las antenas básicas están: el dipolo de media onda, como su nombre lo indica es un dipolo con media onda de longitud, y la antena aterrizada, como su nombre lo indica es una antena (monopolo de un cuarto de longitud de onda) conectada directamente a tierra. Con respecto a las antenas de uso especial se encuentran: el dipolo plegado (antena de dos elementos), yagi-uda (arreglo lineal de un dipolo con elementos parasíticos), logarítmica periódica (tienen un patrón geométrico básico), de loop (bobina de alambre), de arreglo en fase (grupo de antenas conectadas) y helicoidal (forma de hélice). Por otra parte, igualmente hay un tipo de antenas utilizada para microondas y UHF, esta es la antena reflectora parabólica, que consta de dos elementos fundamentales: el reflector parabólico y el mecanismo alimentador, y poseen muy alta directividad y ganancia. En cuanto a las guías de ondas, las ondas que se reflejan en su interior tienen características bien definidas entre ellas: velocidad de fase y velocidad de grupo, mientras que las características que deben tomarse en cuenta para utilizar una guía de ondas en un determinado sistema son la frecuencia de corte y longitud de corte.

Las guías de ondas rectangulares son las más utilizadas y las más económicas, sin embargo, las guías de ondas circulares realizan su misma función y tienen una menor área. Las guías de ondas acanaladas se usan para casos muy especiales en los que se necesita que este conductor trabaje en frecuencias menores de 1GHz (es muy costosa). Por otro lado, las guías de ondas flexibles se utilizan en microondas y en equipos de prueba.