Antenas

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACIÓN

Propagación

FRANCISCO NOVILLO, PhD.

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Contenido  Fundamentos de antenas – Antenas y radiadores – Parámetros fundamentales de antenas – Análisis de antenas básicas – Arreglos de antenas

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Antenas y radiadores

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Antenas  Cada sistema inalámbrico debe usar una antena para radiadar y recibir energía electromagnética.  La antena es el transductor entre el sistema y el espacio vacío y es referida como la interface aire.  El principio de reciprocidad de las antenas establece que el rendimiento de la antenas es el mismo ya sea como radiador o receptor. De manera que los parámetros de antena pueden ser medidos ya sea en el trasmisor o en el receptor.  Es decir la ganancia de la antena, el ancho de banda y la polarización son los mismos para transmisor y receptor. F. Novillo

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Parámetros fundamentales de antenas  Fundamentalmente, una antena es una forma de convertir las ondas guiadas presentes en una guía de ondas, cable alimentador o línea de transmisión en ondas radiantes que viajan en el espacio libre, o viceversa.  La Figura muestra cómo los campos atrapados en la línea de transmisión viajan en una dimensión hacia la antena, que los convierte en ondas radiantes, transportando energía desde el transmisor en tres dimensiones hacia el espacio libre.

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 El arte del diseño de antenas es garantizar que este proceso se lleve a cabo de la manera más eficiente posible, con la antena irradiando tanta potencia desde el transmisor en direcciones útiles, particularmente la dirección del receptor previsto, como se puede lograr prácticamente.

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Condiciones necesarias para la radiación  Entonces surge la pregunta de qué distingue la corriente en una antena de la corriente en una estructura de onda guiada.  Como muestra la figura (a), y como consecuencia directa de las ecuaciones de Maxwell, un grupo de cargas en movimiento uniforme (o cargas estacionarias) no produce radiación.  En la figura (b) - (d), sin embargo, se produce radiación porque la velocidad de las cargas cambia con el tiempo.  En la Figura (b), las cargas llegan al final del cable y se invierten, produciendo radiación. F. Novillo

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 En la Figura (c) la velocidad de las cargas permanece constante, pero su dirección está cambiando, creando así radiación.  En la figura (d), las cargas oscilan en un movimiento periódico, provocando una corriente continua de radiación.  Este es el caso práctico habitual, donde el movimiento periódico es excitado por un transmisor sinusoidal.  Por lo tanto, las antenas pueden verse como dispositivos que provocan que las cargas se aceleren de manera que produzcan radiación con las características deseadas.  De manera similar, los cambios rápidos de dirección en estructuras que están diseñadas para guiar ondas pueden producir radiación no deseada, como es el caso cuando una pista de circuito impreso que transporta corrientes de alta frecuencia cambia de dirección en una distancia corta. F. Novillo

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Parámetros de antena: Radiador isotrópico:  Es una antena ideal que radia o recibe igualmente en todas las direcciones, con un patrón esférico.  El radiador isotrópico es también llamado antena omnidireccional. Sin embargo este término es reservado para una antena que radia igualmente en todas las direcciones en un plano tal como una antena varilla que radia sobre el ángulos de azimuth pero varia en elevación.  La densidad de potencia, S debido a un radiador isotrópico es una función de la distancia, d desde la antena y puede ser expresada como la potencia total dividida por el área de una esfera con radio d.

 Esto es, la potencia está uniformemente distribuida sobre la esfera. Así para un radiador isotrópico la densidad de potencia en un rango dado es constante sobre todos los ángulos y es igual a la densidad de potencia promedio en ese rango F. Novillo

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Ganancia  Para una antena real, existen ciertos ángulos de radiación, que proveen mas cantidad de densidad de potencia que otros (medidos en el mismo rango).  La directividad de la antena: Es la relación entre la densidad de potencia radiada a la distancia, d, en la dirección de máxima intensidad para la densidad de potencia promedio sobre todos los ángulos en la distancia, d. Esto es equivalente a la relación dela densidad de potencia pico a la distancia, d, para la densidad de potencia promedio en d.

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Ganancia  Así una antena isotrópica tiene una directividad D=1. Cuando las perdidas de antena son incluidas en la directividad, esto se convierte en la ganancia de la antena.

 La ganancia de la antena puede ser descrita como la salida de potencia, en una dirección en particular, comparada a la producida en cualquier dirección por un radiador isotrópico. F. Novillo

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Área efectiva  Una antena de apertura es una que usa una apertura de dos dimensiones tal como una corneta o reflector parabólico.  La ganancia de una antena de apertura, como el reflector parabólico, puede ser calculado usando un área efectiva, o área de captura definida como:

 Donde Ap es el área física de la antena y 𝜂 es la eficiencia total de la antena (generalmente del 50% al 80%). La expresión para la ganancia de una antena de apertura es:

 Si y solamente si las dimensiones físicas de la antena son conocidas. También se puede asumir una eficiencia del 0.6 y estimar la ganancia para muchas antenas usando esta expresión F. Novillo

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Ejemplo  Dada una antena de apertura circular con 30 cm de diámetro, cuál es la ganancia de la antena en 39GHz?  Ae=0.0424m2  Usando la expresión de ganancia de antena y longitud de onda 7.69mm.  G=9005  Que expresada en decibelio es 10log(9005) o 39.5 dBi de ganancia.

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Patrón de radiación  El patrón de radiación de una antena es una descripción gráfica de la ganancia de las antenas (dB) versus el ángulo.  Es un patrón de dos dimensiones, como una función de los ángulos azimut y la elevación.

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Patrón de radiación  El lóbulo principal es el lóbulo donde ocurre el pico de ganancia.  Los patrones de las antenas siempre describen el campo lejano, donde la ganancia o directividad es una función de los ángulos de azimut y elevación y es independiente de la distancia, d.

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Patrón de radiación  El ancho del haz de la antena es definida como la distancia angular entre los dos puntos sobre el lóbulo principal de trayectoria de la antena que es a 3 dB bajo el punto de máxima ganancia.  Los 3 dB de una antena pueden ser estimados sobre los grados (+- ).  Otro parámetro de importancia es el máximo nivel o pico del lóbulo lateral. F. Novillo

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Patrón de radiación

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Diagrama de Radiación  El ancho de haz a -3 dB (∆θ-3db) es la separación angular de las direcciones en las que el diagrama de radiación de potencia toma el valor mitad del máximo.  En el diagrama de campo es la excursión angular entre las direcciones en las que el valor del campo ha caído a 0,707 el valor del máximo.  El ancho de haz entre ceros (∆θc)que el lóbulo principal toma un valor mínimo. es la separación angular de las direcciones del espacio en las que el lóbulo principal toma un valor mínimo. F. Novillo

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Diagrama de Radiación  La relación de lóbulo principal a secundario (NLPS) es el cociente, expresado en dB, entre el valor del diagrama en la dirección de máxima radiación y en la dirección del máximo del lóbulo secundario. Normalmente, dicha relación se refiere al lóbulo secundario de mayor amplitud, que suele ser adyacente al lóbulo principal.  La relación delante-atrás (D/A) es el cociente, también en dB, entre el valor del diagrama en la dirección del máximo y el valor en la dirección diametralmente opuesta.  Si un diagrama de radiación presenta simetría de revolución en torno a un eje se dice que la antena es omnidireccional. Toda la información contenida en el diagrama tridimensional puede representarse en un único corte que contenga al eje. F. Novillo

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Patrón de radiación  El máximo lóbulo lateral sobre 17dB  Otro factor es la relación frente – atrás.  Esto es la relación de la antena entre 0 y 180 grados de azimuth y proporciona una indicación de qué tan bien la antena va a rechazar interferir señales que llegan desde la parte posterior de la antena. F. Novillo

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Polarización  Es definida como la orientación del plano que contiene la componente del campo eléctrico de la onda radiada.  Este parámetro puede ser determinado por inspección.  Un antena vertical, genera y recibe la polarización vertical. Del mismo modo, si el elemento de antena es horizontal, la polarización de onda será horizontal. Polarizaciones vertical y horizontal son ambos considerados polarizaciones lineales.  Otro tipo de polarización es la polarización circular o elíptica. La polarización circular es similar a la polarización lineal, salvo que el vector de polarización gira en sentido horario o anti horario, produciendo polarización circular de mano derecha o la izquierda.  La polarización circular es un caso especial de la polarización elíptica, donde los componentes vertical y horizontal del vector de polarización son de igual magnitud.

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Impedancia y VSWR  Una antena presenta una impedancia de carga o impedancia de punto de conducción a todo sistema conectado a sus terminales.  La impedancia en el punto de conducción es idealmente igual a la resistencia de radiación de la antena.  En antenas prácticas, la impedancia del punto de conducción también se incluyen las pérdidas resistivas en los contribuyentes de impedancia compleja de antena y otros, tales como cableado y los conectores dentro de la antena.  La impedancia en el punto de conducción de una antena es importante en que se requiere una buena adaptación de impedancia entre el circuito (por ejemplo, un transceptor) y la antena es requerida para máxima transferencia de potencia.  Transferencia máxima de potencia se produce cuando la impedancia del circuito y la antena se acoplan.  Máxima transferencia de potencia es deseable tanto para transmisión y recepción. F. Novillo

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Impedancia y VSWR  Cuando la antena y la impedancia de los circuitos no se acoplan, el resultado es eficiencia de antena reducida porque parte de la señal es reflejada de regreso a la fuente.  La raíz cuadrada de la relación de la potencia reflejada a la potencia incidente se denomina el coeficiente de reflexión.

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Impedancia y VSWR  El coeficiente de reflexión se puede determinar a partir del circuito y las impedancias de antena

 La cantidad de la señal pasando entre el transceiver y la antena es  Por lo tanto la pérdida por desacople de polarización es: F. Novillo

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Impedancia y VSWR  Si hay un cable entre la antena y el transceptor, el desacople crea una relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR (voltage standing wave ratio), o a menudo sólo SWR) en el cable.  El efecto de un VSWR en un cable es aumentar el efecto de la pérdida de cable. Una forma de calcular el VSWR es

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Trabajo en clase  Cuál es el coeficiente de reflexión, VSWR y las pérdidas de acoplamiento para un transceiver de 50 ohms manejando un dipolo de media onda?  El dipolo de media onda tiene una impedancia característica de 75 ohms, así que el coeficiente de reflexión es +-0.2, dependiendo de la asignación de Z1 y Z0.  El correspondiente VSWR es 1.5.  Las pérdidas de acoplamiento son 0.96 F. Novillo

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Regiones de radiación de la antena

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Regiones de radiación de la antena  El campo de radiación de la antena es dividido en tres regiones, donde las características de la inda radiada son diferentes.  La región de campo lejano (far-field) se define para distancias tales que:       F. Novillo

Donde D es la dimensión lineal más grande de la antena y 𝜆 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑜𝑛𝑑𝑎 Esta es la región en la que el frente de onda se convierte en aproximadamente plana. En la región de campo lejano, la ganancia de la antena es una función sólo de ángulo (es decir, el diagrama de antena está completamente formado y no varía con la distancia). En el campo lejano, los vectores de campo eléctrico y magnético son ortogonales entre sí. Para pequeñas antenas eléctricamente (D