antenas.pdf

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La siguiente información es tomada del libro: Source Citation (MLA 7th Edition) "Equipo de Prueba: Cámara Anecoica." Sistemas electrónicos de comunicaciones. Roy Blake. 2nd ed. Mexico City: Cengage Learning, 2004. 607-616. Gale Virtual Reference Library. Web. 26 Dec. 2014. ANTENAS Las primeras antenas Las antenas en los primeros días de la radio tendían a ser muy grandes. Esto se debió en parte a las bajas frecuencias utilizadas en ese entonces y, como resultado de la falta de alguna teoría sobre el diseño de antenas a la suposición de que mientras más grande fuera una antena mejor sería su funcionamiento. Las técnicas de montaje de antenas también podían ser innovadoras: la primera transmisión transatlántica de Marconi en 1901 se hizo por medio de antenas sostenidas por cometas de papel. Introducción Hasta el momento, se consideró cómo se propagan las ondas electromagnéticas a lo largo de líneas de transmisión y por el espacio. La antena es la interface entre estos dos medios y, por consiguiente, es una parte muy importante de la trayectoria de comunicaciones. En este capítulo, se estudian los principios de operación básicos de las antenas y se examinan algunos de los parámetros que describen su rendimiento. Se analizan algunos ejemplos representativos de antenas prácticas. Antes de empezar, debe tenerse muy en cuenta dos ideas. Primero, las antenas son dispositivos pasivos, por consiguiente, la potencia que irradia una antena transmisora no es mayor que la potencia que entra desde el transmisor. De hecho, es menor debido a las pérdidas. Se hablará de la ganancia de la antena, pero recordemos que la ganancia en una dirección resulta de una concentración de potencia y va acompañada de una pérdida en otras direcciones. Las antenas logran la ganancia de la misma forma que un reflector de una linterna incrementa el brillo del bombillo: concentrando la energía. Por cierto, podría escucharse a alguien hablar acerca de una antena activa para un receptor de comunicaciones de alta frecuencia o un receptor de televisión o de FM. Este término describe simplemente la combinación de una antena receptora con un amplificador de bajo nivel de ruido. La antena, parte de la combinación, es todavía un dispositivo pasivo. El segundo concepto por recordar es que las antenas son recíprocas, es decir, el mismo diseño funciona igualmente bien como una antena transmisora o receptora y, de hecho, tiene la misma ganancia. Esto no significa que las antenas transmisora y receptora deban ser idénticas. Por ejemplo, los conductores en una antena transmisora deben dimensionarse para manejar corrientes grandes. Sin embargo, los diseños son bastante similares y muchos de los cálculos son idénticos.

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En esencia, la tarea de una antena transmisora es convertir la energía eléctrica que viaja a lo largo de una línea de transmisión en ondas electromagnéticas en el espacio. Este proceso, si bien difícil de analizar desde el punto de vista de los detalles matemáticos, no debe ser difícil de visualizar. La energía en la línea de transmisión está contenida en el campo eléctrico entre los conductores y en el campo magnético que los rodea. Todo lo que se necesita es “lanzar” estos campos (y la energía que contienen) al espacio. En la antena receptora, los campos eléctrico y magnético en el espacio hacen que la corriente fluya en los conductores que constituyen la antena. Así, parte de la energía se transfiere de estos campos a la línea de transmisión conectada a la antena receptora. Para entender la operación de las antenas, primero se consideran dos antenas simples. El concepto del radiador isotrópico se introdujo en el capítulo anterior. Aunque meramente es un modelo teórico, sirve como medio para describir las funciones de una antena y como referencia para otras antenas. Por otro lado, la antena dipolar de media onda (halfwave dipole antenna), es muy práctica y de uso común. Una comprensión del dipolo de media onda es importante por sí misma y como base para el estudio de antenas más complejas. El radiador isotrópico Un radiador isotrópico ideal irradiaría toda la potencia eléctrica suministrada y lo haría por igual en todas direcciones. Sería una fuente puntual, es decir, su tamaño sería cero. No sería buena idea tratar de construir esta clase de antena. Por supuesto, es imposible lograr físicamente que el tamaño sea cero, y tampoco es posible que la antena isotrópica sea completamente omnidireccional y sin pérdidas. Sin embargo, la antena isotrópica se utiliza como estándar para la comparación porque aunque no se puede construir ni experimentar con ella, sus características son simples y fáciles de deducir. El dipolo de media onda Un proyecto de construcción más práctico es el dipolo, mostrado en la figura 16.1. La palabra dipolo significa que tiene dos partes, como se ilustra. La longitud de la antena dipolar no tiene que ser media longitud de onda como la que se ilustra en la figura, pero, como se verá, esta longitud es conveniente para la adaptación de impedancias. En realidad, en la práctica su longitud es un poco menor que la mitad de la longitud de onda en el espacio libre para permitir los efectos capacitivos. A veces, al dipolo de media onda

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se le llama antena de Hertz, aunque para hablar con precisión, el términodipolo hertziano se refiere a un dipolo de longitud infinitesimal. Éste, igual que el radiador isotrópico, es un modelo teórico; se usa en el cálculo de patrones de radiación de antenas.

Figura 16.1 Antena dipolar de media onda

Generalmente, la longitud de un dipolo de media onda, suponiendo que el diámetro del conductor es mucho menor que la longitud de la antena, es 95% de la mitad de la longitud de onda medida en el espacio libre. La longitud de onda en el espacio libre está dada por

donde λ = longitud de onda en el espacio libre en metros c = 300 × 106 m/s f = frecuencia de operación en hertz Por consiguiente, la longitud L de un dipolo de media onda, es (en metros):

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En la ecuación anterior, L es la longitud en metros y f es la frecuencia en Hertz. Por lo común, los megahertz son una unidad más conveniente para la frecuencia, en cuyo caso la ecuación (16.2) es

donde L = longitud de un dipolo de media onda en metros f = frecuencia de operación en megahertz Para las mediciones de longitud en pies, la ecuación equivalente es

donde L = longitud de un dipolo de media onda en pies f = frecuencia de operación en megahertz

Una manera de pensar en el dipolo de media onda es considerar una longitud de línea de transmisión de dos hilos en paralelo en circuito abierto, como se muestra en la figura 16.2(a). La línea tendrá un voltaje máximo en el extremo abierto, una corriente máxima a un cuarto de longitud de onda del extremo y una razón muy alta de onda estacionaria (SWR). De hecho, en el capítulo 14 en la descripción acerca de las líneas de transmisión se hizo notar que la SWR sería infinita para este stub en circuito abierto, excepto por el hecho de que habría cierta radiación desde el extremo abierto. Es decir, el stub actúa como una antena, aunque de forma muy ineficiente. Ahora, suponga que los dos conductores están separados a partir de un punto ubicado un cuarto de longitud de onda desde el extremo, como en la figura 16.2(b). En el dibujo se observa cómo al parecer el campo eléctrico se extiende desde los alambres. Si el proceso continúa, como en la figura 16.2(c), parte del campo se separa de la antena y ayuda a formar ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio. Resistencia de Radiación

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La radiación de energía desde un dipolo es bastante evidente si se mide la impedancia en el punto de alimentación en el centro de la antena. Una línea sin pérdida de circuito abierto real, como se describió en el capítulo 14, se vería como un cortocircuito a una distancia

Figura 16.2 Formación de un dipolo de media onda

de un cuarto de longitud de onda desde el extremo abierto. A distancias un poco mayores que o menores que un cuarto de longitud de onda, la línea parecería reactiva. Nunca habría un componente resistivo distinto de cero en la impedancia vista desde el punto de alimentación, ya que una línea de circuito abierto no tiene manera de disipar potencia. El dipolo de media onda tampoco disipa potencia, suponiendo que el material del que está hecho no tiene pérdida, pero irradia potencia al espacio. El efecto en la impedancia del punto de alimentación es el mismo que si hubiera habido una pérdida. Si la potencia se disipa o irradia, desaparece de la antena y, por lo tanto, causa que la impedancia de

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entrada tenga un componente resistivo. El dipolo de media onda, por ejemplo, se parece a una resistencia de unos 70 Ω en su punto de alimentación. La porción de la impedancia de entrada de una antena que se debe a la potencia radiada al espacio se conoce, de manera apropiada, como resistencia de radiación (radiation resistance). Es importante entender que ésta no representa las pérdidas en los conductores que constituyen a las antenas. La antena idealizada antes descrita irradiará toda la potencia suministrada hacia el espacio. Por supuesto que una antena real tendrá pérdidas óhmicas en el conductor y, por consiguiente, una eficiencia menor que la unidad. Esta eficiencia se define como

donde Pr = potencia radiada PT = potencia total suministrada a la antena Recordando que P = I2R, se tiene

donde Rr = resistencia de radiación, vista desde el punto de alimentación RT = resistencia total, vista desde el punto de alimentación Una antena dipolar tiene una resistencia de radiación de 67 Ω y una resistencia de pérdida de 5 Ω, medidas en el punto de alimentación. Calcule la eficiencia. Solución De la ecuación (16.5),

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El dipolo de media onda no irradia uniformemente en todas direcciones. La intensidad del campo está en su máximo a lo largo de una línea a un ángulo recto con respecto a la antena y es cero lejos de los extremos de la antena. RealAudio. Ahora que ya se describieron dos antenas simples, es evidente que las antenas difieren en la cantidad de radiación que emiten en varias direcciones. Éste es un buen momento para introducir algunos términos con el fin de describir y cuantificar las características direc-cionales de las antenas y demostrar métodos para graficar algunas de ellas. Estos términos se aplican a las antenas isotrópica y dipolar de media onda y también a otros tipos de antenas conforme se presentan.

Figura 16.3 Sistema coordenado tridimensional

Patrón de radiación Los diagramas utilizados en este libro siguen el sistema coordenado tridimensional ilustrado en la figura 16.3. Según se observa en la figura, el plano x-y es horizontal, y el ángulo ф se mide desde el eje x en la dirección del eje y. El eje ζ es vertical y el ángulo θ generalmente se mide desde el plano horizontal hacia el cenit. Este ángulo vertical,

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medido hacia arriba desde el suelo, se llama ángulo de elevación (angle of elevation). En la mayor parte del trabajo con antenas se utilizan ángulos de elevación positivos, pero a veces (como cuando la antena transmisora está sobre una torre alta y la antena receptora se encuentra cerca de ésta y a menor altura) son de interés los ángulos debajo del horizonte. Los diferentes fabricantes utilizan de manera distinta los ángulos debajo del horizonte, como se ilustra en la figura 16.4 y se describe en los párrafos siguientes.

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Figura 16.4 Patrón de radiación de dipolo de media onda

En la figura 16.4 se observan dos maneras de representar el patrón de radiación de un dipolo. La ilustración tridimensional de la figura 16.4(a) es útil para mostrar el concepto general y percibir las características de la antena. Por otro lado, las ilustraciones de las figuras 16.4(b) y 16.4(c), son menos intuitivas pero pueden usarse para obtener información cuantitativa acerca del desempeño de la antena. Estas últimas son los tipos de patrones de antena que por lo común se encuentran en la información proporcionada por los fabricantes, y en este libro se utiliza este tipo de representación. Observe que en las figuras 16.4(b) y (c) se utiliza papel para gráficas polares. El ángulo se mide en un plano a partir de un eje de referencia. Debido a que el espacio tridimensional alrededor de la antena se representa en dos dimensiones, se requieren por lo menos dos vistas para obtener la representación completa. Es importante elegir de forma correcta los ejes para aprovechar cualquier simetría existente. Por lo común, se

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utilizan los planos horizontal y vertical; muchas veces la antena se monta vertical u horizontal-mente, así que el eje de la antena se utiliza como uno de los ejes de referencia. Las dos gráficas de las figuras 16.4(b) y (c) se consideran como secciones del patrón tridimensional de la figura 16.4(a). Por convención, el diagrama del plano horizontal se orienta de modo que la dirección de radiación máxima (o una de estas direcciones, si la antena es bidireccional como un dipolo) sea hacia la parte superior de la página, y el dibujo del plano vertical, sin que sea sorprendente, tenga el cenit en la parte alta. Los fabricantes trazan la escala horizontal de la misma forma, con 0o en la parte de arriba, pero las prácticas difieren para la escala del ángulo vertical. Los tres métodos de numeración ilustrados en la figura 16.4(b) son los que utilizan los distintos fabricantes. No debe haber confusión si se recuerda que la parte superior del diagrama representa el cenit (”arriba” en las gráficas coincide con “arriba” en la vida real). En ocasiones, se omite la gráfica de radiación para los ángulos abajo del horizonte.

En la figura 16.4(a), el dipolo en sí se traza para visualizar la orientación de la antena. Sin embargo, esto se evita en las gráficas polares. Estos patrones de radiación son válidos en la región de campo lejano (far-field region); un observador debe estar alejado de la antena lo suficiente para que sea insignificante cualquier acoplamiento inductivo o capacitivo. En la práctica esto significa una distancia de al menos varias longitudes de onda y, generalmente, un receptor real está a una distancia mucho mayor que ésa. Desde esta distancia la antena estaría representada con más precisión como un punto en el centro de la gráfica. El espacio cercano a la antena se llama región de campo cercano (near-field region) y no tiene las mismas características direccionales. La distancia desde el centro de la gráfica representa la intensidad de la radiación en una determinada dirección. La escala normalmente es en decibeles con respecto a alguna referencia. A menudo, la referencia es un radiador isotrópico, como en la figura 16.4. Observe que el punto más lejano en la gráfica desde el centro está a 2.14 dBi; es decir, la ganancia de un dipolo sin pérdida, en su dirección de radiación máxima, es de 2.14 decibeles con respecto a un radiador isotrópico. Por lo común, aunque no siempre, el patrón se traza de modo que el punto de radiación máxima esté en el exterior de la gráfica y se exprese el nivel de referencia para ese punto, como se ilustra en la figura.

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El dipolo de media onda por sí mismo se utiliza a veces como referencia. En ese caso, la ganancia de una antena podría expresarse en decibeles con respecto a un dipolo de media onda, o dBd para abreviar. Puesto que la ganancia de un dipolo es 2.14 dBi, la ganancia de cualquier antena en dBd es 2.14 dB menos que la ganancia de la misma antena expresada en dBi. Es decir, G(dBd) = G(dBi) − 2.14 dB (16.6) donde G(dBd) = ganancia de la antena en decibeles con respecto a un dipolo de media onda G(dBi) = ganancia de la misma antena en decibeles con respecto a un radiador isotrópico Por supuesto que cuando se comparan antenas es importante conocer qué antena de referencia se utilizó en los cálculos de ganancia. EJEMPLO 16.3 Dos antenas tienen ganancias de 5.3 dBi y 4.5 dBd, respectiva-mente. ¿Cuál tiene mayor ganancia? Solución Convierta ambas ganancias al mismo estándar. En este caso será dBi. Entonces, para la segunda antena, G = 4.5 dBd = 4.5 + 2. 14 dBi = 6.64 dBi Por lo tanto, la segunda antena tiene mayor ganancia. Ganancia y directividad El sentido en el que se dice que una antena dipolar de media onda tiene ganancia se observa en la figura 16.5. Esta ilustración muestra el patrón de un dipolo, a partir de la figura 16.4(c), superpuesto al de un radiador isotrópico. Se ve que si bien el dipolo tiene

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Figura 16.5 Antenas isotrópica y dipolar

una ganancia de 2.14 dBi en ciertas direcciones, en otras su ganancia es negativa. Si las antenas estuvieran encerradas por una esfera que absorbe toda la potencia radiada, se encontraría que la potencia radiada total es la misma para ambas antenas. Recuerde que para las antenas, la ganancia de potencia en una dirección es a expensas de las pérdidas en otras. A veces se usa el término directividad (directivity). Ésta no es lo mismo que la ganancia. La directividad es la ganancia calculada suponiendo una antena sin pérdida. Las antenas reales tienen pérdidas, y la ganancia es simplemente la directividad multiplicada por la eficiencia de la antena, es decir: G = D η (16.7) donde D = directividad, como una razón o cociente (no en dB) G = ganancia, como una razón o cociente (no en dB)

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η = eficiencia Cuando se utiliza una antena para transmitir, la potencia emitida por la antena es menor que la entregada a ésta por la línea de alimentación. Antes se definió la eficiencia como

donde η = eficiencia de la antena Pr = potencia radiada Pt = potencia suministrada a la antena La cifra de 2.14 dBi que se ha estado utilizando para la ganancia de un dipolo sin pérdida es también la directividad paracualquier dipolo. Para hallar la ganancia de unPágina 571 real (con pérdidas), es necesario convertir primero la directividad en decibeles a una razón de potencia, luego multiplicar por la eficiencia. Recuadro: EJEMPLO 16.4 Una antena dipolar tiene una eficiencia de 85%. Calcule su ganancia en decibeles. Solución La directividad de 2.14 dBi se convierte a una relación de potencia:

Ahora, se calcula la ganancia: G=Dη = 1.638 × 0.85 = 1.39 Esta ganancia se convierte fácilmente a dBi: G(dBi) = 10 log 1.39

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= 1.43 dBi Apertura del haz Así como una linterna emite un haz de luz, se dice que una antena direccional emite un haz de radiación en una o más direcciones. El ancho o apertura de este haz (beamwidth) se define como el ángulo entre sus puntos de media potencia. Éstos son también los puntos en los que la densidad de potencia es 3 dB menor de lo que es en su punto máximo. Al inspeccionar las figuras 16.4(b) y (c) se encuentra que el dipolo de media onda tiene una apertura de haz de unos 78° en un plano y 360° en el otro. Muchas antenas son mucho más direccionales que esto, con un haz estrecho en ambos planos. Razón frente-espalda Como podría esperarse, la dirección de radiación máxima en el plano horizontal se considera como la parte frontal de la antena, y la parte posterior está en la dirección 180° a partir del frente. Para un dipolo, las direcciones delante y atrás tienen la misma radiación, pero éste no siempre es el caso. Considere la antena unidireccional mostrada en la figura 16.6: hay mucha más radiación desde el frente de esta antena que desde la parte de atrás. La razón entre las ganancias del frente y la parte posterior es la razón frente-espalda o frontal-posterior. Generalmente se expresa en dB, en cuyo caso se determina al restar las ganancias en dBi o dBd. Lóbulos mayor y menor La antena dipolar de la figura 16.4 vista en el plano horizontal tiene dos lóbulos de radiación iguales. Sin embargo, las antenas más complejas de la figura 16.6, tienen un lóbulo mayor y varios lóbulos menores. Cada uno de estos lóbulos tiene una ganancia y apertura de haz que se encuentran por separado usando el diagrama.

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Figura 16.6 Antena unidireccional

EJEMPLO 16.5 Para el patrón de antena bosquejado en la figura 16.6, encuentre: (a) la ganancia de la antena en dBi y dBd (b) la relación frente-espalda en dB (c) la apertura de haz para el lóbulo principal (d) el ángulo, la ganancia y la apertura de haz para el lóbulo menor más importante Solución (a) Puesto que el lóbulo mayor llega al anillo externo de la gráfica, que se especifica como 13.95 dBi, ésta es la ganancia de la antena. Las gráficas de antena generalmente, pero

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no siempre, están hechas de esta manera. La ganancia de un dipolo es 2.14 dBi, así que la ganancia de esta antena con respecto a un dipolo es G (dBd) = G (dBi) − 2.14dB = 13.95 dBi − 2.14 dB = 11.81 dBd (b) Puesto que el lóbulo mayor alcanza 0 dB en la gráfica, lo que se hace es mirar la lectura en decibeles para el punto 180° a partir de este primer punto y cambiar el signo. Así que la razón frente-espalda es de alrededor de 15 dB. (c) La apertura del haz es el ángulo entre los puntos en los que el lóbulo mayor está 3 dB abajo de su máximo. El punto 3 dB abajo se muestra como un círculo marcado con línea discontinua. A partir de aquí se ve que la apertura de haz es de unos 44°. (d) El lóbulo menor más importante es el posterior. En el inciso (b) se encontró que su ganancia es 15 dB menos que la del lóbulo mayor. Por lo tanto, la ganancia para este lóbulo es 13.95 - 15 = -1.05 dBi. Su apertura de haz es de más o menos 20°. Potencia radiada isotrópica efectiva y potencia radiada efectiva En una situación práctica regularmente se tiene más interés en la potencia emitida en una dirección particular que en la potencia radiada total. De lejos, es imposible indicar la diferencia entre un transmisor de alta potencia con una antena isotrópica y un transmisor de menor potencia que trabaja con una antena con ganancia. En el capítulo 15 se definió la potencia radiada isotrópica efectiva (Effective Isotropic Radiated Power, EIRP), que es simplemente la potencia real dirigida hacia la antena multiplicada por su ganancia con respecto a un radiador isotrópico. EIRP = PtGt (16.8) Otro término similar que es de uso común es la potencia radiada efectiva (Effective Radiated Power, ERP), que representa la entrada de potencia multiplicada por la ganancia de la antena medida con respecto a un dipolo de media onda. Puesto que un

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dipolo ideal de media onda tiene una ganancia de 2.14 dBi, el EIRP es 2.14 dB mayor que el ERP para la misma combinación de antena y transmisor. Es decir, EIRP = ERP + 2.14 dB donde EIRP = potencia radiada isotrópica efectiva para un determinado transmisor y antena ERP = potencia radiada efectiva para el mismo transmisor y antena Las ecuaciones para la pérdida de trayectoria del capítulo 15 requieren la EIRP, pero pueden utilizarse fácilmente con valores de ERP. Nada más se suma 2.14 dB a cualquier valor de ERP para convertirlo a EIRP. Convierta primero la potencia a dBm o dBW, si todavía no está expresada en estas unidades. EJEMPLO 16.6 La ERP de una estación transmisora se especifica como 17 W en una determinada dirección. Exprese este valor como una EIRP en dBm de modo que pueda utilizarse con las ecuaciones de pérdida de trayectoria del capítulo 15. Solución Primero convierta la ERP a dBm, luego sume 2.14 dB.

EIRP (dBm) = ERP (dBm) + 2.14 dB = 42.3 + 2.14 = 44.44 dBm Página 574 | Impedancia La resistencia de radiación de un dipolo de media onda situado en espacio libre y alimentado en el centro es de alrededor de 70 Ω. La impedancia es completamente resistiva en resonancia, que ocurre cuando la longitud de la antena es casi 95% del valor calculado de media longitud de onda en espacio libre. La longitud exacta depende del

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diámetro del conductor de la antena en relación con la longitud de onda. Si la frecuencia está arriba de la resonancia, la impedancia en punto de alimentación tiene un componente inductivo; si la frecuencia es menor que la de resonancia, la impedancia de la antena es capacitiva. Otra forma de decir lo mismo es que una antena demasiado corta aparece como capacitiva, en tanto que una demasiado larga es inductiva.

Figura 16.7 Variación de la reactancia dipolar con la frecuencia

Un dipolo con alimentación en el centro es un dispositivo balanceado, y debe utilizarse con una línea de alimentación balanceada. Si se utiliza cable coaxial, debe conectarse un transformador balun (balanced to unbalanced) o simétrico-asimétrico entre el cable y la antena. Un dipolo de media onda no tiene que ser alimentado en su punto medio. Es posible alimentar la antena a cierta distancia desde el centro en ambas direcciones, como se ilustra en la figura 16.8. A esto se le conoce como adaptación delta y permite ajustar la impedancia para adaptarla a una línea de transmisión. Mientras mayor sea la separación entre las conexiones a la antena, mayor es la impedancia. Del mismo modo que para una antena con alimentación central, la impedancia es resistiva sólo si es precisa la longitud de la antena.

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Figura 16.8 Adaptación delta

Polarización Recuerde del capítulo 15 que la polarización de una onda de radio es la orientación de su vector de campo eléctrico. Es fácil determinar la polarización de la radiación de un dipolo de media onda. Es la misma que el eje del alambre. Es decir, una antena horizontal produce ondas polarizadas horizontalmente, y una antena vertical da polarización vertical. Es importante que la polarización sea la misma en ambos extremos de una trayectoria de comunicación. A veces, el método de propagación dicta la elección de polarización, como se explicó en el capítulo 15. Por ejemplo, la propagación de ondas superficial requiere polarización vertical. Para la comunicación de HF, la polarización no es muy importante porque la ionosfera la hace aleatoria; la polarización horizontal es más común porque es más fácil instalar un alambre horizontal. A VHF y frecuencias superiores, es importante sólo que la polarización sea la misma en los dos extremos de una trayectoria de comunicación. En los sistemas de comunicación móvil y portátil generalmente se utiliza polarización vertical debido a que esto es más conveniente con las antenas móviles y portátiles. Efectos del suelo Cuando se instala una antena a pocas longitudes de onda del suelo, la tierra actúa como un reflector y tiene una influencia considerable en el patrón de radiación de la antena. Los efectos del suelo son importantes hasta e incluso el intervalo de HF. A VHF y valores superiores de frecuencia, la antena por lo regular está lo suficientemente lejos sobre la tierra que las reflexiones desde el suelo cerca de la antena son insignificantes. No obstante, las reflexiones a una distancia considerable desde la antena aún pueden ser muy importantes, puesto que causan desvanecimiento (descrito en el capítulo 15).

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Los efectos del suelo son complejos debido a que las características del suelo son variables. En particular, la conductividad varía en un amplio intervalo. Cualquier análisis detallado de los efectos del suelo requiere una computadora, y hay varios programas para hacer el trabajo. No obstante, se obtiene una comprensión intuitiva del proceso, sin cálculos, si se considera a la tierra como una hoja perfectamente conductora debajo de la antena. Por consiguiente, ésta imparte un desplazamiento de fase de 180° a la onda reflejada, y la onda reflejada tendrá la misma amplitud que la onda incidente. Igual que con un espejo ordinario, es posible imaginar una “imagen” de la antena real y usarla para entender los cambios que las reflexiones del suelo hacen en el patrón de la antena. En la figura 16.9 se ilustran los efectos del suelo ideal en el patrón de radiación vertical de un dipolo horizontal. En la figura 16.9(a) se muestra el dipolo en el espacio libre.

Figura 16.9 Efecto del suelo en el patrón de radiación

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Esta figura es la misma que la figura 16.4(b), excepto que no se muestra la radiación debajo del horizonte. En la figura 16.9(b) se muestra el dipolo a un cuarto de longitud de onda sobre el suelo. La radiación hacia arriba se incrementa porque la onda reflejada refuerza a la onda incidente. Por otro lado, la situación en la figura 16.9(c), donde la antena se ubica a media longitud de onda sobre el suelo, da lugar a la cancelación de la radiación hacia el cenit, con un incremento correspondiente en la radiación en ángulos pequeños. Esta última es, generalmente, más útil que la radiación en ángulos mayores para las comunicaciones de HF. Otras Antenas Simples

El dipolo de media onda es simple, útil y muy común, pero de ningún modo es el único tipo de antena en uso. En esta sección, se presentan otras antenas simples. Después, se examinan formas de combinar los elementos de la antena en arreglos con características específicas. El dipolo plegado En la figura 16.10 se ilustra un dipolo plegado (folded dipole). Es de la misma longitud que un dipolo de media onda estándar, pero está hecho con dos conductores paralelos, unidos en ambos extremos y separados por una distancia que es corta en comparación con la longitud de la antena. Uno de los conductores se abre en el centro y se conecta a una línea de alimentación balanceada. El dipolo plegado difiere en dos maneras del dipolo de media onda ordinario descrito antes. Tiene un ancho de banda más amplio, es decir, el intervalo de frecuencias dentro del cual su impedancia permanece aproximadamente resistiva es más grande que para el dipolo de un solo conductor. Por esta razón, a menudo se utiliza solo o con otros elementos, para las antenas receptoras de televisión y radiodifusión de FM. También tiene más o menos cuatro veces la impedancia del punto de alimentación de un dipolo ordinario. Esto explica el uso extenso de la línea balanceada de 300 Ω (conocida como cable bifilar plano) en instalaciones receptoras de TV y FM.

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Es fácil ver por qué la impedancia de un dipolo plegado es más alta que la de un dipolo estándar. Primero, suponga que un voltaje V y una corriente I se aplican a un dipolo ordinario no plegado. Entonces, a resonancia cuando la impedancia en el punto de alimentación es resistiva, la potencia suministrada es P = VI (16.9) donde P = potencia promedio V = voltaje RMS I = corriente RMS

Figura 16.10 dipolo plagado

Ahora considere de nuevo el dipolo plegado de la figura 16.10. Viendo el centro del dipolo, la longitud de la trayectoria desde el centro del conductor inferior al centro del conductor superior es media longitud de onda. Por lo tanto, las corrientes en los dos conductores tendrán igual magnitud. Si los puntos estuvieran apartados media longitud de onda en una línea de transmisión recta, se diría que son de igual magnitud pero que están fuera de fase. Sin embargo aquí, debido a que se plegó el alambre, las dos corrientes, que fluyen en direcciones opuestas con respecto al alambre, en realidad fluyen en la misma dirección en el espacio y contribuyen por igual a la radiación desde la antena. Si un dipolo plegado y dipolo simple irradian la misma cantidad de potencia, la corriente total en cada uno debe ser la misma. Sin embargo, la corriente en el punto de alimentación de un dipolo plegado es sólo la mitad de la corriente total. Si

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la corriente del punto de alimentación se reduce a la mitad, y la potencia todavía es la misma, el voltaje del punto de alimentación debe duplicarse, es decir,

Suponiendo que se provee igual potencia a ambas antenas, el voltaje del punto de alimentación debe ser el doble para el dipolo plegado. La resistencia en el punto de alimentación del dipolo ordinario es, por la ley de Ohm,

Para el dipolo plegado, ésta será

Puesto que la corriente se dividió entre dos y el voltaje se multiplicó por dos, el dipolo plegado tiene cuatro veces la impedancia del punto de alimentación que la versión regular. También es posible construir dipolos plegados con conductores de distintos tamaños y con más de dos conductores. De esta manera, se produce una amplia variedad de impedancia en el punto de alimentación. La antena monopolar Para la transmisión de baja y media frecuencia, es necesario usar polarización vertical para aprovechar la propagación de ondas superficiales. Por supuesto que

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sería posible un dipolo vertical de media onda, pero bastante largo. Por ejemplo, a 1 MHz, la longitud de onda es 300 m. Resultados similares se obtienen por medio de una antena monopolar (monopole) de un cuarto de onda, alimentada en un extremo con una línea de alimentación no balanceada, con el conductor de tierra de la línea de alimentación conectado a una buena conexión de tierra. En la práctica,

esto

normalmente

significa

un

sistema

bastante

extenso

de radiales (conductores enterrados en el suelo y extendiéndose hacia fuera desde la antena). A este tipo de antena se le conoce como antena de Marconi (aunque existe duda en cuanto a si Marconi en realidad fue el primero que la usó) y generalmente toma la forma de una torre anclada. La antena puede estar aislada del suelo, como se ilustra en la figura 16.11; de otro modo, se aterriza y alimenta en un punto arriba del suelo por medio de unadaptador gamma (gamma match), como en la figura 16.12. Moviendo más hacia arriba la conexión de la línea de alimentación en la torre, se incrementa la impedancia en el punto de alimentación. Cuando se conecta a una tierra ideal (o un buen sistema radial), el patrón de radiación de un monopolo de un cuarto de onda en el plano vertical tiene la misma forma que

Figura 16.11 Antena monopolar con torre aislada

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Figura 16.12 Antena monopolar con torre aterrizada la de un dipolo de media onda vertical en el espacio libre, excepto que sólo está presente la mitad del patrón, ya que no hay radiación desde el suelo. El patrón vertical se muestra en la figura 16.13. En el plano horizontal, por supuesto, el monopolo vertical será omni-direccional. Suponiendo que no hay pérdida, puesto que toda la potencia se irradia hacia una mitad del patrón de un dipolo, esta antena tiene el doble de ganancia (o 3 dB) que un dipolo en el espacio libre.

Figura 16.13 Monopolo vertical: radiación en el plano vertical La impedancia en la base de un monopolo de un cuarto de onda es la mitad de la de un dipolo. Esto se explica como sigue: con la misma corriente, la antena

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produce la mitad del patrón de radiación de un dipolo y, por consiguiente, la mitad de la potencia radiada. Suponiendo que no hay pérdidas, la potencia radiada está dada por P r = I 2R r donde Pr = potencia radiada I = corriente de antena en el punto de alimentación Rr = resistencia de radiación media en el punto de alimentación Si la potencia radiada disminuye por un factor de dos para una determinada corriente, entonces también debe disminuir la resistencia de radiación en el punto de alimentación. Antenas con plano de tierra Las antenas verticales no necesitan estar montadas a nivel del suelo. A VHF y valores de frecuencia superiores, donde la propagación por línea de vista es el método más común, la altura de la antena es muy importante. Sería ineficaz una antena montada a nivel de suelo. Es posible preservar la simplicidad y los bajos ángulo de radiación del monopolo montado en el suelo, en efecto, construyendo una tierra artificial en la base de la antena. Este plano de tierra (ground-plane) puede ser una lámina conductora, pero es más probable que se construya de cuatro o más varillas metálicas radiando hacia fuera de la base de la antena y con una longitud tan grande como la misma antena. Las antenas con plano de tierra suelen observarse con las estaciones base de banda civil o ciudadana CB. Puesto que la longitud de onda en la banda CB de 27 MHz es casi 11 m, la antena de cuarto de onda necesita ser de casi 3 m de largo. Es evidente la dificultad para montar en una torre una antena como ésta; un dipolo completo del doble de longitud sería mucho más difícil de manejar. Las antenas móviles por lo común son antenas con plano de tierra, con el automóvil actuando por sí mismo como el plano de tierra. Así, se esperaría que una simple antena de látigo sobre un automóvil tuviera una longitud de un cuarto de longitud de onda. Esto es bastante práctico en la banda de transmisión de FM, donde la longitud de onda es casi 3 m, pero es bastante impráctica (aunque a

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veces se hace) en la banda CB de 27 MHz e impensable en la banda de difusión de AM, donde la longitud de onda es del orden de 300 m. Antenas de lazo o cuadro Las longitudes de las antenas estudiadas hasta el momento son una fracción considerable de una longitud de onda. A veces, en particular para recibir, se requiere una antena mucho más pequeña. Estas antenas no son muy eficaces pero su desempeño es adecuado para tareas como la recepción de transmisiones de AM locales. También se utilizan para radiogoniómetros del servicio marino. En la figura 16.14 se muestran dos versiones de la popular antena de lazo o cuadro (loop antenna). La de la figura 16.14(a) es un diseño más antiguo, una bobina con núcleo de aire. Esta antena es bidireccional, con su sensibilidad mayor en el plano de la espira, como muestra la flecha. Para la banda de radiodifusión de AM ésta sería una bobina de varias vueltas; por claridad sólo se muestra una. La figura 16.14(b) es una representación de una antena de núcleo de ferrita, como la que se encuentra en casi todo receptor de radiodifusión de AM (excepto los de los automóviles). Aquí, la direccionalidad aún está en el plano de cada una de las vueltas de la bobina, pero es perpendicular al eje del núcleo de ferrita. Como se vio en el capítulo 6, la antena de núcleo de ferrita también actúa como la bobina en el circuito sintonizado de entrada de un receptor. Antena de cinco octavos de longitud de onda Esta antena suele utilizarse verticalmente ya sea como antena móvil o de base en los sistemas VHF y UHF. Al igual que la antena vertical de un cuarto de onda, ésta tiene respuesta omnidireccional en el plano horizontal. Sin embargo, la radiación está concentrada a un ángulo menor, que produce ganancia en la dirección horizontal, la cual suele ser más útil. Además, tiene una mayor impedancia en el punto de alimentación y, por consiguiente, no requiere una conexión a tierra tan buena, debido a que es menor la corriente en el punto de alimentación. Por lo común, se disminuye la impedancia para adaptarla a la de una línea de alimentación de 50 Ω por medio de una sección de adaptación de impedancia. La sección circular en la base de la antena de la figura 16.15(a) es un dispositivo de

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adaptación de impedancia. En la figura 16.15(b) se muestra su patrón de radiación en el plano vertical.

Figura 16.14 Antenas de lazo o cuadro

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Figura 16.15 Antena de cinco octavos de longitud de onda (Cortesía de Cushcraft Corporation)

Antena de disco-cono La antena de aspecto bastante inusual mostrada en la figura 16.16 se conoce de manera apropiada como el disco-cono (discone). Se caracteriza por un ancho de banda muy amplio, que abarca aproximadamente un margen de frecuencia de 10:1, y un patrón omni-direccional en el plano horizontal. La señal se polariza verticalmente, y la ganancia es comparable a la de un dipolo. La impedancia del punto de alimentación es de alrededor de 50 Ω; el punto de alimentación se localiza en la intersección del disco y el cono. La combinación disco-cono actúa como un transformador para adaptar la impedancia de la línea de alimentación con la impedancia del espacio libre, que es de 377 Ω. Por lo común, la longitud medida a lo largo de la superficie del cono es más o menos un cuarto de longitud de onda a la mínima frecuencia de operación.

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Figura 16.16 Antena disco-cono comercial Cortesía de Radio Shack, una división de Tandy Corporation

El amplio ancho de banda del disco-cono hace que sea una antena muy popular para la recepción general en VHF y UHF. Es una de las preferidas para uso con exploradores rastreadores o scaners. Estos receptores sintonizan de forma automática un gran número de canales en sucesión y se utilizan a menudo para monitorear servicios de emergencia. El disco-cono se puede utilizar para transmitir pero pocas veces se utiliza para este fin. La mayoría de las estaciones transmisoras operan a una frecuencia y sobre una reducida banda de frecuencias. Están disponibles antenas más simples con rendimiento equivalente y antenas igualmente elaboradas con mejor desempeño cuando no se requiere ancho de banda amplio. Antena helicoidal En realidad hay varios tipos de antenas que se describen como helicoidales (helical). Una hélice, por supuesto, es un espiral. Una antena monopolar de un cuarto de onda se puede acortar y convertir en una hélice, ésta es la antena común rubber ducky utilizada con muchos transceptores portátiles. A veces se le denomina antena helicoidal, y en realidad tiene forma helicoidal.

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Figura 16.17 Antena helicoidal

Sin embargo, la antena que por lo común se conoce como helicoidal es mucho más larga, normalmente varias longitudes de onda de largo. En la figura 16.17 se muestra esta antena. Se utiliza con un reflector plano, para mejorar sus características direccionales. Por lo regular, la circunferencia de cada vuelta es más o menos una longitud de onda, y las vueltas están separadas más o menos un cuarto de longitud de onda. Las antenas helicoidales del tipo mostrado en la figura 16.17 producen ondas con polarización circular cuyo sentido es el mismo que el de la hélice. Una antena helicoidal se utiliza para recibir ondas polarizadas circularmente con el mismo sentido y también reciben ondas planas con la polarización en cualquier dirección. La ganancia es proporcional al número de vueltas y puede ser varios decibeles mayor que un dipolo. Las antenas helicoidales suelen utilizarse con las transmisiones por satélite de VHF. Puesto que responden a cualquier ángulo de polarización, evitan el problema de rotación de Faraday, lo cual imposibilita predecir la polarización de ondas recibidas desde un satélite. La ganancia de una antena helicoidal es proporcional al número de vueltas. Una expresión aproximada para la ganancia, como una razón de potencia con respecto a un radiador isotrópico es:

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donde G = ganancia (como una razón, no en dB), con respecto a un radiador isotrópico N = número de vueltas en la hélice, N > 3 S = espacio entre vuelta en metros, S $$$ λ/4 D = diámetro de la hélice en metros, D $$$ λ/π λ = longitud de onda en metros El patrón de radiación para esta antena tiene un lóbulo mayor y varios lóbulos menores. Para el lóbulo mayor, la apertura de haz de 3 dB (en grados) es aproximadamente

EJEMPLO 16.7 Se construirá una antena helicoidal con ocho vueltas para una frecuencia de 1.2 GHz. (a) Calcule el diámetro y espaciamiento óptimos de la antena y determine la longitud total de la antena. (b) Calcule la ganancia de la antena en dBi. (c) Calcule el ancho o apertura de haz.

Solución

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La longitud equivale al número de vueltas multiplicado por el espacio entre vueltas:

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Hay otro tipo de antena que es posible describir como helicoidal. La antena ilustrada en la figura 16.18 se asemeja a un dipolo de media onda, excepto que los extremos están curvados. Esta antena se utiliza para producir al mismo tiempo ondas con polarización vertical y horizontal, con la mitad de la potencia de entrada en dirección a cada polarización. Estas antenas son muy comunes en la radiodifusión de FM y permiten que la señal sea recibida con antenas verticales (como las de los automóviles) y horizontales

Figura 16.18 Antena transmisora para radiodifusión de FM

(como las antenas de televisión instaladas en los techos de las casas). Montada como se muestra, la antena es casi omnidireccional en el plano horizontal. Adaptación de Antenas Carga inductiva y capacitiva

A veces una antena resonante es demasiado larga para ser conveniente. Surge entonces la pregunta en cuanto a qué hacer para facilitar la transmisión o la recepción razonablemente eficiente, o ambas, con una antena más corta. En otras situaciones, podría requerirse una antena para trabajar a varias frecuencias muy diferentes y no se espera que sea de longitud resonante a todas ellas: a ciertas frecuencias podría ser demasiado corta, a otras, demasiado larga.

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Primero observe que no hay necesidad de que una antena sea resonante para que irradie o reciba señales, sólo debe haber flujo de corriente en la antena. Sin embargo, una antena no resonante no se adaptará o acoplará con su línea de alimentación, y el desacoplamiento producirá una SWR alta y una buena cantidad de potencia reflejada. La antena aún radiará la potencia que se le suministre, pero será difícil suministrar esa potencia. Además, la resistencia de radiación para antenas cortas es muy baja, lo cual da lugar a que sea menor la eficiencia. El problema del desacoplamiento o desadaptación se rectifica al adaptar la antena con la línea de alimentación. Quizá la solución más obvia es una red de adaptación LC, que debe instalarse lo más cerca posible a la antena, porque cualquier línea de alimentación entre la red y la antena tendrá una SWR alta. También utilizan técnicas de adaptación de línea de transmisión con stubs cortocircuitados (éstas se describieron en el capítulo 15). Depende mucho de la frecuencia si se utilizan técnicas con constantes concentradas o distribuidas. A VHF y frecuencias superiores, es posible que el método de constantes concentradas implique valores imprácticos de componentes pequeños, en tanto que a frecuencias bajas, las técnicas de línea de transmisión podrían requerir stubs largos poco convenientes. La red adaptadora de impedancia de antena está separada del circuito de salida del transmisor (o entrada del receptor). Este último adapta el transmisor (o receptor) con la línea de transmisión, y la primera adapta la línea con antena. Con la red de adaptación adecuada, es posible usar cualquier longitud aleatoria de alambre como antena. Las propiedades direccionales de este tipo de antena son distintas a las de un dipolo de media onda. Como regla empírica, mientras más largo sea el alambre, más lóbulos hay, y más cerca está la radiación máxima al eje de la antena. En la figura 16.19 se ilustran los patrones en el plano de la antena para unas cuantas antenas de hilo largo (long-wire) seleccionadas.

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Figura 16.19 Antenas de hilo largo

Figura 16.20 Antena de látigo con carga

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Figura 16.21 Antena de látigo con carga en el centro

Carga inductiva y capacitiva Una técnica simple pero efectiva para adaptar una antena corta a la línea de alimentación es incrementar su longitud eléctrica. Por ejemplo, una antena móvil de látigo que es menor que un cuarto de longitud de onda puede tener una inductancia añadida en su base, como se ilustra en la figura 16.20. Esta inductancia, llamada bobina de carga, cancela el efecto capacitivo de la antena demasiado corta y, cuando el ajuste es correcto, produce una antena que se asemeja eléctricamente a un monopolo de un cuarto de onda. Hay dos desventajas para esta solución: la bobina eleva la Q de la antena y reduce su ancho de banda, y la resistencia de la bobina aumenta las pérdidas. El problema de las pérdidas de bobina se vuelve más grave por el hecho de que la bobina se instala en el punto de la antena donde es máxima la corriente. Además, las antenas cortas tienen muy poca resistencia de radiación, así que requieren altas corrientes de antena, que originan pérdidas importantes. Las pérdidas I2R en la bobina podrían reducirse alejándola del punto de alimentación, como se ilustra en la figura 16.21. Esto también reduce la efectividad de la bobina, requiriendo una inductancia mayor. Sin embargo, está técnica de carga en el centro a menudo se ve con las antenas móviles.

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Otra forma de emplear la carga inductiva es construir toda la antena en forma de bobina o hélice. Las antenas rubber ducky utilizadas con los transceptores portátiles generalmente son de este tipo. En la figura 16.22 se muestra un ejemplo.

Figura 16.22 Antena helicoidal rubber ducky

Figura 16.23 Carga capacitiva

También es posible incrementar la longitud eléctrica de la antena añadiendo capacitancia al extremo opuesto al punto de alimentación. Esta solución toma la forma de un “sombrero” que consiste en un disco metálico o un conjunto de varillas o alambres, como se ilustra en la figura 16.23. Aunque inadecuada para antenas móviles debido a que aumenta la resistencia del viento, esta técnica se observa en antenas fijas (por ejemplo, las que se utilizan en la transmisión de AM).

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Antenas para Celulares y PCS En esta sección se trata el tema de las antenas para radioteléfono celular de 800 MHz y sistemas PCS de 1900 MHz. Los requerimientos son similares, aunque por supuesto las antenas para PCS son físicamente más pequeñas. También existen las antenas de banda dual, tanto para radio bases como para portátiles. Antenas de sitio de célula Las antenas utilizadas para los sistemas de radiotelefonía celulares tienen que satisfacer los requerimientos descritos en el capítulo 15. Son necesarias las antenas omnidireccionales y las antenas con aperturas de haz de 120° y menos para células sectorizadas. Las aperturas de haz más estrechas también son útiles para llenar los sitios muertos. En las antenas celulares ordinarias se utilizan variaciones de la antena colineal descrita antes para patrones omnidireccionales y para patrones direccionales ya sea antenas colineales con reflectores o antenas log-periódicas. En la figura 16.43 se muestran los patrones y especificaciones para una antena omnidireccional, y en la figura 16.44 se muestran las especificaciones para una antena con apertura de haz de 120°. Como es de esperarse, la antena direccional tiene mayor ganancia. Cuando las células son pequeñas, en áreas de mucho tráfico, las antenas direccionales de la radiobase suelen estar inclinadas a fin de reducir la distancia que recorre la señal y la interferencia con células vecinas. Esta inclinación (down filt) se logra por medios mecánicos al montar la antena de modo que apunte hacia abajo con un ángulo moderado, pero también se logra con medios eléctricos. En la figura 16.45 se muestra el patrón vertical para una antena celular con una inclinación integrada de 9°. Las antenas receptoras de radiobases celulares y de PCS generalmente se instalan de tal manera que se obtenga diversidad espacial. Para un patrón omnidireccional, es común montar tres antenas en las esquinas de una torre con una sección transversal triangular, como se ilustra en la figura 16.46(a). Cuando la célula se divide en tres sectores de 120°, es usual montar dos antenas para cada sector en los lados de la torre, como se observa en la figura 16.46(b). Es posible que se utilice una sola antena para recibir y transmitir por medio de un duplexor, pero es común que la antena transmisora se localice aparte. Sólo se necesita una antena transmisora para una célula con un patrón omnidireccional; de

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otro modo, se necesita una por sector. Por supuesto, otros lugares de montaje, como las paredes de edificios, requieren variaciones de estos arreglos. Un desarrollo reciente que reduce el número de antenas requerido para lograr diversidad es el uso de antenas de polarización dual. Ya se mencionó que la polarización vertical es usual para los sistemas móviles y portátiles porque es mucho más fácil ponerla en práctica en las unidades móviles. Sin embargo, en un ambiente móvil atestado, es posible que las reflexiones hagan aleatoria la polarización de la señal. En este caso, la diversidad se logra por medio de dos polarizaciones, por lo común a ángulos de 45° con respecto a la vertical. Las antenas de polarización dual reducen de forma considerable el número de estructuras visibles necesarias en un sitio de célula. Antenas móviles y portátiles Las antenas móviles y portátiles utilizadas con los sistemas celulares y PCS tienen que se omnidireccionales y pequeñas, en particular en el caso de teléfonos portátiles. Por supuesto que el último requisito es más fácil de lograr a 1900 MHz que a 800 Mhz. Muchos

Figura 16.43 Antena omnidireccional para base celular (Cortesía de Andrew Corporation) ANDREW SPECIFICATIONS Antenna Type: CT100F-0080-009 Description: omni, 9 dBi, no downtilt, 7-16 DIN Female Frequency Band, MHz: 824-896 Gain (dBi)

9.0

Gain (dBd)

7.0

Azimuth Beamwidth (deg)

360

Polarization Type

Single/Vertical

Intermodulation

14.0 (