ANTENAS : PARAMETROS Y CLASIFICACIÓN

Una antena es un dispositivo metálico generalmente conductor diseñado para transmitir y / o recibir ondas electromagnéticas en el espacio libre. La antena transmisora ​​convierte la energía eléctrica en ondas electromagnéticas, mientras que la antena receptora realiza la función opuesta.

Hay muchos tipos de antenas. En algunos casos deben expandir la potencia radiada tanto como sea posible, es decir, deben ser no indicativos (por ejemplo: estaciones de radio comerciales o estaciones base de telefonía móvil), y en otros casos deben estar dirigidos en una dirección. Alimentación sin interferir con otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlace).

Las características de una antena dependen de la relación entre su tamaño y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida.

Si el tamaño de la antena es mucho menor que la longitud de onda, se llama antena básica; si el tamaño de la antena es aproximadamente la mitad de la longitud de onda, se llama resonancia; si el tamaño de la antena es mucho mayor que la longitud de onda, se llama antena direccional.

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Parámetros de antena

La antena se caracteriza por una serie de parámetros, las descripciones más comunes son las siguientes:

Patrón de radiación

Es una representación gráfica de las características de radiación de la antena, según la dirección (coordenadas de acimut y elevación), y más comúnmente representa la densidad de potencia de radiación, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o fase.

Teniendo en cuenta el patrón de radiación, podemos clasificar los tipos de antena en general y definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena direccional, antena bidireccional, antena omnidireccional, etc.).

 En el patrón de radiación, podemos definir un patrón de polos común para representar la radiación de la antena con la polaridad deseada y realizar una polarización cruzada del patrón de radiación con la polaridad opuesta.

En el patrón de radiación, podemos definir un patrón de polos común para representar la radiación de la antena con la polaridad deseada y realizar una polarización cruzada del patrón de radiación con la polaridad opuesta.

Banda Ancha

Este es el rango de frecuencia donde los parámetros de la antena cumplen ciertas características. Puede definir el ancho de banda de impedancia, polarización, ganancia u otros parámetros.

El ancho de banda está determinado por los límites superior e inferior Fuera de las frecuencias superior e inferior, el nivel de energía en la antena se reduce a más de 3dB.

Direccionalidad

La directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de la antena en la dirección máxima y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que irradia con la misma potencia total: D = U (promedio) / U (desviación estándar) {\ displaystyle D = U (máximo) / U (iso)} {\ displaystyle D = U (máximo) / U (iso)}

No existe una unidad para la directividad, y generalmente se expresa en unidades logarítmicas (dBi) como: D = 10⋅log⁡ (U (máx.) / U (iso)) re B i {\ displaystyle D = 10 \ cdot \ log (U (máx) / U (iso)) dBi} {\ displaystyle D = 10 \ cdot \ log (U (máx.) / U (iso)) dBi}

Ganancia

Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. Cuando la potencia se concentra en el área indicada en el patrón de radiación, se genera ganancia (G) debido a la directividad. G = 10 log⁡ [4 pi ∗ U (máx.) / P (entrada)] {\ displaystyle G = 10 \ log [4pi * U (máx) / P (pulg.)]} {\ Displaystyle G = 10 \ log [ 4pi * U (máximo) / P (pulgadas)]}

Eficiencia

La relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad. e = P (r) / P (pulg.) = G / D {\ displaystyle e = P (r) / P (pulg.) = G / D} {\ displaystyle e = P (r) / P (pulg.) = G / D}

El parámetro e (eficiencia) no tiene dimensiones.

Resistencia de entrada

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre el voltaje de entrada y la corriente. Z = V I {\ displaystyle Z = {\ frac {V} {I}}} {\ displaystyle Z = {\ frac {V} {I}}}. La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se llama resistencia de la antena y la parte imaginaria es la reactancia.

La resistencia de la antena es la suma de la resistencia a la radiación y la resistencia a la pérdida. Cuando se cancela la reactancia de entrada, estas antenas se denominan resonancia. Propagación del haz Es un parámetro de radiación y está relacionado con el patrón de radiación.

Ancho de haz

El ancho del haz se puede establecer en -3dB, que es el rango angular donde la densidad de potencia de radiación es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección de radiación principal). También puede definir el ancho del haz entre ceros entre los dos ceros adyacentes más grandes, donde cero es la separación angular del haz principal del patrón de radiación.

Polarización

La antena genera un campo electromagnético radiado. La polarización electromagnética se define como una cierta dirección, es decir, que cambia con el tiempo, siguiendo la geometría del extremo del vector de campo eléctrico a una cierta distancia de la antena.

La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede adoptar diferentes direcciones (horizontal, vertical, + 45º, -45º). La polarización circular o la polarización elíptica pueden estar a la derecha o izquierda (derecha o izquierda), dependiendo de la dirección de rotación del campo magnético (observado lejos de la antena).

En las antenas de comunicación por satélite profesionales, la misma antena suele funcionar en dos polarizaciones ortogonales al mismo tiempo, por lo que el ancho de banda disponible de la señal en el enlace se duplica.

Con este fin, se coloca un transductor de modo positivo junto a la fuente de alimentación El transductor tiene un puerto de guía de ondas circular conectado a la bocina y dos puertos de guía de ondas rectangulares ortogonales, cada uno de los cuales se opera con puertos de polarización ortogonal.

Si se coloca un duplexor en cada uno de estos puertos que separa las bandas de frecuencia de transmisión y recepción, será un alimentador de cuatro puertos, y la misma antena podrá transmitir y recibir en ambas polarizaciones al mismo tiempo. . En otros casos, estas antenas tienen solo dos puertos, un puerto transmite en una polarización y el otro puerto recibe en la polarización opuesta.

Relación anverso / reverso

Este parámetro se define como la relación entre la potencia radiada máxima en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta. Cuando esta relación se refleja en el gráfico en dB, la relación F / B (delantera / trasera) es la diferencia en dB entre el nivel máximo de radiación y el nivel de radiación de 180 grados.

Este parámetro es particularmente útil cuando la interferencia hacia atrás es fundamental para elegir qué antena usar. También podemos ver esta relación desde otro ángulo, que muestra lo buena que es la antena para rechazar señales desde la parte trasera. Rara vez importa, porque la interferencia trasera no ocurre a menudo, pero es así.

La relación F / B no es un número muy útil porque a menudo varía mucho de un canal a otro. Por supuesto, si tiene un patrón de radiación, no necesita una relación F / B.

Comparando la antena Yagi y la antena parabólica, podemos ver que la relación F / B de la antena Yagi es de unos 15 dB (según modelo y fabricante), mientras que para la parábola, la relación F / B es> 35dB (según modelo y fabricante).

De esta forma, podemos ver lo «bien» que la antena suprime la señal de la parte trasera. Cuanto mayor sea este parámetro en la antena del satélite, mejor será. Los 15 dB de la antena Yagi también se pueden explicar como la situación en la que capturamos la onda rebotada en el sistema, como el eco reflejado desde la parte trasera de un edificio.

Resistente a la radiación

Cuando se suministra energía a la antena, parte de la antena irradiará y parte se convertirá en calor a través de la disipación de calor. Cuando se trata de resistencia a la radiación, tenga en cuenta que no se puede medir directamente.

Si reemplaza la antena con una resistencia de radiación, la antena hará su trabajo, es decir, disipará la misma potencia que irradia la antena. La resistencia a la radiación es igual a la relación de la potencia de radiación de la antena dividida por el cuadrado de su corriente de punto de alimentación.

Clasificación clásica de antenas

Hay tres tipos básicos de antenas: antenas cableadas o de alambre, antenas de apertura y antenas planas.

Además, los grupos de estas antenas (matrices) se consideran generalmente como otro tipo básico de antena en la literatura.

Antena de alambre

La antena lineal significa que el elemento radiante de la antena es un conductor lineal y su sección transversal con respecto a la longitud de onda operativa puede ignorarse.

El tamaño suele ser como máximo una longitud de onda. Son ampliamente utilizados en bandas de frecuencia MF, HF, VHF y UHF. Se puede encontrar un grupo de antenas lineales. Ejemplos de antenas cableadas incluyen: Monopolo vertical Dipolo y su evolución, antena Yagi Rotación de antena

La antena helicoidal es un tipo especial de antena, que se utiliza principalmente en VHF y UHF. El conductor es espiral, para lograr una polarización circular. Analice la antena de cable en función de la corriente del conductor.

Antena de apertura

Una antena abierta se refiere a una forma de utilizar una superficie o una abertura para guiar un haz electromagnético para concentrar la emisión y recepción del sistema de radiación en una dirección. En los enlaces de radio terrestres y por satélite, el más famoso y utilizado es la antena parabólica.

La ganancia de estas antenas está relacionada con la superficie de la parábola, cuanto mayor sea el tamaño, mayor será la colimación del haz que obtendremos y, por tanto, mayor la directividad.

El elemento radiante es un alimentador, que puede iluminar la parábola directa o indirectamente a través de un subreflector. El alimentador generalmente se encuentra en el punto focal de la parábola.

 El elemento radiante es un alimentador, que puede iluminar la parábola directa o indirectamente a través de un subreflector. El alimentador generalmente se encuentra en el punto focal de la parábola.

El alimentador en sí también es una antena de apertura (se llaman antenas de bocina), cuando la lente del objetivo tiene un rango de cobertura amplio (por ejemplo, cuando la intención es cubrir toda la superficie terrestre desde el suelo, se puede usar sin espejo). Satélite en órbita geoestacionaria

Antena plana

Un tipo especial de antena de panel es una antena de apertura sintética, generalmente un representante del radar de apertura sintética (SAR). Grupo de antenas

Agrupación de antenas (matriz).

El conjunto de antenas está formado por un conjunto de dos o más antenas, que están dispuestas de tal manera que generalmente aparecen como una única antena con su propio patrón de radiación. La característica principal de los grupos de antenas es que sus patrones de radiación son modificables y pueden adaptarse a diferentes aplicaciones / requisitos.

Esto se logra controlando individualmente la amplitud y la fase de la señal que alimenta cada elemento de la matriz.

Considerando la distribución de una antena, podemos hacer las siguientes clasificaciones:

  • Matriz lineal: los elementos se organizan en una línea.
  • Matriz de planos: los elementos están dispuestos en dos dimensiones en un plano.
  • Matriz de formas: los elementos están dispuestos en una superficie curva.

A nivel de aplicación, las matrices de antenas se utilizan para construir antenas inteligentes. La definición básica de un sistema de antena inteligente es cualquier configuración adaptativa de múltiples antenas que pueda mejorar el rendimiento del sistema de comunicación inalámbrica.

Las características de las antenas inteligentes

Con haz de radiación de mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad angular) tienen varias ventajas:

  • Ampliar cobertura
  • Mayor potencia de transmisión
  • Reducir los niveles de interferencia
  • Reducir la propagación por trayectos múltiples
  • Mejorar la seguridad Introducción al nuevo servicio

Clasificación de Antenas de acuerdo a sus funciones

 La clasificación tradicional de antenas se basa básicamente en la forma en que se distribuye el campo electromagnético en la propia antena o en la tecnología utilizada.

 Sin embargo, también se puede clasificar desde una perspectiva práctica: las antenas se clasifican desde la perspectiva de su rendimiento y tecnología, casos de uso específicos y discusiones sobre parámetros de ingeniería que ayudan a comprender su funcionamiento.

Antena reflectante

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El origen de la antena reflectora se remonta a 1888. En el laboratorio de Heinrich Hertz, demostró mediante experimentos que las ondas electromagnéticas predichas por James Clerk Maxwell hace 15 años La presencia.

En su experimento, Hertz usó un reflector cilíndrico parabólico de aleación de zinc, que fue excitado por una chispa en el centro de un dipolo colocado en la línea focal y era similar a un receptor.

 Su funcionamiento se basa en la reflexión de ondas electromagnéticas, las ondas de choque paralelas al eje principal se reflejan y alcanzan el punto focal centrado en la parábola. En cambio, en el caso de una antena receptora, si se trata de una antena transmisora, la onda emitida desde el punto focal (dispositivo transmisor) se refleja y sale del reflector, y es paralela al eje de la antena.

Cuando se requiere la máxima directividad de la antena, la forma del reflector suele ser parabólica y la fuente de luz principal se ubica en el punto focal y se dirige hacia el reflector.

Las antenas reflectoras parabólicas, o antenas parabólicas para abreviar, se utilizan ampliamente en bandas UHF por encima de aproximadamente 800 MHz y bandas SHF y EHF en sistemas de comunicación. Sus principales características son la estructura simple y la alta direccionalidad.

La forma más común de espejo es un paraboloide de revolución, que es excitado por un alimentador en el punto focal.

Tipos básicos de antenas reflectantes:

Enfoque principal

La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. Las ondas electromagnéticas incidentes paralelas al eje principal se reflejan y se dirigen al punto focal.

La atención se centra en el paraboloide.

Tienen una eficiencia máxima de alrededor del 60%, es decir, el 60% de toda la energía que llega a la superficie de la antena se enfoca y utiliza, y la pérdida de energía restante se debe principalmente a dos efectos, a saber, efecto de desbordamiento y efecto de bloqueo.

Su área de superficie relativamente grande significa un ángulo de ancho de haz más pequeño (3 dB), por lo que la antena debe instalarse con mayor precisión que una antena offset normal. La lluvia y la nieve se acumularán en el plato e interferirán con la señal. Además, debido a que el LNB está instalado de forma centralizada, bloqueará muchas señales con sombra propia en la superficie de la antena.

Antena Ofsset

La antena offset está formada por una parte de un reflector parabólico elíptico. La superficie de la antena ya no es circular, sino elíptica y simétrica (elíptica). El punto focal no está instalado en el centro de la antena, sino en un lado de la antena (desplazamiento) de modo que el punto focal esté fuera de la superficie de la antena.

Por tanto, su rendimiento es superior al de Primary Focus, que puede llegar al 70% o superior.

Cassegrain

Estos tipos de antenas tienen alta directividad, alta potencia de transmisión y receptores de bajo ruido. El uso de una antena reflectora grande significa que la distancia del transmisor al punto focal es mayor (y es imposible colocar el dispositivo sobre él), por lo que la solución es usar un segundo reflector o subreflector. En el caso de un espejo parabólico Cassegrain, el espejo secundario es hiperbólico.

El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco principal. El reflector secundario tiene el mismo punto focal que el reflector parabólico.

El sistema de energía está ubicado en el foco secundario, por lo que el centro de fase del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.

La superficie parabólica convierte la onda plana incidente en una onda esférica dirigida al foco principal, y luego es reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.

Antenas Dipolos

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Antena Dipole Hideaway


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Un dipolo es una antena con alimentación central que se utiliza para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. En teoría, estas antenas son las más sencillas.

El tipo básico de antenas dipolo son las siguientes:

Dipolo corto

Un dipolo corto (o también llamado dipolo básico) es un dipolo cuya longitud es mucho más corta que la longitud de onda de la polarización lineal horizontal o vertical.

A una frecuencia de 1 MHz, la longitud de onda es de 300 m. Por tanto, la mayoría de las antenas se comportan como dipolos cortos a frecuencias inferiores a 1 MHz.

Dipolo de media onda

Es un dipolo muy parecido a un dipolo corto, pero en este caso, la longitud es igual a la mitad de la longitud de onda.

Dipolo doblado

El dipolo doblado consta de dos dipolos paralelos, que están en cortocircuito en sus extremos. Uno de los dipolos se alimenta al centro mediante un generador.

El ancho de banda de un dipolo doble es mayor que el de un dipolo simple porque la reactancia está compensada y también tiene una impedancia más alta.

Al estudiar tales dipolos, la corriente que se les alimenta se divide generalmente en dos modos: número par (o modo de antena) y número impar (o modo de línea de transmisión).

El análisis del modo de emparejamiento es un análisis que tiene en cuenta la misma fuente de alimentación y la misma dirección en los dos brazos. Sin embargo, el análisis en modo impar es un análisis que tiene en cuenta la dirección opuesta de la corriente en cada brazo (dos generadores con signos opuestos). Por tanto, la corriente total será la suma de las corrientes encontradas en cada modo.

Antena Yagi

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La antena Yagi consta de una antena dipolo, y se agrega un elemento llamado «parásito» a la antena para hacerla direccional. Estos elementos pueden ser directores o espejos.

El elemento de guía se coloca delante del dipolo y mejora la señal en la dirección de emisión.

El elemento reflector está ubicado detrás del dipolo y evita la captación de señal en la dirección opuesta al receptor.

Los siguientes son tres tipos de antenas, cuya comparación ilustra cuán comunes son estas antenas y las diferencias entre ellas. El ingeniero debe elegir el movimiento de antena más adecuado en cada situación:

Antena Yagi 1044

El ancho de banda de este tipo de antena es del 57% (canales 21-69) y la ganancia es de 16,5 dBi. Al elegir una antena, el ingeniero debe considerar otros conceptos, como la descripción de la antena que sigue. La característica de estas antenas es el diseño en X de sus elementos directores, haciéndolos más cortos que las antenas Yagi tradicionales.

Esta estructura puede ser muy resistente a las señales generadas por actividades humanas, como motores o electrodomésticos. Adaptación perfecta de impedancia

Antena Yagi 1443

El ancho de banda y la ganancia de esta antena son muy similares al ejemplo anterior. Consiste en dos conjuntos de matrices angulares de elementos de guía dispuestos en V. Al igual que la antena antes mencionada, también tiene un tamaño menor.

Antena Yagi 1065

Este tipo de antena tiene menos directores y un solo reflector, que tiene una ganancia mucho menor que las antenas anteriores. En este caso, la ganancia es de 9,5 dBi. De esta forma se puede comprender la función del reflector y director en la antena dipolo y cómo cambian su ganancia.

Aspectos generales relacionados con la física de antenas

Influencia de la tierra

La conductividad eléctrica del suelo es un factor decisivo que afecta la influencia de la tierra en la propagación de ondas electromagnéticas. La conductividad eléctrica de la superficie terrestre depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas que la afectan y sus materiales constituyentes, se desempeña bien a bajas frecuencias y reduce la conductividad eléctrica a altas frecuencias.

El coeficiente de reflexión del suelo es un parámetro relacionado con la conductividad eléctrica, que puede indicar cómo se reflejan las ondas en él. Su valor depende del ángulo de incidencia y del material que constituye el suelo: humedales, tierras secas, lagos, océanos, áreas urbanas, etc.

Para un coeficiente de reflexión dado, la energía reflejada por el suelo aumenta con el ángulo de incidencia con respecto a la normal La mayor parte de la energía se refleja en la incidencia rasante y tiene un cierto campo eléctrico y magnético. La amplitud de la onda reflejada es casi la misma que la de la onda incidente.

En el caso de las antenas, como suelen transmitir o recibir a grandes distancias, casi siempre hay incidencia rasante.

Desde la perspectiva de la antena receptora, la luz reflejada desde el suelo puede modelarse como la luz emitida por la antena de imagen de la antena transmisora ​​bajo tierra. La luz reflejada viaja una distancia mayor que la luz directa.

La apariencia de la antena de imagen

Es una imagen especular de la apariencia de la antena de transmisión real. En algunos casos, se puede considerar que la onda emitida por la antena real tiene aproximadamente la misma amplitud que la onda emitida por la antena de imagen.

En otros casos, por ejemplo, cuando el suelo tiene una forma irregular de tamaño similar o es mayor que la longitud de onda, la luz incidente El reflejo no será neto.

La distancia de propagación de los rayos reflejados desde el suelo desde la antena transmisora ​​a la antena receptora es mayor que la de los rayos directos. Esta diferencia en la distancia de viaje da como resultado un cambio de fase entre las dos ondas.

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