Antena

Unha antena é un dispositivo (condutor metálico) deseñado co obxectivo de emitir ou recibir ondas electromagnéticas polo espazo libre. Unha antena transmisora transforma voltaxes en ondas electromagnéticas, e unha receptora realiza a función inversa.

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Antena (homónimos).

Antena de onda curta "Cortina", Moosbrunn, Austria

Antena para comunicacións por satélite en banda-C de 15 m de diámetro.

Existe unha gran diversidade de tipos de antenas. Nuns casos deben expandir no posible a potencia radiada, é dicir, non deben ser directivas (exemplo: unha emisora de radio comercial ou unha estación base de teléfonos móbiles), outras veces deben selo para canalizar a potencia nunha dirección e non interferir noutros servizos (antenas entre estacións de radioenlaces). Tamén é unha antena a que está integrada nos computadores para conectarse ás redes Wi-Fi.

As características das antenas dependen da relación entre as súas dimensións e a lonxitude de onda do sinal de radiofrecuencia transmitido ou recibido. Se as dimensións da antena son moito máis pequenas que a lonxitude de onda as antenas denomínanse elementais, se teñen dimensións da orde de media lonxitude de onda chámanse resoantes, e se o seu tamaño é moito maior que a lonxitude de onda son directivas.

Parámetros dunha antena

As antenas caracterízanse por unha serie de parámetros, estando os máis habituais descritos a continuación:

Diagrama de radiación

É a representación gráfica das características de radiación dunha antena, en función da dirección (coordenadas en acimut e elevación). O máis habitual é representar a densidade de potencia radiada, aínda que tamén se poden encontrar diagramas de polarización ou de fase. Atendendo ao diagrama de radiación, podemos facer unha clasificación xeral dos tipos de antena e podemos definir a directividade da antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional,…) Dentro dos diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa a radiación da antena coa polaridade desexada e contrapolar o diagrama de radiación con polaridade contraria á que xa ten.

Diagrama de radiación

Os parámetros máis importantes do diagrama de radiación son:

• Dirección de apuntamento: é a da máxima radiación.
• Lóbulo principal: é a marxe angular arredor da dirección da máxima radiación.
• Lóbulos secundarios: son o resto dos máximos relativos, de valor inferior ao principal.
• Ancho de feixe: é a marxe angular das direccións nas que o diagrama de radiación dun feixe toma un valor de 3 dB por debaixo do máximo. É dicir, a dirección na que a potencia radiada se reduce á metade.
• Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): é o cociente en dB entre o valor máximo do lóbulo principal e o valor máximo do lóbulo secundario.
• Relación diante-atrás (FBR): é o cociente en dB entre o valor de máxima radiación e o da mesma dirección e sentido oposto.

Ancho de banda

É a marxe de frecuencias na cal os parámetros da antena cumpren unhas determinadas características. Pódese definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia ou doutros parámetros.

Directividade

A directividade (D) dunha antena defínese como a relación entre a intensidade de radiación dunha antena na dirección do máximo e a intensidade de radiación dunha antena isotrópica que radia coa mesma potencia total.

${\displaystyle D=U(max)/U(iso)}$

A directividade non ten unidades e adóitase expresar en unidades logarítmicas (dBi) como:

${\displaystyle D=10*\log(U(max)/U(iso))dBi}$

Ganancia

Refírese á ganancia de potencia na dirección de máxima radiación. A ganancia (G) prodúcese polo efecto da directividade ao concentrarse a potencia nas zonas indicadas no diagrama de radiación.

${\displaystyle G=10\log[4pi*U(max)/P(in)]}$

A unidade de ganancia (G) dunha antena é o dBd ou dBi, dependendo se esta se define respecto a un dipolo de media onda ou á isotrópica.

Eficiencia

Relación entre a potencia radiada e a potencia entregada á antena.

Tamén se pode definir como a relación entre ganancia e directividade.

${\displaystyle e=P(r)/P(in)=G/D}$

O parámetro e (eficiencia) é adimensional.

Impedancia de entrada

É a impedancia da antena nos seus terminais. É a relación entre a tensión e a corrente de entrada. ${\displaystyle Z={\frac {V}{I}}}$. A impedancia é un número complexo. A parte real da impedancia denomínase resistencia de antena e a parte imaxinaria é a reactancia.

A resistencia de antena é a suma da resistencia de radiación e a resistencia de perdas. As antenas denomínanse resoantes cando se anula a súa reactancia de entrada.

Anchura de feixe

É un parámetro de radiación, ligado ao diagrama de radiación. Pódese definir o ancho de feixe a -3 dB, que é o intervalo angular no que a densidade de potencia radiada é igual á metade da potencia máxima (na dirección principal de radiación). Tamén se pode define o ancho de feixe entre ceros, que é o intervalo angular do feixe principal do diagrama de radiación, entre os dous ceros adxacentes ao máximo.

Polarización

As antenas crean campos electromagnéticos radiados. Defínese a polarización electromagnética nunha determinada dirección, como a figura xeométrica que traza o extremo do vector campo eléctrico a unha certa distancia da antena, ao variar o tempo. A polarización pode ser linear, circular e elíptica. A polarización linear pode tomar distintas orientacións (horizontal, vertical, +45º, -45º). As polarizacións circulares ou elípticas poden ser a dereitas ou esquerdas (dextroxiras ou levoxiras), segundo o sentido de xiro do campo (observado afastándose desde a antena).

No marco das antenas defínese un coeficiente de desacoplo por polarización. Este mide a cantidade de potencia que é capaz de recibir unha antena polarizada dunha forma cunha lonxitude efectiva ${\displaystyle {\vec {l}}_{ef}}$ dun campo eléctrico incidente cunha determinada polarización ${\displaystyle {\vec {E}}_{in}}$. Deste modo, o coeficiente de desacoplo por polarización defínese como:

${\displaystyle C_{p}={\frac {|{\vec {E}}_{in}\cdot {\vec {l}}_{ef}|}{|{\vec {E}}_{in}|\cdot |{\vec {l}}_{ef}|}}}$

Desta maneira, obtemos a fracción de potencia que finalmente a antena é capaz de recibir, multiplicando a potencia incidente na antena por este coeficiente definido anteriormente, da forma:

${\displaystyle P_{rec}=P_{in}\cdot C_{p}}$

Chámase diagrama copolar o diagrama de radiación coa polarización desexada e diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) o diagrama de radiación coa polarización contraria.

Relación Diante/Atrás (Front/Back)

Este parámetro defínese como a relación existente entre a máxima potencia radiada nunha dirección xeométrica e a potencia radiada na dirección oposta a esta.

Cando esta relación é reflectida nunha gráfica con escala en dB, a proporción F/B (Front/Back) é a diferenza en dB entre o nivel da máxima radiación e o nivel de radiación a 180 graos. Este parámetro é especialmente útil cando a interferencia cara a atrás é crítica na elección da antena que imos utilizar.

Esta relación, ademais podémola ver desde outro punto de vista, indicando o boa que é a antena no rechazo dos sinais provenientes da parte traseira. Rara vez é verdadeiramente importante, xa que as interferencias pola parte traseira non ocorren habitualmente, pero pode suceder.

A relación F / B non é un número moi útil, xa que a miúdo varía enormemente dun canal a outro. Por suposto, se se ten o patrón de radiación, entón non se necesita a relación F/B.

Comparando unha antena Yagui cunha parabólica, podemos ver que para a antena Yagui temos unha relación F/B de aproximadamente 15 dB (segundo modelo e fabricante) mentres que para a parabólica a relación F/B é >35 dB (segundo modelo e fabricante). Desta forma observamos como é "de boa" unha antena respecto ao rexeitamento de sinais pola parte traseira. Canto maior sexa este parámetro nas antenas parabólicas, mellor será.

Os 15 dB da antena Yagui podémolos interpretar tamén como a atenuación que teríamos no sistema, en caso de captar unha onda rebotada por exemplo nun edificio, pola parte traseira desta.

Resistencia de radiación

Cando se lle subministra potencia a unha antena, parte dela irrádiase e outra parte, convértese en calor, disipándose. Cando se fala de resistencia de radiación, faise tendo en conta que non se pode medir de forma directa.

Se se substitúe a antena pola resistencia de radiación, esta, faría o seu traballo, é dicir, disiparía a mesma cantidade de potencia que a que irradiaría a antena. A resistencia de radiación é igual á relación da potencia radiada pola antena dividida polo cadrado da corrente no seu punto de alimentación.

${\displaystyle Rr={\frac {P}{i^{2}}}}$

Sendo:

• Rr= Resistencia de radiación (ohms)
• P = Potencia radiada pola antena (watts)
• i = Corrente da antena no punto de alimentación (amperes)

Poderíase obter a eficiencia dunha antena, dada que é a relación da potencia radiada e a potencia disipada.

Clasificación clásica das antenas

Existen tres tipos básicos de antenas: antenas de fío, antenas de apertura e antenas planas. Así mesmo, as agrupacións destas antenas (arrays) acostúmanse considerar como outro tipo básico de antena.

Antenas de fío

As antenas de fío son antenas que teñen como elementos radiantes condutores de fío de sección desprezable respecto á lonxitude da onda de traballo.^[1] As dimensións adoitan ser como máximo dunha lonxitude de onda. Utilízanse extensamente nas bandas de MF, HF, VHF e UHF. Pódense encontrar agrupacións de antenas de fío. Exemplos de antenas de fío son:

• O monopolo vertical
• O dipolo e a súa evolución, a antena Yagi
• A antena espira
• A antena helicoidal é un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF e UHF. Un condutor describe unha hélice, conseguindo así unha polarización circular.

As antenas de fío analízanse a partir das correntes eléctricas dos condutores.

Antenas de apertura

As antenas de apertura son aquelas que utilizan superficies ou aperturas para direccionar o feixe electromagnético de forma que concentran a emisión e recepción do seu sistema radiante nunha dirección. A máis coñecida e utilizada é a antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satélite. A ganancia de ditas antenas está relacionada coa superficie da parábola, a maior tamaño, maior colimación do feixe teremos e polo tanto maior directividade.

O elemento radiante é o alimentador, que pode iluminar de forma directa a parábola ou de forma indirecta mediante un subreflector. O alimentador está xeralmente localizado no foco da parábola. O alimentador, en si mesmo, tamén é unha antena de apertura (denomínanse antenas de bouina) que pode utilizarse sen reflector, cando o obxectivo é unha cobertura máis ampla (e.g. cando se pretende cubrir a totalidade da superficie da terra desde un satélite en órbita xeoestacionaria).

Pódese calcular a directividade deste certo tipo de antenas, ${\displaystyle D_{0}\,}$, coa seguinte expresión, onde ${\displaystyle S\,}$ é a área e ${\displaystyle \lambda \,}$ é a lonxitude de onda:

${\displaystyle D_{0}={4\pi }{\frac {S}{\lambda ^{2}}}\,}$

Reflectores parabólicos

Hai varios tipos de antenas de apertura, como a antena de bucina, a antena parabólica, a antena parabólica do Radar Doppler e superficies reflectoras en xeral.

Antenas planas

Un tipo particular de antena plana son as antenas de apertura sintética, típicas dos radares de apertura sintética (SAR).

Antenas de Array

Antena de Array

As antenas de array están formadas por un conxunto de dúas ou máis antenas idénticas distribuídas e ordenadas de tal xeito que no seu conxunto se comportan como unha única antena cun diagrama de radiación propio.

A característica principal dos arrays de antenas é que o seu diagrama de radiación é modificable, podéndose adaptar a diferentes aplicacións/necesidades. Isto conséguese controlando de maneira individual a amplitude e fase do sinal que alimenta a cada un dos elementos do array.

Atendendo a distribución das antenas que compoñen un array podemos facer a seguinte clasificación:

• Arrays lineares: os elementos están dispostos sobre unha liña.
• Arrays planos: os elementos están dispostos bidimensionalmente sobre un plano.
• Arrays conformados: os elementos están dispostos sobre unha superficie curva.

A nivel de aplicación, os arrays de antenas utilízanse para a construción de antenas intelixentes.

Unha definición básica dun sistema de antenas intelixentes é calquera configuración adaptativa de múltiples antenas que melloran o rendemento dun sistema de comunicacións sen fíos.

As características das antenas intelixentes cuns feixes de radiación cunha maior directividade (é dicir, maior ganancia e maior selectividade angular), proporcionan múltiples vantaxes:

• Incremento da zona de cobertura: dado que a ganancia é maior que no caso de antenas omnidireccionais ou sectorizadas.
• Redución da potencia de transmisión: a maior ganancia da antena permite incrementar a sensibilidade.
• Redución do nivel de interferencia: a mellor selectividade espacial da antena permitirá ao receptor discriminar os sinais de usuarios interferentes a favor do sinal do usuario desexado. Incluso se poden utilizar antenas intelixentes con configuración antena principal e secundarias onde as secundarias anulan as interferencias.
• Redución da propagación multitraxecto: debido á menor dispersión angular da potencia radiada, redúcese o número de traxectorias que debe seguir o sinal antes de chegar ao receptor.
• Mellora da seguridade: Grazas a que a transmisión é direccional, hai unha probabilidade moi baixa de que un equipo alleo intercepte a comunicación.
• Introdución de novos servizos: ao poder identificar a posición de usuarios pódese aplicar a radiolocalización, tarificación xeográfica, publicidade en servizos próximos...

Clasificación funcional

A clasificación tradicional das antenas baséase, fundamentalmente, na forma na que se distribúe o campo electromagnético na propia antena ou na tecnoloxía utilizada. Non obstante, tamén poden facerse clasificacións desde un punto de vista práctico: unha catalogación das antenas desde o punto de vista das súas prestacións e tecnoloxía, casos de uso concretos e discusións acerca dos parámetros de enxeñaría que axuden no entendemento do seu funcionamento.

Antenas con reflector

A orixe da antena con reflector remóntase a 1888, no laboratorio de Heinrich Hertz, que demostrou experimentalmente a existencia das ondas electromagnéticas que foran preditas por James Clerk Maxwell uns quince anos antes. Nos seus experimentos, Hertz utilizou un reflector parabólico cilíndrico de zinc, excitado por unha chispa na parte central dun dipolo colocado na liña focal e outro similar como receptor.

O seu funcionamento baséase na reflexión das ondas electromagnéticas pola cal as ondas que inciden paralelamente ao eixe principal reflíctense e van parar a un punto denominado foco que está centrado no paraboloide. No caso dunha antena receptora, en cambio, se se trata dunha antena emisora, as ondas que emanan do foco (dispositivo de emisión) vense reflectidas e abandonan o reflector en forma paralela ao eixe da antena.

Cando se desexa a máxima directividade dunha antena, a forma do reflector xeralmente é parabólica, coa fonte primaria localizada no foco e dirixida cara ao reflector.

As antenas con reflector parabólico, ou simplemente antenas parabólicas, utilízanse extensamente en sistemas de comunicacións nas bandas de UHF a partir duns 800 MHz e nas de SHF e EHF. Entre as súas características principais atópanse a sinxeleza de construción e a elevada direccionalidade. A forma máis habitual do reflector é a dun paraboloide de revolución, excitado por un alimentador situado no foco.

Tipos básicos de antenas con reflector

• Foco primario

A superficie destas antenas é un paraboloide de revolución. As ondas electromagnéticas inciden paralelamente ao eixe principal, reflíctense e diríxense ao foco.

O foco está centrado no paraboloide.

Teñen un rendemento máximo de aproximadamente o 60%, é dicir, de toda a enerxía que chega á superficie da antena, o 60% faino ao foco e aprovéitase, o resto pérdese debido principalmente a dous efectos, o efecto spillover e o efecto bloqueo.

A súa relativa gran superficie implica un menor ángulo de anchura do feixe (3 dB), polo que a antena debe montarse con maior precisión que unha antena offset normal. A choiva e a neve poden acumularse no prato e interferir no sinal; ademais como o LNB vai montado centralmente, bloquea moitos sinais coa súa propia sombra sobre a superficie da antena.

Antena Offset

• Offset

Unha antena offset está formada por unha sección dun reflector paraboloide de forma oval. A superficie da antena xa non é redonda, senón oval e simétrica (elipse). O punto focal non está montado no centro do prato, senón a un lado do mesmo (offset), de tal forma que o foco queda fóra da superficie da antena. Debido a isto, o rendemento é algo maior que na de Foco Primario, podendo ser dun 70% ou algo máis.

• Cassegrain

Este tipo de antenas presentan unha gran directividade, unha elevada potencia no transmisor e un receptor de baixo ruído. Utilizar unha grande antena reflectora implica grandes distancias do transmisor ao foco (e a imposibilidade de colocar equipos nel) polo que unha solución é empregar un segundo reflector ou subreflector. No caso do reflector parabólico Cassegrain o subreflector é hiperbólico.

O reflector principal reflicte a radiación incidente cara ao foco primario. O reflector secundario posúe un foco en común co reflector parabólico.

O sistema de alimentación está situado no foco secundario, de maneira que o centro de fases do alimentador coincide co foco secundario do hiperboloide.

O paraboloide converte unha onda plana incidente nunha esférica dirixida cara ao foco primario, que é entón reflectida polo subreflector para formar unha onda esférica incidente no alimentador.

Alimentadores para antenas con reflector (bucinas)

As bucinas son utilizadas como alimentador nas antenas, é dicir, utilízanse para iluminar o reflector formando o que se coñece como antena parabólica. A bucina de alimentación está situada no foco do paraboloide.

Unha única bucina pode utilizarse como unha antena de cobertura global en satélites; ademais pódense agrupar varias bucinas (alimentándoas cunha amplitude e unha fase diferentes), para conseguir un determinado diagrama de radiación e dar cobertura a un país ou continente. A agrupación de bucinas sería o alimentador do reflector.

Nunha transmisión, a bucina emite enerxía desde o foco cara á superficie do reflector, conseguindo radiar sobre o rango de cobertura desexado, mentres que nunha recepción o reflector actúa como un acumulador de enerxía do sinal, que é concentrada cara á bucina alimentadora.

As bucinas poden transmitir ou recibir dúas ondas con polarización distinta, sempre que a polarización sexa ortogonal. Isto conséguese cun dispositivo chamado acoplador ortomodo (OMT), que é un sistema de guía de ondas en forma de T, onde pola guía principal se propagan dous modos dominantes ortogonais e cada guía acaroada soporta un dos dous modos anteriores.

A polarización ha de ser ortogonal, para que non se produzan interferencias.

De acordo coa forma da apertura, as bucinas poden ser de dous tipos: piramidal e cónica.

Bucina piramidal

Bucina Piramidal

É un tipo de bucina rectangular. Ensánchase tanto no plano E como no H, o que permite radiar feixes estreitos en ambos planos. Este tipo de bucinas son adecuadas para sistemas de polarización linear. A súa ganancia pode calcularse exactamente a partir das súas dimensións físicas, por iso se adoitan utilizar como patróns de comparación nas medidas de ganancia. O deseño dunha bucina piramidal require que a súa garganta coincida coa guía rectangular de alimentación.

Bucina cónica

Utilízanse fundamentalmente en antenas de satélites de feixe global. Son as máis adecuadas para utilizar polarizacións circulares, aínda que tamén poden utilizar polarización linear.

Segundo o modo de propagación transmitido clasifícanse como: bucinas de modo dominante, bucinas de modo dual e bucinas corrugadas.

• Bucinas de modo dominante: sintonízase ao modo predominante da guía de onda circular, o modo TE11.
• Bucinas multimodo: sintonízase ao modo de propagación TE11 da onda que se propaga pola guía de onda, xunto ao modo TM11 que é o seguinte modo de propagación.
• Bucinas corrugadas (ou híbridas): axústanse a un modo híbrido (HE11), co que se consegue un ancho de feixe amplo e simétrico grazas ao cal o reflector se alimenta uniformemente. Ademais, con este tipo de bucinas, conséguese unha polarización máis pura.

Bucina con lente dieléctrica

Lentes dieléctricas

Unha lente dieléctrica é un obxecto que nos serve para conseguir que unha onda esférica se transforme nunha onda plana modificando amplitude e fase podendo desta forma gañar directividade na radiación aumentando a ganancia. De forma similar ás lentes ópticas, unha lente dieléctrica está formada por dous materiais de constante dieléctrica diferente cunha forma xeométrica que describe unha curva hiperbólica. Desta maneira, podemos conseguir que unha onda esférica se transforme nunha onda plana conseguindo así aumentar a ganancia. Para isto, é necesario que os camiños eléctricos percorridos sexan os mesmos para calquera posible trazado de raios. Unha das principais vantaxes da utilización deste tipo de dispositivos é poder modificar a distribución de amplitude, facéndoa máis uniforme e aumentando a eficiencia de apertura do sistema. Unha aplicación común das lentes é a súa utilización á saída das antenas de bucina. Mediante este dispositivo, unha fase distorsionada por este tipo de antena pódese corrixir cunha lente colocada á saída da antena.

Grazas á utilización duna lente dieléctrica na boca do alimentador dunha antena (bucina), conséguese diminuír o erro de fase.

Enxeñaría con estas antenas^[2]

Iluminación parabólica sobre pedestal

Para distribucións parabólicas sobre pedestal o modelo de campo de apertura é o seguinte:

E_ab(r) = C + (1 - C) [1 - (r / a) ²] ⁿ

${\displaystyle C\rightarrow }$ Iluminación sobre o bordo da parábola (dB)

${\displaystyle n\rightarrow }$ Nivel do lóbulo secundario

${\displaystyle a\rightarrow }$ Radio da apertura

${\displaystyle a=D/2}$

Distribucións parabólicas sobre pedestal: parámetros de campo radiado

Iluminación no bordo		n=1			n=2
C (dB)	C	HP (rad)	SLL (dB)	E	HP (rad)	SLL (dB)	E
-8	0,398	1,12 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-21,5	0,942	1,14 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-24,7	0,918
-10	0,316	1,14 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-22,3	0,917	1,17 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-27,0	0,877
-12	0,251	1,16 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-22,9	0,893	1,20 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-29,5	0,834
-14	0,200	1,17 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-23,4	0,871	1,23 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-31,7	0,792
-16	0,158	1,19 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-23,8	0,850	1,26 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-33,5	0,754
-18	0,126	1,20 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-24,1	0,833	1,29 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-34,5	0,719
-20	0,100	1,21 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-24,3	0,817	1,32 ${\displaystyle \lambda }$ /2a	-34,7	0,690

${\displaystyle HP\rightarrow }$ Ancho de feixe a -3 dB

${\displaystyle SLL\rightarrow }$ Nivel de lóbulo lateral

${\displaystyle E\rightarrow }$ Eficiencia de iluminación

Ganancia nestas antenas

A ganancia pódese calcular como: G = ${\displaystyle \Pi ^{2}{\frac {D^{2}}{\lambda ^{2}}}\epsilon _{g}}$

${\displaystyle D\rightarrow }$ Diámetro reflector

${\displaystyle \epsilon \rightarrow }$ Eficiencia global

A eficiencia total é debida ás seguintes eficiencias parciais:

• Rendemento de radiación (tipicamente o do alimentador).
• Eficiencia de iluminación (ou de apertura).
• Eficiencia de spillover.
• Eficiencia por contrapolar.
• Eficiencia por erro na superficie.
• Eficiencia por bloqueo.
• Perdas por desprazamentos do alimentador.

Eficiencia de iluminación aplicando o modelo de iluminación parabólica sobre pedestal (n=2)

Eficiencia de Iluminación:

Son as perdas de ganancia relacionadas coa iluminación non uniforme da apertura.

Eficiencia de Spillover:

É a perda de ganancia debida á radiación do alimentador fóra do ángulo que contén o reflector.

A medida que a iluminación do bordo crece, aumenta a eficiencia de iluminación pero diminúe a eficiencia de spillover.

O punto óptimo para a eficiencia Combinada (Iluminación e Spillover), sitúase tipicamente en torno a C=-10 dB,-12 dB.

Eficiencia combinada

Eficiencia por Contrapolar:

É a medida da perda de enerxía na que o compoñente contrapolar radiada.

Nos sistemas centrados que non introducen compoñente contrapolar, esta eficiencia mide as características do alimentador.

Eficiencia por erro na superficie:

Está relacionada coas desviacións da fronte de fase na apertura respecto á onda plana ideal, debidas ás distorsións da superficie dos reflectores.

Eficiencia por Bloqueo:

Aparece a causa da porción de apertura bloqueada por:

• Alimentador (ou subreflector).
• Soportes do alimentador ou do subreflector.

Perdas por desprazamentos:

• Desprazamento lateral:

O desprazamento lateral do alimentador causa un apuntamento do feixe en sentido contrario ao movemento do alimentador.

Prodúcese unha caída da ganancia e o efecto de Coma (incremento asimétrico no nivel dos lóbulos secundarios até xuntarse un deles co lóbulo principal).

• Desprazamento axial:

A variación na posición do alimentador ao longo do eixe z produce un erro de fase de orde cuadrática no campo de apertura que enche os nulos do diagrama de radiación e diminúe a ganancia.

Ganancias típicas

A ganancia dunha antena reflectora de apertura circular obtense como:

G = ${\displaystyle \left({\frac {\pi D}{\lambda }}\right)^{2}\prod _{i}Eficiencias_{i}}$

A eficiencia total que se adoita obter é da orde de:

• Reflector simple centrado: 60%
• Sistema Cassegrain centrado: 65 - 70%
• Sistema Offset: 70 - 75%
• Sistema dobre con superficies conformadas para máxima ganancia: 85 - 90%

Uso de cada tipo de reflector

Antes de definir usos de antenas con reflector débese notar que os tipos se deberían enunciar facendo referencia a que todas son antenas "parabólicas" posto que así queda máis claro que son tipos de parabólicas.

• Antena parabólica de foco primario

Usos: Televisión, radio e transmisión de datos Conexión VSAT:

Usos: Recepción de satélite, pero ten un bloqueo do alimentador que reduce a simetría rotacional e reduce os feixes.

• Antena parabólica Offset

Usos: Antenas de recepción de satélite

• Exemplo 1Arquivado 19 de decembro de 2009 en Wayback Machine.
• Exemplo 2Arquivado 19 de decembro de 2009 en Wayback Machine.
• Antena parabólica Cassegrain

É similar á de Foco Primario, só que ten dous reflectores; o maior apunta ao lugar de recepción, e as ondas ao chocar, reflíctense e van ao foco onde está o reflector menor; ao chocar as ondas, van ao foco último, onde estará colocado o detector. Adóitanse utilizar en antenas moi grandes, onde é difícil chegar ao foco para o mantemento da antena. Aplicacións de radar multifunción.^[3]

Aplicacións militares.

• Sistema de antena Multifeixe (MBA system)

Antena Multifeixe Offset

Antena Multifeixe Cassegrain

As antenas multifeixe ou sistemas MBA utilízanse xeralmente en sistemas de satélite.

Este tipo de antenas están formadas por arrays de elementos alimentadores e circuítos de control para variar a potencia variando ou combinando funcións do BFN, desta maneira conséguese xerar unha rede ou matriz de feixes (BFN beam-forming network).

Cada elemento do array ilumina cunha apertura óptica xerando un feixe, o ancho de feixe dun raio vai determinado polo tamaño da apertura óptica e a posición. A separación angular dos raios está determinada pola separación entre os elementos.

Con esta configuración, os satélites poden comunicarse a través dunha soa antena con varias estacións xeograficamente dispersas.

Existen varios tipos de antenas multifeixe, os máis importantes e usados son:

• Offset Este tipo de antena obtense recortando de grandes antenas parabólicas de forma esférica, teñen o foco desprazado cara a abaixo, de tal forma que queda fóra da superficie da antena, por esta razón, o rendemento é maior que na de foco primario, chegando a ser dun 70% aproximadamente. O diagrama de directividade ten forma de óvalo.
• Cassegrain. Estas antenas son similares ás de Foco Primario, a diferenza é que teñen dous reflectores; o maior deles apunta ao lugar de recepción e as ondas ao chocar, reflíctense e van ao foco onde está o reflector menor; ao chocar as ondas, van ao foco último, onde estará colocado o detector. Acostúmanse utilizar antenas moi grandes, onde é difícil chegar ao foco para o mantemento da antena. Ademais utilizan un reflector que leva o radiador primario no foco do mesmo. A dirección do feixe pódese modificar cambiando a posición dos elementos radiadores arredor do foco, débese ter en conta o bloqueo que producen os radiadores dispostos en torno a este. Por este motivo é máis útil o emprego de configuracións Offset.

Antenas planas

Tipos básicos de antenas planas

Antenas de bucle magnético

As antenas de bucle magnético consisten nun bucle de forma circular, octogonal ou rectangular. O perímetro da antena pode ser da orde da lonxitude de onda, ou ben bastante menor.

Estas antenas teñen unha elevada direccionalidade, co máximo de recepción no plano da antena, e o mínimo no plano perpendicular ao plano da antena,

Son pouco afectadas pola terra a partir de alturas superiores a un metro e medio.

En contrapartida, estas antenas desenvolven tensións de varios quilovolts en bornes, o que significa que os materiais deben ser capaces de desenvolver esas tensións. As medidas de seguridade tamén se ven afectadas.

Finalmente, o ancho de banda é duns poucos quilohertz, o que significa que en caso de cambio de frecuencia require un novo axuste da impedancia.

Antenas Microstrip^[4]

As antenas Microstrip son un tipo de antenas planas. Son unha extensión da liña de transmisión Microstrip. As antenas planas son monomodo. Son unhas antenas resoantes impresas, para conexións sen fíos en microonda de banda estreita que require unha cobertura semiesférica. Debido á súa configuración planar e fácil integración, este tipo de antenas adóitanse usar como elementos dun array. A forma e dimensións calcúlanse para que o parche disipe a potencia en forma de radiación A súa estrutura baséase en: - Parche metálico de dimensións comparables á lonxitude de onda - Substrato dieléctrico sen perdas - Plano de masa

Inconvenientes: - Baixa eficiencia - Baixa potencia - Alto Q - Pobre pureza de polarización - Banda estreita - Radiación espuria das liñas

Vantaxes: - Baixo perfil - Conformable a estruturas - Fabricación simple e barata - Robustas - Combinable con circuítos integrados de microondas - Versátiles na elección da frecuencia de resonancia ou polarización

Existen varios tipos de antenas microstrip, a máis común é a antena parche. Esta antena é de banda estreita e está fabricada cubrindo os elementos da antena nun metal con substrato dieléctrico formando unha superficie plana. As formas máis comúns dos parches son cadrados, rectangulares, circulares e elípticas, pero é posible calquera forma.

Estas antenas adoitan estar montadas en avións ,naves espaciais ou incorporadas a radios de comunicacións móbiles. As antenas microstrip son baratas de construír grazas á súa simple estrutura. Estas antenas tamén son utilizadas en UHF xa que o tamaño da antenas é directamente proporcional ao ancho de banda da frecuencia de resonancia. Unha soa antena microstrip pode ter unha ganancia de 6-9dBi. Un array destas antenas consegue maiores ganancias que unha soa antena microstrip. A antena microstrip máis utilizada é a de parche rectangular. Esta antena é aproximadamente a metade da sección da lonxitude de onda da liña de transmisión dunha microstrip rectangular. Unha vantaxe destas antenas é a diversidade de polarización, poden ser facilmente deseñadas para estar polarizadas en vertical, horizontal, circular dereita ou circular esquerda.

Este tipo de antenas deséñanse a partir de liñas de transmisión ou resoadores sobre substrato dieléctrico. A súa estrutura consiste nun parche metálico sobre un substrato dieléctrico sen perdas. O grosor varía entre 0.003${\displaystyle \lambda \,}$ e 0.05${\displaystyle \lambda \,}$ e a súa constante dieléctrica pode tomar valores entre 2 e 12. Na parte inferior hai un plano condutor perfecto.

As antenas parche son un tipo popular de antena cuxo nome vén do feito de que consisten basicamente nun parche de metal tapado por un soporte plano que normalmente é de plástico e o protexe de danos.

Antena parche

Configuración

A antena parche máis simple usa un parche cunha lonxitude que é a metade da lonxitude de onda e un soporte máis longo. O fluxo da corrente vai na dirección do cable de alimentación, así o vector de potencia e o campo magnético seguen a mesma dirección que a corrente. Unha antena simple deste tipo radia unha onda polarizada linearmente.

Ganancia

Nunha antena microstrip con parche rectangular mentres a lonxitude do parche sexa a mesma que a do dipolo resoante podemos ter 2 dB de ganancia da directividade da liña vertical do parche. Se o parche é cadrado poden ser outros 2 ou 3 dB. O soporte plano impide a radiación arredor da antena reducindo a potencia media en todas as direccións nun factor de 2, o que fai que a ganancia aumente en 3 dB. Un patrón típico de diagrama de radiación dunha antena polarizada linearmente de 900 MHz é o debuxado na gráfica que se a continuación. Esta amosa un corte no plano horizontal, o plano vertical é moi similar.

Nesta gráfica podemos ver que nun ángulo de 90º, a radiación é máxima, mentres que se nos vamos afastando, a radiación é menor e acaba caendo 3 dB. Tamén se pode ver que por detrás do parche hai unha pequena radiación.

Comparación entre dúas antenas: a antena "A" cun parche de 2×2 dm e a antena "B" con 3×3 dm. Pode observarse como varía o ancho de banda e a perda de retorno segundo vai aumentando a frecuencia.

Impedancia do ancho de banda

A impedancia do ancho de banda dunha antena está influenciado polo espazo que hai entre o parche e o soporte plano, canta menos distancia haxa, radiarase menos enerxía e máis enerxía se quedará na indutancia e capacitancia da antena, co que o factor Q aumenta. A ecuación para estimar o ancho de banda destas antenas é:

${\displaystyle {\frac {\delta f}{f_{res}}}={\frac {Z_{0}}{2R_{rad}}}{\frac {d}{W}}}$

Onde d é a altura do parche, W é o ancho, Z0 é a impedancia de espazo libre e Rrad é a resistencia de radiación da antena. Unha ecuación reducida podería ser:

${\displaystyle {\frac {\delta f}{f_{res}}}=1.2\left({\frac {d}{W}}\right)}$

Polarización circular

Polarización circular

Tamén é posible fabricar antenas con ondas polarizadas circularmente. Mirando o debuxo pódese ver como se introduce un retardador de frecuencia que o que fai é desfasar o vector en 90º e así conséguese que sexa unha radiación circular.

Algunhas das aplicacións destas antenas son para antenas dos sistemas de teledetección, sistemas de posicionamento global, antenas de móbiles, aplicadores de calor de tratamentos de hipertermia, altímetros de avións, aplicacións militares e todos os sistemas a frecuencias de microondas.

Estas antenas pódense alimentar de varias formas:

• A través de liñas impresas
• A través de rañuras
• Sondas coaxiais
• Acoplamento das cavidades

Pódese encontrar un modelo de simulación e a configuración dos distintos parámetros destas antenas na seguinte páxina:

Unha páxina onde se pode calcular unha antena cos valores que desexes é:

Antenas de apertura sintética (SAR)

Este tipo de antenas ou radares ilumina unha escena a través dunha sucesión de pulsos nunha frecuencia determinada. Unha parte da enerxía que se propaga (en todas as direccións) retorna á antena (eco). Un sensor mide a intensidade e o retardo dos sinais emitidos e os que volven e coa interpretación destes últimos fórmanse imaxes en función da distancia ao radar. Este radar é un sensor activo, xa que leva a súa propia fonte de alimentación. Opera principalmente na radiación microondas, o que fai que sexa máis independente de factores externos como chuvia, nubosidade ou néboa. Isto permite a observación continua, incluso en horario nocturno.

Trabállase en dominio discreto ao facer mostraxe dos sinais. As imaxes radar están compostas por moitos puntos ou elementos, denominados píxeles. Cada píxel representa un eco de volta detectado.

Uns satélites que utilizan este tipo de antena ou radar son o European Remote Sensing Satellite 1 e European Remote Sensing Satellite 2 (ERS 1 e ERS 2).

Aplicacións das antenas planas

Radio dixital por satélite

Trátase dun servizo de radio con procesamento dixital de son que pode ser utilizado tanto en edificios coma en vehículos. Os abonados a este servizo poderán dispor de máis de 100 canles coa posibilidade de escoitar a mesma emisora de radio sen ter que mover o dial do receptor de radio.

Este sistema só existe en Estados Unidos e hai 2 equipos dispoñibles: Sony XM -Plug and Play- Radio e Pioneer XM Universal Receiver.

As empresas que lanzaron este sistema son XM e Worldspace.

SAR

En canto aos SAR algunhas das súas aplicacións son:

• Xeración de modelos dixitais de terreo. Reconstrúense as altitudes de terreo a partir do desenvolvido de fase dun interferograma. Isto ten importantes aplicacións que inclúen a planificación de redes de telecomunicación móbil, explotación xeolóxica e planificación urbana. Tamén é útil para a construción de modelos topográficos en áreas remotas onde non se dispón de datos.
• Control do xeo no mar. A observación case continua sen a influencia das condicións meteorolóxicas e a longa noite invernal proporciona datos para servizos de navegación en inverno. Cun estudo deste tipo obtéñense datos como localizacións de masas de xeo, estimacións do tipo de xeo e a súa concentración.
• Clasificación de uso de terra e monitorización de montes. Pódese estudar a resposta en amplitude ou intensidade do sinal ou eco de retorno para controlar distintos tipos de cultivos, cortes de árbores incontrolados, é dicir, os diferentes cultivos pódense identificar segundo os seus efectos sobre a variación da coherencia ou sobre a resposta espectral.
• Identificación de depósitos materiais. Pódense detectar os accidentes e estruturas que indican a presenza de depósitos minerais, ben sexa para prospección con fins de explotación como de estudo.
• Vixilancia de zonas costeiras. Utilízanse este tipo de radares para controlar os efectos do crecemento incontrolado nas zonas costeiras. Algúns destes efectos poden ser acumulación de contaminantes, erosión, esgotamento rápido de recursos...
• Inundacións. Pódense empregar estas técnicas para ter modelos hidrolóxicos e de leitos que sirvan como previsión.
• Control de glaciares. É posible medir con estes radares as súas dimensións así como controlar as súas variacións ao longo do tempo.

Antenas sectoriais

Son a mestura das antenas direccionais e as omnidireccionais. É unha solución tecnolóxica ideal para a planificación de redes móbiles celulares.

As antenas sectoriais emiten un feixe máis amplo que unha direccional pero non tan amplo como unha omnidireccional. A intensidade (alcance) da antena sectorial é maior que a omnidireccional pero algo menor que a direccional.

Para ter unha cobertura de 360º (como unha antena omnidireccional) e un largo alcance (como unha antena direccional) deberemos instalar ou tres antenas sectoriais de 120º ou 4 antenas sectoriais de 80º. As antenas sectoriais adoitan ser máis custosas que as antenas direccionais ou omnidireccionais.

A continuación podemos ver o diagrama patrón dunha antena sectorial:

Combinando varias antenas nun mesmo mastro, podemos lograr cubrir un territorio amplo, mitigando o efecto do ruído e ampliando o ancho de banda:

Exemplo cálculo antenas sectoriais

Para simular un simple exemplo de cálculo de antenas sectoriais utilizamos o seguinte applet: Applet cálculo antenas sectoriais

Calcularemos os diagramas para a seguinte antena real:

Estudando a fotografía vemos que o número de elementos é 3, polo que N=3

Por outro lado, para o funcionamento do Applet necesitamos coñecer a distancia d. Esta distancia, é a distancia en mm entre os dous centros de dúas antenas contiguas. Esta distancia é polo tanto unha lambda (lonxitude de onda). Se nos fixamos no noso caso d = 0,92*lambda.

Para coñecer a súa fase Beta = K * d , sendo d coñecida e K=2*Pi / lambda.

Desta maneira vemos que Beta é igual a Beta = 2*Pi*distancia, sendo no noso caso Beta=2*Pi*0,92 radiáns. En graos Beta= 2*Pi*0,92*Pi / 180 = 0,1º, é dicir, practicamente cero.

Para estes parámetros obtemos o seguinte patrón:

Enxeñaría con antenas planas

Efecto do dieléctrico

A carga dieléctrica dunha antena microstrip afecta tanto á radiación como á súa impedancia de ancho de banda. A medida que incrementa a constante dieléctrica do substrato, o ancho de banda diminúe, o que fai que diminúa tamén o factor Q e polo tanto tamén diminúe a impedancia de ancho de banda. Isto non aparece inmediatamente cando se utiliza o modelo linear de transmisión pero si cando utilizamos o modelo de cavidade. A radiación dunha antena microstrip rectangular pódese entender como un par de rañuras equivalentes. Estas rañuras poden actuar como un array e ter a súa directividade máis alta cando a antena ten como dieléctrico o aire e diminúe cando a antena é cargada con material con incremento relativo da constante dieléctrica do condutor.

Antenas de dipolos

Un dipolo é unha antena con alimentación central empregada para transmitir ou recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son as máis simples desde o punto de vista teórico.

Tipos básicos de antenas de dipolo

Dipolo curto

Un dipolo curto (ou tamén chamado dipolo elemental) é un dipolo cunha lonxitude moito menor que a lonxitude de onda con polarización linear (horizontal ou vertical).

A 1 MHz de frecuencia, a lonxitude de onda é de 300 m. Polo tanto, a maioría das antenas compórtanse como dipolo curto a frecuencias menores de 1 MHz.

Dipolo de media onda

É un dipolo moi similar ao dipolo curto, pero neste caso a lonxitude é igual á metade da lonxitude de onda.

Dipolo dobrado

Un dipolo dobrado consiste en dous dipolos paralelos curtocircuitados no seu extremo. Un dos dipolos é alimentado no centro por un xerador.

O ancho de banda do dipolo dobrado é superior á do dipolo simple, debido a que as reactancias se compensan e tamén ten unha maior impedancia.

Antena Yagi

Unha antena Yagi consiste nunha antena de dipolo á cal se lle engaden uns elementos chamados "parasitos" para facelo direccional. Estes elementos poden ser directores ou reflectores.

Os elementos directores colócanse diante da antena e reforzan o sinal no sentido de emisión.

Os elementos reflectores colócanse detrás e bloquean a captación de sinais na dirección oposta ao emisor.

Log periódica

Antena logoperiódica.

Unha antena de tipo log periódica é unha antena cuns parámetros de impedancia ou de radiación que son unha función periódica do logaritmo da frecuencia de operación. O deseño destas antenas realízase a partir dunhas certas dimensións como as dimensións dun dipolo ou a separación que se van multiplicando por unha constante. Un dos deseños máis coñecidos é a agrupación logoperiódica de dipolos.

Array

Unha antena array é un conxunto de elementos radiantes individuais alimentados desde un mesmo terminal mediante redes lineares. Normalmente adoitan ser elementos iguais e coa mesma orientación. Pódense encontrar moitos tipos de arrays diferentes dependendo da súa clasificación. As agrupacións pódense clasificar por exemplo segundo:

1. A súa xeometría
2. A rede
3. A súa aplicación
4. A súa funcionalidade

Enxeñaría con estas antenas

Log periódica

Unha antena de tipo logarítmica periódica é unha antena cuns parámetros de impedancia ou de radiación que son unha función periódica do logaritmo da frecuencia de operación. Cunha construción similar á da antena Yagui, só que as diferenzas de lonxitudes entre os elementos e as súas separacións seguen unha variación logarítmica en vez de linear.

A vantaxe da antena logarítmica sobre a Yagui é que aquela non ten un elemento excitado, senón que recibe alimentación en todos os seus elementos. Con isto conséguese un ancho de banda maior e unha impedancia parella dentro de todas as frecuencias de traballo desta antena.

Funcionamento: A receptora do sinal ou a súa rexión activa cambia continuamente dependendo da frecuencia, onde na frecuencia máis baixa de operación, o elemento longo é o resoante e o resto de elementos actúan como directores. Na frecuencia máis alta, o elemento máis curto resoa e os outros elementos (máis longos) actúan como reflectores no centro da banda de frecuencia.

Antena banda larga: con dipolos resoando en diferentes frecuencias estreitas, nunha mesma antena, conseguimos abrir o ancho de banda da antena. Antena multibanda: con dipolos resoando en diferentes bandas, podemos obter unha antena capaz de ser multibanda.

Estas antenas poden prover até 10 dB máis de ganancia que unha antena de 1/4 de onda, á vez que poden atenuar até 30 dB fontes de interferencia provenientes doutras direccións. A lonxitude do elemento horizontal e o número de elementos transversais determinan o ancho de banda e a direccionalidade da antena.

Utilízanse principalmente para transmitir sinais de TV, FM e para comunicacións militares.

Fonte: http://www.upv.es/antenas/ Arquivado 21 de xuño de 2012 en Wayback Machine.

Yagi

A continuación móstranse tres tipos de antenas, cunha comparación que ilustra o común destas antenas, e tamén as súas diferenzas. Este tipo de exercicio é o que os enxeñeiros deben realizar para elixir a antena máis axeitada en cada caso. ^[5]

Antena Yagi 1044

Este tipo de antena ten un ancho de banda do 57 % (canais 21-69) e unha ganancia de 16,5 dBi. Á hora de seleccionar unha antena un enxeñeiro debe ter en conta outros conceptos como a descrición da antena que se fai a continuación. Estas antenas caracterízanse polo deseño en X dos seus elementos directores, os cales a fan máis curta que unha antena Yagi convencional. Esta construción consegue unha elevada inmunidade contra os sinais xerados pola actividade humana, tales como motores ou electrodomésticos; e unha perfecta adaptación de impedancias.

Antena Yagi 1443

Esta antena ten un ancho de banda e unha ganancia moi similar ao exemplo anterior. Está composta por un array angular de dous conxuntos de elementos directores dispostos en V. Da mesma maneira que a antena descrita anteriormente, esta tamén ten unhas reducidas dimensións.

Antena Yagi 1065

Este tipo de antena, ao ter moitos menos directores e ter un único reflector, ten unha ganancia moito menor que as antenas anteriores. Neste caso a ganancia é de 9,5 dBi. Desta maneira pódese apreciar cal é a función dos reflectores e directores nas antenas de dipolo e como estes modifican a ganancia das mesmas.

Dipolo dobrado

Á hora de estudar este tipo de dipolos, a corrente que os alimenta adóitase descompoñer en dous modos; par (ou modo antena), e impar (ou modo liña de transmisión).

A análise en modo par é o que se realiza cando se ten en conta que en ambos brazos hai a mesma alimentación e no mesmo sentido. A análise en modo impar, non obstante, é el que se fai tendo en conta un sentido contrario da corrente en cada brazo (dous xeradores con signos opostos). As correntes totais serán polo tanto a suma das correntes que hai en cada modo.

Análise do modo impar

O modo impar equivale a dúas liñas de transmisión en curtocircuíto, alimentadas en serie. A impedancia dunha liña de transmisión de lonxitude H, terminada en curtocircuíto é

${\displaystyle z_{t}=jz_{0}\tan kH}$

A corrente do modo impar do dipolo dobrado é

${\displaystyle I_{Impar}={\frac {V}{2jZ_{0}\tan kH}}}$

Análise do modo par

A partir da seguinte fórmula calcúlase a corrente do modo par:

${\displaystyle I_{Par}={\frac {V}{4z_{d}}}}$

Sendo ${\displaystyle z_{d}}$ a impedancia dun dipolo illado, xa que a impedancia mutua de dous dipolos próximos tende á impedancia dun dipolo illado.

Unha vez calculadas as correntes tanto en modo par como impar, sumaranse para calcular a corrente total. A fórmula resultante será a seguinte:

${\displaystyle I_{Total}={\frac {V}{4z_{d}}}+{\frac {V}{2jZ_{0}\tan kH}}}$

O ancho de banda do dipolo dobrado é superior á do dipolo simple, debido a que as reactancias se compensan. Tamén hai que ter en conta que a relación entre as correntes do dipolo dobrado e do dipolo illado é ${\displaystyle 2I_{dd}=I_{d}}$, e que a potencia na entrada dos dous dipolos é idéntica, do que se deduce que

${\displaystyle z_{dd}=4z_{d}}$

En conclusión, un dipolo dobrado equivale a un dipolo simple con corrente de valor dobre, e impedancia 4 veces. O diagrama de radiación, non obstante, será igual ao do dipolo simple.

Arrays

O parámetro fundamental no deseño dun array de antenas é o denominado factor de array.

O factor de array é o diagrama de radiación dunha agrupación de elementos isotrópicos.

Cando os diagramas de radiación de cada elemento do array son iguais e os elementos están orientados na mesma dirección do espazo, o diagrama de radiación da agrupación pódese obter como o produto do factor de array polo diagrama de radiación do elemento.

Para analizar o comportamento dunha antena array adóitase dividir a análise en dúas partes: rede de distribución do sinal e conxunto de elementos radiantes individuais. A rede de distribución vén definida pola súa matriz de impedancias (Z), admitancias (Y) ou parámetros de dispersión (S). Para analizar o Array, excítase un só elemento e os demais déixanse en circuíto aberto. Tamén hai moitos casos nos que se debe ter en conta o que inflúen os demais elementos na radiación do elemento alimentado (isto denomínase "acoplamento"). O diagrama de radiación é o produto do diagrama do elemento e do factor de array. Grazas ao factor de array (valor escalar) pódese analizar a xeometría e a lei de excitación sobre a radiación.

A fórmula para calcular o campo total radiado será a seguinte:

${\displaystyle {\vec {E}}_{grupo}={\vec {E}}_{elemento}F}$

Factor de array:

${\displaystyle F(\theta ,\phi )=\sum A_{i}e^{jkr{\vec {r_{1}}}}}$

Resto de parámetros:

${\displaystyle r{\vec {r_{1}}}=x_{i}\operatorname {sen}(\theta )\cos(\phi )+y_{i}\operatorname {sen}(\theta )sen(\phi )+z_{i}\cos(\theta )}$

${\displaystyle k={\frac {2\pi }{\lambda }}={\frac {w}{v}}}$

Arrays de dipolos para Redes GSM/UMTS

Acoplamento entre elementos radiantes

Normalmente unha antena sitúase nunha parede ou sobre unha estrutura e moitas veces rodeada de elementos condutores. As estacións base das antenas modernas GSM, incluso adoitan estar compostas de múltiples antenas por sector, onde é posible que dúas antenas estean tan cerca que poden interferir na súa radiación. Os operadores GSM deben ter isto en conta xa que a ganancia da antena pode variar. Esta distorsión pode utilizarse no noso favor se é necesario, simplemente engadindo algún director ou reflector na área próxima para conseguir máis dBs na dirección desexada.^[6]

Aspectos xerais relacionados coa física das antenas

Influencia da Terra

A condutividade do terreo é un factor determinante na influencia da terra sobre a propagación das ondas electromagnéticas. A condutividade da superficie da terra depende da frecuencia das ondas electromagnéticas que inciden sobre ela e do material pola que estea composta, comportándose como un bo condutor a baixas frecuencias e reducindo a súa condutividade a frecuencias maiores.

O coeficiente de reflexión do solo é un parámetro relacionado coa condutividade e informa acerca de como se reflicten as ondas nel. O seu valor depende do ángulo de incidencia e do material que conforma o solo: terra húmida, terra seca, lagos, mares, zona urbana etc.

Para un determinado coeficiente de reflexión, a enerxía reflectida polo solo aumenta a medida que aumenta o ángulo de incidencia respecto da normal, sendo a maior parte da enerxía reflectida cando a incidencia é rasante, e tendo os campos eléctrico e magnético da onda reflectida case a mesma amplitude que os da onda incidente.

No caso das antenas, tratándose habitualmente de emisión ou recepción a grandes distancias, case sempre existe unha incidencia rasante.

O raio reflectido pola terra pode modelarse, desde o punto de vista da antena receptora, como o raio transmitido por unha antena imaxe da antena transmisora, situada baixo o solo. O raio reflectido percorre máis distancia que o raio directo.

A aparencia da antena imaxe é unha imaxe especular da aparencia da antena transmisora real. Nalgúns casos pódese considerar que a onda transmitida desde a antena real e a onda transmitida desde a antena imaxe teñen aproximadamente a mesma amplitude, noutros casos, por exemplo cando o solo ten irregularidades de dimensións similares ou maiores que a lonxitude de onda, a reflexión do raio incidente non será neta.

A distancia percorrida polo raio reflectido pola terra desde a antena transmisora até a antena receptora é maior que a distancia percorrida polo raio directo. Esa diferenza de distancia percorrida introduce un desfase entre as dúas ondas.

A figura da dereita representa un ángulo de incidencia respecto da horizontal ${\displaystyle \scriptstyle {\theta }}$ moi grande cando, na realidade, o ángulo acostuma ser moi pequeno. A distancia entre a antena e a súa imaxe é ${\displaystyle \scriptstyle {d}}$.

A reflexión das ondas electromagnéticas depende da polarización. Cando a polarización é horizontal, a reflexión produce un desfase de ${\displaystyle \scriptstyle {\pi }}$ radiáns, mentres que cando a polarización é vertical, a reflexión non produce desfase.

A compoñente vertical da corrente reflíctese sen cambiar de signo, en cambio, a compoñente horizontal cambia de signo.

No caso dunha antena que emite con polarización vertical (campo eléctrico vertical) o cálculo do campo eléctrico resultante é o mesmo que en radiación dun par de antenas. O resultado é:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{\perp }\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\cos \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}}$

A inversión de signo para o campo paralelo só cambia un coseno nun seno:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{=}\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\sin \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}}$

Nestas dúas fórmulas:

• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{\theta _{1}}}}$ é o campo eléctrico da onda electromagnética radiado pola antena se non houbese a terra.
• ${\displaystyle \scriptstyle {k={2\pi \over \lambda }}}$ é o número de onda.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$ é a lonxitude de onda.
• ${\displaystyle \scriptstyle {d}}$ é a altura da antena.

Antenas en recepción

Os diferentes tipos de antenas e a súa irradiación.

O campo eléctrico dunha onda electromagnética induce unha tensión en cada pequeno segmento do condutor dunha antena. A corrente que circula na antena ten que atravesar a impedancia da antena.

Utilizando o teorema de reciprocidade pódese demostrar que o circuíto equivalente de Thévenin dunha antena en recepción é o seguinte:

Circuíto equivalente

${\displaystyle V_{a}={{\sqrt {R_{a}G_{a}}}\,\lambda \cos \psi \over \pi {\sqrt {120}}}E_{b}}$

• ${\displaystyle \scriptstyle {V_{a}}}$ é a tensión do circuíto equivalente de Thevenin.
• ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{a}}}$ é a impedancia do circuíto equivalente de Thevenin e é igual á impedancia da antena.
• ${\displaystyle \scriptstyle {R_{a}}}$ é a resistencia en serie da impedancia ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{a}}\,}$ da antena.
• ${\displaystyle \scriptstyle {G_{a}}}$ é a ganancia da antena (a mesma que en emisión) na dirección de onde veñen as ondas electromagnéticas.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$ é a lonxitude de onda.
• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{B}}}$ é o campo eléctrico da onda electromagnética incidente.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }}$ é o ángulo que mide o desaliñado do campo eléctrico coa antena. Por exemplo, no caso dunha antena formada por un dipolo, a tensión inducida é máxima cando o dipolo e o campo eléctrico incidente están aliñados. Se non o están, e forman un ángulo ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }}$, a tensión inducida estará multiplicada por ${\displaystyle \scriptstyle {\cos \psi }}$.

O circuíto equivalente e a fórmula da dereita son válidos para todo tipo de antena: que sexa un dipolo simple, unha antena parabólica, unha antena Yagi-Uda ou unha rede de antenas.

He aquí tres definicións:

${\displaystyle {\begin{matrix}{\text{Lonxitude eficaz da antena}}&=&\textstyle {{\sqrt {R_{a}G_{a}}}\lambda \cos \psi \over \pi {\sqrt {120}}}\\&&\\{\text{Potencia disponible máxima}}&=&\textstyle {{G_{a}\lambda ^{2} \over 480\pi ^{2}}E_{b}^{2}}\\&&\\{\text{Superficie eficaz ou sección eficaz}}&=&\textstyle {{G_{a} \over 4\pi }\lambda ^{2}}\\\end{matrix}}}$

O corolario destas definicións é que a potencia máxima que unha antena pode extraer dunha onda electromagnética depende exclusivamente da ganancia da antena e do cadrado da lonxitude de onda (λ).

A intensidade de radiación é a potencia radiada por unidade de ángulo sólido.

Notas

1. "Salvan: Cradle of Wireless, How Marconi Conducted Early Wireless Experiments in the Swiss Alps", Fred Gardiol & Yves Fournier, Microwave Journal, February 2006, pp. 124-136.
2. Universidad Politécnica de Madrid: Reflectores
3. Brucker, Jean-Michel; FR; Estang, Bernard; FR (16 de setembro de 1986). "United States Patent: 4612550 - Inverted Cassegrain antenna for multiple function radars". Patent Full Text Database. US Patent and Trademark Office (en inglés). Arquivado dende o orixinal o 04 de febreiro de 2019. Consultado o 04 de febreiro de 2019.
4. Wikipedia en inglés: artigo "Microstrip Antenna"
5. Televés
6. Applied Electromagnetics and Communications, 2003. ICECom 2003. 17th International Conference

Véxase tamén

Bibliografía

• Antenas. A. Cardama, L. Jofre, J.M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. Edicions UPC ISBN 84-8301-625-7
• Antenna Theory: Analysis and Design (John Wiley & Sons, 2005) by Constantine A. Balanis
• Introducción a la teoría de antenas Arquivado 09 de xullo de 2012 en Wayback Machine.
• Radiocomunicaciones Arquivado 02 de decembro de 2017 en Wayback Machine., Curso con cientos de preguntas y ejercicios prácticos de autoevaluación para el diseño práctico de radioenlaces, Francisco Ramos Pascual, 2007.

Ligazóns externas

Wikimedia Commons ten máis contidos multimedia na categoría:  Antena

• Antena Tutorial
• Open Course Ware: Asignatura de Antenas
• Curso de antenas Arquivado 21 de xuño de 2012 en Wayback Machine....
• Reflectores
• Applets interactivos para entender los conceptos de Antenas
• Símbolos de antenas
• Pasos para construcción de antena casera para WiFi