ANTENAS
1. INTRODUCCION
1.1 Tipos de antenas
Las
antenas pueden clasifícarse, en términos generales, ya sea por el espectro de
frecuencia en que suelen aplicarse o por su modo básico de radiación. En el
prímer tipo de clasíficacíón, los típos de antenas obedecen a las designaciones
usuales de las bandas y se describen como antenas de VLF, LF, MF, HF, UHF y
mícroondas, conforme a su frecuencia de operacíón. En el segundo tipo de
clasificación, las antenas pueden dividirse en cuatro grupos:
·
De elemento de corriente.
·
De onda progresiva.
·
Múltiples.
·
De abertura.
Los
cuatro grupos pueden distinguirse por el tamaño de la antena medido en
longitudes de onda, que a su vez puede relacionarse con las distintas regiones
del espectro en las cuales suelen aplicarse las antenas. La clasificación de
las antenas en estos cuatro grupos es solamente una aproximación, con
bastantes excepciones. A pesar de ello, constituye una forma conveniente de
organizar el tema de los fundamentos de las antenas.
En el
análisis matemático de las antenas, la elección correcta del sistema de
coordenadas es a menudo un factor importante para simplificar las expresiones
de los campos y corrientes electromagnéticos asociados con el sistema de la
antena. Dependiendo de la configuración geométrica implicada, es una práctica
común utilizar los sistemas de coordenadas cartesianas, polares, cilíndricas o
esféricas.
1.2 Parámetros de la antena
1.2.1
Características de radiación.
La
característica (o diagrama) de radiación es el parámetro más importante de una
antena, ya que muchos de los demás parámetros suelen deducirse a partir de
éste. Debido al principio de reciprocidad, la característica de radiación de
una antena de transmisión es equivalente a la caraeterística de recepción de
la misma antena cuando se utiliza en el modo de recepción. Por definición, la
característica de radiación representa el cambio de la intensidad del campo
eléctrico sobre la superficie de una gran esfera de radio r centrada con
respecto a la antena radiante. En coordenadas esféricas, es una gráfica de la
intensidad del campo eléctrico E(f,q) como función de las variables direccionales. En la
práctica, esta característica tridimensional se mide y registra en una serie de
patrones bidimensionales. Sin embargo, en el caso de las antenas direccionales
de un solo haz, puede obtenerse suficiente información acerca de la característica
tridimensional a partir de sólo dos patrones planos bidimensionales que
incluyen la dirección máxima del haz principal. Estos patrones planos se denominan
características de los planos principales de la antena, tales como el plano xy
(q = 90 °) y el plano xz (f = 0 °). Para una antena polarizada linealmente, las
características de planos principales también pueden denominarse características
de plano E y de plano H, siempre que un plano contenga el vector de campo E y
el otro contenga et vector de campo H.
La
característica de radiación puede representarse gráficamente en una variedad de
formas, de las cuales las más comunes son las gráficas bidimensíonales en
coordenadas polares o cartesianas. La amplitud relativa de la energía radiada
puede registrarse como una característica de potencia relativa (P/Pmáx), una
característica de campo relativa (E/Emáx), una característica de potencia
logarítmica (10 log(P/P,máx)] o una característica de campo logarítmica (20
log(E/Emáx)]..
La
característica de radiación puede utilizarse para obtener el ancho (o abertura
angular) del haz principal y el nivel del lóbulo lateral. El ancho del haz
principal se especifica como la diferencia angular entre los dos puntos en la
característica de radiación donde la potencia ha caído a la mitad del valor de
cresta, o -3 dB en la escala de decibeles. El nivel del lóbulo lateral
representa el nivel del mayor lóbulo menor como fracción del nivel del haz
principal, y a menudo se especifica en decíbeles.
El espacio que rodea a una antena suele
subdividirse en tres regiones o zonas:
1.
Región reactiva de campo próximo.
2.
Región radiante de campo próximo (de Fresnel).
3.
Región de campo lejano (de Fraunhofer).
La
primera de estas regiones está muy cerca de la antena, donde las componentes
reactivas de los campos electromagnéticos son muy grandes respecto a los
campos radíantes. La segunda regíón se encuentra localizada entre la región
reactiva de campo cercano y la región de campo lejano, donde los campos
radiantes predominan y donde la distribución de campo angular depende de la
distancia a la antena. La región de campo lejano se define como la región
donde la distribución de campo angular es esencialmente independiente de la
distancia a la antena. Su frontera aterior se toma como la distancia radial R =
2D2/l, donde D es la mayor
dimensión de la antena, mientras que la frontera exterior se localiza en el
infinito. Es en esta región donde la característica de radiación de la antena
se mide, calcula o ambas cosas.
1.2.2
Directividad, ganancia y eficiencia.
La
directividad de una antena es una medida de sus propiedades direccionales o de
su capacidad de concentrar la potencia radiada en distintas direcciones. Por
lo general la directividad se especifica respecto a un radiador isotrópico,
que es una antena hipotética que radia uniformemente en todas direcciones
Aun
cuando la directividad puede especificarse en cualquier dirección, se
acostumbra hacer referencia al valor de cresta asociado con la dirección del
haz principal radiado por la antena.
Otra
medida útil para describir el rendimiento de una antena es la ganancia. Explica
no sólo las propiedades direccionales de la antena, sino también su
eficiencia. La ganancia de potencia G(f,q) en una dirección dada se define como,la razón dt
la intensidad de la radiación de la antena en tal dirección, entre la
intensidad de la radiación producida por una fuente isotrópica sin pérdidas que
tenga la misma potencia total de entrada que la antena.
Tanto
la ganancia como la directividad pueden estar referidas a cualquier antena
normal, tal como un dipolo de media onda, o una bocina en vez de al radiador
isotrópico utilizado aquí.
Aun
cuando la reciprocidad asegura que los valores calculados de ganancia se
aplican igualmente bien a una antena de transmisión o a una antena de recepción,
el rendimiento de la segunda también puede describirse en términos de una
sección transversal receptora o un área efectiva. Una antena receptora reunirá
energía efectiva de una onda plana incidente y, si se acopla adecuadamente,
transferirá esta potencia a una carga. La proporción de energía incidente que
será destinada a la carga es una función de las propiedades de polarización de
la antena v su ganancia en la dirección de la onda plana incidente. La abertura efectiva de una antena puede
definirse como el área de una antena ideal que podría absorber la misma
potencia de una onda plana incidente que la antena en cuestión.
La eficiencia de abertura evalúa la abertura efectiva como fracción de la
abertura física de la antena. Esta idea es útil para antenas que tienen una
abertura de captación bien definida.
1.2.3
Ancho de banda.
Este
término se utiliza para describir el intervalo de frecuencias sobre el cual una
antena funcionará satisfactoriamente. No existe una definición única para el
rendimiento satisfactorio, ya que tal rendimiento depende de la aplicación de
la antena. Por lo general es posible distinguir entre un ancho de banda
determinado por consideraciones de características de radiación y un ancho de
banda determinado por consideraciones de impedancia. Asociados con el primer
caso están características como la ganancia, nivel del lóbulo lateral, ancho
del haz, polarización y dirección del haz, mientras que con el segundo caso se
asocian la impedancia de entrada y eficiencia de radiación.
En
la práctica, por lo general uno o más parámetros de la antena son más sensibles
al cambio de frecuencia que otros, y por tanto pueden constituirse en el factor
limitante del ancho de banda. Esto es cierto sólo si la variación de tales
parámetros está restringida por los límítes de funcíonamiento impuestos por la
aplicación.
Para antenas de banda amplia el ancho de banda suele expresarse como la razón de las frecuencias superior e inferior en la banda aceptable (p. ej., 10:1). Para antenas de banda estrecha, el ancho de banda se expresa como porcentaje de la frecuencia de la banda central (p. ej., 5%). Los factores físicos del diseño que limitan el ancho de banda varían de una antena a otra. En los elementos monopolares, dipolares, de ranura y de microcinta (microbanda), las estructuras son resonantes a frecuencias particulares, y el ancho de banda se determina por las características de impedancia en las terminales de entrada. Por otra parte, los radiadores de bocina (o embudo) están limitados en banda por la naturaleza modal de la propagación de ondas en la estructura de la guía de ondas.
1.2.4
Polarización.
La polarización
en una onda electromagnética a una sola frecuencia describe la forma del lugar
geométrico del extremo del vector de campo eléctrico instantáneo como función
del tiempo en una ubicación fija en el espacio, y el sentido en que se traza el
lugar geométrico según se observa a lo largo de la dirección de propagación.
1.2.5 Impedancia de entrada.
Una
antena debe estar conectada a un transmisor por medio de una línea de transmisión
o guía de ondas, a fin de ser excitada y producir radiación. La impedancia de
entrada de la antena presentada a la línea de alimentación constituye un parámetro
importante, cuyo valor es necesario para el diseño de redes (circuitos) de
acoplamiento eficientes que aseguren la máxima transferencia de potencia. La
impedancia de entrada de ta antena tiene en general una componente resistiva y
una componente reactiva. La componente reactiva se debe
a los campos de inducción de la región próxima, debido a que tales campos
producen un almacenamiento de energía reactiva en la región que rodea a la
antena. La componente resistiva de la impedancia de entrada tiene contribuciones
de todos los diversos elementos que provocan una pérdida de energía de la
antena.
1.2.6
La resistencia de radiación
Se
define como la resistencia equivalente que disiparía una potencia igual a la
potencia radiada cuando la corriente a través de la resistencia es igual a la
corriente en las terminales de entrada de la antena. La resistencia óhmica
explica las pérdidas debidas a una conductividad finita en la estructura de la
antena. Para una antena eficaz, la resistencia de radiación debe ser mucho
mayor que la resistencia óhmica.
La
medición de la impedancia de entrada a altas frecuencias suele efectuarse
midiendo el coeficiente de reflexión y la razón de voltajes de ondas
estacionarias (VSWR, de voltage standing wave ratio).
2. ANTENAS YAGI
Una
antena Yagi es aquella formada por un dipolo alimentado y por lo menos 2
parásitos (un reflector y un director).
Es posible hacer un análisis similar al del arreglo de un dipolo y un
parásito para.antenas con un reflector y uno o más directores, pero el trabajo
es más diffcil por el número de variables involucradas, es por esto que se
prefiere optimizar el diseño de una antena Yagi a través del trabajo experimental.
En este sentido, se ha hecho mucho, una gran cantidad de ingenieros han
experimentadó sobre las antenas Yagi, el grado de que en la actualidad el
diseño de una antena de este tipo se hace siguiendo un conjunto de reglas como
recetario de cocina.
En
términos prácticos las longitudes de los elementos y su separación no son muy
criticos, y se pueden permitir variaciones de 1% en la longitud y hasta 5% en
la separaci6n. La longitud del reflector es más tolerante que la del director
aunque en algunos casos se utilizan estas tolerancias para ampliar el ancho de
banda de la antena; es decir con reflectores un poco más largos y directores un
poco más cortos aumenta el ancho de banda, sin embargo en sentido contrario,
el efecto es totalmente dañino y anula el comportamiento de la antena.
En
antenas hasta de 4 elementos, la separación entre elementos debe estar entre
0.15 a 0.2 aunque en algunos casos se logra una ganancia mayor si el segundo
director esta 0.25l del primero, se puede
obtener mayor ganancia separando un poco mas el tercero y cuarto elementos
hasta un máximo de 0.4l.
Respecto
a la longitud de los elementos, es recomendable que el dipolo sea de l/2, el reflector 5% más
largo y el director 5% más corto. La separación entre elementos determina la longitud
total de la antena la cual también juega un papel importante en sus
caracteristicas.
Es
interesante observar que la ganancía crece rápídamente para pocos elementos y
después mucho más lentamente para un numero grande de parásitos. asi vemos que
con 3 elementos (1 dírector y un reflector) la ganancia es 7.5 dB con 5 es 10
dB pero solo 12 dB con 8 elementos, esto nos lleva a la conclusión de la
inconveniencia de aumentar el numero de parasítos indefinidamente, por lo que
no se hacen antenas Yagi de mas de 12 a 15 elementos. Este defecto se debe
principalmente a que al aumentar el número de parásitos disminuye la
resistencia de radiación del dipolo, y por lo tanto, su campo radiado, por esta
razón en muchas antenas Yagi se utilizan dipolos doblados con el fin de
aumentar la resistencia de radiación.
3.
DISEÑO
Las
caracteristicas propuestas para realizar el diseño de antena yagi-uda son las
siguientes:
·
Frecuencia central: 650
MHz
·
Ganancia (dB) : 8 dB
·
Ganancia por directividad: 1.5 dB
·
Impedancia de entrada: 75
W
3.1
Procedimiento:
1.
Calculamos la longitud de onda:
l = 3 e8 / f (Mhz)
l = 3 e8 / 650 e6
l = 0.4615 m
2.
De acuaerdo a la ganancia total, (9.5 dB), encontrmos el numero de elementos optimos para nuestro
diseño. Estos valores lo obtenemos de las
curvas existenetes:
Numero de elementos = 5
Longitud
total = 0.7 l = 0.326 m
3. Encontramos la longitud del elemento reflector:
LR = 150 /
f (Mhz)
LR = 150 / 650 e6
LR =
0.230769 m
4. Encontramos la longitud del elemento activo:
LR = 143 /
f (Mhz)
LR = 143 / 650 e6
LR =
0.22 m
5. De acuerdo a las tablas encontramos las distancias entre cada elemento de la entena.
|
Distancia entre: |
Rango de variacion (l ) |
longitud optima (m) |
|
Reflector-Activo |
0,18 - 0,22 |
0,092 |
|
Activo-Director1 |
0,14 - 0,17 |
0,069 |
|
Director1-Director2 |
0,15 - 0,20 |
0,068 |
|
Director2-Director3 |
0,17 - 0,23 |
0,097 |
6. En base a tablas diseñadas para encontrar la longitud de los elementos en funcion del diametro del conductor, para nuestro diseño utilizamos el siguiente:
Diametro = l / 50
Diametro = 0.4615 (m) / 50
Diametro =
0.009m (0.9 cm)
7. Con el diametro del conductor encontramos la longitud de los elementos:
|
Elemento |
Longitud (l ) |
Longitud (m) |
|
Director 1 |
0,43 |
0,198 |
|
Director 2 |
0,423 |
0,195 |
|
Director 3 |
0,425 |
0,196 |
8. Una ves obtenidos todos los elementos necesarios para la contrusccion de la antena, calculamos la impedancia de entrada con un programa especifico. Debemos tener en cuenta que al trabajar con un dipolo doblado la impedancia obtedida sera multiplicada por 4.
Como podemos observar en la simulacion, obtebemos una
impedancia de entrada:
4 * (18.8568 + j 12.88 W)
Zin = 75.4 + j 51.52 W
Con todos los parametros obtenidos, podemos encontrar la
radiacion y toda las caracteristicas proporcionadas
por la antena:
El lobulo de radiacion visto en forma tridimensinal:
4.
RESUMEN
En la siguiente tabla podemos resumir todo el diseño de la antena:
|
Ganancia |
8
dB |
|
Directividad |
1.5
dB |
|
Ancho
de banda |
78
Mhz |
|
Frecuencia
de operación |
611
- 689 Mhz |
|
Elementos
totales |
5 |
|
Longitud
de onda |
0,4615
m |
|
Longitud
total de la antena |
0,326 m |
|
Zin |
75.4 + j 51.52 |
|
Dist. Reflector-Activo |
0,092 |
|
Dist. Activo -Director 1 |
0,069 |
|
Dist. Director
1-Director 2 |
0,068 |
|
Dista.
Director 2-Director 3 |
0,097 |
|
Long. Reflector |
0,231 |
|
Long. Elemento
Activo |
0,22 |
|
Long. Director
1 |
0,198 |
|
Long. Director
2 |
0,195 |
|
Long. Director
3 |
0,196 |