Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera ElctricaIE 0502 Proyecto Elctrico

Manual para la seleccin de antenas de las principales aplicaciones de la comunicacin inalmbricaPor: Juan Manuel Arteaga Senz

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Noviembre de 2007

Manual para la seleccin de antenas de las principales aplicaciones de la comunicacin inalmbricaPor: Juan Manuel Arteaga SenzSometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica de la Facultad de Ingeniera de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

_________________________________ Ing. Jhonny Cascante Ramrez MSc. Profesor Gua

_________________________________ Ing. Diego Castro Hernndez Profesor lector ii

_________________________________ Ing. Rafael Carvajal Lizano Profesor lector

DEDICATORIALe dedico este trabajo a todo el que se interese por las antenas y utilice este documento.

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RECONOCIMIENTOSQuiero reconocer el trabajo del profesor Jhonny Cascante, por su ayuda y gua a lo largo del trabajo.

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NDICE GENERAL

NDICE DE FIGURAS.................................................................................................................................VII NDICE DE TABLAS.................................................................................................................................... IX NOMENCLATURA.........................................................................................................................................X RESUMEN................................................................................................................................................... XIII CAPTULO 1: INTRODUCCIN .......................................................................................................................1 1.1 Objetivos......................................................................................................................................41.1.1 1.1.2 Objetivo general............................................................................................................................................ 4 Objetivos especficos .................................................................................................................................... 4

1.2 Metodologa ................................................................................................................................4 CAPTULO 2. FUNDAMENTOS DE PROPAGACIN DE ONDAS EN MEDIOS NO GUIADOS .................................6 2.1 Ondas Electromagnticas ....................................................................................................................62.1.1 Ecuaciones de Maxwell ....................................................................................................................................... 6 2.1.2 Geometra de onda electromagntica.................................................................................................................. 7

2.2 Emisin y recepcin de ondas electromagnticas ...............................................................................82.2.1 Transformacin de energa elctrica en energa electromagntica ................................................................... 8 2.2.2 Transformacin de energa electromagntica en energa elctrica ................................................................... 8

2.3 Propagacin de ondas .........................................................................................................................92.3.1 Propiedades de propagacin ................................................................................................................................ 9 2.3.2 Propagacin de ondas de tierra, espaciales y del cielo .................................................................................... 12

CAPTULO 3. FUNDAMENTOS DE TEORA DE ANTENAS ...............................................................................16 3.1 Definicin y funcionamiento bsico de una antena ...........................................................................16 3.2 Reciprocidad de antenas....................................................................................................................17 3.3 Espectro electromagntico ................................................................................................................18 3.4 Diagramas de radiacin ....................................................................................................................213.4.1 Patrn de radiacin en dos dimensiones ........................................................................................................... 22

3.5 Parmetros fundamentales de las antenas ........................................................................................243.5.1 Densidad de potencia y directividad ................................................................................................................. 24 3.5.2 Eficiencia de una antena .................................................................................................................................... 24 3.5.3 Ganancia directiva y ganancia de potencia....................................................................................................... 25 3.5.4 Polarizacin ........................................................................................................................................................ 26 3.5.5 ngulo del haz de la antena............................................................................................................................... 27 3.5.6 Ancho de banda.................................................................................................................................................. 28 3.5.7 Impedancia de entrada ....................................................................................................................................... 28

3.6 Lneas de transmisin y guas de onda ..............................................................................................293.6.1 Teora de lneas de transmisin para antenas ................................................................................................... 30 3.6.2 Guas de onda ..................................................................................................................................................... 32

CAPTULO 4. PRINCIPALES TIPOS DE ANTENAS ..........................................................................................34 4.1 Antenas elementales...........................................................................................................................344.1.1 Dipolo elemental ................................................................................................................................................ 34 4.1.2 Espira circular elemental ................................................................................................................................... 36

4.2 Dipolos y monopolos .........................................................................................................................364.2.1 Dipolo de media onda ........................................................................................................................................ 37 4.2.2 Alteraciones del dipolo ...................................................................................................................................... 39 4.2.3 El dipolo doblado ............................................................................................................................................... 40 4.2.4 Principio del funcionamiento de monopolos.................................................................................................... 42 4.2.5 Monopolos .......................................................................................................................................................... 43

v

4.2.6 Antenas cargadas................................................................................................................................................ 44 4.2.7 Agrupacin de antenas....................................................................................................................................... 44 4.2.8 Antena Yagi-Uda ............................................................................................................................................... 45

4.3 Aperturas ...........................................................................................................................................464.3.1 Bocinas................................................................................................................................................................ 46 4.3.2 Ranuras ............................................................................................................................................................... 48 4.3.3 Reflectores y lentes ............................................................................................................................................ 52

4.4 Antenas de banda ancha....................................................................................................................554.4.1 Antenas de hilo................................................................................................................................................... 55 4.4.2 Hlices ................................................................................................................................................................ 58 4.4.3 Antenas independientes de la frecuencia .......................................................................................................... 58 4.4.4 Antenas logoperidicas...................................................................................................................................... 59 4.4.5 Antenas fractales ................................................................................................................................................ 60

CAPTULO 5. CRITERIOS DE SELECCIN DE ANTENAS DE ACUERDO CON LA APLICACIN REQUERIDA ...62 5.1 Televisin...........................................................................................................................................625.1.1 Televisin analgica .......................................................................................................................................... 63 5.1.2 Televisin digital terrestre ................................................................................................................................. 63 5.1.3 Televisin va satlite ........................................................................................................................................ 64

5.2 Telefona mvil GSM .........................................................................................................................655.3.1 Comunicaciones mviles GSM......................................................................................................................... 66

5.3 Acceso a Internet inalmbrico WiMAX .............................................................................................675.3.1 WiMAX Fijo ...................................................................................................................................................... 68 5.3.2 WiMAX mvil ................................................................................................................................................... 68

5.4 Comunicaciones masivas va microondas .........................................................................................69 CAPTULO 6. MANUAL PARA LA SELECCIN DE ANTENAS .........................................................................71 6.1 Televisin...........................................................................................................................................716.1.1 Televisin analgica y digital terrestre............................................................................................................. 71 6.1.2 Televisin satelital ............................................................................................................................................. 73

6.2 Telefona mvil GSM .........................................................................................................................75 6.3 Acceso a Internet inalmbrico WiMAX .............................................................................................78 6.4 Comunicaciones masivas va microondas .........................................................................................80 CAPTULO 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................82 BIBLIOGRAFA ........................................................................................................................................85

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NDICE DE FIGURASFIGURA 2.1 ONDA ELECTROMAGNTICA.............................................................................................7 FIGURA 2.2 FRENTE DE ONDA ELECTROMAGNTICA .....................................................................9 FIGURA 2.3 ONDA DIRECTA Y ONDAS REFLEJADAS .......................................................................13 FIGURA 3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DE COMUNICACIN INALMBRICA............................16 FIGURA: 3.2 DIAGRAMA DE RADIACIN EN TRES DIMENSIONES ..............................................22 FIGURA: 3.3 PATRONES DE RADIACIN ABSOLUTO Y RELATIVO RESPECTIVAMENTE. ...23 FIGURA 3.4: TIPOS DE POLARIZACIN DE ONDA.............................................................................27 FIGURA 3.5: ANCHO DEL HAZ DE UNA ANTENA ...............................................................................28 FIGURA 3.6 ESTRUCTURA DEL CABLE BIFILAR ...............................................................................31 FIGURA 3.7 ESTRUCTURA DEL CABLE COAXIAL .............................................................................32 FIGURA 4.1 DIAGRAMA DE RADIACIN DE DIPOLO ELEMENTAL Y ESPIRA ELEMENTAL ...........................................................................................................................................................................35 FIGURA 4.2 ANTENA DE DIPOLO ............................................................................................................36 FIGURA 4.3 PATRN DE RADIACIN EN DOS DIMENSIONES, DIPOLO DE MEDIA ONDA ....38 FIGURA 4.4 ANTENA DE DIPOLO DE V INVERTIDA INCLINADA ..................................................40 FIGURA 4.5 DESCOMPOSICIN DE DIPOLO DOBLADO...................................................................41 FIGURA 4.6 CONCLUSIN DE DIPOLO DOBLADO .............................................................................41 FIGURA 4.7 FUNCIONAMIENTO DE ANTENA DE MONOPOLO ......................................................42 FIGURA 4.8 DIAGRAMA DE RADIACIN DE UNA ANTENA MARCONI DE CUARTO DE ONDA ...........................................................................................................................................................................43 FIGURA 4.9 DIAGRAMA DE RADIACIN DE AGRUPACIN DE 21 DIPOLOS PEQUEOS PARA UN ANCHO DE HAZ DE 6..............................................................................................................45 FIGURA 4.10 ESQUEMA DE ANTENA YAGI-UDA ................................................................................45 FIGURA 4.11 TIPOS DE BOCINAS RECTANGULARES........................................................................47 FIGURA 4.12 BOCINA CNICA .................................................................................................................47 FIGURA 4.13 PATRN DE RADIACIN DE BOCINA DE PLANO E. .................................................48 FIGURA 4.14 FORMA DE UNA ANTENA DE RANURAS ......................................................................49 FIGURA 4.15 CORTE HORIZONTAL DEL PATRN DE RADIACIN DE ANTENA DE RANURAS EN FUNCIN OMNIDIRECCIONAL. ...................................................................................50 FIGURA 4.16 CORTE TRANSVERSAL DEL PATRN DE RADIACIN DE ANTENA DE RANURAS EN FUNCIN OMNIDIRECCIONAL. ...................................................................................50 FIGURA 4.17 PATRN DE RADIACIN EN DOS DIMENSIONES DE ANTENA DE RANURAS EN FUNCIN DIRECTIVA. ...............................................................................................................................51

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FIGURA 4.18 ESQUEMA DE UNA ANTENA IMPRESA.........................................................................52 FIGURA 4.19 PROPAGACIN CON REFLECTOR PARABLICO.....................................................53 FIGURA 4.20 ESQUEMA DE ANTENA PARABLICA OFFSET..........................................................53 FIGURA 4.21 PROPAGACIN CON ARREGLOS DE REFLECTORES PARABLICOS................54 FIGURA 4.22 DIAGRAMA DE RADIACIN DE ANTENA PARABLICA ........................................54 FIGURA 4.23 DIAGRAMA DE RADIACIN DE ANTENA DE ONDA PROGRESIVA......................56 FIGURA 4.24 ANTENA V .............................................................................................................................57 FIGURA 4.25 ANTENA RMBICA.............................................................................................................57 FIGURA 4.26 PATRN DE RADIACIN DE ANTENA RMBICA .....................................................58 FIGURA 4.27 ANTENA ESPIRAL EQUIANGULAR PLANA .................................................................59 FIGURA 4.28 ESTRUCTURA LOGOPERIDICA ...................................................................................60 FIGURA 4.29 FUNCIONAMIENTO DE ANTENA FRACTAL................................................................61 FIGURA 5.1 CANALES USADOS EN GSM ...............................................................................................67 FIGURA 6.1 ANTENA CM 3671...................................................................................................................71 FIGURA 6.2 ANTENA CHANNEL MASTER DIRECTV TRIPLE LNS DISH ......................................73 FIGURA 6.3 ANTENA JAYBEAM WIRELESS 5266100 ..........................................................................75 FIGURA 6.4: PATRN DE RADIACIN PARA LA ANTENA JAYBEAM WIRELESS 5266100 .....76 FIGURA 6.5 ANTENA MT-343018/NH........................................................................................................78 FIGURA 6.6 PATRN DE RADIACIN HORIZONTAL Y VERTICAL DE LA ANTENA MT343018/NH........................................................................................................................................................79 FIGURA 6.7 ANTENA PDH10-65-P7A.......................................................................................................80

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NDICE DE TABLASTABLA 3.1 ESPECTRO ELECTROMAGNTICO...................................................................................19 TABLA 3.2 BANDAS DE FRECUENCIA DE RADIO Y MICROONDAS. .............................................20 TABLA 3.3 BANDAS DE MICROONDAS ..................................................................................................21

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NOMENCLATURAWiFi Internet inalmbrico basado en el estndar 802.11.

WiMAX

Internet inalmbrico de largo alcance basado en el estndar 802.16.

AM

Modulacin de amplitud.

FM

Modulacin de frecuencia.

E

Intensidad de campo elctrico.

B

Densidad de flujo magntico.

H

Intensidad de campo magntico.

J

Densidad de corriente.

D

Densidad de flujo elctrico.

v

Densidad de carga volumtrica.

Zs

Impedancia del espacio libre.

0 0

Permeabilidad magntica del vaco.

Permitividad del vaco.

n

ndice de refraccin. x

LOS

Transmisin de lnea vista.

MUF

Frecuencia mxima utilizable.

LF

Banda de frecuencia baja.

MF

Banda de frecuencia media.

HF

Banda de frecuencia alta.

VHF

Banda de frecuencia muy alta.

UHF

Banda de frecuencia ultra alta.

Eficiencia de antena.

Rr

Resistencia de radiacin.

D

Ganancia directiva.

Ap

Ganancia de potencia.

Z entrada

Impedancia de entrada.

Z0

Impedancia caracterstica.

ROE

Relacin entre la carga a la salida y la impedancia. xi

TE

Onda transversal elctrica.

TM

Onda transversal magntica.

TEM

Onda transversal electromagntica.

A

Potencial magntico vectorial.

j

Operador de nmeros complejos.

c

Velocidad de la luz.

GSM

Sistema global para comunicaciones mviles.

NTSC

(National Television System Comittee), protocolo de televisin que rige en Costa Rica.

TDT

Televisin digital terrestre.

C

Banda del espectro de microondas (4GHz - 8GHz)

Ku

Banda del espectro de microondas (12GHz - 18GHz)

Ka

Banda del espectro de microondas (26GHz 30GHz)

HDTV

Televisin de alta definicin.

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RESUMEN

Este proyecto es un documento que recopila informacin para lograr hacer un manual sobre seleccin de antenas para aplicaciones bsicas de la comunicacin inalmbrica. Se determinaron los distintos tipos de antenas que hay en la actualidad y los criterios de seleccin de antenas para un conjunto de aplicaciones bsicas, para luego elegir la antena que mejor se acople a los requerimientos obtenidos. Se investigaron y documentaron las propiedades bsicas de propagacin de ondas electromagnticas y del funcionamiento de una antena. Se logr obtener informacin acerca de los parmetros y la construccin bsica de las antenas tpicas que se han usado a lo largo de la historia, como son la antena de Hertz y la Marconi. Tambin se logr obtener la informacin de las antenas ms novedosas, diseadas para las aplicaciones actuales que requieren un gran ancho de banda, como son las antenas logoperidicas y las fractales. Se establecieron, para distintos tipos de comunicacin inalmbrica, los criterios bsicos de seccin de antenas y por ltimo se escogi una antena especfica la cual cumple con los criterios seleccionados previamente. Se concluy que cada aplicacin que utiliza antenas, cuenta con distintos requerimientos, y para seleccionar la antena ms apropiada, se debe hacer un anlisis de los parmetros de la antena, y evaluar cules son ms importantes. Es recomendable, conocer los distintos tipos de antenas que hay en la actualidad, y evaluar detenidamente los criterios para la seleccin de antenas de una aplicacin especfica, para lograr un diseo ptimo en comunicacin inalmbrica.

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Captulo 1: IntroduccinDesde que se descubri que es posible transferir informacin mediante ondas electromagnticas, se han desarrollado diferentes tipos de antenas, porque las antenas son los dispositivos que transmiten y reciben ondas electromagnticas de un rango de frecuencias preestablecidas, y hacen la transformacin de una seal elctrica que est en un medio guiado (conductor) a una seal electromagntica que se va a propagar en el y viceversa. Se puede hacer una analoga con los sistemas de potencia, en los que se utiliza la electricidad como un medio para transferir potencia de una planta generadora a una carga. Las antenas hacen otra trasformacin, al convertir energa elctrica en radiacin electromagntica y recprocamente radiacin electromagntica en potencia elctrica. La funcin es transferir potencia, aunque con otro propsito. Esta tcnica es usualmente aplicada en la transferencia seales de informacin y no para alimentar una carga. El electromagnetismo es un fenmeno relativamente nuevo para el ser humano. Fue James Clerk Maxwell, fsico ingls, quien postul una serie de ecuaciones en la segunda mitad del siglo XIX, que describen los fenmenos electromagnticos. Con estas ecuaciones se pudo plantear una relacin directa entre el campo magntico y el campo elctrico y describir matemticamente lo que es una onda electromagntica. Una vez que se tuvo la teora matemtica de lo que es una onda electromagntica, se necesitaba probar que era posible radiarla y recibirla. Fue cuando empezaron a desarrollarse pruebas para construir una antena, que era fundamental para probar las ecuaciones de Maxwell. En 1888, el fsico alemn Heinrich Rudolf Hertz demostr la radiacin electromagntica y prob que las ecuaciones de Maxwell eran correctas. Hertz logr este experimento utilizando un tipo de antena que lleva su nombre para recibir la onda radiada y una antena de dipolo para emitirla. La teora electromagntica fue utilizada por primera vez para un fin determinado en las telecomunicaciones, por el italiano Guglielmo Marconi, o por lo menos, fue quien

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consigui la primera patente de la radio. Este ingeniero elctrico ganador del Premio Nobel de fsica en 1909, utiliz esta nueva teora fsica para la comunicacin telegrfica inalmbrica a principios del siglo XX. Alexander Stepanovich Popov continu los experimentos de Hertz y otros pioneros del electromagnetismo. Popov es reconocido por algunos como la primera persona en usar una antena un ao antes que Marconi, sin embargo, el italiano fue quien desarrollo la radio comercialmente. La emisin de seales electromagnticas y comunicaciones en general dependen de la posibilidad de generar ondas sinusoidales de alta frecuencia. Fue de gran importancia cuando, en el campo de la electrnica, Lee De Forest invent el triodo al vaco. Con este nuevo elemento se logr, en la dcada de 1920, llegar a tener un generador de seales, con una frecuencia de hasta 1MHz. Gracias a los avances en la electrnica, pocos aos ms tarde, se logr establecer comunicaciones a mayor frecuencia. Antes de la Segunda Guerra Mundial, ya se haban fabricado generadores de seales de microondas, en el orden de hasta 1GHz. En la actualidad se desarrollan comunicaciones en banda ancha, que brindan el acceso a Internet, o a una red en general, de alta velocidad. El Internet es un medio de comunicacin que requiere un ancho de banda relativamente alto porque el intercambio de informacin de usuario a la red, es muy elevado. Las tecnologas de WiFi y WiMAX, son tecnologas de acceso a Internet de alta velocidad por medio de microondas, que requieren de antenas para emitir y recibir las ondas electromagnticas de informacin. Existen tambin telecomunicaciones en banda ancha por medio de satlite. Esta aplicacin es muy importante sobre todo para zonas aisladas territorialmente, donde la comunicacin mediante ondas electromagnticas va satlite es el mtodo de comunicacin ms apropiado. Cuando se van a transmitir datos de un lugar a otro, surgen diferentes alternativas para lograr el objetivo. En algunos casos es recomendable hacerlo mediante una lnea de transmisin de datos fsica, ya sea elctrica u ptica, o hacerlo mediante ondas

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electromagnticas. Para tomar la decisin correcta en cada caso, hay que tomar en cuenta varios aspectos fundamentales, como la distancia y los costos de instalacin. Otros factores importantes son, la confiabilidad del medio por el cual se van a transmitir los datos, las dependencias, seguridad, entre otros. Hay casos en los que por movilidad, las

comunicaciones con antenas son el nico medio viable. Es el caso de aviones, barcos o vehculos en general, que necesitan antenas para lograr la comunicacin. Tambin entre poblaciones inalmbrica. Existen numerosas aplicaciones donde se intercambia informacin sin un medio fsico, y para todas stas se demanda el uso de antenas. Las principales aplicaciones de la tecnologa inalmbrica son, radioaficionados, radioenlaces de punto a punto, la radiodifusin AM y FM, la televisin, la telefona mvil y acceso a Internet inalmbrico. Al haber tantas aplicaciones de comunicacin inalmbrica, es importante conocer y diferenciar los diversos tipos de antenas que existen, as como sus propiedades bsicas, ventajas y desventajas. Para optimizar una comunicacin inalmbrica es vital llegar a la conclusin de cul antena es ms apropiada para un fin especfico. Este documento aisladas geogrficamente resulta favorable establecer comunicacin

pretende, por medio de la creacin de un manual, recomendar con fundamentos tericos, el tipo de antena que es conveniente usar para cada aplicacin bsica de comunicacin inalmbrica en la actualidad.

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1.1

Objetivos1.1.1 Objetivo general Establecer los criterios para seleccionar los tipos de antena adecuados para las principales aplicaciones de comunicacin inalmbrica y elaborar un manual basado en la anterior informacin.

1.1.2 Objetivos especficos

Estudiar los fundamentos de la propagacin de ondas en medios no guiados. Conocer los fundamentos de la teora de antenas. Comprender cules son los principales tipos de antena que se utilizan en la actualidad. Identificar criterios de seleccin de antenas de acuerdo con las caractersticas de las principales aplicaciones de comunicacin inalmbrica. Elaborar un manual para la seleccin de antenas que permita asociar cada tipo de antena con las principales aplicaciones de comunicacin inalmbrica.

1.2

MetodologaSe seguir la siguiente metodologa para realizar un manual para establecer los

criterios para la seleccin de antenas para diferentes aplicaciones.

Recopilacin de informacin bibliogrfica sobre la teora de propagacin de

ondas electromagnticas por el espacio libre. Esta investigacin cuenta con libros tericos y publicaciones en Internet.

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Investigacin bibliogrfica de fundamentos de la teora de antenas. Para esto se

cuenta con libros de teora de antenas, as como de su construccin. Tambin se tomaran en cuenta publicaciones en Internet.

Estudio de los principales tipos de antenas y sus usos especficos como

parmetros de inters. Primordialmente se buscar informacin actualizada que est en Internet.

Para realizar el manual de seleccin de antenas, se plantearn primeramente los

tipos de antenas que existen para diferentes aplicaciones para luego comparar y analizar las diferencias, ventajas y desventajas de cada antena. Este anlisis se hace con la informacin que se obtiene en los puntos anteriores.

Redaccin de un informe escrito del proyecto, de acuerdo con las

especificaciones expuestas en el programa del curso, incluyendo una revisin de los captulos I al VII, entrega y revisin de un avance, un borrador final y una versin final del trabajo. Adems se debe realizar una presentacin para la defensa del proyecto.

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Captulo 2. Fundamentos de propagacin de ondas en medios no guiados2.1 Ondas Electromagnticas2.1.1 Ecuaciones de Maxwell El principio de las ondas electromagnticas se basa en dos descubrimientos. El campo elctrico cambiante en el tiempo, produce un campo magntico y el campo magntico variable con respecto al tiempo, produce un campo elctrico. La ley de Faraday es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell. Esta igualdad indica que un campo magntico variable puede crear un campo elctrico.

E =

B t

(2.1-1)

La Ley de Ampre generalizada por Maxwell, es la que demuestra que un campo elctrico variable crea un campo magntico.

H = J +

D t

(2.1-2)

Otra de las ecuaciones de Maxwell es conocida como Ley de Gauss. Esta ecuacin lo que establece es que la densidad de carga es una fuente de lneas de flujo elctrico [4].

D = v

(2.1-3)

La ecuacin (2.1-4) reconoce la inexistencia de los monopolos magnticos.

B= 0

(2.1-4)

6

En resumen, con la teora electromagntica de Maxwell se deduce que a diferencia de las ondas mecnicas, no se necesita un medio para propagar una onda electromagntica. Esta conclusin se basa en dos afirmaciones, el campo elctrico se produce por un cambio en el campo magntico, y el campo magntico se produce por un cambio en el campo elctrico. Estas dos aserciones implican que no se necesitan electrones o cargas en general, para crear el campo elctrico y el campo magntico.

2.1.2 Geometra de onda electromagntica Ya entendiendo el principio matemtico, se debe analizar la forma de una onda electromagntica. Como el campo magntico depende del cambio del campo elctrico y el campo elctrico depende del campo magntico cambiante, para propagar esta onda, se necesita una seal sinusoidal u oscilatoria. Con la implementacin de la serie y trasformada de Fourier, se puede crear una onda electromagntica que tenga cualquier forma, y analizarla como una suma de seales sinusoidales de diferente frecuencia, amplitud y fase, con la condicin de que esta seal electromagntica tenga la forma de una funcin real.

Figura 2.1 Onda electromagntica.Fuente : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/Onde_electromagnetique.png

Al analizar las ecuaciones de Maxwell se puede recalcar que el campo elctrico y el campo magntico son ortogonales, como tambin muestra la figura 2.1. La magnitud y 7

direccin de propagacin de energa de la onda, se describe con el vector de Poynting, el cual tiene direccin ortogonal al campo elctrico y al campo magntico. En la figura 2.1 se r describe en la direccin k .

2.2 Emisin y recepcin de ondas electromagnticas2.2.1 Transformacin de energa elctrica en energa electromagntica La antena es la ltima etapa de esta transmisin de energa. Al haber distintos tipos de antena, hay diferentes mtodos para radiar las ondas. En un principio bsico, se hace conectando un generador de seales con corriente alterna a una antena, por medio de una lnea de transmisin; la antena se va a comportar como un dipolo elctrico oscilatorio (suponiendo una antena de dipolo), el cual va a radiar la onda debido al campo elctrico y magntico que se obtiene al producir movimiento o vibracin de electrones en la antena.

2.2.2 Transformacin de energa electromagntica en energa elctrica Utilizando las leyes de Maxwell, se puede determinar tambin que al tener una onda electromagntica en el espacio, sta puede ser interceptada por una antena que est compuesta por un material conductor elctrico. La onda electromagntica,

consecuentemente, hace que los electrones del material conductor de la antena se muevan y por lo tanto se crea en la antena una corriente elctrica. Al ser la onda electromagntica la que excita los electrones en la antena, se deduce que se transfiere energa electromagntica en energa elctrica. Luego, mediante una lnea de trasmisin se comunica al receptor que, por medio de mtodos electrnicos, va a recibir la seal que estaba siendo radiada por otra antena. Cabe destacar que la densidad de potencia de una onda decrece con respecto a la distancia en forma cuadrtica (en un caso isotrpico), por lo tanto la seal que va a recibir 8

la antena, generalmente es de una intensidad muy baja lo cual hace necesario incorporar un amplificador en el receptor.

2.3 Propagacin de ondasEs importante saber cmo se propagan las ondas electromagnticas por el espacio y saber los diferentes mtodos que se usan para hacerlo, porque para seleccionar una antena adecuada, hay que tener claros diversos factores fsicos de propagacin.

2.3.1 Propiedades de propagacin El primer concepto importante en la propagacin de ondas electromagnticas, es el frente de onda. El frente de onda se puede ver como una superficie conformada por los puntos de una onda que estn en la misma fase. El concepto queda ms claro al observar la figura 2.2.

Figura 2.2 Frente de onda electromagnticaFuente: http://www.alipso.com/monografias/2538_totusondas/index_archivos/image003.gif

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En caso de una fuente isotrpica ideal, los frentes de onda son esferas concntricas. Dicha fuente no existe en la realidad, pero su mejor aproximacin es una antena omnidireccional. El concepto de frente de onda se usa porque la energa se propaga distribuyndose equitativamente en el frente de onda. Entonces, para calcular la densidad de potencia en un punto en un frente de onda determinado, se divide la energa total que se ha propagado en una distancia fijada, entre el rea del frente de onda. Con este concepto se pueden empezar a analizar prdidas o problemas en la transmisin. Primero es necesario saber que el espacio vaco tiene una impedancia caracterstica para las ondas electromagnticas.Zs = 0

0

(2.3-1)

Hay dos fenmenos que disminuyen una onda electromagntica de un punto a otro, la atenuacin y la absorcin. La atenuacin se produce cuando el frente de onda incrementa con respecto al radio, como ocurre en la figura 2.2 (a). En el caso de una fuente isotrpica ideal, el rea del frente de onda esfrico incrementa en funcin cuadrtica del radio, y por lo tanto la densidad de potencia disminuye en esa forma. Este tipo de disminucin de las ondas de campo elctrico y magntico, suponen que no hay prdidas de ningn tipo, solo una distribucin de la energa. En otras palabras, la energa total en cualquier frente de onda, es la misma que en punto de radiacin. La absorcin a diferencia de la atenuacin, supone prdidas por el medio de propagacin de la onda. La atmsfera terrestre tiene diversos tipos de molculas y tomos lo cual hace que la propagacin de la onda electromagntica no sea ideal. La absorcin de la atmsfera o del medio en general, depende de la frecuencia de la onda al igual que cuando se propagan ondas por cobre. La atmsfera al no ser constante con respecto al espacio ni al tiempo, incorpora otro problema para la transmisin, el coeficiente de 10

absorcin atmosfrica ( ) el cual es variable y a causa de esto, ocurren fenmenos pticos a las ondas. Como la luz es un tipo de onda electromagntica (de 400 a 700nm de longitud de onda), se puede generalizar que los fenmenos que le ocurren a la luz cuando hay un cambio de medio de propagacin, le ocurren al resto del espectro electromagntico. Las propiedades pticas en las ondas electromagnticas principales son refraccin, reflexin, difraccin e interferencia. La refraccin ocurre cuando se propaga una onda electromagntica de un medio a otro. con una densidad diferente (lo cual implica una velocidad diferente) en una direccin oblicua. Cada material tiene un ndice de refraccin (n) que depende de su densidad. Lo que ocurre en este caso, es que la onda electromagntica cambia su direccin a causa de este cambio de medio. El clculo del cambio en la direccin de la onda se hace por medio de la Ley de Snell, representada en la ecuacin (2.3-2).

n1sen1 = n2 sen 2

(2.3-2)

La reflexin electromagntica ocurre cuando una onda incidente choca con la divisin de dos materiales y toda o parte de la energa que lleva la onda, no penetra el segundo material, sino que cambia su direccin, en un ngulo igual, pero opuesto al de la onda incidente, con respecto a un eje perpendicular a la barrera del medio. Es importante tomar en cuenta que hay prdidas de energa en el proceso de reflexin. Los objetos en general tienen un relieve no plano cuando se analiza en escalas pequeas. Para hacer el anlisis de difraccin, hay que observar el relieve del objeto en escalas parecidas a la longitud de onda, de la onda a analizar. Con esta escala, la reflexin se da prcticamente hacia todas las direcciones, pero las que no llevan el ngulo principal del haz, se cancelan entre s. La difraccin ocurre con los objetos finitos cuando en el borde hay rayos que no son cancelados. Este fenmeno permite que las ondas se propaguen avuelta de las esquinas. [1]

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La interferencia ocurre cuando dos o ms ondas ocupan el mismo punto del espacio al mismo tiempo. Esto se da cuando dos ondas salen del mismo punto y llegan al punto de destino al mismo tiempo pero con trayectorias distintas, a causa de las diferentes propiedades mencionadas anteriormente. Cuando ocurre esto, las ondas se pueden sumar o restar dependiendo de la fase, o en otras palabras ocurre una superposicin lineal. Generalmente cuando se da este fenmeno, hay una cancelacin parcial de la onda.

2.3.2 Propagacin de ondas de tierra, espaciales y del cielo Existen tres formas de propagacin de ondas electromagnticas. Ondas de tierra, espaciales y del cielo. Las ondas de tierra son las que se propagan por la superficie del planeta. Para lograr esta propagacin es necesario polarizar la onda verticalmente, en caso contrario habra un cortocircuito por la conductividad de la tierra. Lo ideal es tener una superficie que sea buena conductora y se comporte como una lnea de transmisin. Por eso, este tipo de comunicaciones es comnmente usada para comunicar barcos, ya que la superficie de agua salada es buena conductora. Sin embargo, las prdidas van a depender del material de la superficie. Las frecuencias utilizadas por este tipo de comunicacin deben ser bajas precisamente por esas prdidas, por eso estn limitadas las frecuencias a emplear hasta 2MHz y potencias de radiacin relativamente altas. Teniendo este limitante de frecuencia, se puede recalcar la desventaja de este tipo de propagacin de tener que usar antenas grandes. Posteriormente en este documento se ver por qu se requiere el uso de antenas grandes para radiar y recibir ondas de bajas frecuencias. El segundo tipo de transmisin de seales de ondas electromagnticas, es por medio del espacio. Este mtodo de intercambio de datos tiene la limitante de distancia de propagacin, debido a la curvatura de la Tierra.

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Se deben tomar en cuenta las propiedades pticas de la ondas, porque a la antena receptora van a llegar ondas directas; estas son las que se encuentran en la lnea de vista de la antena emisora-receptora. Este tipo de comunicacin es denominada como transmisinde lnea de vista (LOS). Adems de las ondas directas, van a llegar tambin ondas

reflejadas de la superficie y las capas superiores de la atmsfera como ilustra la figura 2.3.

Figura 2.3 Onda directa y ondas reflejadasFuente: http://www.ilustrados.com/publicaciones/multimedia/comina2.jpg

Hay que saber diferenciar el horizonte ptico del radio horizonte. Este es mayor que el ptico debido a la refraccin en la atmsfera. Para calcular el radio horizonte, se utiliza la ecuacin (2.3-3) donde h es la altura de la antena.

d = 2h

(2.3-3)

Para calcular la distancia mxima entre dos antenas se utiliza la ecuacin (2.3-4), donde ht es la altura de la antena transmisora y hr es la altura de la antena receptora.

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d = 2h t + 2h r

(2.3-4)

La ecuacin (2.3-4) muestra que si se necesita aumentar la distancia entre antenas, es cuestin de aumentar la altura para que la curvatura de la Tierra no afecte. Generalmente, las antenas se ubican en la cima de montaas o edificios para as aumentar la altura notablemente sin tener que construir una torre adicional. El tercer tipo de transmisin de ondas electromagnticas es la propagacin de ondas del cielo. Este tipo de aplicacin consiste en enviar una onda hacia el cielo para que la ionosfera la refleje o la refracte, para que vuelva a la Tierra y la antena receptora la capte. La ionosfera es la parte de la atmsfera que est ms cerca del sol y por eso recibe sus rayos directamente, los cuales ionizan gran cantidad de tomos y molculas. Al ser el sol la causa de la ionizacin, esta capa se va a comportar de una manera diferente en el da que en la noche; adems, la poca del ao va a influir tambin. La ionosfera se divide en tres capas, D, E y F. Cuando se van a propagar ondas cielo, hay que tomar en cuenta que existe un parmetro llamado frecuencia crtica. Este factor existe porque hay una frecuencia mxima para este tipo de propagacin, ya que las frecuencias mayores a la frecuencia crtica, no se ven afectados virtualmente por la ionosfera y siguen su curso salindose de la atmsfera. Evidentemente, al ser la ionosfera variable con respecto a la poca en el ao y a la hora en el da, la frecuencia crtica es un parmetro que depende de estos dos factores. Adems de la frecuencia crtica, existe tambin un ngulo crtico que depende de la frecuencia de la onda. Si se emiten seales con un ngulo mayor que el ngulo crtico para una frecuencia determinada, la onda no volver a la Tierra y saldr de la atmsfera. La utilizacin de estos dos parmetros se define como la frecuencia mxima utilizable (MUF) en la ecuacin (2.3-5), donde es el ngulo de incidencia con respecto al suelo.

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MUF =

frecuencia crtica cos

(2.3-5)

Hay tambin un dato importante, que es la distancia de salto. Esta es la distancia mnima a la que se puede propagar una onda por medio de ondas del cielo. La distancia de salto est definida por el ngulo crtico y la frecuencia. Las ondas que atraviesan la ionosfera con destino a un satlite artificial, deben tener una frecuencia mayor a la frecuencia crtica para que se propaguen y lleguen a su destino, por eso las ondas de satlite utiliza bandas de frecuencia de microondas.

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Captulo 3. Fundamentos de teora de antenas3.1 Definicin y funcionamiento bsico de una antenaUna antena es un dispositivo elctrico pasivo, construido con materiales conductores de corriente elctrica. Las antenas son diseadas para radiar un campo electromagntico cuando se le aplica una fuerza electromotriz. Son diseadas tambin para producir una fuerza electromotriz cuando se le aplica un campo electromagntico. El tamao de las antenas est relacionado con la longitud de onda que se va radiar o recibir. Este tamao debe ser mltiplo o submltiplo de la longitud de onda.

Figura 3.1 Diagrama de bloques de comunicacin inalmbrica.

En la figura 3.1 se muestra un diagrama de bloques de comunicacin inalmbrica en general. Muestra como un generador de seales produce una seal elctrica y es llevada por medio de una lnea de transmisin a la antena que radia una onda electromagntica, con las caractersticas de la seal elctrica que hizo el generador de seales. A su vez, la antena 2, recibe la seal y la transforma en seal elctrica; sta es transportada hacia el receptor por medio de otra lnea de transmisin.

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Una antena debe trabajar en resonancia. El trmino resonante en este caso es que no haya desfase entre el voltaje y la corriente. Si se observan los electrones de los materiales conductores de la antena, se nota que para radiar una onda de cierta frecuencia, los electrones produciendo el campo electromagntico respectivo. Cuando la antena no se encuentra en resonancia, la de los electrones no se da con una aceleracin sinusoidal pura, sino que hay entre ellos produciendo ondas estacionarias, lo cual baja el desempeo de la antena. Al estar estos dispositivos encargados de transformar energa, van a tener un desempeo que depende de muchos factores tanto de propagacin como de construccin. Es de suma importancia estudiar los parmetros de las antenas as como el anlisis de propagacin para evaluar su desempeo de una manera terica, para luego tener, en la prctica, mejores resultados.

3.2 Reciprocidad de antenasEn la figura 3.1 se muestra un sistema de comunicacin inalmbrica en el que la antena 1, enva una onda hacia la antena 2. Si se ubica el bloque de generador de seales con la antena 2 y el receptor con la antena 1, se van a obtener exactamente los mismos resultados por la propiedad que tienen las antenas de reciprocidad. El teorema de reciprocidad se puede demostrar mediante las ecuaciones de Maxwell. Teniendo dos conjuntos de fuentes elctricas, a y b, que crean campos electromagnticos, se tiene que la reaccin de los campos de las fuentes b con las corrientes a es el mismo que la reaccin de los campos de las corrientes a con las corrientes b. [23]

r r r r Eb J a dv' = Ea J b dv' v'' v''

(3.2-1)

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De este teorema se concluye que los parmetros y caractersticas de las antenas, se comportan de igual manera cuando la antena se encarga de transmitir ondas electromagnticas as que como se encarga de recibirlas.

3.3 Espectro electromagnticoDe la teora de Maxwell, se resume que una onda electromagntica es aquella que se produce por una oscilacin entre campo elctrico y campo magntico. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz. Los diferentes tipos de ondas electromagnticas que hay, tienen de diferencia entre ellas nicamente la frecuencia y longitud de onda. Estos dos parmetros son linealmente dependientes, si se toma en cuenta que se propagan con la misma velocidad. Sabiendo que la nica diferencia entre las ondas es la frecuencia y longitud de onda, se hace un barrido en frecuencia (o en longitud de onda) para caracterizar una onda electromagntica por divisiones de alguno de estos parmetros. Este barrido tiene como resultado los datos que se muestran en la tabla 3.1.

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Tabla 3.1 Espectro electromagnticoRay os gamma Ray os X Ult rav iolet a Ex t remo Ult rav iolet a Cercano Luz v isible Infrarrojo cercano Infrarrojo Medio Infrarrojo Lejano/submilimtrico Microondas Ult ra Alt a Frecuencia Radio Muy alt a Frecuencia Radio Onda Cort a Radio Onda Media Radio Onda Larga Radio Muy Baja Frecuencia Radio Longit ud de onda < 10 pm < 10 nm < 200 nm < 380 nm < 780 nm < 2,5 m < 50 m < 1 mm < 30 cm < 1 m < 10 m < 180 m < 650 m < 10 km > 10 km > > > > > > > > > > > > > > < Frecuencia 30 Ehz 30 Phz 1,5 Phz 789 Thz 384 Thz 120 Thz 6 Thz 300 Ghz 1 Ghz 300 Mhz 30 Mhz 1,7 Mhz 650 kHz 30 kHz 30 kHz > > > > > > > > > > > > > > < Energa 1,99E-014 1,99E-017 9,93E-019 5,23E-019 2,55E-019 7,95E-020 3,98E-021 1,99E-022 1,99E-024 1,99E-025 2,05E-026 1,13E-027 4,31E-028 1,98E-029 1.99e-29 J J J J J J J J J J J J J J J

Las divisiones propuestas en la tabla 3.1 son nombres asignados a diversos rangos de frecuencia. Estas asignaciones tienen que ver exclusivamente con la forma de producir o percibir la onda y no con alguna propiedad bsica. Para efectos prcticos, se han determinado bandas para dividir la parte del espectro de frecuencia que se utiliza actualmente para las comunicaciones inalmbricas, radio y microondas. Las bandas son conformadas por una dcada en frecuencia y se describen en la tabla 3.2.

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Tabla 3.2 Bandas de frecuencia de radio y microondas.Ba nda ELF SLF ULF V LF LF MF HF VHF UH F SH F EH F D e nom ina cin ( I ngl s) Ex t remely Low Frequency Super Low Frequency Ult ra Low Frequency Very Low Frecuency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ult ra High Frequency Super High Frequency Ex t remely High Frequency Fre cue ncia m nim a 3 Hz 30 Hz 300 Hz 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz Fre cue ncia m xim a 30 Hz 300 Hz 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz

Las frecuencias por debajo de LF no son de mucha utilidad, ya que el ancho de banda es escaso y al tener frecuencias tan bajas, el tamao de las antenas para enlazar comunicacin sera muy grande. Se han utilizado generalmente para propsitos militares. La banda LF se utiliza para sistemas de navegacin area y martima. En Europa, parte el servicio de emisin AM, trabaja en esta banda. La banda MF es muy vulnerable al ruido. Tiene la ventaja que se refleja en la ionosfera, siendo de gran alcance, del orden de cientos de kilmetros. Sus usos principales son la radioaficin, como la emisin de AM, sobretodo en el pasado cuando no existan generadores de seales de frecuencias mayores. HF es una banda tambin conocida como banda de onda corta. Se utiliza generalmente por los radioaficionados, los cuales cuentan con varias frecuencias en esta banda. Tambin para lneas de frecuencia secundaria en aviones. La banda VHF es utilizada usualmente para la radiodifusin en FM, televisin de canales y seales de satlites meteorolgicos. Tambin hay frecuencias reservadas por taxis y bomberos. Se considera a las ondas electromagnticas con frecuencia mayor a 1GHz o 200MHz (hay autores que difieren de opinin), como microondas. Las microondas tienen una divisin de bandas ms especficas. Las bandas de microondas se plantean en la tabla 3.3. 20

Tabla 3.3 Bandas de microondasBa nda Ba nda P Ba nda L Ba nda S Ba nda C Ba nda X Ba nda K u Ba nda K Ba nda K a Ba nda Q Ba nda U Ba nda V Ba nda E Ba nda W Ba nda F Ba nda D Fre cue ncia m e nor 200 MHz 1 GHz 2 GHz 4 GHz 8 GHz 12 GHz 18 GHz 26 GHz 30 GHz 40 GHz 50 GHz 60 GHz 75 GHz 90 GHz 110 GHz Fre cue ncia m a yor 1 GHz 2 GHz 4 GHz 8 GHz 12 GHz 18 GHz 26 GHz 30 GHz 40 GHz 50 GHz 60 GHz 75 GHz 90 GHz 110 GHz 170 GHz

Las microondas tienen un ancho de banda muy elevado, por lo tanto tambin constan de muchas aplicaciones. Se usan para transmitir televisin digital, Internet inalmbrico, telefona celular, comunicaciones satelitales, uso de radar, enlaces punto a punto, entre otros.

3.4 Diagramas de radiacinExisten algunos conceptos y herramientas para analizar y evaluar el trabajo de una antena y resulta importante estudiarlos para lograr una mejor comprensin del objetivo y desempeo de una antena. Como se coment previamente, una antena es un dispositivo recproco. Por eso se puede tomar el ejemplo de una antena radiando una seal y se sabe que recibir la seal del mismo punto donde se radi, va a tener un desempeo prcticamente igual. Por lo tanto, el diagrama de radiacin es equivalente al diagrama de recepcin. El diagrama de radiacin de una antena es una representacin que ilustra la relacin entre diversos parmetros fundamentales de propagacin. La distancia, la direccin de

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propagacin y la densidad de potencia. Un diagrama real se debe dibujar en tres dimensiones debido a que la propagacin se da en todas las direcciones del espacio.

Figura: 3.2 Diagrama de radiacin en tres dimensionesFuente: www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas_clase/Tema_1.PDF

3.4.1 Patrn de radiacin en dos dimensionesLa mayora de las antenas tiene una direccin de propagacin hacia donde se quiere intercambiar informacin como un punto especfico. Se usa el patrn de radiacin en dos dimensiones como una herramienta para analizar esta direccin, haciendo un corte en el diagrama de tres dimensiones. Este corte se debe realizar de una manera que proporcione la informacin que se necesita para analizar en la comunicacin de respectiva antena. En algunos casos se muestran dos diagramas que representan dos cortes distintos, esto debido a que los dos proporcionan informacin til para el anlisis de radiacin, en otros casos basta con uno. El patrn de radiacin se construye mediante una grfica polar. Hay dos maneras de plantearlo, el patrn de onda absoluto y el relativo.

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El absoluto traza la intensidad del campo elctrico o la densidad de potencia. La antena se encuentra en el centro de la grfica polar y el radio es equivalente a una distancia fsica de la antena a un punto. El ngulo es la direccin en funcin de un ngulo de referencia que se coloca a cero grados. El patrn de radiacin relativo propone la densidad de potencia o intensidad del campo elctrico en comparacin con un punto de referencia. En este caso, el radio representa la densidad de potencia o intensidad de campo elctrico, ya sea en unidades lineales o en decibelios. Se traza una figura donde el radio es el mismo para diferentes intensidades que dependen del ngulo.

Figura: 3.3 Patrones de radiacin absoluto y relativo respectivamente.Fuente: [1]

Existen diversos lbulos en un patrn de radiacin. Los lbulos se ven como el rea que encierra la lnea que se traza en el diagrama. Existe uno o ms lbulos principales que son las direcciones donde interesa enviar una seal. Tambin hay lbulos menores, los cuales representan radiacin o recepcin que generalmente es no deseada. Se clasifican tambin los lbulos por su ubicacin. Cuando hay un lbulo en la parte frontal de la antena, se llamar lbulo frontal, a los adyacentes se les llama laterales y al de la parte posterior, el lbulo trasero.

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3.5 Parmetros fundamentales de las antenasHay diferentes maneras de disear antenas que varan dependiendo de la aplicacin, potencia, costo, frecuencia, entre otros factores. Dependiendo de estas caractersticas, se obtienen diferentes construcciones de antenas con diferentes parmetros.

3.5.1 Densidad de potencia y directividad

La densidad de potencia es la potencia por unidad de superficie. En el diagrama de radiacin se puede deducir en funcin del radio (o el radio en funcin de la densidad de potencia). La directividad es otro parmetro visible en el patrn de radiacin. Es la direccin a la cual se va a propagar la seal. Se encuentra en el punto mximo del lbulo principal.

3.5.2 Eficiencia de una antenaAl igual que en cualquier sistema elctrico no ideal, se tienen prdidas por disipacin. Una antena no es la excepcin, no toda la potencia suministrada por la lnea de transmisin se trasfiere en radiacin electromagntica: en otras palabras, hay prdidas en la trasformacin de energa. La frmula para calcular la eficiencia de una antena es igual que en cualquier sistema elctrico.

=

PSalida PSalida = PEntrada PSalida + PDisipacin

(3.5-1)

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Para entender mejor el concepto, se ide modelar la antena como un resistor, este se conoce como resistencia de radiacin. Este modelo se calcula aplicando la ecuacin (3.52).

Rr =

P i2

(3.5-2)

En la ecuacin (3.5-2), Rr es la resistencia de radiacin, i la corriente de la antena en el punto de alimentacin y P la potencia radiada por la antena. La eficiencia se puede modelar en funcin de la resistencia de radiacin y la resistencia efectiva de la antena ( Re ). El resultado se tiene en la ecuacin (3.5-3).

=

i 2 Rr Rr = 2 i (Rr + Re ) Rr + Re

(3.5-3)

3.5.3 Ganancia directiva y ganancia de potenciaUna antena es un elemento pasivo, esto qued claro cuando se plante que se puede modelar mediante una resistencia. En otras palabras, no puede amplificar una seal con una antena. Con esta afirmacin se deduce que la ganancia lineal de una antena debe ser menor o igual a uno. Los parmetros de ganancia directiva y ganancia de potencia no miden la ganancia lineal de la antena, miden la ganancia relativa a otra antena, la cual generalmente es una antena isotrpica. La ganancia directiva es la relacin de la densidad de potencia radiada en una direccin en particular con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que se irradia en las dos antenas la misma potencia. [1] Matemticamente se plantea con la ecuacin (3.5-4) en la que D es la ganancia directiva, P la potencia radiada de la antena y Pref la potencia de la antena de referencia. 25

D=

P Pref

(3.5-4)

La ganancia de potencia es equivalente a la ganancia directiva, pero tomando en cuenta la eficiencia de la antena. Se representa en decibeles con la ecuacin (3.5-5).

Ap = 10log

P Pref

(3.5-5)

Los trminos de ganancia directiva y ganancia de potencia determinan cunto se la seal si se usa una antena determinada en vez de una antena de referencia, la cual generalmente es una antena isotrpica ideal. Se puede deducir que esta ganancia relativa se da por el direccionamiento de la antena hacia un punto.

3.5.4 PolarizacinLa polarizacin es la manera en que se propaga la parte de campo elctrico de una onda electromagntica. Existen tres tipos de polarizacin, lineal, circular y elptica. La polarizacin lineal se subdivide en vertical u horizontal.

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Figura 3.4: Tipos de polarizacin de ondaFuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica

En la figura 3.4, se muestra un esquemtico de la polarizacin de la onda lineal, circular y elptica respectivamente. En la parte inferior de cada caso se puede ver la proyeccin del campo elctrico en el plano ortogonal a la direccin de propagacin. Esta proyeccin forma una figura la cual describe el tipo de propagacin de la onda.

3.5.5 ngulo del haz de la antenaEn el lbulo principal del patrn de radiacin relativo en dos dimensiones, se trazan dos rayos con origen en el centro del la grfica polar y cada rayo interseca los dos respectivos puntos de media potencia (-3dB). El ancho del haz de la antena es el ngulo que divide estos rayos.

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Figura 3.5: Ancho del haz de una antenaFuente: http://jfmontoya.tripod.com/ancho_2.gif

3.5.6 Ancho de bandaEl ancho de banda es, en general, un parmetro muy importante a tomar en cuenta en las telecomunicaciones. Define el rango de frecuencias que se va utilizar para propagar informacin. Esto significa mayor cantidad de informacin por unidad de tiempo, o velocidad de transferencia de datos. El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias en el cual la antena funciona [1]. El ancho de banda de una antena es una caracterstica importante ya que impone una velocidad mxima de propagacin para una respectiva antena.

3.5.7 Impedancia de entradaLa impedancia de entrada, es la suma de la impedancia de radiacin y la impedancia efectiva de la antena. Sirve para modelar la antena como una resistencia y trabajar los

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aspectos de resonancia como un planteamiento de lneas de transmisin donde la impedancia de salida es este nuevo parmetro. La ecuacin (3.5-6) define la impedancia de entrada de la antena, donde Ei es la tensin de entrada en la antena y la corriente de entrada es I i , ambos en forma fasorial.

Z Entrada =

Ei Ii

(3.5-6)

La impedancia de entrada se en el punto donde converge la lnea de transmisin con la antena, este punto se llama terminal de entrada de la antena o punto de alimentacin. La impedancia de entrada es un fasor. El voltaje y la corriente en el punto de alimentacin deben estar desfasados en cero grados, para eliminar la componente reactiva de la impedancia y tener resonancia pura entre la tensin y la corriente, para as eliminar las ondas estacionarias en la lnea. Este comportamiento se tiene cuando la mayora de la energa generada se convierte en radiacin electromagntica, y por lo tanto hay mayor eficiencia en el sistema de propagacin conformado por el generador de ondas, lnea de transmisin y antena. Por reciprocidad se tiene el mismo fenmeno a la hora de recibir seales. La resonancia pura en la antena es la mejor manera de recibir la seal.

3.6 Lneas de transmisin y guas de ondaUna gua de onda es cualquier elemento fsico que gue una onda electromagntica. Esta definicin general incluye lneas de transmisin de cobre pticas, y lneas huecas.

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3.6.1 Teora de lneas de transmisin para antenas

La lnea de transmisin es el medio fsico por el cual se transporta energa de un punto a otro. En el caso de antenas, es conductor que transporta ya sea la seal que se va a radiar por la antena, o la seal detectada por la antena que se lleva hacia el receptor. Cuando se tiene una lnea de transmisin, se puede calcular una impedancia equivalente de la lnea, para modelar la lnea con conductores ideales y esta impedancia correspondiente. Esta es la carga reflejada en las terminales del generador de seales que crea la seal que se pretende radiar con una antena. La impedancia caracterstica depende de la inductancia y capacitancia de los conductores de la lnea de transmisin. La aproximacin de la impedancia caracterstica de la lnea de transmisin de un cable coaxial o lnea bialmbrica, se define en la ecuacin (3.6-1).

Z0 =

Lext C

(3.6-1)

Cuando se transporta una seal por una lnea de transmisin con destino a una antena, hay una parte de la energa que se refleja hacia el generador de seales. Para evitar este fenmeno de ondas reflejadas, se implementa una carga resistiva al final de la lnea. Se define la relacin entre la carga a la salida y la impedancia caracterstica en la ecuacin (3.6-2). Cuando en aplicaciones con antenas se calcula esta carga resistiva, sta ser resistencia equivalente que modela la antena.

ROE =

ZR Z0

(3.6-2)

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La reflexin de la onda aumenta cuando se incrementa el valor de la ROE. Cuando la potencia es absorbida en su totalidad por la carga que se encuentra en el extremo de la lnea de transmisin, la relacin de ondas estacionarias es uno. Esto significara un mtodo de transmisin ptimo. Los principales tipos de lneas de transmisin que se usan para alimentar antenas, son bifilar y coaxial. El cable bifilar consta de un par de cables paralelos separados por un dielctrico, el cual generalmente tiene una forma fija para que los cables estn siempre paralelos. Este tipo de cable es muy eficiente y es barato pero la instalacin es ms complicada que la de cable coaxial.

Figura 3.6 Estructura del cable bifilarFuente: http://espanol.geocities.com/elradioaficionado/imagenes/antena08.jpg

El cable coaxial consta de un cable rodeado por un cilindro hueco conformado por materiales conductores, que en la figura 3.7 es representada por la malla de cobre/aluminio. Los dos conductores se separan mediante dielctricos para que el cable interior se encuentre en el centro de la circunferencia de la base del conductor externo. Tiene la ventaja de ser flexible, y por esto es conveniente para antenas rotativas.

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Figura 3.7 Estructura del cable coaxialFuente: http://www.hispazone.com/imagenes/tutoriales/55-1.jpg

3.6.2 Guas de onda

El trmino gua de onda se utiliza generalmente para describir un tubo metlico hueco donde se va a propagar una onda electromagntica. Esta onda electromagntica se ve reflejada cuando con las paredes del tubo conductor, siguiendo as la direccin que ste tenga. Se utilizan generalmente para aplicaciones de alta frecuencia, en el orden de microondas u ondas pticas. Existen distintos tipos de guas de onda, estn las de seccin rectangular, seccin circular, seccin elptica y flexibles. Estas son las formas de la seccin transversal del tubo que va a guiar la onda. Se dividen tambin con respecto al campo elctrico y magntico. Estn las ondas TE (Transverse Electric) donde la componente del campo elctrico en la direccin de propagacin, es nulo. Las ondas TM (Transverse Magnetic) cuentan con un valor nulo para el campo magntico en la direccin de propagacin. Por ltimo las TEM (Transverse ElectroMagnetic) son en las que el campo elctrico y el campo magntico son cero en la direccin de propagacin, sin embargo este tipo de ondas en un anlisis de espacio limitado no existen, ya que violaran las leyes de Maxwell. Este mtodo para propagar las ondas electromagnticas presenta varias ventajas con respecto a las lneas de transmisin, como la eliminacin de prdidas por radiacin, debido

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a que hay un blindaje total. Al solo haber un conductor, hay menos prdidas ohmicas y la construccin es ms simple que un cable coaxial.

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Captulo 4. Principales tipos de antenas4.1 Antenas elementalesCuando se analizan las antenas elementales, se trabaja con matemtica relativamente complicada. Esto se debe a que los diagramas de radiacin tericos en tres dimensiones son determinados con las ecuaciones de Maxwell y se aplican teoremas y leyes de clculo de tres variables en funcin del tiempo. Se hizo el anlisis de campos nicamente en las antenas elementales como un ejemplo para entender la procedencia de los diagramas de radiacin que se ver en las partes posteriores de este captulo.

4.1.1 Dipolo elementalEl dipolo elemental se puede ver como un segmento de conductor con una longitud determinada cuyas dimensiones son fracciones de la longitud de onda. En este conductor circula corriente alterna. Evidentemente el dipolo elemental no existe ya que la corriente elctrica tiene que provenir de alguna parte y transferirse a otra parte. Aplicando las ecuaciones de Maxwell y teoremas matemticos de clculo en n variables, usando coordenadas esfricas, se obtienen las ecuaciones aproximadas de campo elctrico y magntico de un dipolo. E = j A

(4.1-1)

H =

E

(4.1-2)

Y se tiene que:

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A = AZ sen AZ = e jkr Ih 4r (4.1-3)

De las ecuaciones (4.1-1), (4.1-2) y (4.1-3), se obtiene la densidad de potencia.

2 r r Ih P = Re ExH = r ksen 2 4 pir

(

)

(4.1-4)

De la ecuacin (4.1-4) se puede graficar en tres dimensiones el diagrama de radiacin.

Figura 4.1 Diagrama de radiacin de dipolo elemental y espira elementalFuente: http://www.upv.es/antenas/Tema_3/Densidad_potencia_dipolo_archivos/image012.gif

Al analizar la figura 4.1, se resalta que si se hace un corte en el plano perpendicular al eje z, se obtendra un diagrama de radiacin omnidireccional ideal.

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4.1.2 Espira circular elemental

Se considera una espira con un radio mucho menor que la longitud de onda de la onda a tomar en cuenta. Por esta espira circula una corriente elctrica alterna, la cual va a radiar un campo electromagntico. Las ecuaciones que representan el campo elctrico vienen dadas en las ecuaciones (4.1-5) y (4.1-6). El campo magntico viene dado en la ecuacin (4.1-2).

E = jA = 0

(4.1-5)

E = jA = j

e jkr lkIa 2 sen 4r

(4.1-6)

La forma diagrama de radiacin es presentado en la figura 4.1.

4.2 Dipolos y monopolosDesde el punto de vista terico las antenas de dipolo son las ms simples. Constan de dos conductores que se extienden en una misma lnea como muestra la figura 4.2.

Figura 4.2 Antena de dipoloFuente: http://www.bierzocom-broadcast.com/secciones/Tienda/imagenes/productos/catalogo-21.jpg

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4.2.1 Dipolo de media onda

El dipolo de media onda es muy utilizado para frecuencias mayores de 2MHz. Se dice que a frecuencias menores es prohibitiva la aplicacin de esta antena debido a que la longitud de onda de una frecuencia menor a 2MHz, es significativamente alta y por lo tanto, la construccin de una antena para una frecuencia de ese orden, sera de un tamao ilgico. Se puede calcular el tamao del dipolo mediante la ecuacin (4.2-1), donde c es la velocidad de la luz y f la frecuencia. Por lo tanto para una frecuencia de 2MHz, se obtendra una longitud de 75m.

l=

c 2f

(4.2-1)

La longitud generalmente es un poco menos a la que se calcula en la ecuacin (4.21) debido a que la velocidad de la luz en la atmsfera terrestre, es un poco menor a la velocidad de la luz en el espacio libre. Con frecuencia este tipo de antena es denominada como una antena de Hertz, en honor al fsico alemn Heinrich Rudolf Hertz quien demostr la radiacin electromagntica. Se puede analizar esta antena tomando un conjunto que tiende a infinito de dipolos elementales. Por lo tanto se integra a lo largo de la longitud de la antena la ecuacin del campo elctrico de un dipolo elemental, como si ste fuera un diferencial y se obtiene de ah, el patrn de radiacin de la antena. El diagrama de radiacin de una antena de dipolo de media onda, tiene una forma de toroide al igual que el dipolo elemental. La nica diferencia es que al no ser ideal, la base del toroide no es un crculo, es una figura irregular no muy diferente de un crculo, En la figura 4.3 se muestra el patrn de radiacin del dipolo de media onda en dos dimensiones.

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Figura 4.3 Patrn de radiacin en dos dimensiones, dipolo de media ondaFuente: http://www.electronguia.net/Radio/Temas/Fundamentos_de_antenas2.htm

Cada polo de la antena es un circuito abierto. Esto significa que esta antena tendr ondas estacionarias. Cada polo se ver como un cuarto de longitud de onda de una lnea de transmisin. En los extremos de la antena, hay mximo voltaje y mnimo de corriente, en el centro mxima corriente y mnimo voltaje. En una antena de dipolo, la alimentacin (en el caso de antena transmisora) se encuentra en el centro. Es decir, la antena es simtrica con respecto a la altura como se muestra en la figura 4.2. La impedancia de la antena vara con respecto a la distancia en los polos. Los valores tpicos son 73 en el punto de alimentacin y 2500 en los extremos de

los polos. De esos 73 de impedancia en el punto de alimentacin, entre 68 impedancia de radiacin. Es importante en los dipolos tomar en cuenta la reflexin de la tierra cuando se trabaja con una antena que est cerca del suelo. Tambin los efectos que tiene la atmsfera en las ondas son importantes. y 70 es la

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4.2.2 Alteraciones del dipolo

Adems del dipolo de media onda, existen diversos dipolos con el mismo principio de funcionamiento, pero con algunas variaciones. Existen alteraciones geomtricas en el dipolo, como el dipolo corto, dipolo en V invertida, dipolo de brazos plegados y dipolos con cargas para reducir el tamao. Se pueden construir combinaciones de antenas, que incluyen dipolos y monopolos para obtener diagramas de radiacin ms especficos. El dipolo corto es un dipolo donde la longitud es pequea con respecto a la longitud de onda. Este tipo de antena tiene la particularidad de que la distribucin de corriente no ser uniforme, sino sinusoidal. El dipolo de V invertida es un tipo de antena muy utilizada por los radioaficionados, debido su simplicidad y la facilidad de instalacin y transporte. Consta de un mstil en el cual se tiene la alimentacin hacia un dipolo. El dipolo no va a estar alineado sino van a estar ambos polos con una direccin hacia el suelo con un ngulo, el cual es criterio de diseo. Puede ser inclinada, lo que significa que los polos no estn alineados con el mstil. Hay que tener varios cuidados a la hora de fabricar o de emplear una antena de este tipo, como el ngulo entre los polos y la altura del mstil. En la prctica, el desempeo de esta antena es similar al dipolo normal. La figura 4.4 muestra un ejemplo del diseo de un radioaficionado para una antena de tipo V invertida inclinada.

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Figura 4.4 Antena de dipolo de V invertida inclinadaFuente: http://arieldx.tripod.com/estaciondx/proyectos/vinvertidainclinada.htm

El dipolo de brazos plegados y el acortado elctricamente, son dos tipos de dipolo que tienen como funcin disminuir el tamao de la antena. El de brazos plegados es cuando se doblan los brazos para ahorrar espacio, sin embargo al hacer esto, se baja la eficiencia del dipolo parcialmente.

4.2.3 El dipolo doblado

El dipolo doblado es una combinacin de dos dipolos cortocircuitados en sus extremos. Este se puede descomponer como muestra la figura 4.5.

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Figura 4.5 Descomposicin de dipolo dobladoFuente: [32]

Haciendo un anlisis de impedancias, se obtiene que para una longitud de un cuarto de onda, la impedancia de entrada es cuatro veces mayor que la impedancia de entrada de un dipolo simple.En conclusin, un dipolo doblado equivale, desde el punto de vista de radiacin a un dipolo simple con el doble de corriente y cuatro veces la impedancia de entrada. [32].

Figura 4.6 Conclusin de dipolo dobladoFuente: [32]

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4.2.4 Principio del funcionamiento de monopolos

Los monopolos son antenas que tienen una funcin similar a un dipolo, pero con un solo extremo, basndose en la teora de imgenes. La idea de la teora de imgenes es representar un sistema que consta de una superficie conductora y una carga, con dos conjuntos cargas, opuestas entre s. El conjunto de puntos donde campo elctrico es cero en el planteamiento de dos sistemas de cargas, ser la superficie conductora. Si se supone que el suelo es una superficie conductora, se coloca un monopolo con longitud de un cuarto de onda verticalmente y va a tener una funcin equivalente al dipolo de media onda.

Figura 4.7 Funcionamiento de antena de monopoloFuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ee/Antena_marconi501.png

Evidentemente para que el funcionamiento se d apropiadamente, se requiere de una tierra que sea buena conductora. En el caso de tener una tierra que no es buenaconductora, como una superficie rocosa o arenosa, es necesario incorporar un sistema artificial de tierra fsica hecha de cables de cobre [1].

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4.2.5 Monopolos

Los monopolos son un tipo de antena que tambin se conoce como antena aterrizada o antena Marconi. La ventaja de la antena Marconi con respecto a la antena de Hertz, es que la longitud se reduce a la mitad, pero la desventaja es que necesita estar cerca de la tierra, por lo tanto la propagacin va a tener limitantes de curvatura de la Tierra, obstrucciones y factores en ese sentido. Generalmente se usan antenas aterrizadas para aplicaciones de relativamente baja frecuencia, donde es difcil construir un dipolo por su gran tamao. Como es de esperarse, el diagrama de radiacin del monopolo va a ser prcticamente igual al de un dipolo pero con la limitante de la tierra, como muestra la figura 4.8.

Figura 4.8 Diagrama de radiacin de una antena Marconi de cuarto de ondaFuente: http://www.sallesat.org/castella/satelit/antenes.htm

La impedancia en el punto de alimentacin de la antena, es la mitad que en el dipolo, 36 .

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4.2.6 Antenas cargadas

Las antenas cargadas son antenas que tienen una carga, as el tamao de la antena no depende nicamente de la longitud de onda, para que sea resonante. En la ecuacin (4.21), se deduce que para bajas frecuencias, las antenas de media onda o de cuarto de onda, ocuparan espacios excesivamente elevados. Para evitar diseos con antenas excesivamente grandes, se idearon las antenas cargadas. Aplicando cargas inductivas o capacitivas en las antenas, se reducira el espacio significativamente, ya que la antena podra entrar en resonancia con una longitud mucho menor. Un mtodo es usar bobinas de carga. stas son solenoides que anulan la parte capacitiva de la antena hacindola resonante con una longitud mucho menor. El problema que trae esta tcnica es que aumenta la impedancia de radiacin, haciendo a la antena menos eficiente, adems que le baja el ancho de banda. Existe otra tcnica llamada carga superior de la antena. Esta es una tcnica de alargamiento de la antena. Es una tabla metlica en la parte superior de la antena que incrementa la capacitancia derivada a la tierra, lo que reduce la capacitancia de la antena y as con una inductancia menor se logra resonancia. El inconveniente principal de esta tcnica es que resulta inapropiado para sistemas mviles.

4.2.7 Agrupacin de antenas

Una agrupacin de antenas como un conjunto de N antenas iguales que radian o reciben simultneamente. [6]

En las aplicaciones en las que la directividad de un dipolo o un monopolo no es eficiente, se utiliza un conjunto de antenas; esto logra resultados mucho ms eficaces para direccionar una onda. En el caso de que se requiera tener un diagrama de radiacin con ancho de haz bajo, se necesitara una antena de ms de una longitud de onda, lo cual no es factible en 44

frecuencias bajas. En este caso se hacen arreglos de dipolos y se obtienen patrones de radiacin como el de la figura 4.9.

Figura 4.9 Diagrama de radiacin de agrupacin de 21 dipolos pequeos para un ancho de haz de 6.Fuente: [6]

4.2.8 Antena Yagi-Uda

La antena Yagi fue inventada en Japn en 1926 por S. Uda. Esta antena se utiliza comnmente en la actualidad ya que es muy simple. Se usa generalmente en las bandas HF, VHF y UHF. Entre sus aplicaciones est la radiodifusin de televisin, estaciones de radioaficionados y enlaces punto a punto. La antena Yagi consta de diversos elementos. El esquema general es de un elemento activo, el cual generalmente es un dipolo doblado resonante, un reflector y entre uno y veinte directores. El esquema de la agrupacin se muestra en la figura 4.10.

Figura 4.10 Esquema de antena Yagi-UdaFuente [6]

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La impedancia de entrada de esta antena ser equivalente a la entrada del elemento activo, por lo tanto en el caso de tener un dipolo doblado, ser de alrededor de 300 .

4.3 Aperturas4.3.1 Bocinas

Es importante tener claro el concepto guas de onda de la seccin 3.6.2 para estudiar las bocinas. Cuando se tiene una gua de onda, el haz electromagntico se propaga por este cilindro hueco con sus paredes, las cuales le dan una direccin a la onda. Una bocina es una apertura geomtrica en una gua de onda, la cual va a permitir que la onda se propague por el espacio sin un medio guiado. Se considera como una antena ya que cabe en la definicin. Es lo que transforma una onda electromagntica que est en un medio guiado (gua de onda), en una onda electromagntica que se propaga en el espacio. En el captulo 3, se mencionan los distintos tipos de gua de onda, y la forma en la que la onda se transporta por este medio. Por lo tanto, al haber distintos tipos de propagacin en guas de onda, hay distintos tipos de bocinas. Existen las bocinas rectangulares, entre ellas estn las de plano H, las de plano E y las piramidales. En la figura 4.11, se ilustran los tres diferentes tipos de bocinas rectangulares.

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Figura 4.11 Tipos de bocinas rectangularesFuente: [33]

Estn tambin las bocinas cnicas que se usan en guas de onda circulares. Este tipo de bocina se muestra en la figura 4.12.

Figura 4.12 Bocina cnicaFuente: [33]

El tipo de bocina que se vaya a seleccionar, depende de la polarizacin de la onda que se tiene en la gua de onda. Las bocinas tienen un diagrama de radiacin que depende de la longitud de onda que se va a radiar como de la geometra que sta tenga. El diagrama de radiacin tpico de una bocina, se puede ver en la figura 4.13.

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Figura 4.13 Patrn de radiacin de bocina de plano E.Fuente: [33]

Cabe destacar que las bocinas se utilizan para frecuencias del orden de las microondas al igual que las guas de onda y presentan un ancho de banda amplio.

4.3.2 Ranuras

Una ranura es una apertura en un material conductor; se alimenta con una seal mediante una lnea de transmisin. En esta apertura, se crea un campo electromagntico el cual se va a propagar por el espacio. Haciendo el anlisis matemtico con las ecuaciones de Maxwell en una ranura elemental, se concluye que el diagrama de radiacin es idntico al de un dipolo elctrico [6]. Por lo tanto, si la longitud efectiva de esta apertura es de un tamao equivalente al doble de la longitud de un dipolo de media onda, se tendra una ranura resonante que se comporta como un dipolo doblado. Entonces se tendra una impedancia de entrada en el orden de 300 . Existen varios tipos de ranuras en la prctica. Una espira magntica, por ejemplo, es un tipo de ranura. Tambin hay ranuras alimentadas por una cavidad. En las frecuencias de las bandas VHF y UHF suelen utilizarse como radiadores las ranuras axiales sobre cilindros circulares conductores. Si se sitan varias ranuras colineales, se obtienen diagramas de radiacin con un haz vertical estrecho, como ocurre cuando se superponen varios dipolos en la figura 4.9.

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La forma de una antena de ranuras se puede ver en la figura 4.14. La ubicacin de las diversas ranuras, es de lo que va a depender el patrn de radiacin y su desempeo.

Figura 4.14 Forma de una antena de ranurasFuente [34]

Con las antenas de ranuras se puede lograr tener directividad alta ya sea en el plano horizontal o vertical. En las figuras 4.15 y 4.16, se muestra un caso de patrones de ondas omnidireccionales pero con directividad vertical alta, logrado con un diseo de 16 ranuras omnidireccionales para una frecuencia no licenciada utilizada por el estndar de la IEEE, 802.11b de Internet inalmbrico, 2,4GHz.

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Figura 4.15 Corte horizontal del patrn de radiacin de antena de ranuras en funcin omnidireccional.Fuente: [33]

Figura 4.16 Corte transversal del patrn de radiacin de antena de ranuras en funcin omnidireccional.Fuente: [34]

Se puede tambin tener un diagrama directivo, para aplicaciones como enlace punto a punto, como muestra la figura 4.17. 50

Figura 4.17 patrn de radiacin en dos dimensiones de antena de ranuras en funcin directiva.Fuente: [34]

Otro tipo de antenas que se pueden considerar de ranura, son las antenas impresas. Estas consisten en un parche metlico dispuesto sobre un sustrato dielctrico colocadoencima del plano metlico. [6] Son resonantes, con una longitud de media onda, claro que

en el orden de microondas donde esta longitud de onda es relativamente baja. La desventaja que presenta este tipo de antena, es que el ancho de banda se reduce y que la eficiencia tambin. El esquemtico de una antena impresa, se muestra en la figura 4.18.

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Figura 4.18 Esquema de una antena impresaFuente: [6]

4.3.3 Reflectores y lentes

Los

reflectores

y lentes

son

componentes

que

direccionan

una

seal

electromagntica donde el elemento que radia la onda es un dipolo, una bocina, un arreglo de antenas, o una antena de banda ancha. Evidentemente al unir otra etapa en la transmisin, se ve afectada la eficiencia. La eficiencia de la propagacin total, sera la eficiencia del elemento radiador de la onda, multiplicada por la eficiencia del reflector o el lente. Para obtener directividad alta, se utilizan generalmente reflectores. Los reflectores focalizan la energa para lograr una ganancia alta. Existen varias formas de lograr esto con geometras distintas, entre ellos los reflectores didricos y parablicos.

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El reflector didrico concentra la energa basndose en la teora de imgenes, mediante una serie de reflectores rectos con un ngulo entre ellos lo cual es un factor de diseo importante. La ganancia del reflector didrico, es muy reducida y se requieren grandes superficies con ngulos reducidos para lograr una ganancia considerable. Los reflectores parablicos son ms populares que los didricos ya que logran una directividad muy alta de una manera simple. Por una propiedad geomtrica de una parbola, cuando un haz se propaga desde su foco, se va a reflejar una onda con una sola direccin. En la figura 4.19 queda mejor ilustrado este fenmeno.

Figura 4.19 Propagacin con reflector parablicoFuente: [6]

Hay reflectores que no tienen el elemento radiador o receptor en el foco, estas se llaman antenas parablicas offset.

Figura 4.20 Esquema de antena parablica offset

Fuente: [6] 53

Existen tambin arreglos de reflectores parablicos como es en las antenas Cassegrain o Gregoriano, mostrados en la figura 4.21.

Figura 4.21 Propagacin con arreglos de reflectores parablicosFuente: [6]

La ganancia y la directividad en una antena parablica son muy altas, gracias a la concentracin de energa en un espacio reducido en el que se logra. El diagrama de radiacin de una antena parablica tpico, se representa en la figura 4.22.

Figura 4.22 Diagrama de radiacin de antena parablicaFuente: http://www.dei.uc.edu.py/tai2002/ANTENA/webtai.htm#ganancia

Las antenas con reflectores parablicos son elementos altamente directivos por lo cual se usan en comunicaciones de punto a punto, y no para aplicaciones de

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comunicaciones mviles. Las antenas parablicas son usadas en diversas comunicaciones satelitales, radar de apertura sinttica, televisin va satlite, radioenlaces, estaciones de radioaficionado, sondas espaciales y radiotelescopios. Existen varias tcnicas para producir un reflector parablico, puede ser un cilindro parablico o una parbola tridimensional. Esto va a afectar directamente el diagrama de radiacin y todos sus parmetros, pero el uso de uno u otro depende de la aplicacin. Los lentes son utilizados con propsitos similares que los reflectores. Utilizan otro fenmeno ptico, la refraccin. La idea del lente es cambiar la direccin de la onda mediante refraccin para cambiar la direccin de propagacin o la polarizacin de la onda. La eficiencia es parecida a la de un reflector ya que los fenmenos que la afectan son prcticamente los mismos, sin embargo, la reflexin en el borde de este dielctrico es un factor determinante para su eficiencia y por lo tanto para su desempeo.

4.4 Antenas de banda anchaLas antenas de banda ancha, son antenas en las que algunos de sus parmetros principales no varan considerablemente en un rango amplio de frecuencias; en teora tambin hay antenas invariantes con la frecuencia.

4.4.1 Antenas de hilo

Las antenas de hilo largo o de onda progresiva, constan de un hilo conductor con un tamao de varias longitudes de onda, terminadas en una carga. Esta carga se disea para que sea equivalente al del valor de la impedancia caracterstica de la lnea, y as eliminar las ondas reflejadas. El diagrama de radiacin de esta antena se ilustra en la figura 4.23.

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Figura 4.23 Diagrama de radiacin de antena de onda progresivaFuente: [6]

En la figura 4.23, el eje z es la direccin del hilo, y la direccin del lbulo principal es el ngulo m . Este ngulo depende de la longitud de onda y de la longitud del hilo. Esta antena se considera de banda ancha, debido a que la impedancia de entrada es prcticamente invariante con respecto a la frecuencia. Al analizar el efecto del suelo, se resalta que la antena de hilo largo no es muy eficaz; adems que tiene tambin lbulos secundarios significativos. Por estas razones, en la prctica se hacen variaciones de esta antena para mejorar su desempeo. Las principales variantes son la antena en V y la rmbica. La antena en V es una superposicin de antenas de hilo largo como muestra la figura 4.24. Estas antenas son generalmente utilizadas para comunicaciones ionosfricas.

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Figura 4.24 Ante