Antenas
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ANTENAS
ANTENAS, CONCEPTOS ELEMENTALES
Algunas observaciones de interés:
Para un sistema de transmisión la radiación constituyen una perdida de energía. Las antenas y las guías
de ondas, son diseñadas para minimizar la radiación. Sobre la antena, podemos decir que es la parte de
un sistema transmisión o recepción, diseñado para radiar o recibir OEM (campos de RF). O bien, que
es el sistema de transición en donde existe una OEM guiada y una onda en el espacio libre, y a la cual,
se le puede agregar una propiedad direccional. El tiempo finito que logra una propagación de los campos de RF, originan potenciales retardados. El retardo asociado a la propagación, será: Tr, tal que:
Toda antena tiene como objetivo:
¾ Radiar la potencia suministrada (concepto de cobertura).
¾ Ofrecer la propiedad direccional acorde a la aplicación. Esto implica omnidireccionalidad
(recepcionar en toda las direcciones: Radiodifusión, Telefonía inalámbrica, comunicaciones móviles). O bien, directividad (recepcionar en una sola dirección (comunicaciones privadas punto a
punto).
PARÁMETROS DE UNA ANTENA PARA TRANSMISIÓN
El principal parámetro de toda antena es su impedancia. Agregar una antena, al sistema de comunicación, introduce un desequilibrio de impedancia. La Antena y el Tx se deben adaptar para máxima transferencia de potencia. Generalmente, la Antena dista bastante de la línea de transmisión. Por lo anterior, podemos decir que la línea de transmisión o guía de onda, participan en la adaptación e introducen la impedancia característica, un determinado factor de atenuación y el largo natural del cable. El transmisor a su vez, introduce, los patrones de onda o si es una guía de onda, introduce el campo eléctrico y el campo magnético. Para todos ellos, serán de interés los valores eficaces que adquieran en todo momento. Diremos que la impedancia de entrada de toda antena es crucial, pues condiciona las tensiones necesarias para que los generadores provean corrientes con valores adecuados para la antena y con ello la potencia radiada. La podemos caracterizar según su parte real y reactiva. En
tal caso, definimos:
Zin(w) = Rin(w) ± j Xin(w) W
Si la parte reactiva es grande, nos indicará, que se hará necesario aplicar grandes tensiones y así generar
corrientes apreciables. Sí la parte reactiva es nula, la antena estará resonando a la frecuencia de operación w.
Ejemplo:
Supongamos una Emisora en HF con potencia de 200 KW, si la antena presenta Zin=20-j100 W, se requerirá de una I=100 A, lo cual, sólo es posible con un generador de |V|=10.200 V.
De compensar la parte reactiva con un L, la tensión del generador sólo sería de 2.000 V. En tal caso, se harían presente los 10.000 V reactivos en ambas reactancias (antena y L).
Pérdidas
Dado que una antena radia energía, entonces existirá una perdida neta de potencia al espacio (debido al fenómeno de radiación), y por ello, no toda la potencia entregada por el transmisor, será radiada al espacio. Para caracterizar esta perdida, se define el parámetro: resistencia de radiación: Rr. Diremos que es
la resistencia (ficticia) que disiparía ohmicamente la misma potencia radiada por la antena. Si Rr es
pequeña, entonces, se deben disponer de grandes corrientes para poder radiar una potencia adecuada.
Asociado a la Rr, se define la temperatura de la antena: TA. Este parámetro, no tiene ninguna relación con
el concepto de temperatura ambiental que posea la antena en un lugar dado. No es una propiedad inherente a la Antena misma, sino que a las regiones distantes que están acopladas a la antena por
medio de su diagrama de radiación. En otro termino, es la Tº de la región que observa. Por lo anterior, se puede decir que una antena receptora, es un sensor o detector remoto de Tº.
Se define, resistencia de perdidas, RW a la sumatoria de toda las perdidas presentes en la antena.
Se define Rendimiento o eficiencia de una Antena a la cantidad:
entregada
Intensidad de Radiación:
Se define direccionalidad, a la capacidad de una antena para radiar en una determinada dirección.
Diagrama de Radiación:
Es una representación gráfica de las propiedades de radiación. Su representación puede ser:
tridimensional, polar o cartesiana.
Parámetros de la radiación:
¾ Haz principal
¾ Lóbulos secundarios
¾ Ancho del haz: a -3dB, origina la separación angular que origina la mitad de la potencia radiada.
¾ Relación Lóbulo principal v/s secundario: Coeficiente que cuantifica el grado de direccionalidad
[dB].
¾ Relación Delante - Atrás: Es el coeficiente que cuantifica el valor del diagrama en la dirección de
máximo y el valor en la dirección diametralmente opuesta[ dB].
¾ Omnidireccional: Propiedad de una antena, cuando su diagrama de radiación presenta simetría de revolución, en torno a un eje.
¾ Isotrópica: Propiedad que presenta una antena ideal, la cual, radia la misma intensidad en toda las direcciones. No existe pero es útil para bastantes definiciones existentes en la practica.
Directividad:
Es la relación entre la densidad de potencia radiada por una Antena en una dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría bajo esas mismas condiciones una Antena isotópica que irradiase esa misma potencia.
D=4 p/ WA
La directividad es el ángulo sólido (W) de una esfera, dividido por el W del haz de la antena. En otros términos, es una medida de la concentración de la potencia en el WA. La antena isotrópica presenta directividad unitaria (mínimo valor para la directividad). Por ejemplo, el dipolo corto posee directividad
de 1.5 unidades, lo cual debe interpretarse de la siguiente manera: La máxima intensidad de radiación, es
1.5 veces mayor que si la potencia fuese radiada uniformemente en toda las direcciones (antena isotrópica).
Polarización:
En cada punto del espacio en donde existe una antena, existirá un vector de campo, que es función de
la posición y del instante de tiempo. La polarización, es una indicación de la orientación del vector de campo en un punto fijo del espacio al transcurrir el tiempo. La polarización de una antena en una dirección determinada, es la misma que la onda radiada por ella en esa dirección. También podemos asegurar que la polarización de una onda, es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección
de propagación. Si la figura descrita por la variación temporal es un segmento, entonces decimos que la onda esta linealmente polarizada. Si la figura descrita es una elipse, diremos que presenta polarización elíptica. Si la figura generada es un circulo, se diremos que presenta polarización circular.
Ejemplos:
Polarización Lineal:
E = 5xe j ( wt -gz )
E = 12 ye j ( wt -gz )
Polarización Circular:
E = (x + y )e j ( wt -gz )
Polarización Elíptica:
E = (3x + y )e j ( wt -gz )
Ancho de Banda
Todas las antenas, y debido a su geometría finita, están limitadas a funcionar dentro de una banda o
margen de frecuencias. El BW de la antena, lo impone el sistema del cual forme parte. Puede definirse
según múltiples parámetros: Diagrama de radiación, Directividad, impedancia, etc.
PARÁMETROS DE UNA ANTENA PARA RECEPCIÓN
Una antena capta de una ondas incidentes sobre ella, parte de la potencia que transporta y la transfiere
al receptor. De esta manera actúa como un sensor, que interacciona con las ondas y con el receptor. Dándose origen a una serie de fenómenos.
Adaptación
Desde los terminales, la Antena, ve al receptor como una carga: ZL = RL + j XL El receptor ve a la Antena como un generador ideal de VAC, e ZA=RA + j XA. La transferencia de potencia será máxima cuando: ZL = ZA . La potencia máxima, entregada por la Antena a la Carga será: PLmax =½ VAC½ / 4RA.
Sí no hay adaptación, será:
PL = PLmax Ca
Donde Ca, es un coeficiente de desadaptación, definido como:
Ca = 4RaRL / [(RA + RL)2 + (XA + XL)2)]
Entre Antena y receptor debe existir una LTx, entonces el coeficiente de desadaptación será: 1-½GL½2
Area Efectiva
El concepto de área efectiva está definido a partir de magnitudes eléctricas, y no coincide necesariamente con las dimensiones reales de las antenas. En algunos casos, guarda relación directa. Vale decir que la extracción de potencia que realiza la antena al frente de ondas, se realiza en una región denominada área efectiva de captación. Se define entonces como la relación entre la potencia que entrega la Antena a su carga y la densidad de potencia de la onda incidente. Representa físicamente a la porción del frente de onda que la antena ha de interceptar y drenar de él toda la potencia contenida hacia la carga. La definición mencionada, lleva implícita la dependencia con la ZL, la adaptación, y la polarización de la onda.
ECUACION DE TRANSMISION
Para una comunicación, el sistema debe establecer un balance de potencias entre transmisor y receptor.
La mínima potencia detectable por el receptor (sensibilidad), fija la mínima potencia requerida por el transmisor. Para una Antena transmisora, la densidad de potencia ideal radiada(suponiendo que las ondas viajan por un medio sin perdidas, sin absorciones de Eº), esta dada por:
Para una Antena no isotrópica, la densidad de potencia es concentrada según su directividad; en tal caso:
P = D PR
4pr 2
Se denomina PIRE, Potencia isotrópica radiada equivalente, al producto:
PIRE = Pr D [dBW].
La Potencia que la antena receptora, le entregara a su carga esta dada por:
PL = Aef
D PR
4pr 2
La Presencia de PL indica una carga adaptada, de no ser adaptada, se deben introducir un factor de
adaptación. La relación entre potencia recibida v/s potencia radiada, se conoce como: pérdida de
transmisión entre dos antenas y se mide en [dB].
Por ejemplo: Una antena radia potencia de 1KW, posee Directividad de 3dB. Se recibe señal a una distancia de 10 Km con una antena de 1m2 de área efectiva. Si no se consideran las pérdidas, ni las desadaptaciones, entonces la potencia recibida será de 1.5885 x 10-6 W. Es decir: -88 dB de pérdida por transmisión.
ELEMENTOS PARA LA OPERACIÓN DEL EFECTO ANTENA
Para crear el efecto antena, se deben utilizar varios elementos. Los más imprescindibles son: el Balun1, acortadores y alargadores de antena, adaptadores, etc.
BALUN
En los cables coaxiales, la corriente fluye por el conductor interno y es balanceada por una corriente igual que fluye en dirección opuesta por la superficie del conductor (malla). Al acoplar esta línea desbalanceada (coaxial) a una antena dipolo, se produce un efecto de desbalance, cuyo resultado es que una corriente neta fluye de regreso a tierra por la parte externa del conductor. La cantidad de corriente
I3 que fluye por la parte externa, está determinada por la impedancia Zg de la malla externa a tierra. Si esta impedancia se logra hacer grande, la corriente I3 será considerablemente reducida. El dispositivo
que realiza la función de anular I3, recibe el nombre de Balum. Una manera sencilla de crear el mismo efecto, consiste en disponer de una bobina en serie a la línea, y que a la frecuencia de trabajo exhiba una alta impedancia. En la práctica, se hace enrollar el cable coaxial en una serie de espiras, esto hace que
las vueltas no serán ningún problema para las corrientes que circulan en el interior del coaxial, pero las
que circulan por el exterior, verán una bobina de alta impedancia, por lo cual, estas corrientes se reducirán. Para aumentar la inductancia de la bobina, se recomienda agregar un núcleo de ferrita.
BALUN DE MEDIA ONDA2
El balún de media onda brinda un excelente método de adaptar antenas balanceadas a líneas desbalancedas, produciendo además un efecto de transformación de impedancias entre la antena y la línea de 4:1. El balance se logra debido a las características de las líneas de media onda, las cuales invierten la tensión en sus extremos, es decir, mantiene una diferencia de fase de 180º entre los mismos. Por lo general, éste balún se utiliza para adaptar el dipolo plegado (presenta impedancia característica de
300 W ), y enlazarlo a una fuente emisora por intermedio de un cable coaxial de 75 W (tal como los del tipo RG-59U).
INDUCTORES O BOBINAS DE CARGA PARA ACORTAR ANTENAS
Cuando el flujo de la corriente varía, el cambio resultante en el campo magnético alrededor de una bobina induce una tensión sobre esta que se opone a la tensión de alimentación, por lo que manifiesta una propiedad
de autoinductancia. La cantidad de autoinductancia, depende del número de vueltas del enrollado, del diámetro de la bobina, la forma del enrollado, el tipo de núcleo compuesto de substancias magnéticas o
simplemente el aire. Para el caso de la banda de transmisión que da como resultado una antena demasiado
larga (40 y 80 metros), es posible acortar la medida física de su largo, a través del uso de inductores o bobinas
y con ello para lograr la resonancia. La propiedad anterior, se logra eso si, sacrificando el ancho de banda de
la antena.
Aunque ésta no sea tan efectiva en términos de ganancia, tiene la gran ventaja de ocupar menos espacios y para el caso de los arreglos direccionales de dos y tres elementos baja su resistencia al viento,
su radio de giro, etc.
DETERMINACION DEL ALARGAMIENTO ANTENA POR "TAPERED"
Se denomina TAPERED al coeficiente de escalonado de diámetros de los tubos de aluminio que conforman del elemento radiante. Dado que por motivos de resistencia y peso en las puntas, se hace casi obligatorio escalonar los diámetros al construir una antena. Esta disminución en los diámetros de
los tubos acarrea una variación en la impedancia, lo que hace necesario corregirla con un alargamiento del elemento. Si se usan muchos diámetros (tipo telescópico) la fórmula para calcular la corrección del largo eléctrico, requiere bastante cálculo. Existe una aproximación simple y de buenos resultado,
bastante cercano a lo real, y dadas las dimensiones de las antenas, su efecto negativo son despreciables.
Para los cálculos, se toma el diámetro del tubo mayor que conforma el elemento (generalmente el del
centro) y se dividiremos por el diámetro menor de los tubos usados (sin importar cuantas medidas diferentes se hayan usado en armar un elemento). La relación obtenida se aplica al gráfico de ajuste para obtener el factor de alargamiento del elemento.
ADAPTADOR GAMMA MATCH
Es el acoplador de impedancias más popular en aplicaciones con de antenas. Su concepto nace del
fabricar un condensador variable aprovechando los tubos de aluminio que conforman la antena y las propiedades de capacitancia que presentan los tubos huecos. Al insertarse un tubo dentro del otro, se
logran capacidades practicas para utilizar en ambiente de antenas. Se utilizan para cancelar la reactancia que exhibe toda antena y con ello, lograr sintonía a la frecuencia de trabajo.
TIPOS DE ANTENAS
Las antenas se pueden agrupar en dos grandes familias:
¾ Antenas Omnidireccionales
¾ Antenas Direccionales
Las antenas omnidireccionales, son las que irradian el campo de RF en todo su contorno, en todas las direcciones. Tal como un toroide, pero sin agujero central. Una antena vertical, es por naturaleza generalmente omnidireccional. En cambio, las antenas direccionales, son aquellas que dirigen su campo
de radiación hacia uno o más sectores. Una antena horizontal de dos elementos, es por lo general directiva.
Debido que existen innumerables y variados tipos de antenas(tales como: verticales, plano de tierra,
cuadra-cúbicas, de alambre largo (long wire), yagis, dipolos plegados, doble Lazo, de período logarítmico colineales, doble zeppellin, de cuernos, parabólicas, rómbicas, etc), y que posee diferentes y variadas propiedades, tratare solamente de manera general: la antena Yagi, el dipolo y alguna de sus variantes más efectivas.
DIPOLO DE MEDIA ONDA
Al simple dipolo, es la base para obtener antenas direccionales con buena eficiencia. Para ello basta agregarle elementos sintonizados o bien desintonizados. Fueron la base de las comunicaciones entre radioaficionados. Su Rr es próxima a 73 W, lo cual, permite interconectarla fácilmente al cable coaxial
de 75 W y con ello lograr que su adaptación resulta relativamente sencilla, especialmente en la frecuencia de resonancia.
ANTENA IMAGEN:
Es una antena hipotética, es la imagen especular de una antena real, donde las direcciones del flujo de corriente son diferentes (tal como al ser mirados de frente a un espejo), donde además, su polarización eléctrica instantánea es de signo opuesto. Para la antena dispuesta en forma horizontal al plano de tierra, la diferencia de fase entre la antena real y antena imagen es de 180º. Para el caso del dipolo vertical, la antena real y su imagen están en fase.
ANTENA DIPOLO V INVERTIDA
El dipolo básico horizontal, por ejemplo, de las bandas de 3.5 y 7.0 MHz por razones de dimensionamiento y espacios físicos para su instalación, se debe instalarse en forma de V invertida. Para crear el efecto, se debe alimentada al centro (parte superior) y sus extremos deben estar más cercas del suelo. Su característica de radiación, es muy similar a la del dipolo horizontalmente extendido, con la única diferencia que es más intensa desde los extremos de la antena. La impedancia característica, es menor que la del dipolo horizontal, pero logran buenas adaptaciones a las líneas coaxiales de 50 W a 52
W. Por los motivos anteriormente explicados, se le debe instalar un balún 1:1. El ángulo del vértice superior entre ambos brazos del dipolo, no es muy crítico, pero un buen ángulo experimentado con la práctica es de 90º o un poco superior. Respecto de su impedancia, resulta más baja que el extendido
(75 W). Se adapta muy bien a los 52 W de la línea coaxial.
ANTENAS DE DOS ELEMENTOS
Esta es la antena direccional más sencilla después del dipolo. Es interesante su estudio por tener dos posibilidades de variación en los referente a los elementos: reflector y director, lo que involucra un cambio substancial en sus propiedades. Las antenas acortadas de boom que no ocupan mucho espacio, presentan la ventaja de ser bastante maniobrable para su montaje. Medidas de cálculo de una antena direccional para banda de 15 metros considerando el "tapered" de los elementos y su factor de corrección al largo.
ANTENA YAGI DE DOS ELEMENTOS PARA MONOBANDA
El haz de elementos pasivos o red Yagi, fue inventada en el año 1926 por el Dr. Hidetsugu Yagi. En la figura 10, podemos apreciar la respuesta direccional para dos elementos pasivos (ambos elementos del mismo largo), como también, el de una antena con el elemento pasivo desintonizado (director).
ELEMENTO DIRECTOR: Se llama así, cuando su largo se ajusta para una frecuencia más alta que la
de sintonía (acortando el largo físico del elemento).
ELEMENTO REFLECTOR: Se llama así, cuando su largo se ajusta para una frecuencia más baja que
la de sintonía ( alargando el largo físico del elemento).
Cuando se desintoniza el elemento parásito como reflector (y se alarga), éste presenta una reactancia inductiva y al desintonizarlo como director (más corto), presentará una reactancia capacitiva. Entonces, las propiedades de ambas antenas son distintas (ganancia, relación pecho-espalda, ancho de
banda, factor de calidad de la antena de la antena, etc.). En los casos de arreglos YAGI direccionales, él
acoplo de la antena a la línea presenta una amplia variedad de sistemas, siendo la más utilizada, el sistema gamma match.
Para el caso de elementos pasivos iguales y poco separados, la antena proporciona una característica bidireccional con ganancia aproximada de 3 dB. La Rr, resulta baja, aproximadamente de 2 W (tomando una separación de los elementos de 0.04 l ). Tomando como base el dipolo, se fabrican arreglos direccionales agregando elementos parásitos. Este arreglo direccional, obtiene su poder a través de la copla electromagnética con el radiador (dipolo excitado), mejorando la ganancia y la calidad direccional
de la antena.
ANTENAS ENFASADAS (PARRILLAS) DE DOS ELEMENTOS
Se puede mejorar en forma relevante la ganancia de una antena, uniéndola con otra similar
a ella, en frecuencia de diseño y elementos. Mejora también las propiedades del ángulo de radiación del arreglo, etc. Su ganancia teórica puede aumenta entre 2.2 dB a 3.0 dB, dependiendo de
la separación entre las antenas y del cruce de sus lóbulos.
Ejemplo:
Se hizo un separando para las antenas de aproximadamente 0.305 l , lograndose excelentes contactos de alta selectividad. Su enfase, se logra mediante el sistema de adaptadores de l /4, usando cable de televisión RG-59U de 75 W de impedancia. Los datos técnicos son: Frecuencia diseño, 28 MHz, largo onda 10.7142 m. Se elige largo físico multiplo de 3 (1/4 l , 3/4 l ). Se aplica el factor de velocidad del cable,1 0.66. Largo físico resultante: 5.3035 m. Los adaptadores, son dos cables de 75 W del usado para
la televisión modelo RG-59U de 5.3035 m de largo cada uno. Las antenas deben ajustarse por separado, hasta lograr su ROE más bajo y luego proceder a su enfase, y con ello, lograr lóbulos balanceados y a la vez, un buen rendimiento del arreglo o parrilla.
APERTURA EFECTIVA DE UN ARREGLO ( PARRILLA DE DOS ANTENAS)
La apertura efectiva de un arreglo está directamente relacionado a la ganancia de la antena, la directividad y la eficiencia de radiación. También esta directamente ligado a lo que denominamos: área
de captura de la antena y que en el dipolo excitado es igual a 0,13 l², y es una región totalmente elíptica
(figura 13). Tiene un área de captura que mide aproximadamente (3/4 l ) (1/4 l ).
Cuando se acercan las antenas y se produce un cruce de sus lóbulos la ganancia del arreglo disminuye del máximo teórico de 3 dB, apareciendo lóbulos laterales que restan eficiencia y rebajan la relación pecho - espalda. Para antenas de mayor ganancia es necesario separar los arreglos a distancias iguales o mayores de 2 l a 3 l , que por motivos prácticos sólo puede ser aplicable en forma generalizada para antenas de VHF y frecuencias superiores. Un arreglo de dos antenas de tres elementos pueden separarse para trabajar sin problemas entre l /2 a 5/8 l en el plano vertical y con una ganancia
adicional cercana a los 3 dB teóricos (calculados como máximo para estos arreglos).
ANTENA YAGI MONOBANDA DIRECCIONAL DE TRES ELEMENTOS
Sin lugar a dudas, el tipo más popular de antena direccional usadas para las bandas de radioaficionados
es la tres elementos. Por presentar el mejor compromiso entre ganancia, tamaño, peso físico, resistencia
al viento, radio de giro, relación pecho - espalda, etc. El siguiente diagrama representa una antena de tres elementos, sus medidas son corregirlas solamente de acuerdo al diámetro de los elementos y su
escalonado hacia la punta. Se obtiene con esta fórmula, una antena de bajo Q, buen BW y una relación pecho espalda aceptable. Se usa acoplador gamma, que debe ser del mismo diámetro del radiante y el stub del condensador, de medida entre 1/3 a 1/4 de ese diámetro. Su ganancia, es del orden de 7 dB. El largo del boom, es de alrededor de 0.37 l a 0.,45 l . Rr, varía entre 19 W a 29 W (dependiendo de la separación de elementos).
ANTENAS DE CUATRO ELEMENTOS MONOBANDAS.
Las antenas de cuatro elementos y las superiores (cinco o más), comienzan a complicar la fabricación e instalación (por los tamaños físicos que alcanzan en radioafición, bandas de 20 - 17 - 15 - 12 m. Por lo general, se fabrican de boom corto, lo cual no ofrece grandes grandes ventajas en la ganancia con respecto a una antena de tres elementos tipo standard, logrando así, mejorar la selectividad o direccionalidad (aguzamiento del lóbulo) y una mejoría en la relación pecho espalda. La antena tiene una ganancia aproximada teórica cercana a los 9.2 dB sobre un dipolo y una relación pecho - espalda de
20 dB a 25 dB para la frecuencia de diseño.
ANTENA MONOBANDA DE 6 ELEMENTOS PARA VHF LONG BEAM
Un caso muy interesante de analizar, es la antena YAGI de 6 elementos boom alargado para VHF. Principalmente por las características logradas en lo referente a ganancia, directividad y separación como diámetros de los elementos.