antena espiral

Universidad Nacional de Ingeniería UNI-IES

Antenas Espirales Docente: Ing. Edwin Lacayo . Carrera: Ing.En Telecomunicaciones. Telecomunicaciones. Elaborado por : David Josué Pastrana Ventura . Grupo: 4t1-tel.

18/05/2012


Introducción La necesidad innata del ser humano de comunicarse en cualquier momento y en cualquier lugar ha impulsado los más asombrosos avances tecnológicos. Ya hace más de un siglo que Hertz demostró la posibilidad de enviar ondas electromagnéticas de un punto al otro vía inalámbrica. Menos de una década después, Marconi puso en marcha la primera comunicación transatlántica dando origen al negocio de las telecomunicaciones. En particular, el arte de los transductores electromagnéticos (Antena) ha sido analizado con todo el rigor por los científicos, produciendo una gran diversidad de formas y tamaños de acuerdo a la aplicación específica. En los últimos treinta años, gracias al avance de los computadores y de las técnicas numéricas se han producido mejoras significativas en los parámetros de desempeño de las antenas, debido a que se han podido implementar dichos métodos numéricos para estructuras muy complejas. La antena que estudiaremos se encuentra dentro de lo que se conocen como antenas independientes de la frecuencia; en este caso se trata de antenas con un comportamiento que no varía con la frecuencia. La Antena Espiral es una de las geometrías empleadas para la realización de antenas independientes de la frecuencia. Entre estas antenas encontramos la Espiral Equiángular plana y la Espiral Cónica de las cuales conoceremos sus parámetros, características , aplicaciones ,ventajas y funcionamiento.

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OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES: 

Explicar el funcionamiento de la antena espiral en las comunicaciones Inalámbricas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

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Describir las características de una antena espiral.

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Conocer las aplicaciones de las antenas Espiral.

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Conocer el diagrama de radiación de las Antenas Espiral.

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Antenas Espirales. Las antenas de espirales (cónicas o no) se consideran del tipo de antenas independientes de la frecuencia. Estrictamente, las espirales sólo serían independientes de la frecuencia (o válidas para todas las frecuencias) si la longitud del conductor que define la espiral fuera infinita, y si la dimensión de los terminales de alimentación, así como su separación , fueran infinitesimales; pero en la practica una realización real de la antena espiral deberá incorporar terminales de alimentación y longitud de onda finita ósea que debe haber una limitación en el comportamiento frecuencial de estas antenas, también es importante resaltar que todas las antenas Espiral tienen como característica la polarización circular. Las antenas espirales se definen como antenas de un gran ancho de banda también tienen la propiedad de mantener su impedancia y sus características de radiación de manera independiente Dentro de los tipos de antena espiral se encuentran dos :  

Antena Espiral Equiángular plana . Antena Espiral Cónica.

Para continuar con su estudio es necesario conocer los siguientes conceptos : Antenas autocomplementarias:

Una antenas es autocomplementaria cuando ella y su complementaria tienen la misma forma y a la vez sus impedancia tienen que ser iguales por lo tanto : Za=Zc=ŋ/2= 60πΩ= 188.5Ω

Za= impedancia de la antena. Zc= impedancia de la antena complementaria. Ŋ= efectividad de la antena (120π). Geometrías autocomplementarias:

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Una antena independiente de la frecuencia no tiene por qué ser necesariamente autocomplementaria, pero que lo sea tiene una serie de ventajas : 1-la realización práctica presentara una impedancia más constante con la frecuencia. 2- la antena es resonante y con un valor de impedancia manejable. 3- el valor de la impedancia de la antena es conocido a prioridad y no es necesario calcularlo. Es por estos motivos que, cuando es posible ,se emplean geometrías autocomplementarias en la realización de antenas independientes de la frecuencia.

Antena Autoescalable:

si las dimensiones de una antena que presenta un cierto comportamiento a la frecuencia f se multiplican por una constante k, el comportamiento de la antena es el mismo a una frecuencia f/k. Por tanto, una antena será independiente de la frecuencia si su geometría no varía al multiplicarse por un factor de escala k. En este caso se dice que la antena es autoescalable. Expresado de forma matemática, si la geometría de una antena plana se puede escribir en coordenadas polares en la forma: r F (

es autoestable si: k F ()

F (0 )

es decir, al multiplicar por una constante, la geometría de la antena es la misma, salvo una posible rotación. Nótese que una rotación de la antena deja invariantes sus parámetros (impedancia de entrada, directividad, etc.) y sólo afecta a la polarización. Polarización Circular :

El vector del campo eléctrico en vez de estar oscilando “de arriba hacia abajo” oscila dándole las vueltas al plano del observador que está recibiendo de frente el haz luminoso que avanza hacia él girando ya sea en el sentido de las manecillas del reloj o girando en el sentido contrario a las manecillas del reloj.

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Antena Espiral Equiangular plana . Para que una antena sea independiente de la frecuencia su geometría no debe variar al multiplicarse por un factor de escala k (geometría autoescalable), salvo una posible rotación. Una de las geometrías que cumplen esa condición son las espirales, si la amplitud del conductor varía con el mismo factor de escala que con el que se da la rotación. Una espiral equiangular plana se define en coordenadas polares como: r

Aeâ

y es una curva autoestable con cualquier factor de escala k ya que : k r

( ) = k Aeâ

Aeâ

a

ln k

r(

)

Teniendo en cuenta que r( +2 ) = r( )e^ a2 , al término e^ a2

se le

denomina el factor de expansión de la espiral y toma, en la práctica, valores menores de 10 (típicamente en torno a 4). La antena espiral plana generalmente se forma a partir de dos o cuatro espirales rotadas de forma que la antena resulte equiangular. La frecuencia mínima de funcionamiento de la antena viene dada por la longitud del conductor de la espiral, y esa frecuencia es aquella cuya longitud de onda sea igual a la longitud del conductor. La frecuencia máxima de funcionamiento varía, ya que depende de cómo sea la alimentación en las espirales y del tamaño de los terminales de conexión. La espiral equiangular plana presenta un diagrama de radiación del tipo cos , por lo que tiene máximos de radiación en las dos direcciones perpendiculares al plano de la espiral, algo no deseable, ya que se debería minimizar la radiación para  >90º. En la Figura (Antena espiral equiangular con dos espirales ) se muestra una espiral equiangular con dos espirales, cuyo conductor tiene un radio de 1mm, con el radio mínimo de la espiral de 0.5m y máximo de 0.5m, y con 10 vueltas de espiral. Que el radio sea constante implica que el comportamiento en banda ancha se modifique, ya que no cumple el factor de expansión, pero es válido para mostrar el diagrama de ganancia de la antena, que por ejemplo a 200MHz es el mostrado en la Figura( Diagrama de ganancia de la antena espiral a 200MHz). L a antena puede ser autocomplementaria o no, dependiendo de cuanto estén rotadas las diferentes espirales que la definen, cuando el ángulo de rotación en π/2 como se muestra en la siguiente figura ,la antena es autocomplementaria.

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Antena espiral equiangular con dos espirales

Diagrama de ganancia de la antena espiral a 200MHz

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La espiral debe truncarse cuando la longitud del brazo sea aproximadamente λ , condición que debe cumplirse a la frecuencia más baja de funcionamiento .El comportamiento de la antena puede mejorarse si los brazos de la espiral terminan de forma gradual ,tal como se mostro en la figura . Nótese que esta antena, además de ser de banda ancha, tiene un diagrama poco directivo y está polarizada circularmente, por lo que es una antena especialmente indicada para recibir señales de procedencia, polarización lineal y frecuencia desconocidas en actividades de control del espectro electromagnético.

Alimentación de la Antena Espiral Equiangular Plana : Un problema común a todas las antenas de gran ancho de banda es el de alimentarlas correctamente dentro de todo el margen de frecuencias de funcionamiento. La antena espiral equiangular plana debe alimentarse de forma equilibrada, es decir, por cada uno de los brazos de la espiral debe circular una corriente de la misma amplitud.

La línea de transmisión que permite cubrir grandes anchos de banda sin pérdidas por radiación es el cable coaxial, pero tiene el inconveniente de que se trata de una línea no equilibrada. Si se conecta directamente el conductor interno del coaxial a un brazo de la espiral y el conductor externo al otro brazo la alimentación será asimétrica, debido a la corriente que circulará por la parte externa del coaxial. Una manera de realizar un simetrizador es llevar el cable coaxial de alimentación a los terminales de forma que el conductor externo del coaxial esté conectado continuamente a uno de los brazos de la espiral. En el punto de alimentación se conecta el conductor interno del coaxial al otro brazo de la espiral (figura anterior). De este modo la corriente que circula por la parte externa de la malla del coaxial es, de hecho, la misma que circula por el

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brazo de la espiral; como la longitud del brazo de la espiral se elige de forma que en su extremo la corriente sea despreciable y, por tanto, el truncamiento de la antena no afecte a sus características de radiación, no existirán corrientes por la parte externa del coaxial una vez abandone el brazo de la antena. Para conservar la simetría de la antena se puede colocar otro coaxial en el otro brazo de la espiral. La dimensión de los terminales de alimentación fija la frecuencia máxima de funcionamiento, ya que cuando la distancia entre los terminales empieza a ser comparable a la longitud de onda (d > λ /10) existe un desfase entre los dos brazos.

Características : 1. Diagrama de radiación con lobulos perpendiculares al plano. 2. Polarización Circular. 3. Resistencia : 4. Ganancia : 5. Ancho de banda muy grande: hasta de 20 a 1 (típico de 10 a 1). 6. Banda de trabajo : desde 0.2 a 18 Ghz.

Aplicaciones : Telemetría en aviones y misiles ,ECM, A veces se utiliza en arrays . . Los

sistemas de telemetría reciben las instrucciones y los datos necesarios para operar mediante desde el Centro de Control. .Gestión de Contenidos Empresariales (ECM) En las fábricas, oficinas y residencias, el monitoreo del uso de energía de cada sección o equipo y los fenómenos derivados (como la temperatura) en un punto de control por telemetría facilita la coordinación para un uso más eficiente de la energía.

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Antena Espiral Cónica . En ciertas aplicaciones es necesario disponer de una antena de banda ancha, pero con un diagrama de radiación unidireccional; por ejemplo, si se desea emplear como alimentador de un reflector. La característica de radiación bidireccional de la espiral equiangular plana puede eliminarse montándola sobre una cavidad; sin embargo, ésta es una solución de banda estrecha y suele ser necesario introducir absorbentes dentro de ella para mejorar la respuesta frecuencial. Una configuración de banda ancha que presenta un diagrama unidireccional es la espiral cónica. La antena se construye montando los dos brazos de la espiral sobre un cono. La geometría continúa siendo autoescalable y puede hacerse autocomplementaria. El ángulo que forma la generatriz del cono con el eje es típicamente de unos 15 grados, y se obtienen relaciones delante-atrás del orden de los 15 dB. En la siguiente figura se muestra una realización de esta antena. Las características son similares a las de la espiral plana, excepto que presenta un diagrama unidireccional en la dirección del vértice del cono. Se alimenta de la misma manera que una espiral plana. Es conveniente observar el paso de una hélice a una espiral cónica para comprender mejor su comportamiento independiente de la frecuencia. En una hélice hay dos dimensiones fijas que limitan el ancho de banda: el perímetro C y el paso S; en la espiral cónica ambas se hacen variables, por lo que esta limitación se elimina y queda la estructura definida únicamente por ángulos. 

La espiral cónica de la siguiente figura puede ser considerada como una espiral plana que ha sido arrollado alrededor de un cono dieléctrico.

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La espiral cónica es alimentada por un cable coaxial unida a una cinta conductora con su conductor mas interno unido a la otra cinta en el ápice, como se indica en el diagrama del espiral plano.

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El límite de frecuencia más bajo de la espiral cónica es cuando el diámetro de la base es λ/2.

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El límite más alto de frecuencia ocurre cuando el diámetro del ápice es λ/4. Así, el ancho de banda está en la proporción de ½ el diámetro de la base al diámetro del ápice, el cual, para el cono de la Figura anterior es casi 7 a 1.

Diagrama de Radiación de la Antena Espiral Cónica . Como se ha comentado, el diagrama de radiación es significativo para θ >90º. Una solución a este problema se encuentra enrollando la espiral en un cono. Por ejemplo, en la siguiente Figura se muestra la misma espiral antes mostrada pero sobre un cono de 1m de altitud.

Antena espiral cónica equiangular con dos espirales.

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Diagrama de la antena espiral cónica a 200MHz.

El diagrama de ganancia de esta antena a 200MHz es el mostrado en la Figura anterior , en el que se puede ver que se reduce la radiación para  >90º con respecto a la antena espiral plana. De igual forma que las antenas helicoidales, las antenas de espirales cónicas tienen polarización circular, a derechas si están enrolladas a derechas, y a izquierdas si están enrolladas a izquierdas. En ambos ejemplos mostrados, las espirales son enrolladas a derechas, por lo que la polarización es RHCP para  < 90º, pero es LHCP para 180º >> 90º.

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Características Principales : 1. Recibe todas las polarizaciones lineales (con la perdida de la polarización a 3dB ). 2. El rendimiento constante durante todo el ancho de banda . 3. Rango de Frecuencia : 1-10 Ghz . 4.La ganancia media : 2.5 dBi 5. Potencia Max: 20 watts .

Aplicaciones : Las antenas cónicas espirales se utilizan para las pruebas de compatibilidad electromagnética y espectro de encuestas rápidas aplicaciones.

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Conclusiones

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Se demostró el funcionamiento de las Antena Espiral y el papel que

hacen en las comunicaciones Inalámbricas, conocimos los tipos de antenas Espiral ,sus características, aplicaciones ,y su diagrama de radiación .

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