Instituto Politécnico Nacional ESIME Unidad “Adolfo López Mateos”
Teoría Teoría de adiadores adiadores Electro!a"néticos Profesora# M$ en %$ &utiérrez Moreno Pilar &uadalupe Alu!no# Torr Torres es &arcía &a'riel &rupo#
Introducción Teórica Una antena es un dispositi(o o conductor !et)lico *ue tiene por o'+eti(o e!itir o reci'ir ondas electro!a"néticas ,acia el espacio li're$ Las Las ante antena nas s tran trans! s!is isor ores es tran transfo sfor! r!an an el (olt (olta+ a+e e en onda ondas s elec electr tro! o!a" a"né néti tica cas s - las las recep receptor toras as ,acen ,acen el proce proceso so in(er in(erso so$$ .)sic .)sica! a!ent ente e cual* cual*uie uierr ele!e ele!ento nto pued puede e ser una una
potencial antena/ - esto ocurre puesto *ue todo !aterial puede reci'ir - producir ca!pos !a"néticos independientes de la !a"nitud en *ue lo ,a"an/ esto se de'e a *ue en todo !aterial e0isten corrientes de'ido al !o(i!iento de car"as sin i!portar su intensidad$ A raíz de lo anterior *ueda pre"untarse/ 1%u)l es el real ori"en de una antena2/ o !)s 'ien/ 1cu)ndo se tu(ieron las intenciones de ,acer una2$ Se sa'e por un lado *ue .en+a!ín 3ran4lin - su e0peri!ento del (olantín !arcaron un ,ito i!portante para el estudio de la recepción de ra-os/ sin e!'ar"o el (olantín no fue ,ec,o con el n de ser una antena$ Los pri!eros e0peri!entos *ue estu(ieron relacionados con antenas/ fueron los *ue relacionaron la electricidad - !a"netis!o "racias a 3arada-/ el cual !idió el ca!po !a"nético de una bobina por !edio de un &al(anó!etro inducido por el !o(i!iento de un i!)n$ Lo *ue resultó de a*uello es *ue la 'o'ina actuó co!o una antena reci'iendo radiación electro!a"nética - detectada por el &al(anó!etro$ Lo curioso es *ue ,asta ese tie!po a5n no se tenía un estudio aca'ado de las ondas electro!a"néticas$ 3ue a co!ienzo del si"lo 66 cuando 7einric, 7ertz desarrolló un siste!a inal)!'rico en el *ue usa'a antenas dipolo para reci'ir radiación$ Posterior!ente en 89:8 Marconi -a esta'a en(iando infor!ación a tra(és del Atl)ntico usando !uc,as antenas (erticales *ue partían de tierra$ La antena receptora era de apro0i!ada!ente ;:: !$ Las antenas se pueden clasi/ las cuales se usan en e!isoras de radio por e+e!plo$ Pero ta!'ién las antenas pueden canalizar la potencia en una dirección de tal !anera *ue no inter(en"a con otros ser(icios =co!o es el caso de antenas entre estaciones>$ Las características de las antenas dependen de la relación entre sus di!ensiones - la lon"itud de onda de la se?al de radiofrecuencia trans!itida o reci'ida$ Si las di!ensiones de la antena son !uc,o !)s pe*ue?as *ue la lon"itud de onda las antenas se deno!inan ele!entales/ si tienen di!ensiones del orden de !edia lon"itud de onda se lla!an resonantes/ - si su ta!a?o es !uc,o !a-or *ue la lon"itud de onda son directi(as$ En la actualidad la antenas son !u- utilizadas por el ser ,u!ano/ tanto en la (ida cotidiana co!o para el uso cientí
adio difusión - Tele(isión adares$ %elulares - teléfonos inal)!'ricos$ adioastrono!ía$ Trans!isión de iB3i %o!unicación inal)!'rica en "eneral$
Parámetros de una Antena Las antenas se caracterizan por una serie de par)!etros$ Generalidades: • • •
%on(ierte los datos en Cndas Electro!a"néticas =CEM>$ Posi'le!ente el dispositi(o !)s i!portante en la red$ Tipos# C!nidireccionales - Direccionales$
Ganancias y Pérdidas: Se de se produce por el efecto de la directi(idad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el dia"ra!a de radiación$ La unidad de &anancia =&> de una antena es el d.d o d.i/ dependiendo si esta se de
Se utiliza la unidad de d./ de$ :d. No "anancia ni perdida$ FGd. Do'le "anancia$ F8:d. Diez (eces !)s "anancia$
Diagrama de Radiación: • •
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Dirección de apunta!iento$ Es la de !)0i!a radiación$ Ló'ulo principal# Es el !ar"en an"ular en torno a la dirección de !)0i!a radiación$ Ló'ulos Secundarios# Son el resto de !)0i!os relati(os/ de (alor inferior al principal$ Anc,o de 7az# La dirección en *ue la potencia radiada se reduce a la !itad$ elación de Ló'ulo principal a secundario =SLL># Es el coe# Es el coe
Ancho de Banda:Es el !ar"en de frecuencias en el cual los par)!etros de la antena cu!plen con unas deter!inadas característicasH se puede de
Directividad: La Directi(idad =D> de una antena se de
La Directi(idad no tiene unidades - se suele e0presar en unidades lo"arít!icas =d.i> co!o#
Efciencia: elación entre la potencia radiada - la potencia entre"ada a la antena$ Ta!'ién se puede de
El par)!etro e =e es adi!ensional Imedancia de Entrada: Es la i!pedancia de la antena en sus ter!inales$ Es la relación entre la tensión - la corriente de entrada$ $ La i!pedancia es un n5!ero co!ple+o$ La parte real de la i!pedancia se deno!ina esistencia de Antena - la parte i!a"inaria es la eactancia$ La resistencia de antena es la su!a de la resistencia de radiación - la resistencia de pérdidas$ Las antenas se deno!inan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada$ Aertura de !a"# Es un par)!etro de radiación/ li"ado al dia"ra!a de radiación$ Se puede de$ Ta!'ién se puede de
Polari"ación# Las antenas crean ca!pos electro!a"néticos radiados$ Se de$ Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derec,as o iz*uierdas =de0tró"iras o le(ó"iras>/ se"5n el sentido de "iro del ca!po =o'ser(ado ale+)ndose desde la antena>$ En el !arco de antenas se de
$
De esta !anera/ o'tene!os la fracción de potencia *ue
Se lla!a dia"ra!a copolar al dia"ra!a de radiación con la polarización deseada - dia"ra!a contrapolar =crosspolar/ en in"lés> al dia"ra!a de radiación con la polarización contraria$ Relación Delante# Atrás# Este par)!etro se de es la diferencia en d. entre el ni(el de la !)0i!a radiación - el ni(el de radiación a 8: "rados$ Este par)!etro es especial!ente 5til cuando la interferencia ,acia atr)s es crítica en la elección de la antena *ue (a!os a utilizar$ Resistencia de Radiación# %uando se le su!inistra potencia a una antena/ parte de ella se irradia - otra parte se con(ierte en calor disip)ndose$ %uando se ,a'la de resistencia de radiación/ se ,ace teniendo en cuenta *ue no se puede !edir de for!a directa$
Si se ree!plaza la antena por la resistencia de radiación/ esta/ ,aría su tra'a+o/ es decir/ disiparía la !is!a cantidad de potencia *ue la irradiaría la antena$ La resistencia de radiación es i"ual a la relación de la potencia radiada por la antena di(idida por el cuadrado de la corriente en su punto de ali!entación$
En donde# r esistencia de radiación =C,!s> P Potencia radiada por la antena =atts> i %orriente de la antena en el punto de ali!entación =A!peres>
Antena $ariosa
Las antenas tipo mariposa/ son esencial!ente un tipo de dipolo cruzado$ La disposición típica consta de cuatro ele!entos de co!pensación en )n"ulo recto *ue se !ontan (ertical!ente alrededor de un !)stil co!5n$ Los ele!entos “alas” en los lados opuestos est)n conectados eléctrica!ente entre sí a tra(és del polo - tra'a+an co!o un par$ Para "enerar un patrón o!nidireccional/ los dos pares de ele!entos se ali!entan de !odo *ue el pri!ero es de 9: fuera de fase con la se"unda$ Esto crea principal!ente polarización ,orizontal en el plano ,orizontal/ con una co!ponente (ertical de au!enta/ a !edida *ue au!enta )n"ulo de ele(ación$ %ada "rupo de cuatro ele!entos en un solo ni(el se re
El aisla!iento entre los trans!isores es apro0i!ada!ente la !is!a *ue la pérdida de retorno desde los dipolos/ *ue es !a-or *ue ;Q d.$ %ada !itad del dipolo tiene una i!pedancia de R o,!ios/ - anc,os de 'anda de ;:O con una pérdida de retorno !a-or *ue se ,a alcanzado de ;Q d.$ Los dipolos tienen (alores nulos en las direcciones de nadir - el cenit/ de'ido a su anc,ura o la altura cuando se (e desde el plano ,orizontal$ Así/ los co!parti!ientos est)n separados por una lon"itud de onda para lo"rar la !)0i!a "anancia$ De dos a seis 'a,ías se utilizan nor!al!ente para los canales ; a Q - ,asta 8 'a,ías para los canales R a 8G$ Antenas de polarización ,orizontal A pesar de *ue la 3%% a,ora per!ite la trans!isión %P/ !uc,as estaciones si"uen e!itiendo Polarización ,orizontal =7P>$ La !a-oría de las estaciones esta'an en el aire antes de 89RR/ cuando la instalación de las antenas de 7P era todo lo PEMITIDC$ Ade!)s/ la polarización circular/ al tie!po *ue !e+ora'a co'ertura en !uc,as zonas/ no es una panacea para todos los pro'le!as relacionados con la propa"ación de difusión$ Por lo tanto/ !uc,as estaciones encuentran desea'le se"uir operando en 7P$ %o!o en el caso de antenas de %P/ a!'os tipos de !onta+e superior lateral de !onta+e se utilizan$ Antenas tio mariosa Los radiadores est)n atornillados al !)stil a apro0i!ada!ente G del punto de ali!entación/ proporcionando así soporte estructural - un !edio de protección contra ra-os$ Esta disposición proporciona un S de !enos de 8/8#8 a tra(és de un anc,o de 'anda de GO/ por lo *ue es con(eniente para el ser(icio de tele(isión ,asta un !íni!o de @R M7z$ 7a- !u- poca radiación a lo lar"o del !)stil$ Sólo una 'a,ía se re*uiere para o'tener una "anancia e*ui(alente a una sola ; del dipolo$ Para au!entar la directi(idad/ (arias 'a,ías se apilan con una separación de apro0i!ada!ente entre centros$ La "anancia de potencia es apro0i!ada!ente proporcional al n5!ero de 'a,ías$ La antena tiene una resistencia de entrada de alrededor de R; con 'a+a reactancia 'astante a!plia so're un anc,o de 'anda$ El anc,o de 'anda es su de líneas coa0iales sin redes de adaptación$ Para proporcionar un patrón de azi!ut o!nidireccional/ pares orto"onales de los radiadores est)n ali!entados en fase cuadratura$ El patrón es "eneral!ente circular - no se des(ía de o!nidireccional por !)s de FB8$d.$ La antena puede ser dise?ada para proporcionar diferentes patrones de azi!ut de la nor!al o!nidireccional$ Esto se lo"ra !ediante la (ariación de la relación de la di(isión de potencia -o fase a los pares orto"onales o radiadores$ Por lo "eneral/ dos líneas de trans!isión se utilizan ,asta la torre/ aun*ue un a(ance de línea 5nica puede ser utilizado Si la di(isión de potencia entre las dos !itades de la antena - 9: escalona!iento se coloca en la parte superior$ Si ,a- una sola línea de ali!entación/ se utiliza un diple0or$ A !enudo es facti'le para ali!entar las 'a,ías superior e inferior de for!a independiente$ Esto es particular!ente con(eniente cuando seis/ oc,o o doce 'a,ías son utilizadas$
'recuencia mane(ada El !odo de trans!isión e!pleado en la Tele(isión/ se deter!ina por la co!'inación de trans!isor receptor en un satélite$ Los satélites "eoestacionarios/ usados para entre"ar se?ales de tele(isión/ tienen al"unos transponders/ los cuales reci'en una se?al e!itida en una frecuencia deter!inada desde una estación terrestre/ o tele puerto/ - la retrans!iten ,acia la tierra/ a una estación de recepción =para'ólica - decodi en otra frecuencia deter!inada$
)B*E+I,): Vue el alu!no sea capaz de construir una antena !ariposa de 'anda alta par tele(isión/ en este caso para los canales del R al 8G
$A+ERIA Tu'o de alu!inio de G Tornillos con tuercas Tu'o !et)lico cuadrado de -W Aislador Acoplador para antena %a'le coa0ial 3le0ó!etro Taladro Arco de se"ueta
DE.ARR)--) Para realizar el dise?o de la antena se propone una frecuencia
Una (ez ,ec,as las !edidas se realiza el ar!ado de la antena/ con el !aterial antes !encionado$
=3CTCS>
.imulación Antena $ariosa
'recuencia de video////000'recuencia de imágen ;BBBBBBBB;: 47z$BBBBBBBBBBBBBBBBBB9R: 47z$ GBBBBBBBQ8;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBQR: @BBBBBBBQR;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBR8R: BBBBBBBRR;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB8R: QBBBBBBBG;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBRR: RBBBBBBB8R;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB8R9R: BBBBBBB88;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB8R: 9BBBBBBB8R;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB898R: 8:BBBBBB89G;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB89RR: 88BBBBBB899;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB;:GR: 8;BBBBBB;:;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB;:9R: 8GBBBBBB;88;:BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB;8R: Banda 1!' 8@BBB@R8;: 47z$BBBBBBBB@RR: 47z$ 8BBB@RR;:BBBBBBBBBBBBBBBB@8R: 8QBBB@G;:BBBBBBBBBBBBBBBB@RR: 8RBBB@9;:BBBBBBBBBBBBBBBB@9GR: 8BBB@9;:BBBBBBBBBBBBBBBB@99R: 89BBB:8;:BBBBBBBBBBBBBBBB:R: ;:BBB:R;:BBBBBBBBBBBBBBBB88R: ;8BBB8G;:BBBBBBBBBBBBBBBB8RR: ;;BBB89;:BBBBBBBBBBBBBBBB;GR: ;GBBB;;:BBBBBBBBBBBBBBBB;9R: ;@BBBG8;:BBBBBBBBBBBBBBBBGR: ;BBBGR;:BBBBBBBBBBBBBBBB@8R: ;QBBB@G;:BBBBBBBBBBBBBBBB@RR: ;RBBB@9;:BBBBBBBBBBBBBBBBGR: ;BBB;:BBBBBBBBBBBBBBBB9R: ;9BBBQ8;:BBBBBBBBBBBBBBBBQR: G:BBBQR;:BBBBBBBBBBBBBBBBR8R: G8BBBRG;:BBBBBBBBBBBBBBBBRRR: G;BBBR9;:BBBBBBBBBBBBBBBBGR:
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%).+). !$ De tu'o de alu!inio de G”BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB X8::$:: ; pares de aisladores BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB X;:$:: AcopladorBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBX;$:: Tornillos con tuercasBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBXG:$:: TCTALBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBX 8R$:: La antena tipo mariposa actualmente no es una antena comercial, se investigaron los precios y oscila entre los $230 y $250 pesos
%onclusiones Torres &arcía &a'riel# %on esta antena nos di!os cuenta de *ue e0isten di(ersos patrones de radiación *ue una antena puede "enerar$ Ade!)s de *ue (i!os la i!portancia *ue tiene la frecuencia -/ por consecuente/ la lon"itud de onda *ue la antena puede captar$ Lo *ue ,ici!os a "randes ras"os fue adaptar un !odelo !ate!)tico a un !odelo físico/ en este caso nue stra antena !ariposa$ Deter!inar correcta!ente el anc,o de 'anda de tra'a+o de una antena es !u- necesario en el !o!ento de utilizarla para cual*uier tipo de aplicación/ de'ido a *ue es necesario conocer las li!itaciones del ele!ento usado$ El c)lculo - posterior!ente la o'tención del patrón de radiación de una antena es !u- i!portante para poder realizar !onta+es o redes con la !is!a/ -a *ue el patrón de radiación indica/ la dirección o direcciones en las cuales/ la antena de'e ser orientada para poder o'tener la !)0i!a se?al posi'le de ella$
