ANTENAS Y SISTEMAS RADIANTES 1.- I ntroducción_____________________________________ ntroducción___________________________________________________ ______________ Las antenas son junto al transmisor y las líneas de transmisión el tercer elemento más importante de un sistema de comunicación. comunicación. Una antena es un dispositivo utilizado para transformar una señal de radiofrecuencia que viaja en un conductor, en una onda electromagnética que se puede transmitir por el espacio libre. La transformación de una señal de radiofrecuencia en una onda electromagnética está relacionada con el fenómeno de la radiación. Cuando las corrientes de radiofrecuencia circulan por un circuito cuyas dimensiones son comparables a la longitud de onda de la señal (al menos mayores que 0,1 longitudes de onda), la energía presente en el circuito puede «escapar » por radiación y el circuito se convierte en una antena. Existe una gran cantidad de maneras de lograr esta transferencia de energía, por lo que las antenas pueden ser físicamente muy diversas. Por ejemplo, hay antenas formadas f ormadas por lentes que enfocan la radiación en una particular región del espacio, antenas formadas por ranuras en una guía de ondas, etc., pero las l as antenas más populares están formadas por elementos metálicos con una geometría especial en función de la frecuencia de operación. Un aspecto fundamental de las antenas es el principio de reciprocidad, que establece que el comportamiento de la antena en transmisión es idéntico al comportamiento de la antena en recepción. Esto nos permitirá simplificar enormemente el estudio de las antenas, puesto que será suficiente con analizar su comportamiento en transmisión o en recepción. Antes de comenzar a analizar las diferentes antenas que existen, debemos conocer los principales parámetros parámetros o características características que definen el el comportamiento de una antena.
2.- C ar acte cter í sti sti cas de las las ante ntenas_ nas___ _____ ______ ______ _____ ____ _____ _____ _____ ______ ______ _____ ____ _____ _____ 2.1. 2.1.- I mpedancia ncia de entrad ntrada a______ _________ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ _____ __
Es la resistencia que la antena presenta en su punto de conexión a la señal de corriente alterna que le llega procedente del transmisor a través de la línea de transmisión. En general tiene una parte resistiva y una parte reactiva Para que se produzca la máxima transferencia de potencia entre el transmisor y la antena, la impedancia de la antena debe estar acoplada a la de la línea de transmisión que la alimenta. Como vimos en el tema anterior, cuando la impedancia de
la antena es diferente a la de la línea de transmisión, parte de la energía entregada a la antena es reflejada de vuelta al transmisor, pudiendo provocar daños importantes en el mismo. La calidad del acoplamiento se mide en términos de la relación de onda estacionaria (ROE o SWR). Idealmente esta relación debería ser la unidad, cuando las impedancias son exactamente iguales. La impedancia de una antena depende de las características físicas de la misma, y en muchas ocasiones no coincide con la impedancia de la línea de transmisión, que como vimos en el tema anterior suele ser de 50Ω o 75Ω. En estos casos en que las impedancias son diferentes, se utilizan adaptadores de impedancia basados en transformadores para conseguir una correcta adaptación. Estos dispositivos reciben
el nombre de balun, y serán analizados más adelante. 2.2. 2.2.- Dir Di r ecti cti vidad idad_____ ________ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ _____
No todas las antenas irradian con la misma potencia en todas las direcciones. La directividad es la habilidad de una antena de transmitir enfocando la energía en una dirección particular, o de recibirla de una dirección particular. Las antenas que irradian la misma potencia en todas t odas las direcciones se llaman omnidireccionales. 2.3. 2.3.- Gana Gananc ncii a_____ ________ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ ______ _____ _____ ______ ______ ___
Las antenas son elementos pasivos, es decir, no amplifican la señal de radiofrecuencia que procede del transmisor, por lo que en principio no tiene sentido hablar de ganancia de una antena. No obstante, hemos visto que las antenas pueden ser directivas, es decir, pueden concentrar concentrar la energía en una determinada dirección, lo que hace parecer parecer como si la señal fuese emitida con una potencia mayor en esa dirección. La ganancia de una antena es una medida de comparación: representa la diferencia en decibelios entre la energía irradiada por una antena en su dirección de máxima radiación, y la energía que irradiaría una antena de referencia en esa misma dirección.
Las antenas que se toman como referencia suelen ser dos: la antena isotrópica y el dipolo de media onda.
La antena isotrópica es aquella que irradia desde todas las direcciones con la misma intensidad. Aunque es físicamente irrealizable, se utiliza como modelo de comparación con las antenas reales. Como irradia con igual potencia en todas direcciones, su diagrama de radiación es una esfera.
Por tanto, si una determinada antena irradia en su dirección de máxima radiación con una potencia 5dB superior a lo que lo haría una antena isotrópica, se dice que tiene una ganancia de 5dBi, donde la letra “i” indica que la comparación se hace con una antena
isotrópica. Algunas veces se utiliza el dipolo de media onda como antena de referencia. En estos casos la ganancia se expresa en dBd, donde la letra “d” indica que la antena de referencia es un dipolo. Una antena dipolo tiene una ganancia de 2.14 dBi comparada con una antena isotrópica. Por ello, la ganancia de una antena expresada en dBd resultará siempre un valor inferior en 2,14 dB respecto a la ganancia de la misma antena expresada en dBi. G(dBd) = G(dBi) - 2,14 dB G(dBd) = ganancia
de la antena en dB con respecto a un dipolo
de media onda. G(dBi) = ganancia de
la misma antena en dB con respecto a un
radiador isotrópico Es muy importante entender que las antenas son elementos pasivos que no amplifican la señal de radio. Las antenas sólo concentran la señal en la cierta dirección. Toda energía adicional radiada en las direcciones favorecidas es compensada con menos energía radiada en las otras direcciones . La ganancia de una antena es por tanto una manera de medir la directividad de la misma. Cuanto más grande sea la ganancia de una antena, ésta será más directiva, y su haz de radiación será más estrecho.
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Cuál es la función de una antena?
2.- ¿Qué es el principio de reciprocidad de una antena? 3.- ¿Qué quiere decir que una antena es muy directiva? 4.- ¿Qué quiere decir que una antena es un elemento pasivo? 5.- ¿Qué es una antena isotrópica? 6.- Una antena tiene una ganancia de 7dBd. ¿Cuál es su ganancia, expresada en dBi?
7.- Se tienen dos antenas con diferentes ganancias: una tiene 5dBd y la otra 7dBi. ¿Cuál de ellas tiene más ganancia?
2.4.- Potencia Radiada I sotrópica E quivalente________________________________
Según lo estudiado en el apartado anterior, la potencia real con la que emite una antena no es igual a la potencia entregada por el transmisor, sino que también influye en gran medida la ganancia de la antena. Por tanto, a la hora de establecer límites legales en cuanto a potencia radiada, es necesario que exista algún parámetro que tenga en cuenta estas dos cosas. Ese parámetro es la Potencia Radiada Isotrópica Equivalente o P.I.R.E. ( ) = ( ) ∙ () = () + ()
El PIRE es una unidad muy utiliza para establecer límites legales en cuanto a potencia radiada a los diferentes servicios de radiocomunicaciones. Este tipo de limitación suele venir regulada en las normas UN del CNAF. E jercicios______________________________________________________________ 1.- Consulta en la norma UN-85 del CNAF cuál es el máximo PIRE permitido para un dispositivo wifi.
2.- Un vecino dispone de un adaptador wifi a USB que contiene un transmisor de 50mW y una antena omnidireccional de 2dBi. Si dicho vecino sustituye la antena original por una de 5dBi, ¿está cumpliendo con los límites legales?
2.5.- Diagrama de radiación_______________________________________________
El diagrama de radiación o patrón de radiación de una antena es una gráfica que relaciona la potencia radiada en función del ángulo espacial. Como las antenas irradian en las tres dimensiones, los diagramas de radiación son en realidad volúmenes y como tal se deberían representar en forma tridimensional, como en la siguiente imagen, donde se pueden observar los diagramas de radiación de un dipolo y una antena tipo bocina:
Dipolo estándar
Antena de bocina
No obstante, normalmente los diagramas de radiación se representan de forma bidimensional en dos planos, el vertical y el horizontal. Estos planos se pueden representar tanto en coordenadas rectangulares como en coordenadas polares.
Las siguientes gráficas muestran un diagrama de radiación de una antena Yagi representado en coordenadas rectangulares y polares:
Parámetros del diagrama de radiación:
Asociados al diagrama de radiación, se definen una serie de parámetros, que habitualmente se utilizan a la hora de especificar el comportamiento de una antena:
Lóbulo principal: es aquel que contiene la dirección de máxima radiación. Lóbulos laterales: aquellos lóbulos adyacentes al lóbulo principal. Lóbulo posterior: el que se encuentra en la dirección opuesta al principal. Nulos: puntos en los que la potencia radiada es cero. Ancho de haz: es la distancia angular entre los puntos del diagrama de radiación en los que la potencia disminuye a la mitad respecto a la radiación máxima, lo que equivale a una pérdida de 3 decibelios. Relación delante/detrás: es la diferencia, expresada en dB, entre la ganancia del lóbulo principal y el lóbulo trasero del diagrama de radiación de una antena. Como es lógico, este parámetro no tiene sentido para un antena omnidireccional, pero proporciona una idea de la cantidad de potencia dirigida hacia adelante en una antena muy direccional
E jercicios______________________________________________________ 1.- A continuación se muestran los diagramas de radiación de 3 antenas diferentes. Para cada uno de ellos, indica: a) Ancho de haz b) Relación delante/detrás
2.- ¿Cuál de las 3 antenas del ejercicio anterior es más directiva? ¿Por qué?
3.- En las siguientes gráficas dibuja los diagramas de radiación de las siguientes antenas: Antena 1: - Ancho de haz de 60º - Dos lóbulos laterales a 60º y 300º - Lóbulo posterior con relación delante/detrás de 15dB Antena 2: - Omnidireccional
2.6.- Polari zación________________________________________________________
Como sabemos, una antena emite ondas electromagnéticas, que están formadas por campos eléctricos y magnéticos íntimamente ligados que se propagan en el espacio. La polarización de una antena se refiere a la figura geométrica que describe el campo eléctrico emitido por dicha antena al propagarse por el espacio.
Para ondas senoidales, esta figura suele ser una elipse, pero hay dos casos particularmente interesantes: cuando la figura trazada es un segmento, denominándose polarización lineal, y cuando la figura trazada es un círculo, denominándose polarización circular.
Polarización lineal:
Se produce cuando la figura que describe el campo eléctrico es una línea recta. Esta línea puede tener una orientación vertical u horizontal, distinguiendo entonces entre polarización vertical y polarización horizontal.
En las imágenes que se muestran a continuación, según la orientación del dipolo, los electrones se mueven hacia arriba y hacia abajo, o hacia la derecha e izquierda, creando en cada caso un campo eléctrico vertical u horizontal, y por tanto generando una onda electromagnética con polarización vertical u horizontal.
Polarización vertical
Polarización horizontal
Polarización circular:
La polarización circular es un caso particular de la polarización elíptica. Se produce cuando el campo eléctrico va girando en el plano perpendicular a la dirección de propagación, como si fuera un sacacorchos, trazando la figura de una circunferencia. Este tipo de polarización puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda, según sea el sentido de giro. Es la polarización producida por las antenas helicoidales.
Antena helicoidal
Existen otras configuraciones de antenas que consiguen una polarización circular, como la que se muestra a continuación, utilizada para la difusión de radio FM:
Uso de las polarizaciones:
En general, se puede emplear cualquier tipo de polarización, lo importante es que ambos extremos de un enlace utilicen el mismo tipo de polarización. En polarización elíptica o circular, además deben tener el mismo sentido de giro. El uso de cada tipo de polarización dependerá de las condiciones del enlace a realizar, de la planificación del espectro o de la orografía del terreno en la zona de servicio a cubrir. Por ejemplo, en sistemas radiantes de radio FM, la polarización vertical es apta para terrenos llanos con un centro emisor muy elevado. En cambio, la polarización circular obtiene un mejor rendimiento en zonas montañosas, donde la señal, debido a las reflexiones, se despolariza. Para enlaces de gran distancia, la polarización horizontal es más inmune a captar interferencias locales, ya que la mayor parte de emisiones se realizar con polarización vertical.
Por otro lado, la polarización circular presenta ciertas ventajas en transmisión y recepción satelital, ya que permite recibir con menor atenuación las señales que llegan despolarizadas tras atravesar la atmósfera.
Polari zación cruzada:
La polarización cruzada tiene lugar cuando un extremo de un enlace de radiofrecuencia tiene una polarización diferente a la del otro extremo. La polarización cruzada implica una pérdida de señal que puede alcanzar los 20 dB Este efecto se puede utilizar para optimizar el espectro radioeléctrico, pudiendo hacer que dos señales de la misma frecuencia compartan un mismo espacio geográfico, diferenciándose en la polarización.
2.7.- Ancho de banda_____________________________________________________
El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias en el cual la misma puede operar satisfaciendo ciertos criterios, por ejemplo la gama de frecuencias para la cual la antena va a tener una relación de ondas estacionarias (ROE) menor que 2.
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Qué es la polarización de una antena?
2.- ¿Qué diferentes tipos de polarización existen?
3.- ¿Qué polarización sería recomendable utilizar para transmitir radio FM en una zona muy montañosa? ¿Por qué?
4.- ¿Qué es la polarización cruzada? ¿Para qué se puede utilizar este fenómeno?
3.- Tipos de antenas________________________________________________ Existen muchos tipos diferentes de antenas. Para clasificarlas se pueden emplear distintos criterios. A continuación se describen los dos principales criterios de clasificación:
Las antenas utilizadas para la banda HF son diferentes de las antenas utilizadas para VHF, las cuales son diferentes de las antenas para microondas. La longitud de onda es diferente para cada banda de frecuencias, por lo tanto las antenas deben ser de tamaños diferentes para radiar señales de manera eficiente. Como es lógico, cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo, menor será el tamaño de la antena, puesto que menor será la longitud de onda de la señal. Frecuencia de trabajo.
Directividad. Las antenas pueden ser omnidireccionales, sectoriales o directivas. Las antenas omnidireccionales irradian aproximadamente con la misma intensidad en todas las direcciones del plano horizontal. Los tipos más populares de antenas omnidireccionales son los dipolos y los monopolos. Las antenas sectoriales irradian
principalmente en un área específica. El haz puede ser tan amplio como 180 grados, o tan angosto como 60 grados. Las antenas direccionales son antenas en las cuales el ancho del haz es mucho más estrecho que en las antenas sectoriales. Tienen la ganancia más alta y por lo tanto se utilizan para enlaces a larga distancia. Tipos de antenas directivas son las Yagi, las de bocina, las helicoidales, los platos parabólicos y muchas otras.
4.- Antenas omnidireccionales________________________________________ 4.1.- Dipolo de media onda________________________________________________
Este tipo de antena es la más sencilla que existe y la más fácil de fabricar, y sirve de base para muchas otras antenas. Está formada por dos trozos de material conductor, cada uno de un cuarto de longitud de onda. Si se conecta a la línea de alimentación por el centro, la distribución de corriente y de voltaje es simétrica y ofrece una impedancia de 73 ohmios.
En esta antena, la intensidad es máxima en el centro de la misma, donde se conecta a la línea de transmisión, y se anula en los extremos. El voltaje, en cambio, al estar desfasado 90º con respecto a la intensidad, es máximo en los extremos y nulo en el centro.
Distribución de la intensidad y la tensión en un dipolo de media onda
La radiación de un dipolo en el espacio libre es tal como se indica en la siguiente figura: en un plano perpendicular a la dirección del conductor, el dipolo irradia exactamente igual en todas direcciones con una ganancia respecto a una antena isotrópica de 2,14 dB.
A efectos prácticos puede decirse que el dipolo es omnidireccional, excepto para direcciones hacia las puntas o muy próximas a ellas.
Diagramas de radiación de un dipolo de media onda
Comercialmente existen dipolos sintonizados a una frecuencia concreta, dipolos multibanda que ofrecen un buen comportamiento en múltiples frecuencias y dipolos sintonizables, con un sistema de tornillos que permite ajustar la longitud de los dipolos a la frecuencia de nuestro equipo. Como hemos visto, la impedancia de entrada de un dipolo de media onda es de 73Ω. Sin embargo, este tipo de antenas se suele emplear en aplicaciones en las que se utilizan cables coaxiales de 50Ω, por lo que la conexión directa provocaría una importante desadaptación de impedancias. Para estos casos se suele emplear un
adaptador de impedancias conocido como balun, que muchas veces viene incorporado en la propia antena.
Balun:
El término balun proviene de las siglas en inglés de balanced-unbalanced lines transformer . Es decir, el balun es un dispositivo basado en un transformador que convierte las líneas asimétricas o no balanceadas, como el cable coaxial, en líneas simétricas o balanceadas, aptas para su conexión a antenas simétricas como el dipolo.
Conexión entre dipolo y coaxial sin balun INCORRECTA
Conexión entre dipolo y coaxial con balun CORRECTA
Pero además de esta función, el balun realiza la importante tarea de adaptación de impedancias. Realizando diferentes configuraciones en el transformador, se pueden conseguir diferentes relaciones de transformación de impedancias. Las más habituales son las siguientes: -
-
Balun 1:1 – La impedancia de entrada es igual a la de salida, es decir, no modifica la impedancia. En este caso se emplea únicamente para conectar una línea asimétrica a una simétrica. Balún 1:4 – Empleado para adaptar impedancias entre 75Ω y 300Ω. Balún 1:6 – Empleado para adaptar impedancias entre 50Ω y 300Ω.
Es importante tener en cuenta que la adaptación de impedancias que proporciona un balun no es sino una consecuencia de la función principal del balun, que es la de conectar una línea simétrica a una asimétrica.
Balun de 4:1 con conector PL
Interior del balun
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Cuál es la impedancia de entrada de un dipolo de media onda? 2.- ¿Qué es un balun? ¿Para qué sirve?
3.- ¿Es necesario utilizar un balun para conectar un dipolo a un cable RG-58? ¿Por qué?
4.- ¿Y para conectarlo a un cable RG-59? ¿Por qué?
5.- En las siguientes gráficas dibuja el diagrama de radiación de un dipolo en el plano horizontal y en el plano vertical.
4.2.- Dipolo doblado______________________________________________________
Si se toma un dipolo de media onda y se cierra sobre sí mismo manteniendo la dimensión de media onda, se consigue aumentar el ancho de banda de la antena, aunque la impedancia de entrada se multiplica por 4, llegando a valores cercanos a los 300Ω. Este aumento de impedancia hace necesaria la utilización de un balun de relación 1:4 (en sistemas de 75Ω) o de 1:6 (en sistemas de 50Ω). Debido a su mayor ancho de banda, este tipo de dipolo es muy utilizado para recepción de señales de televisión, normalmente como elemento activo de una antena Yagi.
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Cuál es la principal ventaja del dipolo doblado frente al dipolo de media onda? 2.- ¿En qué aplicaciones se utiliza el dipolo doblado? 3.- ¿Qué balun habría que utilizar para conectar un dipolo doblado a un cable RG-59?
4.3.- Monopolo_________________________________________________________
Esta antena también es conocida como antena Marconi en honor a su inventor. Conceptualmente, se trata de un conductor vertical perpendicular a la Tierra. Puede imaginarse como un brazo de un dipolo, al cual la Tierra le sirve de espejo para "fabricar" la imagen del otro brazo del dipolo. La altura de esta antena es del orden de un cuarto de onda (λ/4), y la impedancia teórica de esta antena es de 36 Ω, o sea, aproximadamen te la mitad de los 73 Ω del dipolo. En la práctica, la presencia de objetos conductores vecinos y la calidad de la tierra real como reflector harán que la impedancia sea distinta de la impedancia ideal. Estas antenas utilizan la teoría de la imagen: una antena vertical de un cuarto de onda (λ/4) situada sobre una tierra muy conductora tendrá las mismas características que un dipolo de media onda ( λ /2) debido a que la tierra creará, a causa de la reflexión de las señales, una imagen simétrica de la antena, funcionando así el monopolo como un dipolo de media onda.
En la práctica el plano de tierra es suficiente que se extienda por lo menos a un cuarto de longitud de onda, por lo que se puede utilizar el chásis de un coche en el caso de recepción de señales de banda ciudadana. Por otro lado, el plano de tierra tampoco tiene que ser continuo, puede estar formado simplemente por varios trozos de alambre (al menos 4) dispuestos de forma radial alrededor del punto de alimentación del monopolo. Estos alambres, llamados radiales,
deben tener una longitud de un cuarto de onda. Este es el sistema que utiliza, por ejemplo, la antena Sirius 2016 que se muestra en la imagen derecha. Las antenas monopolo se utilizan para la transmisión de frecuencias bajas, como en las estaciones de radio de onda media (AM), debido a que en estas frecuencias la longitud de onda es muy elevada, por lo que la longitud física de la antena es muy grande, y por tanto empleando un monopolo en lugar de un dipolo la longitud se reduce a la mitad. En concreto, dentro de las antenas monopolo utilizadas en emisoras AM existen 2 tipos diferentes: -
Se trata de una torre metálica aislada de tierra mediante un aislador cerámico. En este caso la propia torre ejerce de antena, y el vivo del coaxial se suelda directamente a la torre. Torre radiante:
Aislador cerámico en una antena monopolo de torre radiante
-
Utiliza la torre como soporte de una cortina de hilos (normalmente 6) separados de la torre, lo que hace que aumente su diámetro eléctrico, y con ello el ancho de banda de la antena. Cortina radiante:
Antena monopolo de cortina radiante
Actualmente está más extendido el uso de la antena de cortina radiante, porque presenta una serie de ventajas sobre la torre radiante: - No requiere el costoso aislador cerámico de la base. - La torre está conectada a tierra, por lo que en caso de impacto de un rayo, el -
equipo está más protegido. Mayor ancho de banda. Se puede usar la torre como soporte de otras antenas (FM, TV, etc)
En cualquiera de los dos casos, para lograr una tierra perfecta se instala bajo tierra una red de radiales de un cuarto de longitud de onda con centro en la base de la torre. Normalmente se usan 120 radiales unidos entre sí formando el denominado plano de tierra.
Plano de tierra de una torre de onda media enterrado 30cm bajo tierra.
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Cuál es la impedancia de entrada de una antena monopolo? 2.- ¿En qué aplicaciones se utilizan las antenas monopolo? 3.- ¿En qué consiste la teoría de la imagen? 4.- ¿Qué es una antena de cortina radiante?
5.- ¿Qué ventajas proporciona la antena de cortina radiante sobre la de torre radiante?
6.- En la instalación de una antena de torre radiante o de cortina radiante, ¿qué se coloca enterrado bajo el suelo? ¿Por qué?
7.- ¿Sería necesario utilizar un balun para conectar una antena monopolo a un cable coaxial? ¿Por qué?
5.- Antenas sectoriales_____________________________________________
Las antenas sectoriales emiten un haz más ancho que una antena direccional, pero no tan amplio como una omnidireccional. Por tanto, el alcance de una antena sectorial es mayor que la omnidireccional pero algo menor que la direccional. La mayoría de antenas sectoriales son antenas planas, dentro de las cuales existen diversas tecnologías, como las antenas de bucle magnético o las basadas en tecnología microstrip. Son ampliamente utilizadas para la planificación de redes móviles celulares. En estos casos, para tener una cobertura de 360º (como una antena omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) se deben instalar o bien tres antenas sectoriales de 120º de ancho de haz, o cuatro antenas sectoriales de 80º.
A continuación se muestra el diagrama de radiación de una antena sectorial:
6.- Antenas direccionales____________________________________________ 6.1.- Antena Yagi -Uda____________________________________________________
La antena Yagi-Uda es una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi y su ayudante el Dr. Shintaro Uda. Una antena Yagi-Uda está formada por un elemento alimentado (conectado a la línea de transmisión) llamado radiador, formado por un simple dipolo o un dipolo doblado. Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios elementos aislados (no conectados a la línea) llamados elementos parásitos. Dentro de estos elementos parásitos existen dos tipos: los directores y los reflectores: los elementos directores se colocan delante del radiador, y refuerzan el campo hacia adelante. Pueden ser uno o varios. Son siempre más cortos que el dipolo, de longitud decreciente conforme se alejan de él.
-
Directores:
-
Reflector:
el elemento reflector se coloca detrás de dipolo, anulando el campo hacia atrás y reforzándolo hacia adelante, haciendo por tanto la antena directiva. El reflector es algo más largo que el dipolo.
El funcionamiento de la antena Yagi-Uda es el siguiente: la corriente que circula por el elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también campos electromagnéticos que interactúan con los demás. Se calculan las posiciones y las dimensiones de los directores y reflectores de manera que los campos se sumen hacia adelante y se anulen hacia atrás.
La siguiente gráfica muestra la interacción entre un dipolo alimentado y un director, donde se puede observar cómo la radiación se suma en una dirección, mientras que se anula en la otra.
Lo más interesante de este tipo de antena es que su ganancia, y por tanto su directividad, se puede aumentar fácilmente incrementando el número de elementos directores, lo cual está
limitado solo por consideraciones mecánicas. En la imagen de la derecha se observa el efecto que produce añadir un reflector y un director sobre el diagrama de radiación del dipolo. Por tanto, al aumentar el número de elementos de una antena Yagi: - Aumenta la ganancia (pudiendo ir desde 5dBi hasta 19dBi) - Se estrecha el lóbulo de radiación (mayor directividad) - Mejora la relación delante/detrás. No obstante, este aumento de la directividad provoca una disminución de la impedancia de la antena. Esto se compensa remplazando el dipolo simple por un dipolo doblado, que tiene una mayor impedancia, como se observa en la imagen de la izquierda. Habitualmente las antenas se diseñan para que la impedancia sea de 50 o 75 Ohms, según el tipo de aplicación. Frecuentemente estas antenas son recubiertas por una envoltura transparente a las ondas electromagnéticas denominada radomo, que le proporciona protección contra los fenómenos atmosféricos.
E jercicios______________________________________________________ 1.- Dibuja la estructura de una antena Yagi-Uda, indicando dónde se ubican el radiador, el reflector y los directores. 2.- Explica brevemente y con tus propias palabras el principio de funcionamiento de una antena Yagi-Uda.
3.- ¿Cómo se puede aumentar la ganancia y la directividad de una antne Yagi-Uda?
4.- ¿Por qué se suele utilizar un dipolo doblado como elemento radiador en una antena Yagi-Uda?
5.- ¿Qué es el radomo?
6.2.- Bocina____________________________________________________________
Una bocina es una antena que consiste en una guía de ondas en la cual el área de la sección se va incrementando progresivamente hasta un extremo abierto.
El nombre de la antena bocina deriva de su apariencia característica acampanada o de cuerno. La porción acampanada puede ser cuadrada, rectangular, cilíndrica o cónica. La dirección de máxima radiación se corresponde con el eje de la campana. Se puede alimentar sencillamente con una guía de ondas, pero también puede hacerse con un cable coaxial y la transición apropiada. Las antenas bocina se utilizan comúnmente como el elemento activo en una antena parabólica, colocándose en el centro del plato reflector. 6.3.- Antenas reflectoras__________________________________________________
Las antenas reflectoras utilizan alguna de las antenas vistas anteriormente como elemento activo, junto con una superficie conductora que refleja las ondas en una determinada dirección, consiguiendo antenas de gran directividad. En función de la forma de la superficie reflectora existen dos tipos de antenas reflectoras: reflector de esquina y reflector parabólico. 6.3.1.- Reflector de esquina________________________________________________
En este caso, los reflectores son dos placas conductoras planas que se unen formando un determinado ángulo, dispuestas detrás del elemento activo de la antena. Las ondas reflejadas se suman en fase con las emitidas por el elemento activo en una determinada dirección, consiguiendo antenas con elevada directividad y buena relación delante/detrás.
No es necesario que los reflectores sean sólidos, sino que pueden estar formados por varillas o tubos metálicos, lo que proporciona una mayor resistencia al viento. Este tipo de reflectores, combinados junto con antenas Yagi, son muy utilizados en la banda UHF, para el establecimiento de radioenlaces y para
la recepción de señales de televisión.
6.3.2.- R eflectores parabólicos_____________________________________________
Las antenas basadas en reflectores parabólicos son antenas con una elevada ganancia y directividad, por lo que se suelen emplear en enlaces de larga distancia. La propiedad básica de un reflector parabólico es que concentra toda la energía recibida en el plato reflector en un punto único llamado foco.
El reflector parabólico también puede funcionar al revés: convierte una onda esférica irradiada desde el foco, en una onda plana que se propaga en una dirección determinada.
Parabólica en transmisión
Parabólica en recepción
Existen diferentes tipos de reflectores parabólicos, en función de la forma del propio reflector y el lugar donde se ubica el foco:
Reflector parabólico de foco primari o:
La superficie de estas antenas es un paraboloide de forma redonda. Las ondas electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y se dirigen al foco, que está ubicado en el centro del paraboloide. Se utiliza principalmente en enlaces terrestres.
Reflector parabólico de offset:
Una antena offset utiliza un reflector paraboloide de forma oval, no circular. El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de foco primario. Se utiliza principalmente en enlaces por satélite, por su mayor ganancia y mejor ángulo de instalación para la orientación.
Reflector parabólico Cassegrain:
La antena parabólica Cassegrain se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras. Este tipo de antenas parabólicas se utiliza cuando el tamaño de la antena es muy grande, ya que permite que el elemento activo se sitúe sobre la misma superficie reflectora, y no colgando encima ella.
Para grandes alcances, las antenas de reflector parabólico son las más utilizadas porque permiten obtener ganancias de hasta 30 dBi a costos razonables. El diagrama de radiación de una antena parabólica es bastante similar al de una antena Yagi, pero con un ancho de haz bastante más estrecho, lo que quiere decir que son más directivas, y por lo tanto tienen más ganancia. Por todo ello, una antena parabólica es mucho más difícil de apuntar, y por tanto es más sensible al disturbio físico y mecánico, siendo el viento el principal problema, sobre todo en las antenas de plato grande. Para solucionar este problema, a menudo se utilizan platos que tienen una superficie reflectora perforada. Éstos tienen una relación delante/detrás más pobre, pero son seguros de utilizar y sencillos de construir.
E l LNB (L ow Noise Block):
En las antenas parabólicas que se utilizan para la recepción de señales procedentes de satélites, como en la televisión por satélite, el elemento receptor que se ubica en el foco del reflector es conocido como LNB ( Low Noise Block , bloque de bajo ruido). Dado que las frecuencias de transmisión del satélite son imposibles de distribuir por los cables coaxiales debido a su alta frecuencia, se hace necesario un dispositivo, situado en
el foco de la antena parabólica, que convierta la señal de microondas (Banda Ku) recibida del satélite, en una señal de menor frecuencia, para que sea posible su distribución a través del cableado coaxial. El LNB también amplifica la señal que se recibe del satélite. Esta señal es extremadamente débil, por lo que el amplificador debe ser de muy bajo ruido. De ahí el nombre del LNB. El LNB es el elemento más importante de la antena parabólica, ya que se trata en realidad de la verdadera antena, puesto que el reflector parabólico lo único que hace es focalizar toda la radiación recibida en un solo punto.
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Cuál es la principal característica de las antenas reflectoras?
2.- ¿Cuáles son las principales aplicaciones en las que se usan los reflectores de esquina?
3.- ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un reflector parabólico?
4.- ¿Cuáles son las diferencias entre el reflector de foco primario y el reflector de offset?
5.- ¿En qué aplicaciones se suele utilizar un reflector Cassegrain? ¿Por qué?
6.- Indica las diferencias en los diagramas de radiación de una antena Yagi y un reflector parabólico.
7.- ¿Cuál es el principal inconveniente de los reflectores parabólicos? ¿Cómo se soluciona este problema?
8.- ¿Cuáles son las funciones del LNB en una antena parabólica?
7.- Agrupaciones de antenas_________________________________________ A la hora de realizar la difusión de una señal de radio, para dar cobertura a un núcleo determinado de población, es muy útil modificar el lóbulo de radiación de la antena con la finalidad de orientar el máximo de señal a dicho núcleo. En otras ocasiones, puesto que la señal de radio en las frecuencias habituales de FM y TV se propaga en línea recta, puede ser necesario inclinar el lóbulo de radiación, en función de la altura del centro emisor y la zona de cobertura, para optimizar la señal en los puntos deseados. Para poder hacer todo esto de manera efectiva se utilizan las agrupaciones de antenas, más conocidas con el nombre de arrays. Los arrays son antenas compuestas por un número de radiadores idénticos ordenados regularmente y alimentados para lograr un determinado lóbulo de radiación. Pueden ser lineales, planos o conformados. El funcionamiento de un array se basa en la interacción de las radiaciones de los distintos elementos que forman el array, haciendo que las interferencias de los campos radiados por cada elemento nos proporcione el diagrama de radiación deseado. Un ejemplo de array sería la antena Yagi-Uda vista anteriormente. Para lograr esto se combinan variaciones de dos parámetros: - La distancia entre los elementos del array. - La fase y amplitud de alimentación de cada uno de los elementos. El array más sencillo es aquel que consta de dos radiadores iguales alimentados en fase con igual amplitud. Ambos radiadores producirán ondas que se sumarán en determinadas direcciones y se restarán en otras. Si los radiadores están separados λ/2 se producirá un máximo en la dirección perpendicular al eje, porque las señales de los dos radiadores estarán en fase, y un nulo en la dirección del eje, ya que las señales estarán en oposición de fase.
Si la separación de los radiadores es de λ, se producirá un máximo de radiación en la dirección del eje y en la dirección perpendicular al eje, mientras que se producirá un nulo de radiación en un ángulo de 60º, obteniéndose el siguiente diagrama de radiación:
Si la separación entre los radiadores es de λ/4 y el desfase entre las señales que
le llegan a los radiadores es de 90º, se produce el siguiente diagrama de radiación:
Como se puede observar, modificando el número de radiadores, la distancia entre ellos y el desfase entre las señales que llegan a los mismos se puede modificar el diagrama de radiación para adaptarlo a las necesidades de una aplicación concreta. En la actualidad, con los avances informáticos y basándose en lo que hemos visto, existen “antenas inteligentes” que son capaces de ir modificando su lóbulo de radiación para ir siguiendo por ejemplo un objeto móvil. Sus aplicaciones se encuentran en el ámbito de los radares y la telefonía.
También existen aplicaciones basadas en la interferometría, consistente en combinar las señales de varios reflectores parabólicos separados entre sí gran distancia para obtener como resultado una antena de dimensiones comparables a las distancias de separación de cada elemento, logrando una altísima ganancia. Se utiliza principalmente en radioastronomía. Como ejemplo, en la siguiente imagen se observa la agrupación de antenas parabólicas del Very Large Array, situado en Nuevo México.
E jercicios______________________________________________________ 1.- ¿Qué es un array de antenas? ¿Para qué sirve?
2.- ¿Qué parámetros del array se pueden variar para modificar su diagrama de radiación?
3.- ¿Qué es una antena inteligente?
4.- Busca información en Internet acerca del Very Large Array (VLA): de cuántas antenas dispone, de qué tamaño son las antenas, para qué aplicaciones se usa, etc.
5.- Además del Very Large Array, existen en el mundo otras instalaciones de radioastronomía que utilizan las agrupaciones de antenas como principio de funcionamiento. Una de esas instalaciones es el Very Long Baseline Array (VLBA). Busca en Internet información sobre esta instalación, y explica sus características más significativas.
