Universidad Fermín Toro Dirección Académica de Pregrado Coordinación Académica de Pregrado Escuela de Ingeniería de Telecomunicaciones Telecomunicaciones Araure - Portuguesa
Araure, Febrero de 2010
Arreglo de antena Un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples, generalmente iguales y orientadas en la misma dirección, las cuales son acomodadas en una disposición física determinada, relativamente cercanas unas respecto a otras, y además cada antena es manejada por un mismo sistema de separación (o combinador) de señal. Son capaces de concentrar la radiación en direcciones deseadas.
Una antena ubicada en el origen produce (región de campo lejano)
Una antena ubicada en una posición arbitraria
Un arreglo de N elementos
Principio de multiplicación de patrones
Factor de arreglo
Para una configuración física dada, un factor de arreglo puede ser ajustado por medio de la selección de las magnitudes y fases de excitación.
Clasificación de arreglos de antenas
Reflector Parabólico Las características más importantes de un reflector parabólico son su ganancia y su patrón de radiación. La ganancia de una antena es la capacidad para amplificar las señales que transmite o recibe en cierta dirección. El reflector parabólico se posiciona obteniendo la mejor ganancia en la dirección en la que vienen las señales que se quieren recibir o en la que se van a transmitir y la mínima en todas aquellas direcciones que no sean de Interés, por lo que los lóbulos laterales o secundarios de radiación de la antena deben ser lo más pequeños que sea posible para que no capten señales indeseables provenientes de otros satélites, de sistemas terrestres de microondas o bien para reducir el desperdicio de potencia no, transmitiendo en direcciones no autorizadas o innecesarias.
Estrictamente, la ganancia de una antena tiene siempre un valor definido en cualquier dirección a su alrededor, pero por convención se acostumbra asociarla a la dirección de máxima radiación que es el eje del lóbulo principal de su patrón de radiación. Los factores que determinan el valor de la ganancia son: el diámetro de la antena, su concavidad, la rugosidad de su superficie, el tipo de alimentador con el que es iluminada, así como la posición y orientación geométrica del mismo. Cuanto mayor es el diámetro de una antena parabólica, mayor es su ganancia; asimismo, si su diámetro se conserva fijo, el mismo efecto anterior se obtiene mientras mayor sea la frecuencia de operación, pues eléctricamente hablando, la antena es más grande en términos de longitudes de onda. Para poder orientar una antena es necesario tener un montaje que permita realizar movimientos del reflector. Existen tres tipos de montajes que puede tener una antena. AzimutElevación X-Y o Ecuatorial.
Parámetros de Diseño Los principales parámetro de diseño de los reflectores son: tamaño de la apertura, tipo de reflector, distancia focal, distancia de offset, y tolerancia de la superficie. Tamaño de la apertura El tamaño de la apertura viene determinado por la ganancia y el ancho de haz requeridos. En una aplicación multibeam (multihaz), el cumplimiento de los requerimientos para generar el diagrama deseado es mejor si el reflector es grande. Los reflectores grandes permiten concentrar la energía radiada en una pequeña área y proporcionan mejores valores del NLPS, lo que permite reducir las interferencias entre haces cercanos y entre satélites. Pero hay que recordar que en un satélite el espacio es muy limitado, y por lo tanto el tamaño de la antena debe ser el mínimo posible que cumpla las especificaciones. Tipo de reflector Un reflector simple es siempre la primera opción. El candidato favorito es el reflector offset debido a las características comentadas anteriormente y su madurez de diseño. Sin embargo el reflector offset tiene una capacidad de exploración muy limitada. Un reflector esférico está libre de astigmatismo y de coma cuando el foco está colocado en el centro de curvatura. Por lo tanto para conseguir una mayor capacidad de exploración se recurre a reflectores con una forma entre paraboloide y esférica.
Por otra parte la superficie puede ser sólida para antenas con polarización circular y mallada para polarizaciones lineales. Un reflector mallado puede mejorar la pureza de polarización en una polarización lineal. Se pueden utilizar dos superficies malladas para compartir la misma área de apertura y formar un sistema compacto. La superficie delantera refleja una clase de polarización mientras que permite paso de la polarización ortogonal. El reflector trasero refleja la polarización ortogonal y filtra la polarización cruzada indeseada. Se puede utilizar reflectores dobles para mejorar el sistema óptico. Los reflectores dobles tienen un grado más de libertad, y debe ser capaz de reducir la aberración de fase para permitir una mayor capacidad de exploración. Los reflectores dobles clásicos son los Cassegrain y los Gregorianos
Tipo
Paraboloid e
Cassegrain
Gregoriano
Diagrama de Rayos
Elementos Ópticos
Mp=espejo parabólico
Mp=espejo parabólico Ms=espejo hiperbólico
Mp=espejo parabólico Ms=espejo elipsoidal
Características 1. Libre de aberración esférica 2. Sufre de coma al desplazar fuera del eje 3. El detector debe estar en el foco 1. Libre de aberración esférica 2. Más corto que el Gregoriano 3. Permite colocar el detector detrás del sistema óptico 4. Bastante usado 1. Libre de aberración esférica 2. Más largo que el Cassegrain 3. Permite la colocación del detector detrás del sistema óptico 4. Menos común que el Cassegrain
Antena Parabólica de Foco Primario Se caracteriza por tener el reflector parabólico centrado respecto del foco
La superficie de la antena es un paraboloide de revolución, y el fabricante la calcula y fabrica para tener un rendimiento alto, el mayor posible. Su forma aparece en la fig. Todas las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar al foco. El foco esta centrado en el paraboloide. Este tipo de antena tiene un rendimiento máximo del 60%. Suelen ser de tamaño grande, ( 1.5m de diámetro).
Antena Parabólica OffSet Se obtiene recortando de grandes antenas parabólicas de forma esférica, según se muestra en la fig. estas antenas tienen el Foco desplazado hacia abajo, de tal forma que queda fuera de la superficie de la antena. El rendimiento llega a ser de un 70% o algo más. Las ondas que llegan a la antena, se reflejan, algunas se dirigen al foco, y el resto se pierde. Se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto del foco. Son más eficientes que las parabólicas de foco centrado, porque el alimentador no hace sombra sobre la superficie reflectora.
Antena Parabólica Cassegrain
Es similar a la de foco primario, tiene dos reflectores; el mayor apunta al lugar de recepción, y las ondas al chocar, se reflejan y van al foco donde esta el reflector menor; al chocar las ondas van al foco ultimo, donde estará colocado el detector. 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.
Antena de bocina (Horn) Las antenas horn o bocinas son antenas que se usan de forma generalizada a frecuencias de microondas. Básicamente, las bocinas son una transición entre una guía de onda y el espacio libre. Comúnmente usada como alimentador de antenas parabólicas. La forma en que las bocinas se van abriendo responde a la necesidad de adaptar la impedancia de la guía de onda con la impedancia de espacio libre, que como ya vimos, corresponde a 377 [Ohm]. Se caracterizan por su alta ganancia, bajo VSWR, relativamente alto ancho de banda, bajo peso y su facilidad de construcción y diseño. La apertura de las bocinas suele ser rectangular, circular o elíptica. El modo de alimentación de las bocinas es a través de una guía de ondas que tiene la misma forma de la apertura. Para bocinas de forma rectangular, que son las más usadas, llamaremos plano E al plano vertical y plano H al plano horizontal. De acuerdo a esto, bocinas con un plano horizontal ancho en relación al plano vertical se denominan bocinas de plano H y las de plano vertical ancho en relación al plano horizontal se denominan bocinas de plano E. Las bocinas con ancho y alto similar se denominan bocinas piramidales.
Las bocinas de plano H, tienen un campo constante verticalmente y variable horizontalmente, las de plano E tienen campo horizontal constante y vertical variable. En tanto las de forma piramidal tienen un campo variable en ambos planos.
Figura: Antenas tipo bocina rectangular
El cálculo de las ganancias de una antena horn (o bocina) es bastante simple. Basta saber las medidas de construcción de esta y su frecuencia de operación. Para una antena piramidal, como lo muestra la siguiente figura:
Figura: Medidas de una antena horn piramidal
Donde Le y Lh corresponden a las medidas de los lados de los triángulos que se forman en la apertura de la bocina. Luego, se tienen las siguientes relaciones:
Y la medida de ganancia, con un buen grado de aproximación, queda definida por:
A modo de comparación, las ganancias de diferentes antenas:
Figura: Comparación de ganancias para distintas antenas
