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CAPÍTULO
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Antenas 1.1 INTRODUCCIÓN Una antena es definida por el Diccionario Webster como "un dispositivo usualmente metálico (como una varilla o cable) para irradiar o recibir ondas de radio". La norma IEEE ) Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std 145-1983 define la antena o antena como "un medio para irradiar o recibir ondas de radio". En otras palabras, la antena es la estructura de transición entre el espacio libre y un dispositivo de guía, como se muestra en la figura 1.1. El dispositivo de guía o línea de transmisión puede adoptar la forma de una línea coaxial o de un tubo hueco (guía de ondas), y se utiliza para transportar energía electromagnética desde la fuente de transmisión hasta la antena, o desde la antena hasta el receptor. En el primer caso, tenemos una antena transmisora y en el segundo una antena receptora. En la Figura 1.2 se muestra un u n equivalente en vena de la línea de transmisión del sistema de antenas de la Figura 1.1 en el modo de transmisión, donde la fuente está representada por un generador ideal, la línea de transmisión está representada por una línea con impedancia característica Zc , y la antena está representada por po r una carga ZA[ZA = (RL + Rr) + j XA] conectada a la línea de transmisión. Los circuitos equivalentes de Thevenin y Norton de la antena también se muestran en la Figura 2.27. La resistencia de carga RL se utiliza para representar la conducción y las pérdidas dieléctricas asociadas con la estructura de la antena, mientras que Rr ,, denominada resistencia a la radiación , se utiliza para representar la radiación de la antena. La reactancia XA se utiliza para representar la parte imaginaria de la impedancia asociada a la radiación de la antena. Esto se discute más detalladamente en las Secciones 2.13 y 2.14. En condiciones ideales, la energía generada por la fuente debe ser totalmente transferida a la resistencia resistencia a la radiación Rr , , que se utiliza para representar representar la radiación de la la antena. antena. Sin embargo, embargo, en un sistema práctico hay pérdidas dieléctricas de conducción debido a la naturaleza con pérdidas de la línea de transmisión y de la antena, así como las debidas a pérdidas por reflexión (desajuste) en la interfaz entre la línea y la antena. Teniendo en cuenta la impedancia interna de la fuente y el descuido de las pérdidas por línea y reflexión (desajuste), las pérdidas máximas de ∗
IEEE Transactions Transactions on Antennas and Propagation Propagation, vols. AP-17, No. 3, mayo de 1969; AP-22, No. 1, enero de
∗
1974; y AP-31, No. 6, Parte II, noviembre de 1983.
Teoría de Antenas: Analysis Design, Tercera Edición , por Constantine A.
Balanis ISBN 0-471-66782-X Copyright 2005 John Wiley & Sons, Inc.
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ANTENAS
E
Fuente
Línea de transmisión Figura 1.1
Antena
Onda de espacio libre radiada
Antena como dispositivo de transición.
la potencia es entregada a la antena bajo emparejamiento conjugado. Esto se discute en la Sección 2.13. Las ondas reflejadas desde la interfaz crean, junto con las ondas viajeras desde la fuente hacia la antena, patrones de interferencia constructivos y destructivos, conocidos como ondas estacionarias, dentro de la línea de transmisión que representan bolsas de concentraciones y almacenamiento de energía, típicas de los dispositivos resonantes. En la Figura 1.2 se muestra un patrón típico de onda estacionaria, mientras que en la Figura F igura 1.15 se muestra otro. Si el sistema de antenas no está bien diseñado, la línea de transmisión podría actuar en gran medida como un elemento de almacenamiento de energía en lugar de como un dispositivo de guía de ondas y transmisión de energía. Si las intensidades máximas de campo de la onda estacionaria son suficientemente grandes, pueden causar arcos dentro de las líneas de transmisión. Las pérdidas debidas a la línea, la antena y las ondas estacionarias son indeseables. Las pérdidas debidas a la línea se pueden minimizar seleccionando líneas de bajas pérdidas mientras que las de
INTRODUCCIÓN
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RL Zg
Rr Vg
Onda estacionaria
XA
ZA = (RL + Rr ) + jXA
Figura 1.2
Línea de transmisión Thevenin equivalente a antena en modo de transmisión.
la antena puede reducirse reduciendo la resistencia a la pérdida representada por RL en la Figura 1.2. Las ondas estacionarias pueden reducirse, y la capacidad de almacenamiento de energía de la línea minimizada, haciendo coincidir la impedancia de la antena (carga) con la impedancia característica de la línea. Esto es lo mismo que hacer coincidir las cargas con las líneas de transmisión, donde la carga aquí es la antena, y se discute más detalladamente en la Sección 9.7. Se utiliza un equivalente similar al de la figura 1.2 para representar el sistema de antenas en el modo de recepción en el que la fuente es sustituida por un receptor. r eceptor. Todas las demás partes del equivalente de la línea de transmisión siguen siendo las mismas. La resistencia a la radiación Rr se utiliza para representar en el modo de recepción la transferencia de energía de la onda del espacio libre a la antena. Esto se discute en la Sección 2.13 y está representado por los equivalentes de los circuitos Thevenin y Norton de la Figura 2.27. Además de recibir o transmitir energía, normalmente se necesita una antena en un sistema inalámbrico avanzado para optimizar o o acentuar la la energía de radiación en algunas direcciones y suprimirla en otras. Por lo tanto, la antena también debe servir como un dispositivo direccional además de un dispositivo de sondeo . Debe entonces tomar varias formas para satisfacer la necesidad particular a la mano, y puede ser un pedazo p edazo de alambre conductor, una apertura, un parche, un conjunto de elementos (array), un reflector, un lente, y así sucesivamente. Para los sistemas de comunicación inalámbrica, la antena es uno de los componentes más críticos. Un buen diseño de la antena puede relajar los requisitos del sistema y mejorar el rendimiento general del sistema. Un ejemplo típico es la televisión, te levisión, para la que se puede mejorar la recepción general de gran alcance utilizando una antena de alto rendimiento. La antena sirve a un sistema de comunicación el mismo propósito que los ojos y los anteojos sirven a un humano. El campo de las antenas es vigoroso y dinámico, y durante los últimos 60 años la tecnología de antenas ha sido un socio indispensable de la revolución de las comunicaciones. Muchos de los principales avances que se produjeron durante este período son de uso común en la actualidad; sin embargo, hoy en día nos enfrentamos a muchos más problemas y desafíos, sobre todo porque las demandas de rendimiento de los sistemas son aún mayores. Muchos de los principales avances en la tecnología de antenas que se completaron entre los años 70 y principios de los 90, los que se estaban realizando a principios de los 90 y las señales de futuros descubrimientos y avances se recogieron en un número especial de las Actas de la IEEE (Vol. (Vol. 80, No. 1, enero de 1992) dedicado a las antenas. El documento introductorio de este número especial[1] proporciona una discusión discusió n elegante y cuidadosamente estructurada de los principios fundamentales de los elementos radiantes y ha sido escrito como una introducción para el no especialista y una revisión para el experto.
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ANTENAS
Figura 1.3
Configuraciones de antena por cable.
1.2 TIPOS DE ANTENAS A continuación presentaremos y discutiremos brevemente algunas formas de los diferentes tipos de antenas para tener una idea de lo que se encontrará en el resto del libro.
1.2.1 Antenas de alambre Las antenas de alambre son familiares para el lego porque se ven prácticamente en todas partes - en automóviles, edificios, naves, aviones, naves espaciales, y así sucesivamente. Hay varias formas de antenas de alambre, como un alambre recto (dipolo), bucle, y la hélice que se muestran en la Figura 1.3. Las antenas de bucle no sólo tienen que ser circulares. Pueden adoptar la forma de rectángulo, cuadrado, elipse o cualquier otra configuración. El bucle circular es el más común debido a su simplicidad en la construcción. Los dipolos se discuten con más detalle en el Capítulo 4, los bucles en el Capítulo 5 y las hélices en el Capítulo 10.
1.2.2 Antenas de Apertura Las antenas de apertura pueden ser más familiares para los profanos de hoy que en el pasado debido a la creciente demanda de formas más sofisticadas de antenas y la utilización de frecuencias más altas. Algunas formas de antenas de apertura se muestran en la Figura 1.4. Las antenas de este tipo son muy útiles para aplicaciones en aeronaves y naves espaciales, ya que pueden ser muy convenientemente empotradas en la piel de la aeronave o nave espacial. Además, pueden ser cubiertos con un material dieléctrico para protegerlos de las condiciones peligrosas del medio ambiente. Las aberturas de la guía de onda se discuten con más detalle en el Capítulo 12, mientras que las bocinas se examinan en el Capítulo 13.
1.2.3 Antenas Microstrip
Las antenas microstrip se hicieron muy populares en la década de 1970, principalmente para aplicaciones espaciales. Hoy en día se utilizan para aplicaciones gubernamentales y comerciales. Estas antenas
TIPOS DE ANTENAS
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a) Cuerno piramidal
b) Bocina cónica
c) Guía de ondas rectangular Figura 1.4
Configuraciones de antena de apertura.
consisten en un parche metálico sobre un sustrato conectado a tierra. El parche metálico puede tener muchas configuraciones diferentes, como se muestra en la Figura 14.2. Sin embargo, los parches rectangulares y circulares, mostrados en la Figura 1.5, son los más populares debido a la facilidad de análisis y fab-ricación, y sus atractivas características de radiación, especialmente baja radiación de polarización cruzada. Las antenas microstrip son de bajo perfil, conformables a superficies planas y no planas, simples y económicas de fabricar utilizando tecnología moderna de circuitos impresos, mecánicamente robustas cuando se montan en superficies rígidas, compatibles con diseños MMIC, y muy versátiles en términos de frecuencia de resonancia, polarización, patrón e impedancia. Estas antenas se pueden montar en la superficie de aviones de alto rendimiento, naves espaciales, satélites, misiles, automóviles e incluso teléfonos móviles de mano. Se discuten con más detalle en el Capítulo 14.
1.2.4 Antenas de arreglo Muchas aplicaciones requieren características de radiación que pueden no ser alcanzables por un solo elemento. Sin embargo, puede ser posible que un agregado de elementos radiantes en un arreglo eléctrico y geométrico (un arreglo) resulte en el resultado deseado.
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ANTENAS
h L
Parche
W
t
ε DIFUNDE LA PALABRA-
Sustrato
Plano de tierra
a) Rectangular
h
a
Parche
t
ε DIFUNDE LA PALABRA-
Sustrato
Plano de tierra b) Circular Figura 1.5
Antenas microtrip (patch) rectangulares y circulares.
características de radiación. El arreglo de la matriz puede ser tal que la radiación de los elementos se suma para dar una radiación máxima en una dirección o direcciones particulares, mínima en otras, o de otra manera como se desee. En la Figura 1.6 se muestran ejemplos típicos de matrices. Por lo general, el término conjunto se reserva para una disposición en la que los radiadores individuales están separados, como se muestra en las Figuras 1.6(a-c). Sin embargo, el mismo término también se utiliza para describir un conjunto de radiadores montados sobre una estructura continua, como se muestra en la Figura 1.6(d).
1.2.5 Antenas reflectoras El éxito en la exploración del espacio exterior ha resultado en el avance de la teoría de las antenas. Debido a la necesidad de comunicarse a grandes distancias, se tuvieron que utilizar sofisticadas formas de antenas para transmitir y recibir señales que tenían que viajar millones de millas. Una forma de antena muy común para una aplicación de este tipo es un reflector parabólico como el que se muestra en las Figuras 1.7(a) y (b). Las antenas de este tipo se han construido con diámetros de hasta 305 m. Estas grandes dimensiones son necesarias para lograr la alta ganancia necesaria para transmitir o recibir señales después de millones de millas de viaje. Otra forma de reflector, aunque no tan común como la
parabólica, es el reflector de esquina, mostrado en la Figura 1.7(c). Estas antenas se examinan en detalle en el Capítulo 15.
MECANISMO DE RADIACIÓN
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Reflectores Directores
Alimento aspecto a) Sistema Yagi-Uda
(b) Conjunto de aperturas
Parche
Sustrato
εr
Plano de tierra (c) Matriz de parches Microstrip Figura 1.6
d) Conjunto de guías de ondas ranuradas
Configuraciones típicas de arreglos de alambre, apertura y microstrip.
1.2.6 Antenas de lente Las lentes se utilizan principalmente para colimar la energía divergente incidente para evitar que se disperse en direcciones no deseadas. Al moldear adecuadamente la configuración geométrica y elegir el material apropiado de las lentes, pueden transformar varias formas de energía divergente en ondas planas. Pueden utilizarse en la mayoría de las mismas aplicaciones que los reflectores parabólicos, especialmente en frecuencias más altas. Sus dimensiones y peso se vuelven extremadamente grandes a frecuencias más bajas. Las antenas de lente se clasifican según el material con el que están construidas o según su forma geométrica. Algunas formas se muestran en la Figura 1.8[2]. En resumen, una antena ideal es aquella que irradia toda la potencia que le llega del transmisor en la dirección o direcciones deseadas. En la práctica, sin embargo, esos resultados ideales no pueden lograrse, sino que pueden abordarse de cerca. Hay varios tipos de antenas disponibles y cada tipo puede tomar diferentes formas para lograr las características de radiación deseadas para la aplicación particular. A lo largo del libro, las características de radiación de la mayoría de estas antenas se discuten en detalle.
1.3 MECANISMO DE RADIACIÓN Una de las primeras preguntas que se pueden hacer con respecto a las antenas sería "¿cómo se logra la radiación?". En otras palabras, ¿cómo se generan los campos electromagnéticos
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ANTENAS
Figura 1.7
Configuraciones típicas de reflectores.
Figura 1.8 Configuraciones típicas de antena de lente. (FUENTE: L. V. Blake, Antenas, Wiley, Nueva York , 1966).
MECANISMO DE RADIACIÓN
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por la fuente, contenida y guiada dentro de la línea de transmisión y la antena, y finalmente "separada" de la antena para formar una onda de espacio libre? La mejor explicación puede ser una ilustración. Sin embargo, examinemos primero algunas fuentes básicas de radiación.
1.3.1 Un solo alambre Los alambres conductores son materiales cuya característica principal es el movimiento de las cargas eléctricas y la creación del flujo de corriente. Supongamos que una densidad de carga de volumen eléctrico, representada por qv (culombos/m3), se distribuye uniformemente en un alambre circular de la sección transversal del área A y el volumen V , como se muestra en la Figura 1.9. La carga total Q dentro del volumen V se mueve en la dirección z con una velocidad uniforme vz (metros/seg). Puede mostrarse que la densidad de corriente Jz (amperios/m2) sobre la sección transversal del cable viene dada por[3]. Jz = qvvzz
(1-1a ) Si el cable está hecho de un conductor eléctrico ideal, la densidad de corriente Js (amperios/m) reside en la superficie del cable y viene dada por Js = qs vz
(1-1b ) donde qs (coulombs/m2) es la densidad de carga superficial. Si el cable es muy fino (idealmente de radio cero), entonces la corriente en el cable puede ser representada por Iz = ql vz
(1-1c )
donde ql (coulombs/m) es la carga por unidad de longitud. En lugar de examinar las tres densidades de corriente, nos concentraremos principalmente en el cable muy fino. Las conclusiones se aplican a los tres. Si la corriente varía en el tiempo, entonces la derivada de la corriente de (1-1c) puede escribirse como dv
dIz ql =
dt ql
z
(1-2 )
dt ql az
y
∆z
l x E
V
vz
A
Jc
z
Figura 1.9
Carga uniformemente distribuida en un alambre de cilindro de sección transversal circular.
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ANTENAS
donde dvz/dt = az (metros/seg2) es la aceleración. Si el cable es de longitud l , entonces (1-2) se puede escribir como dIz lql = dvz
l dt lql
dt
lqlaz
(1-3 )
La ecuación (1-3) es la relación básica entre corriente y carga, y también sirve como la relación fundamental de la radiación electromagnética[4],[5]. Simplemente establece que para crear radiación, debe haber una corriente variable en el tiempo o una aceleración (o desaceleración) de la carga . Usualmente nos referimos a las corrientes en aplicaciones
de tiempo armónico mientras que la carga se menciona con más frecuencia en los transitorios. Para crear la aceleración (o deceleración) de la carga, el alambre debe ser curvado, doblado, discontinuo o terminado[1],[4]. La aceleración (o deceleración) periódica de la carga o la corriente variable en el tiempo también se crea cuando la carga oscila en un movimiento armónico en el tiempo, como se muestra en la Figura 1.17 para un dipolo λ/2. Por lo tanto:
1. Si una carga no se mueve, no se crea corriente y no hay radiación. 2. Si la carga se mueve a una velocidad uniforme: a. No hay radiación si el cable es recto, y de extensión infinita. b. Hay radiación si el alambre está curvado, doblado, discontinuo, terminado o truncado, como se muestra en la Figura 1.10. 3. Si la carga oscila en un movimiento de tiempo, irradia incluso si el cable está recto. Se puede obtener una comprensión cualitativa del mecanismo de radiación considerando una fuente de impulsos conectada a un cable conductor de extremo abierto, que se puede conectar a tierra a través de una carga discreta en su extremo abierto, como se muestra en la Figura 1.10(d). Cuando el alambre es inicialmente energizado, las cargas (electrones libres) en el alambre son puestas en movimiento por las líneas eléctricas de fuerza creadas por la fuente. Cuando las cargas se aceleran en el extremo de la fuente del alambre y se desaceleran (aceleración negativa con respecto al movimiento original) durante la reflexión desde su extremo, se sugiere que se produzcan campos radiados en cada extremo y a lo largo de la parte restante del alambre,[1],[4]. Una radiación más fuerte con un espectro de frecuencia más amplio ocurre si los pu lsos son de duración más corta o más compacta, mientras que la carga oscilante continua, armónica en el tiempo, produce, idealmente, radiación de una sola frecuencia determinada por la frecuencia de oscilación. La aceleración de las cargas es lograda por la fuente externa en la cual las
fuerzas ponen las cargas en movimiento y producen el campo asociado irradiado. La desaceleración de las cargas en el extremo del cable es lograda por las fuerzas internas (auto) asociadas con el campo inducido debido a la acumulación de concentración de carga en los extremos del cable. Las fuerzas internas reciben energía de la acumulación de carga a medida que su velocidad se reduce a cero en los extremos del cable. Por lo tanto, la aceleración de la carga debido a un excitante campo eléctrico y la desaceleración debida a discontinuidades de impedancia o curvas suaves del cable son mecanismos responsables de la radiación electromagnética. Mientras que tanto la densidad de corriente (Jc ) como la densidad de carga (qv) aparecen como términos fuente en la ecuación de Maxwell, la carga se ve como una cantidad más fundamental, especialmente para los campos transitorios.
Aunque esta interpretación de la radiación se utiliza principalmente para los transitorios, puede utilizarse para explicar la radiación en estado estacionario[4].
MECANISMO DE RADIACIÓN
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a) Curvas
b) Doblada
c) Discontinuo
ZL
(d) Terminada
Tierra
e) Truncado Figura 1.10
Configuraciones de cables para radiación.
1.3.2 Dos cables Consideremos una fuente de tensión conectada a una línea de transmisión de dos conductores que está conectada a una antena. Esto se muestra en la Figura 1.11(a). La aplicación de una tensión a través de la línea de transmisión de dos conductores crea un campo eléctrico entre los conductores. El campo eléctrico tiene asociadas líneas eléctricas de fuerza que son tangentes al campo eléctrico en cada punto y su fuerza es proporcional a la intensidad del campo eléctrico. Las líneas de fuerza eléctricas tienen una tendencia a actuar sobre los electrones libres (fácilmente separables de los átomos) asociados a cada conductor y obligarlos a desplazarse. El movimiento de las cargas crea una corriente que a su vez crea una intensidad de campo magnético. Asociadas a la intensidad del campo magnético están las líneas magnéticas de fuerza que son tangentes al campo magnético. Hemos aceptado que las líneas de campo eléctrico comienzan con cargas positivas y terminan con cargas negativas. También pueden comenzar con una carga positiva y terminar en el infinito, comenzar en el infinito y terminar con una carga negativa, o formar lazos cerrados que no comienzan ni terminan con ninguna carga. Las líneas de campo magnético siempre forman lazos cerrados que rodean a los conductores de corriente.
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ANTENAS
Figura 1.11
Fuente, línea de transmisión, antena y separación de líneas de campo eléctrico.
porque físicamente no hay cargas magnéticas. En algunas for-mulaciones matemáticas, a menudo es conveniente introducir cargas magnéticas equivalentes y corrientes magnéticas para trazar un paralelo entre las soluciones que involucran fuentes eléctricas y magnéticas. Las líneas de campo eléctrico trazadas entre los dos conductores ayudan a mostrar la distribución de la carga. Si suponemos que la fuente de tensión es sinusoidal, esperamos que el campo eléctrico entre los conductores también sea sinusoidal con un periodo igual al de la fuente aplicada. La magnitud relativa de la intensidad del campo eléctrico se indica por la densidad (agrupamiento) de las líneas de fuerza con las flechas que muestran la dirección relativa (positiva o negativa). La creación de campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo entre los conductores forma ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de la línea de transmisión, como se muestra en la Figura 1.11(a). Las ondas electromagnéticas entran en la antena y tienen asociadas cargas eléctricas y corrientes correspondientes. Si
MECANISMO DE RADIACIÓN
13
removemos parte de la estructura de la antena, como se muestra en la Figura 1.11(b), las ondas de espacio libre pueden formarse "conectando" los extremos abiertos de las líneas eléctricas (mostradas punteadas). Las ondas de espacio libre también son periódicas, pero un punto de fase constante P0 se mueve hacia afuera con la velocidad de la luz y viaja una distancia de λ/2 (a P1) en el tiempo de la mitad de un período. Se ha demostrado[6] que cerca de la antena el punto de fase constante P0 se mueve más rápido que la velocidad de la luz pero se acerca a la velocidad de la luz en puntos alejados de la antena (análogo a la velocidad de fase dentro de una guía de onda rectangular). La figura 1.12 muestra la creación y el recorrido de las ondas de espacio libre por un esferoide mural con distancia interfocal λ/2 donde λ es la longitud de onda. Las ondas de espacio libre de un dipolo alimentado por el centro λ/2 , excepto en la proximidad inmediata de la antena, son esencialmente las mismas que las del esferoide prolate. La pregunta aún no respondida es cómo las ondas guiadas se separan de la antena para crear las ondas en espacio libre que se indican como bucles cerrados en las Figuras 1.11 y 1.12. Antes de intentar explicarlo, trazaremos un paralelo entre las ondas guiadas y las ondas de espacio libre, y las ondas de agua[7] creadas por la caída de un guijarro en un cuerpo de agua en calma o iniciadas de alguna otra manera. Una vez que la perturbación en el agua se ha iniciado, se crean ondas de agua que comienzan a viajar hacia afuera. Si la perturbación ha sido eliminada, las olas no se detienen ni se extinguen, sino que continúan su curso de viaje. Si la perturbación persiste, se crean continuamente nuevas ondas que se retrasan en su viaje detrás de las otras. Lo mismo ocurre con las ondas electromagnéticas creadas por una perturbación eléctrica. Si la perturbación eléctrica inicial de la fuente es de corta duración, las ondas electromagnéticas creadas viajan dentro de la fuente.
Figura 1.12 Líneas de campo eléctrico de onda de espacio libre para una antena λ/2 en t = 0, T /8, T /4 y 3T /8. (FUENTE: J. D. Kraus, Electromagnetics, 4th ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1992.
Reimpreso con permiso de J. D. Kraus y John D. Cowan, Jr.).
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ANTENAS
Figura 1.13
Líneas de campo eléctrico de onda libre para antena bicónica.
Los cables de transmisión, luego a la antena, y finalmente se irradian como ondas de espacio libre, incluso si la fuente eléctrica ha dejado de existir (como ocurrió con las ondas de agua y su perturbación generadora). Si la perturbación eléctrica es de naturaleza continua, las ondas electromagnéticas existen continuamente y siguen en su recorrido detrás de las otras. Esto se muestra en la Figura 1.13 para una antena bicónica. Cuando las ondas electromagnéticas se encuentran dentro de la línea de transmisión y la antena, su existencia está asociada a la presencia de las cargas dentro de los conductores. Sin embargo, cuando las ondas son irradiadas, forman lazos cerrados y no hay cargas que sostengan su existencia. Esto nos lleva a la conclusión de que las cargas eléctricas son necesarias para excitar los campos, pero no son necesarias para sostenerlos y pueden existir en su ausencia. Esto es una analogía directa con las ondas de agua.
1.3.3 Dipolo Ahora intentemos explicar el mecanismo por el cual las líneas eléctricas de fuerza se separan de la antena para formar las ondas de espacio libre. Esto será ilustrado de nuevo por un ejemplo de una pequeña antena dipolo donde el tiempo de viaje es insignificante. Esto sólo es necesario para dar una mejor interpretación física del desprendimiento de las líneas de fuerza. Aunque es un mecanismo algo simplificado, permite visualizar la creación de las ondas en el espacio libre. La Figura 1.14(a) muestra las líneas de fuerza creadas entre los brazos de un dipolo pequeño alimentado por el centro en el primer cuarto del período durante el cual la carga ha alcanzado su valor máximo (asumiendo una variación de tiempo sinusoidal) y las líneas han viajado hacia afuera una distancia radial λ/4. Para este ejemplo, supongamos que el número de líneas formadas son tres. Durante el siguiente trimestre del período, las tres líneas originales viajan un λ/4 adicional (un total de λ/2 desde el punto inicial) y la densidad de carga en los conductores comienza a disminuir. Se puede pensar que esto se logra introduciendo cargas opuestas que al final de la primera mitad del período han neutralizado las cargas sobre los conductores. Las líneas de fuerza creadas por las cargas opuestas son tres y recorren una distancia λ/4 durante
MECANISMO DE RADIACIÓN
Figura 1.14
15
Formación y desprendimiento de líneas de campo eléctrico para dipolo corto.
el segundo trimestre del primer semestre, y se muestran de forma discontinua en la Figura 1.14(b). El resultado final es que hay tres líneas de fuerza apuntando hacia arriba en la primera distancia λ/4 y el mismo número de líneas dirigidas hacia abajo en la segunda λ/4. Puesto que no hay carga neta en la antena, entonces las líneas de fuerza deben haber sido forzadas a separarse de los conductores y unirse para formar lazos cerrados. Esto se muestra en la Figura 1.14(c). En la segunda mitad restante del período se sigue el mismo procedimiento, pero en la dirección opuesta. Después de eso, el proceso se repite y continúa indefinidamente y se forman patrones de campo eléctrico, similares a los de la Figura 1.12.
1.3.4 Animación por Computador - Visualización de Problemas de Radiación
Una dificultad que los estudiantes suelen enfrentar es que el tema de la electromagnetismo es bastante abstracto, y es difícil de visualizar la propagación de ondas electromagnéticas y
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ANTENAS
interacción. Con los métodos numéricos y computacionales avanzados de hoy en día, y el software y hardware de visualización y animación, este dilema puede, en gran medida, minimizarse. Para abordar este problema, hemos desarrollado e incluido en este capítulo programas informáticos para animar y visualizar tres problemas de radiación. Las descripciones de los programas de computadora se encuentran en el disco de computadora incluido en este libro. Cada problema se resuelve usando el método de Dominio de Tiempo de Diferencia Finita (FD-TD)[8]-[10], un método que resuelve las ecuaciones de Maxwell en función del tiempo en pasos de tiempo discretos en puntos discretos del espacio. Una imagen de los campos se puede tomar en cada paso de tiempo para crear una película que se puede ver en función del tiempo. En el CD adjunto se incluyen otros programas de animación y visualización, denominados applets. Los tres problemas de radiación que son animados y pueden ser visualizados usando el programa de computadora de este capítulo e incluidos en el disco de computadora son: a. Fuente de línea de longitud infinita (bidimensional) excitada por un solo pulso gaussiano e irradiando en un medio ilimitado. b. Fuente de línea de longitud infinita (bidimensional) excitada por un solo pulso gaussiano y que irradia dentro de un cilindro cuadrado de conducción perfectamente eléctrico (PEC).
c. Bocina sectorial de plano electrónico (forma bidimensional de la figura 13.2) excitada por una fuente de tensión cosinusoidal continua e irradiand o en un medio sin límites.
Para animar y visualizar cada uno de los tres problemas de radiación, el usuario necesita MATLAB[11] y el archivo M de MATLAB , que se encuentra en el disco de ordenador incluido en el libro, para producir la solución FD-TD correspondiente a cada problema de radiación. Para cada problema de radiación, el archivo M ejecutado en MATLAB produce una película tomando una fotografía del dominio computacional cada tercer paso temporal. La película es vista como una función del tiempo mientras la onda viaja en el espacio computacional. A. Fuente de línea infinita en un medio sin límites (tm abierto)
La primera solución FD-TD es la de una fuente lineal de longitud infinita excitada por un único pulso gaussiano derivado del tiempo, con una duración de aproximadamente 0,4 nanosegundos, en un dominio computacional de TMz bidimensional. El medio sin límites se simula utilizando una condición de límite de absorción (ABC)[9],[10] de seis capas de Berenger de Capa Perfectamente Ajustada (PML) para truncar el espacio computacional a una distancia finita sin, en principio, crear ninguna reflexión. Así, el pulso viaja radialmente hacia afuera creando un tipo de frente de onda que se desplaza. Los frentes de onda que se mueven hacia afuera se identifican fácilmente usando el esquema de color para la intensidad (o la escala de grises para los monitores en blanco y negro) al ver la película. La película es creada por el MATLAB M-File que produce la solución FD-TD tomando una foto del dominio computacional cada tres pasos de tiempo. Cada paso de tiempo es de 5 picosegundos mientras que cada célula FD-TD es de 3 mm en un lado. La película tiene 37 cuadros de largo y cubre 185 picosegundos de tiempo transcurrido. Todo el espacio computacional es de 15,3 cm por 15,3 cm y está modelado por 2500 celdas FDTD cuadradas (50×50 ), incluyendo 6 celdas para implementar el PML ABC. B. Fuente de Línea Infinita en un Cilindro Cuadrado PEC (tm box )
Este problema se simula de forma similar al de la fuente de línea en un medio sin límites, incluyendo las características del pulso. La principal diferencia es que el dominio computacional de este problema es truncado por las paredes de PEC; por lo tanto no hay necesidad de
DISTRIBUCI N DE CORRIENTE EN UNA ANTENA DE CABLE DELGADO
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PML ABC . Para este problema el pulso viaja hacia afuera y se refleja cuando llega a las
paredes del cilindro. El pulso reflejado junto con el pulso de desplazamiento radial hacia afuera interfieren constructiva y destructivamente entre sí y crean un tipo de frente de onda en pie . Los picos y valles del frente de onda modificado se pueden identificar fácilmente al ver la película, utilizando los esquemas de intensidad de escala de color o gris. Se permite suficiente tiempo en la película para permitir que el pulso viaje desde la fuente hasta las paredes del cilindro, regrese a la fuente y luego regrese a las paredes del cilindro. Cada paso de tiempo es de 5 picosegundos y cada célula FD-TD es de 3 mm de lado. La película tiene 70 cuadros de largo y cubre 350 picosegundos de tiempo transcurrido. El cilindro cuadrado, y por lo tanto el espacio de cálculo, tiene una sección transversal de 15,3 cm por 15,3 cm y se modela utilizando un área de 50 por 50 células FD-TD. C. Bocina Sectorial E-Plane en un Medio Sin Límite (te horn)
La bocina sectorial del plano E es excitada por un voltaje cosinusoidal (CW) de 9.84 GHz en un dominio computacional TEZ, en lugar de la excitación del pulso gaussiano de los dos problemas anteriores. El ilimitado medio se implementa con un Berenger PML ABC de ocho capas. El espacio de cálculo es de 25,4 cm por 25,4 cm y se modela utilizando 100 por 100 células FD-TD (cada célula cuadrada tiene 2,54 mm de lado). La película tiene 70 cuadros de largo que cubren 296 picosegundos de tiempo transcurrido y se crea tomando una foto cada tres cuadros. Cada paso de tiempo tiene una duración de 4,23 picosegundos. El cuerno tiene un á ngulo total de destello de 52◦ y su sección abocinada es de 2,62 cm de largo, es alimentado por una placa paralela de 1 cm de ancho y 4,06 cm de largo, y tiene una apertura de 3,56 cm.
1.4 DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE EN UNA ANTENA DE CABLE DELGADO En la sección anterior discutimos el movimiento de los electrones libres en los conductores que representan la línea de transmisión y la antena. Para ilustrar la creación de la distribución de corriente en un dipolo lineal, y su radiación subsiguiente, comencemos primero con la geometría de una línea de transmisión de dos hilos sin pérdidas, como se muestra en la Figura 1.15(a). El movimiento de las cargas crea una corriente de onda viajera, de magnitud I0/2 , a lo largo de cada uno de los cables. Cuando la corriente llega al final de cada uno de los cables, se somete a una reflexión completa (igual magnitud y 180◦ inversión de fase). La onda viajera reflejada, cuando se combina con la onda viajera
incidente, forma en cada cable un patrón de onda estacionaria pura de forma sinusoidal como se muestra en la Figura 1.15(a). La corriente en cada cable sufre una inversión de
fase de 180◦ entre semiciclos adyacentes. Esto se indica en la Figura 1.15(a) por la
inversión de la dirección de la flecha. La radiación de cada cable ocurre individualmente debido a la naturaleza variable de la corriente y la terminación del cable. Para la línea de transmisión balanceada (simétrica) de dos hilos, la corriente en un semiciclo de un hilo es de la misma magnitud pero 180◦ fuera de fas e con respecto a la del semiciclo correspondiente del otro hilo. Si además la distancia entre los dos alambres es muy pequeña (s λ), los campos irradiados por la corriente de cada alambre son esencialmente cancelados por los del otro. El resultado neto es una línea de transmisión no radiante casi ideal (y deseada). Como la sección de la línea de transmisión entre 0 ≤ z ≤ l/2 comienza a destellar, como se muestra en la Figura 1.15(b), se puede asumir que la distribución actual es esencialmente la misma.
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Figura 1.15 Distribución de la corriente en una línea de transmisión de dos hilos sin pérdidas, una
línea de transmisión de antorcha y un dipolo lineal.
en forma en cada uno de los cables. Sin embargo, debido a que los dos alambres de la sección acampanada no están necesariamente cerca uno del otro, los campos irradiados por uno no necesariamente cancelan los del otro. Por lo tanto, lo ideal es que el sistema de línea de transmisión emita una radiación neta. En última instancia, la sección ensanchada de la línea de transmisión puede tomar la forma mostrada en la Figura 1.15(c). Esta es la geometría de la antena dipolo ampliamente utilizado. Debido al patrón de corriente de onda estacionaria, también se clasifica como una antena de onda estacionaria (en contraste con las antenas de onda viajera que se discutirán en detalle en el Capítulo 10). Si l < λ, la fase del patrón de onda estacionaria actual en cada brazo es la misma en toda su longitud. Además, está orientada espacialmente en la misma dirección que la
DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE EN UNA ANTENA DE CABLE DELGADO
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el del otro brazo, como se muestra en la figura 1.15 c). Por lo tanto, los campos irradiados por los dos brazos del dipolo (partes verticales de una línea de transmisión ensanchada) se reforzarán principalmente entre sí hacia la mayoría de las direcciones de observación (la fase debida a la posición relativa de cada pequeña parte de cada brazo también debe incluirse para una descripción completa de la formación del diagrama de radiación). Si el diámetro de cada cable es muy pequeño (d λ), el patrón ideal de onda estacionaria de la corriente a lo largo de los brazos del dipolo es sinusoidal con un nulo en el extremo. Sin embargo, su forma general depende de la longitud de cada brazo. Para los dipolos de alimentación central con l λ, l = λ/2, λ/2 < l < λ y λ < l < 3λ/2, los patrones actuales se ilustran en las Figuras 1.16(a-d). El patrón actual de un dipolo muy pequeño (por lo general λ/50 < l ≤ λ/10 ) puede ser aproximado por una distribución triangular ya que sin (kl/2) kl/2 cuando kl /2 es muy pequeño. Esto se ilustra en la Figura 1.16(a). Debido a sus variaciones espaciales cíclicas, el patrón actual de onda estacionaria de un dipolo más largo que λ(l > λ) sufre una inversión de fase de 180◦ entre los semiciclos adyacentes. Por lo tanto, la corriente en todas las partes del dipolo no tiene la misma fase. Esto se demuestra gráficamente en la Figura 1.16(d) para λ < l < 3λ/2. A su vez, los campos irradiados por algunas partes del dipolo no reforzarán los de las otras. Como resultado,
+
+ +
+
+
+ − −
+
+
Figura 1.16
Distribución de la corriente en dipolos lineales.
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Figura 1.17
Distribución de corriente en una antena de cable λ/2 para diferentes horas.
se observarán efectos significativos de interferencia y cancelación en la formación del diagrama de radiación total. Vea la Figura 4.11 para el patrón de un dipolo λ/2 y la Figura 4.7 para el de un dipolo 1.25λ.
Para un sistema de variación de la frecuencia del radián ω = 2πf, los patrones de onda estacionaria de la Figura 1.16 representan la máxima excitación de corriente en cualquier momento. Las variaciones actuales, en función del tiempo, en un dipolo de alimentación central λ/2 se muestran en la Figura 1.17 para 0 ≤ t ≤ T /2 donde T es el punto. Estas variaciones pueden obtenerse multiplicando el patrón de onda estacionaria actual de la Figura 1.16(b) por cos (ωt).
1.5 AVANCE HISTÓRICO La historia de las antenas[12] se remonta a James Clerk Maxwell, quien unificó las teorías de la electricidad y el magnetismo, y representó elocuentemente sus relaciones a través de un conjunto de ecuaciones profundas mejor conocidas como Ecuaciones de Maxwell . Su obra fue publicada por primera vez en 1873[13]. También mostró que la luz era electromagnética y que tanto la luz como las ondas electromagnéticas viajan por perturbaciones de onda de la misma velocidad. En 1886, el profesor Heinrich Rudolph Hertz demostró el primer sistema electromagnético inalámbrico. Fue capaz de producir en su laboratorio, a una longitud de onda de 4 m, una chispa en el hueco de un dipolo transmisor λ/2 , que luego fue detectada como una chispa en el hueco de un bucle cercano. No fue hasta 1901 que Guglielmo Marconi pudo enviar señales a grandes distancias. Realizó, en 1901, la primera transmisión transatlántica desde Poldhu en Cornwall, Inglaterra, al Terranova de San Juan. Su antena transmisora consistía en 50 cables verticales en forma de un ventilador conectado a tierra a través de un transmisor de chispa. Los alambres estaban sostenidos horizontalmente por un alambre tensado entre dos postes de madera de 60 m. La antena de recepción en St. John's era un cable de 200 m tirado y soportado por una cometa. Este era el amanecer de la era de las antenas.
Desde los inicios de Marconi hasta la década de 1940, la tecnología de antenas se centró principalmente en elementos radiantes relacionados con cables y frecuencias de hasta aproximadamente UHF. Fue
AVANCE HISTÓRICO
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no fue hasta la Segunda Guerra Mundial cuando se lanzó la tecnología moderna de antenas y se introdujeron nuevos elementos (como las aberturas de las guías de onda, bocinas, reflectores). Mucho de este trabajo es capturado en el libro de Silver[14]. Un factor que contribuyó a esta nueva era fue la invención de fuentes de microondas (como el klystron y el magnetron) con frecuencias de 1 GHz y superiores. Si bien la Segunda Guerra Mundial inició una nueva era en el campo de las antenas, los avances logrados en la arquitectura y la tecnología de los conmutadores entre los años sesenta y noventa han tenido un gran impacto en el avance de la tecnología moderna de antenas, y se espera que tengan una influencia aún mayor en la ingeniería de antenas en el siglo XXI. Comenzando principalmente a principios de la década de 1960, se introdujeron métodos numéricos que permitieron analizar y diseñar con gran precisión configuraciones de sistemas de antenas complejas que antes eran intratables. Además, se introdujeron métodos asintóticos para bajas frecuencias (por ejemplo, Método del Momento (MM), Diferencia-Finita, Elemento-Finito) y altas frecuencias (por ejemplo, Teorías Físicas y Geométricas de Difracción), contribuyendo significativamente a la madurez del campo de antena. Aunque en el pasado el diseño de antenas se consideraba una cuestión secundaria en el diseño general del sistema, en la actualidad desempeña un papel fundamental. De hecho, muchos éxitos del sistema se basan en el diseño y el rendimiento de la antena. Además, mientras que en la primera mitad de este siglo la tecnología de antenas puede haber sido considerada casi como una operación de "cortar y probar", hoy en día es verdaderamente un arte de la ingeniería. Los métodos de análisis y diseño son tales que el rendimiento del sistema de antenas puede predecirse con una precisión notable. De hecho, muchos diseños de antenas proceden directamente desde la fase de diseño inicial hasta el prototipo sin pruebas intermedias. El nivel de confianza ha aumentado enormemente. El interés generalizado por las antenas se refleja en el gran número de libros escritos sobre el tema[15]. Éstos se han clasificado en cuatro categorías: Fundamentales, Manuales, Mediciones y Especializados. Esta es una colección excepcional de libros, y refleja la popularidad del tema de la antena, especialmente desde la década de 1950. Debido a las limitaciones de espacio, sólo se incluye aquí una lista parcial[2],[5],[7],[16]-[39], incluyendo la primera y segunda edición de este libro en 1982, 1997. Algunos de estos libros ya están agotados.
1.5.1 Elementos de antena Antes de la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los elementos de antena eran de tipo alambre (cables largos, dipolos, hélices, rombos, ventiladores, etc.), y se utilizaban como elementos individuales o en arreglos. Durante y después de la Segunda Guerra Mundial, se pusieron en servicio muchos otros radiadores, algunos conocidos por algunos y otros relativamente nuevos. Esto creó la necesidad de una mejor comprensión y optimización de sus características de radiación. Muchas de estas antenas eran del tipo de apertura (tales como guías de onda abiertas, ranuras, bocinas, reflectores, lentes), y han sido usadas para aplicaciones de comunicación, radar, teledetección y espacio profundo tanto en plataformas aerotransportadas como terrestres. Muchos de ellos funcionan en la región de microondas y se tratan en los capítulos 12, 13, 15 y[40]. Antes de la década de 1950, las antenas con patrón de banda ancha y características de impedancia tenían anchos de banda no muy superiores a 2:1 aproximadamente. En la década de 1950, se creó un gran avance en la evolución de la antena que amplió el ancho de banda máximo hasta 40:1 o más. Debido a que las geometrías de estas antenas están especificadas por ángulos en lugar de dimensiones lineales, lo ideal es que tengan un ancho de banda infinito. Por lo tanto, se denominan independientes de la frecuencia. Estas antenas se utilizan principalmente en el
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10-10,000 MHz en una variedad de aplicaciones incluyendo TV, comunicaciones punto a punto, alimentación para reflectores y lentes, y muchas otras. Esta clase de antenas se discute con más detalle en el Capítulo 11 y en[41]. No fue hasta casi 20 años más tarde que se introdujo un nuevo elemento radiante fundamental, que ha recibido mucha atención y muchas aplicaciones desde su creación. Esto ocurrió a principios de la década de 1970, cuando se informó sobre las antenas de microstrip o de parche. Este elemento es simple, ligero, económico, de bajo perfil y se ajusta a la superficie. Estas antenas se discuten con más detalle en el Capítulo 14 y en[42]. En los últimos años se han realizado importantes avances en las antenas de onda milimétrica, incluidas las antenas integradas en las que los circuitos activos y pasivos se combinan con los elementos radiantes en una unidad compacta (forma monolítica). Estas antenas se discuten en[43]. Por lo general, los requisitos específicos de diagramas de radiación no pueden lograrse mediante elementos de antena individuales, ya que éstos suelen tener diagramas de radiación relativamente amplios y valores bajos de directividad. Para diseñar antenas con directividades muy grandes, normalmente es necesario aumentar el tamaño eléctrico de la antena. Esto puede lograrse ampliando las dimensiones eléctricas del elemento individual elegido. Sin embargo, los problemas mecánicos se asocian generalmente con elementos muy grandes. Una forma alternativa de lograr grandes directividades, sin aumentar el tamaño de los elementos individuales, es usar múltiples elementos individuales para formar un arreglo. Un arreglo es una versión muestreada de un solo elemento muy grande. En un arreglo, los problemas mecánicos de grandes elementos individuales son cambiados por los problemas eléctricos asociados con las redes de alimentación de los arreglos. Sin embargo, con la tecnología de estado sólido actual, se pueden diseñar redes de alimentación muy eficientes y de bajo costo. Los arreglos son los sistemas de antenas más versátiles. Encuentran amplias aplicaciones no sólo en muchos sistemas espaciales, sino también en muchas misiones terrestres. En la mayoría de los casos, los elementos de un arreglo son idénticos; esto no es necesario, pero a menudo es más conveniente, más simple y más práctico. Con los arreglos, es práctico no sólo sintetizar casi cualquier patrón de radiación de amplitud deseado, sino que el lóbulo principal puede ser escaneado controlando la excitación de fase relativa entre los elementos. Esto es más conveniente para aplicaciones donde el sistema de antenas no es fácilmente accesible, especialmente para misiones espaciales. El ancho del haz del lóbulo principal junto con el nivel del lóbulo lateral puede ser controlado por la excitación (distribución) de la amplitud relativa entre los elementos del arreglo. De hecho, existe un equilibrio entre el ancho del haz y el nivel del lóbulo lateral basado en la distribución de la amplitud. El análisis, diseño y síntesis de matrices se discuten en los Capítulos 6 y 7. Sin embargo, los avances en la tecnología de arreglos se reportan en[44]-[48]. Un nuevo diseño de arreglo de antenas denominado antena inteligente, basado en la tecnología básica de las décadas de 1970 y 1980, está despertando un interés especial para las aplicaciones inalámbricas. Este diseño de antena, que combina la tecnología de la antena con la del procesamiento digital de señales (DSP), se trata con cierto detalle en el Capítulo 16.
1.5.2 Métodos de análisis Hay plétora de elementos de antena, muchos de los cuales exhiben configuraciones intrincadas. Para analizar cada uno de ellos como un problema de valor límite y obtener soluciones en forma cerrada, la estructura de la antena debe describirse mediante un sistema de coordenadas curvilíneas ortogonales. Esto impone severas restricciones sobre el tipo y el número de sistemas de antenas que pueden analizarse utilizando este procedimiento. Por lo tanto, a menudo se buscan otros métodos exactos o aproximados.
Dos métodos que en las últimas tres décadas han sido preeminentes en el análisis de muchos problemas de antenas anteriormente insolubles son el método de la Ecuación Integral (IE) y la Teoría Geométrica de la Difracción (GTD).
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El método de la Ecuación Integral arroja la solución al problema de la antena en forma de una integral (de ahí su nombre) donde lo desconocido, usualmente la densidad de corriente inducida, es parte del integrando. Técnicas numéricas, como el Método del Momento (MM), se utilizan para resolver lo desconocido. Una vez que se encuentra la densidad de corriente, las integrales de radiación del Capítulo 3 se usan para encontrar los campos radiados y otros parámetros del sistema. Este método es más conveniente para antenas tipo alambre y más eficiente para estructuras que son pequeñas eléctricamente. Uno de los primeros objetivos de este método es formular el IE para el problema en cuestión. En general, hay dos tipos de IE. Una es la Ecuación Integral de Campo Eléctrico (EFIE, por sus siglas en inglés) , y se basa en la condición límite del campo eléctrico tangencial total. La otra es la Ecuación Integral de Campo Magnético (MFIE) , y se basa en la condición límite que expresa la densidad de corriente eléctrica total inducida en la superficie en términos del campo magnético incidente. El MFIE sólo es válido para superficies cerradas. Para algunos problemas, es más conveniente formular una EFIE, mientras que para otros es más apropiado utilizar una MFIE. Los avances, aplicaciones y cuestiones numéricas de estos métodos se tratan en el Capítulo 8 y en[3] y[49]. Cuando las dimensiones del sistema radiante son muchas longitudes de onda, los métodos de baja frecuencia no son tan eficientes desde el punto de vista computacional. Sin embargo, se pueden utilizar técnicas asintóticas de alta frecuencia para analizar muchos problemas que de otra manera serían matemáticamente difíciles de resolver. Uno de estos métodos que ha recibido considerable atención y aplicación a lo largo de los años es el GTD, que es una extensión de la óptica geométrica (GO), y que supera algunas de las limitaciones del GO mediante la introducción de un mecanismo de difracción. La Teoría Geométrica de la Difracción se discute brevemente en la Sección 12.10. Sin embargo, un tratamiento detallado se encuentra en el Capítulo 13 de[3] mientras que los recientes avances y aplicaciones se encuentran en[50] y[51]. Para estructuras que no son convenientes para analizar por cualquiera de los dos métodos, a menudo se utiliza una combinación de los dos. Esta técnica se denomina método híbrido y se describe en detalle en[52]. Otro método, que ha recibido mucha atención en la dispersión, es el Dominio de Tiempo de Diferencia Finita (FDTD). Este método también se ha aplicado a los problemas de radiación de las antenas[53]-[56]. Un método que está comenzando a ganar impulso en su aplicación a los problemas de antena es el Método de Elementos Finitos[57][61].
1.5.3 Algunos desafíos futuros La ingeniería de antenas ha disfrutado de un período de gran éxito durante la década de 19401990. Los responsables de su éxito han sido la introducción y los avances tecnológicos de algunos nuevos elementos de radiación, tales como antenas de apertura, reflectores, antenas independientes de frecuencia y antenas de microstrip. La excitación ha sido creada por el avance de los métodos asintóticos de baja y alta frecuencia, los cuales han sido instrumentales en el análisis de muchos problemas anteriormente intratables. Un factor importante en el éxito de la tecnología de antenas han sido los avances en la arquitectura del ordenador y los métodos de cálculo numérico. Hoy en día, la ingeniería de antenas se considera un verdadero arte de la ingeniería. Aunque se ha alcanzado un cierto nivel de madurez, hay muchas oportunidades y problemas por resolver. La arquitectura de ultrasonidos phased array que integra la tecnología MIC monolítica sigue siendo el problema más difícil. La integración de nuevos materiales, como los metamateriales[62], los conductores magnéticos artificiales y las superficies blandas y duras[63], en la tecnología de antenas ofrece muchas oportunidades, y los métodos asintóticos desempeñarán un papel clave en su incorporación y rendimiento del sistema. Los
electromagnetismo computacional que utilizan la supercomputación y las capacidades de computación en paralelo modelarán complejas interacciones de ondas electromagnéticas, tanto en el dominio de la frecuencia como en el del tiempo. Diseños innovadores de antenas,
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como las que utilizan antenas inteligentes[64] y antenas y sistemas de antenas multifunción y reconfigurables[65] para realizar funciones de sistema complejas y exigentes siguen siendo un reto. Los nuevos elementos básicos son siempre bienvenidos y ofrecen oportunidades refrescantes. Las nuevas aplicaciones incluyen, entre otras, las comunicaciones inalámbricas, los sistemas de transmisión directa por satélite, los satélites de posicionamiento global (GPS), la navegación aérea de alta precisión, la meteorología global, los sistemas de recursos terrestres y otros. Debido a las muchas nuevas aplicaciones, la porción inferior del espectro EM ha sido saturada y los diseños han sido empujados a frecuencias más altas, incluyendo las bandas de frecuencia de ondas milimétricas.
1.6 MULTIMEDIA En el CD que forma parte de este libro, se incluyen los siguientes recursos multimedia relacionados con este capítulo: a. Cuestionario interactivo basado en Java con respuestas. b. Se designaron tres programas de animación-visualización basados en Matlab ž ž ž
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que se describen detalladamente en el apartado 1.3.4 y en el correspondiente archivo READ ME del CD adjunto. c. Vistas en Power Point (PPT) .
REFERENCIAS 1. C. A. Balanis, "Teoría de la antena: A Review", Proc. IEEE , Vol. 80, No. 1, pp. 7-23, enero de 1992. 2. L. V. Blake, Antenas, Wiley, Nueva York, 1966, pág. 289. 3. C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, Wiley, Nueva York, 1989. 4. E. K. Miller y J. A. Landt, "Direct Time-Domain Techniques for Transient Radiation and Scattering from Wires", Proc. IEEE , Vol. 68, No. 11, pp. 1396-1423, noviembre de 1980. 5. J. D. Kraus, Antenas, McGraw-Hill, Nueva York, 1988. 6. J. D. Kraus, Electromagnetics, McGraw-Hill, Nueva York, 1992, págs. 761-763. 7. S. A. Schelkunoff y H. T. Friis, Antenna Theory and Practice, Wiley, Nueva York, 1952. 8. K. S. Yee, "Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell's Equations in Isotropic Media," IEEE Trans. Antennas Propagat , Vol. AP-14, No. 3, pp. 302307, mayo de 1966. 9. J. P. Berenger, "A Perfectly Matched Layer for the Absorption of Electromagnetic Waves," J. Comput. Phys., Vol. 114, pp. 185-200, octubre de 1994. 10. W. V. Andrew, C. A. Balanis, y P. A. Tirkas, "A Comparison of the Berenger Perfectly Matched Layer and the Lindman Higher-Order ABC's for the FDTD Method", IEEE Microwave Guided Wave Lett, Vol. 5, No. 6, pp. 192-194, junio de 1995. 11. The Student Edition of MATLAB: Version 4: User's Guide, The MATH WORKS, Inc, Prentice-Hall, Inc, Englewood Cliffs, NJ, 1995. 12. J. D. Kraus, "Antenas desde Hertz y Marconi," IEEE Trans. Antennas Propagat , Vol. AP-33, No. 2, pp. 131-137, febrero de 1985. 13. J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, Oxford University Press, Londres, Reino Unido, 1873, 1904.
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