TRABAJO ANTENAS

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Antenas

Ángel Navarro Rodríguez Juan Francisco Mateo Cuesta

ANTENAS Grupo: Juan Francisco Mateo Cuesta Ángel Navarro Rodríguez

E.U. Politécnica de Cuenca

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I.T. Telecomunicaciones. S e I

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ÍNDICE 1. Introducción 1.1. Definición básica 1.2. Usos de antenas 1.3. Breve introducción de la señal radioeléctrica 1.4. Diferentes medios de propagación 1.5. Evolución Histórica

2. Fundamentos de funcionamiento de antenas 2.1. Fundamentos eléctricos y magnéticos 2.1.1. 2.1.2.

Campos Electro-magnéticos. Ecuaciones de Maxwell Ecuaciones y teorías básicas

3. Parámetros básicos de antenas 3.1. Parámetros de antenas en emisión 3.1.1. Potencia de Radiación PT 3.1.2. Densidad de potencia radiada 3.1.3. Resistencia de radiación 3.1.4. Vector de Poynting 3.1.5. Intensidad de radiación 3.1.6. Ganancia directiva y directividad de la antena 3.1.7. Diagrama o patrón de radiación 3.1.8. Impedancia de una antena 3.1.9. Relación de onda estacionaria ROE y VSWR (Voltage standing wavw ratio) 3.1.10. Nueva ganancia de la antena 3.1.11. PIRE y PRA 3.1.12. Ancho de haz a 3dB 3.1.13. Polarización 3.1.14. Ancho de banda o respuesta en frecuencia 3.1.15. Ecuación de transmisión

3.2. Parámetros de antenas en recepción 3.2.1. Superficie equivalente de una antena 3.2.2. Longitud efectiva

4. Tipos de antenas 4.1. Antenas básicas 4.2. Antenas típicas 4.3. Clasificación de antenas según su diagrama de directividad

5. Simulación de cobertura y radioenlace con el programa Sirenet.


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1. Introducción Desde sus orígenes el ser humano ha buscado formas de comunicarse con los demás, desde la prehistoria, cuando utilizaban los sonidos producidos con su propio cuerpo o con los objetos de su alrededor, pasando por la invención de un lenguaje articulado, a la escritura, que es uno de los factores por los que el hombre ha conseguido diferenciarse de los demás seres vivos como un ser superior intelectualmente, permitiendo expresar sus ideas a los demás humanos y almacenar así el conocimiento de diversas maneras. De esta naturaleza humana y gracias a la tecnología, utilizando los medios que tiene a su alcance, surge la ambición por una comunicación a distancia en la que el receptor y el emisor no tienen porque estar en el mismo espacio físico o temporal. Este tipo de comunicación comienza con el telégrafo que permitía enviar información codificada mediante impulsos eléctricos por cable, seguido por la invención del teléfono por cable que, mediante modulación de una señal eléctrica producida por la transducción de señales acústicas, permitía la comunicación hablada en tiempo real eliminando el factor de codificado que tenía el telégrafo. Finalmente el gran hito que cambió la historia de las comunicaciones fue el descubrimiento de la propagación de ondas electromagnéticas como medio de transmisión de datos eliminando así la necesidad de utilizar cables en los sistemas de comunicación. En este trabajo estudiaremos uno de los elementos más importantes dentro de las telecomunicaciones inalámbricas como son las antenas, las cuales son la unión entre emisor, medio de propagación y receptor.


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1.1. Definición básica La antena es un elemento que permite radiar, de forma eficiente, una energía en forma de onda electromagnética. Una antena es un dispositivo, fabricado de un material conductor, que puede recibir ondas electro-magnéticas del medio en el que esté ubicada la antena (aire, agua, etc.), y también puede transmitir o radiarlas ella misma al medio, ya que se trata de un elemento emisor y transmisor. Gracias a las antenas los sistemas de telecomunicación pueden intercambiar información entre si, sin necesidad de cables para poder transmitir, ya que usan el medio libre como si fuese un gran cable. Las antenas vienen definidas por varias características básicas, como son potencia de transmisión, directividad, dimensiones, etc las cuales explicaremos en el contenido del trabajo. Estas características marcan el campo de su uso y las propiedades de funcionamiento de la antena, así como a las frecuencias a las que trabajan. [1] [2].

1.2. Usos de antenas: Como hemos comentado anteriormente, el uso principal de una antena es transmitir y recibir información codificada o portada en una onda electromagnética, para que exista nexo entre los diversos elementos de un sistema o red de telecomunicaciones. Entre los diferentes usos que se le dan a las antenas, el mas importante, o digamos el más extendido es en las comunicaciones broadcast, tales como son la televisión y la radio, ya que la gran mayoría de la sociedad las utiliza. Aparte de esta aplicación también esta extendiéndose el uso de antenas para la telefonía móvil. Otros sectores importantes que utilizan comunicación radioeléctrica son la aeronáutica, astronáutica, navegación, diversos sectores militares y algunas aplicaciones domesticas como puede ser el wi-fi el radiocontrol, radio afición etc. [1] [2].


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1.3. Diferentes medios y tipos de propagación Para la propagación de ondas radioeléctricas se han utilizado varios medios a lo largo de la existencia de este método. En este apartado describiremos los medios más importantes y haremos una breve comparación entre ellos. Lo primero a tener en cuenta serán los factores de atenuación y pérdidas, que están estudiados a través de la formula de Friis, que en principio estudio la atenuación en medio libre, la cual se expresa mediante la siguiente fórmula:

As (dB) = 32,45 + 20log f (MHz) + 20log d(Km)

[3]

Aunque en la realidad existen muchos mas factores de atenuación, como son los sistemas eléctricos del emisor y transmisor, las perdidas en las antenas, los factores ambientales, la temperatura, la distancia, y el mas importante de todos, que es la resistencia que proporciona el medio a una señal, o el cambio de medios en el camino de la señal radioeléctrica. Este factor determina el medio elegido para transmitir la señal, que puede ser el espacio, el aire, el agua, la tierra y la ionosfera. De los medios mencionados, el más utilizado es el aire, ya que es el medio que menos resistencia opone a la señal, y por lo tanto con el que mas lejos pueden llegar las ondas transmitidas con menos potencia, aunque también existen muchos factores de atenuación dentro de este medio, como pueden ser los factores meteorológicos (lluvia, nieve, humedad, temperatura, etc.). También se utiliza el agua en aplicaciones como son los medios de localización por sonar que utilizan los barcos, así como los medios de comunicación de los submarinos, pero exceptuando estas no se utiliza el agua para otras aplicaciones de comunicación. Por tierra también existen formas de comunicación vía ondas, como puede ser la propagación por onda de superficie, aunque ha ido abandonándose por la composición heterogénea de la


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Ejemplo de transmisión en el agua

superfície, donde los materiales frenan muchísimo la señal, y por lo tanto sale mucho mas rentable comunicar mediante cable que por un sistema transmisor receptor inalámbrico. Para las transmisiones espaciales se utiliza el medio libre como medio de propagación, para misiones espaciales e investigación, necesitando mas potencia en el sistema de comunicación, por la

Ejemplo de propagación por onda de superficie.

gran distancia a salvar entre receptor y emisor, así como por las perdidas adicionales causadas por el cambio de medio entre el espacio y la atmósfera terrestre.


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Antenas de comunicación espacial


Satélites espaciales situados entorno al planeta tierra.

en la estación terrestre

Ejemplo de esquema de comunicación vía satélite

A parte de los medios en los que se puede propagar la señal radioeléctrica también debemos tener en cuenta que existen diferentes formas de que se efectue la propagación en cualquiera de los medios. Vamos a comentar brevemente 4 formas básicas de propagación:

-Propagación directa: Es la más utilizada. En ella la onda emitida por la antena emisora alcanza la antena receptora en línea recta y sin ningún tipo de desviación. Es la utilizada en los radioenlaces:


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Ejemplo de propagación directa

-Propagación por reflexión: Se entiende por reflexión el cambio en la dirección de propagación de un fenómeno ondulatorio, como las ondas radioeléctricas, cuando inciden sobre una superficie reflectante. En las siguientes ilustraciones puede verse como a una antena receptora le llega una señal radioeléctrica reflejada por un obstáculo, por ejemplo, un edificio de gran altura. Este tipo de propagación no es muy deseable, ya que a la antena receptora pueden llegarle, además de la señal directa, varias señales reflejadas procedentes de uno o varios puntos, con lo cual llegan al receptor dos o más señales iguales y desfasadas en el tiempo, puesto que las trayectorias de las reflejadas son más largas, produciendo las conocidas y molestas "imágenes fantasma" o dobles imágenes:

Ejemplo de propagación por reflexión

Para evitar esto, deben utilizarse antenas receptoras de gran directividad, correctamente situadas con relación al emisor. Un claro ejemplo sería la colocación de las antenas domesticas de televisión las cuales están diseñadas para recibir únicamente la señal proveniente del lugar al que apuntan.


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-Propagación por difracción: Es el fenómeno característico de las propiedades ondulatorias de la materia, por lo cual un obstáculo que se opone a la propagación libre de las ondas se presenta como una fuente secundaria que emite ondas derivadas en todas las direcciones. Gracias a este fenómeno las ondas rodean al obstáculo y consiguen salvarlo.

En la ilustración puede verse como, gracias al fenómeno de la difracción, la señal radioeléctrica procedente de la antena emisora sigue la ladera de las montañas y colinas, y consigue alcanzar a la antena receptora.

- Propagación por refracción: Es el cambio en la dirección de la propagación de un movimiento ondulatorio, como las señales radioeléctricas, debido al paso de la onda desde un medio a otro de distinto índice de refracción.


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En la imagen puede verse como la señal radioeléctricas es refractada en las capas inferiores de la ionosfera. Este fenómeno se debe al estado ionizado de esta zona de la atmósfera. Cabe citar aquí que con este tipo de propagación, cuando se dan las condiciones idóneas, es posible captar emisiones muy lejanas, imposibles de recibir por una propagación directa. Se utiliza en transmisiones a larga distancia. [4].

1.4. Evolución Histórica La evolución histórica de las antenas viene de la mano de la historia de las telecomunicaciones, ya que las antenas han sido el factor más importante para la implantación de la tecnología de telecomunicación en toda la sociedad, y gracias a ellas ha sido posible la difusión de medios como la televisión, la radio, y más actualmente el teléfono móvil. Todo empezó en 1819, cuando Hans Crinstian Oersted demostró que la electricidad producía magnetismo, gracias a lo que un año después André Marie Ampère y Oersted ampliando estas observaciones descubrieron que una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos idénticos a los que produce un imán. En 1831 Michael Faraday descubre que un campo magnético induce corriente en un hilo conductor próximo, pero esto sólo ocurría si el campo magnético era variable. Los descubrimientos de Faraday fueron decisivos en el posterior desarrollo de generadores eléctricos, mientras que los de Oersted y Ampère lo fueron en el diseño de motores eléctricos. En 1873James Clark Maxwell publica “Treatise on Electricity and Magnetism”, libro donde planteaba las ecuaciones necesarias para relacionar los campos abiertos por Faraday, Oersted y Ampère, introdujo el concepto de corriente de desplazamiento y postuló la naturaleza electromagnética de la luz, este paso supone el comienzo de la teoría electromagnética.


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En 1887 Heinrich Rudolf Hertz demuestra experimentalmente la propagación de ondas electromagnéticas, ondas de radio u ondas hertzianas, aunque no pudo explotar todo el potencial de su esquema transmisor-receptor debido a que el desarrollo de las comunicaciones ha venido ligado inexorablemente al de la electrónica, de forma que antes de que se explotase el fenómeno electromagnético en las radiotelecomunicaciones haría falta un avance decisivo en este campo. Este avance vino de la mano del “cohesor”. Este dispositivo es un tubo de cristal relleno de partículas metálicas que presenta una resistencia baja en presencia de una descarga eléctrica cercana, si ésta es ocasionada por la presencia de una onda electromagnética y el cohesor está convenientemente alimentado y conectado a una lámpara o timbre, se puede detectar la presencia o no de una transmisión. Gracias al desarrollo del cohesor se desarrolla uno de los primeros diseños de receptor, propuesto por el francés Edouard Branly en 1891, y que propició que en 1894 Popov y Marconi pasaran de la física a la ingeniería realizando las primeras transmisiones de mensajes, nace la radiocomunicación. Marconi inicialmente sólo consiguió transmitir a distancias de unos pocos metros, pero hizo progresos importantes hasta que logró alcanzar distancias de 2 kilómetros, por lo que decidió hacer una demostración a las autoridades de su país, que no se hicieron eco del potencial de la radiocomunicación, por lo que pensó en hacer la propuesta en el Reino Unido. En 1897 Marconi demostró la posibilidad de conectar dos puntos separados por agua uniendo las orillas del canal de Bristol y eliminando así la necesidad de cables submarinos, y en 1899 enlaza el canal de la mancha, que es considerada la primera radiocomunicación internacional. A esta demostración le siguió enlazar la estación de Polhu en Inglaterra con la estación de Newfoundland en Canadá. La letra “s” se escuchó en Newfoundland el 12 de Diciembre de 1901. El Daily Telegraph no dio crédito a la transmisión, argumentando que se recibiría de la señal transmitida por algún barco ó corriente terrestre.


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El profesor Ambrose Fleming del University Collage of London trabajaba como consultor para Marconi con la idea de mejorar los receptores. Tras seguir de cerca el trabajo de Edison propuso en 1904 la válvula de diodo. Este diodo consistía en una válvula de cristal al vacío con dos elementos, uno caliente (cátodo) y otro frío (ánodo). En este dispositivo los electrones pueden fluir del primero al segundo pero no al revés. En 1906 De Forest, en los EEUU dio un paso más añadiendo un tercer elemento a la válvula de diodo que permitiera controlar el flujo de electrones, es el audión o triodo. Este dispositivo se utilizó, hasta el año 1912 como detector, cuando el propio De Forest lo propone como amplificador y AT&T lo incorporó en repetidores de líneas telefónicas. Éstos presentaban una selectividad y una sensibilidad pobres. Esto es, había que mejorar la capacidad de sintonizar un canal determinado y poderlo recibir incluso para niveles bajos de señal recibida, por lo que elementos como el amplificador de tríodo era imprescindible para conseguir una buena comunicación entre elementos. En 1918 Edwin Armstrong propone un nuevo esquema de receptor que mejora estas características, el receptor superheterodino o “superhet”. En este tipo de receptores la señal recibida se pasa a una frecuencia intermedia donde la señal se filtra y amplifica adecuadamente. En 1920 el número de estaciones transmisoras empezó a ser elevado, y esto propició que la separación de frecuencia entre las mismas disminuyese, lo que propició el uso generalizado de los receptores superheterodinos. En este año Marconi realiza las primeras pruebas de radiodifusión. En 1922 instala una emisora en Londres y nace la BBC (British Broadcasting Company), la primera emisora de emisión en abierto o Broadcast. Tuvo que llegar el año1934 para que Edwin Armstrong propusiera la transmisión en FM y 1940 para que se utilizase comercialmente, con la cual se podía aprovechar mejor el espectro radioeléctrico, permitiendo enviar señales moduladas en una frecuencia portadora más alta. Desde 1945 a 1949 el grupo de la compañía Bell desarrolló la teoría de los transistores, la verificó experimentalmente y construyó diodos y


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triodos. En el año de 1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de Física por este brillante trabajo. También en 1945 Arthur C. Clarke, en un artículo visionario propone realizar comunicaciones utilizando satélites como repetidores. Esta tecnología fue algo más lenta y comenzó con el lanzamiento del Sputnik en 1957, que únicamente transmitía un “beep”, mas tarde vino el lanzamiento del ECHO que actuaba como espejo de señales transmitidas desde tierra. El primer satélite en incluir receptores y transmisores fue el TELSTAR, que en 1962 estableció un canal de televisión entre EEUU y Europa. Por otra parte, el desarrollo de los sistemas de Comunicaciones Móviles tuvo lugar a partir del final del pasado siglo, cuando en 1979 la compañía Bell Laboratories desarrolla una red de radio celular. Aparecen las redes públicas de radio móvil terrestre (PLMR networks) operando en la banda de UHF, lo que permite a sus clientes establecer una conversación telefónica entre sí mientras están en movimiento, o con otros clientes de las redes telefónicas de conmutación públicas (PSTN). En la década de los 90 se avanza hacia una nueva etapa al implantarse las redes celulares digitales y los sistemas de telecomunicación inalámbricos que proporcionan servicios añadidos a la telefonía. [3]


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2. Fundamentos de funcionamiento de antenas

Tras haber visto una breve introducción al mundo de la radiotransmisión y las antenas veremos en este apartado los principales fundamentos y teorías en los que se basa esta tecnología y el funcionamiento de las antenas. Para ello trataremos de estudiar los principios de transmisión y recepción electromagnéticos así como los elementos básicos de que consta una antena y sus principales parámetros que determinarán su funcionamiento y el tipo de aplicación en la que se utilizará.

2.1. Fundamentos Electro-magnéticos

Para comprender el funcionamiento de cualquier sistema de radiotransmisión tenemos que conocer previamente algunos conceptos y teorías acerca de los principios electromagnéticos con los que trabaja cualquier antena ya sea de emisión o recepción. Sabemos que una antena es un elemento que permite radiar, de forma eficiente, una energía en forma de onda electromagnética, por lo que para comprender y explicar el su funcionamiento debemos conocer algunos principios del electromagnetismo. Para ello presentaremos las leyes de Maxwell basadas en el electromagnetismo, y de las cuales derivan todas las propiedades de las antenas, pasando también por las leyes y teorías de Gauss, Faraday, Ampere hasta concluir en la ecuación de onda o ecuación de Helmoltz la cual resume el funcionamiento básico de cualquier antena [3].


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2.1.1. Campos Electro-magnéticos. Ecuaciones de Maxwell. [3],[5]

Los campos electromagnéticos que queremos radiar se producen como respuesta a una variación de corriente o intensidad. Tiene que haber, por tanto, una variación temporal. Para facilitar los cálculos recurriremos a trabajar en el dominio de la frecuencia. Así, lo que tenemos es un conjunto de tonos a diferentes frecuencias. Como las ecuaciones de Maxwell son lineales, el resultado de trabajar con todos estos tonos es el mismo que la suma de los resultados obtenidos para cada tono por separado. Por lo tanto generalmente se trabaja con un solo tono a una frecuencia ω. Es más, como la componente correspondiente de Fourier es una amplitud compleja que dependerá de la distancia r por una exponencial compleja de ωt que depende del tiempo, se trabajará únicamente con esta amplitud, obviando en todo momento la dependencia temporal. Tendremos pues las siguientes expresiones:

-Intensidad de Campo eléctrico en un punto dado por el vector r en un instante t donde E es el fasor de valor complejo para una frecuencia de trabajo dada por ω = f*2π:

, ℜ

-Intensidad de Campo magnético en un punto dado por el vector en un instante t donde H es el fasor de valor complejo para una frecuencia de trabajo dada por ω = f*2π:

, ℜ


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Estas ecuaciones están relacionadas mediante diversas leyes con el con el flujo desplazamiento eléctrico ó inducción de campo eléctrico D y con la densidad de magnético ó inducción de campo magnético B corriente J consiguiendo así una relación entre el campo eléctrico y el

magnético. Dichas leyes relacionan estos parámetros mediante el uso del operador nabla ( ), gradientes ( . y rotacionales x principalmente y son las siguientes: -Ley de Faraday: Relaciona el campo eléctrico con el flujo magnético

donde vemos también la importancia y dependencia de la frecuencia ω: ∇ × = −jω

-Ley de Ampere-Maxwell: Relaciona el campo magnético con el

y la densidad de corriente donde vemos desplazamiento eléctrico también la importancia y dependencia de la frecuencia ω: = jω ∇ × con la -Ley de Gauss: La cual relaciona el desplazamiento eléctrico densidad de carga eléctrica ρ: = ρ ∇ ⋅


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-Ley de Gauss para el flujo magnético:

= 0 ∇ ⋅

Al observar esta serie de leyes podemos extraer principalmente que los campos magnético y eléctrico están cercanamente relacionados entre sí y que cada uno puede ser generado o variado por el otro, es decir, podemos generar un campo magnético o intensidad magnética a partir de un campo eléctrico o intensidad eléctrica.

-Ecuación de continuidad:

Podemos observar en esta ecuación que la densidad de

corriente J depende de la frecuencia y está relacionada con la densidad de carga eléctrica:

∇ ⋅= -jω ρ

-Dependencia del medio:

Finalmente veremos en estas ecuaciones que tanto el desplazamiento como el flujo magnético B , a parte de las intensidades de campo eléctrico D y H ) y de la frecuencia , también dependen de las eléctrico y magnético (E características del medio donde se van a generar o propagar:


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= ε = μ

Donde ε es la permitividad eléctrica del medio y que es igual al producto de la permitividad relativa del medio (εr que es distinta en cada medio y material) y la permitividad eléctrica del vacio εo = 10-9 / 36π [Faraday/m].

ε = εr εo

µ es la permeabilidad magnética del medio la cual es el producto de la permeabilidad magnética relativa ( µ r distinta en cada medio ) y la permeabilidad magnética en el vacio ( µo = 10-7 * 4π [Henry/m])

μ = μr μo

En el ámbito de la radiopropagación esta dependencia será crucial a la hora de seleccionar tanto los materiales como los medios por los que se transmitirán las ondas electromagnéticas.

Además la velocidad de propagación, es decir, la velocidad de fase de la onda electromagnética vendrá definida por ε y µ de la siguiente manera:

vp =


√ !

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2.1.2. Ecuaciones y teorías básicas [3],[5],[6]

Ahora que conocemos ligeramente las bases y las relaciones entre campos magnético y eléctrico el siguiente paso será obtener una ecuación o ecuaciones que nos definan el funcionamiento de una antena. Dichas ecuaciones serán obtenidas tras aplicar diversos cálculos, entre ellos la ecuación de Helmholtz con las respectivas condiciones de contorno que nos permiten calcular distintos potenciales los cuales harán posible las expresiones de campo magnético y eléctrico.

Para hacer más fácil la comprensión de esas ecuaciones se utiliza la aproximación por campo lejano que será aplicable cuando 1/r << 1/ r2 donde r es la distancia. Los campos obtenidos son:

" = jη0k0 Idl senθ

#$%&'

()*

+,

#$%&'

= jk0 Idl senθ " -, ()*

Donde:

- η0 es la impedancia característica del medio obtenida como η0 = .


/

!/

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En este caso el medio es el vacio o el aire ya que la permeabilidad y permitividad de este se puede aproximar a las del vacío.

- k0 es el número de ondas:

k0 = 0 = 1234 54 =

6) 7

8→longitud de onda

- Idl es la intensidad por diferencial de longitud de la antena. Por lo que vemos que los campos dependerán de un potencial generado por la distribución de corriente o intensidad en la antena.

- θ y - son ángulos que fijan la dirección del vector de propagación ̂ en el siguiente sistema de coordenadas polares (en una antena lineal o dipolo, que será explicada en apartados siguientes, la propagación será radial, es decir, en todas direcciones:


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Si nos fijamos en las ecuaciones vemos que el módulo del campo eléctrico es el módulo del campo magnético multiplicado por la impedancia característica del medio , es decir, E = η0H. También sabemos que ambos campos son perpendiculares entre sí y a su vez son ortogonales a la dirección de propagación ̂ . En la siguiente imagen podemos ver gráficamente esa relación ortogonal:

̂


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Esa dirección de propagación viene definida por el vector de Poynting que es el resultado del producto vectorial del campo magnético y eléctrico: [3]

, :, , x Como veremos más adelante el vector de poynting también nos da la densidad de potencia radiada.

Ahora que conocemos estas relaciones entre campos y dirección de propagación sabemos que podemos definir el funcionamiento del campo electromagnético de una antena únicamente conociendo el módulo de uno de los campos, siempre que estemos en campo lejano ya que si estuviésemos en campo cercano deberíamos conocer ambos campos.


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3. Parámetros básicos de las antenas Tras conocer en que se basa el funcionamiento de una onda electromagnética en una antena nos disponemos a presentar y estudiar los parámetros básicos que definirán el comportamiento de una antena lo que será decisivo a la hora de decidir el campo de aplicación de dicha antena. Para realizar un estudio correcto y ordenado de las propiedades y parámetros de una antena creemos conveniente explicar de forma separada los parámetros para antenas en emisión y antenas en recepción.

3.1. Parámetros de antenas en emisión [3], [6], [7],[8]

3.1.1. Potencia de radiación PT

Esta será la potencia total que radiará la antena independientemente de su forma y su directividad. Muchos de los parámetros que definiremos están relacionados con esta potencia. Se calcula como la integral de superficie del vector de Poynting y su unidad es el watio(W):

:; < =:> . @A BCD ?

Si aplicásemos esta fórmula para un dipolo, que no es más que un hilo conductor con dos extremos, obtendríamos lo siguiente:


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:;


2

E0 G0 2 I@J 12L

Y vemos que la potencia dependerá del material del hilo, de la frecuencia (k0 = ) , y del diferencial de corriente por longitud. 0

La potencia también suele venir expresada de dos formas que son el PIRE, para antenas isotrópicas, y el PRA, ambas dependientes de la potencia radiada total y la ganancia y directividad de la antena; veremos estos parámetros en los apartados siguientes.

3.1.2. Densidad de potencia radiada

La densidad de potencia radiada es la potencia por unidad de superficie que radiará una antena siendo esta inversamente proporcional a la distancia. Se obtendrá como el módulo del vector de Poynting por lo que dependerá de los campos eléctrico y magnético. Viene expresada en W/m2 y su fórmula es la siguiente:

Ф

1 P ℜ N O 2

BQ/ST D

También se puede expresar la densidad de potencia en función de la potencia total:

Para una antena isotrópica (radia la misma potencia en todas direcciones): E.U. Politécnica de Cuenca

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Ф


:; BQ/ST D 6 4L

Donde r será la distancia a la antena Para cualquier otra antena esa densidad dependerá de la ganancia de la antena en un determinado ángulo:

Ф+, V

:; WXY +, V BQ/ST D 6 4L

Donde + y V son el ángulo en la horizontal y la vertical de un punto determinado con respecto al origen que es la antena.

3.1.3. Resistencia de radiación

Es la resistencia que opone el medio, normalmente el aire, a la propagación de una onda o señal; esta resistencia la podemos calcular si consideramos la potencia radiada como el producto entre una resistencia y una intensidad al cuadrado ( la intensidad I es un valor de pico):

:;

6

6

I ZX

E0 G0 2 I@J2


6)

→ ZX

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2

2

6E0 G0 @J 6)

]^ 6

80L 6 \ _ [Ω] 7


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Podemos ver en la fórmula que la resistencia de radiación dependerá básicamente de la longitud de la antena, de la frecuencia y de la velocidad de propagación que condicionara la longitud de onda (8 = v/f ).

3.1.4. Vector de Poynting

Como dijimos anteriormente, el vector de poynting es el producto vectorial entre campos eléctrico y magnético e indica la dirección de propagación de la onda electromagnética, por ello se puede considerar como una característica cercana al diagrama de radiación que veremos en siguientes apartados. En este caso generalizaremos el valor de este vector para una antena isotrópica, que radia por igual en todas direcciones donde veremos que este vector es simplemente la densidad de potencia radiada por un vector unitario que indica la dirección de propagación:

:à4*ób`0X

:c

4L 6

̂

3.1.5. Intensidad de radiación

La intensidad de radiación se define como la potencia radiada por unidad de ángulo sólido y su unidad es el watt/estereorradián; esta intensidad nos será útil a la hora de calcular la directividad de la antena que veremos en el siguiente apartado. Podemos obtener esta intensidad como el producto de la distancia al cuadrado y del módulo del vector de Poynting o densidad de potencia:

d +, V Ф+, V 6 Be/fghihjiiklmknD E.U. Politécnica de Cuenca

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Vemos que la intensidad radiada es dependiente del ángulo por ello es que nos permite el cálculo de la directividad y su respectivo diagrama polar. Para el cálculo de la directividad también es interesante conocer la intensidad de radiación isotrópica por lo que mostramos el cálculo concreto de una antena isotrópica:

dàó*4bX Фàó*4bX 6

:c

()

3.1.6. Ganancia directiva y directividad de la antena

La ganancia directiva nos describe cómo reparte la antena la potencia que se le entrega, en el espacio. Se toma como patrón y referencia de esta ganancia la de una antena isotrópica por lo que este parámetro nos dará para cada dirección, en función de los ángulos +, V, la ganancia respecto a una antena isotrópica que radiase con la misma potencia. Vendrá definida de la siguiente manera, y no tendrá unidades además vemos que será dependiente tanto del ángulo como de la potencia total sin influir la distancia:

W+, V

d+, V d+, V dàó*4bX :; /4L

Por tanto es obvio que para una antena isótropa la ganancia será 1 en todos los ángulos y para un dipolo elemental será:


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W+, V


3 p q6 + 2

Tenemos que dejar claro que a pesar del nombre ganancia, una antena no puede amplificar la potencia suministrada sino que la reparte en el espacio según la dirección.

Por otro lado, la directividad de la antena es una característica que india la concentración de ganancia en una determinada orientación , cuanto mayor directividad menos equitativamente estará repartida la potencia de la antena y se concentrara en una dirección. Se define como el máximo de la ganancia directiva:

W ráO W+, V

Tanto la ganancia directiva como la directividad suelen expresarse en dB o dBi que son los decibelios respecto a las antena isótropica:

s +, V 10 logw W+, Vx B@dD

3.1.7. Diagrama o patrón de radiación

El patrón de radiación de una antena es la representación gráfica de la ganancia directiva en cada ángulo o representación gráfica de la magnitud relativa de los campos magnético y eléctrico en el espacio. Se pueden representar en 2 dimensiones, mostrando los patrones para el plano E.U. Politécnica de Cuenca

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E ( x,z ) y el plano H ( x,y ) es decir, el vertical o el horizontal, o bien se puede representar todo el espacio con una gráfica en 3 dimensiones. A continuación mostramos una serie de ejemplos de patrón de radiación con las dos formas de representación:

Diagrama de radiación de una antena isótropa:

Observamos que la ganancia es igual para todas las direcciones.

Diagrama de radiación de un dipolo elemental ( hilo conductor de longitud L alimentado en el punto central):


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Vemos que en este caso el patrón de directividad es omnidireccional (radia igual en todas direcciones) para el plano xy pero es bidireccional (dos lóbulos, uno anterior y otro posterior) en el plano xz.

Ejemplos de patrones de radiación con distintas directividades:

3.1.8. Impedancia de una antena

La impedancia de una antena está formada por parte real e imaginaria y estará definida por los materiales de que este constituida y por la resistencia de radicación. Tendrá la forma: Z=R+jX Donde la parte real R es la suma de la resistencia de radiación Ra y una resistencia disipativa que genere pérdidas por calentamiento, Rp ( R= Ra+ Rp ).


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La parte imaginaria jX explica el comportamiento de la antena en campos cercanos. Esta impedancia dará lugar a un nuevo parámetro.

3.1.9. Relación de onda estacionaria ROE y VSWR (voltaje standing wave ratio)

La importancia de la impedancia de la antena es que de ella deriva la respuesta en frecuencia. Lo que suele dar el fabricante es el valor de la relación de onda estacionaria de la tensión en función de la frecuencia en la banda de trabajo de la antena. Ese valor es el VSWR que deriva del ROE y se trata de la relación que existe entre la tensión mínima y máxima en la entrada de línea de la antena. Este valor podrá tomar valores entre 1 e infinito. Podemos expresarlo de la siguiente manera:

yACZ

z|Г| }|Г|

Donde |Г| es el coeficiente de reflexión que se puede calcular a partir de la impedancia de la antena y de la impedancia de la línea de transmisión que no es más que la impedancia del circuito amplificador o generador de señal como se ve en la siguiente gráfica:


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Ultrasonidos

Antenas


El coeficiente de reflexión es: ~

~

Г ~#z~'

'

Lo que interesa es que VSWR sea lo más próximo a 1.

3.1.10. Nueva ganancia de la antena

Al considerar las impedancias anteriores debemos modificar la expresión de ganancia quedando como sigue:

W+, V EX

Donde EX Eb . E] Eb

d+, V d+, V EX dàó*4bX :; /4L Z ; Z Z:

Y donde E] 1 |Г|6

Estos últimos ambos considerados como rendimientos siendo EX el rendimiento total.


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Antenas


2.1.11. PIRE y PRA

Es la potencia isotrópica radiada equivalente de una estación transmisora y se expresa de la siguiente manera:

:IZ +, V :; . W+, V [W] Si conocemos el pire, para cualquier antena conoceríamos el campo de la siguiente manera:

2,

+, V √30

*

[V/m]

En unidades logarítmicas tendremos:

@ 74,7 :IZ @C 20 log Gr Por otra parte el PRA (potencia radiada aparente) y es el producto de la potencia entregada a una antena y su ganancia con respecto al dipolo 8/2, es decir, al igual que el PIRE es una referencia respecto a la isotrópica, el PARA será una referencia con respecto al dipolo. Vendrá expresado en W:

:Z+, V :; . W] +, V [W] Y con el también podemos obtener el campo eléctrico:


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Antenas

ry/r 222


2 *

[V/m]

@ 76,9 :Z@C 20 log Gr

3.1.12. Ancho de haz a 3dB

Dentro de un corte del plano H o E del patrón de directividad se define ancho de haz de 3dB como el ángulo que hay entre los puntos, a al derecha y la izquierda del máximo, cuya directividad es 3dB menos que el máximo. En las siguientes figuras podemos ver la representación del Ancho de haz para un patrón de radiación de un dipolo:

Las líneas oblicuas marcan el Ancho de haz a 3dB que en este caso es aunque en este caso se está representando en unidades normalizadas lineales y no logarítmicas, con esto además podemos ver que la caída de 3dB corresponde a la caída de la mitad del máximo en la escala lineal.


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3.1.13. Polarización

Se llama polarización de la antena a la polarización del campo eléctrico respecto a un plano de tierra dado .[6]. Existen varios tipos de polarización que representaremos con imágenes para hacer más fácil su comprensión:

-Polarización lineal vertical:

-Polarización lineal horizontal:


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-Polarización Polarización circular a la derecha y a la izquierda: izquierda

Vista en 3D

También puede ser elíptica en lugar de circular:


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3.1.14. Ancho de banda o respuesta en frecuencia

Es el rango de frecuencias a los cuales los parámetros de antena son similares a las que tendría si operara en la frecuencia central con ciertos márgenes los cuales debe de indicar el fabricante. Dicha frecuencia central es la frecuencia de resonancia de la antena y es distinta para cada tipo de antena y podrá depender de diversos factores como son la longitud de la antena, la impedancia de antena, la velocidad de propagación en el material, etc. Como ejemplo mostraremos el caso concreto del dipolo elemental λ/2:

Donde L= λ/2 por tanto: fc= c/ λ Vemos que la frecuencia de trabajo depende de la longitud de onda y la velocidad de propagación.

3.1.15. Ecuación de transmisión:

Aunque a continuación veremos algunos parámetros específicos de recepción podemos introducir brevemente la ecuación de transmisión de una antena emisora y receptora sin tener en cuenta los factores de atenuación por el medio:

C* C \

7

6

_ W W* BeD ()*


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Donde Wr será la potencia recibida, Wt la potencia de la antena emisora y W W* las ganancias de cada antena por lo que vemos que la potencia que recibe el receptor también depende del diagrama de radiación y por tanto del ángulo en el que este orientado cada antena.

3.2. Parámetros de antenas en recepción [3], [8]

A continuación mostramos 2 de los parámetros más importantes de las antenas en recepción, la longitud y la superficie efectivas.

3.2.1. Superficie equivalente de una antena

Teniendo una antena receptora situada en un punto en el que la existe una determinada densidad de flujo de potencia Ф , definimos la superficie equivalente de la antena como el cociente de la potencia recibida y dicha densidad de flujo:

A"

Ф

BT D

Está demostrado que la superficie equivalente de una antena isotrópica en condiciones ideales es:

Aà4


7

()

BT D

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Antenas


Y de ello podemos obtener la superficie eficaz para cualquier antena en función de la ganancia directiva de la antena: 7

A" Aà4 . W* () . W* BT D

Por lo que dependerá de la orientación de la antena.

3.2.2. Longitud efectiva

Es el parámetro que cuantifica la aptitud de la antena para transformar el campo electromagnético recibido en tensión. Si consideramos una antena lineal ideal con resistencia de radiación Ra y ganancia directiva (referenciada a la isotrópica) gr la longitud efectiva es:

J"

2% . )√6

. 8 BD

Podemos relacionar la longitud efectiva y la superficie equivalente con la siguiente fórmula ( será válida para antenas ideales):

A" E.U. Politécnica de Cuenca

)^

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4.Tipos de antenas Las distintas tipos de antenas se pueden clasificar de diferentes maneras, como pueden ser según su forma, su ganancia, su patrón de directividad, su ancho de banda, o según su utilización, que suele ser la más adecuada de todas, ya que cada antena está caracterizada por su frecuencia de funcionamiento, y según la aplicación que le queramos dar a la antena así debe ser esta.

Para empezar a clasificar los distintos tipos de antenas enumeraremos las antenas básicas, que son a partir de las que están diseñadas las demás, y después haremos un análisis más exhaustivo de los diferentes modelos más especializados.

4.1. Antenas básicas

-Dipolo: este tipo de antena es el más sencillo teóricamente hablando, y consta de un cable o elemento metálico alimentado en el punto central, y que debido a que el dipolo es resonante según las dimensiones de este (normalmente a λ/2, aunque también puede ser λ o λ/4), se consigue un máximo de corriente y un mínimo de tensión en el punto central del dipolo, y dos mínimos de corriente y dos máximos de tensión en los extremos del dipolo, con lo que conseguimos una buena eficacia de propagación.

CARACTERISTICAS: El dipolo es una antena básica que tiene una ganancia relativamente baja (2dB), es ligeramente directiva (2,15dB por encima de la directividad promedio) y se usa principalmente en radiodifusión (antenas de televisión y emisión Broadcast).


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Antenas


Dipolo básico:

-Monopolo: El monopolo surge del dipolo, debido a que para frecuencias bajas un dipolo λ/2 necesita unas dimensiones muy grandes (150m para una frecuencia de 1 MHz), por lo que se prescinde de uno de los polos del dipolo, y se alimenta asimétricamente a diferencia del dipolo, necesitando un plano de tierra en el punto de alimentación para funcionar adecuadamente y no tener excesivas perdidas.

CARACTERISTICAS: Ganancia entre 2 y 6 dB, directividad de 3,28dB por encima de la media isotrópica (isotópica en el plano horizontal al de radiación), y se usa principalmente en radiodifusión (antenas de los coches y radiodifusión Broadcast).


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Antenas


Monopolo Vertical y patrones de directividad:

-Antena de Loop o Cuadro: constituida por una o más espiras conductoras formando un cuadrado, hexágono, octógono o círculo, con dimensiones físicas que pueden variar desde las pequeñas de 30 o 40 cm de diámetro, hasta las "mayores" de varios metros, según la frecuencia y el rendimiento esperado. La inductancia de la/s espiras habitualmente se sintoniza con un condensador variable.

CARACTERISTICAS: ganancia de -2 a 3 dB, aunque se mejora con un núcleo de ferrita, y su principal uso es para la recepción de señales normalmente de baja frecuencia, ya que con la antena de Loop se reduce el tamaño necesario para una antena de las mismas características basada en el dipolo o monopolo, y el patrón de directividad de estas antenas es bidireccional. [12]


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Antenas


Antena Loop Básica:

-Antena helicoidal o de hélice: Este tipo de antenas parte de un monopolo enrollado, con lo que se consigue una polarización circular en el plano axial y una gran directividad, por lo que este tipo de antenas se usa para comunicación con satélites, aunque también se usa como monopolo con el objetivo de reducir el tamaño de la antena.

CARACTERISTICAS: La antena de hélice tiene una gran directividad en su polarización axial (>15dB), por lo que se usa para la comunicación de satélites, principalmente en la banda VHF (30-150 MHz), ya que para frecuencias mayores se encuentran pérdidas debidas a capacidades parasitas entre los espacios existentes entre las hélices.


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Antena helicoidal básica:

-Antena de Bocina: Antena de gran ganancia y directividad, que trabajan a altas frecuencias (microondas), que normalmente alimentan a un reflector parabólico o disponen de una lente que focaliza los rayos y aumenta su ganancia. Este tipo de antenas se basan en una guía de ondas en el cual el área de la sección va incrementándose progresivamente hasta un extremo abierto, que se comporta como una apertura.

CARACTERISTICAS: este tipo de antenas se usan como alimentadores de reflectores parabólicos, debido a su gran ganancia y directividad, aunque también se usan en arrays o agrupaciones para conseguir el diagrama de directividad deseado para cubrir grandes zonas. Diferentes antenas de bocina:


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-Reflectores: elemento usado en diferentes antenas para conseguir guiar la señal hasta un punto concreto (antenas parabólicas), o para frenar las ondas provenientes de alguna dirección y variar así la directividad final de la antena (antena yagi).

-Lentes: Elementos dieléctricos usados normalmente en bocinas con lo que se consigue un menor error de fase en las transmisiones, así como aumentar su ganancia y directividad.

[10] [11] [2]

2.2. Antenas típicas

A continuación describiremos brevemente distintos tipos de antenas utilizadas en comunicaciones radioeléctricas en diferentes campos.

Antena Yagi: Antena utilizada principalmente para la recepción de señales de televisión, compuesta por varios dipolos alimentados desde varios puntos de la antena y alimentando el resto de dipolos por corrientes parasitas, incluyendo un reflector en la parte trasera que permite frenar las señales provenientes de otras direcciones que no sean aquellas de las cuales queremos recibir la señal. Funciona para un margen de frecuencias dado por los dipolos utilizados en su fabricación, y alcanza una ganancia de hasta 17dBi en las antenas de varios elementos, finalmente decir que es una de las antenas más utilizadas en la actualidad para uso domestico. E.U. Politécnica de Cuenca

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Antenas


Antena Yagi:

Antenas Parabólicas: Antenas compuestas por una bocina emisora y un reflector en forma de parábola que focaliza todos los rayos incidentes sobre este a un mismo punto, con lo que se consigue una gran ganancia y directividad debido a la geometría de la parabola. Este tipo de antenas sirve tanto para recibir señales como para enviarlas, y es utilizada en multitud de campos, como son la recepción de señales desde satélites, o en comunicaciones punto a punto.


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Antenas


Esquema de comunicación satélite:

Esquema de funcionamiento de una antena parabolica:

Antenas Impresas: Antena de pequeño tamaño que consisten en un parche metálico dispuesto sobre un sustrato dieléctrico colocado encima de un plano metálico. El parche es habitualmente de forma rectangular o circular y de dimensiones del orden de media longitud de onda. Es posible, asimismo, construir agrupaciones de parches combinando líneas y radiadores impresos. Este tipo de antenas se usa sobre todo en sistemas de telefonía móvil, u otras aplicaciones en las que se usan frecuencias superiores a cientos de MHz, como por ejemplo en algunos radares o E.U. Politécnica de Cuenca

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Antenas


sistemas de GPS, aunque sus características no son muy notables en cuanto a ganancia y patrón de directividad, que suele ser bastante variable según la fabricación del dispositivo, aunque tiene la ventaja de su tamaño y robustez física de la antena.

Esquema básico de antena impresa:

4.3. Clasificación de antenas según su diagrama de directividad:

También podemos clasificar las antenas según su diagrama de directividad, ya que para según qué aplicaciones se necesita más focalización de la señal o un patrón omnidireccional, a continuación mostraremos los diversos patrones de directividad que tienen algunas antenas.


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Diagrama de directividad del dipolo:

Aquí tenemos el patrón de directividad de un dipolo, y podemos apreciar aprec que si ponemos el dipolo en posición vertical podremos obtener un patrón omnidireccional, ya que el patrón mostrado se repite en las tres dimensiones del espacio, con lo que conseguiríamos una especie de diagrama tórico, mientras que si la usamos en posición posición horizontal conseguiríamos un patrón bidireccional, al igual sucede con el caso del monopolo, que tiene un patrón de directividad muy parecido al del dipolo.


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Diagrama de directividad del monopolo en 3D:

También podremos conseguir un patrón de directividad omnidireccional con la unión de varias antenas directivas, y conseguir así un patrón omnidireccional con más ganancia, ya que cuanto más directiva es una antena mas ganancia conseguiremos.

Patrón de directividad de una antena yagi de 6 elementos:


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En la imagen anterior vemos el patrón de directividad de una antena yagi de 6 elementos comparada con el patrón de un dipolo, y vemos que la antena yagi tiene una ganancia mayor, además de ser direccional en uno de sus ejes de radiación, mientras que que la antena dipolo es bidireccional en una dirección axial y omnidireccional en la otra.

Patrón de directividad de la antena helicoidal:

En el caso del patrón de directividad de la antena helicoidal, observamos que es altamente directiva, y que también también posee una buena ganancia, de ahí que se utilice para cubrir grandes distancias o para comunicación espacial.


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Patrón de directividad de una antena de bocina:

Aquí vemos claramente que la antena de bocina es altamente directiva, y que la forma de su diagrama de directividad está directamente relacionada con la forma de su bocina, por lo que este patrón esta sacado de una antena de bocina con apertura cuadrada.

Patrón de directividad de una antena parabólica:

En el caso del patrón de la antena parabólica vemos que es altamente directiva, y que por eso es la más utilizada en transmisiones espaciales y en E.U. Politécnica de Cuenca

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comunicaciones punto a punto, donde que se necesita una alta ganancia y directividad, que se consigue gracias a una bocina o lente emisora ayudada de un elemento reflector de forma parabólica que concentra todos los rayos recibidos en un solo punto , que normalmente suele ser el receptor/emisor, y con lo que se consigue la alta ganancia por concentración del haz.

El patrón de directividad de las antenas microstrip o antena impresa es muy variable, dependiendo de la forma del metal empleado como antena, por lo que no hemos puesto ninguna imagen de este patrón, ya que puede tener cualquier forma dependiendo del diseño de la placa conductora emisora.


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Antenas


5.Simulación de una cobertura y un radioenlace con el programa Sirenet Gracias a programas informáticos de simulación, en la actualidad podemos realizar diversos estudios previos del funcionamiento de un sistema de radiofrecuencia y radiopropagación. En nuestro caso realizaremos dos tipos distintos de estudio, un estudio de cobertura TDT cuyo sistema consistirá en una antena emisora y una huella de cobertura de la señal emitida; y un estudio de vano o radioenlace punto a punto entre dos antenas, una emisora y otra receptora en distintos puntos de la península.

Huella de cobertura para un transmisor. Hemos decidido realizar una huella en la zona comprendida aproximadamente entre Albacete y Utiel principalmente intentando ver la señal que recibiríamos en el pueblo de Pozolorente situado a unos 30kM de Albacete. A su vez hemos realizado un estudio para dos tipos de antenas, una isotrópica (radia igual en todas direcciones) y una directiva, con el fin de ver la influencia del tipo de ganancia directiva de la antena.

A continuación mostraremos los pasos comunes que hemos realizado para el estudio y después se verá el procedimiento y el resultado para cada tipo de antena:

Pasos a seguir:

1. Abrimos un nuevo proyecto 2. Importamos la altimetría y el mapaVisual E.U. Politécnica de Cuenca

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3. Creamos un nuevo estudio de cobertura: 4. Editamos el proyecto como una huella digital de televisión digital terrestre:

5. Seleccionamos la altimetría y el visual creado anteriormente:


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6. Para la elección del método de cálculo hemos hecho uso del método ITU-R.526-8, que es el recomendado por el foro técnico de la televisión digital del ministerio de España ( ver bibliografía [9]), aunque este no esta en la base de datos del sirenet, por lo que utilizaremos el método ITUR.526-10, que es el que más se aproxima al deseado. La recomendación dice lo siguente:

Para realizar las predicciones de cobertura de una señal TDT se tomará como referencia los siguientes parámetros:

• Canales de 8 MHz • Modalidad de recepción fija • Banda V: 800 MHz • Relación Señal/Ruido a la entrada del receptor de 20dB • Objetivo de cobertura para un área pequeña entorno al 95% Con estos parámetros se tomará como recomendables los Niveles de Campo de 58dBuV/m para una cobertura buena, 51dBuV/m para una cobertura aceptable y de 48dBuV/m como nivel mínimo por debajo del cual se considera que no hay cobertura.


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7. Seguidamente elegimos como unidades de los resultados Campo expresado en dBu ya que los datos de referencia del “foro técnico de televisión digital del ministerio de industria, turismo y comercio de España” vienen en función del campo ( ver bibliografía [9] ):


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8. Definimos las características de la antena de recepción:

Como podemos ver ponemos la fase vacía ya que solo tenemos un emisor y colocamos el campo umbral en 48 dBu que es la referencia que tenemos.


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Para la recepción utilizamos una antena yagui , que se trata de una antena directiva , para los dos casos de emisor. Además vemos que la antena estará orientada automáticamente al transmisor Utiel_DVB-T que es el nombre de transmisor para los dos casos de antenas de emisión. El diagrama de directividad de la antena yagui es el siguiente:

8. Tras esto debemos definir el transmisor para lo que comenzaremos con los parámetros de la antena isotrópica mostrando los resultados.

9. También debemos definir un área de cobertura en la que nos calcule la huella.


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Estudio con antena isotrópica

Antes del paso de la elección de la antena en recepción y de la definición del área de cálculo debemos colocar una antena emisora o transmisor en el punto del mapa que deseemos procurando situarlo lo más alto posible. Para ello daremos un nombre a nuestro Tx y unas coordenadas cartesianas dentro del menú transmisor:


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La potencia que utilizaremos para la emisión serán 1000 W ya que pretendemos que la señal llegue a una larga distancia y el terreno es muy desigual.

Al intentar visualizar el diagrama de radiación de la antena vemos que nos aparece únicamente el siguiente cuadro:


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Antenas


Para terminar generamos el estudio de cobertura de isotrópica con el cual obtenemos una huella:

Ahí vemos la posición de la antena emisora situada en la sierra de utiel. Vemos que la mancha cerca de la antena es violeta en su mayor parte por lo que la señal en las proximidades de la antena será muy buena.


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Antenas


En la siguiente imagen podemos ver el área de cálculo de la cobertura y también apreciamos la cantidad de zonas que se quedan sin señal.

Al poner el cursor encima de Pozolorente vemos que llega como mínimo 38dBu y como máximo 53 dBu , sin embargo a casas de Juan Nuñez que está situada a una distancia de 5km de Pozolorente llegan entre 64 y 67dBu. Podemos considerar la recepción como regular en Pozolorente mientras que en Casas de Juan Nuñez la consideramos como muy buena. Hemos exportado la huella de SIRENET al programa Google Earth donde podremos ver la huella sobre un mapa con mayor definición. Los colores indican la intensidad del campo recibido igual que en la pantalla de sirenet; las zonas no coloreadas indican un campo menor que 48dBu por lo que consideramos la señal como muy poco efectiva:


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Antenas


Si realizamos un zoom en Pozo Lorente vemos que la mancha no cubre toda la población sino que solo llega a un pequeño trozo:


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Antenas


Finalmente mostramos el informe que Sirenet genera en el que están reflejados algunos de los parámetros más importantes:

LISTADO DE ELEMENTOS COBERTURA

Nombre

TVdigital

Nombre del proyecto

Proyectoantenas

Descripción Capa de altimetría

MAPAESPANA

Fichero de capa F:\Ultrasonidos\Practicas con sirenet\Mapa de España\Peninsula_MDT100.geo Capa de visualización

MapaVisual

Fichero de capa F:\Ultrasonidos\Practicas con sirenet\Mapa de España\Peninsula_Cartog_250K.fre Sistema de coordenadas

Sistema de Coordenadas 1

Transmisor

Nombre

Utiel_DVB-T

Coordenadas X

660137.00

m

Y

4388237.00

m

Cota

1227

Servicio

Fijo

Red

DVB-T

Polarización

Horizontal

Antena

isotropa


m

65


Ultrasonidos

Antenas

Alt. antena

40.0

m

Ganancia

0.0

m

Diagrama copolar

iso

Diagrama contrapolar

cross

Frecuencia

799.25

MHz

PRA

609.537

W


Orientación Acimut

0.0

Inclinación

0.0

Receptor

Antena

Yagi_14dBi_UHF

Alt. antena

10.0

m

Ganancia

14.0

m

Diagrama copolar

Yagi_14dBi_UHF


X Polar Yagi_14dBi_UHF

Campo Umbral

48

dBu

Cobertura

Factor K

1.33333

Mét. Est.

Rec. 526.10 UIT-R

Resolución

100


m/pixel

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Ultrasonidos

Coordenadas

Antenas

NO

X

587112.00

m

Y

4399062.00

m

Coordenadas


SE

X

685712.00

m

Y

4306462.00

m

Estudio con antena directiva

Ahora cambiamos en los parámetros únicamente el tipo de antena; hemos seleccionado una yagui que será la más apropiada para emisión en TDT ya que está preparada para la banda de UHF. Algunos de los parámetros que aparecen en la siguiente imagen no corresponden con los parámetros finales utilizados como son el acimut, la inclinación y la ganancia G que veremos a continuación como se puede variar. A pesar de que los parámetros podremos verlos en el informe que genera Sirenet al final de este apartado, avanzaremos que el Acimut es 210º y la inclinación -10º.


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Estos son los diagramas de radiación copelar y contra polar que define sirenet por defecto para la antena yagui; hemos variado el valor de la ganancia que en un principio era 14dBi para aumentar un poco la directividad.


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Al aplicar el cálculo obtenemos la siguiente huella de cobertura:


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Vemos que ahora si cubrimos la zona de Pozolorente ya que la antena está orientada hacia dicha zona. El campo está alrededor de 70 dBu en pozolorente. Mientras que en casas de Juan Nuñez sobrepasa los 80dBu.

En esta otra imagen vemos la huella total:


70


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También hemos importado el archivo de imagen a google earth donde vemos mejor la huella de cobertura:


71


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Hacemos zoom en Pozolorente y vemos que con esta antena si cubrimos casi todo el pueblo con la huella; aun así todavía quedan zonas de sombra:


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Antenas


Como el campo era muy intenso en la zona de estudio y por tanto suficiente para una buena calidad probamos a cambiar la potencia bajándola un 15% sin embargo quedó mayor parte del pueblo sin cubrir:

Finalmente mostramos el informe obtenido en Sirenet: LISTADO DE ELEMENTOS COBERTURA Nombre

TVdigital

Nombre del proyecto

Proyectoantenas

Descripción Capa de altimetría

MAPAESPANA

Fichero de capa F:\Ultrasonidos\Practicas con sirenet\Mapa de España\Peninsula_MDT100.geo Capa de visualización


MapaVisual

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Ultrasonidos

Antenas


Fichero de capa F:\Ultrasonidos\Practicas con sirenet\Mapa de España\Peninsula_Cartog_250K.fre Sistema de coordenadas

Sistema de Coordenadas 1

Transmisor Nombre

Utiel_DVB-T

Coordenadas X

660137.00

m

Y

4388237.00

Cota

1227

Servicio

Fijo

Red

DVB-T

Polarización

Horizontal

Antena

Yagi_14dBi_UHF

Alt. antena

40.0

m

Ganancia

14.0

m

m m

Diagrama copolar

Yagi_14dBi_UHF



Frecuencia

799.25

MHz

PRA

13014.2

W

Orientación Acimut

210.0

Inclinación

-10.0

Receptor

Antena

Yagi_14dBi_UHF

Alt. antena

10.0

m

Ganancia

14.0

m


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Ultrasonidos

Antenas

Diagrama copolar

Yagi_14dBi_UHF



Campo Umbral

48


dBu

Cobertura

Factor K

1.33333

Mét. Est.

Rec. 526.10 UIT-R

Resolución

100

m/pixel

X

587112.00

m

Y

4399062.00

Coordenadas

Coordenadas

NO

m

SE

X

685712.00

Y

4306462.00


m m

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Ultrasonidos

Antenas


CONCLUSIONES

Si comparamos la antena directiva con la isotrópica vemos principalmente que la antena directiva llega con más intensidad al punto que queremos pero que a otros puntos, sobre todo tras la antena, la señal prácticamente es nula, mientras que con la isotrópica, a pesar de tener menos campo a larga distancia con la misma potencia puede radiar en todas direcciones. Con esto a lo que queremos llegar es que a la hora de elegir una antena para un sistema de radiotransmisión debemos tener en cuenta las características que necesitamos ya que cada antena puede ser adecuada para un tipo concreto de aplicación.

Simulación de un radioenlace. Los pasos a seguir serán los mismos solo que esta vez utilizaremos 1 transmisores, uno será el emisor, y el otro será el receptor, que con la señal que le llega se convertirá en un repetidor que transmitirá la señal directamente a la zona donde deseamos que llegue la señal con el fin de dar cobertura a mas territorio. Para esta tarea realizaremos un nuevo estudio, de red de transporte, llamado vano digital, que es un radioenlace punto a punto, simulando la red de transporte de la señal de televisión digital en España.


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Ultrasonidos

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Asignamos los datos del estudio con las características de calculo que que utilizaremos en el estudio, utilizando la misma cartografía de la geografía española utilizada en los análisis anteriores, utilizando los parámetros de estudio con los factores de atenuación que el programa aplica por defecto:


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Ultrasonidos


Antenas


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Ultrasonidos

Antenas


Asignamos las características de la antena emisora, que estará colocada en la sierra de Javalambre, utilizando una antena de microondas de gran ganancia y directividad, como las que se utilizan en los radioenlaces reales, y utilizaremos la misma antena en recepción:

Seleccionamos los parámetros de potencia de la antena trasmisora, orientándola directamente al receptor, que estará en la sierra de Utiel(también orientado directamente al transmisor de Javalambre, lugar donde se realizo el estudio de de huella de diversas antenas en la transmisión de señal de televisión digital, podemos destacar que la potencia E.U. Politécnica de Cuenca

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Ultrasonidos

Antenas


utilizada para un radioenlace es mucho menor que la necesaria para crear una huella:

Aquí tenemos los parámetros de radio que utilizamos en el transmisor, seleccionando la frecuencia que en teoría modularíamos en la frecuencia de microondas que se transmitirá en el radioenlace, decir que en los espacios de fase y red seleccionamos Phase1 y red DVB-T, seleccionando también los mismos parámetros en el receptor, ya que sin seleccionar estos parámetros no conseguimos realizar la simulación:


80


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Antenas


Calculamos también la altura adecuada para realizar correctamente la visualización entre elementos del radioenlace, ya que “verse” entre ellos es fundamental para realizar correctamente el radioenlace, ya que el rayo recorre una trayectoria lineal del transmisor al receptor, y si hubiera algún obstáculo no se transmitiría la señal.

Aquí tenemos el perfil geográfico del radioenlace, con el rayo directo que va desde la sierra de Javalambre (punto más alto) a la sierra de Utiel,


81


Ultrasonidos

Antenas


situado a unos 1300m en la parta izquierda de la grafica, y vemos que llega correctamente desde al transmisor al receptor:


82


Ultrasonidos

Antenas


Aquí tenemos la visualización desde una perspectiva cenital del radioenlace, que une el repetidor de Javalambre con el de Utiel:

A continuación mostramos el informe generado por Sirenet del radioenlace realizado, donde podremos ver todos los parámetros utilizados en nuestra simulación:


83


Ultrasonidos

Antenas


INFORME DEL ANÁLISIS DE VANO: ESTUDIOENLACE

DATOS DE LAS ESTACIONES Coordenadas

Transmisor Javalambre

Receptor utiel

X

667925.00 m

660287.00 m

Y

4441175.00 m

4388162.00 m

Cota

mts

1974

Longitud del Vano

Km

53.560

Acimut

º

189.46

9.46

Inclinación

º

0.72

-0.72

Mbits/sg

16

1300

DATOS DE EQUIPOS Velocidad Binaria Modulación Potencia transmitida

4-QAM dBm

10.5

-

Banda de frecuencia

V-DVB SFN National

Modelo de antena

Dir_49dBi_14GHz (MW) Dir_49dBi_14GHz (MW)

Ganancia de antena Alt. antena Sensibilidad 10-3 (S.E.S) Sensibilidad 10-6

dBi mts

49.4

49.4

58.9

58.9

dBm dBm

-87 -83

Configuración de equipo

-

Polarización

H

-

Perdidas en transmisión

dB

0.0

-

Perdidas en recepción

dB

0.0

-

MTTR

Horas

5

5

MTBF

Horas

62500

62500

NO

-

-

-

DIVERSIDAD Configuración en diversidad Separación en frecuencia


%

84


Ultrasonidos

Antenas

Separación entre antenas Separación angular

mts º


-

-

-

-

DATOS DE DISEÑO Metodo desvanecimientos

Rec. UIT-R P.530-12

Metodo diversidad

Rec. UIT-R P.530-12

Objetivos de calidad

Rec. UIT-R P.1668

Objetivos de indisponibilidad

Rec. UIT-R P.1703

Intensidad de lluvia UIT-R

mm/h

25.0

BALANCE DE ENLACE Frecuencia

MHz

200

-

PIRE en acimut

dBm

59.930251

-

Atenuación espacio libre

dB

113.047477

Atenuación por difracción

dB

3.127215

Atenuación por gases

dB

0.042648

Atenuación por reflexión

dB

0.000000

Atenuación compensable con cielo claro Atenuación por lluvia

dB dB

Atenuación compensable con lluvia Potencia disponible en recepcion

116.217340

0.000000 dB

dBm

116.217340 -7.102941

-

Margen bruto para cielo claro 10-3

dB

79.897059

-

Margen bruto para cielo claro 10-6

dB

75.897059

-

Margen bruto para 0.01 lluvia 10-3

dB

79.897059

-

Margen bruto para 0.01 lluvia 10-6

dB

75.897059

-

Probabilidad de desvanecimiento plano 10-3

%

2.23172e-09

Probabilidad de desvanecimiento selectivo 10-3

%

0

-

Probabilidad de desvanecimiento XPD 10-3

%

0

-

CALIDAD


85

-


Ultrasonidos

Antenas


Probabilidad de desvanecimiento TOTAL 10-3

%

2.23172e-09

-

Probabilidad de desvanecimiento plano 10-6

%

5.60582e-09

-

Probabilidad de desvanecimiento selectivo 10-6

%

0

-

Probabilidad de desvanecimiento XPD 10-6

%

0

-

Probabilidad de desvanecimiento TOTAL 10-6

%

5.60582e-09

SESR

%

3.00726e-09

Objetivo SESR

%

0.015

-

-

INDISPONIBILIDAD Indisponibilidad equipo

%

0.0159987

-

Indisponibilidad lluvia

%

0.001

-

Indisponibilidad TOTAL

%

0.0169987

-

Disponibilidad TOTAL

%

99.983

-

Objetivo Indisponibilidad

%

0.04

-

A partir de los datos del informe vemos que llaga con suficiente potencia la señal al receptor, y que tiene muy poca probabilidad de desvanecimiento, por lo que damos por validos los parámetros utilizados.


86


Ultrasonidos

Antenas


REPRESENTACION CON GOOGLE EARTH DEL RADIENLACE SIMULADO Y DE LA HUELLA CREADA POR EL RECEPTOR DEL RADIENLACE:


87


Trabajo Asignatura

Ultrasonidos

Juan Francisco Mateo Cuesta Ángel Navarro Rodríguez

Para concluir diremos que la simulación ha concluido satisfactoriamente, realizando el objetivo que nos propusimos, que era simular un caso real de distribución de la red de TDT en España, realizando un radioenlace utilizando emplazamientos de estaciones reales, y después simulando una huella de la señal enviada por el repetidor en utiel, para ver con qué calidad llega la señal nuestras poblaciones de residencia.


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I.T. Telecomunicaciones Sonido e Imagen

Trabajo Asignatura

Ultrasonidos

Juan Francisco Mateo Cuesta Ángel Navarro Rodríguez

Bibliografía.

[1] http://www.monografias.com/trabajos6/ante/ante.shtml [2] http://es.wikipedia.org/wiki/Antena [3] JUAN JOSÉ MURILLO FUENTES.: Fundamentos de radiación y radiocomunicación. Universidad de Sevilla. Apartado 2.17.3; Apartado 1.1; Capítulo 2;

[4] http://capa-f2.com/propagondas.html [5]http://www.gr.ssr.upm.es/docencia/grado/rdpr/transparencias/RDPR1.pd f

[6] http://www.astronomos.cl/conocimientos/avanzado/Presentacionantenas.pdf

[7]http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/transparencias/parametros _antenas.pdf

[8] J.M. HERNANDO RÁBANOS.: Transmisión por radio. Capitulo 2 [9]http://www.televisiondigital.es/Terrestre/ComisionSeguimientoTDT/Fo roTecnico/

[10]http://www.astronomos.cl/conocimientos/avanzado/Presentacionantenas.pdf

[11]http://www.geocities.com/ingenieria_antenas/texto5.htm [12] http://www.lu6etj.org.ar/tecnicos/loop/antena_de_cuadro.htm


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I.T. Telecomunicaciones Sonido e Imagen

TRABAJO ANTENAS

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