Clase 2-Antenas

La intensidad de radiación correspondiente a la potencia radiada isotrópicamente es igual a la potencia aceptada (de entrada) por la antena dividida entre 4π.

Clase 2-Antenas

3.

Parámetros de las Antenas

1.

Introducción

Antenas

4.

Tipos de Antenas

2.

Principio de Funcionamiento

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Clase 2-Antenas

1.Introduccion

Definición

Un dispositivo metálico, de diversas formas, pensado para transmitir o recibir ondas electromagnéticas.

Según IEEE( Institute of Electrical and Electronics Engineers):

• un medio para irradiar o recibir ondas de radio.
• Estructura que hace la transición entre el espacio libre y un dispositivo guía.

¿Qué es un guía onda?

• cable coaxial, tubo hueco, etc

• transporta la energía electromagnética desde Tx a la antena o de la antena al Rx

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

¿Cómo hace una antena para radiar ondas EM?

Radiación antena

Distribución de la corriente

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: 1 cable

“Para crear radiación tiene que existir una corriente que varié con el tiempo o una aceleración/desaceleración de la carga”

¿Cómo se consigue?

• La carga q se acelera/desacelera doblando el cable, curva en el cable, discontinuo o terminado

• Si q no se mueve, no hay corriente

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: 1 cable

Si q se mueve con velocidad uniforme:

• No existe radiación si cable recto e infinito

• Si hay radiación, con cable curvo, doblado, discontinuo o terminado

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: 1 cable

¿Qué tiene que pasar para que haya radiación en un cable?

Aceleración debido a E (campo excitador)

Desaceleración debido discontinuidades en la impedancia o curvas en el cable

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: 2 cables

• Si aplico voltaje V (sinusoidal) se crea campo E entre los cables

• E tiene asociadas lineas de fuerza que son tangente a E

• Van de + a - y su fuerza es proporcional a E

• Más fuerza se representa con más lineas

• La corriente crea campo Magnético B

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: 2 cables

E y B que varían con t, forman ondas EM que viajan por la linea de transmisión

Si retiramos parte de la antena, las lineas punteadas se cierran con las continuas

Se cierran en un lazo al salir de la antena formando la onda EM

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: 2 cables

Las cargas eléctricas son necesarias para generar E y B pero no para mantenerlos

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: Dipolo

¿Como las ondas guiadas se desacoplan de la antena?

• Asumamos que se forman solo 3 lineas de campo, la corriente es sinusoidal

• En T/4 la corriente alcanza su máximo, la linea de fuerza también y viaja λ/4.

• En el siguiente T/4, las ondas disminuyen su intensidad y viajan λ/4

• Se lo puede ver como cargas opuestas que neutralizan la carga neta

• Al no existir mas carga neta, las lineas abandonan la antena y se cierran en un loop o lazo

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: Dipolo(continuación)

Las cargas en movimiento crean una onda viajera de

magnitud I0/2 en cada cable

Cuando I llega al extremo, la onda se refleja completamente (igual magnitud y 180 grados desfasada)

Onda reflejada mas la onda incidente crean onda estacionaria de magnitud I0

La corriente en medio periodo en cada cable tiene la misma magnitud y están desfasadas 180 grados

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: Dipolo(continuación)

Si S (separación entre cables ) es chica S<<λ, los campos radiados por un cable cancelan a los del otro.

Si doblamos los cables, 0<z<l/2, estos se separan, I no varia y los campos no se cancelan debido a que estan mas lejos

Con esta configuración (típica del dipolo) la fase en cada brazo es la misma, están orientadas en la misma dirección por lo tanto se refuerzan

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Radiación: Dipolo(continuación)

El patrón de radiación depende de l :

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Clase 2-Antenas

2.Principio de funcionamiento

Conclusión

Con un solo elemento no siempre se consigue el patrón deseado

La energía no es radiada de igual forma en todas direcciones (Antena isotópica no existe)

Comportamiento idéntico en Tx y Rx

En la siguiente sección veremos los parámetros que permiten elegir una antena para cada aplicación

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Clase 2-Antenas

3. Parámetros de las Antenas

Polarización

Patrón de radiación

Ancho de banda

Ganancia

Eficiencia de radiación

Fron-to-Back Ratio

Ancho del haz

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Clase 2-Antenas

3. Parámetros de las Antenas

Patrón de radiación

"Es la representación gráfica de las propiedades de radiación en función de las coordenadas espaciales"

Propiedades que en gral. se grafican:

• Densidad de potencia
• Intensidad de radiación
• Fuerza de campo
• Polarización

Antena directiva es aquella que irradia o recibe energía en algunas direcciones mas que en otras

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Clase 2-Antenas

3. Parámetros de las Antenas

Patrón de radiación

Puede ser en 3D o 2D

Omnidireccional: es direccional en alguna dirección y en otra lo hace con igual radiación

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Clase 2-Antenas

3. Parametros de las Antenas

Patrón de radiación

Lóbulo principal: es el que contiene la dirección de máxima radiación

Lóbulo menor: cualquiera que no sea el principal, en gral. no deseados

Lóbulo posterior: opuesto al principal

Lóbulos secundarios: adyacentes al principal

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Clase 2-Antenas

3. Parámetros de las Antenas

Un pequeño paréntesis:

Densidad de potencia de radiación

Directividad:

Relación de la intensidad de radiación en una dirección sobre la intensidad de radiación promediada sobre todas las direcciones

S- vector de Pointing

E- campo electrico

H- campo Magnetico

S sirve para calcular potencia media de radiacion

Intensidad de radiación(campo lejano):

En una dirección dada es la potencia radiada por unidad de ángulo solido

U- Intensidad de radiación [W/ unidad_de_ángulo_sólido]

Wrad-Densidad de radiación [W⁄m^2 ]

Para una antena isotrópica:

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Clase 2-Antenas

3. Parámetros de las Antenas

Eficiencia de una antena

La eficiencia total de una antena e0 se usa para tener en cuenta perdidas en los terminales de entrada y en la estructura de la antena.

Las perdidas se deben:

• Reflexión debido a desadaptación de impedancias entre la línea de transmisión y la antena

• Perdidas dadas por I^2.R (conducción y dieléctrica)

ecd

er

ed

e0

ec

X

=

ef. reflexión

ef. conducción

ef. dieléctrica

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Clase 2-Antenas

3. Parámetros de las Antenas

Eficiencia de una antena

Pin

Pad<Pin

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3. Parámetros de las Antenas

Ganancia:

Absoluta

Relación entre la intensidad en una dirección dada y la intensidad que seria obtenida si la potencia aceptada por la antena fuera radiada isotrópicamente.

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3. Parámetros de las Antenas

Ganancia:

Relativa

Relación entre la ganancia de potencia en una dirección dada y la ganancia de potencia de una antena de referencia en la misma dirección.

La potencia de entrada debe ser la misma para las dos antenas. La antena de referencia puede ser cualquiera, dipolo, apertura, cualquiera cuya ganancia pueda ser calculada. Por ejemplo si se toma como referencia un dipolo la ganancia se expresa en dBd.

Si no se especifica dirección se toma la de máxima radiación

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3. Parámetros de las Antenas

Ganancia:

De acuerdo a la IEEE, G no incluye perdidas por reflexión ni polarización

G=ecd.D

G(dB)=10log10[ecd.D]

En la mayoría de las hojas de datos G se especifica en dBi(absoluta, isotropica) o en dBd(dipolo)

G abs. del dipolo

G(dBd)=G(dBi)-2.1

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3. Parámetros de las Antenas

Ancho del haz de media potencia

-3dB

Describe la capacidad de resolución de una antena para distinguir entre dos fuentes radiantes adyacentes

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3. Parámetros de las Antenas

Front-Back-Ratio (Relación frente espalda)

Relación entre la ganancia en la dirección de máxima radiación y la diametralmente opuesta

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3. Parametros de las Antenas

Ancho de banda

El rango de frecuencias dentro del cual la performance de la antena, con respecto a algunas características cumple cierto estándar.

Rango de frecuencias a ambos lados de la frecuencia central (f de resonancia del dipolo) donde las características de la antena (Zin, patrón de radiación, ganancia, directividad, ancho del haz, polarización, etc) están dentro de valores aceptados, no se apartan demasiado de la frecuencia central

Antenas de banda ancha: relación entra f max y minima de operación 10:1

Antenas de banda angosta: %=(fmax-fmin)/fcentral un ancho de banda del 5% indica que la diferencia de frecuencia aceptable para la operación es del 5 % de la frecuencia central.

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3. Parámetros de las Antenas

Polarización

Curva trazada externamente por la punta de una flecha la cual representa el campo eléctrico instantáneo

Orientación de E con respecto a la superficie terrestre

elíptica, circular, vertical, horizontal

La figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo.

Cuando hay LOS conviene tener la misma polarización en antenas

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3. Parámetros de las Antenas

Impedancia de entrada

La impedancia en los terminales de entrada de la antena, o la relación entre el voltaje y la corriente en los terminales.

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

L=150mts

El largo ideal es λ/2, si f=1Mhz

Dipolo

Se busca acortar el largo de la antena

E campo en función de la distancia y el ángulo

Monopolo vertical

• se usa una de las mitades

• la otra mitad la genera la superficie terrestre

• si colocamos un monopolo de 150mts en el piso verticalmente, es como una antena de 300 mts en el espacio libre

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

ej: f=1Ghz

L=15cm

útil cuando no necesito direccionalidad, red Wifi

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

Yagi-Uda

Cuando se quiere mas direccionalidad, es una variante del Dipolo

La versión mas simple consta de 3 elementos, radiador, reflector y directos.

El campo generado por el reflector esta en contrafase al radiador hacia atras, y en fase hacia adelante (idem entre Director y Radiador)

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

Yagi-Uda

Es una de las antenas mas usadas, gran direccionalidad

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

Espira

Dipolo cuyos brazos se repliegan hasta formar una espira circular. Todas las antenas de espira son fuertemente direccionales ; la dirección privilegiada está en el plano de la espira, mientras que la recepción es mínima en la dirección perpendicular al plano de la espira.

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

Helicoidal o hélice

Es la evolución del monopolo vertical

Se usan en radio del tipo portátiles (walkie-talkies), comunicaciones satelitales

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4. Tipos de antenas

Antenas lineales

Log-periódica

Un problemas de las antenas Yagi-Uda es su bajo ancho de banda

Las antenas log-periódicas tienen un ancho de banda mucho mayor, pero al precio de una ganancia menor para el mismo tamaño

En su forma más sencilla son varios dipolos de distinto largo, a distintas distancias y fase alternativa.

La idea es que distintas partes de la antena estén “activas” (i.e.no estén a contrafase) para distintas frecuencias

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4. Tipos de antenas

Antenas de Apertura

Utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección.

La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satélite

La ganancia esta relacionada con la superficie de la parábola

A mayor superficie mayor Directividad

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4. Tipos de antenas

Antenas de Apertura

Parabólica

Hay tres tipos:

• Foco centrado o primario: reflector esta centrado respecto al foco

• Foco desplazado u offset: reflector desplazado respecto al foco, mas eficientes que las centradas, alimentador no hace sombra sobre superficie reflectora

• Cassegrain: lleva un segundo reflector

El reflector puede estar perforado

Si las perforaciones son menores a λ/10 la onda lo vera como solido

Elemento activo es un dipolo

La frecuencia de operación depende solo del alimentador

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4. Tipos de antenas

Antenas Planas

Sectoriales

Son una solución tecnológica eficiente para la planificación de redes móviles celulares.

Haz más amplio que una direccional pero no tan amplio como una omnidireccional

Cubre grandes áreas con gran diversidad

Cobertura de 360º (como omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) se instalan tres antenas sectoriales de 120º ó 4 antenas sectoriales de 80º. Las antenas sectoriales suelen ser más costosas que las antenas direccionales u omnidireccionales.

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4. Tipos de antenas

Antenas Planas

Sectoriales

Si la ganancia es muy alta es muy importante ajustar correctamente el ángulo de inclinación (o tilt)

• El tilt puede ser ajustado eléctrica o mecánicamente
• “Pasarse” de tilt puede resultar en

zonas no cubiertas

• No poner tilt puede ocasionar

interferencias entre las celdas

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4. Tipos de antenas

Antenas Planas

Patch o Parche

Configuración plana y de fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elementos de un array

En su versión más simple es un rectángulo conductor (Patch) separado de un plano de tierra por un material dieléctrico

Se puede construir de la misma forma que un integrado, lo que justifica(entre otros factores) su popularidad

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4. Tipos de antenas

Antenas Planas

Parche o Patch

Ídem patrón de radiación en ambos planos

Parche simple usa un parche con una longitud que es las mitad de la longitud de onda y un soporte más largo

En una antena microstrip con parche rectangular mientras la longitud del parche sea la misma que la del dipolo resonante podemos tener 2 dB de ganancia de la directividad de la línea vertical del parche

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4. Tipos de antenas

Arrays

Las antenas de array están formadas por un conjunto de dos o más antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una única antena con un diagrama de radiación propio.

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4. Tipos de antenas

Arrays

Su diagrama de radiación es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.

proporcionan múltiples ventajas:

• Incremento de la zona de cobertura: Dado que la ganancia es mayor que en el caso de antenas omnidireccionales o sectorizadas.

• Reducción de la potencia de transmisión: La mayor ganancia de la antena permite incrementar la sensibilidad.

• Reducción del nivel de interferencia: La mejor selectividad espacial de la antena permitirá al receptor discriminar las señales de usuarios interferentes a favor de la señal del usuario deseado. Incluso se pueden utilizar antenas inteligentes con configuración antena principal y secundarias donde las secundarias anulan las interferencias.

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Arrays

Se diseñan controlando 5 variables:

• Configuración geométrica, elementos: lineales, circulares, rectangulares, etc

• Distancia relativa entre los elementos

• Amplitud de la excitación de cada elemento

• Fase de cada elemento

• Patrón de radiación relativo de cada elemento

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Conclusiones

Cada tipo de antena tiene ciertas características que la hacen más apropiadas a cada situación

Algunas de estas características puede ser:

• Direccionalidad (o no)
• Frecuencia de operación
• Ancho de banda
• Aspectos mecánicos como resistencia al frío/calor o al agua

• IMPORTANTE: verificar que los cables, el conector y la antena tengan la misma impedancia evita grande pérdidas innecesarias

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¿Preguntas?

Bibliografía:

Antenna Theory - Analysis and Design (Constantine A. Balanis) (2nd Ed) [John Willey]

Material curso Antenas y Propagacion-Fing UdelaR

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