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Comunicaciones Inalámbricas Capitulo 3: Antenas
Víctor Manuel Quintero Flórez
Claudia Milena Hernández Bonilla
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones
II-2013
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Componente fundamental de sistemas de
comunicaciones inalámbricos.
• Dispositivo (radiador EM) que radia o recibe ondas electromagnéticas.
• Convierte la energía de una onda guiada en la energía de una onda de espacio libre (o viceversa) tan eficientemente como sea posible.
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas
– Vg - voltaje-fuente generador (transmisor).
– Zg- Impedancia generador (transmisor).
– Rrad – Resistencia de radiación. (relacionado a la potencia de radiación)
– RL – Resistencia de pérdida (relacionada a pérdidas de dieléctrico y de conducción).
– jXA – Reactancia de antena
2
rP ad A radI R
A rad L AZ R R JX
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas
• La antena es un componente critico de un sistema de comunicaciones inalámbrico.
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas.
– Radiadores de un único elemento • Radiadores de alambre.
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(2).
– Radiadores de un único elemento (2). • Antenas de apertura.
Corneta (Horn) piramidal
Corneta cónica
Guía de onda rectangular abierta
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(3).
– Radiadores de un único elemento (3) • Antenas de apertura (2).
double-ridge horns (TEM, linear polarization, ultra-wide band)
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(4).
– Radiadores de un único elemento (4) • Antenas de apertura (3).
quad-ridge horns (TEM, ultra-wide band) Corneta corrugada
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(5).
– Radiadores de un único elemento (5) • Antenas impresas.
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(6).
– Radiadores de un único elemento (6) • Antenas impresas (2).
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(7).
– Radiadores de un único elemento (7) • Antenas impresas (3).
double-layer printed Yagi with electromagnetically-coupled feed
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(8).
– Radiadores de un único elemento (8) • Antenas impresas (4).
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(9).
– Radiadores de un único elemento (9) • Antenas impresas (5).
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas
(10).
– Radiadores de un único elemento (10) • Antenas impresas (6).
Formas de los parches radiantes.
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (11).
– Radiadores de un único elemento (11) • Antenas impresas (7).
– De ranura (slot)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (12).
– Radiadores de un único elemento (12) • Antenas impresas (8).
– De ranura (slot) (2)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (13).
– Radiadores de un único elemento (13) • Antenas “Leaky-wave”
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (14).
– Radiadores de un único elemento (14) • Antenas reflectores
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (15).
– Radiadores de un único elemento (15) • Antenas reflectores (2)
Antenas
The Arecibo Observatory Radio Telescope
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (16).
– Radiadores de un único elemento (16) • Antenas lente
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (17).
– Radiadores de un único elemento (17) • Antenas lente (2)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (18).
– Radiadores de un único elemento (18) • Antenas lente (3)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (19).
– Arreglos (arrays) de antenas. • Múltiples elementos radiantes. (usualmente similares).
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (20).
– Arreglos (arrays) de antenas (2).
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (21).
– Arreglos (arrays) de antenas (3).
Antenas
NRAO/ALMA (Atacama Large Millimeter Array): array of radio telescopes
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (24).
– Arreglos (arrays) de antenas (4).
Antenas
Arreglos de parches Microstrip
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas.
– Patrón de radiación • Representación de las propiedades de radiación de la antena como
función de las coordenadas angulares.
• Valor normalizado.
Antenas
,E
2
,E
2
,H
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (2).
– Patrón de radiación (2)
• Patrón isotrópico.
• Antena direccional.
• Antena omnidireccional.
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (3).
– Patrón de radiación (3) • Patrones principales
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (4).
– Patrón de radiación (4)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (5).
– Patrón de radiación (5)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (6).
– Patrón de radiación (6) • Lobulos del patrón.
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (7).
– Patrón de radiación (7) • Lobulos del patrón (2).
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (8).
– Patrón de radiación (8) • Ancho del haz del patrón (Pattern Beamwidth).
– Ancho del haz de potencia mitad. (HPBW)
– Ancho del haz de primeros nulos. (FNBW)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (9).
– Patrón de radiación (9) • Ancho del haz del patrón (Pattern Beamwidth) (2).
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (10).
– Patrón de radiación (10) • Ancho del haz del patrón (Pattern Beamwidth) (3).
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (11).
– Patrón de radiación (11)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (12).
– Patrón de radiación (12)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (13).
– Patrón de radiación (13)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (14).
– Patrón de radiación (14)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (15).
– Patrón de radiación (15)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (16).
– Patrón de radiación (16)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (17).
– Patrón de radiación (17)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (18).
– Relación adelante atrás (front to Back F/B)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (19).
– Polarización • Orientación física de los elementos de la antena que emiten energía
de RF.
• La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo.
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (20).
– Polarización (2)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (21).
– Polarización (3)
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (22).
– Relación de ondas estacionarias (VSWR) • Relación del máximo voltaje al minimo voltaje en un patrón de ondas
estacionarias.
Antenas
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (23).
– Ganancia de antena • Relación de la ganancia de potencia en una dirección dada a la
ganancia de potencia de la antena de referencia en la misma dirección.
Antenas
( ) 10 numérico
isotrópico
gG dBi Log
g
/2
( ) 10 numérico
dipolo
gG dBd Log
g
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (24).
– Ancho de banda de frecuencia (FBW) • Rango de frecuencias dentro del cual las caracteristicas de la antena
(patrón, impedancia, eficiencia, polarización,etc) son conformes a ciertas especificaciones.
– Banda ancha
» 40:1. Antena independiente de la frecuencia.
– Banda angosta
Antenas
max
min
fFBW
f
max min
0
*100%f f
FBWf
max min
02
f ff
0 max minf f f
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (25).
– Densidad de potencia radiada • Potencia por unidad de superficie en una dirección.
Antenas
*
2, Re
WP ExH
m
E
H
2 2
,E E
P
,rW P ds
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (26).
– Directividad
• Relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica.
Antenas
2
,,
4t
PD
W
r
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (27).
– Impedancia de antena
Antenas
A A AZ R jX
A r lR R R
Circuito equivalente de la antena transmisora
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (28).
– Impedancia de antena (2)
Antenas
Máxima transferencia de potencia.
g r l AR R R R
A gX X
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (29).
– Impedancia de antena (3) • Con adaptación de impedancias
– Potencia entregada a la antena.
– Potencia disipada como calor en el generador
Antenas
2
8
g
A
r l
VP
R R
2 2
88
g g
g A
r lg
V VP P
R RR
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (30).
– Impedancia de antena (4) • Con adaptación de impedancias (2)
– Potencia radiada.
– Potencia disipada como calor en la antena.
Antenas
2
28
g r
r
r l
V RP
R R
2
28
g l
l
r l
V RP
R R
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (31).
– Impedancia de antena (5)
Antenas
Circuito equivalente de la antena receptora
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (32).
– Impedancia de antena (6)
Antenas
Máxima transferencia de potencia.
L r l AR R R R
A LX X
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (33).
– Impedancia de antena (7) • Con adaptación de impedancias
– Potencia entregada a la carga.
– Potencia disipada como calor en la antena
Antenas
2 2
8 8
A A
L
L A
V VP
R R
2
28
A l
l
A
V RP
R
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (34).
– Impedancia de antena (8) • Con adaptación de impedancias (2)
– Potencia dispersa (re-radiada).
– Potencia capturada total.
Antenas
2
28
A r
r
A
V RP
R
2 2
4 4
A A
c
r l A
V VP
R R R
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (35).
– Eficiencia de radiación y pérdidas de antena • Estimación de la pérdida total de energía en los terminales de entrada
de la antena y dentro de su estructura.
– Resistencia DC y Resistencia de superficie de alta frecuencia
Antenas
r
r l
Re
R R
1dc
lR
A
S
fR
Efecto pelicular
rad
ent
W
W
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Parámetros de antenas (36).
– Area Efectiva (apertura) Ae
• Relación de la potencia disponible en los terminales de la antena a la densidad de potencia de una onda incidente plana sobre la antena, la cual se encuentra adaptada a la antena en terminos de polarización.
• Area presentada a la señal recibida o radiada.
Antenas
2
4 eAG
r
e
i
WA
P a
e
i
Vl
E