ANTENAS-AP2- 2
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7/26/2019 ANTENAS-AP2- 2
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Polarizacin de antenaLapolarizacinde una antena no es ms que la orientacin del campo elctrico que se
irradia de ella. Una antena puede estarpolarizada linealmente(en general, horizontal o
verticalmente, suponiendo que los elementos de la antena estn en un plano horizontal
o en uno vertical), elpticamente o circularmente. Si una antena irradia una ondaelectromagntica verticalmente polarizada, se define a la antena como verticalmente
polarizada (o polarizada verticalmente). Si una antena irradia una onda
electromagntica horizontalmente polarizada, se dice que la antena est polarizada
horizontalmente; si el campo elctrico gira describiendo una elipse, est elpticamente
polarizada; si el campo elctrico gira en forma circular, est circularmente polarizada.
La fig. 9 muestra las diversas polarizaciones que se acaban de describir.
FIGURA 9 Polarizaciones de antena: (a) lineal; (b) elptica; (c) circular
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La polarizacin de una antena en una direccin dada se define como la
polarizacin de la onda radiada cuando sta se encuentra excitada. La
polarizacin generalmente se define en la direccin en la que la antena radia el
mximo de potencia, ya que los enlaces se disean para que sean eficientes en
la direccin de mxima radiacin. La polarizacin de la onda radiada vara con la
direccin respecto al centro de la antena, por lo que diferentes partes deldiagrama de radiacin pueden tener diferentes polarizaciones.
En cada punto del espacio existe un vector de campo elctrico Er,t ; funcin de
la posicin y el tiempo. La polarizacin de una onda es la figura geomtrica
descrita, con el paso del tiempo, por el extremo del vector de campo elctrico en
un punto del espacio en el plano perpendicular a la direccin de propagacin.
Fig. 10 Onda polarizada verticalmente
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Fig. 11 Polarizacin lineal, circular y elptica.
El sentido de giro de campo elctrico, tanto en polarizacin circular como elptica,
es hacia la derecha cuando la onda se aleja del observador, rota el campo en el
sentido de las agujas del reloj, y hacia la izquierda si el sentido es contrario.
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Abertura del haz de la antenaLa abertura (angular) del hazde una antena es la separacin angular entre dos
puntos de media potencia (3 dB) en el lbulo mayor de la grfica de radiacin
de una antena, que se suele tomar en uno de los planos principales. La
abertura del haz de la antena cuya grfica de radiacin se ve en la fig. 12, es elngulo definido por los puntos A, X y B (el ngulo ). Los puntos A y B son los
puntos de media potencia (la densidad de potencia en ellos es la mitad de la
que hay, a igual distancia de la antena, en la direccin de radiacin mxima). La
abertura del haz de una antena se llama a veces ancho de haz de 3 dB, o
ancho de haz de media potencia, o ancho de lbulo.
F I G U R A 1 2 Abertura de haz de antena
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Volviendo a las antenas, si utilizamos una antena patch de ganancia moderada (8dB), la
radiacin se concentrar en un haz de aproximadamente 60, permitindonos cubrir una
amplia zona de vuelo. Si queremos tener ms ganancia, para aumentar la distancia de
vuelo, y utilizamos por ejemplo una antena parablica de 24dB, el ancho de haz ser de
solamente 8, implicando que tenemos que mantener la antena perfectamente enfocada
hacia el avin. La siguiente figura representa las zonas de vuelo con cada una de estasantenas de ejemplo:
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Normalmente en la descripcin de una antena encontraremos con mayor frecuencia una
representacin polar del diagrama de radiacin. Esto no es ms que realizar dos cortes
en el plano horizontal y en el plano vertical a la representacin 3D:
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Por otro lado, y para poder medir con mayor precisin la ganancia de la antena
en una determinada direccin, a veces se utiliza la representacin cartesiana.
Consiste simplemente en desenrollar la representacin polar:
Asociado al diagrama de radiacin nos encontramos con el concepto de haz. Se
refiere a la zona del espacio desde/hacia la que se puede utilizar la antena, y se
define como la zona donde la ganancia es superior a la ganancia mxima de la
antena menos 3dB. O lo que es lo mismo, es la zona del espacio donde laantena emite al menos un 50% de la potencia mxima (que ser la potencia
emitida en la direccin de mxima ganancia).
Esto implica que mantener una buena orientacin de la antena es
fundamental, ya que podemos estar perdiendo hasta 3dB por el hecho de volar
en los lmites exteriores del haz en lugar de en su centro.
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Ancho de banda de antenaEl ancho de banda de una antena se define, en forma vaga, como el intervalo
de frecuencias dentro del cual el funcionamiento de la antena es
satisfactorio. Se toma, en el caso normal, como la diferencia entre las
frecuencias de media potencia (diferencia entre las frecuencias mxima y
mnima de operacin), pero a veces indica variaciones en la impedancia de
entrada de la antena.
El ancho de banda de una antena se expresa, tambin normalmente, como un
porcentaje de la frecuencia ptima de operacin de esa antena.
Ejemplo
Calcular el ancho de banda porcentual para una antena con frecuencia ptima
de operacin de 400 MHz, y frecuencias de 3 dB de 380 MHz y 420 MHz.
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GANANCIA DIRECTIVA Y GANANCIA DE POTENCIALa ganancia directiva es la relacin de la densidad de potencia irradiada hacia una
direccin particular entre la densidad de potencia irradiada al mismo punto pero por una
antena de referencia, con la condicin de que ambas antenas deben estar irradiando la
misma cantidad de potencia.
Para estos casos se asume que el tipo de antena utilizado es una antena isotrpica. Cuando
la ganancia directiva se considera mxima se le denominadirectividad.
Representacin grfica sobre la Directividad
La ganancia de potencia es lo mismo que la ganancia directiva salvo que se utiliza es la
potencia total de la antena teniendo en cuenta para ello la deficiencia de la antena y que la
antena de referencia no presenta ningn tipo de prdidas. Si la antena en mencin seconsidera como una antena sin prdidas se dice que la antena irradia el 100 % de la
potencia de entrada concluyendo en ese caso particular que la ganancia de potencia y la
ganancia directiva son iguales. Comnmente la ganancia de potencia es expresada en
decibelios. A
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La expresin que permite calcular la ganancia directiva o directividad
La EIRP o potencia isotrpica efectiva irradiada se define como la potencia equivalente de
transmisin es decir es aquella potencia que debera irradiar una antena isotrpica para
alcanzar la misma densidad de potencia en la direccin elegida y en un determinado punto
que en otra antena. Para calcular la densidad de potencia en un determinado punto a una
distancia R de la antena transmisora, se puede utilizar:
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DENSIDAD DE POTENCIA CAPTURADA
Una de las principales caractersticas de una antena consiste en su capacidad para radiar
y con una cierta direccionalidad, es decir, para lograr concentrar la energa radiada hacia
ciertas direcciones del espacio segn sea necesario. Para ello, es conveniente cuantificar
este comportamiento con un parmetro que permita establecer una comparacin entre
distintas antenas.
Uno de los datos importantes para establecer ste clculo es conocer dnde est situada
la antena que se desea analizar; en cuyo caso es conveniente el uso de un sistema de
coordenadas que permita definir cmodamente una direccin del espacio por tal razn
el sistema de coordenadas por excelencia es el esfrico. Las tres variables de un sistema
esfrico son (r, , ).
Esquema del Sistema de Coordenadas Utilizado
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Una antena, es un dispositivo reciproco debido a que presenta la misma resistencia de
radiacin, ganancia y directividad cuando se envan o reciben ondas electromagnticas,
por lo tanto, se puede decir que la densidad de potencia recibida o capturada por una
antena corresponde al producto de la densidad de potencia en el espacio que la rodea por
su ganancia directiva, es decir, la densidad de potencia en el espacio es expresada en watts
por metro cuadrado.La expresin que permite calcular la densidad de potencia capturada es:
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encia
idad de
a antena de
.
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Calcular, para una densidad de potencia recibida de 10 W/ y una antena
receptora con rea de captura de 0.2 , lo siguiente:
(a)Potencia capturada, en watts.
(b)Potencia capturada, en dBm.
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Convertir 105 db a watts
Los decibeles se usan generalmente con la ganancia de potencia, a veces se
emplean para indicar el nivel de potencia respecto a 1 mW. En este caso, seusa el smbolo dBm, donde la m significa que la referencia es a un miliwatt.
P = 10 log(P/1mW)
donde P = potencia en dBm P = potencia en watts
de esta frmula despejamos P para hallar la potencia en watts:
P= 10 Log P - 10 Log 1mWP+10Log 1 mW = 10 LogP
(P+10Log 1 mW)/10 = LogP
P= Anti Log [(P+10Log 1 mW)/10]
Sustituyendo:
P= Anti Log [(105 + 10Log 0.001)/10]
P= Anti Log [(105-30)/10]
P= Anti Log [(75)/10]P= Anti Log 7.5
P= 31622776.6 W
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ESPECTRO DE FRECUENCIASEl conjunto de todas las frecuencias se divide en bandas, cada una de
las cuales presenta caractersticas peculiares que dan origen a
tipologas de antenas muy diversas.
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Impedancia de entrada a la antena
La radiacin de una antena es un resultado directo del flujo de corriente de RF. La
corriente va hacia la antena pasando por una lnea de transmisin, que est conectada
con un espacio pequeo entre los conductores que forman la antena. El punto de la
antena donde se conecta la lnea de transmisin se llama terminal de entrada de la
antena, o simplementepunto de alimentacin.
El punto de alimentacin presenta una carga de ca a la lnea de transmisin, llamada
impedancia de entrada de(oa)la antena. Si la impedancia de salida del transmisor y la
impedancia de entrada de la antena son iguales a la impedancia caracterstica de la lnea
de transmisin, no habr ondas estacionarias en la lnea y se transmitir una potenciamxima a la antena, potencia que ser irradiada.
La impedancia de entrada de una antena es slo la relacin del voltaje de entrada a la
antena a la corriente de entrada a la misma. Es decir
en donde Zent =impedancia de entrada a la antena (ohms)
Ei =voltaje de entrada a la antena (volts)
Ii =corriente de entrada a la antena (amperes)
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UNIDAD II
- Antenas Bsicas: Doblete elemental, dipolo de mediaonda, efectos de la tierra en un dipolo de media onda.
- Antena aterrizada
- Carga de la antena: Bobinas de carga, carga
superior.
- Arreglos de antena.
- Arreglos de borde ancho: arreglo refractario extremo,
arreglo no resonante: la antena rmbica.
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ANTENAS BSICASDoblete elemental
El tipo ms sencillo de antena es el doblete elemental. Es un dipolo
elctricamente corto, y con frecuencia se llama dipolo corto, dipolo elementalodipolo hertziano. Elctricamente corto quiere decir que es corto en comparacin
con media longitud de onda, pero no necesariamente onda de corriente
uniforme; en general, cualquier dipolo menor que un dcimo de longitud de onda
se considera elctricamente corto. En realidad, no se puede obtener un doblete
elemental; sin embargo, el concepto de dipolo corto es til para comprender las
antenas ms prcticas.
Un doblete elemental tiene corriente uniforme en toda su longitud. Sin embargo,
se supone que la corriente vara en forma senoidal en funcin del tiempo, y que
en cualquier instante es
i(t) I sen(2ft + )
siendo i(t) = corriente instantnea (amperes)
I= amplitud mxima de la corriente de RF (amperes)
f= frecuencia (hertz)
t= tiempo instantneo (segundos)
= ngulo de fase (radianes)
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Se puede demostrar, mediante las ecuaciones de Maxwell, que el campo lejano
de radiacin es
en donde E= intensidad del campo elctrico (volts por metro)
I = corriente del dipolo (amperes rms)
l = longitud de uno a otro extremo del dipolo (metros)
R = distancia al dipolo (metros)
= longitud de onda (metros)
= ngulo que forma el eje de la antena con la direccin de
radiacin, que se indica en la fig. 1a
La grfica de densidad de potencia relativa se puede deducir con la ecuacin
, sustituyendo P= /120. Entonces el resultado es
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Al graficar la ecuacin de intensidad del campo elctrico se obtiene la figura de
intensidad relativa del campo elctrico para un dipolo elemental, que se ve en la
fig. 1b. Se aprecia que la radiacin es mxima en ngulo recto con el dipolo, y
baja a cero en los extremos.
F I G U R A 1 (a) Doblete elemental; (b) grfica de radiacin relativa
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Dipolo de media ondaEl dipolo lineal de media onda es una clase de antena entre las ms usadas
para frecuencias mayores de 2 MHz. A frecuencias menores que 2 MHz, la
longitud fsica de una antena de media onda la hace prohibitiva. Al dipolo de
media onda se le llama en general antena de Hertz, en honor de Heinrich Hertz,quien fue el primero en demostrar la existencia de las ondas electromagnticas.
Una antena de Hertz es una antena resonante. Esto es, tiene un mltiplo de
cuartos de longitud de onda de largo, y tiene circuito abierto en los extremos
lejanos. A lo largo de una antena resonante se desarrollan ondas estacionarias
de voltaje y corriente. La fig. 2 muestra las distribuciones idealizadas de
corriente y voltaje a lo largo de un dipolo de media onda.
FIGURA 2 Distribucionesidealizadas de voltaje y de
corriente a lo largo de undipolo de media onda
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suponiendo que el punto de alimentacin est en el centro de la antena, la
impedancia de entrada es Emn/Imn, y tiene valor mnimo. La impedancia en los
extremos de la antena es Emx/Imx, y tiene valor mximo. La fig. 3 muestra la
curva de impedancia en un dipolo de media onda alimentado en el centro. La
impedancia vara desde un valor mximo en los extremos, de aproximadamente
2500 ,hasta un mnimo en el punto de alimentacin, de unos 73 , de los cuales,entre 68 y 70 es la resistencia de radiacin.
F I G U R A 3 Curva de impedancia para un dipolo de media onda con alimentacin
central