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ANTENAS
DEFINICIÓN DE ANTENA.
• Es un sistema conductor metálico capaz de recibir y radiar ondas
electromagnéticas.
• Una antena se utiliza como la interface entre el transmisor y el
espacio libre o el espacio libre y el receptor.
• Una antena acopla energía de la salida de un transmisor a la
atmósfera de la tierra o de la atmósfera de la tierra a un transmisor.
ANTENA: DISPOSITIVO PASIVO.
• Una antena es un dispositivo pasivo, en cuanto a que en realidad no
puede amplificar una señal, sin embargo una antena puede tener
ganancia.
GUIA DE ONDA.
• Tubo metálico conductor por medio del cual se propaga energía
electromagnética de alta frecuencia, por lo general entre la antena y
un transmisor, un receptor o ambos.
• Una guía de onda así como una línea de transmisión, se utiliza solo
para interconectar eficientemente una antena con el transceptor.
OPERACIÓN BÁSICA DE LA ANTENA
• La operación básica de la antena se comprende mejor al observar los
patrones de ondas estacionarias de voltaje en una línea de
transmisión.
OPERACIÓN BÁSICA DE LA ANTENA
• Como se observa en la figura anterior la línea de transmisión termina
en un circuito abierto, que representa una discontinuidad abrupta en
la onda de voltaje incidente, lo que genera una inversión de fase.
• La inversión de fase resulta cuando parte del voltaje incidente se
irradia en lugar de ser reflejado.
PATRÓN DE RADIACIÓN.
• Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio.
• Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo
a partir de la dirección de máxima emisión.
DIAGRAMA DE RADIACIÓN.
Antenas: Patrón de Radiación Tridimensional
POLARIZACIÓN.
Puede ser:
• Vertical
• Horizontal
• Elíptica
• Circular
POLARIZACIÓN VÉRTICAL.
POLARIZACIÓN HORIZONTAL.
ANTENAS DIPOLO.
• Antena “Half-wave dipole” (o antena Hertz).
• Antena “Quarter-wave vertical” (o antena Marconi).
Antena Half-Wave Dipole
• La antena más corta que puede ser usada para radiar
señales en el espacio libre.
• Está formada por un conductor eléctrico recto.
• Este mide ½ la longitud de onda.
• Es una de las antenas más simples.
/2
Antena Quarter-Wave Dipole
• Es un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia transmitida o
recibida.
• También conocida como antena Marconi.
• Es una antena que necesita estar en contacto directo con tierra para
poder tener las características de una antena half wave dipolo.
/4
Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA
• Reflector
• Directores
Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA
COORDENADAS ESFÉRICAS.
• El sistema de coordenadas utilizado
habitualmente en antenas es el esférico.
Para especificar una dirección en el
espacio se utilizan los dos ángulos (θ y φ).
• La onda electromagnética radiada se compone de un campo eléctrico
y uno magnético
ambos son magnitudes vectoriales y están ligados por las
ecuaciones de Maxwell.
DIAGRAMA DE RADIACIÓN
• Un diagrama de radiación es una representación
gráfica de las propiedades de radiación de la antena,
en función de las direcciones del espacio, a una
distancia fija. Normalmente se empleará un sistema
de coordenadas esférico.
DIAGRAMA DE RADIACIÓN.
• Es un diagrama o grafica polar que representa intensidades de campo
o densidades de potencia en diversas posiciones angulares en
relación con una antena.
• Grafica de radiación absoluta: (Distancia variable y potencia fija). La
grafica de radiación se traza en términos de intensidad de campo
eléctrico o de densidad de potencia.
GRAFICA DE RADIACIÓN ABSOLUTA.
GRAFICA DE RADIACIÓN RELATIVA.
• Se grafica intensidad de campo o
densidad de potencia con respecto con
respecto al valor en algún punto de
referencia, es decir, potencia variable,
distancia fija.
GRAFICA DE RADIACIÓN RELATIVA.
RELACIÓN DE POTENCIA ENTRE LÓBULOS.
• EFICIENCIA DIRECCIONAL: es la relación de potencia
del lóbulo frontal al lóbulo trasero.
• RELACIÓN FRONTAL A LATERAL: Es la relación de
potencia del lóbulo frontal a un lóbulo lateral.
Mitad de potencia. (-3dB)
• En direcciones a ±45 grados de la referencia (para el
patrón de radiación de la figura siguiente), la densidad
de potencia es -3dB (mitad de potencia) en relación
con la densidad de potencia en la dirección de
máxima radiación.
• La densidad de potencia se grafica en dB
GRAFICA DE RADIACIÓN RELATIVA EN dB.
GRAFICA DE RADIACIÓN RELATIVA EN
ANTENAS ISOTROPICAS.
KDF
RESISTENCIA DE RADIACIÓN
EFICIENCIA DE LA ANTENA
• Es la relación de potencia irradiada por la antena entre la potencia
total de entrada. (La potencia total de entrada es la suma de la
potencia irradiada y la potencia disipada).
OTRAS FORMAS DE EXPRESAR LA EFICIENCIA
DE UNA ANTENA
OTRAS FORMAS DE EXPRESAR LA EFICIENCIA
DE UNA ANTENA
GANANCIA DIRECTIVA
• Es la relación de la densidad de potencia irradiada en
una dirección particular entra la densidad de potencia
irradiada al mismo punto por una antena de
referencia, suponiendo que ambas antenas están
irradiando la misma cantidad de potencia.
GANANCIA DIRECTIVA
GANANCIA DE POTENCIA.
• Es lo mismo que la ganancia directiva, excepto que se usa la potencia
total alimentada a la antena; es decir, se toma en cuenta la eficiencia
de la antena. Se supone que la antena dada y la antena de referencia
tienen la misma potencia de entrada, y que la antena de referencia no
tiene pérdidas (100% de eficiencia).
GANANCIA DE POTENCIA.
POTENCIA ISOTROPICA EFECTIVA IRRADIADA
(EIRP)
• La potencia isotrópica efectiva irradiada (EIRP) se define como la
potencia equivalente de transmisión y se expresa de la siguiente
forma:
POTENCIA ISOTROPICA EFECTIVA IRRADIADA
(EIRP)
• En terminos de la potencia de entrada y la ganancia de potencia de la
antena:
DENSIDAD DE POTENCIA EN DETERMINADO
PUNTO
DIPOLO HERTZIANO
• Se puede demostrar que el campo lejano de radiación es:
• Al graficar la ecuación del campo lejano de radiación,
se observa que la radiación es máxima en ángulo
recto con el dipolo, y baja en los extremos.
DENSIDAD DE POTENCIA RELATIVA
• La densidad de potencia relativa se puede deducir de la ecuación
anterior:
• Las variables son idénticas a la diapositiva anterior.
RESISTENCIA DE RADIACIÓN EN FUNCIÓN
DE LA ALTURA SOBRE EL SUELO.
• Cuando la distancia a la superficie del suelo es mayor
a aproximadamente media longitud de onda, el efecto
de las reflexiones se reduce mucho, y la resistencia de
radiación permanece relativamente constante.
• La resistencia de radiación de una antena ideal es de
aproximadamente 73 ohms.
ANTENA CONECTADA A TIERRA.
• Una antena monopolo (un solo polo) de un cuarto de longitud de
onda de largo, montada en dirección vertical con el extremo inferior
conectado en forma directa al suelo, o aterrizada a través de la red de
acoplamiento de la antena. (Antena Marconi).
• Produce las mismas distribuciones estacionarias de una antena de
media onda no aterrizada.
ANTENA ATERRIZADA DE CUARTO DE ONDA.
CARGA DE LA ANTENA.
• Las dimensiones físicas para las antenas de baja frecuencia no son
prácticas, en especial para aplicaciones de radio móvil.
• Es posible aumentar la longitud eléctrica de una antena mediante
una técnica llamada carga.
BOBINAS DE CARGA.
ANTENAS DE UHF Y MICROONDAS.
Tomado de: http://gemini.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/usm/cd/documento5.pdf
DIAGRAMA DE RADIACION DE REFLECTORES
PARABOLICOS.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• Los reflectores parabólicos tienen la propiedad útil de que cualquier
rayo que se origina en un punto llamado foco y choca con la
superficie reflectora se refleja paralelo al eje de la parábola, es decir,
se produce un haz colimado de radiación.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• La antena de “plato” parabólico común en las
viviendas u oficina con instalaciones para recepción
de señales vía satélite, consisten en una antena
pequeña en el foco de un gran reflector parabólico,
que concentra la señal de la misma forma que el
reflector de una linterna concentra un haz de luz.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• Desde un punto de vista ideal, la antena en el punto
de alimentación debe iluminar toda la superficie del
plato con la misma intensidad de radiación y ninguna
radiación debe salir por los bordes del plato o en otra
direcciones. Si esto se cumple, es posible calcular la
ganancia y la apertura del haz de la antena.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• APERTURA DEL HAZ: La ecuación para la apertura del
haz es:
REFLECTORES PARABOLICOS.
• GANANCIA:
REFLECTORES PARABOLICOS.
• GANANCIA: La ganancia se reduce por la iluminación
no uniforme de la antena, las pérdidas, y la salida de
radiación en los bordes. Para incluir estos efectos en
los cálculos de ganancia, es necesario incluir una
constante η, que se conoce como la eficiencia de una
antena. En teoría esta constante puede tener un valor
entre 0 y 1, pero está entre 0,5 y 0,7 para una antena
ordinaria.
REFLECTORES PARABOLICOS.
• GANANCIA: Cuando se incluye la constante de la
eficiencia η, la ecuación es:
REFLECTORES PARABOLICOS.
• EJERCICIO: Una antena parabólica tiene un diámetro
de 3 m, una eficiencia de 60% y opera a una
frecuencia de 4GHz. Calcule su ganancia y apertura de
haz.
• Conocemos la frecuencia (f), entonces hallemos la
longitud de onda (λ).
• Ahora podemos determinar la apertura del haz.
• La ganancia está dada por:
Recordemos que la ganancia no tiene unidades.
En decibeles con respecto a un radiador isotrópico, la
ganancia es:
REFLECTOR PARABÓLICO.
• Puede usarse cualquier tipo de antena con un reflector parabólico. En
la porción de microondas del espectro, donde los reflectores
parabólicos son más útiles debido a que pueden tener un tamaño
práctico, una antena de corneta o bocina proporciona un método
simple y eficiente para alimentar potencia a la antena.
REFLECTOR PARABÓLICO.
• ANTENA PARABÓLICA RECEPTORA: En una antena parabólica
receptora, el área efectiva se llama área de captura y siempre es
menor que el área de la boca de la antena receptora.
• La GANANCIA DE POTENCIA para una antena receptora se expresa
como:
EJERCICIO.
• Determine el ancho de haz, la ganancia de potencia transmisora, la
ganancia de potencia receptora, y la potencia efectiva isotrópica
irradiada (EIRP) para un reflector parabólico de 1m de radio con 2 W
de potencia radiada por el mecanismo de alimentación operando en 6
GHz con una eficiencia del 55%.
MICROONDAS
RADIOENLACE.
IMPORTANCIA DE LOS ENLACES DE
MICROONDAS.
CONFIGURACIÓN DE UN ENLACE VIA
MICROONDAS.
• Posee tres componentes fundamentales:
• El transmisor
• El receptor
• El canal Aéreo
Factor limitante: la distancia entre txor y rxor debe estar libre de obstáculos y la
altura mínima sobre los obstáculos en la via.
VENTAJAS DE LOS ENLACES DE MICROONDAS.
DESVENTAJAS DE LOS ENLACES DE
MICROONDAS.
MICROONDAS
• No existe una clara distinción entre microondas y otras señales de
frecuencia de radio. De común acuerdo el límite inferior para las
frecuencias de microondas se fija en 1GHz. Se estudian aparte las
microondas debido a que muchas técnicas ordinarias para generar,
amplificar y transmitir señales se vuelven menos efectivas cuando
aumenta la frecuencia, en tanto que otras técnicas imprácticas a
frecuencias a frecuencias menores se vuelven mas útiles.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES
EN MICROONDAS
• A bajas frecuencias, se ignora la capacitancia y la inductancia de las
terminales de la componente. A frecuencias de microondas, incluso
las terminales de conexión cortas tienen reactancia capacitiva e
inductiva importantes, así que el diseño físico de los componentes
debe cambiar.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES
EN MICROONDAS
• A frecuencias cercana a la banda de UHF,
comúnmente se ignora el tiempo que tardan los
portadores de carga para moverse por dispositivos
como diodos y transistores. Cuando el periodo de las
señales se vuelve mas corto, este tiempo de tránsito
se vuelve una fracción importante del ciclo completo.
Se rediseñaron algunos componentes ordinarios para
reducir el tiempo de tránsito y algunos dispositivos
activos a fin de incorporar los efectos de tiempo de
transito de su operación.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES
EN MICROONDAS
• Debido a las cortas longitudes de
onda de las señales de microondas,
las antenas de tamaño físico
razonable pueden tener ganancia
muy alta y los reflectores parabólicos
se vuelven prácticos.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES
EN MICROONDAS
• A frecuencias de microondas, las
pérdidas en las líneas de transmisión
ordinarias son bastante grandes. Las
guías de ondas, tienen pérdidas
mucho menores pero son imprácticas
a frecuencias mas bajas debido a su
gran tamaño.
GUIAS DE ONDAS.
• Las pérdidas del dieléctrico y del conductor en las líneas de
transmisión ordinarias se incrementan con la frecuencia. Las guías de
ondas proveen una alternativa para las frecuencias de microondas.
• Una guía de ondas es, en esencia, un tubo o conducto por el que
viaja una onda electromagnética. Conforme viaja a lo largo de la guía,
se refleja desde las paredes.
GUIAS DE ONDAS.
GUÍAS DE ONDAS.
• Las guías de ondas rectangulares de latón o aluminio, en ocasiones
recubiertas en el interior con plata, son muy comunes, pero también
se puede utilizar secciones transversales elípticas y circulares.
GUÍAS DE ONDAS.
• Es posible construir una guía de ondas para cualquier frecuencia, pero
estos dispositivos operan como filtros pasa altas, es decir, para una
determinada sección transversal de la guía de ondas hay una
frecuencia de corte por debajo de la cual no se propagan las ondas. A
frecuencias debajo de los intervalos de GigaHertz, las guías de ondas
son demasiado grandes para ser prácticas.
GUÍAS DE ONDAS.
• Cuando los campos eléctrico y magnético están contenidos en la guía,
las guías de onda no tienen pérdida de radiación. Las pérdidas
dieléctricas son muy pequeñas debido a que el dieléctrico es el aire.
Hay algunas pérdidas en las paredes conductivas de la guía de ondas,
pero debido a la gran área de superficie de las paredes, estas pérdidas
son mucho mas pequeñas que las pérdidas en la línea coaxial o cable
desnudo.
GUIAS DE ONDA RECTANGULAR
• Las guías de ondas rectangular son las que mas se usan.
• Para propagar bien una TEM a través de una guía de ondas, la onda
debe propagarse por ella en zigzag, con el máximo del campo
eléctrico en el centro de la guía y cero en la superficie de las paredes.
GUIAS DE ONDA RECTANGULAR
• En las guías de onda la velocidad de propagación depende de la
frecuencia de la señal transmitida.
• Velocidad de grupo: Velocidad a la que se propaga una onda.
• Velocidad de fase: Es aquella con la que cambia de fase una onda.
VELOCIDAD DE FASE.
• Es la velocidad aparente de una fase determinada de la onda, por
ejemplo, su cresta o punto de máxima intensidad de campo eléctrico.
• Es la velocidad con la que cambia de fase una onda, en dirección
paralela a una superficie conductora que pueden ser las paredes de
una guía de ondas.
VELOCIDAD DE FASE.
VELOCIDAD DE GRUPO.
• Es la velocidad de un grupo de ondas, es decir, de un pulso. La
velocidad de un grupo es aquella con la que se propagan las señales
de información de cualquier tipo. También es la velocidad con la que
se propaga la energía.
• Se puede medir determinando el tiempo necesario para que un pulso
se propague por determinada longitud de una guía de ondas.
VELOCIDAD DE FASE - VELOCIDAD DE GRUPO.
• Las velocidades de fase y de grupo tienen la misma velocidad en el
espacio libre y en las líneas de transmisión de hilos paralelos.
• En las guías de ondas por lo general, estas dos velocidades no son las
mismas.
• La velocidad de fase siempre es mayor o igual que la velocidad de
grupo.
VELOCIDAD DE FASE - VELOCIDAD DE GRUPO.
• El producto entre la velocidad de fase y la velocidad de grupo es igual
al cuadrado de la propagación en el espacio libre.
VELOCIDAD DE FASE - VELOCIDAD DE
GRUPO.
• La velocidad de fase puede ser mayor que la velocidad de la luz.
• La velocidad de grupo y no la de fase es la que representa la velocidad
de propagación de la energía.
• La velocidad de fase en una guía de ondas es mayor que su velocidad
en el espacio libre, en consecuencia, la longitud de onda para
determinada frecuencia será mayor en la guía que en el espacio libre.
LONGITUD DE ONDA EN LA GUÍA Y EN EL
ESPACIO LIBRE.
• La relación entre la longitud de onda en el espacio libre, en la guía y la
velocidad de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es:
FRECUENCIA DE CORTE.
• Las guías de onda tienen una frecuencia mínima de operación que se
llama frecuencia de corte. Es una frecuencia limitadora única; las
frecuencias inferiores a la de corte no se propagarán por la guía de
ondas.
• La longitud y la frecuencia de corte se determinan por las
dimensiones transversales de la guía de ondas.
FRECUENCIA DE CORTE.
FRECUENCIA DE CORTE.
• La relación matemática entre la longitud de onda de la guía en
determinada frecuencia, y la frecuencia de corte es:
VELOCIDAD DE FASE EN FUNCIÓN DE LA
FRECUENCIA DE CORTE.
• Si la frecuencia de operación se hace menor que la frecuencia de
corte, la velocidad de fase se vuelve imaginaria lo que significa que la
onda no se propaga.
LONGITUD DE ONDA DE CORTE.
• El límite de operación de la longitud de onda se
presenta la frecuencia para la cual la dimensión
transversal máxima de la guía es exactamente la
mitad de la longitud de onda en el espacio libre.
IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA.
• Las guías de ondas tienen una impedancia característica que es
análoga a la de las líneas de transmisión de dos hilos.
DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS ELECTRICAS
DE GUIAS DE ONDAS RECTANGULARES.
CIRCULADORES
• Es un dispositivo muy útil que permite la separación de señales. El
circulador de tres puertos, permite que la señal introducida en un
puerto aparezca en y solo en el puerto contrario a las manecillas de
reloj.
• Se usa como conmutador para transmitir y recibir.
ANTENAS DE MICROONDAS.
• No hay diferencia teórica entre las antenas de microondas y las que
se utilizan para frecuencias menores. Las diferencias son prácticas: a
frecuencias de microondas es posible construir antenas de ganancia
alta de tamaño físico razonable. También son posibles los dipolos.
Yagis y log-peródicas.
ANTENAS DE BOCINA.
• Pueden considerarse como transformadores de impedancia, que
adoptan las impedancias de las guías de ondas con las del espacio
libre.
• Las bocinas sectoriales de plano E y de plano H reciben el nombre por
el plano en el que se ensancha; la bocina piramidal se ensancha en
ambos planos. La bocina cónica es la mas apropiada con guía de
ondas circular.
ANTENA PLANO E
BOCINA PLANO H.
BOCINA PIRAMIDAL
BOCINA CÓNICA.
GANANCIA DE LA ANTENA DE BOCINA
PIRAMIDAL.
APERTURA DEL HAZ EN EL PLANO H Y EN EL
PLANO E.
EJERCICIO.
• Una bocina piramidal tiene una apertura de 58mm en el plano E y 78
mm en el plano H. La bocina opera a 10GHz. Calcule:
a. Su ganancia en dBi.
b. La apertura del haz en el plano H.
c. La apertura del haz en el plano E.
RADAR.
• Radar es acrónimo de radio detection and ranging.
• La tecnología de microondas también es utilizada por
los
radares,
para
detectar
el
rango,
velocidad, información meteorológica y otras
características de objetos remotos.
RADAR.
• Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se
refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del
emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de
información. El uso de ondas electromagnéticas permite detectar
objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz
visible, sonido, etc.)
ECUACIÓN DE RADAR.
COMPONENTES PASIVOS.
• El uso de guías de ondas requiere rediseñar algunos
de los componentes ordinarios que se utilizan con las
líneas de alimentación. El conector T es un ejemplo.
Además otros componentes, como las cavidades
resonantes, son muy grandes para ser prácticos a
bajas frecuencias.
COMPONENTES PASIVOS.
CODOS Y UNIONES EN T.
• Cualquier cosa que cambie la forma o tamaño de una guía de ondas
tiene un efecto en los campos eléctricos y magnéticos de su interior.
Si la perturbación es lo bastante grande, habrá un cambio en la
impedancia característica dela guía. Sin embargo, siempre que
cualquier curvatura o torsión sea gradual, el efecto es mínimo.
CODO PARA GUÍA DE ONDAS.
ALGUNOS CODOS Y UNIONES.
GUIA DE ONDAS FLEXIBLE.
• Las guías de ondas flexibles se usan para instalaciones difíciles.
HELIAX.
• Su ancho de banda es Extremadamente grande. A la “guía de onda
flexible” se le conoce como Heliax.
ATENUADOR EN GUIAS DE ONDAS.
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO PARA
MICROONDAS.
• A medida que aumenta la frecuencia, las
reactancias inductivas crecen y las
reactancias capacitivas disminuyen. Hay
tanta retroalimentación del colector a la
base que se inutiliza el transistor.
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO PARA
MICROONDAS.
• Es imposible eliminar la capacitancia e
inductancia parásitas pero si es posible
reducirlas.
• El arseniuro de galio (GaAsFET) es más
rápido que el silicio y se prefiere en las
aplicaciones de microondas.
DISPOSITIVOS DE GUNN.
• Al dispositivo de gunn se denomina a veces diodo Gunn, porque tiene
dos terminales, pero en realidad carece de unión. Es solo un sustrato.
DIODOS IMPATT.
• Acrónimo de
• IMPact ionization Avalanche Transit Time (de Tiempo de Tránsito
por Avalancha con Ionización por Choque).
• Como indica su nombre el dispositivo opera en la región de ruptura
en sentido inverso.
OTROS DIPOSITIVOS.
• Diodo pin. Su uso se prefiere en la región de microondas del espectro
debido a su capacitancia pequeña cuando se polariza a la inversa.
• Diodo Varactor. Se utiliza a menudo en multiplicadores de frecuencia.
MAGNETRONES.
• Son osciladores de frecuencia fija y alta potencia, sobresalientes no
por su estabilidad o facilidad de modulación sino por simples,
resistentes y relativamente eficientes. Los magnetrones se utilizan
mas en transmisiones de radar, donde generan niveles de potencia
máxima del orden de los megawatts.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
• BALANIS, Constantine. Antenna theory. Analysis and design. Ed. Wiley.
• WAYNE, Tomasi. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Editorial
Prentice Hall, 1996.
• BLAKE, Roy. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Editorial
Thompson, 2ª Ed. 1902

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