ANTENAS


Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas y una receptora realiza la función inversa, todo esto se hace para enviar y recibir algún tipo de información que se encuentra "consignada" en dichas ondas.

Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y los aspectos teóricos de estas estan relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no tienen la necesidad de un medio material para propagarse, y aqui entra la definición anterior de lo que es una antena.
Las características de las antenas dependen principalmente de sus dimensiones estructurales y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia que se transmite o recibe. Si las dimensiones de una antena son son considerablemente mucho más pequeñas que la longitud de onda que manejan estas antenas se denominan elementales, si manejan dimensiones de median longitud de onda se les llama resonantes, y si su tamaño es mayor que su longitud de onda se denominan directivas.

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Antena Elemental

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Antena de helice resonante

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Antena directiva Yagi

Parámetros de una Antena


Las antenas se caracterizan por una amplia gama de parámetros, reseñando los mas habituales y distintivos:

Diagrama de Radiación ó Patrón de Radiación:

Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación). Lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Atendiendo al diagrama de radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional, etc) Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiación con polaridad contraria.

diagrama.JPG
Diagrama de Radiación



Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:
  • Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.
  • Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.
  • Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.
  • Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma el valor de la mitad del máximo. Es decir, la dirección en la que la - potencia radiada es 3 dB menos.
  • Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.

Ancho de banda:

Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.

Directividad:

La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.

D = U(max) / U(iso)

La unidad de Directividad (D) son los decibeles (dB).



Ganancia:

Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.

G = 10log[4pi * U(max) / P(in)]


La unidad de Ganacia (G) de una antena es el dB al ser una unidad de potencia.


Eficiencia:

Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.
e = P(r) / P(in) = G / D
El parámetro e (eficiencia) es adimensional
.



Anchura de haz:

Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.

Relaciòn Delante/Atràs:

Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta.
Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiacción y el nivel de radiacción a 180 grados. Este parámetro es especialmente útil cuando la interferencia hacia atrás es crítica en la elección de la antena que vamos a utilizar.
Esta relación, además lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las señales provinientes de la parte trasera. Rara vez es verdaderamente importante, ya que la interferencias por la parte trasera no ocurren habitualmente, pero puede suceder.
La relación F / B no es un número muy útil, ya que a menudo varía enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrón de radiación, entonces no se necesita la relación F/B.



Impedancia de entrada:

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.



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Impedancia


Polarizaciòn:

Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarizaciòn electromagnètica en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).
Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar al diagrama de radiación con la polarización contraria.


Clasificaciòn bàsica de las antenas

Existen tres tipos básicos de antenas: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas:

Antenas de hilo:
Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:
  • El monopolo vertical.
  • El dipolo y su evolución, la antena Yagi.
  • La antena espira
  • La antena helicoidal es un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Un conductor describe una hélice, consiguiendo así una polarización circular.
Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.

La antenas de apertura son aquellas que 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 de dichas antenas está relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor directividad.
El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar de forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un subreflector. El alimentador está generalmente ubicado en el foco de la parábola. El alimentador, en sí mismo, también es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia (cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satélite en órbita geoestacionaria).

Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, Do, con la siguiente expresión, donde S es el área y lambda es la longitud de onda:

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Cálculo de la directividad


Son diversos los tipos de antenas de antenas de apertura, como por ejemplo las antenas parabólicas, las de bocina, la antena parabólica de los radares Doppler y las antenas reflectoras.

parabolica.JPG
Reflectores parabólicos


Antenas de Array:

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

La característica principal de los arrays de antenas es que 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.

Atendiendo a la distribución de las antenas que componen un array podemos hacer la siguiente clasificación:

  • Arrays lineales: Los elementos están dispuestos sobre una linea.
  • Arrays Planos: Los elementos están dispuestos bidimensionalmente sobre un plano.
  • Arrays conformados: Los elementos están dispuestos sobre una superficie curva.
A nivel de aplicación los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes.Una definición básica de un sistema de antenas inteligentes es cualquier configuración adaptativa de múltiples antenas que mejoran el rendimiento de un sistema de comunicaciones inalámbricas.
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Antena de Array




Clasificación funcional de las antenas:

La clasificación que comúnmente se hace a las antenas se basa casi que enteramente en la forma en como se distribuye el campo electromagnético en la misma antena. La clasificación funcional nos permite tomar todo lo que tiene que ver con las antenas desde una nuevo punto de vista, como su clasificación desde su eficiencia o en la tecnologia que estas emplean, todos parámetros de la ingenieria que nos expliquen con es su funcionamiento.

Antenas con reflector:

El origen de la antena con reflector data de 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente que existen las ondas electromagnéticas, que habían sido predichas por James Clerk Maxwell. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como receptor.

El funcionamiento de la antena con reflector se basa en la reflexión de las ondas electromagneticas por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide, en el caso de una antena receptora; en cambio si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena.

Tipos de antenas con reflector:


Antenas de foco primario:

La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución . Las ondas electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y dirigen al foco.El foco está centrado en el paraboloide.

Tienen un rendimiento máximo de aproximadamente el 60%, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% lo hace al foco y se aprovecha, el resto se pierde debido principalmente a dos efectos, el efecto spillover (es un efecto que se produce en las antenas parabólicas cuando la radiación emitida por el alimentador primario situado en el foco de la parábola desborda la superficie del plato de la antena provocando una pérdida de ganancia en la señal) y el efecto bloqueo.

Su relativa gran superficie implica un menor ángulo de anchura del haz (3 dB), por lo que la antena debe montarse con mayor precisión que una antena offset normal. La lluvia y la nieve pueden acumularse en el plato e interferir en la señal; Además como el LNB va montado centralmente, bloquea muchas señales con su propia sombra sobre la superficie de la antena. Este tipo de antenas son usadas para televisiòn, radio y para la transmisiòn de datos en conexiòn VSAT.

EJEMPLO DE ANTENA VSAT



El SpaceTrack 4000
Es una gama de antenas que ha sido diseñada y producida para hacer la geografía y la distancia irrelevante; lugares remotos y los entornos desafiantes ya no son obstáculos. SpaceTrack 4000, una gama de antenas estabilizadas, está diseñada específicamente para su instalación en todo tipo de embarcaciones marítimas, incluidas las plataformas costa afuera, FPSO, los sumergibles, semi, los estudios y los buques sísmicos, y los transbordadores de pasajeros y cruceros. La instalación de SpaceTrack 4000 permite la comunicación a bordo a través de un siempre activo, eficiente y de alto rendimiento de la red. Sitios remotos marinos, fijos o móviles, pueden tener múltiples canales de voz, y seguro en tiempo real los datos, directamente a las instalaciones de las oficinas en tierra en cualquier lugar. Ampliación de LAN corporativa a estos lugares remotos facilita voz, datos y tráfico de video de forma segura y confiable, permitiendo a su vez, las decisiones empresariales que se realizan en tiempo real. La tecnología de los satélites utilizados en SpaceTrack 4000 resulta en el señalamiento óptimo de la antena. Esta característica garantiza que la señal se mantiene a pesar de las condiciones en el mar y la ubicación y dirección de la embarcación. Una vez que el sistema se instala, la antena se bloquea automáticamente la señal apropiada, garantizando la transmisión continua y fiable.

Beneficios


  1. Fija los presupuestos operativos
  2. Costo eficiente de redes de alto rendimiento
  3. Seguridad y fiabilidad de transmisión
  4. Adquisición automática de la señal de satélites adecuados
  5. Señalando exactitud garantizada
  6. Personalizado con soluciones de ingeniería para cada cliente
  7. La cobertura mundial
  8. Ku y C operaciones de banda
  9. Atención al cliente global, las 24 horas del día, siete días a la semana


Usos: Recepción de satélite, pero tiene un bloqueo del alimentador que reduce la simetría rotacional y reduce los haces
Es similar a la de Foco Primario, sólo que tiene dos reflectores; el mayor apunta al lugar de recepción, y las ondas al chocar, se reflejan y van al Foco donde está el reflector menor; al chocar las ondas, van al Foco último, donde estará colocado el detector. Se suelen utilizar en antenas muy grandes, donde es difícil llegar al Foco para el mantenimiento de la antena. Aplicaciones de radar multifunción:


Antena Cassegrain inversa para los radares de función múltiple

La antena Cassegrain invertida es conocida y descrita, por ejemplo, en EE.UU. Pat. N º 3.771.160 que se refiere a una antena Cassegrain invertida utilizando la rotación de la polarización. La antena de la que se informa en esta patente incluye también un reflector planeauxiliary formada por una pluralidad de rejillas de alambres conductores paralelos y de una placa de metal, placas y las rejillas de alambres, paralelas y separadas por un dieléctrico. Esta antena funciona con un mínimo de dos frecuencias, pero no puede ser utilizada en combinación con una función múltiple de control o de seguimiento por radar.


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Antena de foco primario



Antena Offset:

Una antena offset esta formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica. El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (por esto se le llama offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de foco primario, pudiendo ser de un 70% o algo más. Estas antenas se usan principalmente como receptoras de señales satelitales.

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Antena Offset
Antena de Cassegrain:

Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.

El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico.

El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.


El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.

Se suelen utilizar en antenas muy grandes, donde es difícil llegar al foco para el mantenimiento de la antena; tambièn tiene aplicaciones para radares multifuncionales y algunas aplicaciones para el campo militar.


Alimentadores para antenas con reflector o bocinas:

Las bocinas son utilizadas como alimentador en las antenas, es decir, se utilizan para iluminar el reflector formando lo que se conoce como antena parabólica. La bocina de alimentación se encuentra situada en el foco del paraboloide.

Una única bocina puede utilizarse como una antena de cobertura global en satélites; además se pueden agrupar varias bocinas, claro, todas estas alimentadas con una amplitud y una fase diferentes, para conseguir un determinado diagrama de radiación y dar cobertura a un país o continente. La agrupación de bocinas sería el alimentador del reflector.

En una transmisión la bocina emite energía desde el foco hacia la superficie del reflector, consiguiendo radiar sobre el rango de cobertura deseado, mientras que en una recepción el reflector actúa como un acumulador de energía de la señal, que es concentrada hacia la bocina alimentadora.

Las bocinas pueden transmitir ó recibir dos ondas con polarización distinta, siempre que la polarización sea ortogonal. Esto se consigue con un dispositivo llamado acoplador ortomodo, que es un sistema de guía de ondas en forma de T, donde por la guía principal se propagan dos modos dominantes ortogonales y cada guía adosada soporta uno de los dos modos anteriores.La polarización ha de ser ortogonal para que no se produzcan interferencias.

De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica.



conica.JPG
Bocina cónica para polarización circular

piramidal.JPG
Bocina piramidal para polarización lineal












Paràmetros de las antenas de tipo reflector:

Para distribuciones parabòlicas sobre pedestal el modelo de campo de apertura es el siguiente: Eab(r) = C + (1 - C) [1 - (r / a) 2] n

Donde: C→ Iluminaciòn sobre el borde de la parabòla dado en decibeles (dB)

n→ Nivel del lòbulo secundario

a→ Radio de apertura


Distribuciones parabólicas sobre pedestal: parámetros de campo radiado
Iluminación en el borde
n=1
n=2
C (dB)
C
HP (rad)
SLL (dB)
E
HP (rad)
SLL (dB)
E
-8
0,398
1,12 λ /2a
-21,5
0,942
1,14 λ /2a
-24,7
0,918
-10
0,316
1,14 λ /2a
-22,3
0,917
1,17 λ /2a
-27,0
0,877
-12
0,251
1,16 λ /2a
-22,9
0,893
1,20 λ /2a
-29,5
0,834
-14
0,200
1,17 λ /2a
-23,4
0,871
1,23 λ /2a
-31,7
0,792
-16
0,158
1,19 λ /2a
-23,8
0,850
1,26 λ /2a
-33,5
0,754
-18
0,126
1,20 λ /2a
-24,1
0,833
1,29 λ /2a
-34,5
0,719
-20
0,100
1,21 λ /2a
-24,3
0,817
1,32 λ /2a
-34,7
0,690

HP→ Ancho de haz a -3dB

SLL→ Nivel de lòbulo lateral

E→ Eficiencia de Iluminaciòn

La ganancia en estas antenas puede calcularse de la siguiente forma:

GN.JPG

Donde: D→ Diàmetro reflector

E→ Eficiencia global

Ahora, la ganancia de una antena reflectora de apertura circular se obtiene:


ganancia_2.JPG

Donde la eficiencia que comùnmente se obtiene es:

  • Reflector simple centrado: 60%
  • Sistema Cassegrain centrado: 65 al 70%
  • Sistema Offset: 70 al 75%
  • Sistema doble con superficies conformadas para máxima ganacia: 85 al 90%

La eficiencia total es debida a las siguientes eficiencias parciales:
  • Rendimiento de radiación (típicamente el del alimentador).
  • Eficiencia de iluminación (o de apertura).
  • Eficiencia de spillover.
  • Eficiencia por contrapolar.
  • Eficiencia por error en la superficie.
  • Eficiencia por bloqueo.
  • Pérdidas por desplazamientos del alimentador.


Eficiencia de Iluminación aplicando el modelo de iluminación parabólica sobre pedestal (n=2)
Eficiencia de Iluminación
:
Son las pérdidas de ganancia relacionadas con la iluminación no uniforme de la apertura.

Eficiencia de Spillover:
Es la pérdida de ganancia debida a la radiación del alimentador fuera del ángulo que contiene el reflector.
A medida que la iluminación del borde crece aumenta la eficiencia de iluminación pero disminuye la eficiencia de
spillover

El punto óptimo para la eficiencia Combinada (Iluminación y Spillover), se sitúa típicamente en torno a C=-10dB,-12dB.


Eficiencia combinada


Eficiencia por Contrapolar
:

Es la medida de la pérdida de energía en la que el componente contrapolar radiada.
En los sistemas centrados que no introducen componente contrapolar, esta eficiencia mide las características del alimentador.


Eficiencia por error en la superficie:
Esta relacionada con las desviaciones del frente de fase en la apertura respecto a la
onda plana ideal, debidas a las distorsiones de la superficie de los reflectores.

Eficiencia por Bloqueo:
Aparece a causa de la porción de apertura bloqueada por:


  • Alimentador (ó Subreflector).
  • Soportes del alimentador ó del Subreflector.

Pérdidas por desplazamientos:


  • Desplazamiento lateral:
El desplazamiento lateral del alimentador causa un apuntamiento del haz en sentido contrario al movimiento del alimentador.
Se produce una caída de la Ganancia y el Efecto de Coma (incremento asimétrico en el nivel de los lóbulos secundarios hasta juntarse uno de ellos con el lóbulo principal).

  • Desplazamiento axial:
La variación en la posición del alimentador a lo largo del eje z produce un error de fase de orden cuadrático en el campo de apertura que rellena los nulos del diagrama de radiación y disminuye la ganancia.
Antes de definir usos de antenas con reflector se debe notar que los tipos se deberían enunciar haciendo referencia a que todas son antenas "parabólicas" puesto que así queda más claro que son tipos de parabólicas.
Usos: Televisión, radio y transmisión de datos Conexión VSAT:





Antenas Multihaz:

Estas antenas se utilizan en sistemas de satèlite. Estas antenas están formadas por arrays de elementos alimentadores y circuitos de control para variar la potencia variando o combinando funciones del BFN (Beam-Forming Network), de esta manera se consige generar una red o matriz de haces.

Cada elemento del array ilumina con una apertura óptica generando un haz, el ancho de haz de un rayo va determinado por el tamaño de la apertura óptica y la posición. La separación angular de los rayos está determinada por la separación entre los elementos.

Con esta configuración, los satélites pueden comunicarse a través de una sola antena con varias estaciones terrenas geográficamente dispersas. Estas antenas son de varios tipos, pero los màs utilizados son las tipo Offset y tipo Cassegrain.



Tipos bàsicos de antenas planas:

Aplicaciones de las antenas planas

Radio digital por satélite
Se trata de un servicio de radio con procesamiento digital de sonido que puede ser utilizado tanto en edificios como en un vehículo. Los abonados a este servicio podrán disponer de más de 100 canales con la posibilidad de escuchar la misma emisora de radio sin tener que mover el dial del receptor de la radio.
Este sistema sólo existe en
Estados Unidos y hay 2 equipos disponibles: Sony XM -Plug and Play- Radio y Pioneer XM Universal Receiver.
Las empresas que han lanzado este sistema son
XM y Worldspace.

SAR
En cuanto a los SAR algunas de sus aplicaciones son:
  • Generación de modelos digitales de terreno. Se reconstruyen las altitudes de terreno a partir del desenrollado de fase de un interferograma. Esto tiene importantes aplicaciones que incluyen la planificación de redes de telecomunicación móvil, explotación geológica y planificación urbana. También es útil para la construcción de modelos topográficos en áreas remotas donde no se dispone de datos.
  • Control del hielo en el mar. La observación casi continua sin la influencia de las condiciones meteorológicas y la larga noche invernal proporciona datos para servicios de navegación en invierno. Con un estudio de este tipo se obtienen datos como localizaciones de masas de hielo, estimaciones del tipo de hielo y su concentración.
  • Clasificación de uso de tierra y monitorización de bosques. Se puede estudiar la respuesta en amplitud o intensidad de la señal o eco de retorno para controlar distintos tipos de cultivos, talas incontroladas, es decir, los diferentes cultivos se pueden identificar según sus efectos sobre la variación de la coherencia o sobre la respuesta espectral.
  • Identificación de depósitos materiales. Se pueden detectar los accidentes y estructuras que indican la presencia de depósitos minerales, bien sea para prospección con fines de explotación como de estudio.
  • Vigilancia de zonas costeras. Se utilizan este tipo de radares para controlar los efectos del crecimiento incontrolado en las zonas costeras. Algunos de estos efectos pueden ser acumulación de contaminantes, erosión, agotamiento rápido de recursos...
  • Inundaciones. Se pueden emplear estas técnicas para tener modelos hidrológicos y de cauces que sirvan como previsión.
  • Control de glaciares. Es posible medir con estos radares sus dimensiones así como controlar sus variaciones a lo largo del tiempo
Antenas sectoriales
Son la mezcla de las antenas direccionales y las omnidireccionales. Es una solución tecnológica ideal para la planificación de redes móviles celulares.
Las antenas sectoriales emiten un haz más amplio que una direccional pero no tan amplio como una omnidireccional. La intensidad (alcance) de la antena sectorial es mayor que la omnidireccional pero algo menor que la direccional.
Para tener una cobertura de 360º (como una antena omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) deberemos instalar o tres antenas sectoriales de 120º ó 4 antenas sectoriales de 80º. Las antenas sectoriales suelen ser más costosas que las antenas direccionales u omnidireccionales.
A continuación podemos ver el diagrama patrón de una antena sectorial:

Diagrama patrón antena sectorial

Combinando varias antenas en un mismo mástil, podemos lograr cubrir un territorio amplio, mitigando el efecto del ruido y ampliando el ancho de banda:

Ejemplo cálculo antenas sectoriales
Para simular un simple ejemplo de cálculo de antenas sectoriales utilizamos el siguiente applet: Applet cálculo antenas sectoriales
Calcularemos los diagramas para la siguiente antena real:

Estudiando la fotografía vemos que el número de elementos es 3, por lo que N=3
Por otro lado, para el funcionamiento del Applet necesitamos conocer la distancia d. Esta distancia, es la distancia en mm entre los dos centros de dos antenas contiguas. Esta distancia es por lo tanto una lambda (longitud de onda). Si nos fijamos en nuestro caso d = 0,92*lambda.
Para conocer su fase Beta = K * d , siendo d conocida y K=2*Pi / lambda.
De esta manera vemos que Beta es igual a Beta = 2*Pi*distancia, siendo en nuestro caso Beta=2*Pi*0,92 radianes. En grados Beta= 2*Pi*0,92*Pi / 180 = 0,1º, es decir prácticamente cero.
Para estos parámetros obtenemos el siguiente patrón:


Ingeniería con antenas planas

Efecto del Dieléctrico
La carga dieléctrica de una antena microstrip afecta tanto a la radiación como a su impedancia de ancho de banda. A medida que incrementa la constante dieléctrica del sustrato, el ancho de banda disminuye lo que hace que disminuya también el factor Q y por lo tanto también disminuye la impedancia de ancho de banda. Esto no aparece inmediatamente cuando se utiliza el modelo lineal de transmisión pero si cuando utilizamos el modelo de cavidad. La radiación de una antena microstrip rectangular se puede entender como un par de ranuras equivalentes. Estas ranuras pueden actuar como un array y tener su directividad más alta cuando la antena tiene como dieléctrico el aire y disminuye cuando la antena es cargada con material con incremento relativo de la constante dieléctrica.
Antenas de bucle magnètico


Las antenas de bucle magnético consisten en un bucle de forma circular, octogonal o rectangular. El perimetro de la antena puede ser del orden de la longitud de onda, o bien bastante menor.

Estas antenas tienen una elevada direccionalidad, con el maximo de recepción en el plano de la antena, y el minimo en el plano perpendicular al plano de la antena.
Son poco afectadas por la tierra a partir de alturas superiores a un metro y medio.

En contrapartida, estas antenas desarrollan tensiones de varios kilovoltios en bornes, lo que significa que los materiales deben ser capaces de desarrollar esas tensiones. Las medidas de seguridad también se ven afectadas.

Finalmente, el ancho de banda es de unos pocos kilohertz, lo que significa que en caso de cambio de frecuencia require un nuevo ajuste de la impedancia.



Antenas Microstrip

Estas son un tipo de antenas planas, son una extensión de la línea de trasmisión Microstrip. Son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesférica.

Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elementos de un array. La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiación; su estructura se basa en: - Parche metálico de dimensiones comparables a la longitud de onda - Substrato dieléctrico sin pérdidas - Plano de masa.

Existen varios tipos de antenas microstrip, la más común es la antena parche.Esta antena es de banda estrecha y esta fabricada cubriendo los elementos de la antena en un metal con sustrato dieléctrico formando una superficie plana. Las formas más comunes de los parches son cuadrados, rectangulares, circulares y elípticas pero es posible cualquier forma.

Una ventaja de estas antenas es la diversidad de polarización, pueden ser fácilmente diseñadas para estar polarizadas en vertical, horizontal, circular derecha o circular izquierda.

Este tipo de antenas se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre substrato dielèctrico . Su estructura consiste en un parche metálico sobre un substrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor varia entre 0.003λ y 0.05λ y su constante dieléctrica puede tomar valores entre 2 y 12. En la parte inferior hay un plano conductor perfecto.



Configuración de antenas microstrip
Las antenas parche son un tipo popular de antena cuyo nombre viene del hecho de que consisten básicamente en un parche de metal tapado por un soporte plano que normalmente es de plástico y lo protege de daños. La antena parche más simple usa un parche con una longitud que es las mitad de la longitud de onda y un soporte más largo. El flujo de la corriente va en la dirección del cable de alimentación, así el vector de potencia y el campo magnético siguen la misma dirección que la corriente. Una antena simple de este tipo radia una onda polarizada linealmente.


Ganancia
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. Si el parche es cuadrado pueden ser otros 2 o 3 dB. El soporte plano impide la radiación alrededor de la antena reduciendo la potencia media en todas las direcciones en un factor de 2.lo que hace que la ganancia aumente en 3 dB. Un patrón típico de diagrama de radiación de una antena polarizada linealmente de 900 MHz es el dibujado en la siguiente gráfica. La gráfica muestra un corte en el plano horizontal, el plano vertical es muy similar.
En esta gráfica podemos ver que en un ángulo de 90º la radiación es máxima, mientras que si nos vamos alejando la radiación es menor y acaba cayendo 3 dB. También se puede ver que por detrás del parche hay una pequeña radiación.


Comparación entre dos antenas: la antena "A" con un parche de 2×2 dm y la antena "B" con 3×3 dm. Puede observarse cómo varía el ancho de banda y la pérdida de retorno según va aumentando la frecuencia.

Impedancia del ancho de banda

La impedancia del ancho de banda de una antena está influenciado por el espacio que hay entre el parche y el soporte plano, cuanta menos distancia haya se radiara menos energía y más energía se quedara en la inductancia y capacitancia de la antena con lo que el factor Q aumenta. La ecuación para estimar el ancho de banda de estas antenas es:

Donde d es la altura del parche, W es el ancho, Z0 es la impedancia de espacio libre y Rrad es la resistencia de radiación de la antena. Una ecuación reducida podría ser:


Polarización circular
También es posible fabricar antenas con ondas polarizadas circularmente. Mirando el dibujo se puede ver como se introduce un retardador de frecuencia que lo que hace es desfasar el vector en 90º y así se consigue que sea una radiación circular.
Algunas de las aplicaciones de estas antenas son para antenas de los sistemas de teledetección, sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de calor de tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y todos los sistemas a frecuencias de microondas.
Estas antenas se pueden alimentar de varias formas:

  • A través de líneas impresas
  • A través de ranuras
  • Sondas coaxiales
  • Acoplamiento de las cavidades
Antenas de apertura sintética (SAR)
Este tipo de antenas o radares ilumina una escena a través de una sucesión de pulsos en una frecuencia determinada. Una parte de la energía que se propaga (en todas direcciones) vuelve a la antena (eco).Un sensor mide la intensidad y el retardo de las señales emitidas y las que vuelven y con la interpretación de estos últimos se forman imágenes en función de la distancia al radar. Este radar es un sensor activo, ya que lleva su propia fuente de alimentación. Opera principalmente en la radiación microondas, lo que hace que sea más independiente de factores externos como lluvia, nubosidad o niebla. Esto permite la observación continua, incluso en horario nocturno.
Se trabaja en dominio discreto al hacer muestreo de las señales. Las imágenes radar están compuestas por muchos puntos o elementos, denominados píxeles. Cada píxel representa un eco de vuelta detectado.
Un satélite que utiliza este tipo de antena o radar es el
European Remote Sensing Satellite (ERS).


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Irradiaciòn de la antena parche








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Antena Parche











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Frec. y ganancia de la antena Parche





En cuanto a las aplicaciones, las antenas planas se pueden emplear para la transmisión de radio digital por satélite, el cual es un proceso de radio común pero con procesamiento digital de sonido. Este servicio podrá disponer de 100 canales con la posibilidad de escuchar la misma emisora sin necesidad de mover el dial del receptor de radio.

Las SAR, que son otro tipo de antenas planas son muy utiles en cuanto a la generación de modelos digitales de terreno, controlar el nivel del hielo en el mar, clasificación y monitoreo de los bosques, etc.



Antenas de Dipolos

Un dipolo es una antena con alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son las más simples desde el punto de vista teórico.


Tipos de Antenas de Dipolo

Dipolo corto:


Un dipolo corto (también llamado dipolo elemental) es un dipolo con una longitud mucho menor que la longitud de onda con polarización lineal. A 1 MHz de frecuencia la longitud de onda es de 300m; por tanto, la mayoria de las antenas se comportan como un dipolo corto a frecuencias menores de 1 MHz.







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Dipolo Corto





Dipolo de media onda

Es un dipolo muy similar al dipolo corto pero en este caso la longitud es igual a la mitad de la longitud de onda.


Dipolo Doblado

Un dipolo doblado consiste en dos dipolos paralelos cortocircuitados en su extremo. Uno de los dipolos es alimentado en el centro por un generador.

El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que las reactancias se compensan y también tiene una mayor impedancia.


Antena Yagi

Esta consiste en una antena de dipolo a la cual se le añaden unos elementos llamados "parásitos" para hacerlo direccional. Estos elementos pueden ser directores o reflectores.
Los elementos directores se colocan delante de la antena y refuerzan la señal en el sentido de emisión.
Los elementos reflectores se colocan detrás y bloquean la captación de señales en la dirección opuesta al emisor.


Antena Log Periódica

Una antena de tipo log periódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. El diseño de estas antenas se realiza a partir de unas ciertas dimensiones como las dimensiones de un dipolo o la separación que se van multiplicando por una constante. Una de los diseños más conocidos es la agrupación logoperiódica de dipolos.





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Antena Log Periódica





Aspectos relacionados con la Física involucrada en las antenas

Influencia Terrestre


La conductividad del terreno es un factor determinante en la influencia de la tierra sobre la propagación de las ondas electromagnéticas. La conductividad de la superficie de la tierra depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas que inciden sobre ella y del material por la que esté compuesta, comportándose como un buen conductor a bajas frecuencias y reduciendo su conductividad a frecuencias mayores.

El coeficiente de reflexión del suelo es un parámetro relacionado con la conductividad e informa acerca de como se reflejan las ondas en él. Su valor depende del ángulo de incidencia y del material que conforma el suelo: tierra húmeda, tierra seca, lagos, mares, zona urbana, etc.

Para un determinado coeficiente de reflexión, la energía reflejada por el suelo aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia respecto de la normal, siendo la mayor parte de la energía reflejada cuando la incidencia es rasante, y teniendo los
campos eléctrico y magnético de la onda reflejada casi la misma amplitud que los de la onda incidente.
En el caso de las antenas, tratándose habitualmente de emisión o recepción a grandes distancias, casi siempre existe una incidencia rasante.






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Rayo reflejado debido a la tierra




El rayo reflejado por la tierra puede modelarse, desde el punto de vista de la antena receptora, como el rayo transmitido por una antena imagen de la antena transmisora, situada bajo el suelo. El rayo reflejado recorre más distancia que el rayo directo.
La apariencia de la antena imagen es una imagen especular de la apariencia de la antena transmisora real. En algunos casos se puede considerar que la onda transmitida desde la antena real y la onda transmitida desde la antena imagen tienen aproximadamente la misma amplitud, en otros casos, por ejemplo cuando el suelo tiene irregularidades de dimensiones similares o mayores que la longitud de onda, la reflexión del rayo incidente no será neta.

La distancia recorrida por el rayo reflejado por la tierra desde la antena transmisora hasta la antena receptora es mayor que la distancia recorrida por el rayo directo. Esa diferencia de distancia recorrida introduce un desfase entre las dos ondas.




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Diferentes tipos de antenas y su Irradiación




A continuación se muestran algunos videos explicativos sobre el funcionamiento de las diferentes clases de antenas y una resumida explicación sobre lo que son las ondas electromagnéticas.

























Referencias





  • Antenas. A. Cardama, L. Jofre, J.M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. Edicions UPC ISBN 84-8301-625-7
  • Antenna Theory: Analysis and Design (John Wiley & Sons, 2005) by Constantine A. Balanis
  • Introducción a la teoría de antenas
  • Radiocomunicaciones, Curso con cientos de preguntas y ejercicios prácticos de autoevaluación para el diseño práctico de radioenlaces, Francisco Ramos Pascual, 2007.

CARLOS ANDRÉS GUERRERO VALENCIA 807033. Estudiante de ingenieria Electrónica.Universidad Nacional Sede Manizales - Campos Electromagnéticos