Antena hertz


Sistema de coordenadas de la antena


Las características direccionales de una onda electromagnética irradiada o recibida por una antena, se describen en general en términos de coordenadas esféricas. Imaginemos la antena colocada en el centro de la esfera, y la distancia a cualquier punto en la superficie de la esfera se puede definir con respecto a la antena, mediante el radio de la esfera d y los ángulos θ y Φ. El plano x-y de la figura se llama plano ecuatorial, y cualquier plano que forma ángulo recto con él se llama plano meridiano.

Patrón de radiación


El patrón de radiación o diagrama de radiación es un diagrama o gráfico polar que representa las intensidades de campo o densidades de potencia en diversas posiciones angulares en relación con la antena. Si la gráfica de radiación se traza en términos de intensidad del campo eléctrico (?) o de densidad de potencia (?) se llama gráfica de radiación absoluta (es decir, distancia variable y potencia fija). Si se grafica intensidad de campo o densidad de potencia con respecto al valor, en algún punto de referencia, se llama gráfica de radiación relativa (es decir, potencia variable y distancia fija).

Campos cercano y lejano

El término campo cercano se refiere al patrón de radiación cerca de una antena, y el término campo lejano indica un patrón de radiación a gran distancia. Durante medio ciclo, se irradia potencia desde la antena, donde algo de la potencia se almacena en forma temporal en el campo cercano. Durante el medio ciclo siguiente, la potencia del campo cercano regresa a la antena. Esta acción se parece a la forma en la que un inductor almacena y libera energía. Por lo tanto al campo cercano también se lo conoce como campo de inducción. La potencia que llega al campo lejano continúa irradiándose y alejándose, y nunca regresa a la antena. Por lo tanto, campo lejano se le llama campo de radiación. La potencia irradiada suele ser la más importante de las dos y, los patrones de radiación de las antenas se dan para el campo lejano. El campo cercano se define como lo área dentro de una distancia D²/λ de la antena, siendo λ la longitud de onda y D el diámetro de la antena, en las mismas unidades.

Resistencia de radiación y Eficiencia de la antena

No toda la potencia que se suministra a una antena se irradia. Algo de ella se convierte en calor y se disipa. La resistencia de radiación es la resistencia de la antena a la corriente alterna, y es igual a la relación entre la potencia radiada por la antena y el cuadrado de la corriente en su punto de alimentación, está representada por la siguiente ecuación: 
Ecuacion
Donde: Rr= resistencia de radiación (ohms)
            Prad= potencia radiada por la antena (watts) 
            i = corriente en el punto de alimentación de la antena (amper)
La eficiencia de la antena es la relación entre la potencia radiada por ella y la suma de la potencia radiada y la potencia disipada (o la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia total de entrada). Matemáticamente se expresa como: 

 Ecuacion
Donde: η= eficiencia de la antena (%) 
            Pr= potencia radiada (watts)
            Pd= potencia disipada (watts)

Fig. 5 Circuito equivalente simplificado de una antena


Ganancia directiva y ganancia de potencia
La ganancia directiva es la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección particular y la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas están irradiando la misma cantidad de potencia. El grafico de densidad de potencia de radiación para una antena en realidad es un gráfico de ganancia directiva, si se toma la referencia de densidad de potencia para una antena normal de referencia, que en general es una antena isotrópica. La ganancia directiva máxima se llama directividad y matemáticamente se expresa como:

Ec. 3

Donde: ganancia directiva (adimensional)
densidad de potencia en un punto, para una determinada antena (w/ )
densidad de potencia en el mismo punto, por la antena de referencia (w/ )
La ganancia de potencia es lo mismo que la ganancia directiva, excepto que se usa la potencia total entregada 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 ( ). La ecuación de la ganancia de potencia es, Ec. 4
La ganancia de potencia de una antena, expresada en decibeles, en relación con una antena de referencia es:
( )

Ec. 5

Para una referencia isotrópica, la ganancia de potencia en dB, de un dipolo de media onda, es 1.64 (2.15 dB), aproximadamente. Se acostumbra expresar la ganancia de potencia en dB, cuando se refiere a un dipolo de ?/2. Sin embargo, si la referencia es un radiador isotrópico, se indican los decibeles como dBi o dB/radiador isotrópico, y es 2.15 dB mayor que si se usara un dipolo de media onda como referencia. Es importante notar que la potencia radiada por una antena nunca puede ser mayor que la potencia de entrada. Por lo tanto, la antena realmente Antenas
8 no amplifica la potencia de entrada. Una antena sólo concentra su potencia radiada en una determinada dirección. Entonces, los puntos en donde la potencia radiada se concentra obtienen una ganancia aparente en relación con la densidad de potencia en esos mismos puntos si se usara una antena isotrópica. Si la ganancia se obtiene en una dirección, debe haber una reducción (pérdida) de densidad de potencia en otra dirección. La dirección a la que apunta una antena siempre es la de máxima radiación. Como una antena es un dispositivo reciproco, su patrón de radiación es también su patrón de recepción. Para alcanzar una potencia capturada máxima, una antena receptora debe apuntar en la dirección desde donde se desea recibir. En consecuencia, las antenas receptoras tienen directividad y ganancia de potencia, exactamente como las de transmisión.

Potencia radiada isotrópica efectiva

La potencia isotrópica efectiva irradiada (EIRP; Effective Isotropic Radiated Power) se define como la potencia equivalente de transmisión y se expresa como:

Ec. 6

Donde: potencia total radiada (watts).
ganancia directiva de la antena de transmisión (adimensional).
También se puede expresar de la siguiente manera:
( )

Ec. 7

La EIRP o simplemente ERP (de Effective Radiated Power, potencia efectiva radiada) es la potencia equivalente que tendría que radiar una antena isotrópica para alcanzar la misma densidad de potencia en la dirección seleccionada y en determinado punto, que otra antena. Por ejemplo, si determinada antena de transmisión tiene ganancia de potencia de 10, la densidad de potencia a una distancia dada de la antena es 10 veces mayor que la que habría sido si fuera un radiador isotrópico. Una antena isotrópica tendría que radiar 10 veces la potencia para alcanzar la misma densidad de potencia. Por lo tanto, la antena dada irradia efectivamente 10 veces más potencia que una antena isotrópica con la misma potencia y eficiencia.
Para calcular la densidad de potencia en determinado punto a una distancia R de Ia antena transmisora, se puede utilizar la siguiente expresión:

Ec. 8

Donde: densidad de potencia (watts/ )
potencia radiada por la antena trnsmisora (watts)
ganancia de potencia de la antena transmisora (adimensional)
distancia a la antena de transmisión (m) Antenas
9 Densidad de potencia capturada
Las antenas son dispositivos recíprocos; o sea una antena tiene la misma ganancia de potencia y directividad. Por lo tanto, la potencia recibida o capturada por una antena es el producto de la densidad de potencia en el espacio inmediato que rodea a la antena y la ganancia directiva de ésta.
( )( )( )

Ec. 9

Donde: densidad de potencia capturada (W/ )
potencia de entrada a la antena de transmisión (W)
ganancia de potencia de la antena transmisora (adimensional)
ganancia de potencia de la antena receptora (adimensional)
distancia entre las antenas de transmisión y recepción (m)

Área de captura y potencia de captura

El área de captura de una antena es un área efectiva, y se puede describir así: una antena de transmisión radia una onda electromagnética que tiene cierta densidad de potencia en (W/ ), en el lugar de la antena de recepción. No es la potencia real recibida, sino más bien la cantidad de potencia que incide en, o pasa a través de; cada área unitaria de una superficie imaginaria que es perpendicular a la dirección de propagación de las ondas electromagnéticas.
Una antena receptora, expuesta al campo electromagnético tendrá inducidos en ella un voltaje y una corriente de radiofrecuencia, que producirán una potencia correspondiente de radiofrecuencia en los terminales de salida de la antena. En principio, la potencia (en watts) disponible en los terminales de salida de la antena, es la potencia capturada. La potencia capturada se puede entregar, a una línea de transmisión o a los circuitos de entrada de un receptor. Para que aparezca la potencia capturada en los terminales de la antena, esta debe haber capturado potencia en el espacio inmediato que la rodea.
La potencia capturada es directamente proporcional a la densidad de potencia recibida y al área de captura de la antena receptora. Como cabe esperar, el área física transversal de una antena, y su área efectiva de captura, no necesariamente son iguales. De hecho, algunas veces hay antenas con áreas transversales físicamente pequeñas que pueden que pueden tener áreas de captura bastante mayores que sus áreas físicas. En esos casos, es como si la antena se extendiera y capturara o absorbiera potencia de una zona mayor que su tamaño físico.
Hay una relación obvia entre el tamaño de una antena y su capacidad para capturar la energía electromagnética. Esto sugiere que también debe haber una relación entre la ganancia de una antena y su área transversal de recepción. La relación entre las dos cantidades se expresa como sigue:

Ec. 10

Donde: área efectiva de captura ( ) Antenas
10 ? longitud de onda de la señal recibida (m)
ganancia de potencia de la antena receptora (adimensional)
La potencia capturada es tan sólo el producto de la densidad de potencia en la zona que rodea a la antena receptora, por el área de captura de esa antena. La potencia capturada se define como:
( )( )

Ec. 11

Donde: potencia capturada (watts)
potencia de entrada a la antena transmisora (watts)
ganancia de potencia de la antena transmisora (adimensional)
ganancia d epotencia de la antena receptora (adimensional)
longitud de onda de la señal recibida (m)
distancia entre antenas receptora y transmisora (m)

Polarización de la antena

La polarización de una antena no es más que la orientación del campo eléctrico que se irradia desde ella. Una antena puede estar polarizada en forma lineal (en general, horizontal o verticalmente, suponiendo que los elementos de la antena están en un plano horizontal o en uno vertical), en forma elíptica o en forma circular. Si una antena irradia una onda electromagnética verticalmente polarizada, se define a la antena como verticalmente polarizada (o polarizada verticalmente). Si una antena irradia una onda electromagnética horizontalmente polarizada, se dice que la antena esta polarizada horizontalmente; si el campo eléctrico gira describiendo una elipse, está polarizada elípticamente; si el campo eléctrico gira en forma circular, está polarizada circularmente.
Fig. 6 Polarizaciones de las antenas: a) Lineal; b) Elíptica; c) Circular.
Ancho de haz de la antena
El ancho del haz de una antena es la separación angular entre los dos puntos de media potencia (-3 dB) en el lóbulo mayor del patrón de radiación de una antena, que se suele tomar en uno de los planos principales. El ancho del haz de la antena cuyo patrón de radiación se ve en la Fig. 7, es el ángulo definido por los puntos A, X y B (el ángulo ?). 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 Antenas
11 distancia de la antena, en la dirección de radiación máxima). El ancho del haz de una antena, a veces, se llama también ancho de lóbulo.
La ganancia de la antena es inversamente proporcional al ancho del haz; mientras más grande es la ganancia de una antena, el ancho del haz es menor. Una antena omnidireccional (isotrópica) irradia por igual en todas direcciones, por lo tanto tiene ganancia unitaria y el ancho del haz es de 360°.
Fig. 7 Ancho de haz de la antena
Ancho de banda de una antena
El ancho de banda de una antena se define, como el intervalo de frecuencias dentro del cual el funcionamiento de la antena es satisfactorio. Se toma, normalmente, como la distancia entre las frecuencias de media potencia (diferencia entre las frecuencias máxima y mínima de operación), pero a veces indica variaciones en la impedancia de entrada de la antena. El ancho de banda de una antena, normalmente también se expresa como un porcentaje de la frecuencia óptima de operación de esa antena.

Impedancia de entrada de la antena

La radiación de una antena es un resultado directo del flujo de corriente de RF. La corriente va hacia la antena pasando por una línea de transmisión, que está conectada con un espacio pequeño entre los conductores que forman la antena. El punto de la antena donde se conecta la línea de transmisión se llama terminal de entrada de la antena, o simplemente punto de alimentación. El punto de alimentación presenta una carga de CA a la línea de transmisión, llamada impedancia de entrada de (o a) la antena. Si la impedancia de salida del transmisor y la impedancia de entrada de la antena son iguales a la impedancia característica de la línea de transmisión, no habrá ondas estacionarias en la línea y se transmitirá una potencia máxima a la antena, potencia que será radiada. Antenas
12 La impedancia de entrada de una antena es sólo la relación entre el voltaje de entrada a la antena y la corriente de entrada a la misma. Es decir:

Ec. 12

Donde: impedancia de entrada a la antena (ohms)
tensión de entrada a la antena (volts)
corriente de entrada a la antena (amper)
En general, la impedancia de entrada de la antena es compleja; sin embargo, si el punto de alimentación está en un máximo de corriente y no hay componente reactiva, la impedancia de entrada es igual a la suma de la impedancia de radiación y la impedancia efectiva.
Antenas básicas
Doblete elemental
Es el tipo más sencillo de antena, es un dipolo eléctricamente corto y también se lo conoce como dipolo corto, dipolo elemental o dipolo hertziano.
Eléctricamente corto significa, corto comparado con la mitad de la longitud de onda (generalmente cualquier dipolo que es menor a una décima de longitud de onda de largo, se considera dipolo corto). Un doblete elemental tiene corriente uniforme en toda su longitud. Sin embargo, se supone que la corriente varía en forma senoidal en función del tiempo, y que en cualquier instante es:
( ) ( )

Ec. 13

Donde: ( ) corriente instantánea (amperes)
amplitud máxima de la corriente de RF (amperes)
frecuencia (Hertz)
tiempo instantáneo (segundos)
ángulo de fase (radianes)
Con la ayuda de las ecuaciones de Maxwell se puede demostrar que el campo lejano es:

Ec. 14

Donde: intensidad del campo eléctrico (volts)
longitud de uno a otro extremo del dipolo (m9
corriente del dipolo (amper)
? ángulo que forma el eje de la antena con la dirección de radiación, indicada en la Fig. 8 a.
Al graficar la ecuación 14 se obtiene la figura de intensidad relativa del campo eléctrico para un dipolo elemental, que se ve en la Fig. 8 b, se aprecia que la radiación es máxima en ángulo recto con el dipolo y baja a cero en los extremos.
La gráfica de densidad de potencia relativa se puede deducir con la Ec. 10 sustituyendo Antenas
13 ?, entonces resulta:
Ec. 15
Fig. 8 a) Doblete elemental, b) patrón de radiación relativa.
Dipolo de media onda
Es uno delos tipos de antena más utilizadas para frecuencias mayores a 2 MHz. A frecuencias menores que 2 MHz, la longitud física de una antena de media onda la hace prohibitiva. Al dipolo de media onda se le llama en generalmente antena de Hertz, en honor de Heinrich Hertz., quien fue el primero en demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas.
Una antena de Hertz es una antena resonante, es decir, tiene una longitud que resulta ser múltiplo de cuartos de Iongitud de onda, en tanto que el extremo más lejano tiene un circuito abierto. A lo largo de una antena resonante se desarrollan ondas estacionarlas de tensión y corriente. La Fig. 9 muestra las distribuciones ideales de tensión y corriente a lo largo de un dipolo de media onda. Cada polo de la antena se ve como un tramo abierto de línea de transmisión de cuarto de longitud de onda. Por lo tanto, en los extremos hay un máximo de tensión y un mínimo de comente, y un mínimo de tensión y un máximo de corriente en el centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de alimentación está en el centro de la antena, la impedancia de entrada es ? tiene valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena es ? , y tiene valor mínimo. La Fig. 10 muestra la curva de impedancia en un dipolo de media onda alimentado en el centro.
La impedancia varía desde un valor máximo en los extremos, de aproximadamente 2500 ?, hasta un mínimo en el punto de alimentación, de unos 73 ?, (de los cuales entre 68 y 70 ? es la resistencia de radiación). Antenas
14 Un radiador de alambre como un dipolo de media onda, se puede considerar como un número infinito de dobletes elementales colocados extremo con extremo. Por lo tanto, el patrón de radiación se puede obtener integrando la ecuación 14 sobre la longitud de la antena. El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la colocación horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie terrestre.
Fig. 11 Patrones de radiación de un dipolo de media onda: a) Vista vertical (lateral) de un dipolo montado verticalmente, b) Vista del corte transversal; c) Vista horizontal (superior).

La Fig. 11 muestra los patrones de radiación, visto desde un lado, para un dipolo de media onda montado verticalmente. Los dos lóbulos principales que irradian en direcciones opuestas están en ángulo recto con la antena. También se puede ver que los lóbulos no son círculos, pues los lóbulos circulares sólo se obtienen con antenas ideales en las cuales la corriente es constante en toda la longitud de la antena. Además se puede observar, Fig. 11 b, que el patrón de radiación tiene forma de 8. La radiación máxima está en un plano paralelo a la superficie terrestre. Mientras mayor es el ángulo de elevación, la radiación es menor y para 90° no hay radiación. La Fig. 11 c, muestra la vista superior del patrón de radiación para un dipolo de Antenas
15 media onda montado en dirección vertical. La forma es circular porque la radiación es uniforme en todas las direcciones perpendiculares a la antena.

Efectos de la Tierra en un dipolo de media onda

Los patrones de radiación de la Fig. 11 son para espacio libre. En la atmósfera terrestre la propagación de las ondas se ve afectada por la orientación de la antena, la absorción atmosférica y los efectos de la Tierra como la reflexión. En la Fig. 12 se muestra el efecto de la reflexión de la Tierra sobre un dipolo de media onda no aterrado. La antena se monta a una altura h, que resulta ser una cantidad apreciable de longitudes de onda. La intensidad del campo en un punto determinado del espacio, es la suma de las ondas directa y reflejada en la superficie terrestre. La onda reflejada parece estar radiada desde una antena imagen a la distancia h debajo de la superficie terrestre. Esa antena aparente es una imagen reflejada de la antena real. La onda reflejada se invierte 180° y viaja una distancia 2h sen ? más lejos que la onda directa, para alcanzar el mismo punto p en el espacio. El patrón de radiación resultante es la suma de las radiaciones de la antena real y la imagen.

Fig. 12 Efecto del suelo sobre un dipolo de media onda


La Fig. 13 muestra los patrones de radiación vertical para un dipolo de media onda montado horizontalmente un cuarto de longitud de onda sobre el suelo. En este caso el lóbulo inferior desaparece por completo y la intensidad de campo directo hacia arriba se duplica. La Fig. 13 a muestra, en línea de trazos, el patrón en espacio libre y en línea llena la distribución vertical en un plano que pasa por la antena. La Fig. 13 b muestra la distribución vertical en un plano en ángulo recto con la antena. La Fig. 13 c muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo horizontal de media onda sobre el suelo. Se ve que ahora el patrón de radiación, se descompone en dos lóbulos, y que la dirección de radiación máxima (vista de frente) está a 30° de la horizontal, en lugar de ser directo hacia arriba. Las ondas reflejadas en el suelo tienen Antenas
16 efectos parecidos en todas las antenas. No hay componente en Tierra para polarización horizontal debido al cambio de fase del componente reflejado.
Fig. 13 Patrón de radiación vertical para un dipolo de media onda: a) En un plano a través de la antena, b) En un plano perpendicular a la antena, c) Dipolo horizontal a media longitud de onda sobre el suelo.

La mejor forma de eliminar o reducir los efectos de las ondas reflejadas en la Tierra es montar la antena muy por encima de la superficie terrestre para obtener condiciones de espacio libre. Sin embargo, en muchas situaciones esto es imposible. Los reflejos en la superficie terrestre a veces son convenientes para obtener el ángulo de elevación deseado y así lograr la máxima respuesta del lóbulo mayor.
La altura de una antena no aterrada sobre la superficie del suelo, también influye sobre la resistencia de radiación. Esto se debe a que las ondas reflejadas atraviesan o interceptan la antena y alteran su corriente. Dependiendo de la fase de la onda reflejada en el suelo, la corriente de la antena puede aumentar o disminuir, causando un aumento o disminución en la impedancia de entrada. Antenas
17 Antena conectada a tierra
Una antena mono-polo (un solo polo) de un cuarto de longitud de onda de largo, montada en dirección vertical con el extremo inferior conectado directamente a tierra, o conectado a través de la red de acoplamiento de la antena, se llama antena de Marconi. Las características de esta antena se parecen a las de la antena de Hertz, a causa de las ondas reflejadas en el suelo. La Fig. 14 a muestra las ondas estacionarias de corriente y tensión para, una antena de cuarto de onda aterrada. Se ve que si se monta la antena de Marconi en forma directa sobre la superficie terrestre, se combinan la antena real y su imagen y producen exactamente las mismas distribuciones de ondas estacionarias que las de una antena de media onda no aterrada (de Hertz). Los máximos de corriente se presentan en los extremos aterrados, y esto hace que pase una gran corriente por el suelo. Para reducir las pérdidas, el terreno debe tener buena conductividad, por ejemplo, como un suelo rico en arcilla. Si es mal conductor, como por ejemplo si es arenoso o rocoso, se podría necesitar un plano de tierra artificial, construido con alambres gruesos de cobre, formando una distribución radial debajo de la antena.
Fig. 14 Antena conectada a tierra de cuarto de onda: a) Ondas estacionarias de tensión y corriente; b) Patrones de radiación.

La Fig. 14 b, muestra el patrón de radiación para una antena de cuarto de onda aterrada. La mitad inferior de cada lóbulo se anula por las ondas reflejadas en el suelo. Esto en general no tiene importancia, porque aumenta la radiación en dirección horizontal y se incrementa así la radiación a lo largo de la superficie terrestre (ondas terrestres) y se mejora el área abarcada. También se puede ver que al aumentar la longitud de la antena, se mejora la radiación horizontal, a expensas de la propagación de ondas celestes. Esto también se observa en la Fig. 14 b. La radiación horizontal óptima se obtiene en una antena con una longitud equivalente a, más o menos, cinco octavos de longitud de onda. Antenas
18 Carga de la antena
Hasta ahora hemos considerado la longitud de una antena en función de longitudes de onda, más que de las dimensiones físicas. Por cierto, ¿qué longitud tiene una antena de un cuarto de onda, o de un cuarto de longitud de onda? Para una frecuencia de transmisión de 1 GHz, un cuarto de longitud de onda es 7.5 cm. Sin embargo, cuando la frecuencia de transmisión es 1MHz, un cuarto de onda es 75 m y a 100 kHz es 750 m. Es obvio que las dimensiones físicas para las antenas de baja frecuencia no son prácticas.
Es posible aumentar la longitud eléctrica de una antena mediante una técnica llamada carga. Cuando se carga una antena, su longitud física permanece inalterada aunque su longitud eléctrica efectiva aumenta. Para cargar las antenas se usan varios métodos.

Bobinas de carga

La Fig. 15 a muestra como una bobina (inductor) conectada en serie con una antena dipolo aumenta efectivamente la longitud eléctrica de una antena. Esa bobina se denomina apropiadamente bobina de carga. La bobina de carga cancela efectivamente el componente capacitivo de la impedancia de entrada de la antena. Por lo tanto, la antena se ve como si fuera un circuito resonante, es resistiva, y puede absorber el 100% de la potencia incidente. La Fig. 15 b muestra los patrones de ondas estacionarias de corriente en una antena con bobina de carga. La bobina de carga generalmente se coloca en la parte inferior de la antena, permitiendo que ésta se sintonice fácilmente en la resonancia. Una bobina de carga incrementa efectivamente la resistencia de radiación de la antena en aproximadamente 5 ?. Además la onda estacionaria de corriente tiene valor máximo en la bobina, incrementando las pérdidas de potencia y reduciendo efectivamente la eficiencia de radiación de la antena.

Fig. 15 Bobina de carga: a) Antena con bobina de carga; b) Onda estacionaria de corriente con bobina de carga


Antenas
19 Carga superior
Las bobinas de carga tienen algunos inconvenientes que pueden evitarse utilizando una técnica llamada carga por el extremo superior o carga superior de la antena.
La técnica consiste en colocar un conjunto metálico que semeja una rueda con rayos, en el extremo superior de la antena. La rueda aumenta la capacitancia en paralelo con el suelo, reduciendo la capacitancia total de la antena. En la Fig. 16 se muestra la carga superior de una antena. Obsérvese que los patrones de onda estacionaria de corriente se encuentran a lo largo de la antena, como si su longitud se hubiera incrementado a la distancia d, colocando el máximo de corriente en la base. La carga superior da como resultado un aumento considerable de la resistencia de radiación y en la eficiencia de radiación. También reduce el voltaje de la onda estacionaria en la base de la antena.

Fig. 16 Antena con carga superior

Una onda estacionaria de corriente se puede subir todavía más (mejorando todavía más la eficiencia de radiación), si a la antena se le agrega una parte superior plana. Si se dobla una antena vertical en su parte superior para formar una L o una T, como se ve en la Fig. 17, la onda de corriente estará más cerca del extremo superior del radiador.

Fig. 17 Carga de una antena de hilos horizontales


Antenas
20 Arreglos de antenas
Un arreglo de antenas o red de antenas, se forma cuando dos o más elementos de antena se combinan para formar una sola antena. Un elemento de antena es un radiador individual, como un dipolo de media o un cuarto de onda. Los elementos se colocan físicamente de forma tal que sus campos de radiación interactúan entre sí, produciendo un patrón total de radiación que es la suma de los campos individuales. El propósito de un arreglo es incrementar la directividad de un sistema de antenas y concentrar la potencia radiada dentro de un área geográfica más pequeña.
Esencialmente hay dos tipos de elementos de antenas: los de excitación y los parásitos. Los elementos de excitación se conectan directamente a la línea de transmisión y reciben la potencia entregada por la fuente. Los elementos parásitos no se conectan a la línea de transmisión: reciben energía solamente a través de la inducción mutua con un elemento de excitación o con otro elemento parásito. Un elemento parásito más largo que el elemento de excitación, del cual recibe energía, se denomina reflector. Un reflector reduce eficazmente la intensidad de la energía que está en su dirección y la incrementa en dirección contraria. Esto ocurre porque la onda que está pasando a través del elemento parásito, induce un voltaje invertido 180° con relación a la onda que lo indujo. La tensión inducida produce una corriente en fase y el elemento irradia (en realidad vuelve a radiar la energía que acaba de recibir). Esta energía establece un campo que se anula en una dirección y se refuerza en la otra. Un elemento parásito que es más corto que su elemento de excitación se denomina director. Un director incrementa la intensidad del campo en su dirección y la reduce en la dirección opuesta.
Fig. 18 Red de antenas.
Red de radiación lateral
Una red de radiación lateral o transversal es uno de los tipos más sencillos de redes de antenas. Se forma colocando varios dipolos resonantes de igual tamaño tanto en longitud como en diámetro, en paralelo entre sí, y en línea recta. Todos los elementos se alimentan en fase desde la misma fuente. Como indica el nombre, una red de radiación lateral radia en ángulo recto respecto al plano del conjunto, e irradia muy poco en la dirección del plano. La Fig. 19 a muestra una red de radiación lateral formada por cuatro elementos excitados de Antenas
21 media onda, separados por media onda. En consecuencia, la señal que radia el elemento 2 ha recorrido media longitud de onda más que la señal radiada por el elemento 1, es decir, las señales se irradian desfasadas 180°. Si se pone de línea de transmisión en zigzag se produce un corrimiento adicional de fase de 180°. Por lo tanto, las corrientes en todos los elementos están en fase y las señales radiadas están en fase en forma aditiva en un plano que forma ángulo recto con el plano de la red. Aunque de por sí la distribución horizontal de la radiación para cada elemento es omnidireccional, al combinarse los campos producen una distribución bidireccional muy dirigida (Fig. 19 b). Se puede aumentar todavía más la directividad si se aumenta la longitud del conjunto, agregando más elementos.
Fig. 19 Antena de radiación lateral: a) Red de radiación lateral; b) Patrón de radiación.
Red de radiación longitudinal
Una red de radiación longitudinal tiene en esencia la misma configuración de elementos que la red de radiación lateral, pero la línea de transmisión no se conecta en zigzag entre los elementos. En consecuencia, los campos son aditivos y alineados con el plano del conjunto. La Fig. 20 muestra una red de radiación longitudinal, y su patrón de radiación. Antenas
22 Fig. 20 Antena de radiación longitudina: a) Red de radiación longitudinal; b) Patrón de radiación.

Antena Yagi-Uda
Se le suele llamar simplemnete antena Yagi. Es un conjunto lineal formado por un dipolo y dos o más elementos parásitos: un reflector y uno o más directores. En la Fig. 21 a, se muestra una antena Yagi sencilla de tres elementos. El elemento excitado es un dipolo doblado de media onda. A este elemento se le llama elemento excitado, porque está conectado con la línea de transmisión, sin embargo, se suele usar sólo para recibir. El reflector es una barra recta de aluminio, 5% más larga que el dipolo, y el director se corta un 5% más corto que el elemento excitado. La distancia entre los elementos suele ser de 0.1 a 0.2 longitudes de onda. La Fig. 21 b muestra el patrón de radiación de una antena Yagi. Su directividad típica es de 7 a 9 dB. Se puede aumentar el ancho de banda de una antena Yagi si se usa más de un dipolo doblado, cada uno cortado con una longitud ligeramente distinta. En consecuencia, la antena Yagi se suele usar para recibir VUF TV, por su gran ancho de banda: la banda de VUF TV está entre los 54 y los 216 MHz. Antenas
23 Fig. 21 Antena Yagi-Uda: a) Yagi de tres elementos; b) Patrón de radiación.

Antenas de reflector parabólico
Las antenas de reflector parabólico proporcionan ganancias y directividades extremadamente altas, y son muy utilizadas en los enlaces de comunicaciones por radio y satélite. Una antena parabólica consiste de dos partes principales: un reflector parabólico y el elemento activo, llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación encierra la antena primaria, que sencillamente es un dipolo o una red de dipolos; la antena irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector. El reflector es un dispositivo pasivo, que tan sólo refleja la energía que le llega del mecanismo de alimentación. La reflexión produce: una emisión muy concentrada y muy direccional, en la que todas las ondas individuales están en fase entre sí y, por consiguiente, un frente de onda en fase.

Reflectores parabólicos

Es probable que el reflector parabólico sea el componente fundamental de una antena parabólica. Los reflectores parabólicos se asemejan en forma a un plato o a una fuente, y por lo tanto se les llama a veces antenas de plato parabólico o simplemente antenas de plato. Para comprender cómo funciona un reflector parabólico es necesario primero comprender la geometría de una parábola. Una parábola es una curva en el plano, que se describe matemáticamente como: , y se define como el lugar geométrico de un punto que se mueve en forma tal que la distancia a otro punto (llamado foco), sumada a su distancia a una recta (llamada directriz) es una longitud constante. La Fig. 22 muestra la geometría de una parábola cuyo foco está en el punto F y cuyo eje es la recta XY. Para la parábola que se ve en la Fig. 22 son válidas las siguientes relaciones:

FA+AA= FB+BB=FC+CC=k

Y además: FX= distancia focal de la parábola (m).
K= constante para una parábola dada (m).
WZ=longitud de la directriz (m) Antenas
24 Fig. 22 Geometría de una parábola.

La relación de la distancia focal al diámetro de la boca de la parábola (FX/WZ) se llama relación de abertura o simplemente abertura de la parábola. Es el mismo término con que se describen los lentes de las cámaras. Un reflector parabólico se obtiene al girar la parábola en torno al eje XY. El plato de superficie curva que resulta se llama paraboloide. El reflector detrás del bulbo de una lámpara del faro de un automóvil tiene forma paraboloide para concentrar la luz en determinada dirección. Una antena parabólica consiste en un reflector paraboloide iluminado por energía de microondas radiada por un sistema alimentador ubicado en el foco. Si la energía electromagnética se irradia del foco hacia el reflector parabólico, todas las ondas radiadas recorrerán la misma distancia cuando lleguen a la directriz (la recta WL). En consecuencia, la radiación se concentra a lo largo del eje XY y hay anulación en otras direcciones. Un reflector parabólico que se use para recibir la energía electromagnética se comporta exactamente igual. Así, una antena parabólica posee el principio de reciprocidad, y funciona por igual como antena receptora para ondas que lleguen en la dirección XY (normales a la directriz). Los rayos recibidos de todas las demás direcciones se anulan en ese punto. No es necesario que el plato tenga superficie metálica maciza para reflejar o recibir las señales con eficiencia. La superficie puede ser una malla, que refleja casi tanta energía como una superficie maciza, siempre que el ancho de las aberturas sea menor que 0.1 por la longitud de onda. Si se utiliza malla en lugar de un conductor macizo se reduce en forma considerable el peso del reflector. También, los reflectores de malla son más fáciles de ajustar, son afectados menos por el viento y en general se obtiene con ellos una estructura mucho más estable.

Abertura del haz de una antena parabólica

La radiación tridimensional de un reflector parabólico, tiene un lóbulo principal que se parece a la forma de un cigarro grueso en la dirección XY. El ancho de haz aproximado de -3 dB para una antena parabólica, en grados, se da como:

Ec. 16


Antenas
25 O:

Ec. 17

Donde: ancho de haz entre puntos de media potencia (grados).
longitud de onda (m).
( ?)
Diámetro de la boca de la antena (m).
frecuencia (Hz).
Y Ec. 18
Donde: ancho del haz entre ceros en el patrón de radiación (grados).
Las Ec. 16 y 18 son exactas cuando se usan para antenas con aperturas grandes (o sea, ancho de haz angosto).

Eficiencia de una antena parabólica

En un reflector parabólico, el reflejo de la superficie del plato no es perfecta. Por lo tanto, hay una pequeña parte de la señal irradiada desde el mecanismo de alimentación que se absorbe en la superficie del plato. Además, la energía cercana a las orillas del plato no se refleja, sino más bien se refracta del otro lado de la orilla del plato. A esto se le llama fuga o derrame. Por las imperfecciones dimensionales sólo se refleja en el paraboloide del 50 al 75% de la energía que emite el mecanismo de alimentación. Además, en una antena real, el mecanismo de alimentación no es una fuente puntual; ocupa un área finita frente al reflector, y obstruye una pequeña área en el centro del plato, formando una zona de sombra frente a la antena, que no es capaz de recoger o enfocar la energía. Estas imperfecciones contribuyen a que la eficiencia típica de una antena parabólica sólo sea de un 55% ( 0,55). Esto es, sólo el 55% de la energía radiada por el mecanismo de alimentación se propaga en realidad en forma de un haz concentrado.

Ganancia de potencia de la antena parabólica

Para una antena parabólica transmisora, la ganancia de potencia es aproximadamente:
( )

Ec. 19

Donde: ganancia de potencia con relación a una antena isotrópica.
diámetro de la boca del reflector parabólico (m).
eficiencia de la antena (potencia radiada por la antena relativa a la potencia
radiada por el mecanismo de alimentación.
longitud de onda (m/s).
La ganancia de potencia de una antena parabólica es inversamente proporcional a la longitud de onda elevada al cuadrado. En consecuencia, el área (tamaño) del plato es un factor importante en el diseño de las antenas parabólicas. Con frecuencia, el área del receptor en sí se da en longitudes de onda al cuadrado, en lo que a veces se llama el área eléctrica o efectiva Antenas
26 del reflector. Mientras mayor es el área, mayor es la relación del área a una longitud de onda y mayor es la ganancia de potencia.
Para una antena parabólica receptora, la superficie del reflector nuevamente no está completamente iluminada, reduciendo efectivamente el área de la antena. En una antena parabólica receptora, el área efectiva se denomina área de captura y siempre es menos que la verdadera área de la boca. El área de captura se puede calcular comparando la potencia recibida con la densidad de potencia de la señal que se está recibiendo,

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