Espectro de Frecuencias
3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz
ELF | VLF | LF | MF | HF | VHF | UHF | SHF | EHF |
3 kHz 30 kHz 300 Hz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz
1 GHz 2 GHz 4 GHz 8 GHz 12.4 18 26.5 40
L | S | C | X | Ku | K | Ka | mm |
2 GHz 4 GHz 8 GHz 12.4 18 26.5 40 300 GHz
Modelado Matemático
- Ecuaciones de Maxwell (1854)
- Relacionan los fenómenos eléctricos y magnéticos
Hertz: primeros experimentos con antenas en 1887.
El vector de Poynting apunta en la dirección de propagación de la OEM.
Campos de Radiación de una Antena
- Región de Campo Próximo Reactivo (r): es aquella región junto a la antena donde el campo reactivo predomina (campo complejo).
- Región de Campo Próximo Radiante (Zona de Fresnel): región intermedia entre la de Campo Reactivo y la de Campo Lejano. Predominan los campos de radiación, pero la distribución angular es función de la distancia a la antena.
Región de Campo Lejano (Zona de Radiación, Zona de Fraunhofer): la distribución angular del campo es independiente de la distancia r a la antena.
Plano Eléctrico y Magnético
Plano E: contiene el vector E en la dirección de máxima radiación.
Plano H: contiene el vector H en la dirección de máxima radiación.
Diagramas de Radiación
Diagramas Absolutos: se representan para una potencia y una distancia constantes.
Diagramas Relativos: normalizados respecto al máximo valor de la función representada.
Clasificación según el servicio que presta la antena
- Isotrópicas (cuasi-isotrópicas)
- Direccionales: concentran la radiación fundamentalmente en un pequeño cono angular:
- Pincel: haz cónico (p. ej., para comunicaciones punto a punto)
- Abanico: (p. ej., antenas sectoriales de estaciones base de sistemas móviles)
- Haz contorneado: típico para dar cobertura ajustada en servicios DBS
- Haz conformado: típico de radares de vigilancia (csc²)
- Multihaz: varios lóbulos principales
- Omnidireccionales: direccionales en un plano e isotrópicas en el otro.
- Multidiagrama: varios diagramas simultáneos.
- Antenas de Haz Reconfigurable
La Cámara Anecoica
Una cámara anecoica es, por definición, aquel recinto que absorbe toda la energía.
Parámetros Fundamentales de una Antena
Ganancia directiva: D(θ, Φ)
Se define como el cociente entre la intensidad de radiación de una antena en una dirección y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radiase la misma potencia total.
Directividad: D₀
Ganancia directiva en la dirección de máxima radiación. Siempre mayor o igual que 1 (0 dBi). Expresada en dBi: 10 log D₀.
Ganancia: G₀
Ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. Puede ser menor que 1. Expresada en dBi: 10 log G₀.
Eficiencia
Es la relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena, o bien la relación entre ganancia y directividad.
Polarización
Es la figura que traza, en función del tiempo y para una dirección fija, el extremo del vector del campo radiado, así como su sentido de giro.
Tipos de polarización: lineal, circular y elíptica.
Componentes: copolar (la deseada) y contrapolar (la no deseada).
Antena en Transmisión y en Recepción
Antena en transmisión
Alimentada por una tensión V₀ o una corriente de entrada I₀, genera una distribución de corriente I(l), fijada por las ecuaciones de Maxwell y sus condiciones de contorno. I(l) radia unos campos lejanos E, H que localmente presentan propiedades de onda plana.
Antena en recepción
Si sobre la antena incide una onda localmente plana, producida por otra antena transmisora alejada, con unos campos Ei y Hi, se inducen en los conductores unas corrientes Ii(l), responsables de un campo dispersado Es que cumple las condiciones de contorno de Maxwell.
Fórmula de Friis
Permite calcular las pérdidas de inserción de un radioenlace en función de los parámetros de transmisión de ambas antenas, asociados a las direcciones en que cada una ve a la otra.
Factores de pérdidas
Pérdidas por desacoplo de polarización, pérdidas por desadaptación de impedancias, pérdidas de propagación en espacio libre y ganancias de potencia.
Área Equivalente
Es la relación entre la potencia entregada a la carga y la densidad de potencia de la onda incidente.
Sistema Radar
Puede ser biestático o monoestático.
Sección recta radar
Es el área de intercepción de potencia incidente que, dispersada isotrópicamente en todas las direcciones del espacio, produce sobre el receptor una densidad de potencia igual a la proveniente del blanco real.
Temperatura de Ruido de Antena
Todos los cuerpos con una temperatura diferente de 0 ºK desprenden radiación incoherente (ruido). La antena capta esa radiación de todos los cuerpos que la rodean, conocida como temperatura de brillo TB.
Antenas para Radioenlaces
- Para conseguir haces directivos tipo pincel en las bandas de UHF y superiores se utilizan habitualmente antenas de apertura (bocinas, reflectores) y arrays.
- El término apertura proviene de la óptica y se aplica a las antenas en que la radiación sale hacia el espacio exterior a través de una embocadura. El ejemplo que mejor se ajusta es el de las bocinas cónicas y piramidales. Para los reflectores también se puede definir una apertura plana frente al mismo, como la superficie proyectada del casquete reflector que contiene los rayos reflejados.
- Su radiación puede analizarse aplicando óptica geométrica y el principio de Huygens.
- Los arrays pueden considerarse estructuras lineales muestreadas o aperturas muestreadas (arrays planos). Como casos particulares se estudian las antenas Yagi y log-periódicas. Su radiación se estudia sumando los campos radiados por los distintos elementos.
Bocinas
Son estructuras muy bien adaptadas en banda ancha a la guía de entrada, que consiguen haces directivos según el eje, con ganancias medias de 10 a 25 dBi.
Bocinas rectangulares
Las bocinas piramidales son la prolongación natural de una guía rectangular de dimensiones a × b, siendo a la dimensión de la cara ancha. La apertura tiene un ancho A en el plano H y una altura B en el plano E. Se supone que en la guía de entrada se propaga el modo fundamental TE₁₀.
Conclusiones
- Las bocinas piramidales permiten obtener diagramas directivos en ambos planos, controlando sus anchuras de haz de forma independiente.
- Las bocinas piramidales deben cumplir la condición de realizabilidad RE = RH, para realizar una correcta unión con la guía de entrada.
- Las bocinas piramidales de bajo error de fase (σ, τ < 0.15) suelen ser muy largas y poseen eficiencias de apertura del orden de 0.15.
- Se definen como bocinas óptimas aquellas que dan una determinada ganancia con una longitud mínima. Para conseguirlas, los errores de fase son τ = 3/8 y σ = 1/4, y su eficiencia de apertura es de 0.5.
- Las ganancias típicas que se pueden obtener con bocinas van desde 8 dBi para guías abiertas hasta unos 30 dBi para aperturas de unas 10λ × 10λ.
Bocinas cónicas
Son la prolongación natural de una guía circular. El campo en la apertura se aproxima por la distribución de amplitud del modo fundamental (TE₁₁) de la guía, expandido sobre el radio de la apertura, y una distribución esférica de fase, como si el campo emanase del vértice del cono.
Bocinas cónicas corrugadas
El campo en la apertura que se consigue es un modo híbrido equilibrado HE₁₁.
Reflectores
Se caracterizan por utilizar un espejo reflector metálico continuo o de rejilla para concentrar la radiación.
- Sistema Cassegrain centrado: utiliza como subreflector un casquete de hiperboloide de revolución con un foco común al del reflector parabólico principal. Se utiliza en estaciones terrenas de alta capacidad, comunicaciones de espacio profundo y radiotelescopios. Al apuntar al cielo captan menos ruido de la Tierra, por lo que su temperatura de antena es menor.
- Sistemas gregorianos de doble eje: antena para comunicaciones por satélite desde trenes de alta velocidad.
- Reflector parabólico descentrado: antenas sin bloqueo, muy utilizadas a bordo de satélites.
- Reflectores parabólicos de rejilla: funcionan en UHF y solo con polarización lineal; tienen poca resistencia al viento.
Control de lóbulos secundarios
Con excitaciones de amplitud simétricas y decrecientes del centro al borde se consigue reducir el nivel de los lóbulos secundarios, a expensas de ensanchar el lóbulo principal y reducir la directividad D₀.
Posibilidad de apuntamiento de los arrays
Se diseñan tres tipos de arrays según la distribución de fase:
- Arrays broadside: su máximo está en la dirección perpendicular al array.
- Arrays endfire: su máximo está en la dirección del eje del array (θ = 0).
- Arrays de exploración: su máximo se ajusta electrónicamente modificando la fase progresiva (α) entre elementos.
Antenas Yagi
Son antenas construidas con dipolos paralelos, en las que solo se alimenta uno de forma directa.
Guías de Onda
Definición: medios de transmisión formados por un solo conductor hueco por cuyo interior se propaga la energía electromagnética.
Ventajas: mayor capacidad para soportar potencia; menores pérdidas por unidad de longitud; estructura mecánica más simple y de menor coste; las reflexiones producidas al conectar secciones de guía son menores.
Desventajas: mayores dimensiones transversales; menor ancho de banda.
Guías de onda rectangulares
Los modos TEM no son posibles. Por tanto, solo se propagarán modos TE o TM. Se logra un modo único cuando a = 2b.
Ancho de banda útil de la guía: típicamente, la frecuencia límite superior está un 5% por debajo de la frecuencia del modo siguiente, y la frecuencia límite inferior está un 25% por encima de la frecuencia de corte del modo dominante.
Los elementos circuitales en las guías tienen propiedades que dependen del modo.