Las antenas de apertur

MARCO TEÓRICO

DEFINICIÓN

Las antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para dirigir 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 (e.g. cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satélite en órbita geoestacionaria).

Las antenas de apertura se utilizan comúnmente en microondas y frecuencias de ondas milimétricas. Existe un gran número de tipos de antenas para las que se puede considerar que los campos electromagnéticos radiados emanan de una apertura física. Las antenas que entran en esta categoría incluyen, entre otras, antenas reflectoras, lentes y antenas de bocina. La geometría de la abertura puede ser cuadrada, rectangular, circular, elíptica o virtualmente de cualquier otra forma. El término "antena de apertura" generalmente tiene más que ver con el método utilizado para analizar la antena que con la forma real de la antena.

[pic 1]

Figura 1. Antenas de apertura.

Las antenas de apertura son muy populares para aplicaciones aeroespaciales porque pueden montarse empotradas en la superficie exterior de un avión o vehículo de lanzamiento. Su abertura de apertura se puede cubrir con un material de ventana electromagnético (dieléctrico) que es transparente a la energía de RF para proteger la antena de las condiciones ambientales.

Esto se conoce como radomo, y se implementa para no perturbar el perfil aerodinámico del vehículo, que es de especial importancia para aviones o misiles de alta velocidad, mientras que al mismo tiempo presenta transparencia RF a la frecuencia de operación del vehículo. antena dentro de la cúpula.

Para evaluar los patrones de radiación distantes (campo lejano), es necesario conocer las corrientes superficiales que fluyen sobre las superficies radiantes de la apertura de la antena.

En muchos casos, es posible que estas distribuciones actuales no se conozcan con exactitud y solo las mediciones aproximadas o experimentales pueden proporcionar estimaciones. Una técnica basada en el principio de equivalencia permite realizar aproximaciones razonables a los campos electromagnéticos en la estructura de apertura de la antena física o en sus proximidades, que luego se pueden utilizar para calcular los patrones de radiación de la antena de campo lejano.

La equivalencia de campo, introducida por primera vez por Schelkunoff, es un principio por el cual las fuentes reales en la apertura de una antena son reemplazadas por fuentes equivalentes en una superficie externa cerrada que está físicamente fuera de la apertura de la antena. Se dice que estas fuentes son equivalentes dentro de una región, porque producen los mismos campos dentro de esa región. Otro concepto clave es el principio de Huygens, que establece que la fuente equivalente en cada punto de la superficie externa es una fuente de onda esférica. El frente de onda secundaria se puede construir como la envolvente de estas ondas esféricas secundarias.

Usando estos principios, los campos eléctricos y / o magnéticos en la región de apertura equivalente pueden determinarse con estos métodos sencillos, pero aproximados. Se supone que los campos en otros lugares son cero. En la mayoría de las aplicaciones, la superficie cerrada se selecciona de modo que la mayor parte coincida con las partes conductoras de la estructura de apertura de la antena física. Esto se prefiere porque la desaparición de los componentes eléctricos tangenciales sobre las partes conductoras de la superficie reduce los límites físicos de integración. La fórmula para calcular los campos irradiados por las fuentes equivalentes es exacta, pero requiere integración sobre la superficie cerrada. El grado de precisión depende del conocimiento de las componentes tangenciales de los campos electromagnéticos sobre la superficie cerrada.

Las técnicas de apertura son especialmente útiles para las antenas reflectoras parabólicas, donde el plano de apertura se puede definir inmediatamente delante del reflector. Los reflectores parabólicos son en su mayor parte eléctricamente grandes. Más sorprendentemente, las técnicas de apertura también se pueden aplicar con éxito a antenas de bocina de guía de ondas de apertura pequeña. Sin embargo, para antenas de bocina muy pequeñas con una dimensión de apertura de menos de aproximadamente una longitud de onda, la suposición de campos cero fuera de la apertura falla a menos que la bocina esté completamente rodeada por una brida conductora plana.

En esta sección, se verá cómo se desarrollan las fórmulas matemáticas para analizar las características de radiación de las antenas de apertura.

Se dará énfasis a las configuraciones rectangulares y circulares, porque son las geometrías más utilizadas. Debido a las complejidades matemáticas, los resultados se limitarán a la región de campo lejano.

Uno de los conceptos más útiles es el patrón de radiación de campo lejano que puede obtenerse como una transformada de Fourier de la distribución del campo sobre la apertura equivalente, y viceversa. La teoría de la transformada de Fourier es extremadamente importante para el análisis y síntesis de antenas de apertura. Es útil obtener soluciones analíticas para muchas distribuciones de apertura simples con el fin de diseñar antenas de apertura. Las distribuciones de apertura más complejas, que no se prestan a soluciones analíticas, se pueden resolver numéricamente. Las mayores capacidades de la computadora personal (PC) han resultado en su aceptación como una herramienta convencional para los diseñadores de antenas. La integral de la transformada de Fourier generalmente se comporta bien y no presenta ningún problema de cálculo fundamental.

Al considerar el uso de la transformada de Fourier, considere primero las aperturas rectangulares en las que una dimensión de apertura es mucho mayor en longitudes de onda que la otra dimensión de apertura. Este tipo de apertura se aproxima como una fuente de línea y se trata con una transformada de Fourier unidimensional. Para muchos tipos de antenas de apertura rectangular, como las bocinas, las distribuciones de apertura en las dos dimensiones del plano principal son independientes. Se dice que estos tipos de distribuciones son separables. El patrón de radiación total es el producto de las funciones del patrón obtenidas de las transformadas unidimensionales de Fourier, que corresponden a las dos distribuciones del plano principal.

Si la distribución de apertura rectangular no se puede separar, el patrón de directividad se encuentra de manera similar a la distribución de fuente de línea, excepto que el campo de apertura está integrado en dos dimensiones en lugar de una dimensión. Esta doble transformada de Fourier también se puede aplicar a aberturas circulares.

Para todas las distribuciones de apertura, se hacen las siguientes observaciones:

1. Una distribución de amplitud uniforme produce la máxima dirección (donde las distribuciones no uniformes con borde mejorado para superganancia se consideran poco prácticas), pero a niveles altos de lóbulos laterales.
2. Reducir la amplitud en el centro, de un valor máximo a un valor más pequeño en los bordes, reducirá los niveles de los lóbulos laterales en comparación con la iluminación uniforme, pero da como resultado un ancho de haz más grande (lóbulo principal) y menos directividad.
3. Una distribución de conicidad inversa (depresión de amplitud en el centro) da como resultado un ancho de haz más pequeño (lóbulo principal) pero aumenta el nivel del lóbulo lateral y reduce la directividad en comparación con la carcasa iluminada uniforme.
4. Dependiendo del tamaño de apertura en longitudes de onda y los errores de fase, existe una frecuencia (o longitud de onda) para la cual los picos de ganancia caen a valores más pequeños a medida que la frecuencia aumenta o disminuye.

Finalmente, la eficiencia de apertura se define como la relación entre el área de apertura efectiva y el área de apertura física.

La eficiencia del haz se define como la relación entre la potencia en el lóbulo principal y la potencia radiada total. La máxima eficiencia de apertura se produce para una distribución de apertura uniforme, pero la máxima eficiencia de haz se produce para una distribución muy cónica. Los errores de fase de apertura son la principal limitación de la eficiencia de una antena.

PRINCIPIO DE HUYGENS

El principio propuesto por Christian Huygens (1629-1695) es de fundamental importancia para el desarrollo de la teoría ondulatoria. El principio de Huygens establece que “Cada punto en un frente de onda primaria sirve como fuente de ondas secundarias esféricas que avanzan con una velocidad y frecuencia iguales a las de la onda primaria. El frente de onda principal en algún momento posterior es la envolvente de todas estas ondas”.

...