ANTENAS Y PROPAGACIÓN
Enviado por • 1 de Diciembre de 2013 • 2.022 Palabras (9 Páginas) • 374 Visitas
Patrón de Radiación
El patrón o diagrama de
radiación de una
antena es una
representación de la
distribución de potencia
de la radiación recibida
o irradiada por la antena
en diferentes regiones
del espacio. Se suele
representar en función
de ángulos de dirección
centrados en la antena.
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Aunque el patrón de radiación es un volumen, es costumbre representarlo
por medio de dos gráficas, el patrón de radiación vertical y el patrón de
radiación horizontal. El diagrama superior representa el patrón de radiación
de una antena omnidireccional, y el diagrama inferior el de una antena
parabólica.
Nótese que cierta cantidad de energía se irradia en direcciones no deseadas,
constituyendo lo que se conoce como lóbulos laterales y el lóbulo trasero.
Patrón de Radiación
Estos son el diagrama rectangular y el diagrama polar
de la misma antena (en un mismo plano). La representación
mediante coordenadas polares es mucho más común que con
coordenadas rectangulares, porque da una mejor representación
visual de las características de la antena en cada dirección.
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
dB
-180° -140° -100° -60° -20° 20° 60° 100° 140° 180°
18
0°
180°
270° 90°
Aquí tenemos el diagrama rectangular y el diagrama polar de la
misma antena (en un mismo plano). La visualización mediante coordenadas
polares es mucho más intuitiva que con coordenadas rectangulares,
0°
180°
-5 270° 90°
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
dB
-180° -140° -100° -60° -20° 20° 60° 100° 140° 180°
Ancho del haz
El ancho del haz de una antena es la medida angular de
aquella porción del espacio en donde la potencia irradiada es
mayor o igual que la mitad de su valor máximo.
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potencia mitad
-3dB
Se halla primero el pico de de la intensidad de radiación, y luego los puntos a
ambos lados del pico a los cuales la radiación se ha reducido a la mitad. La
distancia angular entre los dos puntos de media potencia se define como el
ancho del haz.
Mientras más estrecho sea el ancho del haz, mayor será la ganancia, porque la
energía estará enfocada con más concentración.
A mayor ganancia de la antena, menor el ancho del haz.
Recuerde que el patrón de radiación es un volumen, por lo que hay un
ancho de haz vertical y un ancho de haz horizontal, los cuales en
general serán diferentes.
Un antena de muy alta ganancia tendrá un ancho de haz de unos pocos grados
y deberá apuntarse muy cuidadosamente para que pueda cubrir al objetivo.
Relación adelante-atrás
La relación adelante-atrás (f/b) de una antena directiva
es el cociente entre la directividad máxima a su directividad
en sentido opuesto.
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
dB
-180° -140° -100° -60° -20° 20° 60° 100° 140° 180°
front
back
20
0°
180°
270° 90°
front
back
En este ejemplo la relación f/b es: 0 dB - (-25 dB) = 25 dB
La relación adelante-atrás (front-to-back ratio) es muy importante en redes
dorsales construidas usando repetidores. La radiación hacia atrás puede
causar problemas con el receptor de la etapa precedente por lo que para este
tipo de aplicaciones se deben escoger antenas con una buena relación f/b.
Polarización
‣ Las ondas electromagnéticas tienen componentes
eléctricos y magnéticos.
‣ La polarización de las antenas transmisoras y
receptoras DEBE SER LA MISMA para
optimizar la comunicación.
direction of propagation
magnetic field
electric field
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Otra cualidad importante de las ondas es la polarización. La polarización corresponde a la dirección
del vector del campo eléctrico.
Si imaginamos una antena dipolo alineada verticalmente (un alambre recto), los electrones sólo se podrán
mover verticalmente, pues no hay espacio para que se muevan horizontalmente hacia los lados, por
consiguiente el campo eléctrico será siempre vertical, hacia arriba o hacia abajo. La energía que se
desprende del alambre y viaja como una onda tiene una polarización estrictamente lineal, y en este caso,
vertical.
Si, en cambio, apoyamos la misma antena sobre una mesa de madera horizontalmente, la radiación
desprendida tendrá polarización lineal horizontal.
La mayoría de las antenas WiFi con las que trabajamos son de polarización lineal, pero también existen antenas
con polarización circular.
La desadaptación de polarización (Polarization mismatch) puede causar 20dB o más de atenuación.
Sin embargo, la desadaptación de polarización puede ser aprovechada para transmitir dos señales diferentes
simultáneamente y a la misma frecuencia, doblando así el rendimiento del enlace. Para esto se usan antenas
especiales que tiene alimentadore (iluminadores) duales. El rendimiento real es algo inferior al doble debido a
la inevitable interferencia entre las dos polarizaciones (cross polarization leakage)
Polarización de las Antenas
?
Vertical
Horizontal
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La polarización de una antena puede ser deducida a menudo por la
orientación del alimentador o iluminador. Cuando este está cubierto por un
aradome esto suele ser imposible. Normalmente las antenas tienen marcas
que identifican la polarización, pero a veces es necesario consultar la hoja de
datos del fabricante.
La mayoría de las antenas omnidireccionales tienen polarización vertical. Si se
escoge polarización horizontal, se puede evitar una buena parte de la
interferencia (puesto que la mayoría sería de polarización vertical).
Pero la polarización horizontal puede presentar mayores pérdidas a grandes
distancias,sobre todo en trayectos sobre agua.
Reciprocidad
Las características de la antena como ganancia, rango de
frecuencias, ancho del haz, eficiencia, polarización e
impedancia son independientes del rol de la antena como
transmisora o receptora. Esto se suele expresar diciendo
que las las características de transmisión y recepción de una
antena obedecen al principio de reciprocidad.
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El concepto de reciprocidad es muy poderoso y se usa muy a menudo.
Muchas propiedades de una antena son más fáciles de visualizar en términos
de una antena receptora y por reciprocidad se aplican luego a la antena como
transmisora y viceversa.
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Antena
Parabólica
con
Radome
Antena
Parabólica
Grillada
Antena
Sectorial
Resistencia al viento
La resistencia al viento es un factor muy significativo pues puede causar la destrucción de la antena y
hasta del mástil de donde está colgada en presencia de vientos fuertes.
Una manera de reducir la resistencia al viento es utilizar un reflector grillado. Siempre que la
separación entre los elementos de la grilla en la dirección de la polarización sea una fracción de la
longitud de onda, la grilla se comportará prácticamente como si fuera una superficie continua para
efectos eléctricos, pero presentando mucha menor resistencia al viento.
Sn embargo hay que considerar que en caso de que la grilla esté en un clima donde pueda haber nieve
o hielo, los intersticios de la grilla se pueden rellenar convirtiéndose en una superficie sólida con gran
resistencia al viento.
Otra alternativa para reducir la resistencia al viento consiste en recubrir la antena con una envoltura
curva hecha de un material transparente alas ondas de radio que se denomina Radome (Radar dome).
Las antenas de tipo plano, como las sectoriales y las “patch” pueden exhibir buenas ganacias con una
carga al viento muy reducida, a la vez que son menos inmunes a la acumulación de nieve o hielo.
.
Efectos del viento
grilla parabólica grilla parabólica
(recubierta de nieve)
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El hielo afecta las características de todas las antenas en algún grado y el problema es más grave
a altas frecuencias. La impedancia del espacio libre es de 377 ohmios. Si el aire que rodea los
elementos lineales de una antena es remplazado por hielo que tiene una impedancia inferior
que la del aire, la adaptación de impedancia y el patrón de radiación de la antena van a cambiar.
Estos cambios se hacen progresivamente más pronunciados al aumentar la cantidad de hielo.
Cuando los elementos de la antena se encierra en una envoltura plástica (el radome), se
mantiene un espacio de aire entre los elementos y el hielo en la superficie externa del radome
por lo que el efecto del hielo será menos pronunciado. La desadaptación de impedancia se
reduce significativamente pero el patrón de radiación todavía puede verse afectado y el ancho
de banda utilizable de la antena reducido. Para un espesor del hielo dado, las desviaciones del
comportamiento nominal de la antena se hacen más notorias al aumentar la frecuencia.
En áreas donde la formación de hielo y nieve húmeda sea común es prudente instalar radomes
sobre las antenas parabólicas sólidas o usar antena de panel en lugar de rflectores de esquina y
evitar el uso de antenas parabólicas grilladas.
Impermeabilización de las antenas
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La mayor parte de los
problemas de las antenas
son causador por agua
que penetra en los
conectores del cable
coaxial que se aflojan
debido a la vibración,
permitiendo la
penetración de humedad
en la interfaz del
conector.
Proteja contar la
humedad todas las
conexiones externas.
La impermeabilización se puede hacer aplicando varias capas de cinta de
caucho vulcanizadora sobre la conexión y luego recubrir con cinta eléctrica
de buena calidad (resistente a la baja temperatura y a los rayos UV).
El drenaje es muy importante en los radomes que no estén presurizados.
Asegúrese que el agujero de drenaje quede hacia abajo y que no haya sido
tapado durante la instalación.
Tipos de Antenas
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Omnidireccional
Dipolo
Monopolo
Guíaonda
Ranurada
Colineal
Direccional
Patch
Sectorial
Plato
Bocina
Biquad
Yagi
Estas antenas se listan de izquierda a derecha en orden creciente de directividad y por ende ganancia.
El dipolo más común se construye con dos alambres de un cuarto de longitud de onda y se denomina dipolo de media
onda. Es una antena práctica de baja ganancia que se aproxima a las características de un radiador isotrópico (excepto
en el plano vertical)
La ganancia del dipolo puede incrementarse disponiendo varios elementos radiantes alimentados con fase alternada y
colocándolos unos sobre otros para constituir una antena colineal.
El monopolo se obtiene sustituyendo un elemento del dipolo por un plano reflector.
Las antenas direccionales se subdividen en antenas de alta ganancia para aplicaciones punto a punto y antenas
sectoriales, que normalmente tienen anchos de haz de 60°, 90° o 120° y que pueden ser combinadas para proveer
cobertura de 360° desde una estación base. Las antenas sectoriales típicamente tienen mayor ganancia que las
omnidireccionales con lo que ofrecen un mayor alcance. Si cada sector es alimentado por un radio distinto, se puede
obtener también mayor caudal de transmisión respecto al obtenible con una antena omnidireccional única.
Ejemplos de antenas para aplicaciones punto apunto son las antena de bocina (un caso particular es la llamada cantenna
o antena de guíaonda), las Yagis, reflectores de esquina, reflectores parabólicos (platos) y antenas planas (patch)
Dipolo de media onda
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‣ Dos elementos de 1/4 λ
‣ Muy fácil de construir en una gran gama de frecuencias
‣ Omnidireccional en el plano perpendicular a los elementos
‣ Ganancia de 2.15 dBi
‣ Impedancia de entrada de 72 ohmios muy próxima a los 50 ohmios
del cable coaxial
Puede ser utilizado como iluminador de reflectores parabólicos o de esquina.
Puede alimentarse desde el centro o en otros puntos con lo que cambia la
impedancia de entrada.
El dipolo se puede doblar. lo que provoco una cuadriplicación de la
impedancia a 288 ohmios, muy cercana a la impedancia característica de cable
bifilar plano utilizad en receptores de TV.
Se puede construir fácilmente un dipolo de media onda usando cable bifilar
plano separando una sección de un cuarto de longitud de onda y separando
las dos mitades hasta que queden en ángulo recto para formar los dos
elementos del dipolo y fijándolos horizontalmente mediante aisladores.
Monopolo o antena Marconi
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‣ Elemento vertical de 1/4 λ
‣ Se requiere un buen plano de tierra
‣ Omnidireccional en el plano horizontal
‣ 5.14 dBi
‣ ~ 36 Ω de impedancia
El plano de tierra puede implementarse con alambres radiales de un cuarto
de longitud de onda.
El monopolo tiene la mitad de la impedancia de entrada del dipolo y el doble
de la ganancia (es decir 3 dB adicionales). Esto es debido a que sólo se
requiere la mitad del voltaje para inducir la misma cantidad de corriente en el
alambre ya que su longitud es la mitad de la del dipolo, y porque la parte
inferior del patrón de radiación está bloqueada por el plano de tierra.
El monopolo también puede usarse como sonda para antenas más complejas
com la antena de guíaonada (cantenna) o de bocina. En este caso el plano de
tierra es sustituido por las paredes de la guíaonda.
Antena Patch
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La ventaja de la antena patch o antena plana es que es tiene menos impacto
visual que una antena parabólica.
Se pueden combinar varios elementos que alimentados con la fase apropiada
pueden aumentar la ganancia
Tipos de Antenas
reflector parabólico antenas de panel
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Reflector de construcción casera
Usted puede construir este reflector usando chapa de
aluminio, papel de aluminio y cartón, tijeras y cola adhesiva.
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La antena más barata que Ud. puede construir es un simple reflector
parabólico añadido a una antena omnidireccional. Incrementa la ganancia entre
3 y 6 dBi (dependiendo del tamaño del reflector) y transforma la omni en una
directiva.
Reflectores parabólicos
‣ Plato o grilla parabólica. Los
reflectores de esquina (dos
planos) también funcionan bien.
‣ Ganancia =~ (D / λ)2
‣ Ancho del haz =~ λ / D
‣ Debe tener el iluminador
(alimentador) apropiado, colocado
en en el punto focal del reflector
‣ Los iluminadores excéntricos
(muy usados para recepción de
TV) son más difíciles de alinear
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Las antenas con iluminador excéntrico parece que estuvieran apuntando “muy
abajo”.
Los platos parabólicos pueden proporcionar grandes ganancias y se consiguen
fácilmente de segunada mano en muchos países. El reflector parabólico no es
en realidad una antena, pero puede ser añadido a cualquier otra antena para
aumentar la ganancia.
Un transceptor completo (por ejemplo un radio con conexión USB) puede
colocarse en el foco de un reflector parabólico para construir un sistema de
comunicaciones de larga distancia muy efectivo.
Antena de guíaonda (cantenna)
Se pueden construir antenas económicas y muy efectivas con
latas comunes como las que se usan para alimentos o bebidas.
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Antenas WiFi muy económicas hechas con latas de alimentos. Esta antena se
llama antena guíaonda. En el libro WNDW se describe
...