APUNTES ANTENAS

PROPAGACION Y ANTENAS

1.-LA ANTENA.

La antena es el elemento radiador o receptor de la energía electromagnética de un sistema radioeléctrico y su rendimiento influye por tanto, en el del sistema. Este elemento es la fuente de entrada a la primera etapa del receptor y la ultima etapa en la salida del transmisor.

Una antena puede diseñarse para transmitir en todas direcciones, en un plano específico, o en un haz altamente direccional, puede ser un simple alambre o un conjunto elaborado de elementos y puede ser tan grande como un dedo pulgar o extenderse sobre acres.

Las propiedades más importantes de una antena son:

1. Direccionalidad

2. Polarización

3. Impedancia.

La direccionalidad o directividad de una antena, es la propiedad de concentrar la energía radiada en una dirección determinada. Teóricamente se denomina “radiador omnidireccional” el que radia uniformemente en todas las direcciones, conociéndosele también como “radiador isotrópico”; prácticamente tal radiador de energía electromagnética no existe, ya que todas las antenas tienen cierta directividad.

Debido a que una antena receptora desempeña su labor bajo las mismas condiciones que una transmisora, existe el teorema de reciprocidad que avala dicha aseveración.

2.-EFECTOS DE TIERRA EN UN DIPOLO.

En la atmósfera de la tierra, la propagación de las ondas se ve afectada por la orientación de la antena, la absorción atmosférica y los efectos de tierra como la reflexión.

La antena se monta en un número apreciable de longitudes de onda (altura h) arriba de la superficie de la tierra. La intensidad del campo en cualquier punto determinado del espacio es la suma de las ondas directa y reflejada de tierra. La onda reflejada de tierra parece que está irradiando desde una antena imagen a la distancia h abajo de la superficie de la tierra. Esta antena aparente es una imagen reflejada de la antena real. La onda reflejada de tierra se invierte 180° y viaja a una distancia de:

2h sen è

Más lejos que la onda directa para alcanzar el mismo punto en el espacio (punto P).

En la línea punteada se muestra el patrón de espacio libre y en la línea sólida de la distribución vertical en un plano a través de la antena.

La figura 10-10 muestra la distribución vertical en un plano en ángulo derecho a la antena. El patrón de radiación que resulta es la suma de las radiaciones de la antena real y de la antena imagen reflejada.

En la figura anterior también se muestran los patrones de radiación vertical para un dipolo de media onda montado horizontalmente de un cuanto y de media longitud de onda arriba de tierra. Para una antena montada a un cuarto de longitud arriba de tierra, el lóbulo inferior se ha ido por completo y la intensidad del campo directamente se duplica hacia arriba.

La figura muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo horizontal a media longitud de onda arriba de la tierra. Se muestra que el patrón se divide ahora en dos lóbulos, y que la dirección de la máxima radiación (vista extrema) está ahora en 30° al horizonte en lugar de directamente hacia arriba. No hay componente en tierra para polarización horizontal debido al cambio de fase del componente reflejado. Las ondas reflejadas de tierra tienen efectos similares en todas las antenas. La mejor forma de eliminar el efecto de las ondas reflejadas de tierra es montar la antena muy por encima de la superficie de la tierra para obtener condiciones de espacio libre. Sin embargo, en muchas aplicaciones, esto es imposible. Los reflejos de tierra a veces son deseables para obtener el ángulo de elevación deseado para la respuesta máxima del lóbulo principal. La altura de la antena sin aterrizar sobre la superficie de la tierra también afecta la impedancia de radiación de la antena. Esto se debe a que las ondas atraviesan o interceptan la antena y alteran su corriente. Dependiendo de la fase de la onda reflejada de tierra, puede incrementarse o reducirse la corriente de la antena, causando un incremento o reducción correspondiente en la impedancia de entrada. Los patrones de radiación se modifican por reflexión de ondas radiadas desde tierra. La tierra actúa como un reflector gigantesco de señal de RF. Esto es particularmente cierto para radiodifusión de baja frecuencia, en la cual una señal sucesivamente rebota en la ionosfera y la tierra, para ser recibida a mitad del camino alrededor del mundo. La tierra puede actuar como la imagen eléctrica o espejo de la antena real. Como resultado, la antena física se comporta como si hubiera una antena idéntica cercana.

3.-ANTENAS PRÁCTICAS EN “L” Y “T”.

Las antenas verticales para frecuencia baja y media pueden requerir una longitud de ë/4 que es muy larga e impráctica para construirse en ese lugar. Una longitud menor que ë/4 es un desacoplamiento eléctrico con la resultante ineficiencia, resistencia de radiación baja, y una impedancia reactiva de entrada. La solución es añadir la longitud requerida pero poner la adicción en el plano horizontal. Esto resulta en una construcción L invertida. El miembro adicional puede centrarse, haciendo a la unidad una construcción T. También se usan extensiones más elaboradas consistiendo de elementos sofisticados en forma de estrella o mallas pantalla. Este método general para incrementar la longitud vertical se llama de carga superior. Algunas veces una antena vertical es realmente muy larga para una frecuencia especificada. Una unidad más larga de 5/8 ë presentará un patrón de radiación que no es una verdadera onda de tierra. El lóbulo principal comienza a elevarse. Normalmente esto es indeseable para uso en línea de vista, a menos que el sistema esté diseñado para comunicación a larga distancia usando reflexiones en la ionosfera.

La longitud efectiva de una antena no es su longitud física. La longitud efectiva incluye el efecto de materiales dieléctricos en la antena, carga superior, diámetro de elementos radiadores, patrón de onda estacionaria no ideal, velocidad de onda sobre la antena y una multitud de otras condiciones físicas. La longitud efectiva de una antena para frecuencias abajo de 30 Mhz se calcula en la relación empírica. le = 292/f longitud de onda (m) Donde : le = longitud de onda eléctrica efectiva (m) f = frecuencia, Mhz.

4.-EL DIPOLO ELEMENTAL.

El dipolo elemental es comúnmente llamado, dipolo de media onda lineal, es el elemento fundamental de radiación y a la vez presenta una distribución de campos eléctrico y magnético de fácil comprensión. Es una de las antenas más ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2 Mhz, la longitud física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena Hertz.

Físicamente una antena de media onda es un conductor de diámetro esencialmente uniforme y de longitud aproximadamente igual a media longitud de onda. Eléctricamente, puede considerarse como una línea de transmisión resonante con distribución oscilante de tensión y corriente a lo largo de la antena y con campos eléctricos y magnéticos en la región que rodea una antena. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante. Cada polo de la antena es como una sección abierta de un cuarto de longitud de onda de una línea de transmisión. Por tanto, en los extremos hay un máximo de voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el centro. Las líneas de campo magnético son círculos concéntricos con el conductor y tienen por centro el eje de la antena. Las líneas del campo eléctrico se encuentran en planos que contienen a la propia antena.

Un radiador de cable como un dipolo de media onda se puede considerar como un número infinito de dobletes colocados extremo con extremo. 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 de la tierra.

5.-EL DIPOLO DOBLADO.

Es importante considerar que las aplicaciones de este dipolo son en FM y TV. Una antena de TV común es un dipolo doblado. La fabricación de la antena dipolo doblado generalmente es solo una varilla de aluminio, con un doblez redondeado en los extremos. El dipolo doblado simple consta de dos antenas de media onda próximas entre sí, y conectadas por sus extremos, uno de los cuales es alimentado en el centro. En realidad, tal dipolo se puede hacer también, doblando un conductor de longitud igual a la longitud de onda, para formar así dos elementos de media onda.

Cuando se aplica energía al primer elemento de un dipolo doblado, el campo producido por él induce una corriente en el segundo elemento. La corriente inducida es esencialmente igual a la del elemento excitado. Excepto por lo relativo a su impedancia de entrada, un dipolo doblado funciona eléctricamente igual que un dipolo simple. El dipolo doblado se utiliza mucho debido a que la impedancia de entrada es cuatro veces mayor que la del dipolo convencional. La impedancia aumenta en función del cuadrado del número de elementos. Si se usan tres elementos en un dipolo doblado, la impedancia es nueve veces más grande que la de un dipolo simple.

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