Definición y tipos de antenas

ANTENAS

INTRODUCCIÓN.

Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre.

Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.

DEFINICON.

La definición formal de una antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre. En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre. Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás. Esto es necesario ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección determinada. Esto se puede explicar con un ejemplo, hablando de las antenas que llevan los satélites. Estas acentúan mucho la dirección hacia la tierra y anulan la de sentido contrario, puesto que lo que se quiere es comunicarse con la tierra y no mandar señales hacia el espacio. Las antenas también deben dotar a la onda radiada de una polarización. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero hay dos casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es un segmento, denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura trazada es un círculo, denominándose circularmente polarizada. Una onda está polarizada circularmente o elípticamente a derechas si un observador viese a esa onda alejarse, y además viese girar al campo en el sentido de las agujas de un reloj. Lógicamente, si lo viese girar en sentido contrario, sería una onda polarizada circularmente o elípticamente a izquierdas.

OBJETIVOS:

Conocer la función de los tipos de antenas existentes especialmente en Lambayeque.

conocer la configuración de cada una de las antenas en radio, internet o telefonía móvil.

Saber cuáles son las ventajas y desventajas de los distintos tipos de antenas a estudiar.

¿Cómo funciona una Antena?

Las antenas se basan en el principio de la radiación producida alcircular una corriente eléctrica por un conductor. Esta corriente produce un campo magnético alrededor del conductor, cuyas líneas de fuerza están en ángulo recto con respecto al conductor y su dirección está determinada por la dirección de la corriente. Este campo magnético es variable y sigue las mismas ondulaciones de la corriente eléctrica de alta frecuencia que se le entrega a la antena. Diagrama de radiación (Patrón de radiación)

Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación).

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:

• Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.

• Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.

• Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.

• Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad.

• Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.

• Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES.

Al circular una corriente por un elemento metálico se genera un campo magnético que circula entorno al conductor y en el plano perpendicular a éste. Si la corriente circulante es variable, el campo magnético producido será también variable; es decir, si la corriente varía con la frecuencia, el campo cambiará de la misma manera y en función también de la frecuencia. Cuando la frecuencia es baja toda la energía en el conductor (antena) se disipa en forma de calor, a medida que aumenta la frecuencia, una porción de la energía producida en el conductor desaparece. Esta energía perdida del entorno de la antena fluye a través del espacio originando el fenómeno conocido como radiación. Para que tal fenómeno pueda ocurrir, la corriente que circula por el conductor debe ser variable en función del tiempo y de alta frecuencia, de tal modo que la producción de ondas sea inminente.

PARÁMETROS DE UNA ANTENA

Los parámetros de una antena son parámetros susceptibles de ser medidos. Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como un dipolo. Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional. La mayoría de estos parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción.

Los principales parámetros de las antenas son:

• Directividad y Ganancia

• Diagrama de radiación o patrón de radiación

• Ancho del haz

• Impedancia de entrada

• Eficiencia de la antena

• Polarización

• Campos de Inducción de Radiación

• Longitud eléctrica y longitud física

• Ancho de Banda

• Intensidad de Campo

• Relación frente detrás

DIRECTIVIDAD Y GANANCIA

La directividad es la propiedad que tiene una antena de transmitir o recibir la energía irradiada en una dirección particular. Para un enlace inalámbrico que utiliza antenas fijas en ambos extremos, se puede utilizar esta directividad para concentrar la radiación en la dirección deseada.

En cambio, para una estación móvil y otra fija o ambas móviles, donde no se puede predecir donde va a estar una de ellas, la antena deberá radiar en todas las direcciones del plano horizontal y para ello se utiliza una antena omnidireccional.

La ganancia es una relación o cociente entre dos magnitudes físicas iguales (energías, potencias, tensiones, etc.), es decir un número adimensional que puede ser mayor, menor o igual a la unidad.

La ganancia de una antena se expresa tomando como referencia la energía radiada de antena dipolo resonante de media longitud de onda.

La antena isotrópica irradia en todas las direcciones con la misma intensidad. Esta antena no existe, pero sirve como patrón técnico sencillo con el que se comparan las antenas reales ya que cualquier antena real va a irradiar más energía en algunas direcciones que en otras.

Antena isotrópica

Se define como una antena hipotética puntual en el espacio libre que irradia energía de manera uniforme en todas las direcciones. El flujo de energía radiada por unidad de tiempo y de área conocida como Vector de Poynting o Densidad de potencia

[W/m2], esta dado por:

P = E×H

E es la intensidad del vector campo eléctrico [V/m] y H la intensidad del vector campo magnético [A/m] y solo tiene componente radial para una fuente puntual. La potencia aplicada por dicha antena se repartirá uniformemente en el área de una esfera, y la densidad de potencia para el radiador isotrópico, a una distancia d será:

P=P_1/(4πd^2 )

P = Densidad de potencia [Watts/m2]

Pt = Potencia en los terminales de la antena

El denominador es la superficie de la esfera [m2]

Las antenas reales no crean energía dado que la potencia total irradiada es la misma que la de una antena isotrópica. La energía favorecida en una dirección es consecuencia de menos energía en otra dirección.

La ganancia de una antena en una dirección dada es la cantidad de energía radiada en esa dirección comparada con la energía que podría radiar una antena isotrópica en la misma dirección, alimentada con la misma energía de una fuente.

Lo que interesa generalmente es la ganancia máxima en la dirección hacia la cual la antena está radiando la mayor potencia. Si una antena real tiene una ganancia de potencia de 3 dB en una determinada dirección comparada con una antena isotrópica debe expresarse como 3 dBi.

El dipolo resonante de media longitud de onda también es un estándar útil para compararlo con otras antenas reales para una frecuencia dada o sobre una banda estrecha de frecuencias. Si la ganancia de potencia de una antena es de 3 dB en una determinada dirección comparada con el dipolo resonante de media onda debe ser expresada como 3 dBd.

Ganancia Directiva y Ganancia de Potencia

Ambos términos se refieren a la capacidad de una antena para concentrar la energía en cierta dirección. Si se suministra la misma potencia a una antena cualquiera y también a una antena isotrópica, la Ganancia Directiva D (o directividad) de la primera antena, se obtiene mediante la relación:

D=(Densidad de Potencia en la dirección de máxima radiación (lóbulo principal))/(densidad de potencia qiue existiria con la antena isotrópica)

La Ganancia de Potencia G, se define como la relación entre la potencia radiada que debe

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