Teoría de Antenas Balanis

CAPÍTULO 1

Antenas

1. INTRODUCCIÓN

El diccionario Webster define una antena como “un dispositivo generalmente metálico (como una varilla o alambre) para radiar o recibir ondas de radio”. Las definiciones estándar de IEEE de términos para antenas (IEEE Std 145–1983)∗ define la antena como “un medio para emitir o recibir ondas de radio”. En otras palabras, la antena es la estructura de transición entre el espacio libre y un dispositivo de guía, como se muestra en la Figura 1.1. El dispositivo de guía o línea de transmisión puede tener la forma de una línea coaxial o un tubo hueco (guía de ondas), y se utiliza para transportar energía electromagnética desde el transmisor fuente a la antena, o de la antena al receptor. En el primer caso, tenemos un transmisor antena y en este último una antena receptora.

Una línea de transmisión equivalente de Thevenin del sistema de antena de la Figura 1.1 en la transmisión modo se muestra en la Figura 1.2 donde la fuente está representada por un generador ideal, la transmisión línea está representada por una línea con impedancia característica Zc, y la antena está representada por una carga ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] conectada a la línea de transmisión. El circuito de Thevenin y Norton los equivalentes de la antena también se muestran en la Figura 2.27. La resistencia de carga RL se utiliza para representar la conducción y las pérdidas dieléctricas asociadas con la estructura de la antena, mientras que Rr, denominado la resistencia a la radiación, se utiliza para representar la radiación de la antena. Se utiliza la reactancia XA para representar la parte imaginaria de la impedancia asociada con la radiación de la antena. Esto es discutido más en detalle en las Secciones 2.13 y 2.14. En condiciones ideales, la energía generada por la fuente debe transferirse totalmente a la resistencia a la radiación Rr, que se utiliza para representar la radiación por la antena. Sin embargo, en un sistema práctico hay pérdidas dieléctricas de conducción debido a la pérdida naturaleza de la línea de transmisión y de la antena, así como aquellas debidas a pérdidas por reflexión (desajuste) en la interfaz entre la línea y la antena. Teniendo en cuenta la impedancia interna de la fuente y despreciando las pérdidas de línea y reflexión (desajuste), la potencia máxima se entrega a la Antena bajo coincidencia conjugada. Esto se discute en la Sección 2.13.

Las ondas reflejadas de la interfaz crean, junto con las ondas viajeras de la fuente hacia la antena, patrones de interferencia constructivos y destructivos, denominados ondas estacionarias, dentro de la línea de transmisión que representan focos de concentración y almacenamiento de energía, típicos de dispositivos resonantes. Un patrón típico de onda estacionaria se muestra discontinuo en la Figura 1.2, mientras que otro se muestra en la figura 1.15. Si el sistema de antena no está diseñado correctamente, la línea de transmisión podría actuar en gran medida como un elemento de almacenamiento de energía en lugar de un dispositivo de conducción de ondas y transporte de energía. Si las intensidades de campo máximas de la onda estacionaria son lo suficientemente grandes, pueden provocar arcos dentro de las líneas de transmisión.

∗Transacciones IEEE sobre antenas y propagación, vols. AP-17, N° 3, mayo de 1969; AP-22, N° 1, enero de 1974; y AP-31, No. 6, Parte II, noviembre de 1983.

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Las pérdidas debidas a la línea, la antena y las ondas estacionarias son indeseables. Las pérdidas debidas a la línea pueden minimizarse seleccionando líneas de baja pérdida, mientras que las de la antena pueden disminuirse reduciendo la pérdida de resistencia representada por RL en la Figura 1.2. Las ondas estacionarias se pueden reducir, y la capacidad de almacenamiento de energía de la línea minimizada, al igualar la impedancia de la antena (carga) a la impedancia característica de la línea. Esto es lo mismo que hacer coincidir las cargas con las líneas de transmisión, donde la carga aquí es la antena, y se analiza con más detalle en la Sección 9.7. Un equivalente similar a la de la Figura 1.2 se utiliza para representar el sistema de antena en el modo de recepción donde la fuente es reemplazada por un receptor. Todas las demás partes del equivalente de la línea de transmisión siguen siendo las mismas.

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La resistencia a la radiación Rr se utiliza para representar en el modo de recepción la transferencia de energía desde la onda de espacio libre a la antena. Esto se discute en la Sección 2.13 y está representado por Thevenin y los equivalentes de los circuitos de Norton de la figura 2.27.

Además de recibir o transmitir energía, una antena en un sistema inalámbrico avanzado es generalmente se requiere para optimizar o acentuar la energía de radiación en algunas direcciones y suprimirla en otros. Por lo tanto, la antena también debe servir como un dispositivo direccional además de un dispositivo de sondeo. Eso entonces debe tomar varias formas para satisfacer la necesidad particular en cuestión, y puede ser una pieza de conducción alambre, una abertura, un parche, un conjunto de elementos (matriz), un reflector, una lente, etc.

Para los sistemas de comunicación inalámbrica, la antena es uno de los componentes más críticos. Un bien El diseño de la antena puede relajar los requisitos del sistema y mejorar el rendimiento general del sistema. A ejemplo típico es el televisor para el que se puede mejorar la recepción general de la emisión utilizando una antena de alto rendimiento. La antena sirve a un sistema de comunicación el mismo propósito que ojos y anteojos sirven a un ser humano.

El campo de las antenas es vigoroso y dinámico, y en los últimos 60 años la tecnología de antenas ha sido un socio indispensable de la revolución de las comunicaciones. Muchos avances importantes que ocurrieron durante este período son de uso común en la actualidad; sin embargo, se enfrentan muchos más problemas y desafíos nosotros hoy en día, especialmente porque las demandas de rendimiento del sistema son aún mayores. Muchos de los principales avances en la tecnología de antenas que se completaron en la década de 1970 hasta principios de la de 1990, aquellos que estaban en marcha a principios de la década de 1990, y señales de futuros descubrimientos y avances fueron capturados en una edición especial de Proceedings of the IEEE (Vol. 80, No. 1, enero de 1992) dedicado a Antenas. El artículo introductorio de este número especial [1] proporciona una estructura cuidadosamente estructurada, elegante discusión de los principios fundamentales de los elementos radiantes y ha sido escrito como una introducción para el no especialista y una revisión para el experto.

1. TIPOS DE ANTENAS

Ahora presentaremos y discutiremos brevemente algunas formas de los diversos tipos de antena para obtener un vistazo a lo que se encontrará en el resto del libro.

1.2.1 Antenas de hilo

Las antenas de cable son familiares para el profano porque se ven prácticamente en todas partes: en automóviles, edificios, barcos, aviones, naves espaciales, etc. Hay varias formas de antenas de cable como como alambre recto (dipolo), bucle y hélice, que se muestran en la figura 1.3. Las antenas de cuadro no necesitan solo ser circular. Pueden tomar la forma de un rectángulo, cuadrado, elipse o cualquier otra configuración. El bucle circular es el más común debido a su simplicidad en la construcción. Se discuten los dipolos con más detalle en el Capítulo 4, bucles en el Capítulo 5 y hélices en el Capítulo 10.

1.2.2 Antenas de apertura

Las antenas de apertura pueden ser más familiares para el profano hoy que en el pasado debido a la creciente demanda de formas más sofisticadas de antenas y la utilización de frecuencias más altas. Alguno Las formas de antenas de apertura se muestran en la Figura 1.4. Las antenas de este tipo son muy útiles para aviones y aplicaciones de naves espaciales, porque pueden ser muy convenientemente montados al ras en la piel de la aeronave o nave espacial. Además, se pueden recubrir con un material dieléctrico para protegerlos de las condiciones peligrosas del medio ambiente. Las aperturas de guía de ondas se analizan con más detalle en Capítulo 12 mientras que los cuernos se examinan en el Capítulo 13.

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1.2.3 Antenas Microstrip

Las antenas Microstrip se hicieron muy populares en la década de 1970, principalmente para aplicaciones espaciales. Hoy en día se utilizan para aplicaciones gubernamentales y comerciales. Estas antenas consisten en un metal parche sobre un sustrato puesto a tierra. El parche metálico puede tomar muchas configuraciones diferentes, como se muestra en Figura 14.2. Sin embargo, los parches rectangulares y circulares, que se muestran en la figura 1.5, son los más populares debido a la facilidad de análisis y fabricación, y sus atractivas características de radiación, especialmente baja radiación de polarización cruzada. Las antenas Microstrip son de bajo perfil, adaptables a planos y superficies no planas, simples y económicas de fabricar utilizando tecnología moderna de circuitos impresos, mecánicamente robusto cuando se monta en superficies rígidas, compatible con diseños MMIC, y muy

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