Parámetros fundamentales en Antenas

Una antena es un sistema de conductor metálico, el cual tiene la capacidad para radiar y capturar las ondas electromagnéticas. Su finalidad es conectar las líneas de transmisión haciendo uso del espacio libre, mediante la aceptación de la energía entre los extremos del proceso de comunicación. Es mediante la antena, que las señales eléctricas son convertidas en ondas electromagnéticas. Su funcionamiento, se basa en los principios de líneas de transmisión, con la característica de que los extremos de las mismas se apartan para dar origen a dos polos (dipolo) en función a la longitud de la onda a transmitir.

En este sentido, Tomasi (2003) refiere que: "una antena básica es un dipolo reciproco pasivo" (p. 371). Se consideran elementos pasivos del sistema de radiocomunicaciones dado a que no amplifican la señal, a pesar de tener ganancia; por otro lado, es recíproco dado a que sus características (directividad, frecuencia de operación, ancho de banda, resistencia interna, eficiencia, entre otros) son similares tanto para transmisión como para recepción.

Para la transmisión, estas deben manejar altos niveles de potencia; este aspecto debe influir en la consideración de su material de construcción, cosa que no sucede en la recepción en la cual los niveles de voltaje y corriente son muy pequeños, de allí que se puede construir con alambres de diámetro pequeño, o inclusive utilizar la misma antena para ambas finalidades.

Patrón de radiación

Consiste en una representación polar de las intensidades de campo en relación a las posiciones angulares, respecto a una antena en particular; es decir una muestra del comportamiento de la ración de una antena. Esta se puede encontrar en término de la intensidad de campo eléctrico o de la densidad de potencia, a la cual es comúnmente referida como grafica de ración absoluta.

El patrón de radiación se puede representar desde la óptica de la elevación o del azimut, de tal manera que el patrón de elevación constituye la representación de la energía radiada por la antena vista desde el perfil y el patrón del azimut la representación de la energía radiada vista desde un plano superficial.

En la siguiente figura se muestran el esquema de un patrón de radiación de un dipolo genérico:

Figura 1. Patrones de radiación a) Patrón de elevación de un dipolo genérico b) Patrón de azimut de un dipolo genérico c) Patrón de radiación 3D

Por otro lado, se pueden considerar diferentes casos en el estudio de los diagramas de radiación, estos son: a) el patrón isotrópico, el patrón direccional, y el patrón omnidireccional, dependiendo de la forma en que se presente la radiación de la antena. El patrón isotrópico está referida al producido por una antena hipotética la cual no posee perdidas e irradia energía en todas las direcciones; el patrón direccional al producido por una antena en una dirección específica, y que depende de la dirección angular en el plano azimutal y/o el plano de elevación; y el patrón omnidireccional el producido no direccional en un plano y direccional en el otro.

Asimismo, en estos diagramas se pueden evidenciar formas de lóbulos de radiación, los cuales constituyen el área del patrón que se rodea por las regiones de baja intensidad de radiación. En sentido general, los lóbulos se clasifican en principales y secundarios, y estos últimos en laterales y posteriores. En la siguiente imagen se muestra una representación de los patrones de radiaciones indicados:

Figura 2. Patrones de radiación: a) isotrópico, b) omnidireccional, c) directivo

Para finalizar la descripción de los diagramas de radiación, se deben considerar las regiones de campo las cuales, se componen por una parte real y una parte imaginaria. La parte real es denominada potencia radiactiva y puede ser transferida de un medio a otro; contrario a esto, la parte imaginaria se conoce como potencia reactiva y no puede ser transferida entre los medios, por lo cual permanece en oscilación alrededor de los campos.

En este orden de ideas, tomando en cuenta las regiones que rodean los campos se pueden definir tres tipos de regiones: a) la región de campo cercano reactivo; b) la región de Fresnel o de campo cercano radiante y; c) la región de Franhofer o de campo lejano.

Figura 3. Patrón de radiación para una antena genérica

Polarización

El establecer la polarización de la antena requiere tener en cuenta las componentes electromagnéticas (campos eléctricos y magnéticos) función del sentido de propagación de las ondas. De allí que la polarización puede ser lineal, circular elíptica.

En la polarización lineal las variaciones del campo eléctrico se contienen en una sola dirección; de otra manera, en la polarización circular el vector de campo eléctrico describe una trayectoria circular, cuya descripción depende del sentido de rotación; y la polarización elíptica, la trayectoria descrita es elíptica.

Un aspecto de gran importancia a considerar es que la determinación de la polarización y sus medidas se deben realizar en la zona lejana de la antena para visualizar que la misma no cambie con la distancia.

Por otro lado, dependiendo del tipo de polarización se plantean la transmisión y la recepción, tal que una antena solo puede recibir un tipo de ondas de acuerdo a la polarización que esta tenga, cuyo caso contrario ocasiona pérdidas de potencia y por ende de información.

Directividad

La directividad es la razón de la intensidad de radiación en una dirección dada a la intensidad de radiación promediada en todas las direcciones, tal que se determina por la relación:

Este patón se puede obtener en general partiendo del diagrama de radiación de la antena y permite analizar la zona del diagrama de radiación de la antena en la cual se concentra la mayor intensidad de potencia, con referencia al resto del patrón de radiación.

Ganancia

Dado que las antenas, constituyen elementos pasivos, estos no puede realizar ningún proceso de amplificación; en este sentido, la ganancia constituye un parámetro similar a la directividad.

La directividad toma en consideración las propiedades direccionales de la antena, de allí su dependencia con respecto al patrón de radiación, mientras que la ganancia toma en consideración las propiedades direccionales de la misma, tales como la eficiencia.

La ganancia, se define como la razón de la intensidad de radiación en cualquier dirección a la radiación de intensidad que se obtiene al recibir potencia por antena y radiarla de manera isotrópica. De allí que, ésta se expresa por la relación:

Impedancia

En general, se le denomina impedancia a la oposición que presentan todos los materiales al flujo de corriente alterna, la cual es análoga a la resistencia en corriente continua. Las antenas no son ajenas a este fenómeno, y generalmente tienen una impedancia característica entre 50 y 75 Ohmios.

Sin embargo, en la determinación de este valor se debe tener en cuenta el factor añadido por los conectores y el cableado. De allí que en los sistemas de comunicaciones se debe tener especial cuidado en las adaptaciones, dado a que estas pueden introducir reflexiones indeseadas y perdidas.

La impedancia es representada por la letra Z y se compone de un número complejo cuya parte real constituye una resistencia y la parte imaginaria una reactancia. Asimismo, en razón a la Ley de Ohm, se obtiene a partir del cociente de la diferencia de potencial entre la intensidad de corriente.

La resistencia (parte real) proviene de la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica; la resistencia de radiación se obtiene de relación entre la potencia total radiada y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada elevada al cuadrado, mientras que la resistencia óhmica se obtiene de la relación entre la potencia disipada por efecto de las perdidas resistivas y la corrientes terminales al cuadrado.

Distribución de corriente

La distribución de corriente en las antenas describe la forma en que se toma la corriente (amplitud y fase) en la propia estructura; la cual es determinada por las condiciones de contorno establecidas en las Leyes de Maxwell del electromagnetismo clásico. De tal manera que, es una propiedad de la geometría de la estructura, así como del punto de excitación de la línea de transmisión.

Para su determinación se debe tener en cuenta que el transmisor, a través de la línea imprime una corriente en el terminal de entrada a la antena, el cual se extiende a lo largo de la misma, tal como si fuesen corrientes superficiales. Evidentemente que, dichas corrientes generan un campo eléctrico y magnético, que afecta la conductividad en el elemento radiante, la cual tiende a ser muy alta.

Las precitadas corrientes, varían en la estructura y originan una onda que se expande en el espacio a través del aire, modelando la atmósfera como un elemento vacío (sin permitividad, ni permeabilidad)

Temperatura de antena

La temperatura es un parámetro que describe la cantidad de ruido que una antena produce en un determinado entorno, la cual depende de la ganancia de la misma y del ambiente térmico en el que se encuentra la antena. Cabe destacar, que este elemento varía en función a la orientación de la antena con respecto a la incidencia de los elementos externos en la misma, tal que consiste en el promedio de todas las temperaturas alrededor de la misma.

Por otro lado influye en la determinación de la potencia de ruido, cuyo análisis es similar al ruido térmico producido en los sistemas de comunicación por efecto de la agitación de electrones en proporción al ancho de banda tal que la potencia de ruido se expresa por la relación ; donde K representa la constante de Boltzmann y B el ancho de banda. La ecuación para determinar la temperatura de la antena se corresponde a la siguiente:

Cuyo razonamiento parte de una antena isotrópica, tal que la antena se integra dentro de una región esférica.

Acopladores

Los acopladores de antenas o "transmatch" son utilizados para la alimentación de las antenas cuando estas se encuentran fuerza de su frecuencia de diseño. Asimismo, se utilizan para antenas multi bandas, en líneas resonantes y cuando los conductores tienen demasiada longitud y se conectan directamente a los equipos transmisores de radio.

Su función es transformar la impedancia de la línea de transmisión para adecuarla al valor de la impedancia de los equipos de radio (aproximadamente 50 Ohmios), y con ello eliminar o reducir la irradiación de armónicas y sintonizar la línea de transmisión.

Existen diferentes circuitos con esta finalidad, capacitivos e inductivos. Sin embargo requieren de la adaptación de un balun, el cual constituye un dispositivo adaptador de impedancias que convierte las líneas no balanceadas en líneas balanceadas. Adicionalmente se requiere adaptar un medidor de ROE (relación de onda estacionaria). Los siguientes dos esquemas circuitales se corresponden a dos acopladores de antena:

Figura 4. Acoplador de antena y balun.

Antenas para VHF y para UHF

Los parámetros anteriormente descritos son fundamentales para seleccionar un cierto tipo de antenas en función a la banda de frecuencia de trabajo, por ejemplo las antenas tipo Yagi se caracterizan por su sensitividad a la frecuencia, lo cual afecta obviamente su funcionamiento para un determinado rango; de hecho su construcción depende de la longitud de onda y esta consecuentemente de la frecuencia, lo cual inclusive interviene en el tamaño de la misma.

En este sentido, la frecuencia de operación afecta el diámetro del conductor y su anchura inclusive. Referente al patrón de radiación, para antenas VHF un patrón omnidireccional puede insertar ruido e interferencia, dada la multiplicidad de elementos transmisores presentes en esa banda, por lo cual para transmisiones VHF es recomendable incorporar una antena cuyo patrón sea directivo. La instalación de las antenas también interviene en su comportamiento, dado a que en las antenas VHF intervienen las pérdidas de línea, y estas se incrementan con la frecuencia. De acuerdo a la frecuencia de operación, las antenas se pueden clasificar en antenas de abertura, de redes, de onda progresiva y elementos de corriente. En la siguiente gráfica se puede observar el comportamiento frecuencial de estos tipos de antenas:

Figura 5. Ubicación de los tipos de antenas según su frecuencia de operación

Dado que la frecuencia afecta el tamaño de las antenas, en la siguiente gráfica se aprecia el tamaño de las antenas según su clasificación:

Figura 6 .Tamaño de las antenas según su clasificación

Finalmente se muestran los diferentes tipos de antenas y su estructuración de acuerdo a la clasificación general:

Figura 7. Tipos de antenas en el contexto de la clasificación general

Arreglo de antenas

Se entiende como un conjunto de antenas simples, las cuales se encuentran unidas bajo (generalmente) las mismas condiciones y que se orientan en la misma dirección; estas se disponen cercanas las unas con respecto a las otras y cada una es manejada por un mismo sistema de separación o combinación de señal.

Los arreglos de antenas son de gran uso para sistemas de comunicaciones que requieren un patrón directivo de gran extensión dado a que permiten incrementar el patron de radiación por medio de la suma de los campos electricos de cada antena que forma parte del mismo, asimismo, para obtener dicho patron de radiación se deben tener en cuenta la configuración geometrica (lineal, plana o circular) de las antenas, la distancia de separación entre los elementos, la amplitud y la fase de excitación de cada elemento y el patrón de radiación relativo de cada elemento.

Los arreglos lineales se componen de varios elementos radiantes los cuales se colocan en línea recta. Estos son considerados como un filtro espacial que pasa las señales de una cierta dirección y rechaza las señales de las otras direcciones. Su formación puede ser con elementos alimentados por corrientes de igual magnitud, con un desfase uniforme y progresivo de la línea, con los elementos dispuestos equidistantes, el cual es conocido como arreglo uniforme.

Otro tipo de arreglos es el arreglo transversal o Broadside en el cual las corrientes que circulas por todas las antenas están en fase, y la distancia entre cada antena se corresponde a la mitad de la longitud de onda; también existe un arreglo enfire o arreglo axial en el que la distancia entre las antenas se corresponde a un cuarto de la longitud de onda. Entre otros tipos de arreglos se pueden mencionar los arreglos de haz conmutado y los adaptativos

Referencias

Balanis, C. (1997). Antenna Theory, Analysis and Design, 2nd ed. John Willey & Sons, Canada.

Tomasi, W (2002). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, 4ta. Ed. Pearson, México.

WNI-MEXICO, c.a (s/f). Tipos de Antenas y Funcionamiento [En línea], Disponible en: http://www.wni.mx/, Consulta realizada (Noviembre, 13 de 2013). México.

Hernández, R. (2008). Diseño, simulación y construcción de antenas tipo parche para bluetooth y Wi-fi, bandas 2,4 GHz y 5,8 GHz. Universidad de las Américas Puebla. [En línea], Disponible en: http://catarina.udlap.mx/, Consulta realizada (Noviembre, 13 de 2013).

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Osuna, R (s/f). Antenas. [En línea], Disponible en: http://www.profesoraulosuna.com/, Consulta realizada (Noviembre, 13 de 2013).

Autor:

Ing. Héctor Martínez

FACILITADORA:

MSC. LILIANA JORQUERA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

ANTONIO JOSÉ DE SUCRE

VICERRECTORADO BARQUISIMETO

DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO

BARQUISIMETO, NOVIEMBRE, 2013