6.4_Parametros de antenas

8/3/2019 6.4_Parametros de antenas

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PARÁMETROSDE ANTENAS

1www.coimbraweb.com

Objetivos

1.- ¿Qué es una antena?

Edison Coimbra G.

ANTENAS Y PROPAGACIÓN

Tema 4 de:Última modificación:

9 de marzo de 2011

Definir los parámetros espaciales y eléctricosde una antena. Interpretar los patrones deradiación para tipos comunes de antenas.

Contenido 2.- Polarización de la antena.

3.- Campo de radiación lejano.

4.- Diagrama de radiación.5.- Densidad de potencia.

6.- Directividad y ganancia.

7.- Impedancia de antena.



2La antena es un elemento radiante. www.coimbraweb.com

1.- ¿Qué es una antena?Una antena es un transductor Es un “conversor” entre dos medios.

La antena convierte la energía electromagnética de una línea (cable) en potencia electromagnéticaradiada en el espacio libre.

Las diversascaracterísticas de la antena

determinan laeficacia de esaconversión.

Tienen formas variadas, hay antenas de hilos (dipolos), de apertura (bocinas), y aún máscomplejas como las parabólicas. En todo caso, siempre se conectan a una línea de transmisióna través de un par de terminales que será la entrada a la antena.

Tipos de antenas según su forma



3La antena Yagi es direccional. www.coimbraweb.com

Requerimientos de diseño de antena¿Qué aspectos deben considerarse?

Las antenas se diseñan para conseguir una fuerte radiación. Deben considerarse dos aspectos.

Concentrar la energía radiada lo más eficazmente posible de la forma requerida y en unadirección o direcciones preferentes. De este modo, se puede alcanzar un amplio margen decobertura y reducir la potencia de transmisión.

Conseguir que la antena convierta en radiación la máxima energía que se le entrega. Portanto, la antena no debe consumir energía.

Tipos de antenas según su radiación Antena omnidireccional Antena directiva

Por tanto, latecnología de laantena es unasimple cuestión deahorro de energía.

2

1



4www.coimbraweb.com

Tipos de antenas de comunicacionesSe distinguen 2 tipos

Antenas para estación base

2

1

Antenas móviles Las antenas móviles sepueden dividir en:

1.- Antenas móviles(para vehículos)

2.- Antenas marinas

(para embarcaciones)

3.- Antenas portátiles(para equipos portátiles)

4.- Antenas para aviación(para aeronaves)

Antena móvil se utiliza para designara las montadas en vehículos.



5

Ambas antenas debentener igual polarización www.coimbraweb.com

2.- Polarización de la antenaPolarización lineal

Ejemplo

En tecnología de antenas, polarización se refiere a la orientación delos campos E y H con respecto a la Tierra.

Si la dirección no varía, la

polarización es lineal.

Si E es perpendicular a

la Tierra, la onda estápolarizada de modovertical. Una antenavertical producepolarización vertical.

1

2 Si E es paralelo a la Tierra, la onda está polarizada de modo horizontal. Una antena horizontalproduce polarización horizontal.

Onda radiada por una antena transmisora de TV con polarización vertical y horizontal:

La antena receptora debe tener la misma polarizaciónque la onda, para una mejor recepción.



6La elíptica es una variante de la circular www.coimbraweb.com

Polarización de la antenaPolarización circular y elíptica

Casos

La polarización puede ser de mano derecha (RHCP) o izquierda (LHCP). Las ondas conpolarización circular se reciben bien con antenas con polarización vertical, horizontal o circular.

A veces el eje de polarización gira a medida que la onda se

mueve por el espacio. Gira 360º por cada de recorrido.

Es polarización circular si la intensidadde E es igual en todos los ángulos.

Es polarización elíptica si la intensidad deE varía conforme cambia la polarización.1 2

La radiodifusión comercial FM, por ejemplo, utiliza polarización circular.

Circular Elíptica

Ejercicio 1 Polarización. Una onda de radio se propaga de tal manera que su campo magnético esparalelo con el horizonte. ¿Cuál es su polarización?

Respuesta.- Vertical



7

La región de Fraunhoffer seencuentra en el campo lejano www.coimbraweb.com

¿Qué es el campo lejano?

Frentes de onda

3.- Campo de radiación lejano

La onda radiada tieneforma esférica. Losfrentes de onda sonesferas centradas en el

centro de la antena y laamplitud y fase dependende la distancia a laantena, que es el radio dela esfera.

El análisis de radiación de una antena se efectúa en la región de campo lejano (a una distancia de

varias ). En general, un receptor está a mayor distancia.

En campo lejano, el

frente de onda parece sercasi plano, como si fueseuna onda plana uniforme.

El campo E no tiene componente en la

dirección de propagación, es perpendicular.

Condición



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Con base en la teoríaelectromagnética www.coimbraweb.com

Impedancia del espacio libre¿Qué es la impedancia característica?

Ley de Ohm para circuitos y para ondas

Una onda electromagnética que se propaga por el espacio consiste en campos E y H que varían juntos, en tiempo y espacio. La razón entre las intensidades de ambos campos se conoce como

impedancia característica del espacio libre y se expresa en .

En el espacio libre



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El patrón de radiación es la forma característicaen que una antena radia energía. www.coimbraweb.com

¿Qué es el diagrama de radiación?

Coordenadas esféricas

4.- Diagrama de radiación

Una antena es capaz de orientar la energíaradiada en determinadas direcciones del

espacio.

Los diagramas de radiación son cantidadestridimensionales que involucran la variacióndel campo E como una función de lascoordenadas esféricas θ y .

Este es un diagrama de radiación de

radio r proporcional a la intensidad de campo en la dirección θ y .

El diagrama tiene el lóbulo principal (radiación máxima) en la dirección z (θ = 0º) y los lóbulosmenores (al lado y atrás) en otras direcciones.

La radiación se concentra en un patrón conforma geométrica reconocible, que se puederepresentar con un diagrama de radiación ode campo.



10Se muestra la componente de E en el plano principal. www.coimbraweb.com

¿Qué es el diagrama de plano principal?

Ejemplo

Diagrama de plano principal

Para ver cómo radia una antena, se elimina la dependencia con el radio (r ) y se trazan diagramas enfunción de las coordenadas polares θ y :

Estos diagramas se representan en cortes denominados diagramas de plano principal (planosX ─ Z y Y─Z). Se representan normalizados respecto al valor máximo (y en dB).

Diagrama 3D de una antena dipolo.

Patrón de radiación de una antena dipolo.

Diagrama polar en el plano X ─ Z (el

del plano Y─Z es similar).



Son cantidades de un solo valor

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¿Qué son los parámetros espaciales?

Descripción de los parámetros

Parámetros espaciales

En el diagrama de la antena se definen losparámetros que describen su comportamiento

y permiten especificar su funcionamiento.

Dirección de apuntamiento (θ0 = 30º).Dirección que corresponde al máximo deradiación de la antena.

Lóbulo principal. Margen angular correspondiente a la zona próxima al máximo ycomprendido entre éste y los mínimos relativos que lo rodean.

Nivel de lóbulo secundario (SLL). El mayor de los máximos secundarios medido respectoal máximo principal, en dB.

Relación frente ─ atrás (F/B). Relación en dB de la radiación principal a la obtenida en la

dirección opuesta (F/B = 20 dB).

1

2

3

4

5

Ancho de haz. Ancho del lóbulo principal entre puntos de ─ 3 dB (BW3dB = 20º). Margenangular entre las dos direcciones próximas al máximo principal cuya amplitud está 3 dB pordebajo del máximo.

Son cantidades escalares necesarias paradiseñar antenas directivas.



Si E y H son ortogonales, el productovectorial es igual que el escalar. www.coimbraweb.com

Para circuitos se define la ecuación de potencia

Para ondas en el espacio se define la densidad de potencia

5.- Densidad de potencia

En términos físicos, la densidad de potencia S en el espacio es la cantidad de potencia quefluye por cada m2 de una superficie perpendicular a la dirección de propagación.

El producto vectorial de los vectores de campo E y H corresponde al módulo del Vector de

Poynting, que en condiciones de campo lejano apunta siempre en la dirección de propagación.


http://slidepdf.com/reader/full/64parametros-de-antenas 13/2513El radiador isotrópico no puede fabricarse. www.coimbraweb.com

¿Qué es el radiador isotrópico y en qué se usa?

¿Qué densidad de potencia produce?

Densidad de potencia de un radiador isotrópico

Si se dibujara una esfera concéntrica al radiador, toda laenergía radiada pasaría por la superficie de la esfera.

Sería inútil hablar de antenas si no se tiene algo con qué compararlas. Por eso se creó una antenaimaginaria, el radiador isotrópico.

Es una antena ideal perfectamente omnidireccional, queradia la señal en forma de esfera perfectamente uniforme,con la misma intensidad en todas las direcciones.

En consecuencia, la densidad de potencia (S i ), en W/m2,sería la potencia radiada o transmitida (P T ) entre el área dela superficie de la esfera (4πr 2).

Observe que la energía se dispersa sobre una superficie más grande a medida queaumenta la distancia.


http://slidepdf.com/reader/full/64parametros-de-antenas 14/2514El dipolo ideal puede fabricarse. www.coimbraweb.com

¿Qué es el dipolo estándar y en qué se usa?

¿Cómo es su patrón de radiación?

Densidad de potencia de un dipolo estándar

Tiene una forma aproximada de figura 8 tridimensional,similar a un “donut” sin agujero, donde las puntas de los

brazos son puntos “sordos” hacia donde no radia.

Es una antena casi perfecta que también se usa como punto decomparación. Se construye bajo un control estricto de laboratorio,

garantizando que su construcción, materiales y comportamientosean idénticos a un estándar establecido para antenas dipolo.

El dipolo estándar radia 1, 64 veces (2.15 dB) con mayorintensidad en la dirección de máxima radiación que unradiador isotrópico.



Superficie de una esfera= 4r2

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Densidad de potencia - Ejercicios

Ejercicio 2

Intensidad de campo. Calcule la densidad de potencia que se requiere para producir una intensidad decampo E de 100 V/m en el aire.

Respuesta.- S = 26.5 W/m 2

Ejercicio 3

Intensidad de campo. Una señal tiene una densidad de potencia de 50 mW/m2 en el espacio libre.Calcule sus intensidades de campo eléctrico y magnético.

Respuesta.- E = 4,34 V/m H = 11,52 mA/m

Impedancia en el espacio libre = 377

Ejercicio 4

Radiador isotrópico. Una potencia de 100 W se suministra a un radiador isotrópico. Calcule la densidadde potencia a un punto distante 10 km.

Respuesta.- S = 79,6 nW/m 2 . En términos de radio esta es una señal bastante fuerte.

Ejercicio 5

Dipolo estándar. Una potencia de 100 W se suministra a un dipolo estándar. Calcule la densidad depotencia a un punto distante 10 km en la dirección de máxima radiación.

Respuesta.- S = 130,5 nW/m 2


http://slidepdf.com/reader/full/64parametros-de-antenas 16/2516El dipolo estándar es omnidireccional www.coimbraweb.com

¿Qué es la directividad de una antena?

Omnidireccional

6.- Directividad y ganancia

La directividad D es una indicación de la capacidadde la antena para conducir la potencia radiada hacia

un “determinado emplazamiento”. Normalmente, sehabla de antenas omnidireccionales y directivas.

Una antena omnidireccional con grandirectividad tiene un patrón de radiación similar a

un “donut” sin agujero.

Directiva

Una antena directiva de alta directividadtiene un patrón de radiación similar al conode luz de un proyector.


http://slidepdf.com/reader/full/64parametros-de-antenas 17/2517La ganancia es un parámetro similar a la directividad. www.coimbraweb.com

¿Cómo se calcula la directividad D?

Densidad de potencia de una antena directiva

Cálculo de la directividad y ganancia

La directividad D es la razón entre la densidad de potencia en la dirección de máxima radiación (S )y la que radiaría un radiador isotrópico (S i ) con la misma potencia radiada (P T ).

La ganancia G T de una antena transmisora de bajas pérdidas (η ≈ 1) es GT = D. Por tanto, su densidad de potencia se escribe:

La ganancia G de una antena se define como G = η·D , donde η es el rendimiento de radiación queindica la eficacia de la antena. Por tanto, la ganancia comprende una posible pérdida. En la mayoríade las antenas la pérdida es tan baja que se puede considerar G = D .

Definición de ganancia G


http://slidepdf.com/reader/full/64parametros-de-antenas 18/2518Superficie de una esfera= 4r2

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Directividad y ganancia - Ejercicios

Ejercicio 6

Antena Yagi. Una potencia de 100 W se suministra a una antena Yagi de 12 dBi. Calcule la densidad depotencia a un punto distante 10 km en la dirección de máxima radiación.

Respuesta.- S = 1,26 W/m 2 .

El dipolo tiene una ganancia de 2.15 dBi.Ejercicio 7

Ganancia. Dos antenas tienen ganancias de 5.3 dBi y 4.5 dBd, respectivamente. ¿Cuál tiene mayorganancia?

Respuesta.- La de 4.5 dBd → 4.15 dBd + 2.15 = 6.65 dBi.

Ejercicio 8

Ganancia de dipolo. Una antena dipolo tiene unaeficiencia de 85%. Calcule su ganancia en decibeles.

Respuesta.- G = 1, 44 dBi

Ejercicio 9 Patrón de radiación. Determine la ganancia y el ancho dehaz para la antena de la figura.

Respuesta.- 3dBd, 5.15 dBi, 70 o .



dBi = dBd + 2.15

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Patrón de radiación - Ejercicios

Ejercicio 10

Ganancia. Determine la ganancia y el anchode haz para la antena de la figura.

Respuesta.- 5dBi, 20 o .

El ancho de haz se mide entre puntos de ─ 3 dB

Ejercicio 11

Ganancia. Para el patrón de antena en la figura, encuentre:a) La ganancia de la antena en dBi y dBd.b) La relación frente-atrás en dB.

c) El ancho de haz para el lóbulo principal.d) La ganancia para el lóbulo menor más importante.

Respuesta.- a)13.95 dBi, 11.8 dBd; b) 15 dB;

c) 44 o ; d) –1.05 dBi.



El dipolo tiene una resistenciade radiación de 73 . www.coimbraweb.com

¿Cómo se modela eléctricamente la antena?

Circuito equivalente de la antena en transmisión

7.- Impedancia de antena

Al conectar un generador a una antena, la relación de V e I en los terminales de entrada permite modelar la

antena como una impedancia compleja (Z A) que varíacon la frecuencia.

R . Resistencia de pérdidas . Representa la potencia

disipada en la superficie de los conductores o enelementos propios del diseño de la antena.

X A . Reactancia de la antena . Representa la inductancia de losconductores que forman la antenay su capacitancia respecto alplano de tierra. Estas reactanciasson responsables en los circuitosAC de pérdidas de potencia enforma de "pérdidas reactivas de potencia ", que no disipan calor,pero que están ahí.

R r . Resistencia de radiación . Representa la capacidad dedisipación de potencia mediante radiación al espacio, y quepuede ser equiparada a una resistencia óhmica disipadora de

potencia.



El dipolo de 0.95( /2) tiene unaresistencia de radiación de 70 . www.coimbraweb.com

El dipolo corto

Impedancia del dipolo de /2

Resistencia de radiación del dipolo estándar

Si la longitud del dipolo aumenta, la

reactancia disminuye y R r se incrementa.

Un dipolo corto de /10 << /2 tiene una impedancia compleja, que secalcula asumiendo que I 0 = 0 en los extremos y se incrementalinealmente a su máximo valor en las terminales, resultando una

resistencia de radiación R r = 2

y una reactancia capacitiva 1 900

.

En la práctica, cuando un dipolo tieneexactamente λ/2 de longitud, suimpedancia (Z A) está dada por:

Si disminuye la longitud de la antena en un95% de λ /2, el dipolo se vuelve resonante, esdecir, la impedancia se hace completamenteresistiva: la resistencia de radiación disminuye a 70 y la reactancia inductiva se

vuelve cero.

ó S



Lo deseable es unacoplamiento perfecto. www.coimbraweb.com

¿Cómo se forma una onda estacionaria?

¿Cómo se calcula la ROE?

Relación de onda estacionaria SWR

Si la impedancia Z A de la antena no esigual que la impedancia Z 0 del cable, la

antena refleja parte de la energíaincidente a través del cable dealimentación hacia el transmisor, lo cual noes deseable. La suma de la onda incidentey su onda reflejada forman la ondaestacionaria.

La relación de onda estacionaria ROE o SWR (Standing Wave Ratio ) se expresa en función de la impedanciacaracterística y de la impedancia de la antena.

Normalmente, la impedancia característica del cable es de

50 Ω, por tanto, un dipolo de 70 produce una SWR = 1.4.Es importante que la SWR se acerque lo máximo posible a1.0 obteniendo así la máxima potencia de transmisión P T dela antena.

Ejemplo

T f i d i Cál l á id



La situación ideal seda cuando SWR = 1. www.coimbraweb.com

Porcentaje de energía reflejada

Solución para SWR alto

Transferencia de potencia – Cálculo rápido

Para SWR = 1, el % de energía reflejada es0. Sin embargo, a medida que se pierde el

acoplamiento, la energía reflejada aumenta.

Algunos sistemas de estado sólido, cortan en forma automáticacuando SWR > 2. Pero la solución práctica para reducir la SWR esaplicar técnicas de acoplamiento de impedancia.

Cuando SWR = 1.5 es de 4 %.

Para valores de SWR 2, el % de energíareflejada es <10 %, lo que significa que másdel 90% llega a la antena. Para la mayor partede las aplicaciones esto es aceptable.

Para valores de SWR > 2, el % aumenta demanera espectacular, y deben tomarsemedidas para reducir la SWR con el fin deprevenir un daño potencial.

R di i d di ió



Las pérdidas óhmicas se

producen por el efecto Joule. www.coimbraweb.com

Cálculo del rendimiento de radiación

Los conductores de la antena tienen

una resistencia de pérdidas.

Rendimiento de radiación

Las antenas se diseñan para resonar a la frecuencia central de la banda de utilización, puestoque así se facilita la adaptación de impedancias a la línea de transmisión que es siempre real. Por

tanto X A = 0.

Aún así, no toda la potenciaentregada a la antena setraduce en potencia radiada.El cociente entre la potenciaradiada y la entregada

corresponde al rendimiento de radiación (η).

Ejercicio 12

Eficiencia de un dipolo. Una antena dipolo tiene una resistencia de radiación de 67 y una resistencia de

pérdida de 5 , medidas en el punto de alimentación. Calcule la eficiencia.

Respuesta.- η = 0.93 ó 93%.

SWR t f i d t i Ej i i



El desacoplamiento producel í fl j

SWR y transferencia de potencia - Ejercicios

Ejercicio 13

Potencia radiada. Un transmisor con una salida de potencia de 100 W se conecta a unaantena dipolo con una resistencia de radiación de 70 y una resistencia óhmica de 2 .

a) ¿Cuánta potencia se radia al espacio?b) ¿Qué sucede con el resto de la potencia?

a) 97.2 W

SWR se calcula en función de las

impedancias del cable y de la antena.

SWR. Una línea de 50 se conecta a una antena de 25 . Calcule la SWR.

Respuesta.-

b) Se disipa como calor en la antena

Respuesta.- SWR = 2

Impedancia del cable. Un cable coaxial de impedancia desconocida se conecta a dos cargas distintas, yla SWR se mide en cada caso. Con una antena de 75 de resistencia de radiación, la SWR mide 1,5.Con una carga de 300 , mide 2,67. Calcule la impedancia característica del cable.

Respuesta.- Z 0 = 112

Potencia radiada. Un transmisor suministra 50 W a una antena a través de un cable con una SWR de2:1. Determine la potencia radiada por la antena. Utilice la gráfica de % de potencia reflejada versus SWR.

Respuesta.- P T = 44,4 W

FIN

Ejercicio 14

Ejercicio 15

Ejercicio 16

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