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Fabricación de antenas para la recepción de imágene s de satélites NOAA

Conceptos básicos sobre antenas

Miguel Fernández GarcíaDepartamento de Ingeniería EléctricaCampus Universitario33204 – Gijón, Asturias, Spaine-mail: [email protected]

13-17 Abril 2015Fabricación de antenas para la recepción de imágenes de satélites NOAA

Universidad de

Oviedo

Extensión 2014/15

Índice

� Definición de antena

� Propiedades de una buena antena

� Longitud física y longitud eléctrica

� Tipos básicos de antenas

� Parámetros para la caracterización de antenas

� Impedancia de entrada y adaptación

� Directividad, ganancia y diagrama de radiación

� Polarización

� Otros parámetros importantes

� Ancho de banda

� Ruido

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Definición

� Antena: dispositivo que forma parte de sistemas Tx/Rx , diseñado específicamente para

radiar/recibir ondas electromagnéticas.

� Siempre actúa como interfaz entre una región donde existen ondas electromagnéticas guiadas y el

espacio libre.

� Función: Radiar (Tx) la potencia que le suministra el transmisor, o recibir, con la máxima

eficiencia y las características de direccionalidad y polarización que requiera la

aplicación:

� Radiodifusión: la radiación ha de ser onmidireccional

� Enlace punto a punto: interesan antenas muy directivas

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Tx Rx

Antena Tx Antena Rx

Medio no guiado

ldt ldt


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Definición � Características deseables de una buena antena:

� Buena adaptación, relacionada con la impedancia de entrada

� Buen rendimiento, relacionado con las pérdidas

� Características de direccionalidad y polarización adecuadas a cada aplicación particular

� Longitud física y longitud eléctrica

� λ=c/f, λ(cm)=30/f(GHz)

� Dado que la longitud eléctrica de la antena varía con la frecuencia, esta condiciona todas sus

propiedades.

� Tipos básicos de antena:

� Lineales: Formadas por hilos conductores eléctricamente delgados. Según su geometría pueden

ser de hilo recto (dipolos, rómbicas), de espiras o hélices.

� Bocinas: Formadas al abrir o abocinar guías de onda. El tamaño de la apertura determina su

directividad. En general, son antenas bien adaptadas.

� Reflectores: Convierten un diagrama poco directivo en otro mucho más directivo. Son las más

utilizadas en enlaces punto a punto y en comunicaciones por satélite en las bandas de microondas.

� Arrays: La agrupación de elementos simples proporciona gran flexibilidad. Seleccionando

adecuadamente la alimentación de cada elemento se pueden conseguir características de radiación

especiales.

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Tipos básicos de antenas:Lineales

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� Dipolos:

� Longitud total aproximada: λ/2

� Hilos eléctricamente delgados, es decir, con

diámetro << λ

� Alimentado en el centro a través de un balun.

� Impedancia de entrada: ∼ 75 Ω

� Diagrama de radiación omnidireccional.


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Tipos básicos de antenas:Lineales

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� Monopolo sobre plano de masa

� Un solo hilo, perpendicular a un plano de masa.

� Longitud total aproximada: λ/4

� Hilos eléctricamente delgados, es decir, con

diámetro << λ

� Alimentado directamente en la base.

� Diagrama de radiación omnidireccional.


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Tipos básicos de antenas:Bocinas

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� Bocinas

� Antenas muy directivas.

� Alimentadas desde guía de onda.

� El tamaño de la base depende de la frecuencia.

� El tamaño de la apertura determina la ganancia.

� Muy utilizadas en enlaces punto a punto en la banda de MW y mmW.


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Tipos básicos de antenas:Reflectores

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� Reflectores

� Convierten el diagrama de radiación de un alimentador poco directivo en uno

muy directivo.

� El reflector ha de ser eléctricamente grande, con d>>λ

� La ganancia aumenta con el tamaño

� Enlaces punto a punto en la banda MW y mmW.

� Radar.


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Tipos básicos de antenas:Arrays

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� Arrays

� Antena formada por la agrupación de elementos simples.

� Gran flexibilidad de diseño.

� Seleccionando adecuadamente la alimentación de cada elemento, se pueden

conseguir diagramas de radiación con características particulares.

� Aumentar la ganancia

� Cambiar la dirección de apuntamiento sin mover físicamente la antena

� …

� Caso particular: antena Yagi

� Se trata de un array de dipolos, con características particulares en cuanto a su

alimentación.

� En este caso, se consigue aumentar la ganancia a medida que se añaden elementos.


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Impedancia de entrada. Adaptación.

� Considérese la antena como un elemento de circuito, alimentada por una línea de

transmisión con impedancia característica Zo, y funcionando en espacio libre.

� Se define su impedancia de entrada, Zin, como el cociente entre la tensión y la corriente a la entrada

de la antena.

� En general, Zin es compleja y varía con la frecuencia, tanto en parte real como imaginaria,

ya que también cambian las dimensiones eléctricas de la antena.

� Es habitual diseñar las antenas para que sean resonantes, y que así sea más fácil

adaptarlas a las líneas de transmisión.

� En baja frecuencia, las antenas son eléctricamente cortas. En este caso, Xin>>Rin.

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Tx Antena Zo Vin

IinZin�

V��

��

��


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Impedancia de entrada. Coeficiente de reflexión y adaptación

� La impedancia de entrada Zin es un parámetro difícil de medir. Para la

caracterización de antenas suelen usarse:

� Coeficiente de reflexión: ρ [-1, 1]

� Pérdidas de retorno: Pret [-∞, 0]

� Relación de Onda Estacionaria: ROE o VSWR [1, ∞]

� Como con cualquier carga, si ρ≠0, (cuando Zin=Zo), parte de la potencia que llega a la

antena se refleja, por lo que no toda la potencia que entrega el generador «se

aprovecha».

11

� ��

��

��

��

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ρ

Pin

Zo Zin


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Impedancia de entrada. Coeficiente de reflexión y adaptación

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� Balance de potencias en una antena alimentada a través de una línea de transmisión:

� Potencia disponible en el generador Pa

� Coeficientes de reflexión en el generador y en la carga (antena), dados por Zg, Zo y Zin.

Zo

Zin, Pin

Zg

Vg

Pa

Pinc

Pref

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Impedancia de entrada. Eficiencia

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� La parte real de Zin puede expresarse como suma de dos resistencias:

� Resistencia de radiación

� Resistencia de pérdidas

� La resistencia de radiación se define como aquella que disiparía una potencia igual a la

radiada por la antena, si estuviese recorrida por la misma corriente que la antena.

� Por lo tanto, una parte la potencia de entrada se radia y otra se disipa en forma de calor

� Se define la eficiencia de radiación ξr como:

� En la mayoría de los casos, Rrad>>Rloss, por lo que la eficiencia es próxima al 100%. La

principal excepción la constituyen las antenas eléctricamente cortas, donde puede llegar a

darse el caso Rloss>Rrad

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Impedancia de entrada.

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� Para aprovechar al máximo la potencia disponible en el generador hay que tener en

cuenta:

� Zg, Zo, Zin (considerar la antena como un elemento de circuito)

� Posible red de adaptación

� Diseño adecuado de la antena para minimizar Rloss.

� Se debe a la resistencia eléctrica de los materiales utilizados (no nula en el caso de conductores y

no infinita en el caso de aislantes).

Zo

Zin, Pin

Zg

Vg

Pa

Pinc

Pref

��

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Impedancia de entrada:Medida

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� Medidores de VSWR:

� Bajo coste.

� Prestaciones limitadas.

� Idealmente VSWR=1

� Analizador Vectorial de Redes:

� Alto coste

� Altas prestaciones

� Idealmente, |Γ|=0 (-∞ dB)

� En la práctica, se considera buena adaptación |Γ|<-10 dB.


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Directividad y ganancia. Coordenadas esféricas

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� Sistema de coordenadas esféricas:

� Cada punto del espacio se identifica por (r, θ, φ)

� Cada dirección del espacio se identifica con el par (θ, φ)

� Se pueden definir las siguientes superficies

� r constante: esfera de radio r.

� φ constante: plano que contiene al eje z

� θ constante: cono con eje z como eje de revolución


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Directividad y ganancia. Radiador isotrópico

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3 4, 6 �#�7, 4, 6 89

8Ω� 7) #�7, 4, 6

3 4, 6 � 3 ��-/�-/-

4<

� Radiador isotrópico: Antena puntual, alimentada por un sistema también puntual. Esta

antena radiaría exactamente igual en todas las direcciones del espacio.

� Si se colocase el radiador isotrópico en el centro de una esfera, se tendría el mismo nivel

de campo en todos los puntos de la superficie.

� Intensidad de radiación U(θ, φ): Potencia radiada en una determinada dirección por

unidad de ángulo sólido.

� En el caso del radiador isotrópico, dado que el ángulo sólido que abarca todas las

direcciones del espacio es 4π, y la intensidad de radiación es igual para todas las

direcciones:


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Directividad y ganancia. Ganancia directiva

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� Ganancia directiva D(θ, φ) de una antena: se define como el cociente entre la intensidad

de radiación en una determinada dirección (θ, φ) y la intensidad de radiación de una

antena isotrópica que radiase la misma potencia total.

� Directividad Do: Ganancia directiva en la dirección de máxima radiación

� Siempre es mayor o igual que 1 (0 dBi)

� Se puede expresar en dBi como: 10log(Do)

� La ganancia directiva y la directividad indican la magnitud en la que se refuerza la

intensidad de radiación de una antena en una determinada dirección con respecto a la

que radiaría en la misma dirección si lo hiciese de forma isotrópica.

= 4, 6 �3�4, 6�

3�1��>�(-

� 4<3 4, 6

��-/� 4<7)

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��-/


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Diagrama de radiación:Medida

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� Proceso de medida simplificado:

� Se realiza la medida en un plano (corte del diagrama de radiación)

� En el caso representado, plano XY (o θ=90º)

� Se alimenta la antena bajo medida (ABM)

� Se mide la señal recibida por la sonda para diferentes ángulos φ

� Diagrama de radiación:

� Representación campo E o

de la potencia medida del

por la sonda, en función del

ángulo φ.

� Contiene toda la información

acerca del modo en que una

antena distribuye

espacialmente la energía

� Suele realizarse una

representación normalizada

con respecto al valor

máximo.


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Diagrama de radiación:Parámetros de interés

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� Parámetros de interés:

� Lóbulo principal.

� Nivel de lóbulos secundarios

� Relación delante-detrás

� Ancho de haz –3 dB del lóbulo principal

� Determina la directividad de la antena.


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Diagrama de radiación:Planos

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� Importancia del plano en el que se mide:

� Dipolo colocado en el eje Z

Plano XY: omnidireccional Plano YZ: directivo


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Diagrama de radiación:Ejemplo real

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� Importancia del diagrama de radiación: Teléfono móvil.

� Dirigir la potencia radiada hacia la estación base, minimizando la potencia que incide

sobre la cabeza del usuario.


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Diagrama de radiación:Ejemplo real

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� Diagrama de radiación de antena a bordo de satélite de comunicaciones:

� TV vía satélite (ASTRA)

� ¿Por qué utilizar este tipo de haces?

� Minimizar interferencias

� Aprovechamiento máximo de la potencia del transmisor.


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Polarización

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� Polarización de una onda EM: Es la figura que describe, en función del tiempo, el

extremo del vector de campo eléctrico que se propaga, vista desde el emisor.

� El vector campo eléctrico (azul en la figura) puede descomponerse en dos componentes

ortogonales entre si y a la dirección de propagación. El tipo de polarización viene dado

por las relaciones entre los módulos y las fases de estas componentes (rojo y verde).

� En el caso más general, el vector describe una elipse. Bajo determinadas condiciones

puede degenerar en:

� Línea recta: Polarización lineal

� Alguno de los módulos 0, o diferencia de fase igual a nπ

� Circunferencia. Polarización circular

� Módulos iguales y diferencia de fase ±π/2


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Polarización

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� La polarización de una antena es la del campo que radia en la dirección de máxima

ganancia.

� Se asume que es constante sobre el lóbulo principal. No tiene por que ser así sobre todo el

diagrama de radiación.

� Las antenas se diseñan para radiar y recibir polarización lineal o circular. Las

polarizaciones conseguidas nunca son puras:

� Una polarización lineal es en realidad una elíptica con alta relación axial

� Una polarización circular es una elíptica con relación axial próxima a 1.

� Por lo tanto, cualquier antena radia, junto con su polarización nominal, una ortogonal

indeseada, hablándose de componentes copolar y contrapolar.


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Polarización

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� La polarización juega un papel básico en el acoplo de energía entre una antena

transmisora y una antena receptora. Una antena sólo acepta la energía contenida en una

polarización que coincida con la suya.

� Transmisión con polarización lineal:

� El máximo acoplo de potencia se consigue cuando las antenas Tx y Rx están alineadas. Si se

disponen formando 90º, el acoplo de potencia será nulo.

� Transmisión con polarización circular:

� El máximo acoplo de potencia se consigue cuando se recibe con una antena con polarización

circular y sentido de giro adecuado.

� Dado que un vector con polarización circular se puede descomponer en dos ortogonales con

polarización lineal, es posible recibir con una antena con polarización lineal. En este caso se

conseguirá acoplar la mitad de potencia.

� Comunicaciones vía satélite: Las antenas embarcadas suelen tener polarización

circular:

� Si se utilizase polarización lineal, no se podría mantener el alineamiento de las antenas en la

estación terrestre debido al movimiento del satélite.

� Bajo determinadas condiciones de propagación, la polarización de una onda puede girarse al

atravesar la atmósfera.

� Reutilización de frecuencias utilizando antenas con elevada pureza de polarización.


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Ancho de banda

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� Dado que las dimensiones eléctricas de la antena dependen de la frecuencia, también lo

hacen todos los parámetros de la antena

� Ancho de banda: Es el rango de frecuencias para el que los parámetros de la antena

cumplen unas especificaciones prefijadas (pérdidas de retorno, anchura de haz…).

� Antenas de banda estrecha:

� Su ancho de banda suele especificarse en % de la frecuencia central

� Antenas de banda ancha:

� En este caso, suele indicarse como relación entre la frecuencias que delimitan la banda de trabajo.

Son comunes especificaciones en términos de octavas (2:1) ó décadas (10:1).


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Temperaturade ruido

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� Considerando una antena receptora como elemento de circuito, esta constituye una

fuente de ruido que hay que tener en cuenta de cara a garantizar la SNR mínima

necesaria.

� Todos los cuerpos a temperatura distinta de 0º K son una fuente de ruido. La antena capta

ese ruido a través de su diagrama de radiación.

� La potencia de ruido disponible en bornes de la antena, NDR, se calcula mediante la

ecuación de Nyquist, que considera la fuente de ruido como una resistencia a temperatura

TA:

� TA es una medida de la potencia de ruido que la antena capta y suministra al receptor. En

términos de la ecuación de Nyquist, representa la temperatura a la que tendría que estar

una resistencia de valor igual a Rin para suministrar la misma potencia de ruido térmico al

receptor. NO es la temperatura física de la antena.

� TA se extrae de tablas y depende de:

� La orientación relativa de la antena hacia las fuentes de ruido

� La banda de frecuencias considerada. Este es el factor dominante en baja frecuencia

?@A � BCDEK: Constante de Boltzman: 1.38·10E-23 (J/ºK)

TA: Temperatura de ruido de la antena (ºK)

B: Ancho de banda de ruido (Hz)


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Temperaturade ruido

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� Baja frecuencia:

• El nivel de ruido en baja frecuencia es muy

elevado debido a los rayos originados en las zonas

tropicales.

• Este ruido se propaga por todo el planeta hasta

unos 8 MHz, debido a la guía de onda esférica que

se forma entre la ionosfera y la superficie del

planeta.

• El ruido cósmico procede de radiofuentes

externas al planeta (sol…) y se empieza a apreciar

a partir de 25 MHz, debido a que la ionosfera es

transparente a partir de esa frecuencia

• Se produce una fuerte variación entre el día y la

noche. No depende demasiado de la orientación

de la antena porque en esta banda de frecuencias

la antenas aún son poco directivas.


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Temperaturade ruido

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� Microondas y milimétricas: En estas bandas, las antenas son muy directivas, por lo que su

temperatura de ruido comienza a depender de su orientación.

� Cuando las antenas no apuntan directamente a una fuente de ruido intensa, como el sol o

los planetas, la temperatura de ruido depende de la atenuación de los gases atmosféricos.

Por este motivo, es mayor para ángulos de elevación bajos, ya que el espesor de la

atmósfera a atravesar es mayor.

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