Antenas
Para recibir o emitir señales radioeléctricas a través de un medio aéreo son necesarios unos dispositivos especiales, denominados antenas, de los que hay muchos tipos y variedades, que dependiendo de sus características constructivas tendrán mayor o menor potencia y precisión, así como soportarán unas bandas u otras de frecuencia.
Una antena, es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir y/o recibir ondas electromagnéticas hacia/desde el espacio libre. Una antena transmisora transforma corrientes eléctricas en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. En el caso de que las antenas estén conectadas por medio de guía ondas, esta función de transformación se realiza en el propio emisor o receptor. Se utilizan en la radio, televisión, teléfonos móviles, routers inalámbricos, mandos remotos, etc., unas veces visibles y otras ocultas en el interior del propio dispositivo.
Así, pues, en el extremo transmisor de un sistema de radiocomunicaciones, una antena convierte la energía eléctrica que viaja por una línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se emiten al espacio. En el extremo receptor, una antena convierte las ondas electromagnéticas en el espacio en energía eléctrica en una línea de transmisión.
La línea de transmisión termina en un circuito abierto, que representa una discontinuidad abrupta para la onda incidente de voltaje o de corriente. La inversión de fase hace que se radie algo del voltaje incidente, sin reflejarse hacia la fuente. La energía radiada se propaga alejándose de la antena, en forma de ondas electromagnéticas transversales. La eficiencia de radiación es la relación de la energía irradiada entre la energía reflejada.
Según el entorno en el que se ubiquen y las características ambientales que soportan: Exteriores (Outdoor) Interiores (Indoor) Ubicadas en el interior de edificaciones.
Ubicadas en el exterior de edificaciones (radiación solar, lluvia, nieve, cambios temperatura, rayos).
Según la directividad: Direccionales (Directivas)
Estas antenas son capaces de enfocar toda la energía de la señal entorno a una dirección concreta, con mayor o menor grado directividad en función del modelo y características. Normalmente estas antenas se usan para establecer enlaces punto a punto (direccional contra direccional) o para enlazar con un nodo que tenga una antenaOmnidireccional (punto-multipunto).
Omnidireccional Estas antenas son capaces de emitir señal en todas las direcciones.
Sectorial
Es un tipo de antena de microondas con un patrón de radiación en forma de sector generalmente de 60°, 90 ° y 120 °. Pueden verse como la mezcla de las antenas direccionales y las omnidireccionales.
Antenas Direccionales Yagi Parabólica
Patch
Bocina
BiQuad
Panel Plano
Helicoidales
Construida con al menos tres elementos, que son barras de metal que suplementan la energía de onda transmitida. Están diseñadas para comunicaciones de larga distancia. Es una estructura formada por un paraboloide metálico y una antena alimentadora situada en el foco. Es la más utilizada en aplicaciones donde se requiere de una gran distancia. Excelente para la aplicación en interiores y exteriores cuando está correctamente montada. Su instalación puede hacerse sobre una gran variedad de superficies, usando orificios en el perímetro de la antena. Se forman por la extensión natural de la guía de ondas, por el ensanchamiento gradual de las dimensiones de la guía, manteniendo las características de campo del modo dominante que se propaga en la guía. Ofrece buena directividad y excelente ganancia para comunicaciones punto a punto. Utilizada como antena única o como alimentador para un plato parabólico. Configuradas en formato tipo patch. Vienen en forma cuadrada o rectangular. Son de tipo Flat Panel, su potencia de radiación va en una sola dirección en el plano vertical y horizontal. Presenta comportamiento de Banda Ancha. Resultado de embobinar con un hilo conductor un cilindro de diámetro constante.
Antenas Omnidireccional
Monopolo
Dipolo Colineal Guía de Onda Ranurada
Es la mitad de una antena dipolo, casi siempre montado sobre una especie de plano de tierra.Se considera que el Monopolo no es una antena completa, y que necesita ser completada por un plano de masa para poder funcionar correctamente. Consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión. Conjunto de antenas dipolo alineado a lo largo de su longitud de modo que formen una línea larga. Son antenas resonantes que tienen, relativamente, un margen bastante estrecho de frecuencias de trabajo.
Patr贸n de Radiaci贸n
Ganancia
Directividad
Polarizaci贸n
Dipolo
Amplio
Baja
Baja
Lineal
Dipolo MultiElemento
Amplio
Baja/Media
Baja
Lineal
Panel Plano (Flat Panel)
Amplio
Media
Media/Alta
Lineal/Circular
Plato Parab贸lico
Amplio
Alta
Alta
Lineal/Circular
Yagi
Endfire
Media/Alta
Media/Alta
Lineal
Ranura
Amplio
Baja/Media
Baja/Media
Lineal
MicroStrip
Enfire
Media
Media
Lineal
Estos mecanismos son las diversas partes que componen la antena con la finalidad de realizar la radiación para realizar una transmisión o recepción de información. Por ejemplo se tiene las antenas parabólicas que se componen de dos partes principales: un reflector parabólico y elemento activo llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación aloja la antena principal (por lo general un dipolo), que irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector. El reflector es un dispositivo pasivo que solo refleja energía irradiada por el mecanismo de alimentación en una emisión concentrada altamente direccional donde las ondas individuales están todas en fase entre sí (frente de ondas en fase).
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).
El patrón de radiación es un gráfico o diagrama polar sobre el que se representa la fuerza de los campos electromagnéticos emitidos por una antena. Este patrón varía en función del modelo de antena. Las antenas direccionales representan un mayor alcance que las omnidireccionales. Existen 2 modelos de gráficos que representan este patrón: En elevación y Azimut. Muchos modelos de antenas incluyen entre sus características, este gráfico. Normalmente también se incluye un dato más, que es la apertura del haz, que representa la separación angular entre los dos puntos del lóbulo principal del patrón de radiación. Se suele representar sobre un plano horizontal.
a) Patrón de elevación de un dipolo genérico b) Patrón de azimuth de un dipolo genérico c) Patrón de radiación 3D
Patrón de Elevación de una antena multi-dipolo.
Patrón de Radiación en Elevación Yagi.
Patrón de Elevación Flat Panel de Alta Ganancia.
Patrón de Azimuth Flat Panel de Alta Ganancia.
Patrón de Elevación de Plato Parabólico
Los campos que rodean una antena se dividen en tres regiones principales:
Reactivos de campo cercano: La parte de la región de campo cercano que rodea inmediatamente la antena en el que el campo reactivo predomina. Radiación de Campo Cercano o región de Fresnel: Esa región del campo de una antena entre el reactivo (región de campo cercano) y los campos de la región de campo lejano en donde la radiación predominan y en donde la distribución de campo angular es dependiente de la distancia desde la antena. Campo lejano o región de Fraunhofer: Esa región del campo de una antena donde la distribución de campo angular es esencialmente independiente de la distancia desde la antena. La región de campo lejano es el más importante, ya que esto determina el patrón de radiación de la antena. Además, las antenas se utilizan para comunicarse de forma inalámbrica desde largas distancias, por lo que esta es la región de operación para la mayoría de las antenas.
La densidad de potencia de una antena se define como la potencia por unidad de área (W/m2) o Watts por metro cuadrado, pero es común el uso de densidades de potencia expresadas en miliwatts por centímetro cuadrado (mW/cm2), o también en microwatts por centímetro cuadrado (µW/cm2). El cálculo de intensidad de potencia para un punto, se determina suponiendo que el campo no es perturbado por ningún cuerpo, es decir, sin ningún tipo de obstáculo que se interponga entre la antena y el punto a definir la densidad de potencia.
Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección del máximo a una distancia R y la potencia total entregada a la antena dividida por el área de una esfera de radio R. La eficiencia es la relación entre la ganancia y la directividad, que coincide con la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena.
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección. Las unidades son watios por estereoradián. Dicho parámetro es independiente de la distancia a la que se encuentre la antena emisora.
Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección de máxima radiación, a una cierta distancia R, y la potencia total radiada dividida por el área de la esfera de radio R. La directividad se puede calcular a partir del diagrama de radiación. La ganancia de una antena es igual a la directividad multiplicada por la eficiencia. La relación entre la densidad de potencia radiada por la antena en la dirección útil y la que radia por el lóbulo trasero se conoce como relación delante/detrás (forward/backward) y es un importante parámetro de diseño de la antena en lo relativo a interferencias. El ángulo que hace referencia al diagrama de radiación del lóbulo principal en el plano horizontal de la antena se denomina “azimut”, que para el diagrama de radiación vertical se denomina “ángulo de elevación”, que se diseña para concentrar el máximo de radiación para aquellos ángulos por debajo de la horizontal, que es donde se agrupan los usuarios, ya que las antenas se colocan en cotas elevadas para alcanzar una mayor cobertura.
La polarización electromagnética, en una determinada dirección, es la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena). Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada, y diagrama contrapolar al diagrama de radiación con la polarización contraria.
Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3 dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la máxima. También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.
Ancho de haz de 3dB.
Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada Z
= .
La impedancia es un número
complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.
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.
Antena Parabólica de foco offset. o Sed receptora de televisión Satelital.
Una antena offset está formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino desplazado a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. La ventaja de esta tecnología es que la superficie de la antena ya no estará sombreada por el LNB (Low Noise Block), desde el punto de vista del satélite, y así se recibe algo más de señal. Estas antenas tienen el foco desplazado hacia abajo, de tal forma que queda fuera de la superficie de la antena. Las ondas que llegan a la antena, se reflejan, algunas se dirigen al foco, y el resto se pierde
Antena Omnidireccional para Telefonía.
Antena Sectorial de Telefonía Celular.
Antena de Hilo.
๏ ผ Antena tipo Panel.
Patrรณn de Radiaciรณn: Plano Horizontal Polar. 90ยบ. Plano Vertical Polar: 10ยบ. Ganancia: 14dBi. Polarizaciรณn: Horizontal y Vertical. Ancho de Haz: Alcanza desde 30ยบ a 180ยบ (Haz Horizontal). Alcanza desde 6ยบ a 90ยบ (Haz Vertical). Impedancia de Entrada: 50 Ohm. Temperatura: Desde - 40ยบC hasta 65ยบC. Frecuencia: Desde 4.9 GHz a 5.8 GHz. Roe: < 1.5. Aislamiento de puertos: 28 dBi. Potencia Mรกxima: 150 W. Resistencia al viento: 190 Km/h. Conectores: Tipo N hembra.
Antena con Reflectores Parabólicos.
Se construye de fibra de vidrio o aluminio. El caso de fibra de vidrio se construye con un laminado reforzado con resina poliéster; la superficie se metaliza con Zinc. Eficiencia: en una antena se ve reducida la ganancia por las siguientes causas: Spill over: la potencia incidente es irradiada en todas las direcciones por el borde de la parábola (rendimiento 90%). El iluminador tiene un diagrama de emisión que abarca más que la superficie de la antena (rendimiento de 70%). El iluminador absorbe parte de la energía reflejada en la parábola por que obstruye el camino (rendimiento de 95%). La rugosidad del reflector produce una diferencia de fase en las ondas reflejadas (rendimiento de 93%). Se genera una diferencia de fase cuando el iluminador no está exactamente en el foco de la parábola (rend. 98%). Como el reflector no es un conductor ideal parte de la energía penetra en el material y es absorbida (rendimiento 99%).
Antena de Hilo.
Impedancia: 73 Ohm. Ganancia: Baja. Directividad: Baja. Polarización: Lineal.
Antena Loop para Radio.
Antena direccional. Apropiada para bandas de media onda. Es un dipolo plegado de manera cuadrada.
Antena Parabólica con Foco Centrado o Primario.
La superficie de la antena es un paraboloide de revolución, todas las ondas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan, y van a parar al Foco. El Foco está centrado en el paraboloide. Tiene un rendimiento máximo del 60% aproximadamente, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% llega al foco y se aprovecha; el resto no llega al foco y se pierde. Se suelen ver de tamaño grande, aproximadamente de 1,5 m de diámetro. Ganancia: Alta. Directividad: Alta. Polarización: Lineal – Circular.
Antena Omnidireccional para WIFI.
Especificaciones: Normas: IEEE 802.11n, IEEE 802.11g, IEE 802.11b. Rangos de Frecuencia: 2.4 – 2.4835GHz. Velocidad Inalámbrica de Datos: Hasta 300Mbps. Tipo de antena: Dos antenas desmontables omnidireccionales, conector RPSMA. Temperatura de funcionamiento: 0ºC – 40ºC (32ºF – 104ºF).