299001 “ Campos Electromagnéticos ” Introducción a antenas

1. “Universidad Nacional Abierta y a Distancia” U.N.A.D 299001 “CamposElectromagnéticos” Introducción a antenas Fuan Evangelista Gòmez Rendòn

2. ANTENAS Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.

3. IMÁGENES DE ANTENAS

4. TIPOS DE ANTENAS ANTENA WI-FI MATERIALES secador de verduras Conexión wifiusb Cable usb-usb Construcción La construcción de este tipo de antena es realmente muy sencillo ya que solo es abrir el secador de verduras, en este secador queda un tipo de base en esta base se pone el dispositivo usb que detecta las ondas de wifi y a este dispositivo se conecta el cable usb que se conecta al computador.

6. APLICACIONES ANTENA WIFI La aplicación de este tipo de antenas es netamente para ampliar el rango de señal de una onda de wifi, esta antena se le puede conectar al routerinalambrico y ampliar el margen de 100m a mas de 500m, y al conectarlo al computador se podran captar señales a mas de 600m de distancia. Estas antenas no solo sirve para aumentar el rango de distancia en una señal de wifi, en otras aplicaciones tambien sirve para mejorar el rango de distancia de una señal por medio de bluetooth, infrarojo, y demas ondas que esten en el medio.

7. Antena Cantena Wi-Fi Hay distintos tipos de antenas inalámbricas, antenas direccionales y omnidireccionales, las primeras emiten/capturan la señal en una dirección y tienen más alcance, generalmente son utilizadas para conectar puntos muy distantes; las segundas emiten/capturan la señal en todas direcciones y tienen menos alcance, por ejemplo pueden ser utilizadas para darle cobertura a toda una casa.

8. Hace ya bastante tiempo que Apple integra la tecnología WiFi (Airport) en sus ordenadores, de serie o como opción. Esta tecnología progresa sin cesar, puesto que hemos pasado del estándar 802.11b (con una tasa máxima de 11 Mbps) al 802.11g, más conocido como el Airport Extreme (con una tasa máxima de 54 Mbps). Esta tecnología se está desarrollando cada vez más en Europa y cada vez son más las empresas que fabrican y venden accesorios para Airport, como por ejemplo antenas externas, omni o unidireccionales. Pero este tipo de antenas en general se venden a un precio bastante elevado, cuando actualmente es posible fabricarla uno mismo a un precio realmente imbatible.

9. APLICACIONES • Con esta antena unidireccional, la potencia es aumentada considerablemente, así que es necesario tener cuidado de no sobrepasar el límite legal. • Este tipo de antena que direcciona, emite y recibe ondas Wi - Fi a largas distancias, incrementa el rango de acción de una red inalámbrica. De momento, la mayoría de los hogares cuentan con redes inalámbricas (Wi Fi), soportadas por routers que emiten entre los 20 y 100 metros de distancia (aproximadamente). Si hacemos uso de una de estas antenas, podremos emitir y/o recibir señal a distancias de hasta 5 Kilómetros.

10. MATERIALES El material necesario es totalmente estándar y se pueda encontrar de manera fácil en el mercado. - un soldador. - unos alicates y un poco de cobre. - un punzón o cualquier otra herramienta que nos permita perforar un metal. - una lata de Nestcafé, Nesquik (de las metálicas), o cualquiera semejante a las de la foto. - un conector N hembra- cable coaxial RG78. -Barra roscada de 140mm de largo y 3mm de grosor -tuercas de fijación de 3mm -Arandelas de 30mm de diámetro y 3mm de diámetro central. -Lata de papas pringles. -Tubos metálicos huecos de 30mm de longitud y de 3mm de diámetro interior

11. CONSTRUCCION • Para montar el colector delantero hacemos un agujero en el centro de la tapa de la lata y pasamos la barra roscada y ponemos una tuerca en el extremo exterior. Luego vamos montando una pieza tras otra en el siguiente orden: • Tubo metálico hueco-arandela-tuerca. • Apretamos las tuercas de los extremos para fijar todo el conjunto, una en un sentido y la otra en el contrario. • Este tipo de antenas son muy practicas debido al bajo costo de realización y a la eficacia de estas para mejor la recepción WiFi de los equipos de computo. • Este tipo de antenas son además muy fáciles de realizar y el tiempo para ello es bastante cómodo.

13. ANTENA YAGI • LA ANTENA YAGI ES UNA ANTENA DIRECCIONAL INVENTADA POR EL DOCTOR HIDETSUGU YAGI, UNA ESTRUCTURA SIMPLE DE DIPOLO COMBINADA CON ELEMENTOS PARASITOS, CONOCIDOS COMO REFLECTOR Y DIRECTORES POR ESTOS FACTORES LOGRO CONSTRUIR UNA ANTENA DE ALTO RENDIMIENTO.

14. FUNCIONAMIENTO • En virtud del principio de reciprocidad se puede demostrar que las propiedades impedancia, ganancia de una antena cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción, pero es mas fácil comprender el funcionamiento de una antena yagi en transmisión que en recepción, la antena yagi esta formada por un elemento alimentado conectado al emisor o al receptor formado por un simple dipolo o un dipolo doblado.

15. ALIMENTACION DE UNA ANTENA YAGI • Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión se utilizan dos tipos de alimentación, alimentación asimétrica por cable coaxial o sea en adaptación gamma, la alimentación simétrica por cable bifilar en adaptación delta.

16. PROPIEDADES ELECTRICAS TENSION YCORRIENTE: Siendo una evolución del dipolo, el punto medio del elemento conductor es un nodo de tensión y un vientre de corriente. Los reflectores y directores, pese a no estar directamente alimentados, también tienen tensiones y corrientes. • DIAGRAMA DE EMISION: La antena Yagi puede concebirse como una evolución del dipolo, donde los reflectores reducen la emisión hacia atrás, y donde los directores concentran la emisión hacia adelante. Como la antena Yagi no crea energía, cuanta más ganancia en una dirección, más estrecho será el haz. Para medir esa apertura, la definimos como el ángulo respecto del eje de la Yagi donde la ganancia cae a la mitad, es decir, pierde 3 dB respecto del eje central. • POLARIZACION: Cuando la antena Yagi es paralela al plano de la tierra, la componente eléctrica de la onda es paralela al plano de la tierra: se dice que tiene polarización horizontal. Cuando la antena Yagi es perpendicular al plano de la tierra, la componente eléctrica de la onda es perpendicular al plano de la tierra: se dice que tiene polarización vertical. IMPEDANCIA: La impedancia de una antena Yagi depende de la configuración de los reflectores y directores (dimensiones de cada elemento, espaciamiento entre elementos). Habitualmente las antenas se diseñan para que la impedancia sea de 50 o 75 Ohms o sea, la impedancia requerida por los equipos conectados a la antena: Antenas de recepción de televisión 75 Ohm Antenas de Wifi 50 Ω • RESONANCIA: La Yagi es una antena resonante, es decir, existe una frecuencia en la cual presenta una resistencia óhmica pura. Esto se presenta cuando la reactancia inductiva del circuito que conforma la antena tiene igual valor que la reactancia capacitiva.

17. Parámetros de una antena Las antenas se caracterizan por una serie de parámetros: • Diagrama de radiación (patrón de radiación): Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación). • Ancho de banda: Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros. • Directividad: se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total. • Ganancia: Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la Directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación

18. Eficiencia: Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad • Impedancia de entrada: La impedancia de entrada de la antena en sus terminales es la relación entre la tensión y la corriente de entrada z = v/i. la impedancia es compleja • Anchura de haz: 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. • Polarización: Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como 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. • Relación Delante/Atrás: se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta.

19. Clasificación clásica de las antenas Existen tres tipos básicos de antenas: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas. Asimismo, las agrupaciones de estas antenas (arrays) se suelen considerar en la literatura como otro tipo básico de antena. • Antenas de hilo: son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son: • El monopolo vertical • El dipolo y su evolución, la antena Yagi • La antena espira • La antena helicoidal es un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.

20. Antenas de apertura: son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satélite. Hay varios tipos de antenas de apertura, como la antena de bocina, la antena parabólica, la antena parabólica del Radar Doppler y superficies reflectoras en general • Antenas planas: Un tipo particular de antena plana son las antenas de apertura sintética, típicas de los radares de apertura sintética (SAR). • Antenas de Array: Las antenas de array están formadas por un conjunto de dos o mas antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una única antena con un diagrama de radiación propio. La característica principal es que su diagrama de radiación es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones y/o necesidades. Atendiendo a la distribución de las antenas que componen un array podemos hacer la siguiente clasificación: • Arrays lineales: Los elementos están dispuestos sobre una linea. • Arrays Planos: Los elementos están dispuestos bidimensionalmente sobre un plano. • Arrays conformados: Los elementos están dispuestos sobre una superficie curva.

21. ANTENA DE CUADRO Las antenas de cuadro son casi tan antiguas como la radio misma. Una antena de cuadro o "loop" básicamente está constituida por una o más espiras conductoras  formando un cuadrado, hexágono, octógono o círculo, con dimensiones físicas que pueden variar desde las pequeñas (en HF) de 30 o 40 cm de diámetro, hasta las "mayores" de varios metros, según la frecuencia y el rendimiento esperado. La inductancia de la/s espiras habitualmente se sintoniza con un capacitor variable y ella/s se acopla/n a la línea de trasmisión mediante un eslabón (como se muestra en la figura) o mediante un acoplamiento capacitivo.

22. No tiene mayor sentido comparar o discutir antenas sin hacer esta salvedad fundamental. Muchos coincidirán en que una antena Yagi con un botalón de tres longitudes de onda y catorce elementos es una muy buena antena, pero para llevar con el handie en la cintura me resulta mejor la "colita de chancho". La antena de cuadro o "Magnetic loop" es una antena que presumiblemente se destacará sobre sus hermanas cuando se presenten las siguientes condiciones: • No se puede emplazar un dipolo de 1/2 l a una altura mínima adecuada (más de 0,15 l). • No haya espacio suficiente o puntos fijos donde afirmar los extremos de un dipolo de 1/2 onda.

23. No haya espacio suficiente para instalar el sistema de radiales de una vertical de cuarto de onda o ligeramente acortada mediante bobinas de carga o cargas "lineales". • No puede aceptarse la baja irradiación hacia los ángulos elevados propia de una vertical y que favorecen los comunicados locales vía refracción en la ionosfera (cuando están montadas a nivel del suelo). • Cuando la portabilidad y rápida instalación es una característica deseable. • Cuando en las anteriores condiciones resulte necesaria una antena de "banda corrida" fácilmente ajustable. (no confundir con "banda ancha") La antena es principalmente útil en las frecuencias más bajas de HF pues en las más altas es fácil cumplir con los requisitos necesarios para un dipolo o una vertical convencional. Podría ser la solución para un viajante que deseara operar su estación desde la habitación del hotel en las bandas más altas ya que puede emplazarse fácilmente dentro del cuarto o sobre una ventana o balcón. Su altísimo Q la hace una excelente antena en presencia de señales intensas en las cercanías tanto en frecuencia como en geografía, contribuyendo eficazmente a eliminar problemas de modulación cruzada. Especialmente interesante para emplear con receptores de conversión directa.

24. APLICACIONES • La radiogoniometría clásica utiliza antenas de cuadro produce un diagrama de radiación en forma de cardiode (1+cos θ), que gira al girar el cuadro sobre su eje vertical. • Antenas receptoras de nuestros aparatos de radio AM • Antena resonante

25. CONSTRUCCION • El cuadro es un circuito resonante serie, puesto que para que su rendimiento sea elevado las pérdidas resistivas han de reducirse a un mínimo, el Q resultante es muy alto, esto no solo estrecha la banda en la que se puede operar para una determinada posición del variable de sintonía, sino que, puesto que en un circuito sintonizado serie la tensión sobre el capacitor es Q veces la tensión aplicada al circuito, esta tensión llega a ser muy alta y, para potencias del orden de los cien Watts, ya alcanzan el orden de los miles de Volts. • Algo de teoría,  para fundamentarse... La resistencia de radiación de un loop puede conocerse mediante: ec-1 Donde: • N = Número de espiras del loop. • D = Diámetro del loop en las mismas unidades que l.

26. Si imaginamos un cuadro de 1 espira de 1 m de diámetro para una frecuencia de 7 MHz (l = 42,85m), la ecuación nos da: • RR = 0,0057 Ohm Realmente esta una resistencia de radiación muy baja para los valores a que estamos acostumbrados. Entonces, para que el rendimiento de esta antena sea adecuado, su resistencia de pérdidas ha de ser necesariamente muy baja también... Para conocer las pérdidas resistivas del cuadro habrá que considerar el efecto pelicular pues la resistencia en RF del conductor es bastante mayor que la resistencia en corriente continua. La fórmula que permite calcularla es: (ec- 2)   donde: • RCA = Resistencia en corriente alterna. • r = Resistividad del conductor (Cobre = 1,7 x 10-8 Ohm-m). • m = permeabilidad del conductor (Cobre = 4 x Pi x 10-7). • w = Pulsación = 2 x p x f (f en Hz). • l = longitud del conductor en metros. • d = diámetro del conductor en metros.

27. Una vez conocida la resistencia en corriente alterna de nuestro loop la consideraremos nuestra resistencia de pérdidas principal. Podríamos considerar algo de resistencia de pérdidas por proximidad a tierra, pero son de poca importancia y con un capacitor de sintonía tipo mariposa con dieléctrico de aire también serán poco importantes las del capacitor. La eficiencia de la antena se calcula del modo tradicional a saber: •          RR x 100Ef =  -----------          (ec-3) donde:         RR + RP • Ef = Eficiencia expresada en porcentaje. • RR = Resistencia de radiación calculada con la ec-1. • RP = Resistencia de pérdidas totales, en nuestro caso la de radiación más las resistivas calculadas con la ec-2.

28. COMENTARIOS • Es una antena apta para los amigos que no tienen suficiente espacio para instalar un dipolo, es agradable a la vista y funciona perfectamente a baja altura, además, puede cubrir un gran espectro de frecuencias, es posible el uso portátil, de fácil y rápida instalación a ras del suelo. Creo que seria una buena experiencia para aquel que tenga ganas de construir una antena. Suerte.!!!

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