II ANTENAS

1. II ANTENAS INTRODUCCION. • Las antenas son transductores que permiten la transmisión de información a través del aire mediante ondas electromagnéticas (OEM). • Las OEM se propagan a través del aire de manera distinta, dependiendo de la frecuencia o longitud de onda. • Las de baja frecuencia se propagan por la superficie (llamadas ondas de tierra o terrestres). • Las de mediana frecuencia se propagan por reflexión en la ionosfera. • Las de alta frecuencia se propagan mediante haces rectilíneos (como la luz) de un extremo a otro.

2. FIG. 1 Propagación de las ondas de radio.

3. Las OEM tienen su origen en el movimiento de cargas eléctricas (electrones) en un conductor abierto, llamado ANTENA. • Los electrones inducen un campo eléctrico con idénticas características que las ondas de voltaje y corriente que lo originaron. • A su vez, el campo eléctrico induce un campo magnético perpendicular a él, y con características idénticas a las ondas de voltaje y corriente originales. • Ambos campos son radiados en una dirección perpendicular a ellos, llamándose a esto: Ondas Electromagnéticas (OEM).

4. Estas OEM viajan por el espacio libre, el aire y por muchos otros materiales, variando la velocidad de propagación dependiendo del factor de velocidad, k, el cual depende del material. V = kCdonde C = 3 x 108 m/s, que es la velocidad de la luz (y de las OEM) en el vacío. • Por lo tanto en el vacío, k es igual a 1 y la velocidad, V, de las OEM es de 3x108 m/s, que es la velocidad de la luz en el espacio libre.

5. En los materiales, la velocidad de propagación de las OEM depende de la permitividad relativa del medio: V = C / er • Y esta velocidad es menor a la de las OEM en el vacío. • Se puede decir que las OEM se propagan por el dieléctrico con permitividad relativa er, guiada por los conductores. • La relación entre los campos eléctrico y magnético de una OEM es muy similar a la relación de voltaje y corriente en un circuito eléctrico: • La Ley de Ohm establece que: Z = V / I • Donde: Z = impedancia en ohms. V = voltaje en volts. I = corriente en amperes.

6. La Ley de Ohm aplicada a las OEM: Z = E / H Donde: Z = impedancia del medio en ohms. E = intensidad de campo eléctrico en V/m H = intensidad de campo magnético en A/m • Para un medio sin pérdida, por ejemplo, en el vacío: Z = m / e Donde: m = permeabilidad del medio en Henrios/m e = permitividad del medio en Faradios/m Para el espacio libre: mo = 4px10-7 H/m eo = 8.854x10-12 F/m • Entonces la impedancia en el espacio libre es: Zo = mo / eo = 377 W

7. La relación entre la permitividad del medio, e, y la permitividad del espacio libre, eo, se conoce como: CONSTANTE DIELECTRICA o PERMITIVIDAD RELATIVA: er er = e / eo • Por lo tanto la impedancia de un medio no magnético es: Z = 377 / er • De igual manera, la potencia en un circuito eléctrico es: P = V2 / R • En una OEM, la potencia es: PD = E2 / Z • Donde: PD = Densidad de Potencia en W/m2 E = Intensidad de campo eléctrico, en V/m Z = Impedancia del medio en W.

8. 2.1 Patrón de Radiación • Cuando se trata de transmitir información utilizando el aire, por medio de Ondas Electromagnéticas, es necesario utilizar una Antena • La antena en un transmisor es un transductor o dispositivo que convierte las oscilaciones de voltaje y/o corriente en variaciones de Campo Eléctrico y Campo Magnético. • La antena genera Ondas Electromagnéticas (OEM) cuya forma de onda y frecuencia de oscilación es la misma que las del voltaje y/o corriente que las producen.

9. Antena de Transmisión OEM emitida FIG. 2.1-1 Antena de Transmisión.

10. Antena de Recepción • Las antenas se usan tanto para Transmisión, que es el caso descrito anteriormente, como para Recepción, donde las OEM son captadas por la antena y ésta actúa como un transductor que convierte las OEM en una señal eléctrica, induciendo una corriente, que es entregada a la Línea de Transmisión la cual a su vez funciona como un acoplador de impedancias hacia las siguientes etapas del Receptor.

11. Antena de Recepción OEM incidente Receptor FIG. 2.1-2Antena de Recepción.

12. Señal enviada por aire usando OEM • Cuando se desea enviar a través del aire una señal de información, que puede ser audio, video o datos, la señal se verá afectada por diversos factores que la alterarán, como : • Atenuación • Distorsión • Ruido • La señal recibida es afectada en su : • Forma de onda. • Frecuencia (o fase)

13. Para usar antenas es necesario emplear la: Modulaciónla cual se define como: • Trasladar la señal de información a un espectro de alta frecuencia donde se encuentra la señal de Portadora, siendo ésta señal la que se encargará de viajar a través del aire en forma de OEM y que contiene a la información en cuestión. • “Montar” la señal de información sobre una señal de alta frecuencia que se llama Portadora, la cual puede ser de Radiofrecuencia (R.F.) o de Microondas (mO) y que al entregarla a una antena, ésta se encarga de “radiarla” al aire convirtiéndola en una OEM, la cual se de desplazará desde el Transmisor, a través del aire, hasta el Receptor que se encuentra distante.

14. Dimensiones Físicas de la Antena Las dimensiones físicas de este elemento están directamente relacionadas con la longitud de onda (l) de la señal de portadora que se desea transmitir, siendo esta relación : 1 l ½ l ¼ l de la señal de portadora de R.F. o de mO. La elección dependerá de varios factores, entre otros, de la posibilidad de realizar físicamente ésta antena.

15. Onda Electromagnética (OEM) F(t) t(seg) T Periodo de 1 seg Frecuencia = 1 ciclo / 1 segundo = 1 Hertz = 1 Hz FIG. 2.1-3Periodo de una OEM con frecuencia de 1 Hz.

16. Onda Electromagnética (OEM) F(t) t(seg) T=0.5 seg T=0.5 seg Frecuencia(f)=2 ciclo / 1 segundo= 2 Hertz=2 Hz 1 seg FIG. 2.1-4Periodo de una OEM con una frecuencia de 2Hz.

17. Periodo, Frecuencia y Velocidad de propagación de una onda. • La relación entre el Periodo (T) y la Frecuencia (f) de una onda de voltaje, de corriente o de una OEM es : T = 1 / f seg. • La Longitud de Onda (l) de una onda de voltaje, de corriente o de una OEM, está relacionada con su velocidad de propagación y con su frecuencia : l = v / f m • La velocidad de propagación (v) de una onda en el vacío (o el aire) es c = 3 x 108 m/s, quedando la ecuación como : l = c / f m

18. Ejemplo para enviar a través del aire una señal de audio, limitada en frecuencia a 15 KHz mediante un filtro pasa bajas, suponiendo que la onda viajará a la velocidad de la OEM en el vacío, la longitud de onda de esta señal será : l = c / f = 3 x 108 m/s / 15 x 103 1/s = 20,000 m   tomando el criterio de que la longitud física de la antena sea ¼ de longitud de onda : H = l / 4 = 20,000 m/4 = 5000 m longitud de la antena de 5 Km. !!!!!

19. Ejemplo La anterior no es una antena físicamente realizable, se propone usar una señal de portadora de R.F. de 1 MHz, entonces la longitud física de la antena quedará en   l = c / f = 3 x 108 m/s / 1 x 106 1/s = 300 m H = l / 4 = 300 m / 4 = 75 m Será la longitud de la antena, la cual es físicamente es realizable y que es típica de una antena de transmisión de una estación comercial de radio de Amplitud Modulada (A.M.).

20. Longitud Física de la Antena FIG. 2.1-5 Longitud física de una antena de Transmisión en función a la longitud de onda de la señal a transmitir. H = l / 4

21. L. de T. en corto como una Antena FIG. 2.1-6 Una Línea de Transmisión cortocircuitada de un ¼ de longitud de onda que actúa como un circuito resonante paralelo, es decir como una antena que radia OEM.

22. L. de T. de 1/2 y 1/4 de l FIG. 2.1-7aLíneas de transmisión en corto circuito de l/2 y en circuito abierto de l/4 actuando como antenas.

23. FIG. 2.1-7bLíneas de transmisión en corto circuito de l/4 y como se convierte en una antena dipolo de dos elementos.

24. Antena del Transmisor OEM ANTENA AMPLIFICACIÓN, FILTRADO Y ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS INFORMACIÓN (Audio, Video , Datos) MODULACION LINEA DE TRANSMISION OSCILADOR DE PORTADORA FIG. 2.1-8 Diagrama de un Transmisor

25. Antena del Receptor OEM FILTRADO, ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS Y AMPLIFICACIÓN DE RF DEMODULACION INFORMACIÓN (Audio, Video, Datos) ANTENA LINEA DE TRANSMISION FIG. 2.1-9 Diagrama de un Receptor.

26. Parámetros de una Antena - Diagrama Polar (En coordenadas Polares). -  Diagrama de Radiación (En coordenadas Cartesianas). -  Ancho del Haz. -  Polarización. -  Ancho de Banda. - Impedancia. -  Características Mecánicas: Dimensiones, Materiales, Soportes, etc.

27. Diagrama Polar • La antena emite (o recibe) OEM, el análisis de la intensidad o potencia de la OEM en un punto distante de la antena será indicativo de la región en el espacio en el que la OEM podrá ser captada por una antena. • La OEM se propaga de forma perpendicular al plano horizontal en el cual se encuentra la antena. • El Diagrama Polar indica la variación del campo eléctrico (o magnético) de la OEM en función del ángulo q y de la distancia R, desde la antena hasta el punto P de interés donde se desea saber cual es la potencia de la OEM.

28. Diagrama Polar P R q ANTENA FIG. 2.1-10Diagrama Polar de una Antena.

29. Radiación Posterior Lóbulos Laterales Nulos Lóbulo Principal Radicación Frontal o Principal FIG. 2.1-11 Ejemplo de un Diagrama de Radiación Polar de una antena.

30. Diagrama Polar • El ejemplo del Diagrama de Radiación Polar mostrado anteriormente, en realidad es tridimensional, pero se representa en la figura en 2 planos: vertical y horizontal, correspondientes al plano de elevación y al plano azimutal. • En la misma figura se observan varios componentes del diagrama de radiación polar como :

31. Diagrama Polar • Lóbulo Principal : es el espacio donde se concentra la mayor cantidad de energía radiada por una antena de transmisión; es donde se deberá colocar la(s) antena(s) de recepción para capturar la energía emitida. • Lóbulo Lateral : son pérdidas de energía de una antena de transmisión, en estos espacios se radia energía que debería estar en el Lóbulo Principal. Una antena de alta eficiencia tiene pocos Lóbulos Laterales y una ideal no los tiene, es decir, que el 100 % de la energía entregada por el transmisor se radia en una dirección determinada por el Lóbulo Principal.

32. Diagrama Polar • Nulos: Son espacios donde no se tiene disponible energía radiada por la antena de transmisión y ahí no es conveniente colocar antena(s) de recepción. • Radiación Frontal o principal : es la dirección hacia donde se dirige el Lóbulo Principal. • Radiación Posterior : es la dirección opuesta hacia donde se dirige el Lóbulo Principal.

33. Patrón de Radiación o Diagrama Polar • El diagrama de radiación polar mostrado en el ejemplo anterior se refiere a una antena que transmite hacia una sola dirección, sin embargo hay otros tipos de antenas que tienen diagramas de radiación distintos al mostrado. • Puede haber antenas que radien hacia 2 lados o hacia 4 lados. • O hacia todas direcciones, conociéndose a ésta última como antena Omnidereccional y tendrá un diagrama de radiación circular (esférico) el cual es ideal, ya que en la realidad no se puede logar este patrón de radiación.

34. FIG. 2.1-12Diagrama de Radiación Polar de una antena isotrópica (ideal).

35. Ancho del Haz • En la figura 2.1-11 se observó que el Ancho del Haz es la parte más ancha del Lóbulo Principal en donde la energía máxima radiada (Campo Eléctrico o Campo Magnético máximos) decae 3 dB en la dirección del Lóbulo Principal. • Se observa que ésta dirección es donde se encuentra q = 0°.

36. DIAGRAMA DE RADIACION (En coordenadas cartesianas):Este diagrama de radiación es una forma alterna al diagrama de radiación polar. El ancho del haz se da cuando la energía máxima radiada decae 3 dB del valor máximo, esto es, que decae un 70 % del valor máximo. E (dB) Ancho del Haz Emax - 3 dB Lóbulo Principal Lóbulos Laterales Nulos FIG. 2.1-13Diagrama de Radiación en coordenadas cartesianas de una antena.

37. 2.2 Tipos y CaracterísticasAntena Dipolo DIAGRAMA DE RADIACIÓN POLAR CIRCULAR DIPOLO IDEAL FIG. 2.2-1Antena Dipolo Isotrópica con patrón de radiación Omnidireccional (Ideal).

38. Antena Dipolo DIPOLO q = 0 ° LÓBULOS PRINCIPALES FIG. 2.2-2Diagrama de Radiación Polar real de un Dipolo sencillo.

39. Antena Dipolo FIG. 2.2-3 Diagrama de Radiación Polar de una antena dipolo de media onda.

40. Antena Dipolo • La antena dipolo real posee, además de los dos lóbulos principales, varios pequeños lóbulos laterales que representan pérdidas de energía radiada hacia puntos del espacio donde no se necesita recibir señal del transmisor. El dipolo se puede construir de un conductor de cobre o de aluminio y su diámetro puede ser del tamaño que requiera la aplicación en particular.

41. Antena Dipolo • Una antena dipolo puede estar formada por un solo elemento o por dos elementos unidos por un aislante, y donde cada elemento mide un cuarto de longitud de onda como se muestra en la siguiente figura 2.2-4. Esta antena tendrá un patrón de radiación polar real con dos lóbulos principales y varios pequeños lóbulos laterales entre los lóbulos principales.

42. Antena Dipolo LÓBULOS PRINCIPALES LÓBULOS LATERALES FIG. 2.2-4Diagrama de Radiación Real de un dipolo.

43. Antena Dipolo Cerrado • Para que el dipolo se parezca a una antena Isotrópica que radie en todas direcciones se modifica el diagrama de radiación polar “achatando” los lóbulos principales e incrementando el tamaño de los lóbulos laterales cerrando el dipolo. • Formando un dipolo cerrado o plegado, como se observa en la figura siguiente 2.2-5. • Se obtiene un ancho de banda más amplio. • El intervalo de frecuencias dentro del cual su impedancia permanece aproximadamente resistiva es mayor que para el dipolo sencillo. 

44. Es un dipolo cuyos brazos han sido doblados por la mitad y replegados sobre sí mismos. Los extremos se unen. La impedancia del dipolo doblado es de 300 Ohm, mientras que la impedancia del dipolo simple en el vacío es de 73 Ohm. El dipolo doblado es, en esencia, una antena única formada por dos elementos. Un elemento se alimenta en forma directa, mientras que el otro tiene acoplamiento inductivo en los extremos. Cada elemento tiene media longitud de onda de largo. Sin embargo, como puede pasar corriente por las esquinas, hay una longitud de onda completa de corriente en la antena. FIG. 2.2-5aAntena Dipolo Doblado o Plegado.

45. Antena Dipolo Cerrado • La antena dipolo cerrado se puede fabricar de una línea de transmisión paralela unidos en ambos extremos y separados por el dieléctrico, uno de los conductores se abre en el centro y se conecta a una línea de transmisión balanceada, es decir que tenga la misma impedancia de la antena dipolo.

46. Antena Dipolo Cerrado FIG. 2.2-5bAntena Dipolo Doblado o Plegado.

47. Antena Dipolo Cerrado FIG. 2.2-6Diagrama de radicación polar, aproximado, del dipolo cerrado.

48. Antena Dipolo con Elementos Pasivos • Para hacer más directiva una antena, es decir, que se haga crecer uno de los lóbulos principales del dipolo, a éste se le agregan otros elementos, llamados elementos pasivos, que modificarán su diagrama de radiación, cumpliéndose esto tanto para antenas de transmisión como de recepción

49. Antena Dipolo con Director ELEMENTO EXCITADO (DIPOLO) ELEMENTO PARASITO O PASIVO (DIRECTOR) LINEA DE TRASMISION SOPORTE AISLANTE FIG. 2.2-7Antena dipolo con elemento director pasivo.

50. Antena Dipolo con Director • La longitud del dipolo, elemento excitado, es H que puede ser ½ ó ¼ de l, mientras que la longitud del elemento pasivo, llamado director, es 5 % más corto que el dipolo, es decir : HDIPOLO = ½ l ó ¼ l, entonces : HDIRECTOR = H – 5 %