MARCOMARCO TEORICO. ANTENA Una antena es un dispostivo utilizado para transformar una señal de radio frecuencia que viaja en un conductor, en una

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1 MARCOMARCO TEORICO. ANTENA Una antena es un dispostivo utilizado para transformar una señal de radio frecuencia que viaja en un conductor, en una onda electromagnética en el espacio abierto. Las antenas tienen la propiedad de reciprocidad, o cual quiere decir que mantiene las mismas caracteristicas sin importar si está transmitiendo o recibiendo; estos dispositivos resonantes operan eficientemente solo en una banda de frecuencia y emiten radiacion distribuida en el espacio de cierta manera. La representacion gráfica de la distribución de la potencia radiada en el espacio se conoce como patrón de radiación. Además de recibir o transmitir energía EM, se requiere que la antena optimice o acentúe la energía radiada o recibida de algunas direcciones del espacio y que suprima la de otras direcciones. La antena debe comportarse como un dispositivo direccional; que radie o reciba potencia con las características de direccionalidad más adecuadas a cada aplicación en concreto. Los diferentes tipos de antenas que se emplean con mayor frecuencia son: antenas de hilo (dipolo, monopolo, espira circular o cuadrada y hélice), antenas de apertura (bocina piramidal, bocina cónica guiaonda rectangular), antenas impresas o microtiras.[7] Caracterizacion de una antena: Caracterizar una antena consiste en determinar sus parámetros radioeléctricos simulando las condiciones de la aplicación en donde ésta funcionará, para verificar su eficiencia y su aporte como elemento constitutivo dentro de un radioenlace. Una de las principales características de una antena es su patrón de radiación, ya que permite visualizar como esta emite o recibe las ondas electromagnéticas en diferentes direcciones[5]. DIRECTIVIDAD La Directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica a igualdad de potencia total radiada. Es la capacidad que tiene una antena para recibir señales solo en ciertas direcciones y sentidos determinados. La directividad es una característica que nos indica el ángulo en que una antena puede recibir. El ángulo de apertura nos indica los puntos en los que la ganancia de la antena disminuye en 3 db respecto al valor máximo. En este Ángulo la señal captada por la antena es adecuada. Cada parte en el diagrama de radiación se denomina "lóbulo". RELACIÓN DELANTE/ATRÁS (D/A): Es la relación, expresada en [db] entre la ganancia máxima del lóbulo principal de la antena y la ganancia máxima de cualquier lóbulo comprendido entre 90º y 270º respecto al lóbulo principal. Sin embargo, los fabricantes suelen suministrar el dato respecto a 180º (por detrás) del lóbulo principal. FRECUENCIA O BANDA DE TRABAJO: El margen de frecuencias sobre el que una antena puede trabajar se denomina "ancho de banda pasante" o banda de trabajo. Las antenas podemos clasificarlas en banda estrecha (un solo canal) o banda ancha (para cubrir una gama de frecuencias UHF o todas las bandas de TV). Como regla general, la ganancia de una antena de banda 1

2 ancha es inferior en algunos de a la de una de banda estrecha. IMPEDANCIA: La impedancia de una antena se define como la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja. La parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de antena. ADAPTACIÓN: Se define el coeficiente de adaptación como la relación entre la potencia recibida y la potencia que se recibiría en el caso de máxima transferencia de potencia. Toma valores entre 0 y 1. CARGA AL VIENTO: Es el efecto que tiene el viento sobre la antena. El fabricante la suele dar para 120 Km/h y dicha carga se suele calcular en Newton (N). ÁREA Y LONGITUD EFECTIVAS El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y la densidad de potencia incidente en una antena. La antena debe estar adaptada a la carga, de forma que la potencia transferida sea la máxima. La onda recibida debe estar adaptada en polarización a la antena. La longitud efectiva de una antena linealmente polarizada se define como la relación entre la tensión inducida en una antena en circuito abierto y el campo incidente en la misma.[1] PATRON DE RADIACION Diagrama polar donde se presenta las intensidades de los campos o las densidades de potencia en distintas posiciones angulares en relación con una antena. Se llama patrón de radiación absoluto si se traza en términos de la intensidad del campo eléctrico (E) o de la densidad de potencia (P). Si se traza la intensidad del campo o la densidad de potencia en relación al valor en un punto de referencia, se llama patrón de radiación relativa. A continuacion se nombran algunos parametros que son importantes en un diagrama de radiacion: * Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. * Directividad y Ganancia. * Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación. * Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal. * Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad. * Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en db entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario. * Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en db entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto. [2] El patrón de radiación de una antena se puede representar como una grafica tridimensional de la energía radiada vista desde fuera de esta. Los patrones de radiación usualmente se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimuth. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía 2

3 radiada vista directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una representación tridimensional de como es realmente radiada la energía desde la antena.[4] El diagrama de radiación de una antena suele presentar: El lóbulo principal que es el de mayor tamaño y alcanza el círculo de las coordenadas polares correspondientes a 0dB. Es decir, no presenta atenuación alguna de la señal. El eje del lóbulo principal coincide con el eje de la antena; es decir, que toda fuente que se encuentre en la misma dirección que el eje de la antena entrará dentro del lóbulo principal y será captado con la máxima ganancia. El ángulo de radiación pertenece al lóbulo principal y abarca todo el ancho del citado lóbulo con una ganancia por encima de -3dB. Existen lóbulos secundarios, dispuestos en ángulos distintos al del eje principal y que disminuyen de tamaño a medida que se acercan al ángulo de 180. Los lóbulos secundarios o lóbulos laterales determinan la capacidad de una antena parabólica para captar radiaciones que le llegan de direcciones fuera de su eje. Se pueden representar los lóbulos principal y secundarios mediante un sistema de coordenadas cartesianas, en el que, el lóbulo principal ocupa la posición correspondiente al ángulo de 0, en el centro de la abscisa y su amplitud máxima se corresponde con la ganancia de la antena, que en el ejemplo anterior era de 40dB. 3dB por debajo de la ganancia máxima; es decir, a 37dB, se traza una recta que corta el lóbulo principal en dos puntos (P y P ). Una proyección vertical de estos puntos sobre la abscisa permite determinar al ángulo de radiación de la antena. Los lóbulos secundarios tienen poca amplitud, tanto menor cuanto más se acercan al ángulo de 180 o ángulo opuesto al de orientación de la antena. Los lóbulos secundarios son una medida de la capacidad de la antena de captar señales electromagnéticas de fuentes situadas en ángulos distintos del de orientación (aunque con muchísima menor potencia). Se debe tener en cuenta que siempre, los lóbulos secundarios deben tener una amplitud sensiblemente menor que la del lóbulo principal, ya que de lo contrario la señal de otra fuente interferiría a la señal que se desea captar. Se dice que una buena antena es aquella en la que el lóbulo principal tiene una ganancia superior a 20dB respecto a la de los lóbulos secundarios.[3] Obtencion de patrones de radiacion de una antena: Los parámetros radioelectricos de una antena lineal, incluyendo el patrón de radiación, pueden predecirse a partir de modelos teóricos y de técnicas de diseño o de análisis ya establecidas, incluso en programas de simulación. Sin embargo, dichas técnicas están sujetas a aproximaciones que limitan su aplicabilidad en determinados casos. Así mismo, cuando se hace un análisis teórico es difícil tener en cuenta los errores en la fabricación de las antenas, o determinar cómo pueden interferir el mástil, la estructura que soporta la antena, u otros elementos externos a ella. Otra opción sería obtener el patrón de radiación de forma manual, generando una señal de RF a la frecuencia de operación y realizando mediciones de intensidad de campo recepcionado para diferentes posiciones de la antena a prueba, para posteriormente graficar -manualmente o utilizando alguna herramienta computacional esto implica un proceso lento y tedioso, además de supremamente impreciso[5]. Metodología para obtener el patrón de radiación: 3

4 Además de verificar la especificación, las pruebas de patrón de radiación sirven: Para calibración y almacenamiento de datos confiables. Como una inspección y procedimiento de control de calidad. Para evitar interferencias potenciales.[6] La metodología descrita aquí fue diseñada para el proyecto Metodología para la obtención del patrón de radiación y prueba de aislamiento en sistemas de comunicaciones vía satélite.[6] 1. Recopilación de datos: Esta parte está dedicada a recopilar toda la información necesaria para iniciar la prueba de patrón de radiación. 2. Configuración de la instrumentación:aquí se prepara y se configura la instrumentación que se va a utilizar a través de comandos enviados desde una red de computadoras a la instrumentación 3. Adquisición del trazo:esta parte de la metodología, consiste en: Borrar la marca. Limpiar el trazo. Colocar al analizador en barrido único. En este momento, todo está preparado para tomar una parte del trazo del patrón de radiación y el tiempo de barrido se ajusta al doble para tomar el trazo completo. También se puede usar la opción disparo de video del analizador para que el barrido se dispare cuando en la pantalla de video se detecte un aumento de nivel de la señal. Al usuario se le pide que mueva la antena en forma constante, sin variar la velocidad, por lo que se detendrá hasta que el operador lo indique. 4. Evaluación del trazo:con la ayuda de la marca del analizador se pueden visualizar en forma directa los niveles de los lóbulos laterales primarios del trazo del patrón de radiación, el primer lóbulo lateral izquierdo y el primer lóbulo lateral derecho 5. Guardar el trazo y liberar el equipo. Esta parte de la metodología deja en condiciones iniciales el equipo utilizado: Guardar el trazo y sus parámetros principales como fecha, hora, banda, polarización, frecuencia, usuario, datos de la antena y nombre del operador. Enviar el comando de inicialización al analizador de espectros. Estado del arte: Publicacion en grupos de investigacion: INICTEL Actividades de Investigación y Desarrollo Tecnológico Sistemas de Radiocomunicaciones. julio de Referenciado en 90 - Aplica a entornos celulares e inal ambricos (800 a 1900 MHz) Sociedad Colombiana de Física - Sistema automático para la obtención de patrones de radiación de antenas de bocina, Revista de la Sociedad Colombiana de F ısica, ISNN (4). 4/ articulos/ pdf. Noviembre de Grupo de Investigación en Telecomunicaciones Aplicadas GITA de la Universidad de Antioquia y publicado en CINTEL - Osvaldo Arévalo 4

5 Navarro y Juan Felipe Gallego Sierra. Diseño e implementación de un sistema para la obtención automática del patron de radiación de antenas Yagi y dipolo. rct 10.pdf, agosto de SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS PARA LA MEDICION DE PARAMETROS RADIOELECTRICOS EN ANTENAS LINEALES EN LA BANDA DE TV DE VHF y UHF. Ingenieria y Ciencia, VOL.3(5): Referencias [1] Antenas. [2] El diagrama de radiacion (DavidBayon.net). [3] Radiocomunicaciones» blog archive» antenas parabólicas: Lóbulos principales y secundarios. [4] Tipos de antenas y funcionamiento. [5] Willler Ferney Montes Granada and María del Pilar Celemín. SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS PARA LA MEDICION DE PARAMETROS RADIOELECTRICOS EN ANTENAS LINEALES EN LA BANDA DE TV DE VHF y UHF. Ingeniería y Ciencia, VOL.3(5): [6] J. L. Ramos Quirarte, M. J. Martínez Silva, G. A. Vega Gómez, and M. S. Ruiz Palacios. SOFTWARE PARA EL CALCULO DE PATRONES DE RADIACION DE ARREGLOS LINEALES DE ANTENAS. [7] Alberto Patiño Vanegas, Oscar Ledesma Avila, and Heriberto Peña Pedraza. SISTEMA AUTOMATICO PARA LA OBTENCION DE PATRONES DE RADIACION DE ANTENAS DE BOCINA. REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38(No. 4,),