Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia Segunda parte, Tema II

Transcripción

1 Antenas y Cicuitos de Alta Fecuencia Segunda pate, Tema Maste en ngenieía nfomática y de Telecomunicación, o cuatimeste (6 céditos ECTS) Pofesoes: Joge A. Ruiz Cuz (joge.uizcuz@uam.es Jose Luis Masa Campos (joseluis.masa@uam.es) Gupo colaboado: Gupo de Radiación. Dpto. SSR.UPM Dpto. de ngenieía nfomática Escuela Politécnica Supeio Univesidad Autónoma de Madid

2 Segunda pate de ACAF: Antenas. Pincipios básicos de una antena. Antenas lineales. Antenas impesas V. Antenas banda ancha, multibanda e independientes de la fecuencia V. Agupación de antenas. Aays V. Antenas de apetua. Bocinas V. Reflectoes ACAF (7 8) Antenas y Cicuitos de Alta Fecuencia. Maste en ngenieía nfomática y Telecomunicaciones Escuela Politécnica Supeio. Univesidad Autónoma de Madid JoséLuis Masa Campos. joseluis.masa@uam.es

3 . Pincipios básicos de una antena. Concepto de antena lineal. Dipolo elécticamente coto 3. El dipolo eléctico a. Concepto. b. Campo adiado c. mpedancia de entada 4. Teoema de mágenes. 5. Monopolovetical. 6. Dipolo hoizontal sobe plano conducto 7. Dipolo doblado. 8. Alimentación de dipolos. Balunes 9. Antenas de cuado a. Con coiente unifome i. Cuado elécticamente pequeño ii. Cuado de Alfod. Acoplamiento mutuo ente antenas. Taslación de antenas. Antenas Yagis. ACAF (7 8) Antenas y Cicuitos de Alta Fecuencia. Pate. 3

4 .- Concepto de antena lineal Las antenas lineales son aquellas constuidas con hilos conductoes elécticamente delgados (diámeto mucho meno que λ). Las coientes discuen longitudinalmente a lo lago del hilo conducto. Al se electicamentedelgados, se modelan como hilos longitudinales según dl, utilizando la solución de potencial vecto A: A ( ) ( ) e jk µ dl L 4π Se suele situa el hilo conducto en el oigen de coodenadas, po lo que, el potencial vecto queda: A µ 4π jk ( ) e ( ) jk e dl ˆ L ACAF (7 8). Antenas lineales. 4

5 .- Dipolo elécticamente coto A P ad µ 4π jk e lzˆ E jηk π l U ( θ, φ) dω 4π 3 λ µ lsenθ e 4π R ad P ad jk θˆ 8π z l λ x z l ( z) a << λ l << λ y f ( θ φ) ( θ, φ) E( θ) U, sen θ U E MAX MAX D 3 a dr ped dθ Rendimiento η ad Ez H P P c ad ent c c dz dl R Ezdz πa H ped R + ad R φ ρ a ad Rs dz πa R ped,talque, R Pped Rs l E σ δ z s Hφ ρ a s l dz πa πa π fµ σ Antena de m de longitud ( MHz) R ad.88 Ω R ped.3 Ω η ad 46 % R s ACAF (7 8). Antenas lineales. 5

6 3.- Dipolo eléctico. Concepto La distibución de coiente en todos los puntos del dipolo es la de una línea de tansmisión de longitud L en cicuito abieto: L z) senk z L,talque, z ( a << λ) ( La coiente de entada ( N ), es la coiente en el eje del dipolo: L N senk Distibución de coiente paa distintas longitudes L: x L z a (z) y ACAF (7 8). Antenas lineales. 6

7 3.- Dipolo eléctico. Campo adiado El vecto potencial magnético A en campo lejano se obtiene sabiendo que: A ( θ φ ˆ θ φ ˆ ' ' sen cos x + sen sen y + cosθ zˆ ) ( z zˆ ) z cosθ ˆ,de este modo, µ L 4π L L jk ˆ jk jk ' ( ) e ( ) e dl e senk z µ ' jkz cosθ ' ˆ L e dz z 4π _ L L µ cosk cosθ cosk jk ˆ e sen 4π k sen θ Po ello, el campo eléctico solo tendácomponente según θˆ, en la foma: ( ) cosθˆ θθ ẑ E E θ jwa θ E jη jk e π cosk L cosθ cosk senθ L θˆ Polaización lineal! En θπ/, según -ẑ ACAF (7 8). Antenas lineales. 7

8 3.- Dipolo eléctico. Campo adiado f ( θ) π cos cosθ senθ f ( θ ) + cos senθ ( π cosθ ) Diagama multilobulado D.64. 5dBi D. 4 D. 7 Rad 73Ω Rad Ω R ad 99. 5Ω ACAF (7 8). Antenas lineales. 8

9 3.- Dipolo eléctico. mpedancia de entada P ad L L cos k cos cos k θ η U Ω φ θ φ π η 4π 8π sen θ π π ( θ, φ) d E dω senθdθd N Rad 4 Sabiendo que la esistencia de entada del dipolo es apox. La de adiación, ya que, apenas pesenta pédidas L N RN + jx N Rad + jx N,y que, N senk R N k L L cos k cosθ cos k η π senθdθ θ L π sen θ sen R N L π λ L 4.7π λ L.4π λ λ < L < 4 λ λ < L < 4 λ < L <.64λ ACAF (7 8). Antenas lineales. 9

10 3.- Dipolo eléctico. mpedancia de entada mpedancia de entada del dipolo R + jx R + N N N ad jx N Siempe que el adio sea suficientemente pequeño N λ L 73+ j4. 5Ω, si a Dicha impedancia debeáse sintonizada con una bobina o condensado que elimine la pate imaginaia, y un tansfomado de impedancias en λ/4, paa la pate eal ACAF (7 8). Antenas lineales.

11 4.- Teoema de imágenes E ( z ) E ( z ) tan tan Las fuentes de caga y coiente eléctica, ante un plano conducto pefecto, pesentan fuentes de caga y coientes equivalentes en posición simética con especto al plano conducto. Su valo seá: z > ρ z < ρi ρ J J Ji J x xˆ + J yˆ + J zˆ y z xˆ + J yˆ + J zˆ x y z ACAF (7 8). Antenas lineales.

12 5.- Monopolo vetical dip V N mon N P mon ad U mon D mon D ( θ, φ) U ( θ, φ) dω 4π dip π U, 4π ( θ φ) U, 4π ( θ φ) π U dip mon dip ( θ, φ) senθdθdφ P ( θ, φ) mon mon Pad ( θ, φ ) dip dip Pad π θ ad El monopolocon hλ/4, pesenta un diagama en z> simila al dipolo con h λ/ En z< el plano metálico impide la adiación posteio mon ( θ φ) D ( θ, φ) D, dip ACAF (7 8). Antenas lineales.

13 5.- Monopolo vetical ACAF (7 8). Antenas lineales. 3

14 6.- Dipolo hoizontal sobe plano conducto La impedancia debe se estudiada teniendo en cuenta el acoplo mutuo ente el dipolo y su imagen. Si h<<λel campo adiado es pequeño R in Si h λ/4 el campo se efueza en diección +z. N V + ACAF (7 8). Antenas lineales. 4

15 7.- Dipolo doblado Se foma po dos dipolos paalelos unidos en sus extemos (doblados) y alimentados en el cento de uno de ellos. Análisis Modo línea de tansmisión + Modo de antena Pemite aumenta la impedancia y el ancho de banda, ya que, la pate inductiva que intoduce t elimina la pate imaginaia de la impedancia del dipolo t V t j c tank L s c ln s >> a a a e a N s a dip( L, a ) t e a + V a V t + 4 a N V N 4ta + Paa un dipolo esonante L λ/ N Ω 4 a t a ACAF (7 8). Antenas lineales. 5

16 8.- Alimentación de dipolos. Balunes Los dipolos (estuctuas siméticas) suelen alimentase con estuctuas no siméticas o no balanceadas como el cable coaxial, la línea micostip. Se genean asimetías en la coiente de excitación del dipolo. Los balunesson estuctuas que tansfoman líneas balanceadas (diipolo) a no balanceadas (coaxial). Balancedto unbalanced Líneas equilibadas Línea bifila Línea bifilaapantallada Línea coplana Líneas no equilibadas Cable coaxial Línea micostip Línea stipline ACAF (7 8). Antenas lineales. 6

17 8.- Alimentación de dipolos. Balunes - 3 Al se el coaxial una línea no equilibada, apaece una coiente 3 po la pate extena del conducto exteio. La coiente en uno de los bazos se educe con especto a la del oto. La coiente 3 tiene hoizontaciónvetical y poduce una adiación contapolaindeseada ACAF (7 8). Antenas lineales. 7

18 8.- Alimentación de dipolos. Balunes BalunBazookao Sleeve BalunPatido Línea de tansmisión cotocicuito Se intoduce una línea de tansmisión fomada po el conducto exteio del coaxial y oto elemento metálico exteno. La línea de tansmisión se acaba en cotocicuito a una longitud L balun λ/4 El cotocicuito es una abieto en el bode del dipolo. Dicho abieto impide que 3 fluya po el conducto exteio del coaxial. Baluneal paa dipolo hoizontal fente a plano conducto Cicuito equivalente balun jb tan ( k L ) balun N V + Paa L balun λ/4 balun 3 ACAF (7 8). Antenas lineales. 8

19 9.- Antenas de cuado Tienen foma de espia, y dependiendo de su tamaño, su distibución de coiente seáo no unifome. Su peímeto cicula se apoxima po una línea de tansmisión teminada en cotocicuito Distibución de coiente según tamaño Espia elécticamente pequeña πa l Espia elécticamente gande Coiente unifome. Diagama útil. Rendimiento bajo Coiente no unifome. Diagama multilobuladopoco útil. Rendimiento alto ACAF (7 8). Antenas lineales. 9

20 9.- Antenas de cuado. Coiente unifome A A θ φ ˆ asen ' ' ( sen θ cos φ xˆ + sen θ sen φ yˆ + cos θ zˆ ) ( a cos φ xˆ + asen φ yˆ ) θ cos ( φ φ ' ) µ jk ˆ jk A( ) e ( ) e dl µ e 4π 4π jk π L ' ' ' jk asen θ cos ( + ) ( φ φ sen φ xˆ cos φ yˆ e ) ' a dφ ' ' ' θ cos [ ( φ φ ) ' ' θ cos ( φ θ φ ) ' φ φ + φ φ φ ] jk asen a cos cos sen e d sen cos jk asen e d µ jk π π φ e 4π ' ' ' θ cos [ ( φ φ ) ' ' θ cos ( φ φ ) ' φ φ + φ φ φ ] jk asen a sen sen e d cos cos jk asen e d µ jk π π φ e 4π A θ µ e 4π x x ' ' jk asen θ cos ( ) ( φ φ φ e ) jk π φ ' a cos θ sen dφ φˆ' y y A φ 4π ' ' jk ( ) ( ) µ asen θ cos φ ' jk φ φ e dφ j e a J ( k asen θ ) µ jk e a π φ cos E j ω A φ φ ˆ η π λ e jk a J ( k asen θ )φ ˆ Función de Besselde e oden ACAF (7 8). Antenas lineales.

21 9.- Antenas de cuado. Coiente unifome πa. 5λ ẑ πa. λ ẑ πa λ ẑ ACAF (7 8). Antenas lineales.

22 9.- Antenas de cuado. Cuado elécticamente pequeño Apoximación de cuado pequeño: k a << b << λ ( k asen θ ) k asen θ J E A η e π λ πa Aeadel cuado jk ˆ Asen θφ f ( θ φ) P ad ( θ, φ) E( θ) U, sen θ Como el dipolo coto U E MAX MAX U Ω 4π π P ( θ, φ) d ( Ak ) R s L ped ρ b R ped Rs H dl πa πb 3 P ad D R ( Ak ) ad a b R s R E σ δ z s Hφ ρ a s Mucho meno que la del dipolo de longitud πa! π fµ σ η ad ACAF (7 8) R ped R + ad R ad Valoes típicos de -4. Se usan solo en aplicaciones de ecepción de baja fecuencia En la páctica se usan enollandon espias, paa aumenta la esistencia de adiación. Antenas lineales.

23 9.- Antenas de cuado. Cuado de Alfod Cuado especial de longitud de cicunfeencia apoximadamente λecoido po una coiente pácticamente constante. Rendimiento póximo a, y R N R ad 5 Ω. ACAF (7 8). Antenas lineales. 3

24 4.- Acoplamiento mutuo ente antenas ACAF (7 8). Antenas lineales. N NN N N N N N V V V M K M O M M K K M i j N j i j ij ii i j N j ij i i i V + El campo acoplado ente antenas póximas ente sí, se denomina acoplo mútuo. El acoplo es impotante considealo en agupaciones de antenas o aays, en las que se poduce un funcionamiento combinado de las mismas. También es impotante ve la alteación de las popiedades de impedancia y adiación en antenas de funcionamiento no combinado, peo póximas ente sí. Tanto desde el punto de vista de adiación (cálculo de las coientes de alimentación) como desde el punto de vista cicuital (impedancia de cada antena) el conjunto se compota como una multipolode N puetas mpedancia activa del elemento i (impedancia que pesenta a su línea de alimentación)

25 .- Acoplamiento mutuo ente antenas ACAF (7 8). Antenas lineales. 5

26 .- Taslación de antenas Los campos adiados po una antena tasladad se elacioancon los ceados po dicha antena situada en el oigen de coodenadas, más el fasoque indica el adelanto o etaso de fase de la onda adiada según la diección consideada Esta popiedad se utiliza a la hoa de calcula el diagama de adiación de agupaciones de antenas o aays ˆ ( θ,φ ) ˆ ( θ,φ ) ˆ ( θ,φ ) ˆ E ( θ,φ ) E jk ( θ, φ ) E ( θ φ ) e ˆ, ACAF (7 8). Antenas lineales. 6

27 .- Antenas Yagi Son antenas constuidas con dipolos paalelos, en las que solo se alimenta uno (excitado) de foma diecta. Los demás dipolos (paásitos) se alimentan a tavés del acoplo mútuo con el excitado, y sus teminales están cotocicuitados. Antena Yagide elementos V + + N V E jk d cos θ ( θ, φ ) E ( θ, φ ) + E ( θ, φ ) + e E ( θ, φ ) dip ACAF (7 8). Antenas lineales. 7

28 .- Antenas Yagi En el plano Y, cada dipolo pesenta un diagama del tipo: En el plano X, según el tamaño del paásito, la agupación pesenta un diagama distinto E dip ( θ,φ ) cte F jk d cos θ ( θ, φ ) + e ACAF (7 8). Antenas lineales. 8

29 .- Antenas Yagi El acoplamiento mutuo ente los elementos del eflecto y los diectoes más póximos hacen que la impedancia del activo disminuya con especto de losteóicos 73 Ω. Como elemento activo se utiliza con fecuencia un dipolo doblado, ya que, pemite aumenta la impedancia de entada y el ancho de banda. Yagide eflecto diédico Yagi de doble eflecto (meno adiación tasea) ACAF (7 8). Antenas lineales. 9

30 .- Antenas Yagi Ejemplos de diseño paa númeo de elementos alto ACAF (7 8). Antenas lineales. 3