Tecnología Electrónica 3º Ingeniero Aeronáutico. radiación n y antenas

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1 Tecnología Electrónica 3º Ingeniero Aeronáutico Conceptos básicos b de propagación, radiación n y antenas Dra. Mª Ángeles Martín Prats

2 Radiación n y propagación. 1. Ondas electromagnéticas ticas en el vacío. 2. Solución n general de las ec.. de Maxwell en el vacío. 3. Sistemas radiantes sencillos. 4. Campos cuasiestacionarios.

3 Ondas electromagnéticas en vacío en el vac ticas en el vacío Luz visible, ondas de radio, rayos X, etc. Ondas Electromagnéticas Velocidad de propagación común: c = m/s

4 Ecuación n de ondas en ausencia de fuentes: 0

5 Solución n de onda plana (I):

6 Solución n de onda plana (II): Algunos fenómenos físicos que cumplen la ecuación de ondas unidimensional: Fenómeno físico Oscilaciones transversales en una cuerda Magnitud física (F) Deformación de la cuerda Constante de propagación (v) Ondas longitudinales de presión de un gas en un tubo Desplazamientos longitudinales y torsión de una barra Deformación de la superficie de un líquido en un canal poco profundo Presión y densidad del gas Elongación y ángulo incrementales Altura del líquido

7 Solución n de onda plana (III):

8 Solución n de onda plana (IV):

9 Solución n de onda plana (V):

10 Solución n de onda plana (VI):

11 Ondas monocromáticas (I):

12 Ondas monocromáticas (II): Representación fasorial:

13 Ondas monocromáticas (III): 0

14 Ondas monocromáticas (IV): Energías asociadas a los campos: Resumen de propiedades de las ondas planas:

15 Solución n general de las ecuaciones de Maxwell en el vacío:

16 Solución n general:

17 Efecto Doppler:

18 Sistemas radiantes sencillos

19 Sistemas radiantes sencillos Campo magnético de un dipolo eléctrico oscilante

20 Sistemas radiantes sencillos Propiedades de los campos de radiación: LOS CAMPOS DE RADIACIÓN SE COMPORTAN LOCALMENTE COMO ONDAS PLANAS

21 Campos cuasiestacionarios

22 Campos cuasiestacionarios

23 Introducción n Antenas Una antena es un elemento que permite radiar de forma eficiente una energía a en forma de onda electromagnética tica Convierten fotones a electrones o viceversa La antena está formada por material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre en una determinada dirección Línea de transmisión Onda TEM guiada Transmisor TEM Antena Medio Receptor

24 Fuente Línea transmisión Antena Onda radiada al espacio libre

25 Espectro electromagnético tico

26 Introducción Las propiedades de una antena en transmisión son las mismas que las de una antena en recepción Buena antena: buen rendimiento y buena direccionalidad u omnidireccionalidad La forma en la que la antena radia potencia en el espacio se conoce como patrón de radiación El patrón es la antena isótropa, aquella que radia igual potencia en todas direcciones

27 Tipos de antenas Según el modo de radiación se definen cuatro tipos de antenas: Elementos de corriente (eléctrica o magnética) Antenas de onda progresiva Arrays Aperturas

28 Tipos de antenas Antenas lineales (elementos de corriente y onda progresiva) - Antenas de dipolo o de cuadro: - Antena en hélice:

29 Tipos de antenas Arrays: Se utiliza un análisis lineal basado en la superposición de las ecuaciones de Maxwell

30 Aperturas o bocinas: Tipos de antenas Su análisis se basa en principios de equivalencia electromagnética: Campos radiados= Transformada de Fourier del Campo de la apertura. El lóbulo principal según el eje de la estructura tiene una anchura típica de 3 db. BW-3dB 70λ/D (º) D: Dimensión de la Apertura en el plano considerado

31 Campos de radiación n de una antena El espacio que envuelve una antena se subdivide en tres regiones: Región de campo próximo reactivo (r<λ): Aquella región junto a la antena donde predomina el campo reactivo Región de campo próximo radiante (zona de Fresnel): Región intermedia entre la de campo reactivo y la de campo lejano. Predominan los campos de radiación pero la distribución angular es función de la distancia a la antena Región de campo lejano (zona de radiación, zona de Fraunhofer): la distribución angular del campo es independiente de la distancia r a la antena: r 2D 2 / λ y r >> λd D: Dimensión máxima de la antena

32 Parámetros de una antena Parámetros de transmisión: Impedancia de entrada Diagrama de radiación Intensidad de radiación Directividad Ganancia y Eficiencia Polarización Parámetros básicos: Parámetros susceptibles de ser medidos y definidos de acuerdo al estándar IEEE Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como una caja negra Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional

33 Equivalente Thevenin de una antena en modo transmisión

34 Ganancia directiva Relación para cada dirección entre la potencia radiada por la antena y la potencia radiada por la antena isótropa, alimentando ambas antenas con la misma potencia Esta ganancia directiva en cada dirección del espacio proporciona una medida del patrón de radiación Se suele expresar en db, y a veces, para denotar que es una ganancia respecto a la antena isótropa se le añade una i, dbi (db respecto a la antena isótropa) Al máximo valor de esta relación se le denomina ganancia de la antena

35 Concepto de polarización El patrón n de radiación n = patrón n recepción Un antena recibe máxima m potencia si la antena está orientada para que el campo magnético o eléctrico recibido genere la máxima m tensión n en bornas de la antena Diagramas de radiación n con máximos m en la dirección que une ambas antenas

36 Directividad Directividad de una antena: Fuente de punto isotrópico

37 Límite de potencia que radia una antena Los organismos reguladores marcan un límite para la potencia que una antena radia en cualquier dirección. Esta potencia dependerá de: La potencia con la que alimentamos la antena, la potencia entregada Cómo distribuya la antena esa energía en el espacio, del diagrama o patrón de radiación Límite: el máximo del diagrama de radiación, la ganancia de la antena La máxima potencia radiada en una dirección se debe tomar la potencia entregada a la antena, actualizada por esta ganancia. Este es el concepto de PIRE (potencia isótropa radiada equivalente)

38 Diagramas de radiación Se definen como una representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena (intensidad de radiación, amplitud y fase de los campos, etc) en función de las coordenadas direccionales del espacio Se representarán diagramas de: Campo: E, Eθ, Eφ, arg(eθ), arg(eφ), etc Potencia: <S> Los formatos que pueden tomar los diagramas son: Diagramas absolutos: se representan para una potencia y una distancia constante. Diagramas relativos: normalizados respecto al máximo valor de la función representada. La representación suele hacerse en escala logaritmica (db). Los diagramas de potencia y campo coinciden ya que: 10log <S>/<S> max = 20log E / E max

39 Las coordenadas utilizadas suelen ser (θ, φ), (u, v) donde: u=senθ cosφ v= senθ senφ Desde el punto de vista de representación gráfica, se realizan los diagramas: Tridimensionales Diagramas 2D: Representación en forma de curvas de nivel Cortes θ=cte y φ=cte: Diagramas de radiación

40 Diagramas de cortes de radiación:

41 Diagrama multihaz de haces contorneados de la antena DBS del satélite HISPASAT Diagrama de la antena (antena( multidiagrama) ) del satélite HISPASAT

42 Patrones de campo eléctrico radiados de dipolos l = λ/2 l = 3λ/2

43 Cálculo de antenas 1º se calcula el potencial vector. 2º se obtiene las expresiones de los campos eléctricos y magnéticos (campos lejanos). 3º se calcula el vector de Poynting. 4º Se calcula la potencia total radiada.

44 Ejemplo de cálculoc Antena: dipolo elemental, también denominado elemento de corriente, diferencial de corriente o dipolo hertziano. Este dipolo es un elemento de corriente de longitud pequeña recorrido por una intensidad I constante a lo largo de su longitud. En algunos casos se harán los cálculos también para la antena isótropa. Dada la potencia radiada y la intensidad suministrada a la antena, es posible calcular la resistencia que presenta la antena, la resistencia de radiación. También se puede calcular el Vector de Poynting normalizado por la distancia y la potencia radiada, obteniendo respectivamente la intensidad de radiación y la ganancia directiva. Calculando el máximo de esta última se obtiene la directividad de la antena.

45 Cálculo del Potencial vector Potencial vector del elemento de corriente: En coordenadas esféricas:

46 Cálculo de campos eléctricos y magnéticos El potencial vector está alineado en el eje z y además tiene simetría respecto a este eje, por lo que no depende de φ. Resultado genérico válido para cualquier antena lineal alineada en el eje z

47 Cálculo de campos eléctricos y magnéticos Derivando la expresión anterior:

48 En campos lejanos: 1/r >>1/r 2 : E = η 0 H Vector de Poynting: Promediado sobre un periodo para un dipolo elemental: Potencia radiada en una determinada dirección y a una determinada distancia por unidad de superficie

49 Potencia radiada por dipolo Resistencia de radiación

50 Resistencia y reactancia de radiación de una antena de dipolo Función de la longitud y del radio

51 Vector de Poynting Para antena isótropa: Para dipolo elemental:

52 Diagrama de radiación de antena isótropa: Diagrama de radiación de dipolo elemental:

53 Ejercicio propuesto:

54 Resultados de simulación

55 Resultados de simulación

56 Ejercicio: Obtener el diagrama de radiación n del campo eléctrico Antena de cuadro pequeño:

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