Guía Docente

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1 Guía Docente Antenas Antennas Grado en Ingeniería en Sistemas de Telecomunicación Modalidad de enseñanza a distancia Universidad Católica San Antonio de Murcia Tlf: (+34) info@ucam.edu

2 Rev /06/ :58 Índice Antenas...3 Breve descripción de la asignatura...3 Requisitos previos...3 Objetivos de la asignatura...4 Competencias y resultados de aprendizaje...4 Metodología...5 Temario...5 Programa de la enseñanza teórica...5 Programa de la enseñanza práctica...10 Relación con otras materias...10 Sistema de evaluación...11 Convocatoria de Febrero/Junio:...11 Convocatoria de Septiembre:...11 Bibliografía y fuentes de referencia...12 Bibliografía básica...12 Bibliografía complementaria...12 Web relacionadas...12 Recomendaciones para el estudio...12 Material necesario...13 Tutorías

3 Antenas Módulo: Especialidad. Materia: Tecnología de Antenas y Microondas. Carácter: Obligatoria. Nº de créditos: 6.0 ECTS. Unidad Temporal: 4º curso 1º cuatrimestre. Breve descripción de la asignatura La comunicación inalámbrica se efectúa por medio de campos electromagnéticos establecidos por corrientes variables en un dispositivo denominado antena, que transfiere al espacio la energía que recibe. En un punto distante, habrá otra antena sobre la cual actúan los campos, induciendo en ésta una tensión que reproduce las variaciones de las corrientes originales, hacia el receptor al que estuviera conectado. En esta asignatura se abordan de forma sistemática los distintos aspectos a cubrir en el campo de las antenas y la propagación vía radio. Para el estudiante, esta asignatura contribuye a profundizar y especializarse en el área de las comunicaciones por radio, fundamentalmente en lo relativo a los sistemas radiantes, con amplios conocimientos en análisis y diseño de antenas, y con capacidad de aplicar sus conocimientos en la realización de las tareas y a la resolución de los problemas concretos relacionados con la radiación de señales. Brief Description Wireless communication is by means of electromagnetic fields established by varying currents in a device called an antenna, which transfers energy to the space you get. At a point distant other antenna will act upon which the fields inducing in it a voltage which reproduces the original variations of currents, to the receptor to which it is connected. This course addresses the various aspects to cover in the field of antennas and radio propagation. For students, this course helps to deepen and specialize in the area of radio communications, mainly in terms of radiant systems, with extensive knowledge in analysis and design of antennas, and the ability to apply their knowledge in performing tasks and the resolution of specific problems related to radiation signals. Requisitos previos Para la correcta asimilación de los contenidos de esta asignatura es muy importante haber adquirido los conocimientos y competencias correspondientes a asignaturas de la Formación Básica Física I, Física II y Campos Electromagnéticos. Por tanto, antes del inicio de esta asignatura, el alumno deberá asegurarse la posesión de dichos conocimientos y competencias. 3

4 Objetivos de la asignatura Los objetivos de la asignatura son: 1. Capacidad de análisis de componentes y sus especificaciones para sistemas de comunicaciones guiadas y no guiadas. 2. Capacidad para la selección de circuitos, subsistemas y sistemas de radiofrecuencia, microondas, radiodifusión, radioenlaces y radiodeterminación. 3. Capacidad para la selección de antenas, equipos y sistemas de transmisión, propagación de ondas guiadas y no guiadas, por medios electromagnéticos, de radiofrecuencia u ópticos y la correspondiente gestión del espacio radioeléctrico y asignación de frecuencias. Competencias y resultados de aprendizaje C1. Capacidad para aprender de manera autónoma nuevos conocimientos y técnicas adecuados para la concepción, el desarrollo o la explotación de sistemas y servicios de telecomunicación. RA. Configurar los equipos necesarios para efectuar medidas en antenas y realizar la medición de sus principales parámetros. C3. Capacidad para utilizar herramientas informáticas de búsqueda de recursos bibliográficos o de información relacionada con las telecomunicaciones y la electrónica. RA. Simular y caracterizar el comportamiento de los sistemas radiantes formados por una o varias antenas. RA. Diseñar y simular sistemas radiantes formados por una o varias antenas. C4. Capacidad de analizar y especificar los parámetros fundamentales de un sistema de comunicaciones. RA. Identificar los principales tipos de antenas. Analizar y comparar sus parámetros básicos. RA. Calcular y analizar los diagramas de radiación de las antenas a partir de las ecuaciones de Maxwell y de los fundamentos del electromagnetismo. RA. Calcular y analizar los parámetros de scattering a partir de las ecuaciones de Maxwell y de los fundamentos del electromagnetismo. RA. Analizar y comparar los parámetros básicos de un sistema de microondas. C8. Capacidad para comprender los mecanismos de propagación y transmisión de ondas electromagnéticas y acústicas, y sus correspondientes dispositivos emisores y receptores. RA. Identificar y aplicar el método óptimo de síntesis de diagramas de radiación. RA. Modelar las características de propagación de un canal radio. 4

5 Metodología Metodología Exposición teórica Horas 5 Horas de trabajo presencial Horas de trabajo no presencial Grupos de discusión, seminarios Evaluación horas (10 %) Tutoría 3 Estudio personal 74 Clase prácticas y trabajo en grupo a distancia Preparación de trabajos y ejercicios horas (90 %) Actividades aprendizaje virtual 30 Evaluación 2 TOTAL Temario Programa de la enseñanza teórica TEMA 1. CONCEPTOS PREVIOS 1.1. Conceptos previos Medios de comunicación Ondas electromagnéticas Espectro electromagnético Radiofrecuencia Electricidad El decibelio Componentes electrónicos Corriente alterna 1.2. Análisis vectorial 5

6 Magnitudes escalares y vectoriales Sistemas de coordenadas Sistema de coordenadas cartesianas Sistema de coordenadas cilíndricas Sistema de coordenadas esféricas Relación entre coordenadas cilíndricas y coordenadas esféricas Campos escalares y vectoriales Gradiente de un campo escalar Integral de línea: circulación Integral de superficie: flujo Divergencia de un campo vectorial Teorema de la divergencia Rotacional de un campo vectorial Teorema de Stokes 1.3. Concepto de antena Funcionamiento de una antena TEMA 2. FUNDAMENTOS DE RADIACIÓN 2.1. Ecuaciones de Maxwell Un poco de historia Fundamentos de las ecuaciones de Maxwell Las ecuaciones de Maxwell Expresiones en forma integral de las ecuaciones de Maxwell 2.2. Ecuaciones de onda para los campos Ecuación de onda para el campo eléctrico Ecuación de onda para el campo magnético 2.3. Definición de los potenciales Definición del potencial vector Definición del potencial escalar Ecuación de onda para el potencial vector eléctrico Ecuación de onda para el potencial escalar eléctrico 2.4. Solución de las ecuaciones de onda para ondas planas, cilíndricas y esféricas Soluciones integrales para los potenciales Soluciones temporales de los potenciales Expresiones generales de los campos 6

7 Expresiones aproximadas para los campos radiados 2.5. El vector de radiación Definición del vector de radiación Vector de radiación de un hilo de corriente 2.6. Campo lejano y cercano. Regiones de Fresnel y de Fraunhofer TEMA 3. PROPAGACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 3.1. Propagación de ondas electromagnéticas Frentes de onda Frente de onda plana Frente de onda producido por una fuente puntual Frente de onda esférico 3.2. Pérdidas de la señal en el espacio libre Atenuación Absorción 3.3. Propiedades de las ondas de radio Refracción Reflexión Difracción Interferencia Dispersión 3.4. Propagación terrestre de las ondas electromagnéticas Características de la propagación de las ondas electromagnéticas Propagación por ondas terrestres o por ondas de superficie Propagación de ondas espaciales o propagación troposférica Propagación por onda celeste o ionosférica 3.5. Fuentes de ruido externo TEMA 4. PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LAS ANTENAS 4.1. Introducción. Concepto de antena 4.2. Distribución de corrientes en una antena 4.3. Parámetros fundamentales de una antena Densidad de potencia radiada Impedancia de antena Eficiencia de antena 7

8 Patrón de radiación. Diagrama de radiación de la antena Campos cercanos y lejanos de una antena Ganancia directiva y ganancia de potencia Polarización de una antena Ancho del haz de la antena Ancho de banda de una antena Área efectiva y longitud efectiva de una antena 4.4. Ecuación de transmisión de Friis 4.5. Tipos de antenas TEMA 5. ANÁLISIS DE ANTENAS BÁSICAS 5.1. Introducción. Antenas lineales 5.2. El dipolo Potencia radiada por un dipolo Resistencia de radiación Directividad Dipolo de media longitud de onda Diagramas de radiación de dipolos de diferentes longitudes 5.3. Antenas situadas frente a tierra supuesta como conductora perfecta Teoría de las imágenes Monopolos Efecto de una tierra imperfecta Efecto de un plano de tierra finito 5.4. Antena dipolo doblado 5.5. Antenas de lazo 5.6. El dipolo en v invertida 5.7. Otras antenas lineales 5.8. Teorema de reciprocidad TEMA 6. AGRUPACIONES DE ANTENAS 6.1. Introducción 6.2. Agrupación de dos radiadores isotrópicos en fase Array de dos antenas 6.3. Agrupaciones lineales de n radiadores Polinomios de la agrupación de distribuciones 8

9 Ceros del polinomio Factor de array Anchos de haz entre ceros del factor de array Nivel de lóbulo principal a secundario Representación gráfica del factor de la agrupación Diagrama de radiación Propiedades del factor de array Diagramas de radiación para diversas configuraciones 6.4. Influencia de los parámetros en el diseño de antenas Efecto del espaciado Efecto del número de elementos Efecto del desfase 6.5. Agrupaciones uniformes Agrupación uniforme transversal (broadside) Agrupación uniforme longitudinal (endfire) Agrupaciones uniformes superdirectivas 6.6. Directividad de las agrupaciones 6.7. Agrupaciones planas Factor de array Polinomio de agrupaciones planas Agrupaciones planas uniformes Diagramas de radiación de agrupaciones planas TEMA 7. ANTENAS DE APERTURA 7.1. Introducción 7.2. Antenas de apertura Apertura elemental Aperturas rectangulares Aperturas circulares 7.3. Guía de ondas rectangular Bocinas rectangulares Campos en la apertura rectangular Campos radiados por las bocinas Directividad de las bocinas Bocinas óptimas 9

10 7.4. Guía de ondas circular Bocinas cónicas Campo eléctrico de una bocina cónica Directividad de las bocinas cónicas 7.5. Antenas con reflector parabólico Consideraciones sobre el diseño de antenas parabólicas Antenas con foco desplazado (offset) Antenas con doble reflector Antenas Cassegrain 7.6. Lentes Parámetros de diseño de las lentes 7.7. Antenas microstrip Principios de funcionamiento Alimentación de antenas microstrip Programa de la enseñanza práctica Trabajo 1. Tema 1: ejercicios y planteamientos prácticos. Trabajo 2. Tema 2: ejercicios y planteamientos prácticos. Trabajo 3. Tema 3: ejercicios y planteamientos prácticos. Trabajo 4. Tema 4: ejercicios y planteamientos prácticos. Trabajo 5. Tema 5: ejercicios y planteamientos prácticos. Trabajo 6. Tema 6: ejercicios y planteamientos prácticos. Trabajo 7. Tema 7: ejercicios y planteamientos prácticos. Relación con otras materias Antenas está relacionada con Microondas (cuarto curso) y con los contenidos impartidos en asignaturas del Módulo de Formación Básica como Física I y Física II (primer curso), Campos Electromagnéticos (segundo curso) y con las asignaturas del Módulo de Formación Común denominadas Medios de Transmisión Guiados y Medios de Transmisión no Guiados (tercer curso) 10

11 Sistema de evaluación Para la modalidad a distancia el sistema de evaluación constará de los siguientes puntos: 1. Trabajos: Podrán ser de realización individual o en grupo y tener un carácter teórico o práctico. El total de los documentos presentados por alumno se puntuará entre 0 y 10. Se valorará: Formato, presentación, estructura y legibilidad de los documentos. Medios empleados y fuentes bibliográficas consultadas para su elaboración. Calidad y profundidad de los contenidos, así como los resultados y las conclusiones extraídas. 2. Pruebas de evaluación continua: Estas pruebas se solicitarán al final de cada tema. Estas pruebas podrán ser de diferentes tipos como tests sobre conocimientos teóricos, resolución de problemas, etc. Para su publicación, realización y corrección se puede hacer uso de las herramientas del campus virtual. Entre estas pruebas también se incluyen las memorias de prácticas no presenciales. Estas pruebas serán puntuadas entre 0 y 10. Se valorará: Formato, presentación, estructura y legibilidad de los documentos. Medios empleados y fuentes bibliográficas consultadas para su elaboración. Calidad y profundidad de los contenidos, así como los resultados y las conclusiones extraídas. 3. Prueba final presencial: Esta prueba será escrita y tendrá la tipología que considere adecuada el profesor: test, desarrollo, resolución de problemas, casos prácticos, u otros. La prueba se puntuará entre 0 y 10. El rango de las ponderaciones para cada uno de los puntos anteriores será el siguiente: Trabajos y Pruebas de Evaluación Continua: 20-50% Prueba Final: 50-80% Para poder superar la asignatura será necesario obtener al menos una nota de 4 en cada uno de los ítems anteriores y un 5 en la media ponderada de sus valores. Los detalles sobre el sistema de evaluación se encuentran recogidos en la normativa general de universidad. - Parte teórica: 75% del total de la nota. - Parte práctica: 25% del total de la nota. - Parte teórica: 75% del total de la nota. - Parte práctica: 25% del total de la nota. Convocatoria de Febrero/Junio: Convocatoria de Septiembre: 11

12 Bibliografía y fuentes de referencia Bibliografía básica C.A. Balanis, "Antenna Theory. Analysis and Design", Ed. Wiley, W.L. Stutzman, G.A. Thiele. Antenna Theory and Design, Ed. Wiley, A. Cardama et al. "Antenas". Ediciones UPC, D.K., Cheng, "Fundamentos de Electromagnetismo para Ingeniería", México Addison Wesley Longman Bibliografía complementaria S.J. Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas, S. Drabowitch et al., "Modern Antennas". Chapman & Hall R.S. Elliot, "Antenna Theory and Design". Prentice Hall, R.E. Collin, "Antennas and Radiowave Propagation". Mc Graw Hill, Web relacionadas Serán actualizadas en el Campus Virtual. Recomendaciones para el estudio Las recomendaciones básicas para estudiar la materia consisten en primer lugar en disponer de los conocimientos de base para iniciar su estudio. Por este motivo, es conveniente que el alumno haya superado las asignaturas previas indicadas en el apartado de Relación con otras materias. En segundo lugar se anima a los estudiantes a seguir un estudio continuado de la materia con el fin de poder ir asimilando conocimientos. El estudio y asimilación de cada jornada docente deberá realizarse antes de la siguiente y complementado con la realización de los problemas y cuestiones propuestos. Por este motivo, el punto clave para superar la asignatura con éxito, es comprender la materia y no tanto su memorización. En caso de dudas o cuestiones, el estudiante debe consultar al profesor mediante las herramientas telemáticas disponibles. Como regla general una duda resuelta evita cinco interrogantes en el futuro. Las prácticas deben ser realizadas por el alumno, y siempre con el objetivo claro de relacionar los ejercicios prácticos con los conocimientos teóricos a asimilar. 12

13 Material necesario No se precisa. Tutorías Las tutorías se dedicarán a reforzar los conceptos y a comprobar que el alumno asimila todo lo expuesto en los contenidos propuestos a los alumnos a través de la plataforma virtual. Los objetivos formativos planteados para la tutoría son: Orientación sobre los contenidos de la asignatura, los sistemas de evaluación y la metodología de enseñanza-aprendizaje, así como su vincula con otras materias y con el ejercicio profesional. Seguimiento y evaluación de trabajos, problemas y ejercicios planteados. Aclaración de dudas personales sobre los contenidos de la asignatura, memorias de las prácticas, trabajos o ejercicios planteados. Para cubrir estos objetivos se planificarán las siguientes actividades formativas: Presentación inicial de la asignatura, sistema evaluación y metodología. Seguimiento del trabajo y ejercicios planteados. Refuerzo al final de cada tema con la aclaración de dudas personales y repaso de los conceptos importantes. Este proceso de formación requiere de los adecuados sistemas de evaluación, cuyas herramientas y criterios principales son: Participación activa en las diferentes actividades propuestas. Seguimiento personal sobre realización de consultas y participación activa. Iniciativa, creatividad y toma de decisiones a la hora de resolver los trabajos o problemas planteados. 13