ANTENAS. Valentino Trainotti, IEEE Life Senior Member, BTS-DL

Transcripción

1 ANTENAS Valentino Trainotti, IEEE Life Senior Member, BTS-DL Con colaboración de: Gonzalo Figueroa, IEEE Student Member Nicolás Tempone, IEEE Student Member Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Argentina Secretaría de Investigación y Doctorado

2 Facultad de Ingeniería Secretaría de Investigación y Doctorado

3 Breve cronología histórica William Gilbert 1600 Electroscopio De Magnete Benjamin Franklin 1750 Ley de conservación Charles Augustin Coulomb 1780 Ley entre cargas Alessandro Volta 1800 Celdas y baterías Hans Christian Oersted 1819 Electricidad produce magnetismo Andre Marie Ampère 1823 Electrodinámica George Simon Ohm 1825 Relación entre V, I y R Michael Faraday 1831 Magnetismo produce elect. Joseph Henry 1831 Inducción electromagnética James Clerk Maxwell 1873 Teoría electromagnética Heinrich Rudolph Hertz 1888 Comprueba la teoría

4 Heinrich Rudolph Hertz ( )

5 Transmisor y detector de Hertz

6 Antena con reflector parabólico cilíndrico con alimentador dipolar

7 Heinrich Rudolph Hertz Primera antena dipolo Primera antena parabólica cilíndrica

8 Guglielmo Marconi ( )

9 Transmisor de Marconi

10 Sistema de transmisión de Marconi

11 Sistema receptor de Marconi

12 Guglielmo Marconi ( ) 1895 Primeras experiencias en Bologna 1896 Obtiene patente inglesa (12039) 1897 Crea la Wireless Telegraph & Signal Company Limited 1899 Enlace entre Inglaterra y Francia 1900 Crea la Marconi Wireless Telegraph Company Limited 1901 Transmisión a través del Atlántico Experiencia en el Buque Philadelphia 1909 Premio Nobel de Física

13 12 de Diciembre de 1901 Primera comunicación a través del Atlántico 300 años entre los primeros experimentos del Doctor Gilbert y el cruce del Atlántico mediante una radiocomunicación telegráfica

14 Antena transmisora de Marconi

15 Antena receptora de Marconi Instalando la antena barrilete en Newfoundland (Canada) Diciembre de 1901

16 Antena transmisora de Marconi

17 Guglielmo Marconi - Yate Elettra Experimentos en ondas cortas HF (3 30 MHz)

18 Reginald Aubrey Fessenden ( )

19 Reginald Aubrey Fessenden ( ) Experiencia de radiotelefonía con transmisor a chispa de alta velocidad para simular onda continua 1902 Patenta la onda continua (CW) 1905 Diseña el primer alternador de alta frecuencia (LF 0.5 kw, 50 khz) 1906 Fessenden y Alexanderson diseñan alternador de rpm (1 kw, 50 khz) instalado en Brant Rock, MA. Transmisión de telefonía y música 1906 Primera transmisón bilateral entre EEUU y Escocia

20 Fessenden Antena Transmisora Brand Rock Massachusetts ( )

21 Fessenden Alternador de alta frecuencia LF 50 khz, 1 kw

22 Fessenden Detector electrolítico ( )

23 Desarrollo del campo eléctrico de un dipolo

24 Circuito de antena monopolo

25 Magnitudes E Intensidad de Campo Eléctrico [V/m] H Intensidad de Campo Magnético [A/m] P Densidad de Potencia Radiada [W/m 2 ] U Intensidad de Radiación [W/Rad 2 ] W T Potencia Total Irradiada [W] D Directividad [veces o dbi] G Ganancia [veces o dbi] Z a Impedancia de Antena [Ω] R R Resistencia de Radiación [Ω] Z 00 Impedancia del Medio [Ω] T a Temperatura de Ruido [K]

26 Parámetros de las antenas A) Diagrama de radiación B) Directividad C) Ganancia D) Área, apertura o superficie E) Altura F) Rendimiento o eficiencia G) Impedancia H) Temperatura I) Capacidad de potencia J) Ancho de banda K) Polarización L) Mecanismos

27 Diferentes diagramas de radiación

28 Diferentes diagramas de radiación

29 Diagrama rectangular

30 Directividad IEEE STD

31 Directividad

32 Ganancia

33 Área

34 Área

35 Área

36 Longitud o altura efectiva

37 Longitud efectiva

38 Impedancia de antena

39 Impedancia

40 Impedancia

41 Impedancia

42 Rendimiento o eficiencia de antena η = Potencia total irradiada Potencia de entrada de la antena R r = Resistencia de radiación [Ω] R L = Resistencia de pérdidas [Ω] Depende de las pérdidas en conductores y dieléctricos que forman el circuito completo de la antena. No están incluidas las pérdidas por desadaptaciones de impedancias ni en la línea de transmisión.

43 Capacidad de potencia Este parámetro depende de las características físicas para soportar altas potencias: Configuración geométrica de conductores Espaciado entre conductores Evitar bordes filosos Presurizar áreas críticas Evitar desadaptaciones de impedancia Utilizar dieléctricos adecuados Evitar la unión de diferentes metales Evitar la corrosión Utilizar baja impedancia de alimentación Evitar terminaciones de alto potencial

44 Temperatura de antena Ruido: Térmico Atmosférico Industrial o hecho por el hombre Galáctico Cósmico Fotónico

45 Temperatura de antena f = 1 Hz

46 Temperatura de antena

47 Temperatura

48 Temperatura

49 Temperatura

50 Temperatura

51 Temperatura

52 Temperatura Gráfico de la temperatura del cosmos (simplificado)

53 Temperatura Medición realizada por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965 (4.08 GHz) Antena Bocina reflectora (Bell Labs) T A = 6,7ºK Apuntando cerca del cenit (cielo vacío) Esta temperatura compuesta por: 2,3 ± 0,3 ºK Atmósfera 0,3 ± 0,4 ºK Pérdidas óhmicas < 0.1 ºK Lóbulo posterior que apunta a la tierra 3,2 ± 0,5 ºK 6,7 3,2 = 3,5 ± 0,5 ºK 3,5 ºK Atribuidos al ruido de fondo del cielo vacío A. A. Penzias R. W. Wilson Astrophys. J. 142, pp , 1965

54 Temperatura Bocina parabólica Holmdel, Bell Labs

55 Temperatura Antena directiva de Karl Jansky. Holmdel, Bell Labs, Primera medición del ruido galáctico.

56 Antena con pérdidas (óhmicas) Temperatura

57 Figura de Ruido Temperatura

58 Polarización La polarización depende de la orientación del vector campo eléctrico producido por la antena Plano transverso

59 Polarización En general la polarización es elíptica. La polarización lineal y circular son casos particulares. Plano transverso

60 Polarización La polarización de una antena transmisora en una dada dirección desde la antena, es la polarización de la onda transmitida (IEEE STD 145). Muchas antenas son recíprocas y las propiedades de polarización son idénticas en transmición y recepción. En el caso de antenas receptoras la polarización se define como la polarización de una onda plana incidente desde una dirección dada que produce la máxima potencia disponible en los terminales de la antena (IEEE ).

61 Relación de polarización Polarización

62 Polarización

63 Polarización Polarización Lineal Vertical Lineal Horizontal Circular Derecha Circular Izquierda Relación de polarización ρ L = ρ D = 1 ρ C = 1 ρ L = 0 ρ D = 1 ρ C = 1 ρ L = 1 ρ D = 1 ρ C = ρ L = 1 ρ D = 1 ρ C = 0 Relación axial R = R = db R = R = db R = 1 R = 0 db R = -1 R = 0 db

64 Antena Horizontal Horizontal Horizontal Vertical Vertical Vertical Circular Circular Circular Izquierda Circular Izquierda Circular Derecha Circular Derecha Oblicua 45 Oblicua 45 Oblicua 45 Polarización Polarización onda Horizontal Vertical Circular Vertical Horizontal Circular Horizontal Vertical Circular Izquierda Circular Derecha Circular Derecha Circular Izquierda Horizontal Vertical Circular Pérdida db

65 Foco isotrópico Radiadores Básicos

66 Radiadores Básicos Dipolo Elemental Dipolo Corto

67 Dipolo Radiadores Básicos

68 Dipolo Radiadores Básicos

69 Dipolo Radiadores Básicos

70 Radiadores Básicos Diagrama de Radiación

71 Radiadores Básicos Dipolo de media onda

72 Radiadores Básicos Dipolo de media onda

73 Dipolo Radiadores Básicos

74 Radiadores Básicos Monopolo Elemental Monopolo Corto

75 Monopolo Radiadores Básicos

76 Intensidad de campo del monopolo en función de su altura

77 Intensidad de campo del monopolo en función de su altura física y de la conductividad terrestre a 1 MHz

78 Balunes

79 Balunes Balun de banda ancha para HF (2 30 MHz)

80 Radiadores Básicos MF MHz Monopolo plegado para radiodifusión en ondas medias

81 Radiadores Básicos Monopolo conectado a tierra Unidad de sintonía

82 Radiadores Básicos MF MHz Alta potencia Monopolo plegado para radiodifusión en ondas medias

83 Radiadores Básicos MF MHz Monopolo para radiodifusión en ondas medias (punto de a limentación)

84 Variantes del dipolo Radiadores Básicos

85 Radiadores Básicos Dipolo con reflector para polarización vertical (VHF MHz)

86 Radiadores Básicos ELEMENTO FORMADO POR DOS DIPOLOS DESPLAZADOS 90º (PENETRATOR) POLARIZACION CIRCULAR

87 Radiadores Básicos Dipolos Rototiller (ERI) para polarización circular (VHF MHz)

88 Radiadores Básicos Dipolo con reflector para polarización circular (VHF MHz)

89 Líneas de transmisión Líneas bifilares (balanceadas) Líneas coaxiles (desbalanceadas) Características: Impedancia característica (Z 0 ) Bifilares ( Ω) Coaxiles ( Ω) Normalización de coaxiles: Z 0 =50 Ω Atenuación (dieléctricos y conductores)

90 Líneas de transmisión Cable coaxil rígido

91 Líneas de transmisión Cable coaxil semirígido

92 Cuadro pequeño Radiadores Básicos

93 Cuadro (de cualquier tamaño) Radiadores Básicos

94 Cuadro Radiadores Básicos

95 Cuadro Radiadores Básicos

96 Radiadores Básicos Variantes del cuadro

97 Bocinas Radiadores Básicos

98 Bocinas Radiadores Básicos Piramidal

99 Bocinas Radiadores Básicos Diagramas de radiación

100 Bocinas Radiadores Básicos Directividad

101 Bocinas Sectorial E Radiadores Básicos Directividad normalizada

102 Bocinas Radiadores Básicos Sectorial H Directividad normalizada

103 Bocinas Radiadores Básicos Piramidal óptima

104 Bocina cónica Radiadores Básicos Valores óptimos

105 Bocina corrugada Radiadores Básicos

106 Antenas de banda ancha Impedancia de entrada

107 Antenas de banda ancha Antena monopolo de banda ancha (2 30 MHz)

108 Antenas de banda ancha Antena dipolo de banda ancha (2 30 MHz)

109 Antenas de banda ancha Diagrama de radiación

110 Antenas de banda ancha Antena V Antena Rómbica

111 Antena helicoidal Antenas de banda ancha

112 Antena espiral equiangular Antenas de banda ancha

113 Antenas de banda ancha Antena espiral cónica equiangular

114 Antenas de banda ancha Antenas logarítmicas Periódicas a dientes trapezoidales

115 Antena Helicoidal Antenas de banda ancha

116 Antenas de banda ancha Antena Espiral Plana

117 Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica a dientes trapezoidales Vista lateral Vista de frente

118 Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica a dientes trapezoidales Vista lateral Vista de frente

119 Antena Log-Periódica Dipolar Antenas de banda ancha

120 Impedancia de Antena Impedancia Propia del Dipolo Cilindrico

121 Impedancia Mutua Conjuntos de Dipolos - Lado a lado

122 Impedancia Mutua Conjuntos de Dipolos - Colineales

123 Diagramas de radiación Conjuntos de Dipolos G. H. Brown Directional Antennas P.I.R.E, 25 pp January 1937

124 Conjuntos de Dipolos Ganancia Resistencia de entrada

125 Conjuntos de Dipolos Dipolo λ/2 sobre tierra

126 Dipolo λ/2 sobre tierra Conjuntos de Dipolos Diagramas de radiación

127 Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra

128 Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra Diagramas de radiación

129 Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra

130 Antena Yagi-Uda Conjuntos

131 Antena Yagi-Uda Conjuntos

132 Antena Yagi-Uda Conjuntos

133 Antena Yagi-Uda Conjuntos Espaciados óptimos

134 Reflector plano Antenas con reflectores

135 Antenas con reflectores Antena Direccional para Radiodifusión en HF Antena para Radar en VHF

136 Antenas con reflectores Conjunto con Reflector Diedro Reflector

137 Antenas con reflectores Diedro Reflector

138 Antenas con reflectores Reflector Parabólico

139 Antenas con reflectores Reflector Parabólico

140 Antenas con reflectores Aperturas Uniformemente Iluminadas

141 Antenas con reflectores parabólicos Limitaciones 0 ε 1 ε 0 Eficiencia por pérdidas óhmicas. ε 1 Eficiencia de haz. ε 2 Eficiencia de apertura. ε 3 Eficiencia de superficie. ε 4 Eficiencia de bloqueo. ε 5 Eficiencia de fase. ε 6 Eficiencia por desenfoque. ε 7 Eficiencia por desalineación. ε 8 Eficiencia del iluminador. ε 9 Eficiencia por polarización. ε 10 Eficiencia por desborde. ε T 30 al 70%

142 Antenas con reflectores Antena parabólica para comunicaciones punto a punto

143 Antenas con reflectores parabólicos Diagramas de radiación medidos

144 Antenas con reflectores Reflector Parabólico

145 Antenas con reflectores Reflector Parabólico Offset

146 Antenas con reflectores Antena para radar (1 2 GHz)

147 Antenas con reflectores Reflector parabólico de rejas ( GHz)

148 Antenas con reflectores Reflector parabólico sólido (1 2 GHz)

149 Antenas con reflectores parabólicos Cassegrain Beneficios: Permite colocar el alimentador en una ubicación conveniente. Permite reducir los desbordes y lóbulos secundarios. Obtención de una longitud focal equivalente más grande que la física. Posibilidad de barrido o ensanche de haz moviendo el subreflector.

150 Antenas con reflectores parabólicos Cassegrain con reflector parabólico sólido

151 Antenas con reflectores parabólicos Detalle del iluminador y sub-reflector

152 Diagramas de Radiación Mediciones

153 Ganancia Mediciones

154 Impedancia Mediciones

155 Impedancia Mediciones

156 Muchas gracias por vuestra atención