Cursos Extensión Universitaria Conceptos básicos sobre antenas Miguel Fernánz García Departamento Ingeniería Eléctrica Campus Universitario 33204 Gijón, Asturias, Spain e-mail: mfgarcia@tsc.uniovi.es
Índice Definición antena Propiedas una buena antena Longitud física y longitud eléctrica Tipos básicos antenas Parámetros para la caracterización antenas Impedancia entrada y adaptación Directividad, ganancia y diagrama radiación Polarización Otros parámetros importantes Ancho banda Ruido 2
Definición Antena: dispositivo que forma parte sistemas Tx/Rx, diseñado específicamente para radiar/recibir ondas electromagnéticas. Siempre actúa como interfaz entre una región don existen ondas electromagnéticas guiadas y el espacio libre. Medio no guiado Tx ldt ldt Rx Antena Tx Antena Rx Función: Radiar(Tx) la potencia que le suministra el transmisor, o recibir, con la máxima eficiencia y las características direccionalidad y polarización que requiera la aplicación: Radiodifusión: la radiación ha ser onmidireccional Enlace punto a punto: interesan antenas muy directivas 3
Definición Características seables una buena antena: Buena adaptación, relacionada con la impedancia entrada Buen rendimiento, relacionado con las pérdidas Características direccionalidad y polarización acuadas a cada aplicación particular Longitud física y longitud eléctrica λ=c/f, λ(cm)=30/f(ghz) Dado que la longitud eléctrica la antena varía con la frecuencia, esta condiciona todas sus propiedas. Tipos básicos antena: Lineales: Formadas por hilos conductores eléctricamente lgados. Según su geometría puen ser hilo recto(dipolos, rómbicas), espiras o hélices. Bocinas: Formadas al abrir o abocinar guías onda. El tamaño la apertura termina su directividad. En general, son antenas bien adaptadas. Reflectores: Convierten un diagrama poco directivo en otro mucho más directivo. Son las más utilizadas en enlaces punto a punto y en comunicaciones por satélite en las bandas microondas. Arrays: La agrupación elementos simples proporciona gran flexibilidad. Seleccionando acuadamente la alimentación cada elemento se puen conseguir características radiación especiales. 4
Tipos básicos antenas: Lineales Dipolos: Longitud total aproximada: λ/2 Hilos eléctricamente lgados, es cir, con diámetro << λ Alimentadoenelcentroatravésunbalun. Impedanciaentrada: 75Ω Diagrama radiación omnidireccional. 5
Tipos básicos antenas: Lineales Monopolo sobre plano masa Unsolohilo,perpendicularaunplanomasa. Longitud total aproximada: λ/4 Hilos eléctricamente lgados, es cir, con diámetro << λ Alimentado directamente en la base. Diagrama radiación omnidireccional. 6
Tipos básicos antenas: Bocinas Bocinas Antenas muy directivas. Alimentadas s guía onda. Eltamañolabasepenlafrecuencia. El tamaño la apertura termina la ganancia. MuyutilizadasenenlacespuntoapuntoenlabandaMWymmW. 7
Tipos básicos antenas: Reflectores Reflectores Convierten el diagrama radiación un alimentador poco directivo en uno muy directivo. El reflector ha ser eléctricamente gran, con d>>λ La ganancia aumenta con el tamaño EnlacespuntoapuntoenlabandaMWymmW. Radar. 8
Tipos básicos antenas: Arrays Arrays Antena formada por la agrupación elementos simples. Gran flexibilidad diseño. Seleccionando acuadamente la alimentación cada elemento, se puen conseguir diagramas radiación con características particulares. Aumentar la ganancia Cambiar la dirección apuntamiento sin mover físicamente la antena Caso particular: antena Yagi Se trata un array dipolos, con características particulares en cuanto a su alimentación. En este caso, se consigue aumentar la ganancia a medida que se añan elementos. 9
Impedancia entrada. Adaptación. Considérese la antena como un elemento circuito, alimentada por una línea transmisión con impedancia característica Z o, y funcionando en espacio libre. Se fine su impedancia entrada, Z in, como el cociente entre la tensión y la corriente a la entrada la antena. Tx Z o I in V in Antena Z in V En general, Z in es compleja y varía con la frecuencia, tanto en parte real como imaginaria, ya que también cambian las dimensiones eléctricas la antena. Es habitual diseñar las antenas para que sean resonantes, y que así sea más fácil adaptarlas a las líneas transmisión. En baja frecuencia, las antenas son eléctricamente cortas. En este caso, X in >>R in. 10
Impedancia entrada. Coeficiente reflexión y adaptación La impedancia entrada Z in es un parámetro difícil medir. Para la caracterización antenas suelen usarse: Coeficiente reflexión: ρ[-1, 1] Pérdidas retorno: P ret [-, 0] Relación Onda Estacionaria: ROE o VSWR [1, ] Como con cualquier carga, si ρ 0, (cuando Z in =Z o ), parte la potencia que llega a la antena se refleja, por lo que no toda la potencia que entrega el generador «se aprovecha». ' ( ) 20log #$ 1 1 ( ' ( 1 ) 10*+, ' ( 10*+, ) 20*+, Z o ρ P in Z in 11
Impedancia entrada. Coeficiente reflexión y adaptación Balance potencias en una antena alimentada a través una línea transmisión: Potencia disponible en el generador P a Coeficientes reflexión en el generador y en la carga (antena), dados por Z g, Z o y Z in. P a Z g V g P inc P ref Z o... Z in, P in - 1. ) 1 ) 1. ) 12
Impedancia entrada. Eficiencia La parte real Z in pue expresarse como suma dos resistencias: Resistencia radiación Resistencia pérdidas -/ 011 La resistencia radiación se fine como aquella que disiparía una potencia igual a la radiada por la antena, si estuviese recorrida por la misma corriente que la antena. -/ 2 -/ ) Por lo tanto, una parte la potencia entrada se radia y otra se disipa en forma calor -/ 011 Se fine la eficiencia radiación ξ r como: 2 -/ -/ -/ 011 En la mayoría los casos, R rad >>R loss, por lo que la eficiencia es próxima al 100%. La principal excepción la constituyen las antenas eléctricamente cortas, don pue llegar a darseelcasor loss >R rad 13
Impedancia entrada. Para aprovechar al máximo la potencia disponible en el generador hay que tener en cuenta: Z g, Z o, Z in (consirar la antena como un elemento circuito) Posible red adaptación Diseño acuado la antena para minimizar R loss. Se be a la resistencia eléctrica los materiales utilizados (no nula en el caso conductores y no infinita en el caso aislantes). P a P inc Z g P ref -/ 2 V g Z o - 1. ) 1 ) 1. ) Z in, P in 14
Impedancia entrada: Medida Medidores VSWR: Bajo coste. Prestaciones limitadas. Ialmente VSWR=1 Analizador Vectorial Res: Alto coste Altas prestaciones Ialmente, Γ =0 (- db) En la práctica, se consira buena adaptación Γ <-10 db. 15
Directividad y ganancia. Coornadas esféricas Sistema coornadas esféricas: Cadapuntolespacioseintificapor(r,θ,φ) Cadadirecciónlespacioseintificaconelpar(θ,φ) Se puen finir las siguientes superficies r constante: esfera radio r. φconstante:planoquecontienealejez θconstante:conoconejezcomoejerevolución 16
Directividad y ganancia. Radiador isotrópico Radiador isotrópico: Antena puntual, alimentada por un sistema también puntual. Esta antena radiaría exactamente igual en todas las direcciones l espacio. Sisecolocaseelradiadorisotrópicoenelcentrounaesfera,setendríaelmismonivel campoentodoslospuntoslasuperficie. Intensidad radiación U(θ, φ): Potencia radiada en una terminada dirección por unidad ángulo sólido. 3 4,6 #7,4,6 89 8Ω 7 ) #7,4,6 En el caso l radiador isotrópico, dado que el ángulo sólido que abarca todas las direcciones l espacio es 4π, y la intensidad radiación es igual para todas las direcciones: 3 4,6 3 -/-/- 4< 17
Directividad y ganancia. Ganancia directiva Ganancia directiva D(θ, φ) una antena: se fine como el cociente entre la intensidad radiación en una terminada dirección (θ, φ) y la intensidad radiación una antena isotrópica que radiase la misma potencia total. = 4,6 34,6 3 1>(- 4< 3 4,6 -/ 4<7 ) #7,4,6 -/ DirectividadD o : Ganancia directiva en la dirección máxima radiación Siempreesmayoroigualque1(0dBi) Se pue expresar en dbicomo: 10log(D o ) La ganancia directiva y la directividadindican la magnitud en la que se refuerza la intensidad radiación una antena en una terminada dirección con respecto a la que radiaría en la misma dirección si lo hiciese forma isotrópica. 18
Diagrama radiación: Medida Proceso medida simplificado: Se realiza la medida en un plano(corte l diagrama radiación) En el caso representado, plano XY (o θ=90º) Se alimenta la antena bajo medida(abm) Semilaseñalrecibidaporlasondaparadiferentesángulosφ Diagrama radiación: Representación campo E o la potencia medida l porlasonda,enfunciónl ángulo φ. Contiene toda la información acerca l modo en que una antena distribuye espacialmente la energía Suele realizarse una representación normalizada con respecto al valor máximo. 19
Diagrama radiación: Parámetros interés Parámetros interés: Lóbulo principal. Nivel lóbulos secundarios Relación lante-trás Anchohaz 3dBllóbuloprincipal Determina la directividad la antena. 20
Diagrama radiación: Planos Importancialplanoenelquesemi: DipolocolocadoenelejeZ Plano XY: omnidireccional Plano YZ: directivo 21
Diagrama radiación: Ejemplo real Importancia l diagrama radiación: Teléfono móvil. Dirigir la potencia radiada hacia la estación base, minimizando la potencia que inci sobre la cabeza l usuario. 22
Diagrama radiación: Ejemplo real Diagrama radiación antena a bordo satélite comunicaciones: TV vía satélite (ASTRA) Por qué utilizar este tipo haces? Minimizar interferencias Aprovechamiento máximo la potencia l transmisor. 23
Polarización Polarización una onda EM: Es la figura que scribe, en función l tiempo, el extremo l vector campo eléctrico que se propaga, vista s el emisor. El vector campo eléctrico(azul en la figura) pue scomponerse en dos componentes ortogonales entre si y a la dirección propagación. El tipo polarización viene dado por las relaciones entre los módulos y las fases estas componentes(rojo y ver). En el caso más general, el vector scribe una elipse. Bajo terminadas condiciones pue generar en: Línea recta: Polarización lineal Algunolosmódulos0,odiferenciafaseigualanπ Circunferencia. Polarización circular Módulos iguales y diferencia fase ±π/2 24
Polarización La polarización una antena es la l campo que radia en la dirección máxima ganancia. Se asume que es constante sobre el lóbulo principal. No tiene por que ser así sobre todo el diagrama radiación. Las antenas se diseñan para radiar y recibir polarización lineal o circular. Las polarizaciones conseguidas nunca son puras: Una polarización lineal es en realidad una elíptica con alta relación axial Una polarización circular es una elíptica con relación axial próxima a 1. Por lo tanto, cualquier antena radia, junto con su polarización nominal, una ortogonal inseada, hablándose componentes copolar y contrapolar. 25
Polarización La polarización juega un papel básico en el acoplo energía entre una antena transmisora y una antena receptora. Una antena sólo acepta la energía contenida en una polarización que coincida con la suya. Transmisión con polarización lineal: El máximo acoplo potencia se consigue cuando las antenas Tx y Rx están alineadas. Si se disponen formando 90º, el acoplo potencia será nulo. Transmisión con polarización circular: El máximo acoplo potencia se consigue cuando se recibe con una antena con polarización circular y sentido giro acuado. Dado que un vector con polarización circular se pue scomponer en dos ortogonales con polarización lineal, es posible recibir con una antena con polarización lineal. En este caso se conseguirá acoplar la mitad potencia. Comunicaciones vía satélite: Las antenas embarcadas suelen tener polarización circular: Si se utilizase polarización lineal, no se podría mantener el alineamiento las antenas en la estación terrestre bido al movimiento l satélite. Bajo terminadas condiciones propagación, la polarización una onda pue girarse al atravesar la atmósfera. Reutilización frecuencias utilizando antenas con elevada pureza polarización. 26
Ancho banda Dado que las dimensiones eléctricas la antena penn la frecuencia, también lo hacen todos los parámetros la antena Ancho banda: Es el rango frecuencias para el que los parámetros la antena cumplen unas especificaciones prefijadas(pérdidas retorno, anchura haz ). Antenas banda estrecha: Su ancho banda suele especificarse en% la frecuencia central Antenas banda ancha: En este caso, suele indicarse como relación entre la frecuencias que limitan la banda trabajo. Son comunes especificaciones en términos octavas(2:1) ó décadas(10:1). 27
Temperatura ruido Consirando una antena receptora como elemento circuito, esta constituye una fuente ruido que hay que tener en cuenta cara a garantizar la SNR mínima necesaria. Todosloscuerposatemperaturadistinta0ºKsonunafuenteruido.Laantenacapta eseruidoatravéssudiagramaradiación. La potencia ruido disponible en bornes la antena, N DR, se calcula mediante la ecuación Nyquist, que consira la fuente ruido como una resistencia a temperatura T A :? @A BC D E K: Constante Boltzman: 1.38 10E-23 (J/ºK) T A : Temperatura ruido la antena (ºK) B: Ancho banda ruido (Hz) T A esunamedidalapotenciaruidoquelaantenacaptaysuministraalreceptor.en términos la ecuación Nyquist, representa la temperatura a la que tendría que estar unaresistenciavalorigualar in parasuministrarlamismapotenciaruidotérmicoal receptor. NO es la temperatura física la antena. T A seextraetablasypen: La orientación relativa la antena hacia las fuentes ruido La banda frecuencias consirada. Este es el factor dominante en baja frecuencia 28
Temperatura ruido Baja frecuencia: El nivel ruido en baja frecuencia es muy elevado bido a los rayos originados en las zonas tropicales. Este ruido se propaga por todo el planeta hasta unos8mhz,bidoalaguíaondaesféricaque se forma entre la ionosfera y la superficie l planeta. El ruido cósmico proce radiofuentes externas al planeta(sol ) y se empieza a apreciar a partir 25 MHz, bido a que la ionosfera es transparente a partir esa frecuencia Se produce una fuerte variación entre el día y la noche. No pen masiado la orientación laantenaporqueenestabandafrecuencias la antenas aún son poco directivas. 29
Temperatura ruido Microondas y milimétricas: En estas bandas, las antenas son muy directivas, por lo que su temperatura ruido comienza a penr su orientación. Cuando las antenas no apuntan directamente a una fuente ruido intensa, como el sol o los planetas, la temperatura ruido pen la atenuación los gases atmosféricos. Por este motivo, es mayor para ángulos elevación bajos, ya que el espesor la atmósfera a atravesar es mayor. 30