Investigación. Parámetros Generales.
Dado que vamos a analizar todo lo relacionado con las antenas, debemos de conocer y saber relacionar ciertos conceptos que sera necesario mencionar para poder aprovechar todo el conocimiento que se destacar en este blog.
Los parametros generales son parámetros susceptibles de ser medidos. Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como un dipolo. Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional. La mayoría de estos parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción. Algunos principales parámetros son los siguientes:
Se define como la representación gráfica de la forma en que la energía electromagnética se distribuye en el espacio. Este diagrama puede ser representado de dos formas: Cartesiana ó Polar.
La representación polar se hace mediante el trazado de segmentos proporcionales a una magnitud de referencia (módulo) y un ángulo que nos da la dirección respecto a una semirecta de referencia (argumento). Cabe destacar que los resultados obtenidos son de manera general normalizados. El valor máximo de la señal recibida para 0 dB de referencia, facilita la interpretación de los lóbulos secundarios en relación al frente de los bordes.
El diagrama puede ser obtenido por la colocación de una antena fija de prueba que está relacionada a un entorno donde se está midiendo el diagrama, también por la rotación de la antena en torno a sus ejes, donde las señales enviadas son recibidas en un receptor capaz de discriminar con precisión la frecuencia y la potencia recibidas.
diagrama de radiación polar que representa la energía radiada alrededor de una antena para un valor máximo y mínimo y el ancho del haz de 60º para mitad de potencia -3dB.
Polarización
Se define como la orientación del campo eléctrico de una onda electromagnética. Esta se puede describir por medio de una elipse. La polarización tienen dos casos especiales de la polarización elíptica: la polarización lineal y la polarización circular.
Con la polarización lineal, el vector del campo eléctrico se mantiene en el mismo plano del eje de la antena todo el tiempo. El campo eléctrico puede posicionar a la antena en una orientación vertical, horizontal o en algún ángulo intermedio entre los dos.
En el caso de la polarización vertical se ve ligeramente menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen una polarización vertical.
Con la antena en polarización horizontal, tales reflexiones causan variaciones en la intensidad de la señal recibida. Las antenas horizontales tienen menos probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre que las normalmente polarizadas verticalmente.
En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con un movimiento circular en la dirección de la propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. La elección de la polarización es una de las elecciones de diseño disponibles para el sistema irradiante de RF.
Ganancia
Es una relación o cociente entre dos magnitudes físicas iguales (energías, potencias, tensiones, etc.), es decir un número adimensional que puede ser mayor, menor o igual a la unidad. La ganancia de una antena se expresa tomando como referencia la energía radiada de una antena estándar. Las dos referencias más comunes son la antena isotrópica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda.
La antena isotrópica irradia en todas las direcciones con la misma intensidad. Esta antena no existe, pero sirve como patrón técnico sencillo con el que se comparan las antenas reales ya que cualquier antena real va a irradiar más energía en algunas direcciones que en otras.
Una antena isotrópica se define como una antena hipotética puntual en el espacio libre que irradia energía de manera uniforme en todas las direcciones.
Lo que interesa generalmente es la ganancia máxima en la dirección hacia la cual la antena está radiando la mayor potencia. Si una antena real tiene una ganancia de potencia de 3 dB en una determinada dirección comparada con una antena isotrópica debe expresarse como 3 dBi.
Existen dos tipos de ganacia que se refieren a la capacidad de una antena para concentrar la energía en cierta dirección. Estos son: Ganancia Directiva y Ganancia de Potencia.
La Ganancia de Potencia G, se define como la relación entre la potencia radiada que debe emitir un radiador isotrópico para obtener una intensidad de campo en cierto punto, y la potencia eléctrica que se debe suministrar a la antena directiva, para obtener la misma intensidad de campo. Está considera perdidas óhmicas.
La ganancia de un dipolo de media onda en el espacio libre respecto a un radiador isotrópico es de 1,64 que representa una ganancia de 2.15 dBi, o sea que posee una capacidad de concentrar 2.15 dB en una sola dirección de máxima radiación comparado con una antena isotrópica.
La ganancia suele expresarse en decibeles si nos referimos a potencias tomando como referencia el radiador isotrópico como:
Los primeros trabajos relativos a la adaptación de impedancia datan, como la mayoría de los trabajos teóricos, de los años 1950-1960. Desde entonces, varias han sido las vías de investigación que se han abierto, y que han dado lugar a su vez a otras tantas soluciones para resolver el problema en cuestión. Actualmente, no es posible sacar conclusiones acerca de la eficacia o exactitud de uno u otro de estos métodos de forma que se pueda determinar cuál es el mejor. Recientes y abundantes estudios demuestran que aún no se ha dicho todo acerca de la adaptación en banda ancha. No obstante, cualquiera que sea el procedimiento que se adopte, los resultados numéricos son parecidos. En general, se trata de determinar los valores de tres o cuatro componentes pasivos, bobinas o capacidades.
Dispone de n ecuaciones con 12 incognitas. Esta situación se presta a una estimación rápida de los componentes, para los cuales se puede simplificar el cálculo. La solución final se obtiene mediante una serie de pruebas prácticas complementarias. Los avances tecnológicos de los años 90, aplicados a los ordenadores, han permitido el desarrollar algoritmos de optimización que alivian en parte el trabajo de los diseñadores.
Revisaremos la adaptación de impedancia por medio del método llamado de impedancias conjugadas y del cálculo del coeficiente de sobretensión del circuito con carga. En radiocomunicaciones, lo que se pretende es transferir la máxima potencia de una fuente de tensión VE, con una resistencia interna RG, a una carga de valor RL. Pondremos de ejemplo el siguiente esquema:
Cuando (dPs/dRL) = 0, la potencia Ps es máxima. Esta condición equivale a la relación bien conocida RG =RL. Cuando la resistencia de carga RL es igual a la resistencia interna del generador RG, el circuito está adaptado en potencia.
La potencia Ps suministrada a la carga es máxima y vale:
Conviene destacar que este resultado no es idéntico al que se obtendría si se buscara la máxima transferencia de tensión. El máximo de la función de transferencia (Vs/Ve) se obtiene cuando RG =0.
En el caso simple del esquema anterior, las impedancias RG y RL son resistencias puras.
Ciertamente, puede darse este hecho concreto, pero no suele ser un caso real muy frecuente. Generalmente, las impedancias ZG y ZL son impedancias complejas. Una impedancia compleja Z puede expresarse de la siguiente forma:
La impedancia se pone en forma de relación de dos polinomios función de p =jω. La impedancia Z(p) está constituida por un número cualquiera de elementos pasivos elementales, resistencias, bobinas y condensadores. Los grados de los polinomios N(p) y D(p) difieren en 1, como máximo.
El ancho del haz de una antena se entiende como ancho del haz a mitad de potencia. Se encuentra en el pico de intensidad de radiación, luego se localizan los puntos de ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de mitad de potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3dB, por lo tanto algunas veces el ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3dB. Generalmente se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal.
Suponiendo que la mayoría de la potencia radiada no se disperse en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz: cuando el ancho del haz decrece, la ganancia directiva se incrementa.
Eficiencia de la Antena
Es la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia total entregada a la antena para una frecuencia dada de operación. Se puede considerar que la resistencia total de carga está formada por dos resistencias en serie, una de valor de R (resistencia de radiación) y otra de valor r que representa la disipación óhmica de la antena. Será tanto más eficiente cuanto mayor sea la relación R/r. En consecuencia, se puede expresar la eficiencia de la antena en valores porcentuales como:
De la energía de los campos electromagnéticos que se generan alrededor de la antena, una zona cercana a la misma forma parte de los campos de inducción donde la intensidad de los campos es una función inversa del cuadrado de la distancia. El dispositivo se comporta como un circuito resonante donde hay intercambio de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético y no hay radiación. Uno de los campos es máximo cuando el otro pasa por cero y a su vez se encuentran desfasados 90° en el tiempo.
Otra zona situada a unas pocas longitudes de onda de la antena la constituyen los campos de radiación donde se manifiesta la energía de radiación de la antena. La intensidad de los campos radiados es una función inversa de la distancia. Estos campos obedecen al hecho de que se requiere un cierto tiempo para que los campos se transfieran de un medio físico (antena) al espacio libre. Parte del campo original + - Generador de RF Línea de Transmisión Dipolo de 1/2 onda Plano del campo eléctrico E Dirección de propagación E Plano del campo magnético H 11 permanece en la antena y la otra parte se propaga como una onda electromagnética por el espacio libre. La fórmula aceptada para esta distancia es:
La longitud de onda en una línea de transmisión es menor que la longitud de onda en espacio libre por el cambio de la velocidad de propagación de la onda respecto al espacio libre o vacío. De manera similar, una antena tendrá su propia longitud de onda física que será menor a la longitud de onda eléctrica que opera en el espacio libre, provocada por su cercanía con suelo y otros medios conductores, también los soportes y la torre de contención que introducen capacitancias que afectan la velocidad de la onda en la antena. También si el área transversal del conductor de la antena aumenta, también lo hace su permebilidad relativa μr y por tanto la velocidad de la onda disminuye.
Solamente si el espesor es despreciable y el conductor se encuentra aislado en el espacio libre, las velocidades tienden a igualarse. La longitud física es la longitud real que debe tener la antena y es menor que la longitud eléctrica en el espacio libre. Este acortamiento se conoce en la práctica como efecto de borde (end effect).
Para (Landa0/2) = (150/f) en el espacio libre, la longitud física de una antena dipolo de media onda puede expresarse como L = K(150/f).
Ancho de Banda de la Antena
Es el intervalo de frecuencias en la cual debe funcionar satisfactoriamente la antena, dentro de las normas técnicas vigentes a su aplicación. Puede ser descrito en términos de porcentaje respecto a la frecuencia central de la banda:
fH es la frecuencia más alta de la banda, fL es la frecuencia más baja, y fC es la frecuencia central. De esta forma, el ancho de banda porcentual es constante respecto a la frecuencia central. Los diferentes tipos de antenas tienen variadas limitaciones de ancho de banda.
Intensidad de Campo
La magnitud de la energía en la componente eléctrica y en la magnética es exactamente la misma. La variación de una componente resulta en la formación de la otra. Si ambas componentes tienen la misma energía, la determinación de una componente dará el valor de la otra. Se ha acordado expresar la intensidad de campo en términos de su componente eléctrica, es decir, en unidades de Volts/metro. La intensidad de campo esperada en el espacio libre a una distancia d de una antena transmisora está dada por:
d = distancia [metros].
D t = Ganancia de la antena transmisora respecto a una antena isotrópica.
P t = Potencia radiada de la antena transmisora [Watts].
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