Republica Bolivariana de Venezuela. Universidad Fermín Toro. Decanato de Ingeniería.
Antenas y Propagación Primera Edición
Integrantes: Pastor Meléndez C.I: 26357503 Ángel R. Agüero C.I: 23491010 Ángel J. Agüero C.I: 23491011 Gary Ruiz C.I: 24201812
Introducción . Las antenas constituyen una parte fundamental de los sistemas radioeléctricos de comunicaciones, desde la antena constituida por un simple alambre hasta los complejos sistemas radiadores utilizados en las comunicaciones espaciales, las antenas actúan como emisores o receptores de ondas electromagnéticas que transportan información de índole diversa requerida en múltiples aplicaciones de la vida cotidiana. En la época actual, las antenas son elementos omnipresentes en la vida cotidiana, para transmitir y recibir señales de radiodifusión sonora y televisión, bien sea de sistemas radioeléctricos terrestres, de satélite, microondas o cable. En telefonía móvil, sistemas de apertura y cierre de puertas o de identificación en almacenes y carreteras y aún en los “ratones” y teclados inalámbricos de las computadoras. Son, por consecuencia, indispensables en múltiples aplicaciones de nuestra vida diaria. La antena puede considerarse como un dispositivo que permite la transición de una onda guiada en una línea de transmisión a una onda no guiada o radiada al espacio, tienen el objetivo de emitir y recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Con el pasar de los años se fueron creando varios tipos de antenas con distintas características y para usos específicos, entre las mas conocidas se pueden mencionar: Antena Dipolo (más utilizada), antena yagi, antena parabólica, antena ranurada, etc.
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Tipos de Antenas: Antenas Dipolo: Consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión .
Antenas Dipolo: Son aquellas que cuentan con algunas de las características generales del dipolo simple. Además cuentan con un patrón de elevación y azimuth similar al de la antena dipolo simple. La diferencia más clara entre ambas es la direccionalidad de la antena en el plano de elevación, y el incremento en ganancia debido a la utilización de múltiples elementos.
Antenas Yagi: Son aquellas que se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos transmite las ondas de radio. Las antenas Yagi no son tan direccionales como las antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.
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Tipos de Antenas: Antenas Panel Plano Son un panel con forma cuadrada o rectangular. y están configuradas en un formato tipo patch. Las antenas tipo Flat Panel son muy direccionales ya que la mayoría de su potencia radiada es una sola dirección ya sea en el plano horizontal o vertical
Antenas Microstrip Estas pueden ser hechas para emular cualquiera de los diferentes tipos de antenas antes mencionados. Debido a que son manufacturadas con pistas en circuito impreso, pueden ser muy pequeñas y livianas. Esto tiene como costo no poder manejar mucha potencia como es el caso de otras antenas, además están hechas para rangos de frecuencia muy específicos.
Antenas Parabólicas Son aquellas que se usan para alcanzar una muy alta ganancia y direccionalidad. Estas antenas usan un plato reflector con la forma de una parábola para enfocar las ondas de radio recibidas por la antena a un punto focal. La parábola también funciona para capturar la energía radiada por la antena y enfocarla en un haz estrecho al transmitir.
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Tipos de Antenas: Antenas de Ranura Son aquellas que cuentan con características de radiación muy similares a las de los dipolos, tales como los patrones de elevación y azimuth, pero su construcción consiste solo de una ranura estrecha en un plano. Así como las antenas microstrip mencionadas abajo, las antenas de ranura proveen poca ganancia, y no cuentan con alta direccionalidad, como evidencian su patrones de radiación y su simplicidad al de los dipolos.
Tabla de Comparación de los diferentes tipos de Antenas: Polarización
Patrón de Radiación
Ganancia
Directividad
Amplio
Baja
Baja
Lineal
Dipolo Multi-Elemento Amplio
Baja/Media Baja
Lineal
Panel Plano (Flat Panel)
Amplio
Media
Media/Alta
Lineal/Circular
Plato Parabólico
Amplio
Alta
Alta
Lineal/Circular
Yagi Ranura MicroStrip
Endfire Amplio Enfire
Media/Alta Media/Alta Baja/Media Baja/Media Media Media
Dipolo
Lineal Lineal Lineal
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Mecanismos de radiación Existen 3 mecanismos de radiación:
Propagación por onda terrestre Propagación por onda ionosférica Propagación por onda troposférica Propagación por onda terrestre Es una onda polarizada de manera vertical de manera que sigue la superficie de la tierra. Sufre menos atenuación si la frecuencia de la señal que se transmite es baja (una banda LF, por ejemplo), la atenuación también se ve afectada por la distancia recorrida y si la conductividad del terreno es baja o alta. Se pueden alcanzar mayores distancias si se desplaza sobre el nivel del mar ya que tiene mayor conductividad.
Propagación por onda troposférica La propagación troposférica puede actuar de dos formas. O bien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión directa) ó se puede radiar con un cierto ángulo hasta los niveles superiores de la troposfera donde se refleja hacia la superficie de la tierra. El primer método necesita que la situación del receptor y el transmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir distancias mayores.
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Mecanismos de radiación Propagación por onda ionosférica Esta propagación se da sobre la superficie de la tierra, en la troposfera el índice de refracción no es constante, esto hace que se produzca un fenómeno de refracción sucesivo (modifica la propagación de las ondas). Esta propagación tiene aplicaciones en transmisiones de TV, Radiodifusión en FM y servicios Móviles locales.
Dentro de este tipo de propagación se encuentran las siguientes ondas: 1. Onda directa u onda espacial: Componente que parte de una antena Tx, viaja en línea recta hasta la antena Rx o hacia el nivel más alto de una obstrucción en el terreno. 2. Onda reflejada en la tierra: Se conoce como “señal por rebote”, este fenómeno no suele apreciarse o presentarse cuando el terreno involucrado en la propagación de trayectoria presenta irregularidades pequeñas con respecto a la longitud de onda de la señal. Si la onda que se refleja junto con la directa llegan en fase al receptor esta señal se suma y da una señal fuerte, en cambio si llegan en desfase se restan y genera una señal débil.
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Mecanismos de radiación 3. Onda difractada: Proceso que hace que las ondas de radio se dispersen alrededor de las superficies curvas. Esto ocurre cuando una señal de radio incide en una superficie, cuando esto sucede está señal introduce una corriente que fluyen a lo largo de la superficie y guía la energía electromagnética a lo largo de ella.
4. Onda de dispersión: La dispersión se origina por fluctuaciones del índice de refracción de la troposfera, esto hace que las señales de radio que sean dirigidas a ciertas zonas se dispersen en todas las direcciones, así que solo una pequeña parte de la potencia transmitida llega al receptor
Dato de interés: En las frecuencias bajas y distancias cortas el fenómeno dominante es la difracción y en frecuencias altas y distancias altas el fenómeno dominante es la dispersión.
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Distribución de corrientes Una antena, al ser un elemento de un circuito, tendrá una distribución de corrientes sobre ella misma. Esta distribución dependerá de la longitud que tenga la antena y del punto de alimentación de la misma.
Parámetros de las antenas En las antenas existen dos tipos de fuentes. 1. Fuente isotrópica: Irradia energía de forma uniforme en todas las direcciones. 2. Fuente anisotrópica: Irradia energía de manera no uniforme y en determinadas direcciones (no todas).
Una vez definido esto, se puede decir que los parámetros más característicos de las antenas son:
Patrón de radiación. Polarización. Directividad. Ganancia. Impedancia. Ancho de Haz.
Pero también existen otras características importantes de mencionar: Regiones de campo, densidad de potencia, intensidad de radiación.
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Patrón de radiación Es un gráfico o diagrama en tres dimensiones en el cual se representa la fuerza de los campos electromagnéticos emitidos por una antena en función de la dirección, El patrón varía en función del modelo de la antena, se representan en dos tipos de planos: vertical y horizontal.
Patrón de radiación antena de panel plano.
Patrón de radiación antena microstrip (antena de parche)
Patrón de radiación antena parabólica (de plato parabólico)
Patrón de radiación antena parabólica (de plato parabólico) Patrón de radiación antena dipolo
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Patrón de radiación Según la forma del patrón de radiación, las antenas se clasifican en: 1.
Isotrópicas: Antenas “ideales” o hipotéticas que no tienen perdidas que emiten o reciben señales con igual de intensidad en todas las direcciones.
2.
Omnidireccionales: Tienen un diagrama de radiación no direccional en un plano y uno direccional en otro perpendicular.
3.
Unidireccional: Tienen una sola dirección de ganancia máxima.
4.
Multidireccional: Tienen la propiedad de radiar o recibir señales más eficientemente en unas direcciones que en otras.
Regiones de campo En una antena la potencia radiada está compuesta por una parte real y una parte imaginaria. La parte real es llamada potencia radiativa, la cual puede ser transferida a un medio y por lo tanto es la que se puede utilizar. La potencia reactiva es la parte imaginaria de la potencia radiada y esta no puede ser transferida, simplemente permanece oscilando en los campos. Los campos que rodean una antena se dividen en tres regiones principales:
Región de campo cercano reactivo. Región de campo cercano radiante o región de Fresnel. Región de campo lejano o región de Fraunhofer.
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Regiones de campo La región de campo lejano es el más importante, ya que esto determina el patrón de radiación de la antena.
Re g i ó n d e ca m p o c e rca n o re a c ti vo Es aquella inmediatamente cercana a la antena donde la potencia radiada está constituida en su mayoría por potencia reactiva. Esta región se ha definido por la siguiente fórmula para la mayoría de las antenas: Donde R es el radio alrededor de la antena, λ es la longitud de onda y D la dimensión mayor de la antena. En esta región la potencia reactiva es aproximadamente igual a la potencia radiactiva.
Región de campo cercano radiante o Región de Fresnel
La radiación cerca de la región de campo o de Fresnel es la región entre los campos cercanos y lejanos. En esta región, los campos de reactivos no se dominan, los campos de radiación comienzan a emerger. Esta se encuentra limitada por los rangos:
Tenga en cuenta que, dependiendo de los valores de R y la longitud de onda, este campo puede o no existir.
Re g i ó n d e ca m p o c e rca n o re a c ti vo Es aquella en la que la potencia radiada está constituida en su mayoría por potencia radiativa. Además, esta región está dominada por los campos electromagnéticos, con la E y H-campos ortogonales entre sí y la dirección de propagación como con ondas planas. La región de campo lejano se extiende en el siguiente rango: Esta región se refiere a veces como la región de Fraunhofer, un plazo remanente de la óptica.
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D e n s i d a d d e p o te n c i a Se define como la potencia por unidad de superficie en una determinada dirección. Las unidades son watios por metro cuadrado, se puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos eléctrico y magnético y también a partir de las dos componentes del campo eléctrico
I nte n s i d a d d e ra d i a c i ó n Se define como “la potencia radiada por una antena por unidad de ángulo sólido”, dicha intensidad de potencia se mide en el campo lejano dónde la potencia que se radia es en su mayoría radiativa y se expresa como:
Cabe destacar que la relación entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada se puede describir con la siguiente fórmula:
Dónde; • U = intensidad de radiación (W/unidad de ángulo sólido) • r = Radio • W_rad= Densidad de radiación (W⁄m^2 ).
Ancho de Haz Es la apertura angular del lóbulo principal medido en un determinado nivel de potencia constante. También es definida como la distancia angular entre los puntos de la mitad de la potencia. Suponiendo que la mayor parte de la potencia radiada no se dispersa en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho de haz, cuando le ancho de haz decrece la ganancia directiva incrementa.
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D i re c ti v i d a d ( D ) Es el parámetro que describe la propiedad que tienen las antenas Tx de concentrar más energía en una dirección que en otras, o las antenas Rx de absorber más potencia incidente en una determinada dirección. Es usualmente una relación de intensidad de radiación en una dirección particular en comparación a la intensidad promedio isotrópica. Si una antena no tiene pérdidas óhmicas la directividad y ganancia son iguales. Se define mediante la siguiente formula: Donde Pr es la potencia promedio radiada
Ganancia (G) Es la relación entre la potencia que entra en una antena y la potencia que sale de esta. Esta ganancia es comúnmente referida en dBi's, y se refiere a la comparación de cuanta energía sale de la antena en cuestión, comparada con la que saldría de una antena isotrópica. Viene dada por la siguiente fórmula: Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la Ganancia se refiere a la dirección de máxima radiación.
I m p e d a n c i a d e e nt ra d a Es la impedancia que presenta en los terminales a través de los cuales es conectada al equipo transmisor o receptor mediante una Línea de Transmisión. También es la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada. La parte real se denomina resistencia de la antena y la parte imaginaria reactancia de la antena. Viene dada por la siguiente expresión:
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Po l a r i za c i ó n Es la orientación de las ondas electromagnéticas al salir de la antena. Hay dos tipos básicos de polarización que aplican a las antenas, como son: Lineal (incluye vertical, horizontal y oblicua) y circular (que incluye circular derecha, circular izquierda, elíptica derecha, y elíptica izquierda). No olvide que tomar en cuenta la polaridad de la antena es muy importante si se quiere obtener el máximo rendimiento de esta.
Te m p e rat u ra d e u n a a nte n a Las antenas no tienen una temperatura asociada a ellas, si no que la temperatura depende de su patrón, ganancia y ambiente térmico, sin embargo se puede intentar calcular su temperatura (no es una temperatura física) mediante un parámetro que describe la cantidad de ruido que produce una antena en un determinado entorno, describiremos la temperatura de la antena como : De ésta forma.
Dónde; PTA = potencia de la antena (temperatura) K = Constante de Blotzmann ( •
B = ancho de banda
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Fotos:
Antena Parabólica DIRECTV
Característica:
Gary Ruiz
• LNB Banda KU. Marca Sharp. Doble Salida. Modelo LNBSHP02. • Rango de frecuencia de entrada Banda Baja: 10.7 ~ 11.7 GHz. • Rango de frecuencia de salida de Banda Baja: 950 ~ 1950 MHz. • Ganancia: Ripple +/- 0,75 dB / 27MHz Ganancia Variación +/- 4 dB • Temperatura de trabajo: Entre -30 ~ + 60 ° C • Frecuencia: 10,6 GHz • Cifra de ruido: 0.2 dB
Antena Direccional de Wi-Fi Mikrotik Características:
Pastor Melendez
• Modelo: DynaDish 5 • Rango de frecuencias: 4920 – 6100 MHz. • Ganancia: 25dBi. • Polarización: Vertical y Horizontal • Temperaturas de trabajo: -40° hasta 70°C • Ancho de haz: 8° • VSWR: 1,5 • Pérdidas de retorno: < 15dB • Compacta • Diseñada para una instalación a la intemperie.
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Fotos:
Antena Direccional de WiFi Mikrotik
Característica:
Pastor Melendez
• Modelo: LHG 5. • Rango de frecuencias: 5150 – 5875 MHz • Ganancia: 24,5 +/- 0,5 dBi. • VSWR: 1,925:1 • Pérdidas de retorno: 10 dB. • Ancho del haz: 7° • Polarización: Vertical y Horizontal. • Perfecta para enlaces punto a punto a largas distancias (hasta 12 Km).
Antena Yagi
Ángel R. Agüero
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Antena Yagi
Fotos: • • • • • • • •
Característica:
Frecuencia: 890 – 960 MHz Ganancia: 12dBi Potencia permitida 100W Impedancia: 50Ω Ancho de haz plano E (Vertical): 38° Ancho de haz plano H (Hotizontal): 42° Peso: 2100g Diámetro máximo del mástil: 50 mm.
Antena VHF
Característica:
• Frecuencia: 30 – 300 MHz • Longitud de onda: 10m a 1m
Ángel R. Agüero
• Notas adicionales: A partir de los 50 MHz se encuentran frecuencias asignadas según los países, a la televisión comercial. Los canales llamados “bajos” conocidos mejor del 2 al 13.
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Fotos:
Ángel R. Agüero
Dipolo
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Fotos:
Ángel J. Agüero
Antena de tambor
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Característica:
Frecuencia: 21.200 – 23.600 GHz Ancho de haz vertical y horizontal: 0,5° Ganancia en banda baja: 48,7 dBi. Ganancia en media banda: 49,2 dBi Ganancia en banda superior: 49,7 dBi. Pérdida de retorno: 17,7 dB VSWR: 1,30. Peso: 86 Kg.
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Fotos:
Ángel J. Agüero
Antena sectorial
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Característica:
Frecuencia: 2400 – 2500 MHz Ganancia: 14 dBi Ancho de onda horizontal: 90° Ancho de onda vertical: 20° Impedancia: 50 Ω Polarización: Horizontal Peso: 2Kg
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