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Antenas

Por: Sonia Parada – Camila Rodriguez ˜ En 1939 A. D. Blumlein patentó un cilindro ranurado excitado por una espira,o bien mediante la conexión directa de una línea bifilar a los extremos de la ranura. La polarización era perpendicular a la dimensión mayor de la ranura. Se propuso una agrupación lineal de ranuras. También se descubrieron los efectos de la carga inductiva serie y capacitiva paralelo. Los avances en los generadores de señal permitieron la utilización de los reflectores propuestos el siglo anterior. Marconi construyó un enlace de 25 Km, a la frecuencia de 600 MHz entre el Vaticano y Castelgandolfo con antenas parabólicas con alimentadores coaxiales. Desde el punto de vista teórico destaca el análisis de las antenas cilíndricas realizado por King en 1937 y Hallen en 1938. La formulación integral propuesta se sigue utilizando en la actualidad. ˜

L a seg un da gu erra mu nd ial: hubo un considerable esfuerzo de desarrollo de antenas de microondas, para aplicación a los sistemas de radar. Por fin se pudieron usar los reflectores, lentes, bocinas, que ya se habían diseñado a finales del siglo XIX, para demostrar las teorías de Maxwell. Durante esta época se utilizaron las guías de onda abiertas para alimentar reflectores o lentes, y las bocinas como radiadores poco directivos. También se desarrollaron las bocinas con dos modos para controlar la distribución de campos en la apertura. Se desarrollaron variaciones del reflector parabólico, como cilindros o sectores. Las antenas "pillbox" o "cheese" se inventaron durante los años de la guerra. Para conformar el haz en forma de cosecante se deformaron los paraboloides o se utilizaron múltiples alimentadores. Se diseñaron arrays de guías ranuradas, en la cara estrecha o en la cara ancha, con diseños resonantes o de onda progresiva, para alimentar cilindros parabólicos. También se diseñaron arrays planos de guías ranuradas. En el año 1941 se desarrollaron lentes de placas metálicas paralelas para corregir el error de fase de las bocinas. También se estudiaron las lentes dieléctricas. La antenas polyrod se usaron como radiadores para un array plano fijo (14x3),con barrido controlado por desfasadores mecánicos.

˜ El p erí od o de la p os tgu erra y l a dé cada de los 50 : destaca por los desarrollos en las ranuras, espiras y dipolos. Algunos desarrollos fueron el cilindro ranurado, la antena dipolo-ranura, la espira de cuadro de Orr , la espira resonante de Alford. En los aviones se usaron las ranuras sobre el fuselaje y la antena tipo "notch".En la Unión Soviética se desarrollaron las ranuras circulares. Se dedicó un gran esfuerzo a los sistemas de reflectores con barrido mecánico o electrónico. Destaca el reflector de forma tórica, reflectores con láminas polarizadoras ya los arrays retrodirectivos como el de Van Atta. John D. Kraus descubrió en 1946, en la Universidad de Ohio State, la antena hélice. Se aplicó a la construcción de un radiotelescopio en 1951. La banda de funcionamiento era de 200 a 300 MHz. Uno de los avances más significativos de la época lo constituyó el desarrollo de las antenas independientes de la frecuencia y de banda ancha. Rumsey estableció que la impedancia y diagrama de una antena serán independientes de la frecuencia si la antena está definida solamente por ángulos. John D.Dyson construyó una antena espiral plana y posteriormente una cónica. En la universidad de l1linois Raymond DuHamenl y Dwight Isbell crearon un nuevo tipo de antena con características logoperiódicas. En 1960 D. Isbell construyó el primer array logoperiódico de dipolos. En 1961 Carrel sistematizó los cálculos de dichas antenas.

˜ A va nces recien tes La transformada rápida de Fourier (FFT). El campo radiado por una apertura se puede calcular como la transformada de Fourier de los campos en la apertura. El cálculo de dicha transformada no es siempre posible de una forma analítica. El tiempo empleado en el cálculo directo de la integral es excesivo. El algoritmo de la FFT permite reducir de forma drástica dicho tiempo. Teoría Geométrica de la Difracción (GTD). Recientemente se ha desarrollado la técnica denominada GTD que permite analizar el efecto en los campos radiados debido a los bordes y vértices. Complementa al método de Kirchhoff. Espectro Angular de Ondas Planas (PWS) .Se basa en la expansión modal de los campos en el dominio espectral. El uso del algoritmo de la FFT permite reducir el tiempo de cálculo. Se puede utilizar en problemas de difracción.


En 1939 A. D. Blumlein patentó un cilindro ranurado excitado por una espira,o bien mediante la conexión directa de una línea de la FFT permite reducir el tiempo de cálculo. Se puede utilizar en problemas de difracción. Método de los Momentos. Es un método numérico que permite el análisis de antenas, mediante la discretización del problema, y la resolución del sistema de ecuaciones resultante. Varios programas (NEC) y (MININEC) utilizan dicho método para el cálculo de la radiación y difracción de antenas de hilo. ˜ Arrays d e b arrid o de fase : En un array de barrido de fase se puede controlar la forma del diagrama de radiación mediante el control de la fase de cada una de las antenas que lo componen. Los últimos avances en este tipo de antenas se han producido en todas las áreas tecnológicas. Concretamente se pueden citar: Mejora de los desfasadores y divisores de potencia en las redes de distribución. Utilización de microprocesadores para el control óptimo de la fase y amplitud para conseguir un diagrama con unas características prefijadas. Mejora de las técnicas de análisis, concretamente en lo que afecta a los efectos mutuos entre los elementos de la agrupación ya la cuantización de la fase debido a los desfasadores digitales. Desarrollo de la técnica de agrupaciones adaptativas, que son capaces de maximizar la relación de señal a interferencia, o bien situar nulos en las direcciones del espacio en las que hay interferencias. Mejoras en la tecnología de circuitos integrados de microondas, amplificadores de bajo ruido, amplificadores de potencia y circuitos monolíticos, que permiten la realización de antenas distribuidas. Desarrollo de nuevas técnicas de fabricación, como la de las antenas microstrip, que permiten la integración de las antenas con la circuitería, así como arrays conformables. ˜ An te nas ad apt ativas : El término Antena adaptativa se aplica a los arrays que son capaces de ajustar su diagrama de forma prefijada, dependiendo de las fases y de las amplitudes recibidas desde fuentes externas. El ejemplo más típico de una antena adaptativa es la denominada SLC (Sidelobe canceller antenna), que ajusta el diagrama de forma que aparece un nulo en la dirección de la interferencia o jammer. Una antena como la indicada consiste en una antena de elevada ganancia y varias antenas auxiliares con un diagrama prácticamente omnidireccional. El número de antenas auxiliares determina el máximo número de interferencias que se pueden cancelar. Otro ejemplo es el denominado SLB (sidelobe blanking antenna). En este caso se compara la señal recibida a través de la antena principal y la antena auxiliar. Se desconecta el receptor cuando la señal que llega es superior en el canal auxiliar. ˜ An te nas de b ajos ló b ulo s : En muchas aplicaciones se requiere que la antena tenga un nivel de lóbulo principal a secundario extremadamente bajo. Dicho parámetro es importante en antenas de radar , a fin de reduccir los efectos del clutter, pero sobre todo para minimizar las posibles interferencias o jammer. En aplicaciones de comunicaciones, una antena con lóbulos bajos permite que se utilize la misma frecuencia en dos satélites. ˜ Co mu n ic acio nes e spa ciales: Las antenas para comunicaciones espaciales han evolucionado mucho en los últimos años, siendo la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Norteamericana (NASA) las dos organizaciones responsables de los avances en dicha materia.


ANTENA MONOPOLAR DE UN CUARTO DE ONDA L A A N T E N A   M O N O P O L A R     D E U N   C U A R T O   D E   ONDA C O N S T A   B A S I C A M A N T E   E N   L A M I T A D   D E   U N A   A N T E N A   D E D I P O L O   D E   M E D I A   ONDA S I T U A D A   E N   U N   PLANO C O N D U C T O R     T I E R R A ,   C O M O S E   I L U S T R A   E N   L A   F I G U R A 1 3 . 5 .   L A   A N T E N A   ES P E R P E N D I C U L A R   A L   P L A N O , H A B I T U A L M E N T E   SUPUESTO C O M O   I N F I N I T O   Y P E R F E C T A M E N T E   C O N D U C T O R .   L A     A L I M E N T A U N   C A B L E     C OAXIAL C O N E C T A D O   A   S U   B A S E .  

                         

De   acuerdo   con   la   teoría   de   la   imágenes,   es   posible   reemplazar   en   plano   infinito   perfectamente   conductor   a   tierra   por   la   imagen   del   monopolo.   El   campo   debido   al   monopolo   !!4       con   su   imagen   en   la   región   sobre  el  plano  a  tierra  es  igual  al  campo  debido   al  dipolo  !!2    .  Asi,  la  ecuación  (13.19)  también   es  aplicable  al  monopolo  !!4  .  No    obstante,  la   integración   de   la   ecuación   (13.21)     solo   cubre   la   superficie   hemisférica     sobre   el   plano   a   tierra  (es  decir,  0≤ Θ ≤ ! ⁄ 2),    puesto  que  el   monopolo   irradia   únicamente   a   través   de   esa   superficie.  Esto  quiere  decir  que  solo  irradia  la   mitad   de   la   potencia   que   el   dipolo   con   igual  

La evaluación  de  esta  integral  supondría  un  largo  procedimiento.  Es   posible   demostrar   que,   en   el   caso   de   un   cuadro   pezqueño        puede   ser   reemplazada   por   el   r   en   el   denominador   de   la   ecuación   (13.32)   y   As   solo     posee   la   componente  !     ,   dado   por   ANTENA DE CUDRO PEQUEÑO La antena de cuadro pequeño posee importancia practica. Se usa como antena indicadore de dirección ( o cuadro de exploracion) en la detección de la radiación y como antena de televisión para frecuencias ultraaltas. El termino pequeño indica que las dimensiones del cuadro (como !") son mucho menores que !. Considerese la pequeña espira (o cuadro) filamentosa circular de radio !" portadora de una corriente uniforme Io*coswt que se muestra en la figura 13.6 . Esta figura podría equivaler a un dipolo magentoco elemental. Este potencial magnético vectorial en el punto del campoP debido a la espira es

 =   area   de   la   espira.   En   el   caso   de   una   espira   con   N   S= !"#$^2.     A   partir   del   hecho   de   que      y     de   la   ecuacion   (13.33)   se   obtienen   los   campos   electric   y   magentico   en  esta  forma:     Al   comparer  las   ecuaciones   (13.5)  y   13.6   con   la  ecuacion   (13.34)   es   possible   advertir   la   naturaleza   dual   del   campo   debido   al   dipole   electric   de   la   figura   13.3   y  al   dipole   magnetico   de   la   figura   13.6.   En   el   campo   lejano     (o   remoto)   solo   permanence   el   termino   (de   radiacion)   1/r  de  la  ecuacion  (13.34.)Asi,  en  el  campo  lejano,   donde     vueltas,  

donde Al sustituir [I]en la cuacion (13.31) se obtiene A en forma de fasor:

donde se ha supuesto n=120 ! para el vacio. Aunqe las expresiones de campo remote de la ecuacion (13.35) se ha obtenido con referencia a una espira circular pequeña, (S=Na^2) o de cualquier otra configuracion en tanto sus dimensiones sean reducidas (! ≤ !/10, donde d es la mayor dimension del cuadro .


A manera de ejercicio, el lector podria demostrar que, mediante las ecuaciones (13.13a) y (13.35), la Resistencia de radiacion de una antenna de cuadro peq

CARACTERISTICAS DE LAS ANTENAS Habiendo considerado los tipos elemnetales de antenas, examinamos ahora algunas importantes caranteristicas de una antena como radiador de energía electromagnética. Estas características son: a) patrón de la antena, b). Intensidad de radiación, c). Ganancia dir ectiva y d). Ganancia de potencia C. PATRONES DE ANTENA Un patrón de antena es un diagrama tridimensional de la radiación de la antena en un campo lejano. Un diagrama de amplitud de un componete especificado del campo E es un patrón de campo o patrón de voltaje; el del cuadrado de la amplitud de E, un patrón de potencia. Paraevitar el trazado del diagrama tridimensional del patrón de antena, se trazan por separado el |Es| normalizado contra Θ con ! constante(patrón del plano E o patrón vertical) y el |Es| normalizado contra ! con π/2(patrón del plano H o patrón horizontal). La normalización de |Es| se realiza respecto del valor máximo del |Es|, de modo que el valor máximo del |Es| se realiza respecto al valor máximo del |Es| normlizado es la unidad. En el caso del dipolo hertciano, por ejemplo, el |Es| normalizado se obtiene de la ecuación (13.7) como

Lo cual es independiente de !. Con referencia al dipolo hertciano, el patrón de potenci normalizado se obtiene fácilmente de la ecuación (13.37) o (13.9), en esta forma Lo cual representa graficamante en la figura 13.8. Observese que el las figuras 13.7(b) y 13.8(b) aparecen circulos , ya que f(Θ) es independiente de !, y que el valor de OP en la figura 13.8(a) es la poencia relativa promedio respecto a ese Θ particular. En el punto Q=(  Θ = 45 ), asi la potencia promedio equivale a la mitad de la potencia máxima promedio (la cual ocurre en Θ = π/2).

B.

INTENSIDAD DE RADIACION La intensidad de radiación de una antena se define como

Con base a la anterir acuacion, la potencia radiada total promedio puede expresarse como

A. GANACIA DIRECTIVA Aparte de la ganancia de antena , interesa cantidades como ganacia y directividad para determinar las características de radiación de una antena. La ganancia directiva Gd(Θ, ϕ) de una antena es una medida de la concentracio de la potencia radiada en un adireccion particular (Θ, ϕ). La ganacia directiva puede considerarse como la capacidad de una antena para dirigir potencia radiada en una dirección especifica. Usualmente se le obtiene como la razón de la intensidad de radiación en una dirección dada, (Θ, ϕ) a la intensidad de radiación por medio; es decir,

Mediante la sustitución de la ecuación (13.39) en la ecuación (13.42), Puede expresarse en términos de ganacia directiva como

La ganancia directiva depende del patrón de la antena. En el caso del dipolo hertciano (lo mismo que del dipolo !/2 y el monopolo !/4), en la figura 13.8 se advierte que es máxima en Θ = π/2 y minima ( de cero) o π. Asi, el dipolo hertciano irradia potencia en una dirección transversal a su longitud, respecto de una antena isitropica (aquella que iradia por aigual e todas direcciones), Gd=1. Sin embargo, esa antena no es real sino ideal. La directividad D de una antena es la razón de la intensidad de radiación máxima a la intensidad de la radiación pormedio. Obviamente, D es la ganancia directiva máxima, Gd max. Asi,

Donde !Ω = !"#Θ dΘ  dϕ es el angulo solido diferencial, en estéreoradianes (sr). De ahí que la intensidad de radiación U( Θ, ϕ ) se mida en watts por estereorradianes (w/sr). El valor promedio de U( Θ, ϕ ) es la potencia radiada total dividida entre 4π sr; es decir, D=1 en una antena isotrópica; este es el menor valor de que D puede adoptar. En cuanto al dipolo hertciano,


La introducción de la ecuación resulta en

EN CUANTO AL D I P O L O !/2 DONDE N = 1 2 0 Π, R  RAD = 73Ω

En muchas antenas n se acerca a 100%, de manera que Gp=Gd. Directividad y ganacia suelen expresarse en decibeles (dB).Asi,

Cabe mencionar en este punto que los patrones de radiación de una antena se miden habitualmente en la región del campo lejano, concebida, por lo general como existente en una distancia

, donde

˜ GANANCIA DE POTENCIA Para tener en cuenta la perdida óhmica de potencia Pl de la antena, Pl se debe a que el conductor del que esta hecha la antena es de conductivdad finita.Si Pent es la portencia de entrada total a la antena,

Donde I ent es la corriente e las terminales de entrada Rl la resistencia de perdida u óhmica de la antena. En otras palabras, Pent es la potencia aceptada por la antena en sus terminales durante el proceso de radiación, y Prad la potencia radiada por la antena; la diferencia entre ambas es Pl, la potencia disipada dentro de la antena . La ganancia de potencia Gp (Θ, ϕ) se define como

Y d es la mayor dimensión de la antena. Por ejemplo, d=l en la antena de dipolo eléctrico y d=2!" en la del cuadro pequeño.


1. FA posee un valor máximo de N,

2. FA tiene nulos (o ceros), cuando FA=0,

ARREGLOS DE ANTENAS ˜ Grupo de elementos de radiación dispuestos de forma que se produzcan características de radiación particulares. ˜ Arreglo de dos elementos: el campo eléctrico total en el punto P es la suma vectorial de los campos debidos a los elementos individuales. Si P esta en un punto lejano esta dado por la siguiente ecuación:

˜ En la amplitud r1 es igual a r que es aproximado a r2, pero en la fase se emplea :

Entonces:

3. La máxima radiación de un arreglo transversal sigue una dirección normal al eje del arreglo, , así 4. La máxima radiación de un arreglo longitudinal sigue la dirección del eje de arreglo , es decir El campo debido a dos arreglos esta dado por: Si el arreglo es lineal, es decir que los elementos están espaciados en una línea recta y se tienden a lo largo del eje z. también si el arreglo es uniforme en el que cada elemento es alimentado con corriente de igual magnitud aunque de cambio de fase progresivo, el factor de arreglo, se halla sumando la contribución de todos los elementos, así: entonces,

ÁREA EFECTIVA Y LA ECUACIÓN DE FRIIS Potencia recibida, dada por una onda electromagnética normal a la superficie de un antena receptora,

El área efectiva A, de una antena receptora es la razón de la potencia recibida, promedio temporal P a la densidad de potencia temporal de la onda incidente en la antena. ,esta area efectiva es la medida de la capacidad de la antena para extraer energía de una onda electromagnetica de paso. Potencia promedio temporal transmitida a la carga acoplada:

Potencia antena:

promedio

temporal

en

la


ECUACIÓN DEL RADAR

Formula de transmisión de Friis.

Relaciona la potencia recibida por una antena con la potencia transmitida por la otra en tanto ambas estén separadas por cierta distancia, al aplicar la ecuación de Friis se confirma que cada antena se encuentra separada una de la otra. Antena transmisora y receptora en el vacío:

Los radares son dispositivos electromagnéticos útiles en la detección y localización de objetos. Radar es el acrónimo de la expresión de radio detección y ubicación por radio. En un radar común se transmiten impulsos de energía electromagnética a un objeto distante. Una misma antena cumple las funciones de transmisión y recepción, el intervalo temporal entre impulsos transmitido y reflejado permite determinar la distancia en la que se encuentra el objetivo. Si r es la distancia entre el radar y el objetivo, c es la velocidad de la luz, el tiempo trancurrido entre los impulsos transmitidos y recibido es 2r/c, así se deduce r.

La sección transversal de dispersión es el área equivalente que al dispersar isotrópicamente el monto de potencia que intercepta, produce en el radar una densidad de energía igual a la dispersada (o reflejada) por el objetivo. Es decir:

Designaciones de las frecuencias de radar:

Ecuación de transmisión del radar en el vacío,

,

despejando

r,

, la cual es la ecuación de dsitancia del radar. Esta ecuación determina la distancia o el alcance máximo de un radar, tambien permite obener información de ultilidad en ingeniería sobre los efectos de los diversos parametros en el rendimiento de un sistemas de radar. El radar considerado es monostático. En un radar bistático , el transmisor y el receptor están separados. Si las antenas transmisora y receptora se hallan a distancias r1 y r2 del objetivo y Gdr es diferente a Gdt, en el caso del radar bistático la ecuación se convierte en:

DISTRIBUCION DE CORRIENTE

El movimiento de la carga crea una onda de corriente, de magnitud Io/2, a lo largo de cada uno de los cables. Cuando la corriente llega al final de cada uno de los cables, se somete a una reflexión completa.


La onda reflejada de viaje, cuando se combina con la onda incidente de viaje, se forma en cada cable de un patrón de onda sinusoidal pura. La corriente en cada alambre se somete a un giro de 180 º de fase entre los ciclos de medio lado. La radiación de cada cable de forma individual se produce debido a la naturaleza variable en el tiempo de la corriente y la terminación del cable. Para la línea de transmisión de dos hilos equilibrada, la corriente en un medio ciclo de un cable es de la misma magnitud pero 180 fuera de la fase de que en la mitad correspondiente del ciclo del otro cable. Si además el espacio entre los dos cables es muy pequeño, los campos radiados por la corriente de cada cable son esencialmente cancelados por las de los demás. El resultado neto es un casi ideal la línea de transmisión de la radiación. Esta es la geometría de la antena dipolo ampliamente utilizado. Debido al patrón de onda de la situación actual, también se clasifica como una antena de onda estacionaria. Si l es menor que alfa, la fase del patrón de onda de corriente en cada brazo es el mismo en toda su longitud. Además, el espacio se orienta en la misma dirección que la del otro brazo. Así, los campos radiados por las dos ramas del dipolo principalmente se refuerzan entre sí a la mayoría de las direcciones de la observación. Para un sistema de armónicos en el tiempo variable de la frecuencia w radianes = 2 (pi) f, los patrones actuales de pie de onda representa la excitación de corriente máxima para cualquier momento. Las variaciones en curso, en función del tiempo. El lambda / 2 dipolo de centro-alimentado. Estas variaciones pueden obtenerse multiplicando la onda estacionaria por cos (wt)

Antenas  

Sonia Parada-Camila Rodriguez

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