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AGRUPACIONES DE ANTENAS Tema I
Introducción y tipos de agrupaciones
1
Manuel Sierra Pérez
Programa del tema
M d l bá i d tModelo básico de una antena.Agrupaciones de antenas. Definición.Tipos de agrupaciones.
En función de la geometríaEn función de la red de distribución
Redes de distribución y agrupaciones de antenas.
2
y g pModelos aproximados de análisis.Principio de multiplicación de diagramas.
Parámetros de una antena: Impedancia
Alimentando una antena lineal con un generador sinusoidal de frecuencia (f), podemos plantear un modelo:frecuencia (f), podemos plantear un modelo:Visto desde los terminales de entrada
Impedancia de entrada.Coeficiente de reflexión de entrada
IVjXRZ aaa =+=
z
y
r
θI
VV
Z0
3
y
x φ
VVg
0
0
ZZZZ
a
aa +
−=Γ
Parámetros de una antena: Diagramas
En el campo lejano de radiación. (campo lejano)Diagrama de radiación de campo eléctrico F.Diagrama de polarización ê.
rjkrFReIE ap
)exp(,,ˆ 0−
= ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ φθηεφθ
2⎞⎛
0
1ˆη
ErH ×=
z
y
r
θI
VV
Zg
E
H
4
( ) ónpolarizacideDiagramaê =φθ ,
1,2
4=Ω∫∫ ⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ dF
πφθ
εp= rendimiento de potencia
η0= 120π=impedancia del vacío
y
x φ
VVg
Parámetros Z
Parámetros de una antena: Diagramas
En el campo lejano de radiación. (campo lejano)Diagrama de radiación de campo eléctrico F.Diagrama de polarización ê.
2⎞⎛
0
1ˆη
ErH ×=
z
y
r
θI
VV
Zg
E
H
( ) ( )r
jkrFeaE aprad)exp(,,ˆ12 2
0−
Γ−= φθφθηε
5
( ) ónpolarizacideDiagramaê =φθ ,
1,2
4=Ω∫∫ ⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ dF
πφθ
εp= rendimiento de potencia
η0= 120π=impedancia del vacío
y
x φ
VVg
Parámetros S
Parámetros de una antena. Directividad y ganancia
La directividad de una antena nos da una idea de la capacidad de concentrar la radiación en una determinada dirección.
22
0
2
,442
, ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ == φθππ
ηφθ F
PrE
Drad
z
y
x
r
θ
φ
I
VVg
Zg
6
La ganancia de antena tiene en cuenta las pérdidas en la propia antena, utilizando la potencia entregada.
x φ
2
0
2
,442
, ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ == φθπεπ
ηφθ F
PrE
G pent
Parámetros de una antena individual. Diagrama de polarización.
Otro elemento importante en el diagrama de la antena es la polarización, que viene dada por su vector unitario.
La forma y orientación de la elipse de polarización depende de la relación de amplitudes (α) y de fases (β) entre las componentes del campo eléctrico.
( ) ( ) ( )⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅+⋅= φθβφθαφφθαθφθ ,exp,sinˆ,cosˆ,ˆ je
z r
7
y
x
θ
φ
I
VVg
Zg
Antena monopolo de baja ganancia.
Hilos de la antena
Torres de soporte
Aislantes
Emisor
8
Plano de tierra
Antena integradas. Baja ganancia
Pequeñas antenasRadian en todas las direcciones.Suelen ser resonantes
Antenas para sistemas integrados.
Los rendimientos entre 10 y 90%
9
integrados.
Antena de reflector parabólico. Alta ganancia
Grandes reflectoresConcentran la radiación en una
dirección.P it t b j f i
Telescopio de Green Bank.
Virginia (USA)
Permiten trabajar en frecuencias muy dispares
Consiguen rendimientos de apertura entre el 50 y el 85%
10
Mide 110m de diámetroPrecisión de la superficie 0.24mmFrecuencia de trabajo hasta 78GHzRendimiento a 50GHz 68%Anchura de haz a 50GHz 14’’
¿Que es una agrupación de antenas o array?
• Definición: – Conjunto de elementos radiantes individualesConjunto de elementos radiantes individuales– Alimentadas desde un terminal común– Mediante redes lineales
z
y
r
θ
11
y
x φI
VVg
Zg
Red lineal
Tipos de agrupaciones
Según su geometríaLineales
Según sus ElementosDe hilos
PlanasConformadas
CilíndricasEsféricas
Según la redPasivas
ImpresasDe ranurasDe bocinas..
Según su aplicaciónComunicaciones
12
Un solo hazMultihaz
ActivasAdaptativas
MóvilesSatélites
RadarGoniometría…
Agrupaciones lineales
Elementos situados a lo largo de una línea rectaEquiespaciados (Variables N d )Equiespaciados (Variables N, d.)No equiespaciados (Variables: N, xi)
13
Coberturas en estaciones base
Antena GSM de estación base
Tres antenas verticales cubriendo los tres sectores
Antenas dobles para diversidad por espacio
Trabajan con haces estrechos en vertical (6º)
Haces anchos en horizontal (90º)
14
Antenas impresas
Las antenas de elementos impresos tienen como
j f ilid d dventajas su facilidad de fabricación y bajo precio.
15
Aluminium 1.5mm
ExpandedPolystyrene
Poliester125μm
Transmission line Printed patch
Air
Fibber-glass 1.6mm
Slot in the ground plane
Aluminium 1.5mm
ExpandedPolystyrene
Poliester125μm
Transmission line Printed patch
Air
Fibber-glass 1.6mm
Slot in the ground plane
Agrupaciones planas
Elementos situados en los puntos de un planoReticulares (elementos en los nudos de una retícula)
RectangularesTriangulares
CircularesAleatorios
16
Agrupación de bocinas cónicas en una retícula plana triangular.
Antenas planas de ranuras
Antenas de guía radial ranuradaEstán formadas por una estructura de dos planos metálicos sobre los que se induce una onda cilíndrica. Las ranuras se acoplan a la onda de la guía en función de su posición orientación y tamañola guía en función de su posición, orientación y tamaño.
17
Antenas de Radar
Sistemas RadarEmisión de impulsos y
recepción de ecos
Cobra Dane
recepción de ecosAntenas directivas (grandes
en longitudes de onda)Gran capacidad de control
18
Cobra DaneUna gran antena formada por 34.769 elementos radiantesTrabaja en 1200MHzForma parte de los radares de vigilancia en EEUU.
Radar activo
Propagationw ave layer
Antena adaptativa para un sistema radar a bordo de un avión
Cada subarray contiene un elemento transmisor y receptor montados en diversas capas, de la que la más externa son los elementos radiantes
19
A/D A/D A/D A/D A/D
EM -field in teraction
A /D conversion
D igital layer
B eam form ingA lgorithm s
A nalog layer(am plifiers, filters)
A/D A/D A/D A/D A/D
A ntenna outputs
A /D A /D A /D A /D A /D
radiantes
Array plano de antenas Vivaldi
Array plano de dobleArray plano de doble polarización con antenas tipo Vivaldi impresas en estructuras de doble cara.
Balun Apertura
20Entrada en línea
microstrip
Reflectarray
Reflectarray para comunicaciones por satélite.
E fl t lEn un reflectarray, la alimentación se realiza desde una antena excitadora como en reflectores. El campo recibido en los elementos de la antena se rerradia con una corrección de fase para conseguir un frente de onda plano en la dirección de radiación deseada
21
radiación deseada.
• Elementos situados en sobre una superficie no plana
Arrays conformados
• Cilíndricos (Elementos sobre un cilindro)
• Cónicos (Elementos sobre un cono)• Esféricos (Elementos sobre una
esfera o semiesfera)• Superficies varias ( Alas de aviones,
vehículos etc.)
22
vehículos etc.)
Agrupación cilíndricade parches cuadrados
Array cilíndrico
Array cilíndrico de bocinas rectangulares.
23
Array conformado de estructura multicapa con elementos impresos.
Array esférico
Array esférico de parchesde parches impresos.
Arrays conformados de estructura
24
estructura multicapa con elementos impresos.
Agrupación con alimentación pasiva
Utiliza una red de distribución o alimentación formada por elementos pasivos (divisores, líneas de p ( ,transmisión, adaptadores etc.)
El diagrama de radiación y polarización es fijoFunciona como una antena única.Puede tener varios terminales de entrada en la red (antena multi-diagrama o multihaz).Suelen ser recíprocas, trabajando en t i ió ió
25
transmisión y en recepción.
Array multihaz para Detección de Angulo de Llegada (DOA)
Sistema de detección de emisiones radar.Antena multihaz de 64 haces cubriendo 360º
26
Array multihaz para Detección de Angulo de Llegada (DOA)
Sistema de detección de emisiones radar.
Antena de banda ancha (6Antena de banda ancha (6-12GHz) con alimentación multihaz de 10 haces de 9º cubriendo 90º.
27
Array multihaz para iluminación de la tierra desde satélite
Cluster de bocinas alimentadoras de un reflector para generar un sistema multihaz.
Las bocinas permiten generar haces conformados a un perimetro dado en la tierra para emisiones de radiodifusión.
28
Agrupaciones activas.
Redes de recepciónRedes de recepción activas
Permiten mejor comportamiento en recepciónRecepción simultánea de varios diagramasS l ió d h
++
LNA
Det
IFA
A/DLPF
Agrupacióncon control
LNA
LNA
W1
W2
29
Selección de haces en función de la frecuencia.
en FIWM
Agrupación con alimentación activa
El que utiliza redes lineales activas, fijas o variables, para alimentar el grupo.
P it lifi ió di t ib id l tPermite amplificación distribuida en la antenaReduce el ruido de recepciónPermite control activo de las excitaciones (phased array)Permite procesado de la señal recibida
30
Agrupaciones activas en transmisión
óIFA PA
Redes de transmisión activas
Permite mayores potenciasAmplificación distribuidaPermite el control de diagramas
++ModD/ALPF
Agrupacióncon control
FI
PA
PA
W1
W2
31
diagramas en FI WM
Antena de comunicaciones para satélite (Alcatel)
Antena de satélite para transmisión pde haces directivos de comunicaciones.
Permite transmitir haces en un gran margen de direccionesTrabaja con doble polarizaciónEs una antena de bajo costo.
32
Control digital de la antena
Un procesador digital A/DLNA IFAIFFilter
LPF
ales
Un procesador digital permite:
Control digital de diagramasDiagramas dependientes de
frecuenciati
A/D
A/DLNA IFAIFFilter
LPF
….
esad
or d
igita
l de
seña
33
tiempocódigo
Diagramas simultáneos variables
A/D
Receptor con muestreo en Banda Base
Pro
ce
Antena de sistemas anticolisión en vehículos.
Antena en 60 GHz para sistemas pde radar anticolisión de corto alcance.
Permite transmitir haces en un pequeño margen de direccionesAntena adaptativa que determina la dirección de llegada de la amenaza.D t l l ió d t ñ d
34
Destaca la relación de tamaños de la antena (plano superior) con los elementos de radiofrecuencia (prisma superior) y con los elementos de procesado de señal (tarjetas inferiores)
¿Cómo analizar el comportamiento de una agrupación?
• Separamos en dos partes: – Red de distribución de señal
M t i d i d i Z– Matriz de impedancias Z– Conjunto de elementos radiantes individuales
– Diagramas activos y matriz de impedancias Za
z
y
r
θ1
2Zg
35
y
x φI0
V0
Red Lineal[Z]
2
34
Elementos radiantes
IVVg
Red de distribución
• Viene definida por su matriz de impedancias [Z], admitancias [Y], parámetros de dispersión [S] etc… de N+1 puertasde N+1 puertas.
• Puede descomponerse en un vector de distribución y una matriz de acoplos.
1
2
[ ]⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡=
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
=cg
b00
Zzzz
Z N
N
zzzzzz
MOMM
L
L
11110
00100
36
Red Lineal[Z]
2
Puerta-03
4
⎥⎦
⎢⎣ NNNN zzz L10
Vector de distribución
Matriz de acoplos internos
Caracterización de la agrupación: Impedancia
• Constituye una red lineal de N puertas– Se puede caracterizar por su matriz de impedancias (Z),
admitancias (Y), dispersión (S) …admitancias (Y), dispersión (S) …– La diagonal indica impedancias de entrada.– El resto representa acoplamientos entre elementos
[ ] ⎥⎤
⎢⎡ Naa zz L 111
z
y
r
θ
I
1
2
ca
37
Elementos radiantes
[ ]⎥⎥⎥
⎦⎢⎢⎢
⎣
=
aNNaN zz L
MOM
1
aZ
Diagonal principal
y
xφ
Ig 2
34ca
ca
Caracterización de la agrupación: Radiación.
• El diagrama activo de cada elemento representa el campo radiado.– Cuando se excita un solo elemento.Cuando se excita un solo elemento.– Los demás se dejan en circuito abierto (impedancia), en
cortocircuito (admitancia) o con carga nominal (dispersión).
( ) ( )r
jkrFeRIE ziziaipirad)exp(,,ˆ0
−= φθφθηε
• El diagrama de radiación activo êzi y Fzi tiene en cuenta
z r
θ1ca
38Elementos radiantes
– Lo que influyen los demás elementos en la radiación del elemento alimentado.
– Lo que radian los demás elementos por acoplos con el elemento alimentado.
y
xφ
Ig 2
34ca
ca
¿Cómo analizar una agrupación?
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡ b00
iZzzz
iZv000 ivv
• Corrientes de excitación• Si las antenas no están
acopladas (Za=diagonal)• Si la red tiene impedancias de
salida nulas (Zc=nula)
• Las corrientes de
z
y
r
θ
φIZg
⎦⎣⎥⎦⎢⎣⎦⎣⎦⎣ acgaaa iZziZv
39
excitación son proporcionales al vector ia=i0zg*Za
-1
x φI0
Vg
g
Red lineal
Modelo matemático en arrays
Suponemos que todos los elementos conservan suSuponemos que todos los elementos conservan su diagrama como si estuvieran solos.Suponemos que los elementos conservan la polarización como si estuvieran solos.Si los elementos son iguales, suponemos que las impedancias de entrada siguen siendo iguales.Suponemos que los acoplamientos son despreciables
40
upo o qu o a op a o o d p aben la mayoría de los casos.
Conclusiones
☺Una agrupación es una forma muy versátil de conseguir una antena de gran apertura basada en g g ppequeñas antenas.☺Permite trabajar con elementos activos y su
integración con procesadores digitales☺Permite conformar la antena a formas definidas por
otras limitaciones.En grandes antenas es más compleja y pesada que
41
En grandes antenas es más compleja y pesada que los reflectores.En general es una técnica más cara.