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ANTENASANTENAS
Montevideo LibrePresenta:
Ciclo de charlas 2008Alvaro Huelmo
www.Alvaro793.dyndns.org [email protected] www.Alvaro793.miarroba.com
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¿Que Es una Antena?
Las Antenas son dispositivos conductores utilizados para la emisión y o recepción de energía electromagnética
En esta charla veremos los aspectos principales que En esta charla veremos los aspectos principales que hacen al funcionamiento de las antenas y lineas de hacen al funcionamiento de las antenas y lineas de transmisióntransmisión
DEFINICIONES
TX: Estado de transmisión. RX: Estado de Recepción. Linea de transmisión: Conductor, grupo de
conductores o guía de ondas, destinado al transporte de señales o de energía de R.F.
R.O.E.: Relación de Ondas Estacionarias. R.F.: Radio Frecuencia.
DEFINICIONES
Ángulo de radiación: Es el ángulo con que irradia una antena.
Dipolo Isotópico: Antena TEORICA que tiene la característica de irradiar igualmente en todas las direcciones del espacio, dando lugar a un diagrama de radiación de tipo pelota. Al ser su ganancia igual a cero, es usada como antena patrón
DEFINICIONES
Acoplador de antena: dispositivo destinado a acoplar una linea de transmisión con una antena o transeptor.
Transeptor: Equipo formado por un receptor y un transmisor.
DEFINICIONES
dB: El decibel es la décima parte del belio y expresa una relación de potencias. Para calcular la ganancia de potencia en dB tenemos que dividir la potencia de salida entre la potencia de entrada, realizar el logaritmo del resultado obtenido y multiplicarlo por 10
DEFINICIONES
dBi: El decibel isotópico es la ganancia de energía en comparación con una antena isotópica
dBd: Es la ganancia de energía comparada con una antena dipolo, en este caso tenemos que sumar 2,14 para obtener la ganancia en dBi.
DEFINICIONES
dBm: Es el nivel de potencia en decibelios en relación a un nivel de referencia de 1mW. El dBm es igual a logaritmo de potencia sobre 1mW por 10
Polarización: Ángulo de campo eléctrico de la onda radiada con respecto al suelo. El campo magnético de la onda esta polarizado 90 grados con respecto al campo eléctrico
DEFINICIONES
Propagación: Capacidad que tiene una señal de desplazarse a distancia. La propagación es en linea recta pero debido a la existencia de distintas capas atmosféricas, estas pueden alterar la trayectoria para permitir la propagación entre puntos que no están a la vista.
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
Clasificación de las Antenas
Antenas omnidireccionales: Son aquellas que irradian un campo en todo su contorno en la forma de una figura geométrica circular sin
agujero central.
Clasificación de las Antenas
Antenas direccionales: Son aquellas a las que es posible dirigirles el campo de irradiación
hacia uno o más lugares, esto dependerá del concepto de calculo y forma de construcción
Teoría de antenasTeoría de antenas
Una Antena vertical es por naturaleza generalmente omnidireccional un claro ejemplo son los dipolos verticales, antenas como la Ringo, las antenas de los taxis, la antena
de mi Handy.
Las antenas horizontales tipo dos polos son por lo general direccionales o directivas.
Teoría de antenasTeoría de antenasExisten innumerables y variados tipos de antenas, tales
como: Verticales, Plano de tierra, Cuadracúbicas, De alambre largo, Yagis, Quaguis, Dipolos plegados, De
periodo logarítmico, Colineales, Doble zeppelin, Parabólicas, Rombicas, etc.
Propiedades de las antenas
(Rr) Resistencia de radiación: Es una resistencia ideal que agregada al circuito resonante equivale a la antena, disipa la misma potencia calórica que la antena irradia realmente en el espacio. Esta alcanza un valor máximo cuando el conductor es resonante.
Propiedades de las antenas
(r) Ángulo de radiación: Es el ángulo sobre el horizonte con respecto al eje del lóbulo principal de radiación que va ligado directamente a la polarización de la antena (horizontal o vertical) como a la altura por sobre la superficie del suelo, frecuencia de funcionamiento, etc.
Propiedades de las antenas Impedancia de la antena: Se podría definir la
impedancia de entrada de una antena como la impedancia presentada por una antena en sus terminales o como la relación de la tensión corriente en un par de terminales o como la relación de los componentes apropiados del campo electromagnético en un punto cualquiera. Luego podemos decir que si la corriente y la tensión están en fase, la impedancia es puramente resistiva y la antena es resonante. Cuando la antena no es resonante (corriente y tensión fuera de fase) la antena posee reactancia y resistencia.
Propiedades de las antenas
Ganancia de la antena: Se le llama ganancia de la antena a la relación del poder entregado por la antena (que generalmente esta relacionado con su directividad) y su unidad de ganancia se expresa en dBi, dBd o dB.
Propiedades de las antenas Eficiencia de la antena: Es la relación entre la
resistencia de radiación de la antena con respecto a la resistencia total del sistema transmisor que incluye la resistencia de radiación, la resistencia de los conductores, la de los dieléctricos, incluidas las bobinas si se usan en el sistema, así como la resistencia de la tierra.
Ancho de banda de la antena: Es la medida de su amplitud para funcionar en una gama especificada de frecuencias en buenas condiciones de resonancia.
Propiedades de las antenas
Relación pecho-espalda: Es la relación de irradiación de la antena calculada entre su lóbulo principal y el lóbulo opuesto (y se relaciona por antenas direccionales o directivas)
(Q) De la antena: El factor Q de la antena es la medida del factor de calidad o factor de mérito y se expresa como selectividad de la antena.
Propiedades de las antenas
Directividad de la antena: Es la capacidad de una antena para concentrar el máximo valor de radiación en una dirección deseada seleccionando el objetivo donde se desea transmitir o recepcionar en el caso inverso.
Propiedades de las antenas (Y)Longitud de onda: La onda electromagnética viaja
en el espacio a una velocidad cercana a los 300000Km por segundo, según sea el medio en que lo hace, por lo que podemos calcular que una onda de radio demora aproximadamente 1/7 de segundo para dar la vuelta al mundo, si sigue las líneas del circuito máximo. (Lambda)
Propiedades de las antenas
El concepto de la onda se desarrolla porque una corriente eléctrica alterna fluye a través de un alambre (la antena), así mueve campos eléctricos y magnéticos. Esta onda tiene un largo especifico llamado longitud de onda que se representa por la letra griega (y) y es la medida en que una emisión de onda, en una frecuencia dada con respecto al largo físico de la antena, la mantienen en resonancia. La ecuación para calcular el largo de la onda puede ser resumido como sigue: 300/Frecuencia en Mhz=Mts
Calculo de antena dipolo
El largo de una antena resonante (es decir) la medida física del largo de una antena sintonizada no es exactamente el largo de la medida calculada con la fórmula del largo de onda (metros) o largo eléctrico de la antena.
El largo físico de la antena para poder resonar, generalmente es mas corto que el largo eléctrico debido a los efectos de la relación largo/diámetro de la antena y el efecto de punta de la misma.
Calculo de antena dipolo
A este factor de corrección del largo físico lo denominaremos con la letra " k "
El efecto de puntas fue descubierto por Benjamin Franklin
EJEMPLO: Calcularemos una antena dipolo para operar en la banda de cuarenta metros, y ajustarla a la frecuencia de 7,100 Mhz. La haremos en alambre de cobre.
Calculo de antena dipolo
1.- Determinaremos el factor K , en nuestro caso es: k= 0,9513.
2.- Debemos calcular el dipolo aplicando la fórmula (0,9513 * 150 / 7,1) = 20,098 metros.
3.- Determinamos la medida de cada polo ( 20,098 / 2 )= 10,049 metros por lado.
Diagrama de radiación antena dipolo
Diagrama plano de irradiación
Concepto de transmisión
En la siguiente imagen se muestra un transmisor siguiendo por una línea de transmisión hasta la antenas que es la encargada de irradiar las ondas al espacio. Un campo electromagnético variable en el tiempo puede ser propagado a través del espacio vacío a la velocidad de la luz.
Concepto de transmisión
Diagrama esquemático de transmisión de ondasDiagrama esquemático de transmisión de ondas
Concepto de transmisión
La onda así propagada está constituida por CAMPOS ELECTRICOS (E) y CAMPOS MAGNETICOS (H) según se puede apreciar en la siguiente imagen...
La onda originada en una fuente puntual en el espacio se expande en esferas crecientes cuyo centro siempre es la fuente.
Concepto de transmisión
Concepto de transmisión
El camino del rayo de energía desde la fuente productora hasta cualquier punto de la esfera es una línea recta y a una distancia grande el frente de onda no se percibe esférico, sino que aparentemente se percibe como una superficie plana. La onda electromagnética viajando a través del espacio es muy difícil de comprender sin recurrir a las Ecuaciones de Maxwell que conforman la herramienta básica para el análisis de la mayoría de los problemas de las ondas electromagnéticas. Ej. la piedra en el agua
Antena Yagi
La antena Yagi del tipo direccional (llamada así en honor a su inventor un profesor japonés de apellido Yagi) y entre estas la más primitiva y elemental, como es el dipolo, que muchos radioaficionados hemos fabricado.
Antena Yagi
Antena Yagi
La antena yagi esta constituida por: Uno o mas reflectores Elemento excitado o dipolo Uno o mas directores En caso de ser necesario adaptador de
impedancia y o balum
Antena Yagi
Diagrama de radiación
Lineas de transmisión
TIPOS DE LINEASLas líneas de transmisión se pueden dividir en tres grandes grupos: bifilares, coaxiales y guia de ondas
Línea bifilarConsiste en dos hilos conductores paralelos separados, bien sea por un material dielectrico continuo o bien por separadores cada cierta distancia
Lineas de transmisión
La impedancia de una línea de este tipo viene definida aproximadamente por la siguiente fórmula:
Zo = 276 log (d/r) W donde d es la distancia entre centros de
conductores, r el radio de un conductor; d y r deben ser unidades homogéneas.
Lineas de transmisión
Lineas de transmisión
Ventajas de las líneas planas:
La primera ventaja es su bajísimo nivel de pérdidas, incluso para frecuencias elevadísima.
La segunda ventaja es que podemos realizarla para cualquier impedancia (mediante la fórmula), y para cualquier potencia, por grande que sea, aumentando el diámetro del conductor o en casos extremos utilizando tubos de cobre.
Lineas de transmisión
Desventajas de las líneas planas
Siempre existe una cierta radiación a lo largo de la propia línea, debido a que los campos de cada conductor no se cancelan exactamente, sobre todo a pequeñas distancias de la línea,
Si la línea no está equilibrada y existe una ROE fuerte en ella, estos problemas pueden ser muy graves. Las líneas planas tienden a captar ruidos eléctricos de los sitios por donde pasan.
Lineas de transmisión Línea coaxial:
Esta línea es la que más se utiliza actualmente, sobre todo desde que se fabrica en grandes cantidades y a precios asequibles.
Lineas de transmisión
Pérdidas
Toda línea de transmisión tiene pérdidas, parte de la energía que transporta se transforma en calor y por tanto no es utilizable.
Las pérdidas se producen por dos motivos: resistencia óhmica y pérdidas en el dielectrico.
Lineas de transmisión
Resistencia óhmica
Todo conductor tiene una resistencia. Al circular corriente eléctrica por él, una parte de la potencia es disipada en calor por esa resistencia. Cuanto más larga sea la línea, mayor será la resistencia y mayores las pérdidas. Las pérdidas resistivas son fijas e independientes de la frecuencia.
Lineas de transmisión
Cualquier dielectrico a pesar de ser un aislante tiene un cierto grado de pérdidas. Las pérdidas en el dielectrico dependen de su espesor, tipo y de la frecuencia a la que se emplee. Cuanto más fino sea el dielectrico y más alta la frecuencia, mayores serán las pérdidas. El mejor dielectrico es el aire, tiene unas pérdidas muy bajas.
Lineas de transmisión ¿Qué significado tienen las pérdidas? Supóngase una instalación en un edificio de viviendas.
Para llegar del primer piso a la antena necesitamos 40 metros de línea. El transmisor tiene una potencia de 100 watios y trabaja entre 27 y 28 M Hz (banda ciudadana, CB, y banda de aficionados de 10 metros). Si se coloca una línea de RG-58 con dieléctrico de politeno, las pérdidas serán de 3 dB o sea, a la antena llegan sólo 50 watios.
Colocando una línea de RG-8 con dieléctrico de poliuretano, las pérdidas serán de 1,2 dB y la potencia que llega a la antena será de 75 watios.
Lineas de transmisión Influencia de la ROE en las pérdidas de una línea Las pérdidas indicadas se refieren siempre a las líneas
equilibradas. Cuando en una línea existe ROE, las pérdidas aumentan.
Para valores de ROE moderados (hasta 2:1), este incremento de pérdidas puede ser despreciado, ya que sólo alcanza algunas décimas de decibelio. Para valores de ROE elevados, el incremento de las pérdidas aumenta espectacularmente, pudiendo ser superior al valor de las pérdidas de la línea cuando está equilibrada.
Lineas de transmisión
Supóngase que mediante un acopiador de antena conseguimos introducir 100 watios a una línea que tiene unas pérdidas de 3 dB y una ROE de 7:1. Las pérdidas a añadir a causa de la ROE serían de otros 3 dB, o sea, que en la antena sólo habría 25 watios, aun suponiendo que el acoplador no absorbe una parte de la potencia debido a sus propias pérdidas.Por lo tanto y salvo casos especiales, resulta muy práctico mantener la menor ROE posible en la línea.
Lineas de transmisión IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE UNA LINEA
La existencia de una sucesión de inductancias y capacitancias en una línea de transmisión hace que ésta tenga una impedancia característica; se denomina Zo y su valor aproximado es:
Zo= L/C
siendo respectivamente L la inductancia y C la capacitancia por unidad de longitud.
Lineas de transmisión
Por tanto, el generador "ve" a la línea como si ésta fuera una resistencia.
Lineas de transmisión
SISTEMAS DE ADAPTACION DE ANTENAS
Cuando la línea de transmisión tiene una impedancia y la antena otra muy distinta, hay que acoplarlas para evitar que aparezca ROE en la línea.
Balúm
SISTEMAS DE BALANCEOCasi todos los tipos de antena (excepto las verticales) son simétricas, o sea que la conexión es indiferente. El cable coaxial, en cambio, es asimétrico. Si no se desea que por la malla de un cable coaxial circulen corrientes, hay que poner algún elemento que permita hacer el cambio de balanceando a no balanceado. A este elemento se le denomina Balún (en inglés Balanced to un-balanced)
Balúm Balun de media onda
Consiste en conectar un cable coaxial de media longitud de onda eléctrica como se indica en la figura. Realiza además una transformación de impedancia de 1 a 4, o sea que también sirve para adaptar impedancias.
Antenas
Quagui
Cables Coaxiales
Ejemplos Antenas
ESTO FUE TODO
Gracias por venir
Presentación disponible en: www.Alvaro793.dyndns.org
