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ARREGLOS DE ANTENAS: BROADSIDE Y ENDFIRE Víctor David Vasco Cabrera e-mail: vicdav_87@hotmail e-mail institucional: Carrera de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Universidad Técnica de Ambato Av. Los Chasquis entre Río Payamino y Río Guayllabamba (Campus Huachi) RESUMEN: Normalmente el patrón de radiación de un simple elemento es relativamente amplio, cada elemento suministra bajos valores de directividad (ganancia).Cuando se desea diseñar antenas muy directivas (de alta ganancia), para realizar enlaces de gran distancia, se puede lograr incrementando el corte eléctrico de la antena. Aumentar las dimensiones de un elemento nos puede llevar las características directivas, otra forma de aumentar las dimensiones de la antena sin necesidad de aumentar el corte de los elementos individuales, es formar un ensamble de elementos radiantes en una configuración eléctrica y geométrica. Esta nueva antena formada por multi elementos, se conoce como ARREGLO. En la mayoría de los casos los elementos del arreglo son idénticos, esto no es una condición necesaria, pero es más conveniente y practica; los elementos individuales de un arreglo pueden ser de cualquier forma, antenas de alambre, abertura, etc. PALABRAS CLAVE: arreglo de Antenas, arreglo Lineales, arreglos Planares, Factor de Arreglo, Broadside, Endfire. SUMMARY: Normally the radiation pattern of a single element is relatively large, each element provides low values of directivity (gain) .When you want to design highly directional antenna (high gain), for long-distance links, you can be achieved by increasing the cut electric antenna. Increase the size of an element can lead us directives features, another way to increase the size of the antenna without increasing the cut of the individual elements it is to form an assembly of radiating elements in an electrical and geometrical configuration. This new antenna consists of multi elements, known as FIX. In most cases the array elements are identical, this is not a necessary condition, but it is more convenient and practical; the individual elements of an array can be any shape, wire antennas, aperture, etc. KEYWORDS: antenna array, linear array, Planar arrangements, Settlement Factor, Broadside, Endfire 1. INTRODUCCIÓN Si se desprecia el acoplamiento entre elementos el campo total del arreglo es determinado por la suma vectorial de los campos radiados por los elementos individuales. Para lograr patrones de radiación muy directivos es necesario que los campos de los elementos del arreglo se sumen en una dirección de interés e interfieran destructivamente en el espacio resultante. En un arreglo existen cinco controles que se pueden emplear para obtener la forma total del patrón de la antena: la configuración geométrica del arreglo, la distancia relativa entre elementos individuales, la amplitud y la fase de la alimentación de los elementos individuales; y el patrón relativo de los elementos individuales. Por lo tanto; un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples unidas bajo ciertas condiciones, generalmente iguales y orientadas en la misma dirección; las cuales son acomodadas en una disposición física determinada, relativamente cercanas unas con respecto a otras. Además cada antena es manejada por un mismo sistema de separación de señal. [1] 2. DESARROLLO Un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples unidas bajo ciertas condiciones, generalmente iguales y

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ARREGLOS DE ANTENAS: BROADSIDE Y ENDFIREVíctor David Vasco Cabrera

e-mail: vicdav_87@hotmaile-mail institucional:

Carrera de Ingeniería en Electrónica y ComunicacionesUniversidad Técnica de Ambato

Av. Los Chasquis entre Río Payamino y Río Guayllabamba (Campus Huachi)

RESUMEN: Normalmente el patrón de radiación de un simple elemento es relativamente amplio, cada elemento suministra bajos valores de directividad (ganancia).Cuando se desea diseñar antenas muy directivas (de alta ganancia), para realizar enlaces de gran distancia, se puede lograr incrementando el corte eléctrico de la antena.Aumentar las dimensiones de un elemento nos puede llevar las características directivas, otra forma de aumentar las dimensiones de la antena sin necesidad de aumentar el corte de los elementos individuales, es formar un ensamble de elementos radiantes en una configuración eléctrica y geométrica. Esta nueva antena formada por multi elementos, se conoce como ARREGLO. En la mayoría de los casos los elementos del arreglo son idénticos, esto no es una condición necesaria, pero es más conveniente y practica; los elementos individuales de un arreglo pueden ser de cualquier forma, antenas de alambre, abertura, etc.

PALABRAS CLAVE: arreglo de Antenas, arreglo Lineales, arreglos Planares, Factor de Arreglo, Broadside, Endfire.

SUMMARY: Normally the radiation pattern of a single element is relatively large, each element provides low values of directivity (gain) .When you want to design highly directional antenna (high gain), for long-distance links, you can be achieved by increasing the cut electric antenna.Increase the size of an element can lead us directives features, another way to increase the size of the antenna without increasing the cut of the individual elements it is to form an assembly of radiating elements in an electrical and geometrical configuration. This new antenna consists of multi elements, known as FIX. In most cases the array elements are identical, this is not a necessary condition, but it is more convenient and practical; the individual elements of an array can be any shape, wire antennas, aperture, etc.

KEYWORDS: antenna array, linear array, Planar arrangements, Settlement Factor, Broadside, Endfire

1. INTRODUCCIÓN

Si se desprecia el acoplamiento entre elementos el campo total del arreglo es determinado por la suma vectorial de los campos radiados por los elementos

individuales. Para lograr patrones de radiación muy directivos es necesario que los campos de los elementos del arreglo se sumen en una dirección de interés e interfieran destructivamente en el espacio resultante. En un arreglo existen cinco controles que se pueden emplear para obtener la forma total del patrón de la antena: la configuración geométrica del arreglo, la distancia relativa entre elementos individuales, la amplitud y la fase de la alimentación de los elementos individuales; y el patrón relativo de los elementos individuales. Por lo tanto; un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples unidas bajo ciertas condiciones, generalmente iguales y orientadas en la misma dirección; las cuales son acomodadas en una disposición física determinada, relativamente cercanas unas con respecto a otras. Además cada antena es manejada por un mismo sistema de separación de señal. [1]

2.DESARROLLO

Un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples unidas bajo ciertas condiciones, generalmente iguales y orientadas en la misma dirección, las cuales son acomodadas en una disposición física determinada, relativamente cercanas unas respecto de otras. Además cada antena es manejada por un mismo sistema de separación (combinador) de señal.

Parámetros de control.- Se utilizan para dar forma al patrón de radiación del arreglo de antena.

Configuración geométrica. Distancia de separación entre los elementos. Amplitud de excitación de cada elemento. Fase de excitación de cada elemento. Patrón relativo de cada elemento.

Parámetros de arreglos de antenas.

Patrón de radiación: es la representación de la radiación o recepción de la antena de los campos eléctricos en el espacio.

Factor de arreglo: es el patrón de radiación del arreglo asumiendo que los elementos usados son antenas isotrópicas.

Ancho de haz: es la apertura angular del lóbulo principal medido en un determinado nivel de potencia constante.

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Directividad: es la medida del contraste de arreglo y es el radio de la potencia radiada por el arreglo en la dirección deseada a la potencia media radiada por el arreglo en todas las direcciones.

Red de lóbulos: son los lóbulos laterales que tienen una intensidad igual al lóbulo principal.

Figura 1: Arreglo Lineal Uniforme de 7 elementos.

Existen arreglos Lineales, Planares y Circulares.

ARREGLOS LINEALES

Arreglos de antenas isotrópicas Arreglos lineales uniformes con (n) antenas

isotrópicas Arreglos broadside Arreglos endfire

Un arreglo lineal es un arreglo compuesto de varios elementos colocados en línea recta. Se considera como un filtro espacial que pasa las señales de una cierta dirección y rechaza las señales de otras direcciones.

Un arreglo lineal uniforme es aquel en el que los elementos que lo conforman son alimentados con corriente de igual magnitud, con un desfase uniforme y progresivo a lo largo de la línea. Además los elementos están igualmente separados a lo largo de una línea recta.

Arreglos de antenas isotrópicasSe considera dos fuentes puntuales isotrópicas separadas a una distancia d como se muestra en la figura 2.

Figura 2: Dos antenas isotrópicas separadas a una distancia (d) radiando a un punto (p) muy lejano.

Si el punto P está debidamente alejado, se puede considerar que r1 y r2 son paralelas con lo que los ángulos φ1 y φ2 serían iguales y podemos denominarles simplemente φ. Sin embargo que r1 y r2 sean paralelas no significa que sean iguales pero se puede calcular la una en función de la otra.

Figura 3: Diagrama de un punto (p) considerablemente lejos de la fuente

En este caso de dos cargas puntuales debe calcularse el campo en el punto P debido a cada una estas cargas, entonces se tiene:

E1=E01e− jβr1

E2=E02e− jβr2e j∝

Figura 4: Diagrama de radiación de un arreglo de dos antenas

isotrópicas. K=0,5, d =3 λ2y α=π /2

Arreglos lineales uniformes.Las consideraciones que deben tomarse en los arreglos lineales uniformes de antenas isotrópicas son las siguientes:

Las antenas deben estar igualmente espaciadas

Deben estar linealmente ubicadas Con desfasamiento progresivo.

Figura 5: Arreglo de n elementos isotrópicos radiando a un punto (p) lejano

rn=r1−(n−1 )dcos∅

Los campos en el punto P debido a cada una de las antenas serán:

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En=E0 e− jβrne j(n−1)∝

ARREGLOS BROADSIDE

Se conoce también como arreglo transversal. Las principales características son:

Las corrientes que circulan por todas las antenas están en fase, es decir que α=0

La distancia de separación entre cada antena es de media longitud de onda.

En este tipo de arreglos es interesante conocer en donde ocurren los máximos y ceros primarios y secundarios, es así que se los puede calcular. Se

representar por ∅ 0 a los ángulos en los que ocurren y

por ∅max a los ángulos donde ocurren los máximos.

φ=¿

|E rE0|=|sin ( nφ2 )

sin (φ2) |

Se tendrá un cero cuando el sin ( nφ2

)= 0 esto ocurre

cuando nφ2

= o.180.360 grados o múltiplos de estos. Se

tiene entonces nφ2

=±kπ

Los máximos secundarios se pueden calcular de la siguiente manera:

cos∅mx=±2m+1m

∅mx=cos−1(±2m+1

m)

Ahora para tener el diagrama de radiación se utilizara la siguiente expresión:

ErE0

=|sin ( nπ2 cos∅ )

sin (π2cos∅ ) |

Figura 6: Diagrama de radiación de un arreglo broadside de 8 elementos.

Muestra la existencia de varios ceros y máximos secundarios para saber exactamente donde ocurren se puede utilizar las formulas dadas.

ARREGLOS ENDFIRE

Se conoce también como arreglo axialLas principales características son:

La distancia de separación entre las antenas es una distancia igual a un cuarto de la longitud de onda.

El desfase entre las corrientes es α=-βd

α=−2πλλ 4

=−π2φ= π

2(cosϕ−1)

Para este caso particular se puede calcular también el campo para obtener así el diagrama de radiación del arreglo.

ErE0

=|sin ( nφ2 )

sin (φ2) |

Como ejemplo se considerara un arreglo de 8 elementos en condiciones endfire.

ErE0

=|sin ( 4 φ2 )

sin (φ2) |

ErE0

=¿

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Figura 7: Diagrama de radiación de un arreglo endfire de 8 elementos.

Al igual que en el caso de Broadside se puede calcular donde ocurren los ceros y máximos secundarios. Además es importante anotar que el máximo principal en este arreglo ocurre para un Angulo φ=0°.

Los ángulos para los ceros y máximos secundarios se calculan de la siguiente manera:

nπ2

(cos ϕ0−1)

2=±kπ

cos∅ 0=±k2

+1∅ 0=cos−1(±k

2+1)

Corresponde ahora calcular los máximos:

cos∅mx=2 (2m+1 )m

+1=2m+14

+1

∅mx=cos−1(2m+1

4+1)

ARREGLO PLANARLos arreglos planares son aquellos en los que los elementos del arreglo se encuentran ubicados sobre una superficie bidimensional.Características.

Poseen mayor número de parámetros de control.

Poseen solo un lóbulo orientado. Distribución de corrientes en el arreglo es

uniforme. Es una extensión de un arreglo lineal en x y

uno en y.

Figura 8: Arreglo Planar

ARREGLOS CIRCULARES

Mayor directividad Comunicación larga distancia Alta potencia, optimización en el uso de

energía Posee la facultad de proporcionar una

configuración constructiva en algunas direcciones si desea añadir y destructiva si desea cancelar.

Popularidad en comunicaciones móviles e inalámbricas.

Figura 9: Arreglo Circular

3.RESULTADO

4.CONCLUSIONES

Las antenas inteligentes trabajan con arreglos donde todos los elementos son activos los cuales se encuentran en desarrollo técnico para proporcionar un mejor rendimiento y confiabilidad de las antenas

Múltiples antenas o arreglos combinados con procesamientos para implantar combinación de diversidad, la generación de lóbulos de radiación adaptables o procesamiento espacio tiempo para superar los efectos de propagación e interferencia por múltiples trayectorias.

Antenas reconfigurables alimentan redes y arreglos enteros que servirán en aplicaciones en que una sola antena convencional o un

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arreglo no es conveniente, entonces se tienen 3 tipos de antenas inteligente de haz conmutado, de seguimiento y de haz adaptativo.

5.REFERENCIAS

[1] Tomasi, Wayne, “Sistemas de Comunicaciones Electrónicas”, 2003, Cuarta Edición, Pearson Educación, México.

[2] Gómez, L., “Campo electromagnético. Propagación y radiación”capítulo13