Teoría de las Antenas.

Las antenas son un componente muy importante en una comunicación inalámbrica. La antena es un dispositivo que emite y recepciona una señal de RF (Radio frecuencia) que viaja por un conductor y lo transforma en una onda electromagnética en el espacio abierto. Las antenas no generan potencia, solo pueden direccionarla. La unidad en que se expresa la ganancia es en dBi. Las antenas deben cumplir con la propiedad de reciprocidad. La misma antena debe tener: la propiedad de transmitir como de recibir. Son elementos pasivos a diferencia de los equipos que producen una potencia y se denominan elementos activos.

Tipos de Antenas.

Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres son:

* Antenas Dipolo

* Antenas Dipolo multi-elemento

* Antenas Yagi

* Antenas Panel Plano (Flat Panel)

* Antenas parabólicas (plato parabólico)

* Antenas de Ranura.

* Antenas Microstrip.

Antenas Dipolo:

Todas las antenas de dipolo tienen un patrón de radiación generalizado. Primero el patrón de elevación muestra que una antena de dipolo es mejor utilizada para transmitir y recibir desde el lado amplio de la antena. Es sensible a cualquier movimiento fuera de la posición perfectamente vertical. Se puede mover alrededor de 45 grados de la verticalidad antes que el desempeño de la antena se degrade más de la mitad. Otras antenas de dipolo pueden tener diferentes cantidades de variación vertical antes que sea notable la degradación.

antena dipolo.

Antenas Dipolo Multi-Elemento:

Las antenas multi-elemento tipo dipolo cuentan con algunas de las características generales del dipolo simple. Cuentan con un patrón de elevación y azimut 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. Con el uso de múltiples elementos en la construcción de la antena, esta puede ser configurada para diferentes ganancias, lo cual permite diseños con características físicas similares.

Antenas Yagi:

Estas se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el número de elementos directores) determina la ganancia y directividad. Las antenas Yagi no son tan direccionales como las antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.

Antenas Panel Plano (Flat Panel):

Las antenas de panel plano como su nombre lo dice 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.

Antena de Ranura:

Las antenas de ranura cuentan con características de radiación muy similares a las de los dipolos, tales como los patrones de elevación y azimut, pero su construcción consiste solo de una ranura estrecha en un plano, las antenas de ranura proveen poca ganancia, y no cuentan con alta direccionabilidad, como evidencian su patrones de radiación y su similiridad al de los dipolos. Su más atractiva característica es la facilidad de construcción e integración en diseños existentes, así como su bajo costo. Estos factores compensan por su desempeño poco eficiente.

Antenas Microstrip:

Estas antenas pueden ser hechas para emular cualquiera de los diferentes tipos de antenas antes mencionados. Las antenas microstrip ofrecen varios detalles que deben de ser considerados. 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. En muchos casos, esta limitación de frecuencia de operación puede ser benéfico para el desempeño del radio. Debido a sus características las antenas microstrip no son muy adecuadas para equipos de comunicación de banda amplia.

Características de las antenas:

Una antena es un dispositivo hecho para transmitir (radiar) y recibir ondas de radio (electromagnéticas). Existen varias características importantes de una antena que deben de ser consideradas al momento de elegir una específica para su aplicación:

* Patrón de radiación.

* Ganancia.

* Directividad.

* Polarización.

Patrones de Radiación:

El patrón de radiación de una antena se puede representar como una grafica tridimensional de la energía radiada vista desde fuera de esta. Los patrones de radiación usualmente se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimut. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de perfil. El patrón de azimut es una gráfica de la energía radiada vista directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una representación tridimensional de como es realmente radiada la energía desde la antena.

patrón de radiación en 3D

Ganancia:

La ganancia de una antena es la relación entre la potencia que entra en una antena y la potencia que sale de esta. Esta ganancia es comúnmente referida en dB'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. Una antena isotrópica es aquella que cuenta con un patrón de radiación esférico perfecto y una ganancia lineal unitaria.

Directividad:

La directividad de la antena es una medida de la concentración de la potencia radiada en una dirección particular. Se puede entender también como la habilidad de la antena para direccionar la energía radiada en una dirección especifica. Es usualmente una relación de intensidad de radiación en una dirección particular en comparación a la intensidad promedio isotrópica.

Polarización:

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. La antena transmisora debe de tener la misma polaridad de la antena receptora para máximo rendimiento.

Ondas Esféricas.

Las ondas esféricas a diferencia de las longitudinales se propagan de forma circular en todas las direcciones. Estas ondas también pueden ser longitudinales y transversales; es decir, su propagación se puede realizar en el mismo sentido de la perturbación o de forma transversal a la misma. Las ondas esféricas se caracterizan por tener un frente de onda o superficie de onda que se define como el lugar geométrico donde los puntos generados por la perturbación inicial de la fuente puntual, chocan con las partículas del medio de propagación.

La expresión matemática del desplazamiento de una onda esférica se relaciona de la siguiente manera:

Radiación.

El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama radiación electromagnética.

Casos Elementales de Antenas.

Dipolo elemental eléctrico:

Este elemento de corriente o dipolo elemental tiene importancia por sí mismo, ya que un gran número de antenas en baja frecuencia poseen estas características y además, por superposición de elementos de corriente, pueden ser analizadas distribuciones de mayor longitud y no uniformes. El diagrama de radiación de campo es similar en apariencia al de potencia, pero la función representada sería en este caso Seno de a.

Espira cargada con ferrita:

Una antena muy usada en receptores de radiodifusión es un solenoide cargado con un núcleo de ferrita, que actúa como material de alta permeabilidad.

Al introducir un material magnético en el interior de una espira se produce un aumento de la intensidad del campo magnético y de flujo a través de ésta y por la ley de Faraday tenemos un correspondiente aumento de la fuerza electromotriz inducida en la espira, que es realmente la tensión que medimos en los bornes de la carga que pongamos en la espira.

Antena Cilíndrica:

El modelo de antena más sencillo es el denominado de antena cilíndrica, que consiste en un hilo fino recto conductor, de dimensión 2H y radio a (a<< l ) alimentado con un generador en su centro. Experimentalmente se ha visto que la distribución de corriente en este tipo de antenas es aproximadamente sinusoidal, con un cero de corriente en los extremos.

Teoría del Potencial.

La expresión "teoría del potencial" aparece del hecho que, en la física del siglo XIX, se creía que las fuerzas fundamentales de la naturaleza se obtenían a través de potenciales que satisfacían la ecuación de Laplace. Por lo tanto, la teoría del potencial fue el estudio de las funciones que podían servir como potenciales. Hoy en día, se sabe que la naturaleza es aún más complicada: las ecuaciones que describen fuerzas son sistemas de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales no lineales, tal como las ecuaciones de Einstein y las ecuaciones de Yang-Mills, y la ecuación de Laplace es solo válida como un caso límite. Sin embargo, el término "teoría del potencial" ha permanecido como un término conveniente para describir el estudio de las funciones que satisfacen la ecuación de Laplace. También es cierto que la ecuación de Laplace se utiliza en aplicaciones en diversas áreas de la física, tal como la conducción de calor y la electrostática.

Polarización.

Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).

En antenas profesionales de comunicaciones por satélite, es habitual que una misma antena trabaje con ambas polarizaciones ortogonales a la vez, de modo que se duplique el ancho de banda disponible para la señal en el enlace. Para ello, se coloca junto al alimentador un transductor orto-modo, que dispone de un puerto de guía de ondas circular conectado a la bocina y dos puertos de guía de ondas rectangulares ortogonales, cada uno de los cuales trabaja en una polarización distinta. Si, en cada uno de estos puertos, se coloca un diplexor, que separe las bandas de frecuencia de emisión y recepción, se tratará de un alimentador de cuatro puertos con el que una misma antena será capaz de emitir y recibir en ambas polarizaciones simultáneamente. En otras ocasiones, estas antenas disponen de solo dos puertos, uno para emitir en una polarización y el otro para recibir en la polarización opuesta.

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Bolivariana

Guacara, Edo. Carabobo

Extensión: Guacara

Autores:

Luis Acevedo C.I 21.217.917

Richard Lopez C.I 20.761.098

Misael Martínez C.I 8.359.839

Samuel Ramírez C.I 19.375.224

4 de Noviembre; 2013

Introducción.

Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación específicamente diseñadas para radiar o recibir ondas electromagnéticas.

También se pueden definir como los dispositivos que adaptan las ondas guiadas, que se transmiten por conductores o guías, a las ondas que se propagan en el espacio libre.

Los sistemas de Comunicaciones utilizan antenas para realizar enlaces punto a punto, difundir señales de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles.