MANUAL DE VHDL CON H
INVESTIGACION: TIPOS DE ANTENAS
TIPOS DE ANTENASQu es una antena?Una antena es un sistema
conductor metlico capaz de radiar y capturar ondas
electromagnticas. Las antenas son para conectar las lneas de
transmisin con el espacio libre, el espacio libre a lneas de
transmisin, o ambas cosas. Cabe mencionar que una lnea de
transmisin es aquella que acopla la energa de un transmisor o de un
receptor a traves de una antena. Cuando se dice que la antena es
receptora, quiere decir que una antena convierte las ondas
electromagnticas en energa elctrica en una lnea de transmisin; y
cuando es transmisora lo que hace es inverso a una receptora, esto
quiere decir que ahora una antena convierte la energa elctrica que
viaja por una lnea de transmisin a ondas electromagnticas que se
emiten por el espacio libre.Existe una gran diversidad de tipos de
antenas. A continuacin detallo algunos tipos de antenas:Dipolo de
media onda. Es una clase de antena entre las ms usadas para
frecuencias mayores a 2 MHz. A frecuencias menores a 2 MHz, la
longitud fsica de una antena de media onda la hace prohibitiva. Al
dipolo de media onda se le llama en general Antena de Hertz, en
honor a Heinrich Hertz, quien fue el primero en demostrar la
existencia de las ondas electromagnticas.Una antena de Hertz es una
antena resonante. Esto quiere decir, tiene un mltiplo de cuartos de
longitud de onda de largo, y tiene circuito abierto en los extremos
lejanos. A lo largo de una antena resonante se desarrollan ondas
estacionarias de voltaje y corriente.
Figura 1. Distribuciones idealizadas de voltaje y de corriente a
lo largo de un dipolo de media onda.La pauta de radiacin de un
dipolo de media onda en el espacio libre depende de si la antena se
pone en direccin horizontal o vertical con respecto a la superficie
terrestre. La radiacin mxima est en un plano paralelo a la
superficie terrestre. Mientras mayor es el ngulo de elevacin, la
radiacin es menor, y para 90 no hay radiacin.Este tipo de antenas
son empleadas para transmitir o recibir ondas de
radiofrecuencia.
Figura 2. Dipolo de media onda.Dipolo doblado.Un dipolo doblado
de dos alambres, con su onda estacionaria de voltaje asociada se
muestra en la Figura 3. El dipolo doblado es una antena nica
formada por dos elementos. Un elemento se alimenta en forma
directa, mientras que el otro tiene acoplamiento inductivo en los
extremos. Cada elemento tiene media longitud de onda de largo. Sin
embargo, como puede pasar la corriente por las esquinas, hay una
longitud de onda completa de corriente en la antena. Asi, para la
misma potencia de entrada, la corriente de entrada es la mitad del
dipolo bsico de media onda y la impedancia de entrada es 4 veces
mayor. Cabe mencionar que la impedancia de entrada en un dipolo
doblado es igual a la impedancia de media onda (72 ) multiplicada
por la cantidad de alambres doblados, elevada al cuadrado. Una de
las ventajas del dipolo doblado en comparacin con el dipolo bsico
es el mayor ancho de banda, debido a que las reactancias se
compensan y tambin tiene una mayor impedancia.
Figura 3. Dipolo doblado.Antena Yagi-Uda.Una antena muy usada
que usa con frecuencia un dipolo doblado como elemento excitado es
la Antena Yagi-Uda, en honor a dos cientficos japoneses que la
inventaron y describieron su funcionamiento. Es un conjunto lineal
formado por un dipolo y dos o ms elementos parsitos: un reflector y
uno o ms directores. En la figura 4 se muestra una Antena Yagi
sencilla de tres elementos. El elemento excitado es un dipolo
doblado de media onda, se dice elemento excitado debido a que est
conectado con la lnea de transmisin; sin embargo, se suele usar
solo para recibir. El reflector es una barra de aluminio, 5% ms
larga que el dipolo y el director se corta un 5% ms corto que
elemento excitado. La distancia entre los elementos comnmente puede
ser de 0.1 a 0.2 longitudes de onda, su directividad tpica es de 7
a 9 dB, se puede aumentar el ancho de banda aumentando el nmero de
dipolos doblados y su uso ms comn es para recepcin de seales de VHF
(Very High Frecuency) comprendidas entre el rango de 54 a 216 MHz.
Figura 4. Antena Yagi-Uda.Antena de Torniquete.Una antena de
torniquete se forma colocando dos dipolos en ngulo recto entre s,
desfasados 90, tal y como se muestra en la Figura 5. La pauta de
radiacin es la suma de las radiaciones de los dos dipolos, con lo
cual se obtiene una distribucin casi omnidireccional. Son
frecuentes las ganancias de las antenas torniquete de 10 a ms dB.
Figura 5. Antena de Torniquete.
Antena Log-peridica.Es una clase de antenas independientes de la
frecuencia. La ventaja principal de estas antenas es su
independencia de resistencia de radiacin y de la distribucin de la
radiacin, respecto a la frecuencia. Las antenas log-peridicas
tienen relaciones de ancho de banda de 10:1 o mayores. La relacin
de ancho de banda es el cociente de la frecuencia mxima entre la
mnima de operacin satisfactoria de una antena. Adems, las antenas
log-peridicas pueden ser unidireccionales o bidireccionales, y
tener una ganancia directiva de baja a moderada. Tambin se pueden
alcanzar altas ganancias usndolas como elementos de una red ms
complicada. Son utilizadas comnmente en aplicaciones de
comunicaciones de HF y VHF.El diseo consiste en una figura
geomtrica bsica que se repite, pero con distintos tamaos. Un
conjunto bsico log-peridico de dipolos es quizs lo que ms acerca un
periodo logartmico a una antena convencional, lo podemos observar
en la Figura 6. Consiste en varios dipolos de distinta longitud y
distancia, que se alimentan de una sola fuente en el extremo
pequeo. La lnea de transmisin esta en zigzag entre los puntos de
alimentacin de pares adyacentes de dipolos. Figura 6. Antena
Log-Peridica.Antena de cuadro.La antena de cuadro ms fundamental no
es ms que una bobina de una vuelta de alambre, bastante ms corto
que una longitud de onda, y conduce corriente de RF. La podemos
observar con ms detalle en la Figura 7. Si el radio r es pequeo en
comparacin con una longitud de onda, la corriente esta
esencialmente enfasada por la espira. La espira est rodeada por un
campo magntico en ngulo recto con el alambre, y la pauta
direccional es independiente de la forma exacta. Es utilizada
comnmente para aplicaciones de muy baja frecuencia, su polarizacin
es lineal. Se utilizan para aplicacin de comunicaciones mviles.La
resistencia de radiacin para una espira pequea es:
En la que A es el rea de la espira. Cabe mencionar, que la
resistencia de radiacin de un cuadro de varias vueltas no es ms que
la de una sola vuelta multiplicada por la cantidad de vueltas
elevada al cuadrado. Figura 7. Antena de Cuadro.Antena
Helicoidal.Una antena helicoidal es una de VHF o de UHF, ideal para
aplicaciones donde se requiere irradiar ondas electromagnticas de
polarizacin circular, ms que de polarizacin horizontal o vertical.
Una antena helicoidal se puede usar como antena de un solo
elemento, o se puede colocar en direccin horizontal o vertical en
un conjunto, con el fin de modificar su pauta de radiacin,
aumentando la ganancia y disminuyendo el ancho de banda del lbulo
primario.En la Figura 8 se muestra una antena helicoidal bsica de
radiacin longitudinal. El elemento excitado de la misma es una
hlice rgida, con espiras espaciadas y con la longitud aproximada
del eje igual al producto de la cantidad de vueltas por la
distancia entre las vueltas.
Figura 8. Antena Helicoidal de radiacin longitudinal.Con una
antena helicoidal hay dos modos de propagacin: normal y axial. En
el modo normal, la radiacin electromagntica es en el ngulo recto
con el eje de la hlice. En el modo axial, la radiacin va en
direccin axial y produce una distribucin de banda ancha y
relativamente direccional.La ganancia de una antena helicoidal
depende de varios factores, que incluyen el dimetro de la hlice D,
la cantidad de vueltas en la hlice N, distancia entre vueltas S, y
la frecuencia de operacin. La ecuacin que define la ganancia es la
siguiente:
Para antenas comunes se pueden encontrar desde 3 hasta 20
vueltas con ganancias de 15 a 20 dB.
Figura 9. Prototipo de una Antena Helicoidal.Antena de reflector
parablico.Este tipo de antenas proporcionan ganancias y
directividades extremadamente altas, y son muy usadas en los
enlaces de comunicaciones por radio y satlite. Una antena parablica
consiste en dos partes principales: un reflector parablico y el
elemento activo llamado mecanismo de alimentacin. En esencia el
mecanismo de alimentacin encierra la antena primaria, que
normalmente es un dipolo o una red de dipolos; la antena irradia
ondas electromagnticas hacia el reflector. El reflector es un
elemento pasivo, que tan solo refleja la energa que llega del
mecanismo de alimentacin. Es probable que el reflector parablico
sea el componente ms fundamental en estos tipos de antenas. Los
reflectores parablicos se asemejan en forma a un plato o a una
fuente, y en consecuencia se les llama a veces antenas de plato
parablico o simplemente antenas de plato.
Figura 11. Antena Parablica.
Estas antenas usan un plato reflector con la forma de una
parbola para enfocar las ondas de radio recibidas por la antena a
un punto focal. La parbola tambin funciona para capturar la energa
radiada por la antena y enfocarla en un haz estrecho al transmitir.
Antena de cuerno cnico.Una antena de cuerno cnico consiste en un
cono que se trunca en un tramo circular de gua de ondas, tal y como
se muestra en la Figura 12. A su vez, la gua de ondas conecta a la
antena con el transmisor o con el receptor. Si el cuerno mismo se
usa como antena, el ngulo del cono que a veces se llama ngulo de
conicidad, se hace de unos 50. En este caso, la longitud del cono
truncado determina la ganancia de la antena. Cuando se usa un
cuerno cnico como mecanismo de alimentacin de un plato parablico,
el ngulo de conicidad y la longitud se ajustan para obtener la
iluminacin optima del reflector. El mecanismo de alimentacin ms
sencillo se obtiene cuando el cuerno cnico est en el foco del
reflector.
Figura 12. Antena de cuerno cnico.Antena rmbica. La antena
rmbica es una antena no resonante capaz de funcionar en forma
satisfactoria con un ancho de banda relativamente grande, por lo
que es ideal para transmisin de HF (de 3 a 30 MHz). Est formada por
cuatro elementos no resonantes, cada uno de varias longitudes de
onda de largo. Todo el conjunto se termina en un resistor si se
desea tener operacin unidireccional.El arreglo que ms se usa para
la antena rmbica se asemeja a una lnea de transmisin que se ha
estrangulado en su parte media, esto se muestra en la Figura 13. La
antena se monta horizontalmente y se coloca a media longitud de
onda, o ms, sobre el piso. Cada conjunto de elementos funciona como
una lnea de transmisin terminada en su impedancia caracterstica;
asi, las ondas solo se irradian hacia adelante. El resistor
terminador absorbe ms o menos la tercera parte de la potencia total
de entrada a la antena.
Figura 13. Antena rmbica.Antena Flat Panel.Las antenas de panel
plano como su nombre lo dice son un panel con forma cuadrada o
rectangular, y estn configuradas en un formato tipo patch. Las
antenas tipo Flat Panel son muy direccionales ya que la mayora de
su potencia radiada es una sola direccin ya sea en el plano
horizontal o vertical. Las antenas Flat Panel pueden ser fabricadas
en diferentes valores de ganancia de acuerdo a su construccin. Esto
puede proveer excelente directividad y considerable ganancia.
Figura 10. Antena Flat Panel.
BIBLIOGRAFIA Sistemas de Comunicaciones Electrnicas 4ta Edicin,
Tomasi Capitulo 10 Antenas y Guas de Onda. Antenas Ediciones UPC,
Cardama Aznar, Capitulo 7 Antenas de Banda Ancha.
http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/transparencias/Antenas_tema_1.pdf
