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7/24/2019 Radiocomunicaciones _Ramos Pascal_1

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ANTENAS


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CAPTULO 3: ANTENAS

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Definicin de antena

Antena:

Transductor entre el medio guiado y el medio radiado. Regin de transicinentre una zona donde existe una onda electromagntica guiada y una ondaen el espacio libre, a la que se puede adems asignar un carcter direccional.

Aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseada especficamentepara radiar o recibir ondas electromagnticas (IEEE Std. 145-1983).

Transmisor Receptor

cable, lnea de tx,gua-onda

espacio libre

HE

,

medio guiado

antena tx antena rx

VI,

- Interesa que la antena tenga un buen rendimiento como transmisora/receptora.

Tipos de antenas

Antenas lineales o de hilo:

Estn construidas a partir de hilos conductores que soportan las corrientesque dan lugar a los campos radiados.

dipolos

dipolos en V

hlice

espira


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CURSO DE RADIOCOMUNICACIONES

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Tipos de antenas

Antenas de apertura y reflectores:

Distribucin de campos soportada por la propia antena. Se suelen excitar conguas de onda.

reflector

de esquina

reflector parablico

lente

bocinas

Tipos de antenas

Agrupaciones de antenas:

Combinacin de varios elementos para obtener determinadas caractersticasde radiacin.

MU Radar (Kyoto)

Allen Telescope Array (California)

antena Yagi - Uda


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CAPTULO 3: ANTENAS

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Sistema de coordenadas utilizado

La antena se supone colocada en el origen de coordenadas. La distancia ala antena queda determinada por r, mientras que (, ) representan lasdirecciones de propagacin de los campos electromagnticos salientes dela antena para grandes distancias.

Coordenadas esfricas

r

cos

sensen

cossen

rz

ry

rx

z

yxr

cos

sensencossen

Mecanismo de radiacin

Ecuaciones de Maxwell:

t

DJH

t

BE

D

0 B

EED r

0HHB r

0

E: intensidad de campo elctrico (V/m)

H: intensidad de campo magntico (A/m)

D: induccin de campo elctrico (C/m2)

B: induccin de campo magntico (tesla)J: densidad de corriente (A/m2)

: densidad de carga elctrica (C/m3): permitividad elctrica (F/m): permitividad magntica (H/m): conductividad (S/m)

Medios materiales:

EjjJH fuentes

permitividad compleja (medio con prdidas)

EJ

Ley de Ohm:

Variacionestemporales

ejt

(= 2f)


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Potenciales retardados:

Funciones auxiliares que simplifican la resolucin de las ecuaciones de Maxwelly que a partir de ellas se obtienen los campos electromagnticos.

r

rrR

r

r

rA

V

dVantena

rJ

r

x

y

z

dV

R

jkRrJrA

V

4

exp

dVR

jkRrr

V

4

exp

AjE

AB

Constante de propagacin:

: longitud de onda

ck 2

P


Aproximaciones de campos lejanos:

En antenas nos interesa conocer los campos producidos a grandes distancias:

mx,1 rrkR

rR

rrrR

rArjE

ArjH

r

R

r

antena

x

y

z P

vectore

s

paralelos

: impedancia del medio = 120 (vaco)

Relaciones entre campos E y H:(ortogonales entre s y a su vez a la

direccin de propagacin)

rHE

Er

H

E

H

r


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CAPTULO 3: ANTENAS

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Zona de campos prximos (Rayleigh):

Zona de campos prximos radiados (Fresnel):

Zona de campos lejanos (Fraunhofer):

dmx: dimensin mxima de la antena

3

mx1 62,0

dRr

2

mx21

2dRrR

2Rr

Regiones de radiacin

R1

R2

rR2

E

onda localmenteplana:

rE

1

comportamientoreactivo

Vector de Poynting:

0: impedancia del medio = 120

]W/m[Re,, 2*HErrP

0,,,0

22

rE

EErP

E

H

0H

E

S

rad dSrPW ,,

Potencia total radiada: - Antena isotrpica: rada por igual en todaslas direcciones.

24 r

WP radiso

(no depende de , )

Densidad de potencia radiada

direccin en la quefluye la energaelectromagntica

valores eficaces


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Sd

r

d

Intensidad de radiacin:

Potencia radiada por unidad de ngulo slido en una determinada direccin.Es independiente de la distancia a la que se encuentre la antena.

]W/Sr[,,, 2rrPK

- Antena isotrpica:

4

radiso

WK

- Diferencial de ngulo slido:

dd

r

dSd

sen

2

(no dependede r, , )

Intensidad de radiacin

4

, dKWrad

Potencia total radiada:

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Diagrama de radiacin:

Es una representacin grfica de las propiedades de radiacin de la antena,en funcin de las distintas direcciones del espacio y a una distancia fija. Sueleemplearse un sistema de representacin en coordenadas esfricas.

mxmx

2

mx

2

,,,,,,

K

K

rP

rP

rE

rEt

1,0 t

Corte = cte Corte = cte

3D 3D

2D 2D

mxr

mxr

(funcinnormalizada)mximo de

radiacin

Diagrama de radiacin


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CAPTULO 3: ANTENAS

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distribucinplano-H

distribucinplano-Eplano-E

plano-H

E

H

Corte en plano-E


Cortes del diagrama de radiacin:

Plano-E: formado por la direccin de mxima radiacin y el vector campo elctrico.Plano-H: formado por la direccin de mxima radiacin y el vector campo magntico.

Lbulo principal

Lbulos secundarios

Lbulo lateral

Lbulo posterior

Ancho de haz a -3 dB

Ancho de haz entre nulos

Nivel de lbulo principal a

secundario (NLPS):

Relacin delante/atrs (F/B):

Parmetros:

st 10log10dBNLPS

180log10dBF/B mx10 t

- Interesan valores grandes de NLPS y F/B,pues los lbulos secundarios de la antenacontribuyen a generar interferencias.


0-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

180-180

3dB

NLPS (dB)F/B (dB)

ss dBt


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Funcin directividad:

Relacin entre la densidad de potencia radiada por una antena a una ciertadistancia y en una determinada direccin, y la densidad de potencia queradiara una antena isotrpica con la misma potencia radiada:

4

,

4

,,,

2

radrad W

K

rW

rPD

Directividad:

14, 2mx

mxmx rWrP

DDrad

,, tDD

- Antena isotrpica: 1D

antenadirectiva

D

antenapoco

directivaD

Directividad

Ejemplos de clculo:

Directividad

rr

A sen

20

0

2

2

0 0

2

0 sen AddASdWS

rad

4

44 202

2

0

2

mx

rA

rA

rW

rPD

rad

rr

A sen2

2

0

0

2

0 0

3

03

8sen AddASdW

S

rad

23

1284 20

20

2

mx

rA

rArW

rPDrad


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CAPTULO 3: ANTENAS

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eqS

S

rad

dtddr

rP

rP

r

dSrP

rPr

rW

rPD

4

,

4

sen,,

4

,,

4

4

4

2

mx

2

mx

2

2

mx

Pmx

,

Pmx

eq(misma potencia radiada)

- Antena isotrpica: 4eq

Directividad

ngulo slido equivalente:

4

, dteq

(todo el espacio)

Aproximacin piramidal:

Se utiliza para estimar de una forma sencilla la directividad de antenas con unancho de haz reducido (antena tipo pincel D> 20 dB).

r

3dB

3dB

SdBdB

dBdBeq

r

rr

r

S332

33

2

dBdBeq

D33

44

Ejemplo: Antena con un ancho de haz de 1 en dos planos perpendiculares

dB15,46129600

1180

442

33

dBdB

D

Directividad


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I

V

I

VZin

aaa jXRZ

- Mxima transferencia depotencia (adaptacin):

*

ag ZZ

ag

ag

XX

RR

Za: impedancia de antena

Ra

: resistencia de antena

Xa: reactancia de antena

Zg: impedancia del transmisor

Rg: resistencia del transmisor

Xg: reactancia del transmisor

ggg jXRZ

Antena resonante:

r: pulsacin de resonancia

0raX

Za

Zg

Vg~

Went

antena

transmisor

I

Impedancia y adaptacin en transmisin

Potencia entregada a la antena:

222 IRIRIRWWW araddisipradent

RRR rada

Wdisip

efectoJoule

Wrad

Went

Eficiencia de prdidas hmicas:Rendimiento de la antena en trminos de prdida de potencia:

Wdisip: potencia disipada en la antena

Rrad: resistencia de radiacin

R: resistencia de prdidas hmicas

RR

R

W

W

rad

rad

ent

radt 10 t

Impedancia y adaptacin en transmisin