Antena

Una antena és un dispositiu normalment conductor metàlic, dissenyat en l'objectiu d'emetre i/o rebre ones electromagnètiques cap a l'espai lliure. Una antena transmisora transforma energia elèctrica en ones electromagnètiques, i una receptora realisa la funció inversa. Existix una gran diversitat de tipos d'antenes. En uns casos deuen expandir en lo possible la potència radiada, és dir, no deuen ser directives (eixemple: una emissora de ràdio comercial o una estació base de teléfons mòvils), atres voltes deuen ser-ho per a canalisar la potència en una direcció i no interferir a atres servicis (antenes entre estacions de radioenlaces). Les característiques de les antenes depenen de la relació entre les seues dimensions i la llongitut d'ona de la senyal de radiofrecuencia transmesa o rebuda. Si les dimensions de l'antena són molt més chicotetes que la llongitut d'ona les antenes es denominen elementals, si tenen dimensions de l'orde de mija llongitut d'ona es diuen resonantes, i si el seu tamany és molt major que la llongitut d'ona són directives.

Antena d'ona curta "Cortina", Moosbrunn, Àustria

Antena per a Comunicacions per satèlit en banda-C de 15 m de diàmetro.

Diagrama animat de l'antena dipol que irradia ones de ràdio. El problema de la radiació, formació i emissió de les ones electromagnètiques pot ser resolt, solucionant les equacions de Maxwell, un método directe s'ha propost recentment.

Un diagrama animat d'una antena dipol de recepció d'ona de radi

Paràmetros d'una antena

Les antenes es caracterisen per una série de paràmetros, estant els més habituals descrits a continuació:

Diagrama de radiació

És la representació gràfica de les característiques de radiació d'una antena, en funció de la direcció (coordenades en azimut i elevació), lo més habitual és representar la densitat de potència radiada, encara que també es poden trobar diagrames de polarisació o de fase. Atenent al diagrama de radiació, podem fer una classificació general dels tipos d'antena i podem definir la directividad de l'antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional,…). Dins dels diagrames de radiació podem definir diagrama copolar aquell que representa la radiació de l'antena en la polaridad desijada i contrapolar al diagrama de radiació en polaridad contraria a la que ya té.

Diagrama de radiació

Els paràmetros més importants del diagrama de radiació són:

• Direcció d'apuntamiento: És la de màxima radiació. Directividad i Guany.
• Lòbul principal: És el marge angular entorn a la direcció de màxima radiació.
• Lòbuls secundaris: Són el restant de màxims relatius, de valor inferior al principal.

• Ample de fes: És el marge angular de direccions en les que el diagrama de radiació d'un fes pren un valor de 3dB per baix del màxim. És dir, la direcció en la que la potència radiada es reduïx a la mitat.
• Relació de lòbul principal a secundari (SLL): És el cocient en dB entre el valor màxim delòbul principal i el valor màxim delòbul secundari.
• Relació davant-arrere (FBR): És el cocient en dB entre el valor de màxima radiació i el de la mateixa direcció i sentit opost.

Ample de banda

És el marge de freqüències en el qual els paràmetros de l'antena complixen unes determinades característiques. Es pot definir un ample de banda d'impedència, de polarisació, de guany o d'atres paràmetros. L'ample de banda està determinat per les freqüències superior i inferior anara de les quals el nivell d'energia en l'antena decreix a més de 3dB.

Directividad

La Directividad (D) d'una antena es definix com la relació entre l'intensitat de radiació d'una antena en la direcció del màxim i l'intensitat de radiació d'una antena isotrópica que radia en la mateixa potència total:

___*$D=U(max)/U(iso)$

La Directividad no tiene unidades y se suele expresar en unidades logarítmicas (dBi) como:

$D=10\cdot \log (U(max)/U(iso))dBi$

Guany

Es definix com el guany de potència en la direcció de màxima radiació. El Guany (G) es produïx per l'efecte de la directividad en concentrar-se la potència en les zones indicades en el diagrama de radiació.

___*$G=10\log [4piU(max)/P(in)]$

L'unitat de Guany (G) d'una antena és el dBd o dBi, depenent si esta es definix respecte a un dipol de mija ona o a la isotrópica.

Eficiència

Relació entre la potència radiada i la potència entregada a l'antena. També es pot definir com la relació entre guany i directividad.

___*$e=P(r)/P(in)=G/D$

El paràmetro i (eficiència) és adimensional.

Impedència d'entrada

És l'impedència de l'antena en les seues terminals. És la relació entre la tensió i la corrent d'entrada. ___*$Z=\frac{V}{I}$. L'impedència és un número complex. La part real de l'impedència es denomina Resistència d'Antena i la part imaginària és la Reactància. La resistència d'antena és la suma de la resistència de radiació i la resistència de pèrdues. Les antenes es denominen resonantes quan s'anula la seua reactància d'entrada.

Obertura de fes

És un paràmetro de radiació, lligat al diagrama de radiació. Es pot definir l'ample de fes a -3dB, que és l'interval angular en el que la densitat de potència radiada és igual a la mitat de la potència màxima (en la direcció principal de radiació). També es pot definir l'ample de fes entre zeros, que és l'interval angular del fes principal del diagrama de radiació, entre els dos zeros adjacents al màxim.

Polarisació

Artícul principal → Polarisació electromagnètica.

Les antenes creen camps electromagnètics radiados. Es definix la polarisació electromagnètica en una determinada direcció, com la figura geomètrica que traça l'extrem del vector camp elèctric a una certa distància de l'antena, en variar el temps. La polarisació pot ser llineal, circular i elíptica. La polarisació llineal pot prendre distintes orientacions (horisontal, vertical, +45°, -45°). Les polarisació circular o elíptica poden ser a dretes o esquerres (dextrógiras o levógiras), segons el sentit de gir del camp (observat alluntant-se des de l'antena). En el marc d'antenes es definix un coeficient de desacoplo per polarisació. Est medix la cantitat de potència que és capaç de rebre una antena polarisada d'una forma en una llongitut efectiva ___*${\overrightarrow{l}}_{ef}$ d'un campo eléctrico incidente con una determinada polarisació ${\overrightarrow{E}}_{in}$. d'este modo, el coeficiente de desacoplo por polarisació se define como:

$C_p=\frac{|{\overrightarrow{E}}_{in}\cdot {\overrightarrow{l}}_{ef}|}{|{\overrightarrow{E}}_{in}|\cdot |{\overrightarrow{l}}_{ef}|}$

d'esta manera, obtenemos la fracció de potencia que finalmente la antena es capaz de recibir, multiplicando la potencia incidente en la antena por este coeficiente definido anteriormente, de la forma:

$P_{rec}=P_{in}\cdot C_p$

Es diu diagrama copolar al diagrama de radiació en la polarisació desijada i diagrama contrapolar (crosspolar, en anglés) al diagrama de radiació en la polarisació contrària. En antenes professionals de comunicacions per satèlit, és habitual que una mateixa antena treballe en abdós polarisació ortogonals al mateix temps, de modo que es duplique l'ample de banda disponible per a la senyal en l'enllaç. Per a això, es coloca junt a l'alimentador un transductor ortomodo, que dispon d'un port de guia d'ones circular conectat a la bocina i dos ports de guies d'ones rectangulars ortogonals, cada u dels quals treballa en una polarisació distinta. Si en cada u d'estos ports es coloca un diplexor que separe les bandes de freqüència d'emissió i recepció, es tractarà d'un alimentador de quatre ports en el que una mateixa antena serà capaç d'emetre i rebre en abdós polarisació simultàneament. En atres ocasions, estes antenes disponen de sol dos ports, un per a emetre en una polarisació i l'atre per a rebre en la polarisació oposta.

Relació Davant/Arrere

Este paràmetro es definix com la relació existent entre la màxima potència radiada en una direcció geomètrica i la potència radiada en el sentit opost. Quan esta relació és reflectida en un gràfic en escala en dB, el ràtio F/B (Front/Back) és la diferència en dB entre el nivell de la màxima radiació i el nivell de radiació a 180 graus. Este paràmetro és especialment útil quan l'interferència cap a arrere és crítica en l'elecció de l'antena que anem a utilisar. Esta relació, ademés ho podem vore des d'un atre punt de vista, indicant lo bona que és l'antena en el rebuig de les senyals provinents de la part atrassera. Rara volta és verdaderament important, ya que les interferències per la part atrassera no ocorren habitualment, pero pot succeir. La relació F / B no és un número molt útil, ya que a sovint varia enormement d'un canal a un atre. Per supost, si es té el patró de radiació, llavors no es necessita la relació F/B. Comparant una antena Yagi en una parabòlica, podem vore que per a l'antena Yagi tenim una relació F/B d'aproximadament 15 dB (segons model i fabricant) mentres que per a la parabòlica la relació F/B és >35dB (segons model i fabricant). D'esta forma observem com és "de bona" una antena respecte al rebuig de senyals per la part atrassera. Quant major siga este paràmetro en les antenes parabòliques millor serà. Els 15 dB de l'antena Yagi ho podem interpretar també com l'atenuació que tindríem en el sistema, en cas de captar una ona rebotada per eixemple d'un edifici, per la part atrassera d'esta.

Resistència de radiació

Quan se li suministra potència a una antena, part d'ella es irradia i una atra part es convertix en calor dissipant-se. Quan es parla de resistència de radiació, es fa tenint en conte que no es pot medir de forma directa. Si es reemplaça l'antena per la resistència de radiació, esta, faria el seu treball, és dir, dissiparia la mateixa cantitat de potència que la que irradiaría l'antena. La resistència de radiació és igual a la relació de la potència radiada per l'antena dividida pel quadrat de la corrent en el seu punt d'alimentació.

___*$Rr=\frac{P}{i^2}$

En a on:

Rr = Resistència de radiació (Ohms)

P = Potencia radiada per l'antena (Watts)

i = Corrent de l'antena en el punt d'alimentació (Amperes)

Es podria obtindre l'eficiència d'una antena, ya que és la relació de la potència radiada i la potència dissipada.

Classificació clàssica de les antenes

Antenes i paràboles sobre el castell de Santa Bàrbara, Alacant, Espanya.

Existixen tres tipos bàsics d'antenes: antenes de fil, antenes d'obertura i antenes planes. Aixina mateix, les agrupacions d'estes antenes (arrays) se solen considerar en la lliteratura com un atre tipo bàsic d'antena.

Antenes de fil

Les antenes de fil són antenes els elements radiants de les quals són conductors de fil que tenen una secció despreciable respecte a la llongitut d'ona de treball. Les dimensions solen ser com a màxim d'una llongitut d'ona. S'utilisen extensament en les bandes de MF, HF, VHF i UHF. Es poden trobar agrupacions d'antenes de fil. Eixemples d'antenes de fil són:

• el monopol vertical
• el dipol i la seua evolució, l'antena Yagi
• l'antena espira
• l'antena helicoidal és un tipo especial d'antena que s'usa principalment en VHF i UHF. Un conductor descriu una hèliç, conseguint aixina una polarisació circular. Les antenes de fil s'analisen a partir de les corrents elèctriques dels conductors.

Antenes d'obertura

Les antenes d'obertura són aquelles que utilisen superfícies o obertures per a dirigir el fes electromagnètic de manera que concentren l'emissió i recepció del seu sistema radiant en una direcció. La més coneguda i utilisada és l'antena parabòlica, tant en enllaços de ràdio terrestres com de satèlit. El guany de dites antenes està relacionada en la superfície de la paràbola, a major tamany major colimación del fes tindrem i per lo tant major directividad. L'element radiant és l'alimentador, el qual pot allumenar de forma directa a la paràbola o en forma indirecta per mig d'un subreflector. L'alimentador està generalment ubicat en el foc de la paràbola. L'alimentador, en sí mateixa, també és una antena d'obertura (es denominen antenes de bocina) que pot utilisar-se sense reflector, quan l'objectiu és una cobertura més àmplia (i. g. quan es pretén cobrir la totalitat de la superfície de la terra des d'un satèlit en òrbita geoestacionaria). Es pot calcular la directividad d'este cert tipo d'antenes, ___*$D_0$, con la siguiente expresión, a on $S$ es el área y $\lambda$ es la longitut d'onda:

$D_0=4\pi \frac{S}{{\lambda }^2}$

Reflectores parabòlics

Hi ha varis tipos d'antenes d'obertura, com l'antena de bocina, l'antena parabòlica, l'antena parabòlica del Radar Doppler i superfícies reflectoras en general.

Antenes planes

Un tipo particular d'antena plana són les antenes d'obertura sintètica, típiques dels radars d'obertura sintètica (SAR).

Agrupacions d'antenes

Agrupació (array) d'antenes.

Les agrupacions (arrays) d'antenes estan formats per un conjunt de dos o més antenes ordenades de tal forma que en el seu conjunt es comporten com una única antena en un diagrama de radiació propi. La característica principal de les agrupacions d'antenes és que el seu diagrama de radiació és modificable, podent adaptar-ho a diferents aplicacions/necessitats. Açò es conseguix controlant de manera individual'amplitut i fase de la senyal que alimenta a cada u dels elements de l'agrupació. Atenent a la distribució de les antenes que componen un apany podem fer la següent classificació:

• Arrays llineals: Els elements estan disposts sobre una llínea.
• Arrays plans: Els elements estan disposts bidimensionalmente sobre un pla.
• Arrays conformats: Els elements estan disposts sobre una superfície curva. A nivell d'aplicació els arrays d'antenes s'utilisen per a la construcció d'antenes inteligents. Una definició bàsica d'un sistema d'antenes inteligents és qualsevol configuració adaptativa de múltiples antenes que milloren el rendiment d'un sistema de comunicacions inalàmbriques. Les característiques de les antenes inteligents en uns fas de radiació en una major directividad (és dir, major guany i major selectivitat angular), proporcionen múltiples ventages:

• Increment de la zona de cobertura: Ya que el guany és major que en el cas d'antenes omnidireccionals o sectorizades.
• Increment de la potència de transmissió: El major guany de l'antena permet incrementar la sensibilitat.
• Reducció del nivell d'interferència: La millor selectivitat espacial de l'antena permetrà al receptor discriminar les senyals d'usuaris interferentes a favor de la senyal de l'usuari desijat. Inclús es poden utilisar antenes inteligents en configuració antena principal i secundàries a on les secundàries anulen les interferències.

• Reducció de la propagació multitrayecto: Per la menor dispersió angular de la potència radiada, es reduïx el número de trayectòries que deu seguir la senyal abans d'aplegar al receptor.
• Millora de la seguritat: Gràcies a que la transmissió és direccional, hi ha una provabilitat molt baixa de que un equip alié intercepte la comunicació.
• Introducció de nous servicis: En poder identificar la posició d'usuaris es pot aplicar a radiolocalisació, tarificació geogràfica, publicitat en servicis propencs...

Classificació funcional

La classificació tradicional de les antenes es basa, fonamentalment, en la forma en que es distribuïx el camp electromagnètic en la pròpia antena o en la tecnologia utilisada. No obstant, també poden fer-se classificacions des d'un punt de vista pràctic: una catalogació de les antenes des del punt de vista de les seues prestacions i tecnologia, casos d'us concrets i discussions sobre els paràmetros d'ingenieria que ajuden a l'enteniment del seu funcionament.

Antenes en reflector

L'orige de l'antena en reflector es remonta a 1888 en elaboratori d'Heinrich Hertz, que va demostrar experimentalment l'existència de les ones electromagnètiques que havien segut predites per James Clerk Maxwell uns quinze anys abans. En els seus experiments, Hertz va utilisar un reflector parabòlic cilíndric de zinc, excitat per una purna en la part central d'un dipol colocat en la llínea focal i un atre similar com a receptor. El seu funcionament es basa en la reflexió de les ones electromagnètiques per la quals ones que incidixen paralament a l'eix principal es reflectixen i van a parar a un punt denominat foc que està centrat en el paraboloide. En el cas d'una antena receptora, en canvi si es tracta d'una antena emissora, les ones que emanen del foc (dispositiu d'emissió) es veuen reflectides i abandonen el reflector en forma parala a l'eix de l'antena. Quan es desija la màxima directividad d'una antena, la forma del reflector generalment és parabòlica, en la font primària localisada en el foc i dirigida cap al reflector. Les antenes en reflector parabòlic, o simplement antenes parabòliques s'utilisen extensament en sistemes de comunicacions en les bandes d'UHF a partir d'uns 800 MHz i en les de SHF i EHF. Entre les seues característiques principals es troben la senzillea de construcció i elevada direccionalidad. La forma més habitual del reflector és la d'un paraboloide de revolució, excitat per un alimentador situat en el foc.

Tipos bàsics d'antenes en reflector

• Foc primari

La superfície d'estes antenes és un paraboloide de revolució. Les ones electromagnètiques incidixen paralament a l'eix principal, es reflectixen i dirigixen al foc. El foc està centrat en el paraboloide. Tenen un rendiment màxim d'aproximadament el 60%, és dir, de tota l'energia que aplega a la superfície de l'antena, el 60% ho fa al foc i s'aprofita, el restant es pert degut principalment a dos efectes, l'efecte spillover i l'efecte bloquege. La seua relativa gran superfície implica un menor àngul d'esgambi del fes (3 dB), per lo que l'antena deu montar-se en major precisió que una antena offset normal. La pluja i la neu poden acumular-se en el plat i interferir en la senyal; Ademés com elNB va montat centralmente, bloqueja moltes senyals en la seua pròpia ombra sobre la superfície de l'antena.

Antena Offset

• Offset

Una antena offset està formada per una secció d'un reflector paraboloide de forma oval. La superfície de l'antena ya no és redona, sino oval i simètrica (elipse). El punt focal no està montat en el centre del plat, sino a un costat del mateix (offset), de tal forma que el foc queda fòra de la superfície de l'antena. Per açò, el rendiment és un poc major que en la de Foc Primari, podent ser d'un 70% o alguna cosa més.

• Cassegrain

Este tipo d'antenes presenten una gran directividad, una elevada potència en el transmissor i un receptor de baix soroll. Utilisar una gran antena reflectora implica grans distàncies del transmissor al foc (i l'impossibilitat de colocar equips en ell) per lo que una solució és amprar un segon reflector o subreflector. En el cas del reflector parabòlic Cassegrain el subreflector és hiperbòlic. El reflector principal reflectix la radiació incident cap al foc primari. El reflector secundari posseïx un foc en comú en el reflector parabòlic. El sistema d'alimentació està situat en el foc secundari, de manera que el centre de fases de l'alimentador coincidix en el foc secundari de l'hiperboloide. El paraboloide convertix una ona plana incident en una esfèrica dirigida cap al foc primari, que és llavors reflectida pel subreflector per a formar una ona esfèrica incident en l'alimentador.

Alimentadors per a antenes en reflector (bocines)

Les bocines són utilisades com a alimentador en les antenes, és dir, s'utilisen per a allumenar el reflector formant lo que es coneix com a antena parabòlica. La bocina d'alimentació es troba situada en el foc del paraboloide. Una única bocina pot utilisar-se com una antena de cobertura global en satèlits; ademés es poden agrupar vàries bocines (alimentant-les en una amplitut i una fase diferents), per a conseguir un determinat diagrama de radiació i donar cobertura a un país o continent. L'agrupació de bocines seria l'alimentador del reflector. En una transmissió la bocina emet energia des del foc cap a la superfície del reflector, conseguint radiar sobre el ranc de cobertura desijat, mentres que en una recepció el reflector actua com un acumulador d'energia de la senyal, que és concentrada cap a la bocina alimentadora. Les bocines poden transmetre o rebre dos ones en polarisació distinta, sempre que la polarisació siga ortogonal. Açò es conseguix en un dispositiu cridat acoplador ortomodo (OMT), que és un sistema de guia d'ones en forma de T, a on per la guia principal es propaguen dos modos dominants ortogonals i cada guia adossada soporta un dels dos modos anteriors. La polarisació ha de ser ortogonal per a que no es produïxquen interferèncias. D'acort en la forma de l'obertura, les bocines poden ser de dos tipos: piramidal i cònica.

Bocina piramidal

Bocina piramidal

És un tipo de bocina rectangular. S'eixampla tant en el pla I com en l'H, lo que permet radiar fas estrets en abdós plans. Este tipo de bocines són adequades per a sistemes de polarisació llineal. El seu guany pot calcular-se exactament a partir de les seues dimensions físiques per això se solen utilisar com a patrons de comparació en les mides de guany. El disseny d'una bocina piramidal requerix que la seua gola coincidixca en la guia rectangular d'alimentació.

Bocina cònica

S'utilisen fonamentalment en antenes de satèlits de fes global. Són les més adequades per a utilisar polarisació circulares, encara que també poden utilisar polarisació llineal. Segons el modo de propagació transmés es classifiquen com: bocines de modo dominant, bocines de modo dual i bocines corrugades.

• Bocines de modo dominant: es sintoniza al modo predominant de la guia d'ona circular, el modo ET11.
• Bocines multimodo: es sintoniza al modo de propagació ET11 de l'ona que es propaga per la guia d'ona, junt al modo TM11 que és el següent modo de propagació.
• Bocines corrugades (o híbrides): s'ajusten a un modo híbrit (HE11), en lo que es conseguix un ample de fes ampli i simètric gràcies a lo que el reflector s'alimenta uniformemente. Ademés en este tipo de bocines es conseguix una polarisació més pura.

Bocina en lent dielèctrica

Lents dielèctriques

Definició: Una lent dielèctrica és un objecte que nos servix per a conseguir que una ona esfèrica es transforme en una ona plana modificant amplitut i fase podent d'esta forma guanyar directividad en la radiació aumentant el guany. De forma similar a les lents òptiques, una lent dielèctrica està formada per dos materials de constant dielèctrica diferent la forma geomètrica de la qual descriu una curva hiperbòlica. D'esta manera, podem conseguir que una ona esfèrica es transforme en una ona plana conseguint aixina aumentar el guany. Per a això, és necessari que els camins elèctrics recorreguts siguen els mateixos per a qualsevol possible traçat de rajos. Una de les principals ventages de l'utilisació d'este tipo de dispositius és poder modificar la distribució d'amplitut, fent-la més uniforme i aumentant l'eficiència d'obertura del sistema. Una aplicació comuna de les lents és la seua utilisació a l'eixida de les antenes de bocina. Per mig d'este dispositiu, una fase distorsionada per este tipo d'antena es pot corregir en una lent colocada a l'eixida de l'antena

Gràcies a l'utilisació d'una lent dielèctrica en la boca de l'alimentador d'una antena (bocina), es conseguix disminuir l'error de fase.

Ingenieria en estes antenes

Allumenament parabòlic sobre pedestal

Per a distribucions parabòliques sobre pedestal el model de camp d'obertura és el següent:

I_ab(r) = C + (1 - C) [1 - (r / a) ²] ⁿ

___*$C\to$ Iluminación sobre el borde de la parábola (dB)

$n\to$ Nivel delóbulo secundario

$a\to$ Radio de la apertura

$a=D/2$

Distribuciones parabólicas sobre pedestal: parámetros de campo radiado

Iluminación en el borde		n=1			n=2
C (dB)	C	HP (rad)	SLL (dB)	E	HP (rad)	SLL (dB)	E
-8	0,398	1,12 $\lambda$ /2a	-21,5	0,942	1,14 $\lambda$ /2a	-24,7	0,918
-10	0,316	1,14 $\lambda$ /2a	-22,3	0,917	1,17 $\lambda$ /2a	-27,0	0,877
-12	0,251	1,16 $\lambda$ /2a	-22,9	0,893	1,20 $\lambda$ /2a	-29,5	0,834
-14	0,200	1,17 $\lambda$ /2a	-23,4	0,871	1,23 $\lambda$ /2a	-31,7	0,792
-16	0,158	1,19 $\lambda$ /2a	-23,8	0,850	1,26 $\lambda$ /2a	-33,5	0,754
-18	0,126	1,20 $\lambda$ /2a	-24,1	0,833	1,29 $\lambda$ /2a	-34,5	0,719
-20	0,100	1,21 $\lambda$ /2a	-24,3	0,817	1,32 $\lambda$ /2a	-34,7	0,690

$HP\to$ Ancho d'Haz a -3dB

$SLL\to$ Nivel de lóbulo lateral

$E\to$ Eficiència d'allumenament

Guany en estes antenes

___*$D\to$ Diámetro reflector

$ϵ\to$ Eficiència global

L'eficiència total és deguda a les següents eficiència parcials:

• Rendiment de radiació (típicament el de l'alimentador).
• Eficiència d'allumenament (o d'obertura).
• Eficiència de spillover.
• Eficiència per contrapolar.
• Eficiència per error en la superfície.
• Eficiència per bloqueig.
• Pèrdues per desplaçaments de l'alimentador.

Eficiència d'Allumenament aplicant el model d'allumenament parabòlic sobre pedestal (n=2)

Eficiència d'Allumenament:

Són les pèrdues de guany relacionades en l'allumenament no uniforme de l'obertura.

Eficiència de Spillover:

És la pèrdua de guany degut a la radiació de l'alimentador fora de l'àngul que conté el reflector. A mida que l'allumenament de la vora creix aumenta l'eficiència d'allumenament pero disminuïx l'eficiència de spillover. El punt òptim per a la eficiència Combinada (Allumenament i Spillover), se situa típicament entorn a C=-10dB,-12dB.

Eficiència combinada

Eficiència per Contrapolar:

És la mida de la pèrdua d'energia en la que el component contrapolar radiada. En els sistemes centrats que no introduïxen component contrapolar, esta eficiència medix les característiques de l'alimentador.

Eficiència per error en la superfície:

Està relacionada en les desviacions del front de fase en l'obertura respecte a l'ona plana ideal, degudes a les distorsió de la superfície dels reflectores.

Eficiència per Bloqueig:

Apareix a causa de la porció d'obertura bloquejada per:

• Alimentador (o Subreflector).
• Soports de l'alimentador o del subreflector.

Pèrdues per desplaçaments:

• Desplaçament lateral:

El desplaçament lateral de l'alimentador causa un apuntamiento del fes en sentit contrari al moviment de l'alimentador. Es produïx una caiguda del Guany i l'Efecte de Menge (increment asimètric en el nivell dels lòbuls secundaris fins a juntar-se un d'ells en elòbul principal).

• Desplaçament axial:

La variació en la posició de l'alimentador a lo llarc de l'eix z produïx un error de fase d'orde quadràtic en el camp d'obertura que reblix els nuls del diagrama de radiació i disminuïx el guany.

Guanys típics

El guany d'una antena reflectora d'obertura circular s'obté com:

___*$G={\left(\frac{\pi D}{\lambda }\right)}^2\prod _{i}Eficiencia{s}_i$

L'eficiència total que se sol obtindre és de l'orde de:

• Reflector simple centrat: 60 %
• Sistema Cassegrain centrat: 65 al 70 %
• Sistema Offset: 70 al 75 %
• Sistema doble en superfícies conformades per a màxim guany: 85 al 90 %

Us de cada tipo de reflector

Abans de definir usos d'antenes en reflector es deu notar que els tipos es deurien enunciar fent referència a que totes són antenes "parabòliques" lloc que aixina queda més clar que són tipos de parabòliques.

• Antena parabòlica de foc primari

Usos: Televisió, ràdio i transmissió de senyes, conexió VSAT:

• Eixemple

Usos: Recepció de satèlit, pero té un bloqueig de l'alimentador que reduïx la simetria rotacional i reduïx els fas.

• Eixemple

• Antena parabòlica Offset

Usos: Antenes de recepció de satèlit

• Eixemple 1
• Eixemple 2

• Antena parabòlica Cassegrain

És similar a la de Foc Primari, solament que té dos reflectores; el major apunta alloc de recepció, i les ones en chocar, es reflectixen i van al Foc a on està el reflector menor; en chocar les ones, van al Foc últim, a on estarà colocat el detector. Se solen utilisar en antenes molt grans, a on és difícil aplegar al Foc per al manteniment de l'antena. Aplicacions de radar multifunción:

• ^{[enllaç trencat]}
• Eixemple 2

Aplicacions militars:

• Eixemple 3

• Sistema d'antena Multihaz (MBA system)

Antena Multihaz Offset

Antena Multihaz Cassegrain

Les antenes multihaz o sistemes MBA s'utilisen generalment en sistemes de satèlit. Este tipo d'antenes estan formades per arrays d'elements alimentadors i circuits de control per a variar la potència variant o combinant funcions del BFN, d'esta manera es conseguix generar una ret o matriu de fas (BFN beam-forming network). Cada element de l'array allumena en una obertura òptica generant un fes, l'ample de fes d'un raig va determinat pel tamany de l'obertura òptica i la posició. La separació angular dels rajos està determinada per la separació entre els elements. En esta configuració, els satèlits poden comunicar-se a través d'una sola antena en vàries estacions terrenas geogràficament disperses. Existixen varis tipos d'antenes multihaz, els més importants i més usats són:

• Offset Este tipo d'antena s'obté retallant de grans antenes parabòliques de forma esfèrica, tenen el Foc desplaçat cap a avall, de tal forma que queda fòra de la superfície de l'antena, per esta raó, el rendiment és major que en la de foc primari aplegant a ser d'un 70% aproximadament. El diagrama de directividad té forma d'óval.

• Cassegrain. Estes antenes són similars a les de Foc Primari, la diferència és que tenen dos reflectores; el major d'ells apunta alloc de recepció i les ones en chocar, es reflectixen i van al Foc a on està el reflector menor; en chocar les ones, van al Foc últim, a on estarà colocat el detector. Se solen utilisar antenes molt grans, a on és difícil aplegar al Foc per al manteniment de l'antena. Ademés utilisen un reflector que du el radiador primari en el foc del mateix. La direcció del fes es pot modificar canviant la posició dels elements radiadors al voltant del foc, es deu tindre en conte el bloqueig que produïxen els radiadors disposts entorn a est. Per este motiu és més útil'ocupació de configuracions Offset.

Antenes dipols

Artícul principal → Dipol (antena).

Un dipol és una antena en alimentació central empleada per a transmetre o rebre ones de radiofrecuencia. Estes antenes són les més simples des del punt de vista teòric.

Tipos bàsics d'antenes de dipol

Dipol curt

Un dipol curt (també cridat dipol elemental) és un dipol format per dos conductors en una llongitut total L molt menor que la mitat de la llongitut d'ona (½λ). Els dipols curts són usats en ocasions en aplicacions a on un dipol de la mitat de la llongitut d'ona seria molt gran. Per eixemple, en una freqüència d'1 MHz la llongitut d'ona és de 300 m. Per tant, la majoria de les antenes es comporten com a dipol curt a freqüències menors d'1 MHz.

Dipol de mija ona

És un dipol molt similar al dipol curt pero en este cas la llongitut és igual a la mitat de la llongitut d'ona.

Dipol doblat

Un dipol doblat consistix en dos dipols parals cortocircuitados en el seu extrem. Un dels dipols és alimentat en el centre per un generador. L'ample de banda del dipol doblat és superior a la del dipol simple, degut a que les reactàncies es compensen i també té una major impedència.

Antena Yagi

Una antena Yagi consistix en una antena de dipol a la qual se li afigen uns elements cridats "paràsits" per a fer-ho direccional. Estos elements poden ser directors o reflectores. Els elements directors es coloquen davant del dipol i reforcen la senyal en el sentit d'emissió. Els elements reflectores es coloquen darrere del dipol i bloquegen la captació de senyals en la direcció oposta al receptor.

Log periòdica

Antena logoperiódica.

Una antena de tipo log periòdica és una antena els paràmetros de la qual d'impedència o de radiació són una funció periòdica delogaritme de la freqüència d'operació. El disseny d'estes antenes es realisa a partir d'unes certes dimensions com les dimensions d'un dipol o la separació que es van multiplicant per una constant. Una dels dissenys més coneguts és l'agrupació logoperiódica de dipols.

Apanys

Un apany d'antenes és un conjunt d'elements radiants individuals alimentats des d'un mateix terminal per mig de rets llineals. Normalment solen ser elements iguals i en la mateixa orientació. Es poden trobar molts tipos d'apanys diferents depenent de la seua classificació. Les agrupacions es poden classificar per eixemple segons:

• La seua geometria
• La ret
• La seua aplicació
• La seua Funcionalitat

Ingenieria en estes antenes

Log Periòdica

Una antena de tipo logarítmica periòdica és una antena els paràmetros de la qual d'impedència o de radiació són una funció periòdica delogaritme de la freqüència d'operació. En una construcció similar a la de l'antena Yagi, solament que les diferències de llongituts entre els elements i les seues separacions seguixen una variació logarítmica en lloc de llineal. La ventaja de l'antena logarítmica sobre la Yagi és que aquella no té un element excitat, sino que rep alimentació en tots els seus elements. En açò es conseguix un ample de banda major i una impedència parella dins de totes les freqüències de treball d'esta antena. Funcionament: La receptora de la senyal o la seua regió activa canvia contínuament depenent de la freqüència, a on en la freqüència més baixa d'operació, l'element llarc és el resonante i el restant d'elements actuen com a directors. En la freqüència més alta, l'element més curt resona i els atres elements (més llarcs) actuen com reflectores en el centre de la banda de freqüència. Antena banda ampla: en dipols resonant en diferents freqüències estretes, en una mateixa antena, conseguim obrir l'ample de banda de l'antena. Antena multibanda: en dipols resonant en diferents bandes, podem obtindre una antena capaç de ser multibanda. Estes antenes poden proveir fins a 10 dB més de guany que una antena d'1/4 d'ona, al mateix temps que poden atenuar fins a 30 dB fonts d'interferència provinents d'atres direccions. La llongitut de l'element horisontal i el número d'elements travessers determinen l'ample de banda i la direccionalidad de l'antena. S'utilisen principalment per a transmetre senyals de TV, FM i per a comunicacions militars.

Yagi

A continuació es mostren tres tipos d'antenes, la comparació de les quals ilustra lo comuna d'estes antenes, i també les seues diferències. Este tipo d'eixercici és el que els ingeniers deuen realisar per a elegir l'antena més adequada en cada cas.

Antena Yagi 1044

Este tipo d'antena té un ample de banda del 57% (canals 21-69) i un guany de 16,5 dBi. A l'hora de seleccionar una antena un ingenier deu tindre en conte atres conceptes com la descripció de l'antena que es fa a continuació. Estes antenes es caracterisen pel disseny en X dels seus elements directors, els quals la fan més curta que una antena Yagi convencional. Esta construcció conseguix una elevada immunitat contra les senyals generades per l'activitat humana, tals com a motors o electrodomèstics; i una perfecta adaptació d'impedència.

Antena Yagi 1443

Esta antena té un ample de banda i un guany molt similar a l'eixemple anterior. Està composta per un Plantilla:Maltrad angular de dos conjunts d'elements directors disposts en V. De la mateixa manera que l'antena descrita anteriorment, esta també té una reduïdes dimensions.

Antena Yagi 1065

Este tipo d'antena, en tindre molts menys directors i tindre un únic reflector, té un guany molt menor que les antenes anteriors. En este cas el guany és de 9,5 dBi. D'esta manera es pot apreciar quin és la funció dels reflectores i directors en les antenes de dipol i cóm estos modifiquen el guany de les mateixes.

Dipol doblat

A l'hora d'estudiar este tipo de dipols, la corrent que els alimenta se sol descompondre en dos modos: parell (o modo antena), i impar (o modo llínea de transmissió). L'anàlisis en modo parell és el que es realisa quan es té en conte que en abdós braços hi ha la mateixa alimentació i en el mateix sentit. L'anàlisis en modo impar, no obstant, és el que es fa tenint en conte un sentit contrari de la corrent en cada braç (dos generadors en signes oposts). Les corrents totals seran per tant la suma de les corrents trobades en cada modo.

Anàlisis del modo impar

El modo impar equival a dos llínees de transmissió en curtcircuit, alimentades en série. L'impedència d'una llínea de transmissió de llongitut H, terminada en curtcircuit és

___*$z_t=j{z}_0\tan kH$

La corriente del modo impar del dipolo doblado es

$I_{Impar}=\frac{V}{2j{Z}_0\tan kH}$

anàlisis del modo par

A partir de la siguiente fórmula se halla la corriente del modo par:

$I_{Par}=\frac{V}{4z_d}$

Siendo $z_d$ la impedancia d'un dipolo aislado, ya que la impedancia mutua de dos dipolos cercanos tiende a la impedancia d'un dipolo aislado. Una vez hallades les corrientes tanto en modo par como impar, se sumarán per a hallar la corriente total. La fórmula resultante será la siguiente:

$I_{Total}=\frac{V}{4z_d}+\frac{V}{2j{Z}_0\tan kH}$

El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que les reactancias se compensan. También hay que tener en cuenta que la relació entre les corrientes del dipolo doblado y del dipolo aislado es $2I_{dd}=I_d$ , y que la potencia a la entrada dels dos dipolos es idéntica, se deduce que

$z_{dd}=4z_d$

En conclusió, un dipol doblat equival a un dipol simple en corrent de valor doble, i impedència 4 voltes. El diagrama de radiació, no obstant, serà igual al del dipol simple.

Apanys

El paràmetro fonamental en el disseny d'un apany d'antenes és el denominat factor d'apany. El factor d'apany és el diagrama de radiació d'una agrupació d'elements isotrópicos. Quan els diagrames de radiació de cada element de l'apany són iguals i els elements estan orientats en la mateixa direcció de l'espai, el diagrama de radiació de l'agrupació es pot obtindre com el producte del factor d'array pel diagrama de radiació de l'element. Per a analisar el comportament d'una antena arregle se sol dividir l'anàlisis en dos parts: ret de distribució de la senyal i conjunt d'elements radiants individuals. La ret de distribució ve definida per la seua matriu d'impedència (Z), admitancias (I) o paràmetros de dispersió (S). Per a analisar l'apany, s'excita un sol element i els demés de deixen en circuit obert. També hi ha molts casos en els que es deu tindre en conte lo que influïxen els demés elements en la radiació de l'element alimentat (açò es denomina "acoplament"). El diagrama de radiació és el producte del diagrama de l'element i del factor d'apany. Gràcies al factor d'apany (valor escalar) es pot analisar la geometria i la llei d'excitació sobre la radiació. La fòrmula per a trobar el camp total radiado serà la següent:

___*${\overrightarrow{E}}_{grupo}={\overrightarrow{E}}_{elemento}F$

Factor d'arreglo:

$F(\theta ,\varphi )=\sum A_i{e}^{jkr\overrightarrow{r_1}}$

Resto de parámetros:

$r\overrightarrow{r_1}=x_i\mathrm{sen}(\theta )\cos (\varphi )+y_i\mathrm{sen}(\theta )\mathrm{sen}(\varphi )+z_i\cos (\theta )$

$k=\frac{2\pi }{\lambda }=\frac{w}{v}$

Arrays de dipols per a rets GSM/UMTS

Acoplament entre elements radiants

Normalment una antena se situa en una paret o sobre una estructura i moltes voltes rodejada d'elements conductors. Les estacions base de les antenes modernes GSM, inclús solen estar compostes de múltiples antenes per sector, a on és possible que dos antenes estiguen tan prop que poden interferir en la seua radiació. Els operadors GSM deuen tindre açò en conte ya que el guany de l'antena pot variar. Esta distorsió pot utilisar-se al nostre favor si és necessari, simplement afegint algun director o reflector en l'àrea propenca per a conseguir més dBs en la direcció desijada.

Aspectes generals relacionats en la física de les antenes

Influència de la Terra

La conductivitat del terreny és un factor determinant en l'influència de la terra sobre la propagació de les ones electromagnètiques. La conductivitat de la superfície de la terra depén de la freqüència de les ones electromagnètiques que incidixen sobre ella i del material per la que estiga composta, comportant-se com un bon conductor a baixes freqüències i reduint la seua conductivitat a freqüències majors. El coeficient de reflexió del sol és un paràmetro relacionat en la conductivitat i informa sobre com es reflectixen les ones en ell. El seu valor depén de l'àngul d'incidència i del material que conforma el sol: terra humida, terra seca, llac, mars, zona urbana, etc. Per a un determinat coeficient de reflexió, l'energia reflectida pel sol aumenta a mida que aumenta l'àngul d'incidència respecte de la normal, sent la major part de l'energia reflectida quan l'incidència és rasante, i tenint els camps elèctric i magnètic de l'ona reflectida casi la mateixa amplitut que els de l'ona incident. En el cas de les antenes, tractant-se habitualment d'emissió o recepció a grans distàncies, casi sempre existix una incidència rasante.

El raig reflectit per la terra pot modelar-se, des del punt de vista de l'antena receptora, com el raig transmés per una antena image de l'antena transmisora, situada baix el sol. El raig reflectit recorre més distància que el raig directe.

L'apariència de l'antena image és una image especular de l'apariència de l'antena transmisora real. En alguns casos es pot considerar que l'ona transmesa des de l'antena real i l'ona transmesa des de l'antena image tenen aproximadament la mateixa amplitut, en atres casos, per eixemple quan el sol té irregularitats de dimensions similars o majors que la llongitut d'ona, la reflexió d'el raer incident no serà neta. La distància recorreguda pel raig reflectit per la terra des de l'antena transmisora fins a l'antena receptora és major que la distància recorreguda pel raig directe. Eixa diferència de distància recorreguda introduïx un desfasament entre les dos ones.

Vore també: Rets d'antenes

La figura de la dreta representa un àngul d'incidència respecte de l'horisontal ___*$\theta$ muy grande cuando, en la realidad, el ángulo suele ser muy pequeño. La distancia entre la antena y su image es $d$. La reflexión de les ondas electromagnéticas depende de la polarisació. Cuando la polarisació es horizontal, la reflexión produce un desfase de $\pi$ radianes, mientras que cuando la polarisació es vertical, la reflexión no produce desfase.

La componente vertical de la corriente se refleja sin cambiar de signo, en cambio, la componente horizontal cambia de signo.

En el caso d'una antena que emite con polarisació vertical (campo eléctrico vertical) el cálculo del campo eléctrico resultante es el misme que en radiación d'un par d'antenas. El resultado es:

$\left|E_{\perp }\right|=2\left|E_{{\theta }_1}\right||\cos (\frac{kd}{2}\sin \theta )|$

La inversión de signo per al campo paralo solo cambia un coseno en un seno:

$\left|E_{=}\right|=2\left|E_{{\theta }_1}\right||\sin (\frac{kd}{2}\sin \theta )|$

En estas dos fórmulas:

• $E_{{\theta }_1}$ es el campo eléctrico de la onda electromagnética radiado por la antena si no hubiese la tierra.
• $k=\frac{2\pi }{\lambda }$ es el número d'onda.
• $\lambda$ es la longitut d'onda.
• $d$ és l'altura de l'antena.

Antenes en recepció

Els diferents tipos d'antenes i la seua irradiació.

El camp elèctric d'una ona electromagnètica induïx una tensió en cada chicotet segment del conductor d'una antena. La corrent que circula en l'antena té que travessar l'impedència de l'antena. Utilisant el teorema de reciprocitat es pot demostrar que el circuit equivalent de Thévenin d'una antena en recepció és el següent:

Circuit equivalent

___*$V_a=\frac{\sqrt{R_a{G}_a}\lambda \cos \psi }{\pi \sqrt{120}}{E}_b$

• $V_a$ es la tensión del circuito equivalente de Thevenin.
• $Z_a$ es la impedancia del circuito equivalente de Thevenin y es igual a la impedancia de la antena.
• $R_a$ es la resistencia en serie de la impedancia $Z_a$de la antena.
• $G_a$ es la ganancia de la antena (la misma que en emisión) en la direcció de a on vienen les ondas electromagnéticas.
• $\lambda$ es la longitut d'onda.
• $E_B$ es el campo eléctrico de la onda electromagnética incidente.
• $\psi$ es el ángulo que mide el desalineado del campo eléctrico con la antena. per eixemple, en el caso d'una antena formada por un dipolo, la tensión inducida es máxima cuando el dipolo y el campo eléctrico incidente están alineados. Si no lo están, y que forman un ángulo $\psi$ la tensión inducida estará multiplicada por $\cos \psi$. El circuito equivalente y la fórmula de la derecha són válidos per a todo tipo d'antena: que sea un dipolo simple, una antena parabólica, una antena Yagi-Uda o una red d'antenas. He aquí tres definiciones:

$\begin{array}{ccc}\text{Longitut eficaz de la antena}& =& \frac{\sqrt{R_a{G}_a}\lambda \cos \psi }{\pi \sqrt{120}}\\ & & \\ \text{Potencia disponible máxima}& =& \frac{G_a{\lambda }^2}{480{\pi }^2}{E}_b^2\\ & & \\ \text{Superficie eficaz o secció eficaz}& =& \frac{G_a}{4\pi }{\lambda }^2\end{array}$

El corolari d'estes definicions és que la potència màxima que una antena pot extraure d'una ona electromagnètica depén exclusivament del guany de l'antena i del quadrat de la llongitut d'ona (λ). L'intensitat de radiació és la potència radiada per unitat d'àngul sòlit.

Referències

• Antenes. A. Cardama, L. Jofre, J. M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. Edicions UPC ISBN 84-8301-625-7
• Antenna Theory: Analysis and Design (John Wiley & Sons, 2005) by Constantine A. Balanis
• Introducció a la teoria d'antenes [1] archivat en Wayback Machine.
• Radiocomunicació [2] archivat en Wayback Machine., Curs en centenars de preguntes i eixercicis pràctics d'autoevaluación per al disseny pràctic de radioenlaces, Francisco Ramos Pascual, 2007.

Vore també

• Antena de bocina
• Antena de Quadro
• Antena de tralla
• Antena de televisió
• Antena cúbica
• Antena helicoidal
• Antena inteligent
• Antena Marconi
• Antena parabòlica
• Antena Yagi
• Càlcul d'antenes
• Comunicació inalàmbrica
• Diexisme
• Dipol (antena)
• Espira (antena)
• MIM
• Monopol vertical
• Phased array
• Spillover (antena)
• Antena de bocina

Enllaços externs

• Antena Tutorial
• Open Course Ware: Assignatura d'Antenes
• Tipos d'Antenes per a Emissores [3] archivat en Wayback Machine.
• Curs d'antenes [4] archivat en Wayback Machine....
• Reflectores [5] archivat en Wayback Machine.
• Passos per a construcció d'antena casera per a WiFi