Antenas.

¿Qué es una antena?

La antena es el dispositivo hecho de estructuras conductoras o dieléctricas que transforma las ondas electromagnéticas dirigidas, provenientes de líneas de transmisión o guías de onda, en ondas electromagnéticas divergentes en el espacio libre o viceversa, es decir, propaga o recibe la energía electromagnética de una manera eficiente. De acuerdo a propiedades de los materiales, frecuencia de operación y diseño geométrico se modifican los parámetros necesarios.

Las antenas se usan para transmitir y recibir energía electromagnética. Su uso depende de las frecuencias de operación y cobertura de las zonas geográficas.

La aplicación se complementa con un sistema repetidor, o también llamado transponedor. Son funciones de la carga útil: capturar la portadora con la menor cantidad de interferencia, radiar la potencia necesaria en una zona de cobertura definida, en otras palabras, recibe una señal de determinada frecuencia y la repite o amplifica y las transmite a otra frecuencia. En la estación terrena las antenas deben poseer una alta directividad, aislación entre polarizaciones ortogonales y continuo apuntamiento en la dirección del satélite.

Parámetros.

Los parámetros de una antena son parámetros susceptibles de ser medidos. Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como un dipolo. Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional. La mayoría de estos parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción. Los principales parámetros de las antenas son:

•  Directividad y Ganancia

•   Diagrama de radiación o patrón de radiación

•   Ancho del haz

•   Impedancia de entrada

•   Eficiencia de la antena  

•  Polarización

•  Campos de Inducción de Radiación

•  Longitud eléctrica y longitud física

•  Ancho de Banda

•  Intensidad de Campo 

A continuación se explicarán los parámetros más importantes mencionados anteriormente.

Directividad y ganancia.

La directividad es la propiedad que tiene una antena de transmitir o recibir la energía irradiada en una dirección particular. Para un enlace inalámbrico que utiliza antenas fijas en ambos extremos, se puede utilizar esta directividad para concentrar la radiación en la dirección deseada. En cambio, para una estación móvil y otra fija o ambas móviles, donde no se puede predecir donde va a estar una de ellas, la antena deberá radiar en todas las direcciones del plano horizontal y para ello se utiliza una antena omnidireccional. 

La directividad de una antena se define como “la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría a esta misma distancia una antena isotrópica que radiase la misma potencia que la antena transmisora”.

Por ejemplo, una antena tipo reflector parabólico para observación astronómica tiene mucha directividad (50dB). Esto le permite apuntar en una determinada dirección para recibir la señal y no recibir otras direcciones. Otro ejemplo: interesa que una antena de radiodifusión FM sea poco direccional ya que tiene que intentar distribuir la potencia en muchas direcciones. Las antenas de televisión que encontramos en los edificios, denominadas Yagi-Uda y que estudiaremos, pueden ponderar la energía procedente de una determinada dirección (donde se encuentra la fuente que radia) y no recibir la de otras.

Si una antena es muy directiva, es capaz de concentrar la potencia que radia (o recibe) en una determinada dirección. 

Como se ha demostrado en el apartado anterior, la directividad es una magnitud que describe sólo propiedades de direccionalidad de la antena, y depende únicamente del patrón de radiación. Otro parámetro importante que está directamente relacionado con la directividad es la ganancia de la antena. Es importante subrayar que tanto la directividad como la ganancia son funciones que dependen de las coordenadas esféricas. Solemos referirnos a directividad y ganancia máxima cuando no es más que el máximo de la función.

Al suministrar potencia a una antena, la cual se puede modelar como una carga resistiva, una parte de la potencia será radiada y otra se transformará en calor. De este hecho se puede utilizar el siguiente parámetro de eficiencia de radiación:

n=(Potencia radiada)/(Potencia suministrada)

Este factor de eficiencia también depende del acabado de la antena, pérdidas en los bordes, errores de fase entre otros parámetros; por lo general se obtiene este dato por parte del fabricante.

Entonces para tener un parámetro con más información, se tiene la ganancia de la antena como producto de la directividad por la eficiencia de la antena:

G=(n)(D)

Este parámetro está relacionado con la relación de longitud de onda y el tamaño de la antena, tomando en cuenta el área efectiva de la antena, es decir, la superficie donde se tiene máxima respuesta y la onda plana tiene la misma polarización como la antena.

Patrón de radiación.

Es la representación gráfica de la forma en que la energía electromagnética se distribuye en el espacio. El diagrama puede ser obtenido por la colocación de una antena fija de prueba en relación a un entorno donde se está midiendo el diagrama, también por la rotación de la antena en torno a sus ejes, donde las señales enviadas son recibidas en un receptor capaz de discriminar con precisión la frecuencia y la potencia recibidas. Se puede representar esta medición en forma cartesiana o polar. La representación polar se hace mediante el trazado de segmentos proporcionales a una magnitud de referencia (módulo) y un ángulo que nos da la dirección respecto a una semirecta de referencia (argumento). Los resultados obtenidos son generalmente normalizados. El valor máximo de la señal recibida para 0 dB de referencia, facilita la interpretación de los lóbulos secundarios en relación al frente de los bordes.

Ancho del haz.

El ancho del haz de una antena se entiende como ancho del haz a mitad de potencia. Se encuentra en el pico de intensidad de radiación, luego se localizan los puntos de ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de mitad de potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3dB, por lo tanto algunas veces el ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3dB. Generalmente se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal.

Suponiendo que la mayoría de la potencia radiada no se disperse en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz: cuando el ancho del haz decrece, la ganancia directiva se incrementa. En la figura 5 tenemos la distribución de ángulos entre 0º y 360º y en el eje vertical la distribución de las potencias desde 0 dB (círculo exterior) a -30 dB (centro). Para –3dB el ancho del haz es (360º - 330º + 30º) = 60º. Indica que el ancho del haz a mitad de potencia es de 60º.

Lóbulos laterales

Ninguna antena es capaz de radiar toda la energía en una dirección preferida. Inevitablemente una parte de ella es radiada en otras direcciones. Esos picos más pequeños son denominados lóbulos laterales, especificados comúnmente en dB por debajo del lóbulo principal.

Nulos

En los diagramas de radiación de una antena, una zona nula es aquella en la cual la potencia efectivamente radiada está en un mínimo. Un nulo a menudo tiene un ángulo de directividad estrecho en comparación al haz principal. Los nulos son útiles para varios propósitos tales como la supresión de señales interferentes en una dirección dada.

Impedancia de entrada.

Es el cociente entre el voltaje aplicado a los terminales de entrada de la antena y la corriente resultante. En general tiene una componente resistiva y una reactiva; sin embargo, si el punto de alimentación de la antena está en un máximo de corriente, la componente reactiva resulta despreciable, por tanto la impedancia de entrada es igual a la suma de la resistencia de radiación más la resistencia de pérdida. Si la impedancia no presenta una parte reactiva (puramente resistiva) a una frecuencia determinada se dice que es una antena resonante.

Polarización.

La polarización se define como la orientación del campo eléctrico de una onda electromagnética. En general, la polarización se describe por una elipse. Hay dos casos especiales de la polarización elíptica: la polarización lineal y la polarización circular.

 Con la polarización lineal, el vector del campo eléctrico se mantiene en el mismo plano del eje de la antena todo el tiempo. El campo eléctrico puede posicionar a la antena en una orientación vertical, horizontal o en algún ángulo intermedio entre los dos.

 La radiación en una antena polarizada verticalmente se ve ligeramente menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen una polarización vertical.

 Con la antena en polarización horizontal, tales reflexiones causan variaciones en la intensidad de la señal recibida. Las antenas horizontales tienen menos probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre que las normalmente polarizadas verticalmente.

 En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con un movimiento circular en la dirección de la propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. La elección de la polarización es una de las elecciones de diseño disponibles para el sistema irradiante de RF.

Ancho de banda.

Es el intervalo de frecuencias en la cual debe funcionar satisfactoriamente la antena, dentro de las normas técnicas vigentes a su aplicación. Puede ser descrito en términos de porcentaje respecto a la frecuencia central de la banda.

FH es la frecuencia más alta de la banda, FL es la frecuencia más baja, y FC es la frecuencia central. De esta forma, el ancho de banda porcentual es constante respecto a la frecuencia central. Los diferentes tipos de antenas tienen variadas limitaciones de ancho de banda.

Longitud eléctrica y longitud física.

La longitud de onda en una línea de transmisión es menor que la longitud de onda en espacio libre por el cambio de la velocidad de propagación de la onda respecto al espacio libre o vacío. De manera similar, una antena tendrá su propia longitud de onda física que será menor a la longitud de onda eléctrica que opera en el espacio libre, provocada por su cercanía con suelo y otros medios conductores, también los soportes y la torre de contención que introducen capacitancias que afectan la velocidad de la onda en la antena. También si el área transversal del conductor de la antena aumenta, también lo hace su permebilidad relativa y por tanto la velocidad de la onda disminuye. Solamente si el espesor es despreciable y el conductor se encuentra aislado en el espacio libre, las velocidades tienden a igualarse.

La longitud física es la longitud real que debe tener la antena y es menor que la longitud eléctrica en el espacio libre. Este acortamiento se conoce en la práctica como efecto de borde (end effect).