Juan Monsalve

Antenas una explicación de su funcionamiento (II)

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Viene de Antenas una explicación de su funcionamiento (I)
Diagramas o patrones de radiación

Los patrones de radiación son gráficos en diferentes sistemas de coordenadas donde se describen la intensidad relativa de la señal que radia una antena. Debido a la reciprocidad del sistema, describen, de igual forma, las propiedades de recepción de esta.

Hay que tener en cuenta que el problema de radiación es un problema de tres dimensiones, sin embargo, para simplificar el análisis, se hablan de porciones de estos patrones tridimensionales, que pueden ser complementados conociendo el tipo de antena para darse una idea de la radiación en tres dimensiones.

A continuación observamos un patrón de radiación de una antena Yagi de 10 elementos en coordenadas rectangulares.

Gráfica  1: Patrón de radiación en cartesianas [1]

Gráfica 1: Patrón de radiación en cartesianas [1

Esta gráfica muestra completamente el comportamiento para todos los ángulos, sin embargo es difícil hacer la abstracción a un entorno de trabajo real. Por esta razón es más común encontrar los patrones de radiación en coordenadas polares como se muestra a continuación.

Gráfica 2: Patrón en polares con retícula lineal [1]Ambas gráficas representan la misma antena, no obstante, en el segundo esquema, se puede hacer una ubicación en el espacio más sencilla donde la antena es en eje polar y la gráfica representa la radiación.

 

Es importante recordad que al usar los decibelios como unidad de ganancia, la escala que mejor representaría la ganancia es la logarítmica, donde los radios no están espaciados linealmente sino de forma logarítmica. Para el lector ya debe ser normal el manejo de este tipo de gráficos. Para las escalas lineales es común encontrar gráficos donde se use el voltaje de la señal en vez de su potencia.

Como ejemplo se tiene las gráficas del patrón de radiación una antena dipolo.

Gráfica 3: Ejemplo de un patrón de radiación [2]En un diagrama de radiación se pueden distinguir tres áreas diferentes; campo cercano reactivo, campo cercano radiado (zona de Fresnel) y campo lejano (Zona de Fraunhoffer), sin embargo se acostumbra a hablar sólo de campo lejano y campo cercano. Esto es debido a que el comportamiento de la radiación es diferente en las regiones.

 

El área de interés por lo general es el campo lejano; en el campo cercano hay comportamientos de reflexión de potencia que no son importantes para el diagrama de radiación ni para el usuario de la antena. Por esto se busca disminuir su influencia variando la constante logarítmica que se utilice de manera que se atenúen los lóbulos pequeños y sobresalgan los de mayor interés. Para definir el radio que divide ambas áreas se debe tener en cuenta las dimensiones de la antena y de la longitud de onda de la señal transmitida. La relación más utilizada para definir este radio es:

Donde d es la dimensión más grande de la antena y ? la longitud de onda de la señal.

Ancho del haz (a 3 dB)

El ancho del haz es definido como el ángulo que forman los puntos donde la potencia máxima cae 3 dB. Es decir, del lóbulo máximo se busca donde la potencia cae a la mitad (3 dB) y a la intercepción de este radio con el lóbulo se le mide el ángulo.

Una aproximación común es que la ganancia directiva (en una dirección) es inversamente proporcional al ancho del haz suponiendo despreciables los lóbulos laterales (o menores). De esta manera, si se concentra más la señal, mayor será la ganancia.

Lóbulos laterales y nulos

Un lóbulo lateral son los lóbulos que no pertenecen al haz central o de máxima radiación. Son los que su potencia es pequeña comparada con la máxima. Una zona Nula es donde la potencia radiada se encuentra en el mínimo.

Polarización y Desadaptación de la polarización

Por teoría de electromagnetismo sabemos que una onda puede viajar con diferentes modos, dependiendo de estos modos el campo eléctrico forma diferentes proyecciones elípticas. En especial para las antenas se usa la polarización lineal y la polarización circular.

Dependiendo de la antena, se genera una polarización específica de la onda, la polarización lineal horizontal hace que el vector de campo eléctrico se encuentre siempre horizontal lo que hace que se vea menos afectada a las reflexiones en el camino de transmisión. La polarización lineal vertical tiene el vector de campo eléctrico vertical al plano lo que permite una menor interferencia de las señales generadas por el hombre. En la polarización circular tenemos el vector rotando en un sentido en la dirección de propagación de la onda donde una vuelta representa un ciclo de la señal.

Es necesario que en un acople entre dos antenas ambas tengan la misma polarización, la misma orientación espacial y el mismo coeficiente axial, con esto garantizaremos que haya la máxima potencia en ambas. De lo contrario habrá una reducción de la transferencia de potencia en el sistema y por lo tanto una reducción de la eficiencia. La desadaptación de polarización se debe a una desviación entre las antenas y genera una pérdida que es función del ángulo entre ambas. Esta pérdida está dada por la siguiente relación:

Donde O es el ángulo entre ambas antenas. Sin embargo no siempre es bueno tener una pérdida mínima, en algunas ocasiones se puede admitir una pérdida si esto implica una disminución del ruido en la señal.

Tipos de antenas

Cómo mencionamos anteriormente las antenas se clasifican de acuerdo a varios aspectos entre ellos tenemos:

Frecuencia y tamaño

De acuerdo a la longitud de onda de la señal que se va a tratar la antena tendrá diferentes tamaños, por lo que para cada rango de frecuencias (HF, VHF, microondas) los tamaños variarán y generarán una clasificación diferente.

Directividad

De acuerdo al área radial en la que la mayor potencia se encuentra la antena puede clasificarse en una de 3 opciones: Omnidireccionales, cuando la antena irradia con la misma potencia en todas las direcciones del plano de interés, normalmente horizontal. Se diferencia de la isotrópica porque en otros planos el patrón de radiación no es el mismo, como se observa a continuación.

Grafica 4. Patrón de radiación antena omnidireccional

Grafica 4. Patrón de radiación antena omnidireccional

Las sectoriales corresponden a un haz que irradia entre 60 y 180 grados. El diagrama de radiación es el siguiente.

Gráfica 5: Patrón de radiación antena sectorial

Gráfica 5: Patrón de radiación antena sectorial

Las antenas directivas, son las que corresponden a ángulos menores a 60 grados. Esto permite que se concentre una mayor ganancia directiva siendo muy útiles en enlaces de larga distancia. Además que, al observar en 3 dimensiones, la antena presenta un lóbulo con mayor simetría axial que en los casos anteriores, reduciendo el riesgo de pérdida por desviación. Algunos ejemplos son las antenas yagi, las tipo biquad y las tipo bocina. Más adelante se extenderá un poco en este tema.

Gráfica 6: Patrón de radiación antena directiva

Gráfica 6: Patrón de radiación antena directiva

Construcción física

De acuerdo a los materiales, formas y aplicaciones se pueden clasificar las antenas, no hay un grupo muy claro pero se pueden hablar de antenas parabólicas, antenas caceras de lata o alambre, mallas, entre otros.

Continúa en Antenas una explicación de su funcionamiento (y III)

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