Escrito por Graham Cave, Responsable de producto, RS Components

Las señales en los sistemas electrónicos se están volviendo más rápidas, numerosas y complejas. La capacidad de capturar interferencias transitorias, inestabilidad y otros errores de señal imponen requisitos cada vez más exigentes en las herramientas de medición, sobre todo en los osciloscopios.

El diseño de las sondas de osciloscopio también ha tenido que evolucionar para que los efectos de carga se minimicen y las formas de onda medidas se reproduzcan fielmente en el display del instrumento, ya sea el display integrado en el osciloscopio o la pantalla de un ordenador conectado al instrumento.

Hoy en día los osciloscopios se presentan en una multitud de formas, tamaños y especificaciones. De los 350 modelos que RS Components tiene en stock, sólo 20 son analógicos, algunos ingenieros aún prefieren este tipo de osciloscopio para aplicaciones de radiofrecuencia.

La funcionalidad, sobre todo en lo que respecta a mostrar formas de onda, almacenarlas, manipularlas y presentar informes, ha aumentado considerablemente en los últimos años. Sin embargo, los fabricantes de osciloscopios se han esmerado para que la interfaz entre el instrumento y el usuario se mantenga tan sencilla como sea posible. Conforme ha aumentado la utilidad y la asequibilidad de los osciloscopios, los usuarios se han vuelto más expertos en adaptarlos a sus necesidades concretas de medición y realización de pruebas. El tiempo que lleva identificar fallos, incluso en formas de onda complejas de gran velocidad, se ha reducido considerablemente. He aquí algunas de las últimas innovaciones de los osciloscopios que RS tiene en stock.

Osciloscopios de ordenador

Para los ingenieros de servicio que siempre van de un lado a otro, los osciloscopios de ordenador de PicoScope combinan características de los mejores instrumentos de banco de alto rendimiento con paquetes pequeños, ligeros y ergonómicos alimentados por USB 2.0, interfaz a través de la cual el instrumento también transmite los datos.

Los modelos más sencillos, los 2104/2105, son osciloscopios monocanal no mucho más grandes que las sondas, pero capaces de velocidades de muestreo en tiempo real de hasta 100 MS/s con un ancho de banda analógico de 25 MHz. Pero los instrumentos basados en ordenador no se limitan a la funcionalidad de gama más baja. El PicoScope 6403 es un instrumento sofisticado, con un ancho de banda de 350 MHz y cuatro canales, capaz de lograr velocidades de muestreo en tiempo real de hasta 5 GS/s y con una memoria buffer de 1 GS para facilitar el análisis de señales – todo un logro para un osciloscopio que apenas mide 255 x 170 x 40 mm y pesa menos de 1 kg.

Instrumentos de mano

Los Fluke Scopemeters gozan de popularidad entre los ingenieros de mantenimiento por ser osciloscopios con almacenamiento digital, autónomos y que funcionan con batería. Una vez más, el reducido tamaño no es óbice para un gran rendimiento.

El Fluke Scopemeter 199C, de reciente introducción, es un osciloscopio de dos canales que puede funcionar hasta cuatro horas seguidas usando su batería NiMH recargable. Ofrece un ancho de banda de 200 MHz, muestreo en tiempo real de hasta 2,5 GS/s y una memoria de 27.500 puntos por entrada. Existen varios modos avanzados de activación y la sensibilidad de entrada va de 5 mV a 100 V/ división.

Osciloscopios Agilent

La gama de osciloscopios MSO (de señal mixta) y DSO (de señal digital) Agilent Infinivision incluye productos con anchos de vídeo y HDTV.

Osciloscopios DSO de Isotech

El Istotech IDS8104 es un osciloscopio de almacenamiento digital económico que cuenta con un display TFT LCD a color, una velocidad de muestreo monopulso de 1 GS/s y una longitud de registro máxima de 25K que le permite capturar formas de onda múltiples y complejas. El modo de tiempo de muestreo equivalente de 25 GS/s mantiene una elevada velocidad de muestreo efectiva en configuraciones de tiempo-base rápidas para señales repetitivas. Las conexiones USB y el software de comunicación con el ordenador proporcionan comunicación con impresoras y ordenadores, permitiendo además el almacenamiento ilimitado de formas de onda y configuraciones de panel en memorias flash USB.

Osciloscopios LeCroy MSO de 50 GS/s

El MSO 104Xs es un osciloscopio de señal mixta de gama alta que cuenta con una pantalla táctil integrada; va dirigido a la integración de sistemas y a las aplicaciones de depuración de errores. El modelo de 4 canales con un ancho de banda de 1 GHz ofrece un muestreo en tiempo real de hasta 50 GS/s y una amplia selección de decodificación y activación de datos en serie para I2C, SPI, UART, Serial Audio, CAN y LIN. El hardware permite el procesamiento rápido de memorias grandes, incluso cuando se está examinando en las 22 entradas.

Artículo escrito por Giacomo Mazzullo, Area Manager de TDK-Lambda Italia.

Los paneles fotovoltaicos generan corriente / tensión con un comportamiento muy variable como consecuencia de los cambios en la energía proveniente del sol. La Figura 1 muestra cómo suele actuar la energía generada por un panel para varios niveles de luz solar. Para cada nivel de radiación, existe un punto en el que el panel ofrece el Punto de Máxima Potencia (MPP).

Figura 1: Curva de Potencia-Tensión de una celda fotovoltaica para diferentes niveles de luz.

Tecnología MPPT

Para beneficiarse de toda la energía generada desde el panel o campo fotovoltaico, se necesita que el interface de control rastree continuamente el MPP. El circuito electrónico que realiza esta función es conocido como el Rastreador del Punto de Máxima Potencia (MPPT).

La combinación de tecnología MPTT con novedosos inversores fotovoltaicos permite a los fabricantes de paneles proporcionar una mejora considerable en el rendimiento de las instalaciones de generación de energía fotovoltaica. Revisando otra vez la Figura 1, podemos observar la curva de una celda solar genérica y, después, adaptar el inversor MPTT para trabajar con todo el sistema y permanecer los más cerca posible del MPP.

Hay dos tipos de tecnología MPTT: analógica y digital. Ambas se pueden expresar como una función de transferencia (FDT) a través de un algoritmo integrado en el microprocesador o una función matemática que describe la operación de un sistema complejo de diversos componentes.

Simulación de un campo fotovoltaico

Para probar esta tecnología y su capacidad para lidiar con situaciones inesperadas, como cambios rápidos en la intensidad solar causados por un aumento de nubosidad, se tienen que llevar a cabo pruebas para simular estas variaciones en la entrada de tensión y corriente en el inversor MPPT.

Esto se debe a que los parámetros eléctricos de panel solar son tensión y corriente, y ambos dependen de la intensidad de luz que llega a la celda fotovoltaica. Por consiguiente, cuanto peor es el nivel de iluminación, menor es la tensión y la corriente de salida.

Figura 2: Rastreo MPP en respuesta a un cambio gradual en la intensidad de la radiación solar (trazo negro discontinuo) y en caso de una variación brusca, donde el inversor pierde el control (trazo azul discontinuo).

La simulación del comportamiento de un campo fotovoltaico es muy importante; ya que permite a los OEM optimizar el inversor MPPT FDT y aumentar el rendimiento y la eficiencia interna. En la Figura 2, la línea negra ilustra cómo la tecnología MPPT rastrea el MPP, durante un cambio suave de intensidad de luz, mientras que la línea roja muestra la pérdida de control cuando se produce una variación rápida en la intensidad. En estas últimas circunstancias, se recomienda no emplear tecnología MPPT.

Una elección eficiente

Con el objetivo de simular estos eventos, las fuentes de alimentación programables (de laboratorio), como la gama Genesys™ de TDK-Lambda, son muy efectivas. Con ratios de potencia de 750 W a 60 kW y salidas de hasta 600 V, la serie Genesys™ se caracteriza por interfaces digitales (RS232-485 y LAN).

Por lo tanto, estas fuentes de alimentación permiten a los ingenieros de simulación establecer seis pares de parámetros VI de los sistemas solares para simular determinadas condiciones operativas del campo fotovoltaico.

Figura 3: Uno de los muchos modelos de fuentes de alimentación programables de la serie Genesys™ de TDK-Lambda.

El uso de una secuencia de varios pares VI también ayuda a los ingenieros a reconstruir una curva y los parámetros de simulación para observar cómo funciona el inversor. Los interfaces digitales de las fuentes de alimentación Genesys™ también permiten leer la tensión y la corriente de salida “absorbidas” para que el equipo de I+D genere un informe de test automático.

Para simular las condiciones extremas, como cambios rápidos, caídas y elevaciones de voltaje, las opciones FAST y PSINK se encuentran disponibles en la serie Genesys™ para mejorar el tiempo de respuesta a unos poco milisegundos (ms) y la carga activa.

Cómo medir la eficiencia de un inversor fotovoltaico

La eficiencia de un inversor es el ratio entre el consumo de energía AC y DC:

n = P_AC / P_DC

Pero en el caso de inversores para aplicaciones fotovoltaicas, que deben trabajar con entradas de potencia extremadamente variables y condiciones ambientales que varían de un país a otro, la siguiente definición se acerca más a las circunstancias actuales. En el caso particular de Europa, la eficiencia de un inversor queda definida así:

n _EURO = 0.03 • n _5% + 0.06 • n _10% + 0.13 • n _20% + 0.1 • n _30% + 0.48 • n _{50% +} 0.2 • n _100%

Donde n_xx% es la eficiencia del inversor cuando la potencia de entrada es el xx% de la máxima capacidad de gestión de potencia.

El resultado es una eficiencia que refleja las diferentes condiciones de radiación y, por consiguiente, la potencia de entrada, de acuerdo a la distribución media de los niveles de luz solar registrados en toda Europa.

Algunas antenas

A continuación se nombrarán algunas antenas.

Gráfica 7: Antena ¼ de longitud de onda con plano de tierra

¼ de longitud de onda con plano de tierra

Este tipo de antena es de bajo costo y fácil desarrollo, corresponden a 4 o 5 elementos de ¼ del tamaño de la longitud de onda, por lo que es preferible usar frecuencias altas, en especial para construcciones caceras. Uno de los elementos va perpendicular al plano de tierra y el resto a un ángulo de 30 o 40 grados respecto al plano de tierra en dirección contraria al primer segmento.

Un ejemplo de esta antena se muestra en la gráfica 7. La ganancia de esta antena se encuentra del orden de 2 a 4 dBi. Y es posible variar levemente las dimensiones para lograr mejorar la ganancia en alguna dirección.

Antena Yagi

Gráfica 8. Diferentes antenas tipo yagi

Es una antena similar a la que se usaba antes para la señal del televisor. Cuenta con un elemento activo que es el encargado de emitir la señal y a dónde va conectado el cable o guía de onda a usar, este elemento es equivalente a un dipolo de media onda de alimentación central, este elemento puede ser acompañado por reflectores que concentran la señal en los demás elementos, llamados directores, cuya longitud es ½ de la longitud de onda de la señal usada y su distancia de separación va entre 0.2 y ½ de la longitud de onda.
Es una antena direccional donde la dirección es paralela hacia donde mira el eje que sujeta los directores. La ganancia dependerá del número de directores. El ancho del haz es de 10 a 20 grados y la ganancia de 10 a 20 dBi.

Gráfica 9: Dipolo hertziano portador de corriente I=I0cos wt

Dipolo Hertziano

La realización de esta antena no es sencilla debido a que las dimensiones son muy pequeñas lo que impide hacer un acople correcto con la guía de onda. Además que las corrientes en los extremos no será cero creando una diferencia con la teoría. A pesar de esto, debe ser estudiada como referente teórico para las demás antenas. Corresponde a un elemento e corriente infinitesimal I dI. Se parte de un dipolo hertziano ubicado en el origen como se muestra en la gráfica 9.

Por medio de teoría de fases podemos llegar a:

Donde  y r la distancia a P.

A partir de esto y por medio de la definición del vector de pointing se puede hallar que la potencia de radiación es:

Rrad se define como la resistencia de radiación y es necesario que sea un número elevado para poder lanzar gran cantidad de potencia al espacio y puede ser despejada de:

El análisis partió de un dipolo infinitesimal principal impedimento para la realización de esta antena, haciéndola posiblemente utópica.

Antena dipolo de ½ onda

Gráfica 10: Antena plana dipolo de media onda.

Su nombre se debe a que su longitud es de media longitud de onda, anteriormente hablamos de la antena yagi, la cual partía de un dipolo de media onda. Al hacer un análisis similar al realizado con el dipolo hertziano obtenemos que la resistencia de radiación de esta antena es aproximadamente 73 ohm y la potencia Prad=36.56 I₀².

La resistencia de radiación de esta antena es la misma resistencia de entrada si la antena se considera sin perdidas. Sin embargo, para poder explicar el tamaño, se ha demostrado que cuando l=0.485? la parte reactiva de la impedancia se vuelve cero y el elemento se vuelve resonante, aspecto importante para una antena (como se habla en la primera parte del documento). Es por esto que la longitud se aproxima a la mitad de la longitud de onda. Y debido a la resistencia de radiación, los cables coaxiales se diseñan para tener una impedancia de 75 Ohm.

Referencias

En el texto:

[1] Radio comunication unit of the ICTP ARPL Handbook. Chapter 4. Spanish version. http://wndw.net/pdf/wndw-es/chapter4-es.pdf

[2] Ultra-Wide-Band Printed Circular Dipole Antenna. Computer Simulation Technology.

http://www.cst.com/Content/Applications/Article/Ultra-Wide-Band+Printed+Circular+Dipole+Antenna

[3] Sadiku, Matthew N.O., Elementos de electromagnetismo.

Textos de apoyo:

1. The W1GHZ Online Microwave Antenna Book, Pawl Wade W1GHZ. http://www.w1ghz.org/antbook/contents.htm
2. Radio comunication unit of the ICTP ARPL Handbook. Chapter 4. http://wireless.ictp.trieste.it/handbook/C4.pdf
3. www.wikipedia.org

Direcciones de las otras imágenes:

• http://japandempaparty.tripod.com/sitebuildercontent/sitebuilderpictures/anntena.jpg
• http://www.e-secchi.com/img/uhf-anntena.gif
• http://www.zdacomm.com/images/stories/categories/ZDAEWVHF.jpg
• http://2.bp.blogspot.com/_QjrjunwWWdA/THmxzg90izI/AAAAAAAAADQ/RDF49iXY2k8/s1600/fibra-optica.jpg
• http://www.domoking.com/wp-content/uploads/2008/08/lampara-fibra-optica2.jpg
• http://www.ubergizmo.com/photos/2007/9/usb-fiber-tree.jpg
• http://thinkservice.com.ve/images/Antennas/15dBi%20Omni%20Antenna/pattern_hg2415u_pro.gif
• http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d8/Diagrama_sectorial.gif/300px-Diagrama_sectorial.gif
• http://www.enruta.me/static/images/antennas/gain.jpg
• http://www.asia.ru/images/target/photo/50193631/Yagi_Antenna.jpg
• http://2.bp.blogspot.com/_YEYtlK1DnUY/TE4kq9yKJKI/AAAAAAAAAIE/lD918cnamO0/s400/f9.gif
• http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/Diagrama_gen_rad.JPG

Artículo escrito por Virginia Fernández, Product Marketing Specialist de RS España y Portugal

Las herramientas de diseño están evolucionando a pasos agigantados para aumentar la productividad de los ingenieros.

Los avances de la informática han cambiado muchos aspectos de la vida moderna, pero actualmente, estos cambios son mucho más visibles en el diseño electrónico y electromecánico.

Aunque la transición al diseño asistido por ordenador ha sido muy sutil, las continuas mejoras en el procesamiento de gráficos, el desarrollo de algoritmos de modelado más precisos, y la capacidad de traducir dichos modelos a diseños reales permite que los ingenieros, ahora más que nunca, confíen en gran medida en las herramientas de diseño basadas en la informática para ofrecer diseños mejores y más rápidamente.

Estos desarrollos en las herramientas de diseño incluyen modos más eficaces de compartir la información. La comunidad de ingenieros se ha beneficiado siempre de la multiplicidad de la información disponible, de la posibilidad de conectarse con otros miembros y, en definitiva, de las ventajas que ofrece una comunidad actual cuya actividad gira cada vez más alrededor de Internet. Para permitir que los diseñadores obtengan un mayor beneficio de estas tendencias, RS ha presentado una serie de iniciativas, entre las que se encuentran DesignSpark y DesignSpark PCB, para crear una fuente online de referencia y práctica, de información fiable, que dará soporte a los usuarios a la hora de tomar decisiones para sus diseños electrónicos.

DesignSpark

DesignSpark es una comunidad abierta, de carácter mundial, de ingenieros electrónicos, en la que los miembros exponen sus inquietudes, dudas, soluciones, novedades y todo aquello que en general puede ser interesante para el desarrollo de proyectos electrónicos.

Proporciona un conjunto de recursos de diseño de confianza, entre los que se encuentra DesignSpark PCB, revisiones de productos e interacción con el sector para simplificar y acelerar el proceso de diseño.

Una parte importante de DesignSpark está constituida por los análisis independientes que presenta para los kits de desarrollo y las plataformas de evaluación, de ingenieros para ingenieros. A través de estos análisis los diseñadores pueden obtener toda la información necesaria sobre las aplicaciones para las que mejor se adapta cada kit, y a partir de ahí, decidir cuál es el más adecuado para cada montaje o proyecto completo.

Los miembros también pueden seguir diferentes blogs sobre los temas en los que estén interesados e incluso expresar sus ideas a través del suyo propio, lo que genera discusiones muy interesantes sobre las últimas novedades y tendencias tecnológicas.

A través de un registro gratuito, los diseñadores tienen acceso a la funcionalidad completa de DesignSpark así como a la descarga de herramientas gratuitas de diseño electrónico, a la vez que conocen las novedades del sector electrónico de primera mano.

DesignSpark, que actualmente cuenta con más de 40.000 miembros de más de 200 países diferentes, es, en definitiva, un sitio web profesional de referencia desde el que acceder a todos los recursos imaginables.

DesignSpark PCB

El hardware de código abierto es un movimiento que está ganando fuerza en el mundo de la ingeniería electrónica. Similar al caso del código abierto en software que ha permitido el acceso a una amplia gama de aplicaciones informáticas, el hardware de código abierto está ayudando a eliminar muchas barreras a la innovación tecnológica. Sin embargo, a diferencia de la comunidad de código abierto en software, los diseñadores de hardware que quieren ofrecer su trabajo en abierto no han tenido acceso a tantas herramientas gratuitas.

Pero esta situación está cambiando. Importantes compañías están utilizando el modelo de hardware de código abierto para facilitar la creación de prototipos y desarrollar nuevos sistemas. Y aún va más allá, el hardware de código abierto ya está creando sistemas acabados completos, absolutamente profesionales.

La comunidad de DesignSpark, además de toda la información sobre productos y tecnologías relacionados con la electrónica, también aglutina una serie de herramientas de diseño gratuitas entre las que se encuentra DesignSpark PCB.

DesignSpark PCB es una herramienta de diseño electrónico completamente profesional, sin límites, muy sencilla e intuitiva de utilizar y a la que se puede acceder de forma gratuita desde DesignSpark.

Con ella, los ingenieros de diseño pueden crear sus proyectos de PCB de forma totalmente profesional y sin limitaciones en cuanto al tamaño de placa, número de capas o componentes del diseño.

Creada en colaboración con una compañía especializada en herramientas de diseño electrónico (el equipo de desarrollo suma un total de más de 150 años de experiencia en el desarrollo de software CAD para PCB), DesignSpark PCB es el resultado de esta enorme experiencia y de los comentarios de los usuarios de CAD de todo el mundo, así como del detallado análisis de las herramientas de diseño de PCB disponibles actualmente.

Además de las funciones de representación esquemática y disposición de pistas esenciales para cualquier herramienta de diseño electrónico, DesignSpark PCB incluye enrutamiento automático (autorouter) compatible con la verificación de las reglas de diseño, lo que garantiza que la placa se podrá fabricar.

La herramienta es compatible con una amplia gama de diseños que ya se encuentran disponibles, no sólo los de hardware de código abierto, sino también muchos diseños de referencia que producen algunos fabricantes, compatibles con los estándares de la industria.

Como resultado, permite que una nueva generación de ingenieros de electrónica trabaje en sus proyectos con un tipo de herramienta profesional que antes habría costado cientos o miles de euros.

Los diseños se pueden exportar en varios formatos de archivo, incluidos IDF, DXF y formatos de fabricación Gerber, completamente estándar y no dependientes de un fabricante en concreto. También existe la posibilidad de visualizar el diseño en 3D, funcionalidad muy útil a la hora de comprobar las dimensiones reales del diseño final e incluir los componentes mecánicos.

Como resultado final, permite la obtención del listado de materiales utilizados en el diseño, con las referencias de fabricante y los correspondientes enlaces a RS Online, por si el diseñador necesitase hacer alguna comprobación posterior. Con ese listado y, a través de la herramienta de Ofertas Online de RS, se puede comprobar la disponibilidad de stock y los costes de los componentes, para obtener un presupuesto del diseño de manera inmediata.

Como novedad, RS presenta PCB Converter for SketchUp. Este convertidor de PCB para SketchUp, disponible de manera gratuita en DesignSpark, es una herramienta sencilla pero muy potente, que permite a los diseñadores importar ficheros IDF al formato Collada utilizado por Google SketchUp.

Al utilizar esta herramienta, los ingenieros podrán combinar proyectos electrónicos y mecánicos, abriendo las puertas a la colaboración. Podrán realizar cambios en los diseños de forma inmediata, sin tener que esperar por los dibujos conceptuales, prototipos costosos o revisiones infinitas. Con la incorporación de modelos en 3D descargados de la web de RS, ya no existen barreras para un verdadero diseño integrado.

El hardware de código abierto, en definitiva, puede cambiar la manera en la que la comunidad de ingenieros enfoca el diseño, concentrando los esfuerzos en áreas diferenciables en lugar de forzar a los diseñadores a recrear desde cero subsistemas comunes, y así allanar el camino a la innovación. DesignSpark PCB elimina así otro obstáculo al ofrecer, gratuitamente, la capacidad de tomar, adaptar y crear nuevos diseños de hardware de electrónica.

Estas herramientas, junto con los Modelos 3D, que permiten la descarga y visualización en 3D de distintos componentes para poder integrarlos en los diseños finales, y Component Chooser, búsqueda paramétrica avanzada especialmente diseñada para componentes electrónicos, son los primeros resultados de un énfasis renovado de RS para desempeñar un papel principal durante el ciclo completo de creación de un producto, desde el concepto hasta la producción.

Con todas estas herramientas RS muestra su compromiso por proporcionar a la comunidad de diseño todos los recursos necesarios para desempeñar un trabajo completamente profesional, de la manera más sencilla posible y con un ahorro de tiempo considerable.

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.

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

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

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

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

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

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)

Ponencia escrita por Juan Camilo y Jose Manuel Monsalve Díaz, de la Pontificia Universidad Javeriana, Sección Ingeniería electrónica, Bogotá Colombia.

Introducción

Las antenas son dispositivos que permiten transformar la energía electromagnética que va por un conductor, guía de onda u otro dispositivo que transporta una señal de radio frecuencia, a una onda electromagnética que viaja por el espacio, es decir, transforma voltaje en ondas electromagnéticas y viceversa. Las antenas son dispositivos resonantes y sistemas recíprocos, lo que permite transmitir y recibir con el mismo dispositivo sólo a un ancho de banda específico y limitado.

Las antenas tienen ciertas características que cambian de acuerdo a la aplicación en que se esté trabajando. De acuerdo a estas características se pueden clasificar de diferentes maneras.

Este documento pretende recopilar de varios documentos toda la información de las antenas de manera resumida, las características, las clasificaciones y algunos ejemplos de usos de estas.

Términos claves

Ancho de banda

Es el rango de frecuencias en el que puede operar una antena cumpliendo la reciprocidad y en el cuál se encuentra en resonancia el sistema.

Las unidades del ancho de banda son los Hercios (Hz) y es el número para el cual la razón de onda estacionaria es menor que 2:1 (en esta notación amplitud máxima: amplitud mínima).

Con el fin de eliminar la dependencia del ancho de banda respecto a la frecuencia central, en algunos casos se expresa en porcentajes permitiendo un valor adimensional.

Siendo F_H la frecuencia más alta, F_L la frecuencia más baja y F_C la frecuencia central.

Impedancia de entrada:

Es la carga en ohmios que representa la antena para el sistema. Según el teorema de máxima transferencia de potencia es necesario que la antena, la línea de transmisión y el generador cuenten con la misma carga, garantizando así que se emite la mayor potencia posible hacia el medio. Un número común en la impedancia de las antenas es de 50 ?. Sin embargo, si por algún motivo alguna de las impedancias es diferente, es necesario realizar un sistema de acople de impedancias que permita que se cumpla la condición mencionada anteriormente. A esta diferencia se le llama desadaptación.

La impedancia de una antena, en términos generales es una cantidad compleja, donde la parte imaginaria representa las características reactivas (inductancias y capacitancias) y la parte real las características resistivas (medida en ohmios). Estos valores son función de la frecuencia a la que se someta el dispositivo, y es en la frecuencia de trabajo donde la parte imaginaria es igual a cero, no hay almacenamiento de energía y el comportamiento es únicamente resistivo. Este valor es el que los fabricantes entregan como impedancia.

Ganancia

Al igual que la directividad, la ganancia es una cantidad adimensional que está comparada normalmente respecto a una antena isotrópica. Debido a que la energía se debe conservar, cuando una antena radia mayor potencia en una dirección, se está perdiendo potencia en otra, por esta razón se puede hacer una comparación con una antena isotrópica que tenga la misma potencia total y medir la ganancia en una dirección específica. Es común que se exprese la ganancia en la dirección de máxima propagación. Se utiliza entonces los decibelios para expresar en escala logarítmica la ganancia y se le agrega una i al final cuando la antena de comparación es una isotrópica (dBi).

La ganancia directiva es “una medida de la concentración de la potencia radiada en una dirección particular”^[3].

La fórmula de la ganancia directiva en dbi es: 

Directividad

Es la capacidad de transmisión o recepción de una antena en una dirección específica, normalmente la de máxima radiación.

La directividad es una cantidad que se expresa en términos de la antena Isotrópica que radia con la misma potencia total. Se usa esta antena porque es una antena que radia en todas las direcciones con la misma energía.

Aunque físicamente no es posible generar esta antena es un buen referente teórico para este tipo de comparaciones. Se define entonces la directividad (D) como la relación entre la máxima intensidad de radiación de la antena respecto a una antena isotrópica de la misma potencia total.

Pérdida de retorno

Es una forma diferente de expresar la desadaptación, es una relación que expresa la razón entre la potencia reflejada por la antena y la que entrega la línea de transmisión con la que se alimentó. Sus unidades son dB y se relaciona con la Razón de Onda Estacionaria (ROE o SWR) por la siguiente ecuación.

Una pérdida de retorno grande representa un mal funcionamiento de la antena.

Continúa en Antenas una explicación de su funcionamiento (II)