ANTENAS

-¿Qué es una antena?
-Parámetros de una antena
Impedancia
Intensidad de radiación
Diagrama de radiación
Directividad
Polarización
Ancho de banda
-Tipos de antenas
Antenas de hilo
Dipolo
Yagi
Helicoidal
Logoperiódica
Antenas de apertura
Bocinas
Reflectores parabólicos
Antenas planas
Parches microstrip
SAR
-Agrupaciones de antenas


¿Qué es una antena?

Comenzaremos por decir que una antena es un dispositivo cuya misión es difundir y/o recoger ondas radioeléctricas. Las antenas convierten señales eléctricas en ondas electromagnéticas y viceversa.

Se encargan de radiar la potencia que les llega, con unas determinadas características de direccionalidad adecuadas a los distintos tipos de aplicaciones. Cada aplicación impondrá una serie de requisitos sobre la zona del espacio en la que se desea concentrar la energía.

Por otra parte, las antenas también son capaces de captar una onda radiada, absorber parte de su energía y finalmente entregarla al receptor.

Por tanto son dos las misiones básicas de una antena: Transmitir y recibir, imponiendo a cada aplicación condiciones particulares sobre la direccionalidad y otros muchos parámetros que posteriormente serán definidos. Esta diversidad de situaciones da origen a un gran número de tipos de antenas.


Parámetros de una antena

Una antena formará parte de un sistema más amplio, interesará por tanto, caracterizarla con una serie de parámetros que la definan y permitan evaluar su efecto sobre el sistema.

Impedancia
La antena ha de conectarse a un transmisor y radiar el máximo de potencia posible con un mínimo de pérdidas en ella. La antena y el transmisor han de adaptarse para una máxima transferencia de potencia.

A la entrada de la antena puede definirse la impedancia de entrada. Dado que la antena radia energía, hay una pérdida neta de potencia hacia el espacio debida a radiación. También se producen pérdidas, habitualmente óhmicas, en los conductores.

Pentregada = Pradiada + Pperdidas

La impedancia de entrada es un parámetro importante, puesto que condiciona las tensiones de los generadores, que se deben aplicar para obtener determinados valores de corriente en la antena, y como consecuencia una determinada potencia radiada.

Intensidad de radiación
Es la capacidad que tiene una antena para radiar con una cierta direccionalidad, es decir, para concentrar la energía radiada en ciertas direcciones del espacio.

La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección. A grandes distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se encuentre la antena.

Diagrama de Radiación
Es la representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena.

Al observar a gran distancia una antena, se vería su radiación como si proviniera de un punto, es decir, los frentes de onda serían esféricos. A este punto, se le denomina el centro de fase de la antena.

Los cortes bidimensionales del diagrama de radiación se pueden representar en coordenadas polares o cartesianas. La representación en coordenadas cartesianas permite observar los detalles en antenas muy directivas, mientras que el diagrama polar suministra una información más clara de la distribución de la potencia en las diferentes direcciones del espacio.

A continuación se muestran ejemplos de ambas representaciones.

En un diagrama de radiación típico se puede apreciar una zona donde la radiación es máxima, a la que se denomina haz principal o lóbulo principal. Las zonas que rodean a los máximos de menor amplitud se denominan lóbulos laterales y el lóbulo lateral de mayor amplitud se denomina lóbulo secundario.

Si un diagrama de radiación presenta simetría de revolución en torno a un eje se dice que la antena es omnidireccional.

Se denomina antena isótropa a una antena ideal que radie la misma intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio.

Directividad
La directividad en 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 esa misma distancia una antena isótropa que radiase la misma potencia que la antena.

En general, la directividad se puede obtener a partir del conocimiento del diagrama de radiación de la antena.

Una antena isótropa tiene directividad uno; si radiara uniformemente en un hemisferio, su directividad valdría 2, y si lo hiciera en un octante sería 8.

Un segundo parámetro directamente relacionado con la directividad es la ganancia de la antena G. Su definición es semejante, pero la comparación no se establece con la potencia radiada, sino con la entregada a la antena. Ello permite tener en cuenta las posibles pérdidas en la antena, ya que entonces no toda la potencia entregada es radiada al espacio.

La ganancia y la directividad están relacionadas, en consecuencia, por la eficiencia de la antena.
Si la antena no posee pérdidas, caso habitual a altas frecuencias, ambos parámetros son equivalentes.

Polarización
La polarización es una indicación de la orientación del vector de campo E(r,t), en un punto fijo del espacio al transcurrir un tiempo.

La polarización de una antena en una dirección es la de la onda radiada por ella en esa dirección. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación.

Para ondas con variación temporal sinusoidal esta figura es en general una elipse, pero hay dos casos particulares de interés: si la figura trazada es un segmento, se dice que la onda esta linealmente polarizada y si es un círculo, circularmente polarizada.

Ancho de banda
Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias.

El ancho de banda de una antena es el intervalo de frecuencias, en el que los parámetros de la antena, no sobrepasan unos límites prefijados. Se puede describir como la relación entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central.

BW= (fmax - fmin)/f0

Tipos de antenas

Cada aplicación y cada banda de frecuencia presentan características peculiares que dan origen a unos tipos de antenas muy diversas. Los tipos más comunes de antenas son los siguientes.

Antenas de hilo
Se distinguen por que están construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolos, rombos V), espirales (circular, cuadrada o cualquier forma arbitraria) y hélices.

El tipo más común son las antenas de dipolo. Esta clase de antena es la más sencilla de todas. Consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión.

Podemos decir que las antenas Yagi son una evolución del dipolo, puesto que son el resultado de añadir a un dipolo, por ser bidireccional, más elementos para hacerlo direccional, denominados parásitos porque en sí mismo no son captadores.

Los elementos directores son colocados delante, y refuerzan la señal en dirección del emisor. Mientras que el elemento reflector colocado detrás, bloquea la captación de señales en la dirección opuesta al emisor. El reflector es el que hace unidireccional al dipolo.

Las antenas Yagi pueden ser diseñadas para aplicaciones de banda ancha. Además tienen mayor ganancia porque cada elemento adicional hace ganar algo en la captación de la señal.

Una antena helicoidal es un tipo de antena que presenta un comportamiento de banda ancha. Una hélice es el resultado de bobinar un hilo conductor sobre un cilindro de diámetro constante.

Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son: su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas).

Podemos definir una antena logoperiódica como un grupo de antenas dipolos unidas y alimentadas a través de una línea de transmisión común.

Es una antena multibanda y su respuesta en frecuencia es muy plana, lo que la hace muy interesante en aplicaciones donde el usuario utiliza sistemas en diferentes bandas, (e.g. aplicaciones militares). Debido a estas características el coste de este tipo de antenas es más elevado que el de las mencionadas anteriormente.

Antenas de apertura
En estas antenas la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campo soportada por la antena y se suelen excitar por guías de onda. Son antenas de apertura las bocinas (piramidales o cónicas), las aperturas sobre planos y ranuras sobre planos conductores y las guías de onda.

En concreto una bocina es una antena que se utiliza de forma generalizada a frecuencias de microondas, por sus características de gran ancho de banda y por su facilidad de construcción y diseño.

Las bocinas se pueden utilizar como antena individual, en forma de agrupaciones, o como alimentador de reflectores o lentes.

De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica.

El empleo de reflectores (superficies planas, parabólicas, hiperbólicas, elípticas) permite optimizar las características de radiación.

La utilización, en el caso particular de los reflectores parabólicos, radica en una propiedad por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide, en el caso de una antena receptora, en cambio si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena.

Los tipos básicos de antenas con reflector son los siguientes:

· Foco primario
La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. El foco está centrado en el paraboloide.

Tienen un rendimiento máximo de aproximadamente el 60%, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% lo hace al foco y se aprovecha mientras que el resto se pierde.

· Offset
Una antena offset está formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse).

El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de Foco Primario, pudiendo ser de un 70% o algo más.

· Cassegrain
Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido.

En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico. El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico.

Antenas planas
Las antenas planas están formadas por un agrupamiento plano de parches microstrip y un circuito que distribuye la señal entre los parches. Ambos, parches y circuito, se fabrican utilizando técnicas de fotograbado sobre un sustrato dieléctrico laminado en cobre por ambas superficies.

Al ser una tecnología plana facilita su integración con el resto del sistema, favoreciendo la reducción del tamaño y peso global.

Una de las supuestas desventajas de las antenas de parches es su estrecho ancho de banda, pero actualmente existen numerosos métodos para solventar este inconveniente.

Las formas más comunes de parches son cuadradas, rectangulares, circulares y elípticas pero es posible cualquier forma.

Por otra parte, también pertenecen al grupo de antenas planas las antenas o radares de apertura sintética (SAR).

Una apertura sintética o antena virtual es un sistema que genera imágenes de alta resolución. Consiste en un extenso arreglo de sucesivas y coherentes señales de radar que son transmitidas y recibidas por una pequeña antena que se mueve a lo largo de determinado recorrido de vuelo u órbita.

El SAR pertenece a los sensores activos y la principal ventaja frente los pasivos es que al trabajar los primeros en la región de las microondas éstas podrán atravesar nubes, polvo en suspensión, etc., permitiendo la obtención de imágenes en lugares donde las condiciones atmosféricas sean adversas, tales como regiones polares, ecuatoriales, etc.

Generación de apertura sintética: el objeto rojo es registrado desde distintas posiciones del sensor

Agrupaciones de antenas (Arrays)

Para finalizar, decir que en algunas aplicaciones son requeridas características de radiación que no se pueden conseguir con una única antena, aunque en estos casos prodemos recurrir a la combinación de varias antenas y obtener así una gran flexibilidad.