Antes de empezar hay algunas
cosas interesantes sobre las antenas que debemos conocer, que mientras más sepamos
sobre estas herramientas que vamos a usar mejor podremos determinar qué antena
necesitamos y como usarlas.
El hito que cambió la historia de
las telecomunicaciones fue el descubrimiento de la propagación de ondas electromagnéticas
como medio de transmisión de datos eliminando así la necesidad de utilizar
cables en los sistemas de comunicación. En esta asignatura estudiamos uno de
los elementos más importantes dentro de las telecomunicaciones como son las
antenas.
Pero ¿Qué es una antena?
Las antenas vienen definidas por varios parámetros
básicos, tanto de transmisión como de recepción los cuales fueron explicados
en el transcurso de la asignatura.
Entre los principales parámetros de
transmisión de las antenas podemos encontrar:
Ganancia de antena: es el parámetro que indica la eficacia de la
antena. Potencia entregada por la antena. Es la razón de intensidad de
radiación en cualquier dirección a la radiación de intensidad que sería
obtenida si la potencia fuera radiada de manera isotrópica. La ganancia se
puede calcular en función de potencia o tensión.
Teniendo en cuenta el patrón de
radiación, se dice que una antena tiene ganancia no en el sentido que amplifica
la señal recibida del transmisor, si no que la concentra hacia una sola
dirección, o que hace ver como si la señal fuera emitida con una potencia mayor. Este es el
caso de las antenas direccionales que dirigen sus ondas hacia un solo sector, llegando la señal con más fuerza que si fuera emitida por
una antena omnidireccional. Para determinar la ganancia se establece la intensidad
en un punto, irradiada por una antena
omnidireccional sin ganancia y la intensidad de la señal emitida por la antena
direccional. La relación de estas señales se utiliza para obtener los decibeles
de ganancia.
La ganancia de una antena es el
producto de la directividad (determinada exclusivamente por factores
geométricos) y la eficiencia de la antena, que depende del material de la que
está construida y de las imperfecciones de manufactura. La eficiencia de la
antena se suele expresar con la letra griega eta y varía normalmente entre 40 y
60%.
Diagrama de radiación o patrón de radiación: El diagrama de
radiación o patrón de radiación es la representación gráfica de las pérdidas de
radiación en función del ángulo espacial, en ellos podemos apreciar la
ubicación de los lóbulos laterales y traseros, los puntos en los cuales no se
irradia potencia (NULOS) y adicionalmente los puntos de media potencia.
Diagrama de radiación
de una antena isotrópica
Observamos que la ganancia es igual para todas las
direcciones.
Diagrama de radiación
de una antena omnidireccional
Vemos que en este caso el patrón de directividad
es omnidireccional (radia igual en todas direcciones)
para el plano xy pero es bidireccional (dos lóbulos, uno
anterior y otro posterior) en el plano xz.
Diagrama de radiación
de una antena direccional.
Con las antenas direccionales
descubrimos el término de lóbulo principal, se trata de la dirección donde se
proyectará la mayor parte de la energía. También tendremos, por el simple hecho
de trabajar en un medio físico no ideal, un número determinado de lóbulos
secundarios. Estos lóbulos proyectarán energía en direcciones que no son la
deseada, o en caso de recepción nos captarán señales que no provienen
directamente de nuestra fuente, captando ecos y reflexiones o interferencias de
otras fuentes.
Impedancia de una antena: La impedancia de una antena está
formada por parte real llamada resistencia y una imaginaria llamada reactancia de la antena y estará
definida por los materiales de que este constituida y por la resistencia de
radicación. Tendrá la forma:
Z=R+jX
Donde la parte real R es la suma de la resistencia
de radiación Ra y una resistencia disipativa que genere pérdidas por
calentamiento, Rp
(R= Ra+ Rp)
La parte imaginaria jX explica el comportamiento
de la antena en campos cercanos. Esta impedancia
dará lugar a un nuevo parámetro.
La importancia de la impedancia de la antena es
que de ella deriva la respuesta en frecuencia. Lo que suele dar el fabricante es
el valor de la relación de onda estacionaria de la tensión en función de
la frecuencia en la banda de trabajo de la antena.
Atenuación: es la pérdida de potencia de la señal a
transmitir.
Ancho de haz: Dentro de un corte del plano
H o E del patrón de directividad se define ancho de
haz de 3dB como el ángulo que hay entre los puntos, a la derecha y la izquierda
del máximo, cuya directividad es 3dB menos que el máximo. En las
siguientes figuras podemos ver la representación del Ancho de haz para un patrón de radiación de un dipolo:
Las líneas oblicuas marcan el Ancho de haz a 3dB.
Polarización: la polarización de una antena se refiere a la
dirección del campo eléctrico dentro de la onda electromagnética emitida por
ésta con respecto a un campo de tierra dado. Las antenas verticales emiten un
campo eléctrico vertical y se dicen que están polarizadas verticalmente. Las
antenas horizontales tienen, por lo tanto, polarización horizontal.
Para que haya una buena comunicación entre dos
estaciones, éstas deben tener el mismo tipo de polarización.
Polarización Vertical
Polarización Horizontal
Polarización Circular
Polarización Elíptica
Ancho de Banda: Margen de frecuencias dentro del cual los
parámetros característicos considerados van a operar.
Otros parámetros importantes que debemos tener en cuenta a la
hora de estudiar las antenas son, los parámetros de recepción:
Área Efectiva: es la absorción de la potencia recibida y la
densidad de potencia. Es el área donde se intercepta el campo electromagnético para
extraer de él la energía transportada por la onda.
Es aquella asociada con la potencia útil suministrada a la línea
del transmisor en condiciones de
acoplamiento de impedancia.
La antena extrae potencia de frente de una onda incidente por
lo que representa una cierta área Efectiva, definida como la relación a su
carga y la densidad de potencia de la onda incidente.
Densidad de potencia: es la potencia que se recibe y depende de la
distancia mínima
Eficiencia: Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la
antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y
directividad.
El parámetro e (eficiencia) es adimensional.
Fórmula de Friss: nos permite establecer un balance de potencia
entre la antena transmisora y la antena receptora, al mismo nivel de señal
detectable en el receptor, fija la potencia en el transmisor considerando
ganancias de antenas y longitud de onda al recibir y transmitir la señal de la
trayectoria en el espacio libre.
Temperatura de ruido de la antena: no se refiere a la
temperatura física de la antena si no a la cantidad de ruido producido por la
antena en un entorno determinado y depende de ganancia y ambiente térmico donde
se coloca.
Por otra parte dentro del contenido de la asignatura estuvieron
reflejados los tipos de antenas y sus características, entre las que tratamos
estaban:
·
La antena dipolo: este tipo de antena es la más sencilla hablando teóricamente,
y consta de un cable o elemento metálico alimentado en el punto central, y que
debido a que el dipolo es resonante según las dimensiones de este (normalmente
a λ /2 aunque también puede ser a λ /4) se consigue un máximo de corriente y un mínimo de tensión en
el punto central del dipolo, y dos mínimos de corrientes y dos máximos de
tensión en los extremos del dipolo, con lo que conseguimos una buena eficacia
de propagación.
Características: el dipolo es una antena básica
que tiene una ganancia relativamente baja (2 dB), es ligeramente directiva
(2,15 dB por encima de la directividad promedio) y se usa principalmente en
radio difusión (antenas de televisión y Broadcast).
·
Antena Yagi: es una antena del tipo direccional, es decir con la
capacidad de concentrar la mayor parte de la energía radiada en una sola
dirección. Puede definirse como un conjunto lineal constituido por un dipolo y
dos o más elementos parásitos (un reflector y dos o más directores).
Características: es una antena utilizada
especialmente para la recepción de señales de televisión, tanto en VHF como en
UHF. Alcanza una ganancia de hasta 17 dBi en las antenas de varios elementos.
·
Antena Log. Periódica: se compone de una sucesión de elementos
radiantes semejantes, cuyas distancias mutuas y frecuencias de resonancia propias se hallan en progresión geométrica.
La antena log-periódica se
asemeja a la Yagi en cuanto está formada por dipolos, pero la diferencia fundamental
es que todos los dipolos se alimentan y la fase de alimentación se invierte en
cada paso.
Características:
• La impedancia es una función periódica de la
frecuencia de operación.
• Unidireccionalidad y gran ancho de banda, va en
HF, VHF y UHF.
• El elemento
más corto es < l / 2 λ de la frecuencia más alta, mientras que el elemento más
largo es > l / 2 λ de la frecuencia más baja.
• Ganancia inferior a una Yagi con el mismo
número de elementos.
·
Antena de Bocina: son antenas de gran ganancia y directividad, que
trabajan a altas frecuencias (microondas), que normalmente alimentan a un
reflector parabólico o disponen de una
lente que focaliza los rayos y aumenta su ganancia. Este tipo de antenas se
basan en una guía de ondas en el cual el área de la sección va incrementándose progresivamente
hasta un extremo abierto, que se comporta como una apertura.
Características: este tipo de antenas se usan
como alimentadores de reflectores parabólicos, debido a su gran ganancia y
directividad, aunque se usan en arrays o agrupaciones para conseguir el
diagrama de directividad deseado para cubrir grandes zonas.
·
Antenas helicoidales: este tipo de antenas parte de un monopolo enrollado,
con lo que se consigue una polarización circular en el plano axial y una gran
directividad por lo que este tipo de antenas se usa para comunicación con satélites,
aunque también se usa como monopolo con el objetivo de reducir el tamaño de la
antena.
Características: la antena de hélice tiene una
gran directividad en su polarización axial (>15 dB), por lo que se usa para
la comunicación de satélites, principalmente en la banda VHF (30-150 MHZ), ya
que para frecuencias mayores se encuentran pérdidas debidas a sus capacidades parasitas entre los espacios
existentes entre las hélices.
·
Antenas Parabólicas: Antenas compuestas por una bocina emisora y un
reflector en forma de parábola que focaliza todos los rayos incidentes sobre
este a un mismo punto, con lo que se consigue una gran ganancia y directividad
debido a la geometría de la parábola. Este tipo de antenas sirve tanto para
recibir señales como para enviarlas, y es utilizada en multitud de campos, como
son la recepción de señales desde satélites, o en comunicaciones punto a punto.
·
Antenas Sectoriales: Las antenas sectoriales también se emplean en
las estaciones bases, donde ofrecen ventajas adicionales como, mejor ganancia
(a expensas de cubrir una zona más restringida) y posibilidad de inclinarlas
para dar servicio a las zonas de interés. Combinando varias antenas sectoriales
se puede dar cobertura en todo el plano horizontal, con mejor ganancia que la
ofrecida por una omnidireccional, pero a mayor costo.
Normalmente,
una antena sectorial tiene una ganancia más alta que las antenas
Omni-direccionales (en el rango de 10 - 19 dBi). Este tipo de antena se usa
generalmente para servir radios de 15 km.
Un valor común
de ganancia para una antena sectorial es de 14dBi para un ancho del haz horizontal
de unos 90º y un ancho del haz vertical de 20 º.
·
Reflector parabólico: Para grandes alcances, el reflector parabólico
es el más utilizado porque permite obtener ganancias de hasta 30 dB a costos
razonables. El reflector puede ser una lámina sólida o perforada, y mientras
las perforaciones no excedan de una décima parte de la longitud de onda su
efecto en las prestaciones eléctricas de la antena no será notable, mientras
que la resistencia al viento es significativamente menor. En algunos casos el
reflector se fabrica con una malla o con una grilla de alambre.
Comercialmente
hay varios fabricantes que producen estas antenas y se consiguen a veces de segunda
mano a precios muy atractivos.
Como la
frecuencia de operación depende solamente del elemento activo o alimentador,
reflectores utilizados para aplicaciones satelitales a frecuencias más altas
pueden perfectamente ser utilizados a otras frecuencias dotándolos del
alimentador adecuado, como se ilustra en la figura 20. Las antenas parabólicas
son las preferidas para enlaces a larga distancia, especialmente en frecuencias
de microondas como las que nos interesan.
·
Antena Plana o “Patch”: Esta antena es muy popular porque es visualmente
poco impactante. Se consigue con gananancias de hasta 23 dBi en nuestro rango
de frecuencias y a menudo se pegan a la caja que contiene el radio, en un solo
objeto.
Por otra parte en la asignatura pudimos abordar temas de interés
general como fue la majestuosidad del radio telescopio de Arecibo y su enorme superficie reflectora o espejo de
radio. También pudimos estudiar una antena nueva de interés como es la antena
Breti, las cuales son unas antenas innovadoras en el sector digital terrestre, diseñadas en forma cilíndrica con el propósito de
cubrir las áreas o localidades donde la señal es débil.
Junto
al conocimiento de estas antenas también
pudimos estudiar unos tema de interés general y de gran importancia en la
actualidad como es Encoderes Ranishaw, que es una empresa especializada en el mercado de metrología y
la espectroscopia. Actualmente su
cartera de productos es bien amplia lo que le ha permitido a la empresa un
crecimiento progresivo debido a las invocaciones patentadas. Y por otra parte
estudiamos sobre La Asociación Nacional
de Entidades Promotoras de Emprendimientos Innovadores (Anprotec) la cual tiene
como misión agregar, representar y defender los intereses de las empresas
promotoras de proyectos, en particular la gestión de las pequeñas empresas y
centros tecnológicos, fortaleciendo estos modelos como herramientas para el
desarrollo sostenible del país.
Como cierre
de la asignatura podemos señalar que es importantísimo observar detenidamente
el mundo de las antenas y darnos cuenta de que, a aparte de ser de vital importancia
en nuestro mundo, tenemos mucho que aprender respecto a cómo utilizarlas de
forma responsable, segura y ordenada ya que pronto dejaremos de estudiarlas en
un salón de clases y pasaremos a utilizarlas en la vida real.
Es un
tema muy interesante y que en la actualidad están por todos lados, y creemos
que ahora tenemos la base para seguir averiguando sobre ellas.
