Conclusiones

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.