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04/10/2013

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Comunicaciones Inalámbricas Capitulo 3: Antenas

Víctor Manuel Quintero Flórez

Claudia Milena Hernández Bonilla

Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones

II-2013

Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca

Antenas • Componente fundamental de sistemas de

comunicaciones inalámbricos.

• Dispositivo (radiador EM) que radia o recibe ondas electromagnéticas.

• Convierte la energía de una onda guiada en la energía de una onda de espacio libre (o viceversa) tan eficientemente como sea posible.


Antenas

– Vg - voltaje-fuente generador (transmisor).

– Zg- Impedancia generador (transmisor).

– Rrad – Resistencia de radiación. (relacionado a la potencia de radiación)

– RL – Resistencia de pérdida (relacionada a pérdidas de dieléctrico y de conducción).

– jXA – Reactancia de antena

2

rP ad A radI R

A rad L AZ R R JX


Antenas

• La antena es un componente critico de un sistema de comunicaciones inalámbrico.


Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas.

– Radiadores de un único elemento • Radiadores de alambre.


Antenas • Revisión general de geometrias y arreglos de antenas

(2).

– Radiadores de un único elemento (2). • Antenas de apertura.

Corneta (Horn) piramidal

Corneta cónica

Guía de onda rectangular abierta

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(3).

– Radiadores de un único elemento (3) • Antenas de apertura (2).

double-ridge horns (TEM, linear polarization, ultra-wide band)



(4).

– Radiadores de un único elemento (4) • Antenas de apertura (3).

quad-ridge horns (TEM, ultra-wide band) Corneta corrugada



(5).

– Radiadores de un único elemento (5) • Antenas impresas.



(6).

– Radiadores de un único elemento (6) • Antenas impresas (2).



(7).


double-layer printed Yagi with electromagnetically-coupled feed



(8).


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(9).




(10).


Formas de los parches radiantes.


• Revisión general de geometrias y arreglos de antenas (11).


– De ranura (slot)

Antenas




– De ranura (slot) (2)

Antenas



– Radiadores de un único elemento (13) • Antenas “Leaky-wave”

Antenas



– Radiadores de un único elemento (14) • Antenas reflectores

Antenas

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– Radiadores de un único elemento (15) • Antenas reflectores (2)

Antenas

The Arecibo Observatory Radio Telescope



– Radiadores de un único elemento (16) • Antenas lente

Antenas



– Radiadores de un único elemento (17) • Antenas lente (2)

Antenas



– Radiadores de un único elemento (18) • Antenas lente (3)

Antenas



– Arreglos (arrays) de antenas. • Múltiples elementos radiantes. (usualmente similares).

Antenas



– Arreglos (arrays) de antenas (2).

Antenas

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Antenas

NRAO/ALMA (Atacama Large Millimeter Array): array of radio telescopes




Antenas

Arreglos de parches Microstrip


• Parámetros de antenas.

– Patrón de radiación • Representación de las propiedades de radiación de la antena como

función de las coordenadas angulares.

• Valor normalizado.

Antenas

,E

2

,E

2

,H


• Parámetros de antenas (2).

– Patrón de radiación (2)

• Patrón isotrópico.

• Antena direccional.

• Antena omnidireccional.

Antenas



– Patrón de radiación (3) • Patrones principales

Antenas




Antenas

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Antenas



– Patrón de radiación (6) • Lobulos del patrón.

Antenas



– Patrón de radiación (7) • Lobulos del patrón (2).

Antenas



– Patrón de radiación (8) • Ancho del haz del patrón (Pattern Beamwidth).

– Ancho del haz de potencia mitad. (HPBW)

– Ancho del haz de primeros nulos. (FNBW)

Antenas



– Patrón de radiación (9) • Ancho del haz del patrón (Pattern Beamwidth) (2).

Antenas



– Patrón de radiación (10) • Ancho del haz del patrón (Pattern Beamwidth) (3).

Antenas

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Antenas




Antenas




Antenas




Antenas




Antenas




Antenas

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Antenas



– Relación adelante atrás (front to Back F/B)

Antenas



– Polarización • Orientación física de los elementos de la antena que emiten energía

de RF.

• La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo.

Antenas



– Polarización (2)

Antenas



– Polarización (3)

Antenas



– Relación de ondas estacionarias (VSWR) • Relación del máximo voltaje al minimo voltaje en un patrón de ondas

estacionarias.

Antenas

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– Ganancia de antena • Relación de la ganancia de potencia en una dirección dada a la

ganancia de potencia de la antena de referencia en la misma dirección.

Antenas

( ) 10 numérico

isotrópico

gG dBi Log

g

/2

( ) 10 numérico

dipolo

gG dBd Log

g



– Ancho de banda de frecuencia (FBW) • Rango de frecuencias dentro del cual las caracteristicas de la antena

(patrón, impedancia, eficiencia, polarización,etc) son conformes a ciertas especificaciones.

– Banda ancha

» 40:1. Antena independiente de la frecuencia.

– Banda angosta

Antenas

max

min

fFBW

f

max min

0

*100%f f

FBWf

max min

02

f ff

0 max minf f f



– Densidad de potencia radiada • Potencia por unidad de superficie en una dirección.

Antenas

*

2, Re

WP ExH

m

E

H

2 2

,E E

P

,rW P ds



– Directividad

• Relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica.

Antenas

2

,,

4t

PD

W

r



– Impedancia de antena

Antenas

A A AZ R jX

A r lR R R

Circuito equivalente de la antena transmisora



– Impedancia de antena (2)

Antenas

Máxima transferencia de potencia.

g r l AR R R R

A gX X

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– Impedancia de antena (3) • Con adaptación de impedancias

– Potencia entregada a la antena.

– Potencia disipada como calor en el generador

Antenas

2

8

g

A

r l

VP

R R

2 2

88

g g

g A

r lg

V VP P

R RR



– Impedancia de antena (4) • Con adaptación de impedancias (2)

– Potencia radiada.

– Potencia disipada como calor en la antena.

Antenas

2

28

g r

r

r l

V RP

R R

2

28

g l

l

r l

V RP

R R




Antenas

Circuito equivalente de la antena receptora




Antenas

Máxima transferencia de potencia.

L r l AR R R R

A LX X



– Impedancia de antena (7) • Con adaptación de impedancias

– Potencia entregada a la carga.

– Potencia disipada como calor en la antena

Antenas

2 2

8 8

A A

L

L A

V VP

R R

2

28

A l

l

A

V RP

R



– Impedancia de antena (8) • Con adaptación de impedancias (2)

– Potencia dispersa (re-radiada).

– Potencia capturada total.

Antenas

2

28

A r

r

A

V RP

R

2 2

4 4

A A

c

r l A

V VP

R R R

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– Eficiencia de radiación y pérdidas de antena • Estimación de la pérdida total de energía en los terminales de entrada

de la antena y dentro de su estructura.

– Resistencia DC y Resistencia de superficie de alta frecuencia

Antenas

r

r l

Re

R R

1dc

lR

A

S

fR

Efecto pelicular

rad

ent

W

W



– Area Efectiva (apertura) Ae

• Relación de la potencia disponible en los terminales de la antena a la densidad de potencia de una onda incidente plana sobre la antena, la cual se encuentra adaptada a la antena en terminos de polarización.

• Area presentada a la señal recibida o radiada.

Antenas

2

4 eAG

r

e

i

WA

P a

e

i

Vl

E


Antenas


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