patron de radiacion en dos dimenciones
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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Manual para la selección de antenas de las
principales aplicaciones de la comunicación
inalámbrica
Por:
Juan Manuel Arteaga Sáenz
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Noviembre de 2007
ii
Manual para la selección de antenas de las
principales aplicaciones de la comunicación
inalámbrica
Por:
Juan Manuel Arteaga Sáenz
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Jhonny Cascante Ramírez MSc.
Profesor Guía
_________________________________ _________________________________
Ing. Diego Castro Hernández Ing. Rafael Carvajal Lizano
Profesor lector Profesor lector
iii
DEDICATORIA
Le dedico este trabajo a todo el que se interese por las antenas y utilice este
documento.
iv
RECONOCIMIENTOS
Quiero reconocer el trabajo del profesor Jhonny Cascante, por su ayuda y guía a lo
largo del trabajo.
v
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS.................................................................................................................................VII
ÍNDICE DE TABLAS.................................................................................................................................... IX
NOMENCLATURA.........................................................................................................................................X
RESUMEN................................................................................................................................................... XIII
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................1 1.1 Objetivos......................................................................................................................................4
1.1.1 Objetivo general ............................................................................................................................................ 4 1.1.2 Objetivos específicos .................................................................................................................................... 4
1.2 Metodología ................................................................................................................................4 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE PROPAGACIÓN DE ONDAS EN MEDIOS NO GUIADOS .................................6
2.1 Ondas Electromagnéticas ....................................................................................................................6 2.1.1 Ecuaciones de Maxwell ....................................................................................................................................... 6 2.1.2 Geometría de onda electromagnética.................................................................................................................. 7
2.2 Emisión y recepción de ondas electromagnéticas ...............................................................................8 2.2.1 Transformación de energía eléctrica en energía electromagnética ................................................................... 8 2.2.2 Transformación de energía electromagnética en energía eléctrica ................................................................... 8
2.3 Propagación de ondas .........................................................................................................................9 2.3.1 Propiedades de propagación ................................................................................................................................ 9 2.3.2 Propagación de ondas de tierra, espaciales y del cielo .................................................................................... 12
CAPÍTULO 3. FUNDAMENTOS DE TEORÍA DE ANTENAS...............................................................................16 3.1 Definición y funcionamiento básico de una antena ...........................................................................16 3.2 Reciprocidad de antenas....................................................................................................................17 3.3 Espectro electromagnético ................................................................................................................18 3.4 Diagramas de radiación ....................................................................................................................21
3.4.1 Patrón de radiación en dos dimensiones ........................................................................................................... 22 3.5 Parámetros fundamentales de las antenas ........................................................................................24
3.5.1 Densidad de potencia y directividad ................................................................................................................. 24 3.5.2 Eficiencia de una antena .................................................................................................................................... 24 3.5.3 Ganancia directiva y ganancia de potencia....................................................................................................... 25 3.5.4 Polarización ........................................................................................................................................................ 26 3.5.5 Ángulo del haz de la antena............................................................................................................................... 27 3.5.6 Ancho de banda.................................................................................................................................................. 28 3.5.7 Impedancia de entrada ....................................................................................................................................... 28
3.6 Líneas de transmisión y guías de onda ..............................................................................................29 3.6.1 Teoría de líneas de transmisión para antenas ................................................................................................... 30 3.6.2 Guías de onda ..................................................................................................................................................... 32
CAPÍTULO 4. PRINCIPALES TIPOS DE ANTENAS ..........................................................................................34 4.1 Antenas elementales...........................................................................................................................34
4.1.1 Dipolo elemental ................................................................................................................................................ 34 4.1.2 Espira circular elemental ................................................................................................................................... 36
4.2 Dipolos y monopolos .........................................................................................................................36 4.2.1 Dipolo de media onda ........................................................................................................................................ 37 4.2.2 Alteraciones del dipolo ...................................................................................................................................... 39 4.2.3 El dipolo doblado ............................................................................................................................................... 40 4.2.4 Principio del funcionamiento de monopolos.................................................................................................... 42 4.2.5 Monopolos .......................................................................................................................................................... 43
vi
4.2.6 Antenas cargadas................................................................................................................................................ 44 4.2.7 Agrupación de antenas....................................................................................................................................... 44 4.2.8 Antena Yagi-Uda ............................................................................................................................................... 45
4.3 Aperturas ...........................................................................................................................................46 4.3.1 Bocinas................................................................................................................................................................ 46 4.3.2 Ranuras ............................................................................................................................................................... 48 4.3.3 Reflectores y lentes ............................................................................................................................................ 52
4.4 Antenas de banda ancha....................................................................................................................55 4.4.1 Antenas de hilo................................................................................................................................................... 55 4.4.2 Hélices ................................................................................................................................................................ 58 4.4.3 Antenas independientes de la frecuencia .......................................................................................................... 58 4.4.4 Antenas logoperiódicas...................................................................................................................................... 59 4.4.5 Antenas fractales ................................................................................................................................................ 60
CAPÍTULO 5. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ANTENAS DE ACUERDO CON LA APLICACIÓN REQUERIDA ...62 5.1 Televisión...........................................................................................................................................62
5.1.1 Televisión analógica .......................................................................................................................................... 63 5.1.2 Televisión digital terrestre ................................................................................................................................. 63 5.1.3 Televisión vía satélite ........................................................................................................................................ 64
5.2 Telefonía móvil GSM .........................................................................................................................65 5.3.1 Comunicaciones móviles GSM......................................................................................................................... 66
5.3 Acceso a Internet inalámbrico WiMAX .............................................................................................67 5.3.1 WiMAX Fijo ...................................................................................................................................................... 68 5.3.2 WiMAX móvil ................................................................................................................................................... 68
5.4 Comunicaciones masivas vía microondas .........................................................................................69 CAPÍTULO 6. MANUAL PARA LA SELECCIÓN DE ANTENAS .........................................................................71
6.1 Televisión...........................................................................................................................................71 6.1.1 Televisión analógica y digital terrestre............................................................................................................. 71 6.1.2 Televisión satelital ............................................................................................................................................. 73
6.2 Telefonía móvil GSM .........................................................................................................................75 6.3 Acceso a Internet inalámbrico WiMAX .............................................................................................78 6.4 Comunicaciones masivas vía microondas .........................................................................................80
CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................................................82 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................85
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 ONDA ELECTROMAGNÉTICA.............................................................................................7
FIGURA 2.2 FRENTE DE ONDA ELECTROMAGNÉTICA .....................................................................9
FIGURA 2.3 ONDA DIRECTA Y ONDAS REFLEJADAS .......................................................................13
FIGURA 3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA............................16
FIGURA: 3.2 DIAGRAMA DE RADIACIÓN EN TRES DIMENSIONES..............................................22
FIGURA: 3.3 PATRONES DE RADIACIÓN ABSOLUTO Y RELATIVO RESPECTIVAMENTE. ...23
FIGURA 3.4: TIPOS DE POLARIZACIÓN DE ONDA.............................................................................27
FIGURA 3.5: ANCHO DEL HAZ DE UNA ANTENA ...............................................................................28
FIGURA 3.6 ESTRUCTURA DEL CABLE BIFILAR ...............................................................................31
FIGURA 3.7 ESTRUCTURA DEL CABLE COAXIAL .............................................................................32
FIGURA 4.1 DIAGRAMA DE RADIACIÓN DE DIPOLO ELEMENTAL Y ESPIRA ELEMENTAL...........................................................................................................................................................................35
FIGURA 4.2 ANTENA DE DIPOLO............................................................................................................36
FIGURA 4.3 PATRÓN DE RADIACIÓN EN DOS DIMENSIONES, DIPOLO DE MEDIA ONDA....38
FIGURA 4.4 ANTENA DE DIPOLO DE V INVERTIDA INCLINADA..................................................40
FIGURA 4.5 DESCOMPOSICIÓN DE DIPOLO DOBLADO...................................................................41
FIGURA 4.6 CONCLUSIÓN DE DIPOLO DOBLADO.............................................................................41
FIGURA 4.7 FUNCIONAMIENTO DE ANTENA DE MONOPOLO ......................................................42
FIGURA 4.8 DIAGRAMA DE RADIACIÓN DE UNA ANTENA MARCONI DE CUARTO DE ONDA...........................................................................................................................................................................43
FIGURA 4.9 DIAGRAMA DE RADIACIÓN DE AGRUPACIÓN DE 21 DIPOLOS PEQUEÑOS PARA UN ANCHO DE HAZ DE 6°. .............................................................................................................45
FIGURA 4.10 ESQUEMA DE ANTENA YAGI-UDA ................................................................................45
FIGURA 4.11 TIPOS DE BOCINAS RECTANGULARES........................................................................47
FIGURA 4.12 BOCINA CÓNICA.................................................................................................................47
FIGURA 4.13 PATRÓN DE RADIACIÓN DE BOCINA DE PLANO E. .................................................48
FIGURA 4.14 FORMA DE UNA ANTENA DE RANURAS ......................................................................49
FIGURA 4.15 CORTE HORIZONTAL DEL PATRÓN DE RADIACIÓN DE ANTENA DE RANURAS EN FUNCIÓN OMNIDIRECCIONAL. ...................................................................................50
FIGURA 4.16 CORTE TRANSVERSAL DEL PATRÓN DE RADIACIÓN DE ANTENA DE RANURAS EN FUNCIÓN OMNIDIRECCIONAL. ...................................................................................50
FIGURA 4.17 PATRÓN DE RADIACIÓN EN DOS DIMENSIONES DE ANTENA DE RANURAS EN FUNCIÓN DIRECTIVA. ...............................................................................................................................51
viii
FIGURA 4.18 ESQUEMA DE UNA ANTENA IMPRESA.........................................................................52
FIGURA 4.19 PROPAGACIÓN CON REFLECTOR PARABÓLICO.....................................................53
FIGURA 4.20 ESQUEMA DE ANTENA PARABÓLICA OFFSET..........................................................53
FIGURA 4.21 PROPAGACIÓN CON ARREGLOS DE REFLECTORES PARABÓLICOS................54
FIGURA 4.22 DIAGRAMA DE RADIACIÓN DE ANTENA PARABÓLICA ........................................54
FIGURA 4.23 DIAGRAMA DE RADIACIÓN DE ANTENA DE ONDA PROGRESIVA......................56
FIGURA 4.24 ANTENA V .............................................................................................................................57
FIGURA 4.25 ANTENA RÓMBICA.............................................................................................................57
FIGURA 4.26 PATRÓN DE RADIACIÓN DE ANTENA RÓMBICA .....................................................58
FIGURA 4.27 ANTENA ESPIRAL EQUIANGULAR PLANA .................................................................59
FIGURA 4.28 ESTRUCTURA LOGOPERIÓDICA...................................................................................60
FIGURA 4.29 FUNCIONAMIENTO DE ANTENA FRACTAL................................................................61
FIGURA 5.1 CANALES USADOS EN GSM ...............................................................................................67
FIGURA 6.1 ANTENA CM 3671...................................................................................................................71
FIGURA 6.2 ANTENA CHANNEL MASTER DIRECTV TRIPLE LNS DISH......................................73
FIGURA 6.3 ANTENA JAYBEAM WIRELESS 5266100..........................................................................75
FIGURA 6.4: PATRÓN DE RADIACIÓN PARA LA ANTENA JAYBEAM WIRELESS 5266100 .....76
FIGURA 6.5 ANTENA MT-343018/NH........................................................................................................78
FIGURA 6.6 PATRÓN DE RADIACIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL DE LA ANTENA MT-343018/NH........................................................................................................................................................79
FIGURA 6.7 ANTENA PDH10-65-P7A.......................................................................................................80
ix
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 3.1 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO...................................................................................19
TABLA 3.2 BANDAS DE FRECUENCIA DE RADIO Y MICROONDAS. .............................................20
TABLA 3.3 BANDAS DE MICROONDAS ..................................................................................................21
x
NOMENCLATURA WiFi Internet inalámbrico basado en el estándar 802.11.
WiMAX Internet inalámbrico de largo alcance basado en el estándar 802.16.
AM Modulación de amplitud.
FM Modulación de frecuencia.
E Intensidad de campo eléctrico.
B Densidad de flujo magnético.
H Intensidad de campo magnético.
J Densidad de corriente.
D Densidad de flujo eléctrico.
vρ Densidad de carga volumétrica.
sZ Impedancia del espacio libre.
0µ Permeabilidad magnética del vacío.
0∈ Permitividad del vacío.
n Índice de refracción.
xi
LOS Transmisión de línea vista.
MUF Frecuencia máxima utilizable.
LF Banda de frecuencia baja.
MF Banda de frecuencia media.
HF Banda de frecuencia alta.
VHF Banda de frecuencia muy alta.
UHF Banda de frecuencia ultra alta.
η Eficiencia de antena.
rR Resistencia de radiación.
D Ganancia directiva.
pA Ganancia de potencia.
entradaZ Impedancia de entrada.
0Z Impedancia característica.
ROE Relación entre la carga a la salida y la impedancia.
xii
TE Onda transversal eléctrica.
TM Onda transversal magnética.
TEM Onda transversal electromagnética.
A Potencial magnético vectorial.
j Operador de números complejos.
c Velocidad de la luz.
GSM Sistema global para comunicaciones móviles.
NTSC (National Television System Comittee), protocolo de televisión que rige
en Costa Rica.
TDT Televisión digital terrestre.
C Banda del espectro de microondas (4GHz - 8GHz)
Ku Banda del espectro de microondas (12GHz - 18GHz)
Ka Banda del espectro de microondas (26GHz – 30GHz)
HDTV Televisión de alta definición.
xiii
RESUMEN
Este proyecto es un documento que recopila información para lograr hacer un
manual sobre selección de antenas para aplicaciones básicas de la comunicación
inalámbrica. Se determinaron los distintos tipos de antenas que hay en la actualidad y los
criterios de selección de antenas para un conjunto de aplicaciones básicas, para luego elegir
la antena que mejor se acople a los requerimientos obtenidos.
Se investigaron y documentaron las propiedades básicas de propagación de ondas
electromagnéticas y del funcionamiento de una antena.
Se logró obtener información acerca de los parámetros y la construcción básica de
las antenas típicas que se han usado a lo largo de la historia, como son la antena de Hertz y
la Marconi. También se logró obtener la información de las antenas más novedosas,
diseñadas para las aplicaciones actuales que requieren un gran ancho de banda, como son
las antenas logoperiódicas y las fractales.
Se establecieron, para distintos tipos de comunicación inalámbrica, los criterios
básicos de sección de antenas y por último se escogió una antena específica la cual cumple
con los criterios seleccionados previamente.
Se concluyó que cada aplicación que utiliza antenas, cuenta con distintos
requerimientos, y para seleccionar la antena más apropiada, se debe hacer un análisis de los
parámetros de la antena, y evaluar cuáles son más importantes. Es recomendable, conocer
los distintos tipos de antenas que hay en la actualidad, y evaluar detenidamente los criterios
para la selección de antenas de una aplicación específica, para lograr un diseño óptimo en
comunicación inalámbrica.
1
Capítulo 1: Introducción
Desde que se descubrió que es posible transferir información mediante ondas
electromagnéticas, se han desarrollado diferentes tipos de antenas, porque las antenas son
los dispositivos que transmiten y reciben ondas electromagnéticas de un rango de
frecuencias preestablecidas, y hacen la transformación de una señal eléctrica que está en un
medio guiado (conductor) a una señal electromagnética que se va a propagar en el
<<espacio libre>> y viceversa.
Se puede hacer una analogía con los sistemas de potencia, en los que se utiliza la
electricidad como un medio para transferir potencia de una planta generadora a una carga.
Las antenas hacen otra trasformación, al convertir energía eléctrica en radiación
electromagnética y recíprocamente radiación electromagnética en potencia eléctrica. La
función es transferir potencia, aunque con otro propósito. Esta técnica es usualmente
aplicada en la transferencia señales de información y no para alimentar una carga.
El electromagnetismo es un fenómeno relativamente nuevo para el ser humano. Fue
James Clerk Maxwell, físico inglés, quien postuló una serie de ecuaciones en la segunda
mitad del siglo XIX, que describen los fenómenos electromagnéticos. Con estas
ecuaciones se pudo plantear una relación directa entre el campo magnético y el campo
eléctrico y describir matemáticamente lo que es una onda electromagnética.
Una vez que se tuvo la teoría matemática de lo que es una onda electromagnética, se
necesitaba probar que era posible radiarla y recibirla. Fue cuando empezaron a desarrollarse
pruebas para construir una antena, que era fundamental para probar las ecuaciones de
Maxwell. En 1888, el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz demostró la radiación
electromagnética y probó que las ecuaciones de Maxwell eran correctas. Hertz logró este
experimento utilizando un tipo de antena que lleva su nombre para recibir la onda radiada y
una antena de dipolo para emitirla.
La teoría electromagnética fue utilizada por primera vez para un fin determinado en
las telecomunicaciones, por el italiano Guglielmo Marconi, o por lo menos, fue quien
2
consiguió la primera patente de la radio. Este ingeniero eléctrico ganador del Premio Nobel
de física en 1909, utilizó esta nueva teoría física para la comunicación telegráfica
inalámbrica a principios del siglo XX.
Alexander Stepanovich Popov continuó los experimentos de Hertz y otros pioneros
del electromagnetismo. Popov es reconocido por algunos como la primera persona en usar
una antena un año antes que Marconi, sin embargo, el italiano fue quien desarrollo la radio
comercialmente.
La emisión de señales electromagnéticas y comunicaciones en general dependen de
la posibilidad de generar ondas sinusoidales de alta frecuencia. Fue de gran importancia
cuando, en el campo de la electrónica, Lee De Forest inventó el triodo al vacío. Con este
nuevo elemento se logró, en la década de 1920, llegar a tener un generador de señales, con
una frecuencia de hasta 1MHz. Gracias a los avances en la electrónica, pocos años más
tarde, se logró establecer comunicaciones a mayor frecuencia. Antes de la Segunda Guerra
Mundial, ya se habían fabricado generadores de señales de microondas, en el orden de
hasta 1GHz.
En la actualidad se desarrollan comunicaciones en banda ancha, que brindan el
acceso a Internet, o a una red en general, de alta velocidad. El Internet es un medio de
comunicación que requiere un ancho de banda relativamente alto porque el intercambio de
información de usuario a la red, es muy elevado. Las tecnologías de WiFi y WiMAX, son
tecnologías de acceso a Internet de alta velocidad por medio de microondas, que requieren
de antenas para emitir y recibir las ondas electromagnéticas de información. Existen
también telecomunicaciones en banda ancha por medio de satélite. Esta aplicación es muy
importante sobre todo para zonas aisladas territorialmente, donde la comunicación
mediante ondas electromagnéticas vía satélite es el método de comunicación más
apropiado.
Cuando se van a transmitir datos de un lugar a otro, surgen diferentes alternativas
para lograr el objetivo. En algunos casos es recomendable hacerlo mediante una línea de
transmisión de datos física, ya sea eléctrica u óptica, o hacerlo mediante ondas
3
electromagnéticas. Para tomar la decisión correcta en cada caso, hay que tomar en cuenta
varios aspectos fundamentales, como la distancia y los costos de instalación. Otros factores
importantes son, la confiabilidad del medio por el cual se van a transmitir los datos, las
dependencias, seguridad, entre otros. Hay casos en los que por movilidad, las
comunicaciones con antenas son el único medio viable. Es el caso de aviones, barcos o
vehículos en general, que necesitan antenas para lograr la comunicación. También entre
poblaciones aisladas geográficamente resulta favorable establecer comunicación
inalámbrica.
Existen numerosas aplicaciones donde se intercambia información sin un
medio físico, y para todas éstas se demanda el uso de antenas. Las principales aplicaciones
de la tecnología inalámbrica son, radioaficionados, radioenlaces de punto a punto, la
radiodifusión AM y FM, la televisión, la telefonía móvil y acceso a Internet inalámbrico.
Al haber tantas aplicaciones de comunicación inalámbrica, es importante conocer y
diferenciar los diversos tipos de antenas que existen, así como sus propiedades básicas,
ventajas y desventajas. Para optimizar una comunicación inalámbrica es vital llegar a la
conclusión de cuál antena es más apropiada para un fin específico. Este documento
pretende, por medio de la creación de un manual, recomendar con fundamentos teóricos, el
tipo de antena que es conveniente usar para cada aplicación básica de comunicación
inalámbrica en la actualidad.
4
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
• Establecer los criterios para seleccionar los tipos de antena adecuados para las
principales aplicaciones de comunicación inalámbrica y elaborar un manual basado
en la anterior información.
1.1.2 Objetivos específicos
• Estudiar los fundamentos de la propagación de ondas en medios no guiados.
• Conocer los fundamentos de la teoría de antenas.
• Comprender cuáles son los principales tipos de antena que se utilizan en la
actualidad.
• Identificar criterios de selección de antenas de acuerdo con las características de las
principales aplicaciones de comunicación inalámbrica.
• Elaborar un manual para la selección de antenas que permita asociar cada tipo de
antena con las principales aplicaciones de comunicación inalámbrica.
1.2 Metodología
Se seguirá la siguiente metodología para realizar un manual para establecer los
criterios para la selección de antenas para diferentes aplicaciones.
• Recopilación de información bibliográfica sobre la teoría de propagación de
ondas electromagnéticas por el espacio libre. Esta investigación cuenta con libros
teóricos y publicaciones en Internet.
5
• Investigación bibliográfica de fundamentos de la teoría de antenas. Para esto se
cuenta con libros de teoría de antenas, así como de su construcción. También se
tomaran en cuenta publicaciones en Internet.
• Estudio de los principales tipos de antenas y sus usos específicos como
parámetros de interés. Primordialmente se buscará información actualizada que esté
en Internet.
• Para realizar el manual de selección de antenas, se plantearán primeramente los
tipos de antenas que existen para diferentes aplicaciones para luego comparar y
analizar las diferencias, ventajas y desventajas de cada antena. Este análisis se hace
con la información que se obtiene en los puntos anteriores.
• Redacción de un informe escrito del proyecto, de acuerdo con las
especificaciones expuestas en el programa del curso, incluyendo una revisión de los
capítulos I al VII, entrega y revisión de un avance, un borrador final y una versión
final del trabajo. Además se debe realizar una presentación para la defensa del
proyecto.
6
Capítulo 2. Fundamentos de propagación de ondas en medios no guiados
2.1 Ondas Electromagnéticas
2.1.1 Ecuaciones de Maxwell
El principio de las ondas electromagnéticas se basa en dos descubrimientos. El
campo eléctrico cambiante en el tiempo, produce un campo magnético y el campo
magnético variable con respecto al tiempo, produce un campo eléctrico.
La ley de Faraday es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell. Esta igualdad indica
que un campo magnético variable puede crear un campo eléctrico.
t
B=E
∂∂
−×∇ (2.1-1)
La Ley de Ampère generalizada por Maxwell, es la que demuestra que un campo
eléctrico variable crea un campo magnético.
t
D+J=H∂∂
×∇ (2.1-2)
Otra de las ecuaciones de Maxwell es conocida como Ley de Gauss. Esta ecuación
lo que establece es que la densidad de carga es una fuente de líneas de flujo eléctrico [4].
vρ=D⋅∇ (2.1-3)
La ecuación (2.1-4) reconoce la inexistencia de los monopolos magnéticos.
0=B⋅∇ (2.1-4)
7
En resumen, con la teoría electromagnética de Maxwell se deduce que a diferencia
de las ondas mecánicas, no se necesita un medio para propagar una onda electromagnética.
Esta conclusión se basa en dos afirmaciones, el campo eléctrico se produce por un cambio
en el campo magnético, y el campo magnético se produce por un cambio en el campo
eléctrico. Estas dos aserciones implican que no se necesitan electrones o cargas en general,
para crear el campo eléctrico y el campo magnético.
2.1.2 Geometría de onda electromagnética
Ya entendiendo el principio matemático, se debe analizar la forma de una onda
electromagnética. Como el campo magnético depende del cambio del campo eléctrico y el
campo eléctrico depende del campo magnético cambiante, para propagar esta onda, se
necesita una señal sinusoidal u oscilatoria.
Con la implementación de la serie y trasformada de Fourier, se puede crear una
onda electromagnética que tenga cualquier forma, y analizarla como una suma de señales
sinusoidales de diferente frecuencia, amplitud y fase, con la condición de que esta señal
electromagnética tenga la forma de una función real.
Figura 2.1 Onda electromagnética.
Fuente : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/Onde_electromagnetique.png
Al analizar las ecuaciones de Maxwell se puede recalcar que el campo eléctrico y el
campo magnético son ortogonales, como también muestra la figura 2.1. La magnitud y
8
dirección de propagación de energía de la onda, se describe con el vector de Poynting, el
cual tiene dirección ortogonal al campo eléctrico y al campo magnético. En la figura 2.1 se
describe en la dirección kr.
2.2 Emisión y recepción de ondas electromagnéticas
2.2.1 Transformación de energía eléctrica en energía electromagnética
La antena es la última etapa de esta transmisión de energía. Al haber distintos tipos
de antena, hay diferentes métodos para radiar las ondas. En un principio básico, se hace
conectando un generador de señales con corriente alterna a una antena, por medio de una
línea de transmisión; la antena se va a comportar como un dipolo eléctrico oscilatorio
(suponiendo una antena de dipolo), el cual va a radiar la onda debido al campo eléctrico y
magnético que se obtiene al producir movimiento o vibración de electrones en la antena.
2.2.2 Transformación de energía electromagnética en energía eléctrica
Utilizando las leyes de Maxwell, se puede determinar también que al tener una onda
electromagnética en el espacio, ésta puede ser interceptada por una antena que esté
compuesta por un material conductor eléctrico. La onda electromagnética,
consecuentemente, hace que los electrones del material conductor de la antena se muevan y
por lo tanto se crea en la antena una corriente eléctrica. Al ser la onda electromagnética la
que excita los electrones en la antena, se deduce que se transfiere energía electromagnética
en energía eléctrica. Luego, mediante una línea de trasmisión se comunica al receptor que,
por medio de métodos electrónicos, va a recibir la señal que estaba siendo radiada por otra
antena.
Cabe destacar que la densidad de potencia de una onda decrece con respecto a la
distancia en forma cuadrática (en un caso isotrópico), por lo tanto la señal que va a recibir
9
la antena, generalmente es de una intensidad muy baja lo cual hace necesario incorporar un
amplificador en el receptor.
2.3 Propagación de ondas
Es importante saber cómo se propagan las ondas electromagnéticas por el espacio y
saber los diferentes métodos que se usan para hacerlo, porque para seleccionar una antena
adecuada, hay que tener claros diversos factores físicos de propagación.
2.3.1 Propiedades de propagación
El primer concepto importante en la propagación de ondas electromagnéticas, es el
frente de onda. El frente de onda se puede ver como una superficie conformada por los
puntos de una onda que están en la misma fase. El concepto queda más claro al observar la
figura 2.2.
Figura 2.2 Frente de onda electromagnética
Fuente: http://www.alipso.com/monografias/2538_totusondas/index_archivos/image003.gif
10
En caso de una fuente isotrópica ideal, los frentes de onda son esferas concéntricas.
Dicha fuente no existe en la realidad, pero su mejor aproximación es una antena
omnidireccional.
El concepto de frente de onda se usa porque la energía se propaga distribuyéndose
equitativamente en el frente de onda. Entonces, para calcular la densidad de potencia en un
punto en un frente de onda determinado, se divide la energía total que se ha propagado en
una distancia fijada, entre el área del frente de onda.
Con este concepto se pueden empezar a analizar pérdidas o problemas en la
transmisión. Primero es necesario saber que el espacio vacío tiene una impedancia
característica para las ondas electromagnéticas.
0
0
εµ
=Z s (2.3-1)
Hay dos fenómenos que disminuyen una onda electromagnética de un punto a otro,
la atenuación y la absorción.
La atenuación se produce cuando el frente de onda incrementa con respecto al radio,
como ocurre en la figura 2.2 (a). En el caso de una fuente isotrópica ideal, el área del frente
de onda esférico incrementa en función cuadrática del radio, y por lo tanto la densidad de
potencia disminuye en esa forma. Este tipo de disminución de las ondas de campo eléctrico
y magnético, suponen que no hay pérdidas de ningún tipo, solo una distribución de la
energía. En otras palabras, la energía total en cualquier frente de onda, es la misma que en
punto de radiación.
La absorción a diferencia de la atenuación, supone pérdidas por el medio de
propagación de la onda. La atmósfera terrestre tiene diversos tipos de moléculas y átomos
lo cual hace que la propagación de la onda electromagnética no sea ideal. La absorción de
la atmósfera o del medio en general, depende de la frecuencia de la onda al igual que
cuando se propagan ondas por cobre. La atmósfera al no ser constante con respecto al
espacio ni al tiempo, incorpora otro problema para la transmisión, el coeficiente de
11
absorción atmosférica ( η ) el cual es variable y a causa de esto, ocurren fenómenos ópticos
a las ondas.
Como la luz es un tipo de onda electromagnética (de 400 a 700nm de longitud de
onda), se puede generalizar que los fenómenos que le ocurren a la luz cuando hay un
cambio de medio de propagación, le ocurren al resto del espectro electromagnético. Las
propiedades ópticas en las ondas electromagnéticas principales son refracción, reflexión,
difracción e interferencia.
La refracción ocurre cuando se propaga una onda electromagnética de un medio a
otro. con una densidad diferente (lo cual implica una velocidad diferente) en una dirección
oblicua. Cada material tiene un índice de refracción (n) que depende de su densidad. Lo que
ocurre en este caso, es que la onda electromagnética cambia su dirección a causa de este
cambio de medio. El cálculo del cambio en la dirección de la onda se hace por medio de la
Ley de Snell, representada en la ecuación (2.3-2).
221 senθn=senθn1 (2.3-2)
La reflexión electromagnética ocurre cuando una onda incidente choca con la
división de dos materiales y toda o parte de la energía que lleva la onda, no penetra el
segundo material, sino que cambia su dirección, en un ángulo igual, pero opuesto al de la
onda incidente, con respecto a un eje perpendicular a la barrera del medio. Es importante
tomar en cuenta que hay pérdidas de energía en el proceso de reflexión.
Los objetos en general tienen un relieve no plano cuando se analiza en escalas
pequeñas. Para hacer el análisis de difracción, hay que observar el relieve del objeto en
escalas parecidas a la longitud de onda, de la onda a analizar. Con esta escala, la reflexión
se da prácticamente hacia todas las direcciones, pero las que no llevan el ángulo principal
del haz, se cancelan entre sí. La difracción ocurre con los objetos finitos cuando en el borde
hay rayos que no son cancelados. Este fenómeno permite que las ondas se propaguen a
vuelta de las esquinas. [1]
12
La interferencia ocurre cuando dos o más ondas ocupan el mismo punto del espacio
al mismo tiempo. Esto se da cuando dos ondas salen del mismo punto y llegan al punto de
destino al mismo tiempo pero con trayectorias distintas, a causa de las diferentes
propiedades mencionadas anteriormente. Cuando ocurre esto, las ondas se pueden sumar o
restar dependiendo de la fase, o en otras palabras ocurre una superposición lineal.
Generalmente cuando se da este fenómeno, hay una cancelación parcial de la onda.
2.3.2 Propagación de ondas de tierra, espaciales y del cielo
Existen tres formas de propagación de ondas electromagnéticas. Ondas de tierra,
espaciales y del cielo.
Las ondas de tierra son las que se propagan por la superficie del planeta. Para lograr
esta propagación es necesario polarizar la onda verticalmente, en caso contrario habría un
cortocircuito por la conductividad de la tierra. Lo ideal es tener una superficie que sea
buena conductora y se comporte como una línea de transmisión. Por eso, este tipo de
comunicaciones es comúnmente usada para comunicar barcos, ya que la superficie de agua
salada es buena conductora. Sin embargo, las pérdidas van a depender del material de la
superficie. Las frecuencias utilizadas por este tipo de comunicación deben ser bajas
precisamente por esas pérdidas, por eso están limitadas las frecuencias a emplear hasta
2MHz y potencias de radiación relativamente altas.
Teniendo este limitante de frecuencia, se puede recalcar la desventaja de este tipo de
propagación de tener que usar antenas grandes. Posteriormente en este documento se verá
por qué se requiere el uso de antenas grandes para radiar y recibir ondas de bajas
frecuencias.
El segundo tipo de transmisión de señales de ondas electromagnéticas, es por medio
del espacio. Este método de intercambio de datos tiene la limitante de distancia de
propagación, debido a la curvatura de la Tierra.
13
Se deben tomar en cuenta las propiedades ópticas de la ondas, porque a la antena
receptora van a llegar ondas directas; estas son las que se encuentran en la línea de vista de
la antena emisora-receptora. Este tipo de comunicación es denominada como transmisión
de línea de vista (LOS). Además de las ondas directas, van a llegar también ondas
reflejadas de la superficie y las capas superiores de la atmósfera como ilustra la figura 2.3.
Figura 2.3 Onda directa y ondas reflejadas
Fuente: http://www.ilustrados.com/publicaciones/multimedia/comina2.jpg
Hay que saber diferenciar el horizonte óptico del radio horizonte. Este es mayor que
el óptico debido a la refracción en la atmósfera.
Para calcular el radio horizonte, se utiliza la ecuación (2.3-3) donde h es la altura de
la antena.
2h=d (2.3-3)
Para calcular la distancia máxima entre dos antenas se utiliza la ecuación (2.3-4),
donde th es la altura de la antena transmisora y rh es la altura de la antena receptora.
14
rt +=d 2h2h (2.3-4)
La ecuación (2.3-4) muestra que si se necesita aumentar la distancia entre antenas,
es cuestión de aumentar la altura para que la curvatura de la Tierra no afecte.
Generalmente, las antenas se ubican en la cima de montañas o edificios para así aumentar la
altura notablemente sin tener que construir una torre adicional.
El tercer tipo de transmisión de ondas electromagnéticas es la propagación de ondas
del cielo. Este tipo de aplicación consiste en enviar una onda hacia el cielo para que la
ionosfera la refleje o la refracte, para que vuelva a la Tierra y la antena receptora la capte.
La ionosfera es la parte de la atmósfera que está más cerca del sol y por eso recibe
sus rayos directamente, los cuales ionizan gran cantidad de átomos y moléculas. Al ser el
sol la causa de la ionización, esta capa se va a comportar de una manera diferente en el día
que en la noche; además, la época del año va a influir también. La ionosfera se divide en
tres capas, D, E y F.
Cuando se van a propagar ondas cielo, hay que tomar en cuenta que existe un
parámetro llamado frecuencia crítica. Este factor existe porque hay una frecuencia máxima
para este tipo de propagación, ya que las frecuencias mayores a la frecuencia crítica, no se
ven afectados virtualmente por la ionosfera y siguen su curso saliéndose de la atmósfera.
Evidentemente, al ser la ionosfera variable con respecto a la época en el año y a la hora en
el día, la frecuencia crítica es un parámetro que depende de estos dos factores. Además de
la frecuencia crítica, existe también un ángulo crítico que depende de la frecuencia de la
onda. Si se emiten señales con un ángulo mayor que el ángulo crítico para una frecuencia
determinada, la onda no volverá a la Tierra y saldrá de la atmósfera.
La utilización de estos dos parámetros se define como la frecuencia máxima
utilizable (MUF) en la ecuación (2.3-5), donde θ es el ángulo de incidencia con respecto al
suelo.
15
θ
=MUFcos
crítica frecuencia (2.3-5)
Hay también un dato importante, que es la distancia de salto. Esta es la distancia
mínima a la que se puede propagar una onda por medio de ondas del cielo. La distancia de
salto está definida por el ángulo crítico y la frecuencia.
Las ondas que atraviesan la ionosfera con destino a un satélite artificial, deben tener
una frecuencia mayor a la frecuencia crítica para que se propaguen y lleguen a su destino,
por eso las ondas de satélite utiliza bandas de frecuencia de microondas.
16
Capítulo 3. Fundamentos de teoría de antenas
3.1 Definición y funcionamiento básico de una antena
Una antena es un dispositivo eléctrico pasivo, construido con materiales
conductores de corriente eléctrica. Las antenas son diseñadas para radiar un campo
electromagnético cuando se le aplica una fuerza electromotriz. Son diseñadas también para
producir una fuerza electromotriz cuando se le aplica un campo electromagnético.
El tamaño de las antenas está relacionado con la longitud de onda que se va radiar o
recibir. Este tamaño debe ser múltiplo o submúltiplo de la longitud de onda.
Figura 3.1 Diagrama de bloques de comunicación inalámbrica.
En la figura 3.1 se muestra un diagrama de bloques de comunicación inalámbrica en
general. Muestra como un generador de señales produce una señal eléctrica y es llevada por
medio de una línea de transmisión a la antena que radia una onda electromagnética, con las
características de la señal eléctrica que hizo el generador de señales. A su vez, la antena 2,
recibe la señal y la transforma en señal eléctrica; ésta es transportada hacia el receptor por
medio de otra línea de transmisión.
17
Una antena debe trabajar en resonancia. El término resonante en este caso es que no
haya desfase entre el voltaje y la corriente. Si se observan los electrones de los materiales
conductores de la antena, se nota que para radiar una onda de cierta frecuencia, los
electrones <<vibran>> produciendo el campo electromagnético respectivo. Cuando la
antena no se encuentra en resonancia, la <<vibración>> de los electrones no se da con una
aceleración sinusoidal pura, sino que hay <<choques>> entre ellos produciendo ondas
estacionarias, lo cual baja el desempeño de la antena.
Al estar estos dispositivos encargados de transformar energía, van a tener un
desempeño que depende de muchos factores tanto de propagación como de construcción.
Es de suma importancia estudiar los parámetros de las antenas así como el análisis
de propagación para evaluar su desempeño de una manera teórica, para luego tener, en la
práctica, mejores resultados.
3.2 Reciprocidad de antenas
En la figura 3.1 se muestra un sistema de comunicación inalámbrica en el que la
antena 1, envía una onda hacia la antena 2. Si se ubica el bloque de generador de señales
con la antena 2 y el receptor con la antena 1, se van a obtener exactamente los mismos
resultados por la propiedad que tienen las antenas de reciprocidad.
El teorema de reciprocidad se puede demostrar mediante las ecuaciones de
Maxwell. Teniendo dos conjuntos de fuentes eléctricas, a y b, que crean campos
electromagnéticos, se tiene que la reacción de los campos de las fuentes b con las
corrientes a es el mismo que la reacción de los campos de las corrientes a con las
corrientes b. [23]
dv'JE=dv'JE b
v''
aa
v''
b
rrrr⋅⋅ ∫∫∫∫∫∫ (3.2-1)
18
De este teorema se concluye que los parámetros y características de las antenas, se
comportan de igual manera cuando la antena se encarga de transmitir ondas
electromagnéticas así que como se encarga de recibirlas.
3.3 Espectro electromagnético
De la teoría de Maxwell, se resume que una onda electromagnética es aquella que se
produce por una oscilación entre campo eléctrico y campo magnético. Estas ondas viajan a
la velocidad de la luz. Los diferentes tipos de ondas electromagnéticas que hay, tienen de
diferencia entre ellas únicamente la frecuencia y longitud de onda. Estos dos parámetros
son linealmente dependientes, si se toma en cuenta que se propagan con la misma
velocidad.
Sabiendo que la única diferencia entre las ondas es la frecuencia y longitud de onda,
se hace un barrido en frecuencia (o en longitud de onda) para caracterizar una onda
electromagnética por divisiones de alguno de estos parámetros. Este barrido tiene como
resultado los datos que se muestran en la tabla 3.1.
19
Tabla 3.1 Espectro electromagnético
Las divisiones propuestas en la tabla 3.1 son nombres asignados a diversos rangos
de frecuencia. Estas asignaciones tienen que ver exclusivamente con la forma de producir o
percibir la onda y no con alguna propiedad básica.
Para efectos prácticos, se han determinado bandas para dividir la parte del espectro
de frecuencia que se utiliza actualmente para las comunicaciones inalámbricas, radio y
microondas. Las bandas son conformadas por una década en frecuencia y se describen en la
tabla 3.2.
Longitud de onda Frecuencia EnergíaRayos gamma < 10 pm > 30 Ehz > 1,99E-014 J
Rayos X < 10 nm > 30 Phz > 1,99E-017 J
Ult rav ioleta Ex t remo < 200 nm > 1,5 Phz > 9,93E-019 J
Ult rav ioleta Cercano < 380 nm > 789 Thz > 5,23E-019 JLuz v isible < 780 nm > 384 Thz > 2,55E-019 J
Infrarrojo cercano < 2,5 µm > 120 Thz > 7,95E-020 J
Infrarrojo Medio < 50 µm > 6 Thz > 3,98E-021 J
Infrarrojo Lejano/submil imétrico < 1 mm > 300 Ghz > 1,99E-022 J
Microondas < 30 cm > 1 Ghz > 1,99E-024 J
Ult ra Alta Frecuencia Radio < 1 m > 300 Mhz > 1,99E-025 J
Muy alta Frecuencia Radio < 10 m > 30 Mhz > 2,05E-026 J
Onda Corta Radio < 180 m > 1,7 Mhz > 1,13E-027 J
Onda Media Radio < 650 m > 650 kHz > 4,31E-028 J
Onda Larga Radio < 10 km > 30 kHz > 1,98E-029 J
Muy Baja Frecuencia Radio > 10 km < 30 kHz < 1.99e-29 J
20
Tabla 3.2 Bandas de frecuencia de radio y microondas.
Las frecuencias por debajo de LF no son de mucha utilidad, ya que el ancho de
banda es escaso y al tener frecuencias tan bajas, el tamaño de las antenas para enlazar
comunicación sería muy grande. Se han utilizado generalmente para propósitos militares.
La banda LF se utiliza para sistemas de navegación aérea y marítima. En Europa,
parte el servicio de emisión AM, trabaja en esta banda.
La banda MF es muy vulnerable al ruido. Tiene la ventaja que se refleja en la
ionosfera, siendo de gran alcance, del orden de cientos de kilómetros. Sus usos principales
son la radioafición, como la emisión de AM, sobretodo en el pasado cuando no existían
generadores de señales de frecuencias mayores.
HF es una banda también conocida como banda de onda corta. Se utiliza
generalmente por los radioaficionados, los cuales cuentan con varias frecuencias en esta
banda. También para líneas de frecuencia secundaria en aviones.
La banda VHF es utilizada usualmente para la radiodifusión en FM, televisión de
canales <<bajos>> y señales de satélites meteorológicos. También hay frecuencias
reservadas por taxis y bomberos.
Se considera a las ondas electromagnéticas con frecuencia mayor a 1GHz o
200MHz (hay autores que difieren de opinión), como microondas. Las microondas tienen
una división de bandas más específicas. Las bandas de microondas se plantean en la tabla
3.3.
Banda Denominación ( Inglés) Frecuencia mínima Frecuencia máximaELF Extremely Low Frequency 3 Hz 30 Hz
SLF Super Low Frequency 30 Hz 300 HzULF Ult ra Low Frequency 300 Hz 3 kHz
VLF Very Low Frecuency 3 kHz 30 kHz
LF Low Frequency 30 kHz 300 kHz
MF Medium Frequency 300 kHz 3 MHz
HF High Frequency 3 MHz 30 MHz
VHF Very High Frequency 30 MHz 300 MHzUHF Ult ra High Frequency 300 MHz 3 GHz
SHF Super High Frequency 3 GHz 30 GHz
EHF Extremely High Frequency 30 GHz 300 GHz
21
Tabla 3.3 Bandas de microondas
Las microondas tienen un ancho de banda muy elevado, por lo tanto también
constan de muchas aplicaciones. Se usan para transmitir televisión digital, Internet
inalámbrico, telefonía celular, comunicaciones satelitales, uso de radar, enlaces punto a
punto, entre otros.
3.4 Diagramas de radiación
Existen algunos conceptos y herramientas para analizar y evaluar el trabajo de una
antena y resulta importante estudiarlos para lograr una mejor comprensión del objetivo y
desempeño de una antena.
Como se comentó previamente, una antena es un dispositivo recíproco. Por eso se
puede tomar el ejemplo de una antena radiando una señal y se sabe que recibir la señal del
mismo punto donde se radió, va a tener un desempeño prácticamente igual. Por lo tanto, el
diagrama de radiación es equivalente al diagrama de recepción.
El diagrama de radiación de una antena es una representación que ilustra la relación
entre diversos parámetros fundamentales de propagación. La distancia, la dirección de
Banda Frecuencia menor Frecuencia mayorBanda P 200 MHz 1 GHz
Banda L 1 GHz 2 GHz
Banda S 2 GHz 4 GHzBanda C 4 GHz 8 GHz
Banda X 8 GHz 12 GHz
Banda K u 12 GHz 18 GHz
Banda K 18 GHz 26 GHz
Banda K a 26 GHz 30 GHz
Banda Q 30 GHz 40 GHz
Banda U 40 GHz 50 GHz
Banda V 50 GHz 60 GHzBanda E 60 GHz 75 GHz
Banda W 75 GHz 90 GHz
Banda F 90 GHz 110 GHz
Banda D 110 GHz 170 GHz
22
propagación y la densidad de potencia. Un diagrama real se debe dibujar en tres
dimensiones debido a que la propagación se da en todas las direcciones del espacio.
Figura: 3.2 Diagrama de radiación en tres dimensiones
Fuente: www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas_clase/Tema_1.PDF
3.4.1 Patrón de radiación en dos dimensiones
La mayoría de las antenas tiene una dirección de propagación hacia donde se quiere
intercambiar información como un punto específico. Se usa el patrón de radiación en dos
dimensiones como una herramienta para analizar esta dirección, haciendo un corte en el
diagrama de tres dimensiones. Este corte se debe realizar de una manera que proporcione la
información que se necesita para analizar en la comunicación de respectiva antena. En
algunos casos se muestran dos diagramas que representan dos cortes distintos, esto debido a
que los dos proporcionan información útil para el análisis de radiación, en otros casos basta
con uno.
El patrón de radiación se construye mediante una gráfica polar. Hay dos maneras de
plantearlo, el patrón de onda absoluto y el relativo.
23
El absoluto traza la intensidad del campo eléctrico o la densidad de potencia. La
antena se encuentra en el centro de la gráfica polar y el radio es equivalente a una distancia
física de la antena a un punto. El ángulo es la dirección en función de un ángulo de
referencia que se coloca a cero grados.
El patrón de radiación relativo propone la densidad de potencia o intensidad del
campo eléctrico en comparación con un punto de referencia. En este caso, el radio
representa la densidad de potencia o intensidad de campo eléctrico, ya sea en unidades
lineales o en decibelios. Se traza una figura donde el radio es el mismo para diferentes
intensidades que dependen del ángulo.
Figura: 3.3 Patrones de radiación absoluto y relativo respectivamente.
Fuente: [1]
Existen diversos lóbulos en un patrón de radiación. Los lóbulos se ven como el área
que encierra la línea que se traza en el diagrama. Existe uno o más lóbulos principales que
son las direcciones donde interesa enviar una señal. También hay lóbulos menores, los
cuales representan radiación o recepción que generalmente es no deseada. Se clasifican
también los lóbulos por su ubicación. Cuando hay un lóbulo en la parte frontal de la antena,
se llamará lóbulo frontal, a los adyacentes se les llama laterales y al de la parte posterior, el
lóbulo trasero.
24
3.5 Parámetros fundamentales de las antenas
Hay diferentes maneras de diseñar antenas que varían dependiendo de la aplicación,
potencia, costo, frecuencia, entre otros factores. Dependiendo de estas características, se
obtienen diferentes construcciones de antenas con diferentes parámetros.
3.5.1 Densidad de potencia y directividad
La densidad de potencia es la potencia por unidad de superficie. En el diagrama de
radiación se puede deducir en función del radio (o el radio en función de la densidad de
potencia).
La directividad es otro parámetro visible en el patrón de radiación. Es la dirección a
la cual se va a propagar la señal. Se encuentra en el punto máximo del lóbulo principal.
3.5.2 Eficiencia de una antena
Al igual que en cualquier sistema eléctrico no ideal, se tienen pérdidas por
disipación. Una antena no es la excepción, no toda la potencia suministrada por la línea de
transmisión se trasfiere en radiación electromagnética: en otras palabras, hay pérdidas en la
trasformación de energía. La fórmula para calcular la eficiencia de una antena es igual que
en cualquier sistema eléctrico.
DisipaciónSalida
Salida
Entrada
Salida
P+P
P=
P
P=η (3.5-1)
25
Para entender mejor el concepto, se ideó modelar la antena como un resistor, este se
conoce como resistencia de radiación. Este modelo se calcula aplicando la ecuación (3.5-
2).
2i
P=Rr (3.5-2)
En la ecuación (3.5-2), rR es la resistencia de radiación, i la corriente de la antena
en el punto de alimentación y P la potencia radiada por la antena.
La eficiencia se puede modelar en función de la resistencia de radiación y la
resistencia efectiva de la antena ( eR ). El resultado se tiene en la ecuación (3.5-3).
er
r
er
r
R+R
R=
)R+(Ri
Ri=η
2
2
(3.5-3)
3.5.3 Ganancia directiva y ganancia de potencia
Una antena es un elemento pasivo, esto quedó claro cuando se planteó que se puede
modelar mediante una resistencia. En otras palabras, no puede amplificar una señal con una
antena. Con esta afirmación se deduce que la ganancia lineal de una antena debe ser menor
o igual a uno. Los parámetros de ganancia directiva y ganancia de potencia no miden la
ganancia lineal de la antena, miden la ganancia relativa a otra antena, la cual generalmente
es una antena isotrópica.
La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia radiada en una
dirección en particular con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una
antena de referencia, suponiendo que se irradia en las dos antenas la misma potencia. [1]
Matemáticamente se plantea con la ecuación (3.5-4) en la que D es la ganancia
directiva, P la potencia radiada de la antena y refP la potencia de la antena de referencia.
26
refP
P=D (3.5-4)
La ganancia de potencia es equivalente a la ganancia directiva, pero tomando en
cuenta la eficiencia de la antena. Se representa en decibeles con la ecuación (3.5-5).
ref
pP
ηP=A 10log (3.5-5)
Los términos de ganancia directiva y ganancia de potencia determinan cuánto se
<<amplifica>> la señal si se usa una antena determinada en vez de una antena de
referencia, la cual generalmente es una antena isotrópica ideal. Se puede deducir que esta
ganancia relativa se da por el direccionamiento de la antena hacia un punto.
3.5.4 Polarización
La polarización es la manera en que se propaga la parte de campo eléctrico de una
onda electromagnética. Existen tres tipos de polarización, lineal, circular y elíptica. La
polarización lineal se subdivide en vertical u horizontal.
27
Figura 3.4: Tipos de polarización de onda
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica
En la figura 3.4, se muestra un esquemático de la polarización de la onda lineal,
circular y elíptica respectivamente. En la parte inferior de cada caso se puede ver la
proyección del campo eléctrico en el plano ortogonal a la dirección de propagación. Esta
proyección forma una figura la cual describe el tipo de propagación de la onda.
3.5.5 Ángulo del haz de la antena
En el lóbulo principal del patrón de radiación relativo en dos dimensiones, se trazan
dos rayos con origen en el centro del la gráfica polar y cada rayo interseca los dos
respectivos puntos de media potencia (-3dB). El ancho del haz de la antena es el ángulo que
divide estos rayos.
28
Figura 3.5: Ancho del haz de una antena
Fuente: http://jfmontoya.tripod.com/ancho_2.gif
3.5.6 Ancho de banda
El ancho de banda es, en general, un parámetro muy importante a tomar en cuenta
en las telecomunicaciones. Define el rango de frecuencias que se va utilizar para propagar
información. Esto significa mayor cantidad de información por unidad de tiempo, o
velocidad de transferencia de datos.
El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias en el cual la antena
funciona <<satisfactoriamente>> [1]. El ancho de banda de una antena es una
característica importante ya que impone una velocidad máxima de propagación para una
respectiva antena.
3.5.7 Impedancia de entrada
La impedancia de entrada, es la suma de la impedancia de radiación y la impedancia
efectiva de la antena. Sirve para modelar la antena como una resistencia y trabajar los
29
aspectos de resonancia como un planteamiento de líneas de transmisión donde la
impedancia de salida es este nuevo parámetro.
La ecuación (3.5-6) define la impedancia de entrada de la antena, donde iE es la
tensión de entrada en la antena y la corriente de entrada es iI , ambos en forma fasorial.
i
iEntrada
I
E=Z (3.5-6)
La impedancia de entrada se <<coloca>> en el punto donde converge la línea de
transmisión con la antena, este punto se llama terminal de entrada de la antena o punto de
alimentación.
La impedancia de entrada es un fasor. El voltaje y la corriente en el punto de
alimentación deben estar desfasados en cero grados, para eliminar la componente reactiva
de la impedancia y tener resonancia pura entre la tensión y la corriente, para así eliminar las
ondas estacionarias en la línea. Este comportamiento se tiene cuando la mayoría de la
energía generada se convierte en radiación electromagnética, y por lo tanto hay mayor
eficiencia en el sistema de propagación conformado por el generador de ondas, línea de
transmisión y antena. Por reciprocidad se tiene el mismo fenómeno a la hora de recibir
señales. La resonancia pura en la antena es la mejor manera de recibir la señal.
3.6 Líneas de transmisión y guías de onda
Una guía de onda es cualquier elemento físico que guíe una onda electromagnética.
Esta definición general incluye líneas de transmisión de cobre ópticas, y líneas huecas.
30
3.6.1 Teoría de líneas de transmisión para antenas
La línea de transmisión es el medio físico por el cual se transporta energía de un
punto a otro. En el caso de antenas, es conductor que transporta ya sea la señal que se va a
radiar por la antena, o la señal detectada por la antena que se lleva hacia el receptor.
Cuando se tiene una línea de transmisión, se puede calcular una impedancia
equivalente de la línea, para modelar la línea con conductores ideales y esta impedancia
correspondiente. Esta es la carga reflejada en las terminales del generador de señales que
crea la señal que se pretende radiar con una antena. La impedancia característica depende
de la inductancia y capacitancia de los conductores de la línea de transmisión. La
aproximación de la impedancia característica de la línea de transmisión de un cable coaxial
o línea bialámbrica, se define en la ecuación (3.6-1).
C
L=Z ext
0 (3.6-1)
Cuando se transporta una señal por una línea de transmisión con destino a una
antena, hay una parte de la energía que se refleja hacia el generador de señales. Para evitar
este fenómeno de ondas reflejadas, se implementa una carga resistiva al final de la línea. Se
define la relación entre la carga a la salida y la impedancia característica en la ecuación
(3.6-2). Cuando en aplicaciones con antenas se calcula esta carga resistiva, ésta será
resistencia equivalente que modela la antena.
0Z
Z=ROE R (3.6-2)
31
La reflexión de la onda aumenta cuando se incrementa el valor de la ROE. Cuando
la potencia es absorbida en su totalidad por la carga que se encuentra en el extremo de la
línea de transmisión, la relación de ondas estacionarias es uno. Esto significaría un método
de transmisión óptimo.
Los principales tipos de líneas de transmisión que se usan para alimentar antenas,
son bifilar y coaxial.
El cable bifilar consta de un par de cables paralelos separados por un dieléctrico, el
cual generalmente tiene una forma fija para que los cables estén siempre paralelos. Este
tipo de cable es muy eficiente y es barato pero la instalación es más complicada que la de
cable coaxial.
Figura 3.6 Estructura del cable bifilar
Fuente: http://espanol.geocities.com/elradioaficionado/imagenes/antena08.jpg
El cable coaxial consta de un cable rodeado por un cilindro hueco conformado por
materiales conductores, que en la figura 3.7 es representada por la malla de cobre/aluminio.
Los dos conductores se separan mediante dieléctricos para que el cable interior se encuentre
en el centro de la circunferencia de la base del conductor externo. Tiene la ventaja de ser
flexible, y por esto es conveniente para antenas rotativas.
32
Figura 3.7 Estructura del cable coaxial
Fuente: http://www.hispazone.com/imagenes/tutoriales/55-1.jpg
3.6.2 Guías de onda
El término guía de onda se utiliza generalmente para describir un tubo metálico
hueco donde se va a propagar una onda electromagnética. Esta onda electromagnética se ve
reflejada cuando <<choca>> con las paredes del tubo conductor, siguiendo así la dirección
que éste tenga. Se utilizan generalmente para aplicaciones de alta frecuencia, en el orden de
microondas u ondas ópticas.
Existen distintos tipos de guías de onda, están las de sección rectangular, sección
circular, sección elíptica y flexibles. Estas son las formas de la sección transversal del tubo
que va a guiar la onda.
Se dividen también con respecto al campo eléctrico y magnético. Están las ondas
TE (Transverse Electric) donde la componente del campo eléctrico en la dirección de
propagación, es nulo. Las ondas TM (Transverse Magnetic) cuentan con un valor nulo para
el campo magnético en la dirección de propagación. Por último las TEM (Transverse
ElectroMagnetic) son en las que el campo eléctrico y el campo magnético son cero en la
dirección de propagación, sin embargo este tipo de ondas en un análisis de espacio limitado
no existen, ya que violarían las leyes de Maxwell.
Este método para propagar las ondas electromagnéticas presenta varias ventajas con
respecto a las líneas de transmisión, como la eliminación de pérdidas por radiación, debido
33
a que hay un blindaje total. Al solo haber un conductor, hay menos pérdidas ohmicas y la
construcción es más simple que un cable coaxial.
34
Capítulo 4. Principales tipos de antenas
4.1 Antenas elementales
Cuando se analizan las antenas elementales, se trabaja con matemática
relativamente complicada. Esto se debe a que los diagramas de radiación teóricos en tres
dimensiones son determinados con las ecuaciones de Maxwell y se aplican teoremas y
leyes de cálculo de tres variables en función del tiempo. Se hizo el análisis de campos
únicamente en las antenas elementales como un ejemplo para entender la procedencia de
los diagramas de radiación que se verá en las partes posteriores de este capítulo.
4.1.1 Dipolo elemental
El dipolo elemental se puede ver como un segmento de conductor con una longitud
determinada cuyas dimensiones son fracciones de la longitud de onda. En este conductor
circula corriente alterna. Evidentemente el dipolo elemental no existe ya que la corriente
eléctrica tiene que provenir de alguna parte y transferirse a otra parte.
Aplicando las ecuaciones de Maxwell y teoremas matemáticos de cálculo en n
variables, usando coordenadas esféricas, se obtienen las ecuaciones aproximadas de campo
eléctrico y magnético de un dipolo.
θθ A ωj =E − (4.1-1)
η
E=H θ
θ (4.1-2)
Y se tiene que:
35
Ih
πr
µe=A
senθA=A
jkr
Z
Zθ
4
−
− (4.1-3)
De las ecuaciones (4.1-1), (4.1-2) y (4.1-3), se obtiene la densidad de potencia.
( ) θωµksenpir
Ihr=HxERe=P 2
2
4ˆ
rr (4.1-4)
De la ecuación (4.1-4) se puede graficar en tres dimensiones el diagrama de
radiación.
Figura 4.1 Diagrama de radiación de dipolo elemental y espira elemental
Fuente: http://www.upv.es/antenas/Tema_3/Densidad_potencia_dipolo_archivos/image012.gif
Al analizar la figura 4.1, se resalta que si se hace un corte en el plano perpendicular
al eje z, se obtendría un diagrama de radiación omnidireccional ideal.
36
4.1.2 Espira circular elemental
Se considera una espira con un radio mucho menor que la longitud de onda de la
onda a tomar en cuenta. Por esta espira circula una corriente eléctrica alterna, la cual va a
radiar un campo electromagnético. Las ecuaciones que representan el campo eléctrico
vienen dadas en las ecuaciones (4.1-5) y (4.1-6). El campo magnético viene dado en la
ecuación (4.1-2).
0=Aj=E θθ ω− (4.1-5)
θπω senalkIπr
µejω=Aj=E 2
jkr
4
−
℘℘ −− (4.1-6)
La forma diagrama de radiación es presentado en la figura 4.1.
4.2 Dipolos y monopolos
Desde el punto de vista teórico las antenas de dipolo son las más simples. Constan
de dos conductores que se extienden en una misma línea como muestra la figura 4.2.
Figura 4.2 Antena de dipolo
Fuente: http://www.bierzocom-broadcast.com/secciones/Tienda/imagenes/productos/catalogo-21.jpg
37
4.2.1 Dipolo de media onda
El dipolo de media onda es muy utilizado para frecuencias mayores de 2MHz. Se
dice que a frecuencias menores es prohibitiva la aplicación de esta antena debido a que la
longitud de onda de una frecuencia menor a 2MHz, es significativamente alta y por lo
tanto, la construcción de una antena para una frecuencia de ese orden, sería de un tamaño
ilógico. Se puede calcular el tamaño del dipolo mediante la ecuación (4.2-1), donde c es la
velocidad de la luz y f la frecuencia. Por lo tanto para una frecuencia de 2MHz, se obtendría
una longitud de 75m.
2f
c=l (4.2-1)
La longitud generalmente es un poco menos a la que se calcula en la ecuación (4.2-
1) debido a que la velocidad de la luz en la atmósfera terrestre, es un poco menor a la
velocidad de la luz en el espacio libre.
Con frecuencia este tipo de antena es denominada como una antena de Hertz, en
honor al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz quien demostró la radiación
electromagnética.
Se puede analizar esta antena tomando un conjunto que tiende a infinito de dipolos
elementales. Por lo tanto se integra a lo largo de la longitud de la antena la ecuación del
campo eléctrico de un dipolo elemental, como si éste fuera un diferencial y se obtiene de
ahí, el patrón de radiación de la antena.
El diagrama de radiación de una antena de dipolo de media onda, tiene una forma de
toroide al igual que el dipolo elemental. La única diferencia es que al no ser ideal, la base
del toroide no es un círculo, es una figura irregular no muy diferente de un círculo, En la
figura 4.3 se muestra el patrón de radiación del dipolo de media onda en dos dimensiones.
38
Figura 4.3 Patrón de radiación en dos dimensiones, dipolo de media onda
Fuente: http://www.electronguia.net/Radio/Temas/Fundamentos_de_antenas2.htm
Cada polo de la antena es un circuito abierto. Esto significa que esta antena tendrá
ondas estacionarias. Cada polo se verá como un cuarto de longitud de onda de una línea de
transmisión. En los extremos de la antena, hay máximo voltaje y mínimo de corriente, en el
centro máxima corriente y mínimo voltaje.
En una antena de dipolo, la alimentación (en el caso de antena transmisora) se
encuentra en el centro. Es decir, la antena es simétrica con respecto a la altura como se
muestra en la figura 4.2. La impedancia de la antena varía con respecto a la distancia en los
polos. Los valores típicos son Ω73 en el punto de alimentación y Ω2500 en los extremos de
los polos.
De esos Ω73 de impedancia en el punto de alimentación, entre Ω68 y Ω70 es la
impedancia de radiación.
Es importante en los dipolos tomar en cuenta la reflexión de la tierra cuando se
trabaja con una antena que está cerca del suelo. También los efectos que tiene la atmósfera
en las ondas son importantes.
39
4.2.2 Alteraciones del dipolo
Además del dipolo de media onda, existen diversos dipolos con el mismo principio
de funcionamiento, pero con algunas variaciones.
Existen alteraciones geométricas en el dipolo, como el dipolo corto, dipolo en V
invertida, dipolo de brazos plegados y dipolos con cargas para reducir el tamaño. Se pueden
construir combinaciones de antenas, que incluyen dipolos y monopolos para obtener
diagramas de radiación más específicos.
El dipolo corto es un dipolo donde la longitud es pequeña con respecto a la longitud
de onda. Este tipo de antena tiene la particularidad de que la distribución de corriente no
será uniforme, sino sinusoidal.
El dipolo de V invertida es un tipo de antena muy utilizada por los radioaficionados,
debido su simplicidad y la facilidad de instalación y transporte. Consta de un mástil en el
cual se tiene la alimentación hacia un dipolo. El dipolo no va a estar alineado sino van a
estar ambos polos con una dirección hacia el suelo con un ángulo, el cual es criterio de
diseño. Puede ser inclinada, lo que significa que los polos no están alineados con el mástil.
Hay que tener varios cuidados a la hora de fabricar o de emplear una antena de este tipo,
como el ángulo entre los polos y la altura del mástil. En la práctica, el desempeño de esta
antena es similar al dipolo normal.
La figura 4.4 muestra un ejemplo del diseño de un radioaficionado para una antena
de tipo V invertida inclinada.
40
Figura 4.4 Antena de dipolo de V invertida inclinada
Fuente: http://arieldx.tripod.com/estaciondx/proyectos/vinvertidainclinada.htm
El dipolo de brazos plegados y el acortado eléctricamente, son dos tipos de dipolo
que tienen como función disminuir el tamaño de la antena.
El de brazos plegados es cuando se doblan los brazos para ahorrar espacio, sin
embargo al hacer esto, se baja la eficiencia del dipolo parcialmente.
4.2.3 El dipolo doblado
El dipolo doblado es una combinación de dos dipolos cortocircuitados en sus
extremos. Este se puede descomponer como muestra la figura 4.5.
41
Figura 4.5 Descomposición de dipolo doblado
Fuente: [32]
Haciendo un análisis de impedancias, se obtiene que para una longitud de un cuarto
de onda, la impedancia de entrada es cuatro veces mayor que la impedancia de entrada de
un dipolo simple.
En conclusión, un dipolo doblado equivale, desde el punto de vista de radiación a
un dipolo simple con el doble de corriente y cuatro veces la impedancia de entrada. [32].
Figura 4.6 Conclusión de dipolo doblado
Fuente: [32]
42
4.2.4 Principio del funcionamiento de monopolos
Los monopolos son antenas que tienen una función similar a un dipolo, pero con un
solo extremo, basándose en la teoría de imágenes.
La idea de la teoría de imágenes es representar un sistema que consta de una
superficie conductora y una carga, con dos conjuntos cargas, opuestas entre sí. El conjunto
de puntos donde campo eléctrico es cero en el planteamiento de dos sistemas de cargas,
será la superficie conductora.
Si se supone que el suelo es una superficie conductora, se coloca un monopolo con
longitud de un cuarto de onda verticalmente y va a tener una función equivalente al dipolo
de media onda.
Figura 4.7 Funcionamiento de antena de monopolo
Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ee/Antena_marconi501.png
Evidentemente para que el funcionamiento se dé apropiadamente, se requiere de una
tierra que sea buena conductora. En el caso de tener una tierra que no es buena
conductora, como una superficie rocosa o arenosa, es necesario incorporar un sistema
artificial de tierra física hecha de cables de cobre [1].
43
4.2.5 Monopolos
Los monopolos son un tipo de antena que también se conoce como antena aterrizada
o antena Marconi.
La ventaja de la antena Marconi con respecto a la antena de Hertz, es que la
longitud se reduce a la mitad, pero la desventaja es que necesita estar cerca de la tierra, por
lo tanto la propagación va a tener limitantes de curvatura de la Tierra, obstrucciones y
factores en ese sentido.
Generalmente se usan antenas aterrizadas para aplicaciones de relativamente baja
frecuencia, donde es difícil construir un dipolo por su gran tamaño.
Como es de esperarse, el diagrama de radiación del monopolo va a ser
prácticamente igual al de un dipolo pero con la limitante de la tierra, como muestra la
figura 4.8.
Figura 4.8 Diagrama de radiación de una antena Marconi de cuarto de onda
Fuente: http://www.sallesat.org/castella/satelit/antenes.htm
La impedancia en el punto de alimentación de la antena, es la mitad que en el
dipolo, Ω36 .
44
4.2.6 Antenas cargadas
Las antenas cargadas son antenas que tienen una carga, así el tamaño de la antena
no depende únicamente de la longitud de onda, para que sea resonante. En la ecuación (4.2-
1), se deduce que para bajas frecuencias, las antenas de media onda o de cuarto de onda,
ocuparían espacios excesivamente elevados. Para evitar diseños con antenas excesivamente
grandes, se idearon las antenas cargadas.
Aplicando cargas inductivas o capacitivas en las antenas, se reduciría el espacio
significativamente, ya que la antena podría entrar en resonancia con una longitud mucho
menor. Un método es usar bobinas de carga. Éstas son solenoides que anulan la parte
capacitiva de la antena haciéndola resonante con una longitud mucho menor. El problema
que trae esta técnica es que aumenta la impedancia de radiación, haciendo a la antena
menos eficiente, además que le baja el ancho de banda.
Existe otra técnica llamada carga superior de la antena. Esta es una técnica de
alargamiento de la antena. Es una tabla metálica en la parte superior de la antena que
incrementa la capacitancia derivada a la tierra, lo que reduce la capacitancia de la antena y
así con una inductancia menor se logra resonancia. El inconveniente principal de esta
técnica es que resulta inapropiado para sistemas móviles.
4.2.7 Agrupación de antenas
Una agrupación de antenas como un conjunto de N antenas iguales que radian o
reciben simultáneamente. [6]
En las aplicaciones en las que la directividad de un dipolo o un monopolo no es
eficiente, se utiliza un conjunto de antenas; esto logra resultados mucho más eficaces para
direccionar una onda.
En el caso de que se requiera tener un diagrama de radiación con ancho de haz bajo,
se necesitaría una antena de más de una longitud de onda, lo cual no es factible en
45
frecuencias bajas. En este caso se hacen arreglos de dipolos y se obtienen patrones de
radiación como el de la figura 4.9.
Figura 4.9 Diagrama de radiación de agrupación de 21 dipolos pequeños para un
ancho de haz de 6°.
Fuente: [6]
4.2.8 Antena Yagi-Uda
La antena Yagi fue inventada en Japón en 1926 por S. Uda. Esta antena se utiliza
comúnmente en la actualidad ya que es muy simple.
Se usa generalmente en las bandas HF, VHF y UHF. Entre sus aplicaciones está la
radiodifusión de televisión, estaciones de radioaficionados y enlaces punto a punto.
La antena Yagi consta de diversos elementos. El esquema general es de un elemento
activo, el cual generalmente es un dipolo doblado resonante, un reflector y entre uno y
veinte directores. El esquema de la agrupación se muestra en la figura 4.10.
Figura 4.10 Esquema de antena Yagi-Uda
Fuente [6]
46
La impedancia de entrada de esta antena será equivalente a la entrada del elemento
activo, por lo tanto en el caso de tener un dipolo doblado, será de alrededor de Ω300 .
4.3 Aperturas
4.3.1 Bocinas
Es importante tener claro el concepto guías de onda de la sección 3.6.2 para estudiar
las bocinas. Cuando se tiene una guía de onda, el haz electromagnético se propaga por este
cilindro hueco <<rebotando>> con sus paredes, las cuales le dan una dirección a la onda.
Una bocina es una apertura geométrica en una guía de onda, la cual va a permitir que la
onda se propague por el espacio sin un medio guiado.
Se considera como una antena ya que cabe en la definición. Es lo que transforma
una onda electromagnética que está en un medio guiado (guía de onda), en una onda
electromagnética que se propaga en el espacio.
En el capítulo 3, se mencionan los distintos tipos de guía de onda, y la forma en la
que la onda se transporta por este medio. Por lo tanto, al haber distintos tipos de
propagación en guías de onda, hay distintos tipos de bocinas.
Existen las bocinas rectangulares, entre ellas están las de plano H, las de plano E y
las piramidales. En la figura 4.11, se ilustran los tres diferentes tipos de bocinas
rectangulares.
47
Figura 4.11 Tipos de bocinas rectangulares
Fuente: [33]
Están también las bocinas cónicas que se usan en guías de onda circulares. Este tipo
de bocina se muestra en la figura 4.12.
Figura 4.12 Bocina cónica
Fuente: [33]
El tipo de bocina que se vaya a seleccionar, depende de la polarización de la onda
que se tiene en la guía de onda. Las bocinas tienen un diagrama de radiación que depende
de la longitud de onda que se va a radiar como de la geometría que ésta tenga. El diagrama
de radiación típico de una bocina, se puede ver en la figura 4.13.
48
Figura 4.13 Patrón de radiación de bocina de plano E.
Fuente: [33]
Cabe destacar que las bocinas se utilizan para frecuencias del orden de las
microondas al igual que las guías de onda y presentan un ancho de banda amplio.
4.3.2 Ranuras
Una ranura es una apertura en un material conductor; se alimenta con una señal
mediante una línea de transmisión. En esta apertura, se crea un campo electromagnético el
cual se va a propagar por el espacio.
Haciendo el análisis matemático con las ecuaciones de Maxwell en una ranura
elemental, se concluye que el diagrama de radiación es idéntico al de un dipolo eléctrico
[6]. Por lo tanto, si la longitud efectiva de esta apertura es de un tamaño equivalente al
doble de la longitud de un dipolo de media onda, se tendría una ranura resonante que se
comporta como un dipolo doblado. Entonces se tendría una impedancia de entrada en el
orden de Ω300 .
Existen varios tipos de ranuras en la práctica. Una espira magnética, por ejemplo, es
un tipo de ranura. También hay ranuras alimentadas por una cavidad. En las frecuencias de
las bandas VHF y UHF suelen utilizarse como radiadores las ranuras axiales sobre cilindros
circulares conductores. Si se sitúan varias ranuras colineales, se obtienen diagramas de
radiación con un haz vertical estrecho, como ocurre cuando se superponen varios dipolos en
la figura 4.9.
49
La forma de una antena de ranuras se puede ver en la figura 4.14. La ubicación de
las diversas ranuras, es de lo que va a depender el patrón de radiación y su desempeño.
Figura 4.14 Forma de una antena de ranuras
Fuente [34]
Con las antenas de ranuras se puede lograr tener directividad alta ya sea en el plano
horizontal o vertical. En las figuras 4.15 y 4.16, se muestra un caso de patrones de ondas
omnidireccionales pero con directividad vertical alta, logrado con un diseño de 16 ranuras
omnidireccionales para una frecuencia no licenciada utilizada por el estándar de la IEEE,
802.11b de Internet inalámbrico, 2,4GHz.
50
Figura 4.15 Corte horizontal del patrón de radiación de antena de ranuras en función
omnidireccional.
Fuente: [33]
Figura 4.16 Corte transversal del patrón de radiación de antena de ranuras en
función omnidireccional.
Fuente: [34]
Se puede también tener un diagrama directivo, para aplicaciones como enlace punto
a punto, como muestra la figura 4.17.
51
Figura 4.17 patrón de radiación en dos dimensiones de antena de ranuras en función
directiva.
Fuente: [34]
Otro tipo de antenas que se pueden considerar de ranura, son las antenas impresas.
Estas consisten en un parche metálico dispuesto sobre un sustrato dieléctrico colocado
encima del plano metálico. [6] Son resonantes, con una longitud de media onda, claro que
en el orden de microondas donde esta longitud de onda es relativamente baja. La desventaja
que presenta este tipo de antena, es que el ancho de banda se reduce y que la eficiencia
también. El esquemático de una antena impresa, se muestra en la figura 4.18.
52
Figura 4.18 Esquema de una antena impresa
Fuente: [6]
4.3.3 Reflectores y lentes
Los reflectores y lentes son componentes que direccionan una señal
electromagnética donde el elemento que radia la onda es un dipolo, una bocina, un arreglo
de antenas, o una antena de banda ancha. Evidentemente al unir otra etapa en la
transmisión, se ve afectada la eficiencia. La eficiencia de la propagación total, sería la
eficiencia del elemento radiador de la onda, multiplicada por la eficiencia del reflector o el
lente.
Para obtener directividad alta, se utilizan generalmente reflectores. Los reflectores
focalizan la energía para lograr una ganancia alta. Existen varias formas de lograr esto con
geometrías distintas, entre ellos los reflectores diédricos y parabólicos.
53
El reflector diédrico concentra la energía basándose en la teoría de imágenes,
mediante una serie de reflectores rectos con un ángulo entre ellos lo cual es un factor de
diseño importante. La ganancia del reflector diédrico, es muy reducida y se requieren
grandes superficies con ángulos reducidos para lograr una ganancia considerable.
Los reflectores parabólicos son más populares que los diédricos ya que logran una
directividad muy alta de una manera simple. Por una propiedad geométrica de una
parábola, cuando un haz se propaga desde su foco, se va a reflejar una onda con una sola
dirección. En la figura 4.19 queda mejor ilustrado este fenómeno.
Figura 4.19 Propagación con reflector parabólico
Fuente: [6]
Hay reflectores que no tienen el elemento radiador o receptor en el foco, estas se
llaman antenas parabólicas offset.
Figura 4.20 Esquema de antena parabólica offset
Fuente: [6]
54
Existen también arreglos de reflectores parabólicos como es en las antenas
Cassegrain o Gregoriano, mostrados en la figura 4.21.
Figura 4.21 Propagación con arreglos de reflectores parabólicos
Fuente: [6]
La ganancia y la directividad en una antena parabólica son muy altas, gracias a la
concentración de energía en un espacio reducido en el que se logra. El diagrama de
radiación de una antena parabólica típico, se representa en la figura 4.22.
Figura 4.22 Diagrama de radiación de antena parabólica
Fuente: http://www.dei.uc.edu.py/tai2002/ANTENA/webtai.htm#ganancia
Las antenas con reflectores parabólicos son elementos altamente directivos por lo
cual se usan en comunicaciones de punto a punto, y no para aplicaciones de
55
comunicaciones móviles. Las antenas parabólicas son usadas en diversas comunicaciones
satelitales, radar de apertura sintética, televisión vía satélite, radioenlaces, estaciones de
radioaficionado, sondas espaciales y radiotelescopios.
Existen varias técnicas para producir un reflector parabólico, puede ser un cilindro
parabólico o una parábola tridimensional. Esto va a afectar directamente el diagrama de
radiación y todos sus parámetros, pero el uso de uno u otro depende de la aplicación.
Los lentes son utilizados con propósitos similares que los reflectores. Utilizan otro
fenómeno óptico, la refracción. La idea del lente es cambiar la dirección de la onda
mediante refracción para cambiar la dirección de propagación o la polarización de la onda.
La eficiencia es parecida a la de un reflector ya que los fenómenos que la afectan
son prácticamente los mismos, sin embargo, la reflexión en el borde de este dieléctrico es
un factor determinante para su eficiencia y por lo tanto para su desempeño.
4.4 Antenas de banda ancha
Las antenas de banda ancha, son antenas en las que algunos de sus parámetros
principales no varían considerablemente en un rango amplio de frecuencias; en teoría
también hay antenas invariantes con la frecuencia.
4.4.1 Antenas de hilo
Las antenas de hilo largo o de onda progresiva, constan de un hilo conductor con
un tamaño de varias longitudes de onda, terminadas en una carga. Esta carga se diseña para
que sea equivalente al del valor de la impedancia característica de la línea, y así eliminar las
ondas reflejadas. El diagrama de radiación de esta antena se ilustra en la figura 4.23.
56
Figura 4.23 Diagrama de radiación de antena de onda progresiva
Fuente: [6]
En la figura 4.23, el eje z es la dirección del hilo, y la dirección del lóbulo principal
es el ángulo mθ . Este ángulo depende de la longitud de onda y de la longitud del hilo. Esta
antena se considera de banda ancha, debido a que la impedancia de entrada es
prácticamente invariante con respecto a la frecuencia.
Al analizar el efecto del suelo, se resalta que la antena de hilo largo no es muy
eficaz; además que tiene también lóbulos secundarios significativos. Por estas razones, en
la práctica se hacen variaciones de esta antena para mejorar su desempeño. Las principales
variantes son la antena en V y la rómbica.
La antena en V es una superposición de antenas de hilo largo como muestra la
figura 4.24. Estas antenas son generalmente utilizadas para comunicaciones ionosféricas.
57
Figura 4.24 Antena V
Fuente [6]
La antena rómbica es una antena con forma de rombo. Se coloca una carga en la
parte más lejana del punto de alimentación, como muestra la figura 4.25.
Figura 4.25 Antena rómbica
Fuente: [32]
El patrón de radiación es bastante directivo, presenta ganancias típicas de 40. Los
parámetros principales dependen de la geometría del rombo. La carga que se aplica baja la
eficiencia de la antena, ya que consume aproximadamente un treinta por ciento de la
potencia.
58
Figura 4.26 Patrón de radiación de antena rómbica
Fuente: [6]
Las aplicaciones típicas de esta antena, también son comunicaciones ionosféricas en
las bandas LF, MF y HF.
4.4.2 Hélices
Una hélice es el resultado de bobinar un cable conductor en un cilindro de
diámetro constante. [6] Los parámetros de diseño son, el número de vueltas, diámetro, paso
de la hélice (distancia entre dos vueltas), diámetro del conductor y sentido de bobinado.
Esta antena presenta la misma directividad que una espira o un dipolo elemental; su
diagrama de radiación se muestra en la figura 4.1.
La hélice se considera en modo normal cuando la longitud total del cable es mucho
menor que la longitud de onda. Este tipo de antena presenta inconvenientes, debido a que la
eficiencia es baja al igual que la resistencia de radiación.
Para evitar este tipo de inconvenientes se diseña para que la antena tenga dimensiones parecidas a la longitud de onda. Este tipo de antena se llama hélice en modo axial. Ésta puede compararse con una antena de onda progresiva. Una aplicación que ha caracterizado este tipo de antenas, es transmitir y recibir las
señales de control y telemetría de satélites artificiales [6].
4.4.3 Antenas independientes de la frecuencia
59
Una antena invariante con respecto a la frecuencia es una en la que la geometría dé
como resultado que los parámetros y consecuentemente el diagrama de radiación, no
dependan de la longitud de onda. Una manera de lograr esto es con una antena
autoescalable, que se ajuste para la longitud de onda que esté radiando o recibiendo.
Una manera de hacer esto es mediante espirales, lo cual hace a la antena
autoescalable. La forma típica es la de la figura 4.27.
Figura 4.27 Antena espiral equiangular plana
Fuente: [6]
Existen actualmente diseños de antenas que cubren fácilmente una década en
frecuencias. Esta antena es poco directiva y está polarizada circularmente.
4.4.4 Antenas logoperiódicas
Las antenas logoperiódicas permiten, por medio de la geometría, representar cada
parámetro de la antena, en función del logaritmo de la frecuencia. Su modelo básico es el
de la figura 4.28.
60
Figura 4.28 Estructura logoperiódica
Fuente: [6]
La estructura de la figura 4.28 radia ondas electromagnéticas, debido a las
discontinuidades que tiene, ya que fuerzan un cambio en la dirección de la corriente.
En bajas frecuencias es recomendable utilizar antenas logoperiódicas en vez de
antenas hélices o espirales cónicas, ya que éstas son estructuras bidimensionales que
proporcionan haces unidireccionales con directividades relativamente buenas. En enlaces
ionoféricos de HF suelen usarse agrupaciones de antenas logoperiódicas.
4.4.5 Antenas fractales
Las antenas fractales son antenas que funcionan con diferentes frecuencias mediante
comportamientos logoperiódicos. La idea es tener distintas bandas correspondientes a
distintas geometrías fractales. La figura 4.29 presenta un resumen en cuatro bandas
distintas para una antena fractal. Estas son antenas que funcionan como multibandas lo cual
es muy ventajoso en las telecomunicaciones actuales.
61
Figura 4.29 Funcionamiento de antena fractal
Fuente: [6]
62
Capítulo 5. Criterios de selección de antenas de acuerdo con la aplicación requerida
Es importante evaluar, para cada aplicación básica de telecomunicaciones
inalámbricas, los parámetros necesarios de la antena que se va a utilizar para establecer la
comunicación. Este capítulo va a establecer los requerimientos que se tienen para cinco
tipos de comunicaciones inalámbricas básicas, televisión, televisión vía satélite, telefonía
móvil GSM, acceso a Internet inalámbrico WiMAX, y comunicaciones masivas vía
microondas terrestres. Para las otras aplicaciones que utilizan el espectro electromagnético,
se puede aplicar la misma metodología y evaluar los parámetros principales necesarios de
las antenas en cada aplicación. Teniendo ya estos requerimientos, es posible con la
información recopilada en el capítulo cuatro, hacer el manual de selección de antenas para
cada una de las aplicaciones planteadas en este capítulo.
5.1 Televisión
En televisión, el tipo de información que se propaga es video y audio
primordialmente, aunque se puede transferir información. El enlace en televisión es
unidireccional. La central de televisión envía las señales de video y audio y el usuario la
recibe sin enviar datos a la central.
Un canal de televisión requiere que su señal sea omnidireccional con respecto a la
superficie, para que así tenga acceso a un mayor número de clientes. Esta característica
establece ya el primer requisito para el patrón de radiación, que sea omnidireccional con
respecto a la superficie.
Existen tres maneras de propagar televisión mediante ondas electromagnéticas,
televisión analógica, televisión digital terrestre, y televisión digital vía satélite.
63
5.1.1 Televisión analógica
En las bandas de radiofrecuencia, VHF y UHF, se dividen una serie de canales para
la televisión con ancho de banda de 6MHz en el sistema de televisión analógica NTSC
(National Television System Comittee), que cumple Costa Rica. En la banda VHF se
encuentran los canales del dos al trece para este continente. Éstos con una banda para la
transmisión del video y otra para la transmisión de audio. En la banda UHF están los
canales del catorce al ochenta y tres.
Una antena receptora de televisión analógica, debe tener un ancho de banda que
incorpore el rango de frecuencias de 55.25MHz a 889.75MHz, para poder recibir todos los
canales destinados a televisión en el espectro electromagnético. La antena pude ser
direccional, pero hay que ajustarla para que su lóbulo principal coincida con el punto de
origen de la señal. La impedancia de la entrada es un factor importante para la antena
receptora, ya que debe ser compatible con la línea de transmisión que se cuente para que
estas sean resonantes y se dé la recepción óptima.
Una antena transmisora de un canal únicamente requiere un ancho de banda de
6MHz, pero una potencia y un alcance relativamente altos, para difundir esta señal en el
máximo territorio posible. Su patrón de radiación debe ser omnidireccional ya que no se
hace un enlace con el cliente, sino que se propaga la señal para que cualquier usuario pueda
recibirla. Un factor importante es la direccionalidad que se le dé a la propagación con
respecto a la altura. Esto depende del terreno donde se vaya a difundir la onda, pero
generalmente es alta.
5.1.2 Televisión digital terrestre
La televisión digital terrestre (TDT) es una tendencia relativamente nueva a
digitalizar las señales de televisión. La idea es propagar la señal de televisión con una mejor
64
calidad de video y audio, y tener un mayor número de canales, utilizando de una manera
más eficiente, el espectro respectivo para la transmisión de televisión.
La televisión digital tiene como principales ventajas con respecto a la televisión
analógica, que la calidad del video y del audio mejora debido a técnicas de codificación
digital y técnicas de modulación novedosas. También hay mayor número de canales
disponibles, porque las interferencias entre canales se reducen a cero, gracias a la
codificación. Se pueden propagar datos además del video y el audio, como subtítulos en
distintos idiomas o información de lo que se está viendo en general.
TDT utiliza el mismo espectro que la televisión analógica, por lo tanto, al ser la
codificación y modulación la única diferencia entre ellas, el proceso de envío y recepción
de datos es exactamente igual. Para cambiar de televisión analógica a digital, lo que se debe
cambiar son los demoduladores y decodificadores de la señal.
Las antenas de TDT y televisión analógica, utilizan el mismo principio de difusión
de televisión y el mismo rango de frecuencias, así que las antenas que actualmente se
utilizan para enviar y recibir señales de televisión analógica, son equivalentes a las antenas
requeridas para realizar comunicación televisiva digital.
5.1.3 Televisión vía satélite
Las comunicaciones por satélite son de suma importancia en la actualidad. A
grandes rasgos, se puede analizar a un satélite de telecomunicaciones como un reflector en
el espacio, para la señal que se quiera transportar.
Un factor importante en comunicaciones espaciales, es la distancia de propagación
desde el punto de salida hasta el punto de llegada, ya que aunque la señal se propague a la
velocidad de la luz, la distancia es tanta que presenta retardos considerables. Las bandas
que se utilizan en comunicaciones satelitales, son C, Ku y Ka.
La ventaja que tiene la comunicación vía satélite en general, es que prácticamente
no hay interferencia con objetos en el enlace, y se puede tener comunicación en lugares de
65
la Tierra totalmente aislados. Se puede establecer comunicación desde cualquier parte del
mundo y con cualquier parte del mundo.
Los satélites geoestacionarios son satélites que tienen la órbita equivalente a la
rotación de la Tierra, por esto, los satélites no tienen velocidad con respecto a la Tierra. En
otras palabras, se encuentran en el mismo punto con respecto a un observador en el
planeta. Gracias a esto, se puede sintonizar mediante una antena altamente directiva a un
satélite sin tener que mover la dirección de la antena.
Teniendo a disposición los satélites geoestacionarios, se hace mucho más adecuado
utilizar antenas altamente directivas que hagan un enlace de línea vista con el satélite. En
enlaces de larga distancia, la directividad se convierte en un factor determinante y para esta
aplicación, la alta directividad de la antena es un requerimiento fundamental.
Como se comentó en la sección 5.1, la señal de televisión es una señal que se
propaga con una única dirección. Se separa el audio del video y se transmite en una banda
respectiva.
En el caso de televisión por satélite, la señal no es gratuita; por eso la señal viaja
encriptada y codificada, y así, las personas que en realidad tienen acceso a las ondas
electromagnéticas reflejadas por el satélite, no pueden descifrar su contenido y hacer
fraude.
5.2 Telefonía móvil GSM
La telefonía móvil es una de las aplicaciones más utilizadas en la actualidad por la
teoría electromagnética. El objetivo de esta tecnología es abarcar prácticamente todo el
espacio en la tierra con una comunicación bidireccional electromagnética, para que una
persona tenga acceso a este tipo de comunicación y además se pueda desplazar y la
comunicación siga establecida.
66
En enlace se realiza mediante un par de antenas, la antena de la compañía
proveedora del servicio, y la antena del teléfono celular. Ambas antenas reciben y emiten
señales que son captadas por la otra antena.
Los teléfonos celulares presentan el inconveniente de que al ser móviles, utilizan
baterías y para que el teléfono contenga una batería pequeña, liviana y duradera, la
potencia que radian es relativamente baja.
Los teléfonos deben tener una antena omnidireccional, ya que si el patrón de
radiación fuera directivo y el usuario gira, o se coloca en otro ángulo con respecto a la
antena de la compañía, la comunicación se interrumpiría. Otro factor a tomar en cuenta es
la proximidad con el ser humano que van a tener las antenas de las unidades portadoras.
Este efecto varía notoriamente el patrón de radiación.
La antena de la compañía puede ser direccional pero con un ancho de haz amplio.
En caso de usar antenas de este tipo, se tiene que hacer un sistema de antenas donde la
suma de los patrones de radiación abarque todo el área de interés. En este caso es
importante también considerar interferencias.
5.3.1 Comunicaciones móviles GSM
GSM (Sistema Global para Comunicaciones Móviles) es un estándar mundial para
teléfonos móviles digitales. Existen cuatro versiones principales, GSM-850, GSM-900,
GSM-1800 y GSM-1900. Las versiones varían la banda en frecuencia que utilizan para
establecer la comunicación.
Al ser GSM un estándar de comunicaciones digitales y no analógicas, se pueden
suplantar los paquetes de voz que se reciben por paquetes de información utilizando el
mismo ancho de banda que para voz; esto es una ventaja con respecto a la descontinuada
telefonía móvil analógica. La transferencia de datos mediante la telefonía digital es
relativamente lenta para las necesidades de la actualidad; se obtiene una velocidad
alrededor de 12kbps.
67
La banda de 900MHz, utilizada actualmente en Costa Rica, cuenta con el rango de
frecuencias de 890,2MHz hasta 959,8MHz, como muestra la figura 5.1, y como en las
comunicaciones GSM el canal asignado a un usuario varía con cada llamada, la antena debe
tener un buen funcionamiento para todo el ancho de la banda.
Figura 5.1 Canales usados en GSM
Fuente: [7]
5.3 Acceso a Internet inalámbrico WiMAX
Existen varios métodos para la conexión con Internet por medio de las ondas
electromagnéticas. Estos métodos se dividen en tres ramas que tienen objetivos diferentes.
WiFi, que es para radios de menos de 300m en línea vista, WiMAX, para largas distancias,
y satelitales, prácticamente para cualquier lugar del mundo.
WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access) es una tecnología
que pretende hacer una red similar a una red de telefonía celular, para Internet en banda
ancha. Es una tecnología basada en el estándar IEEE 802.16.
WiMAX tiene varias ventajas con respecto a otras redes de acceso a Internet de alta
velocidad. Al no requerir de un medio físico, los costos de instalación bajan
considerablemente, además que se va a contar con una conexión móvil. Un inconveniente
68
que puede presentarse es la pérdida de señal debido a las varillas de las paredes de
edificios o por irregularidades terrenales.
La velocidad de los datos en esta tecnología es mucho mayor que en telefonía
celular GSM. Se dice que se puede transmitir a una velocidad de 70Mbps a una distancia de
hasta 48km.
El rango de frecuencias utilizadas por WiMAX es muy amplio, como su ancho de
banda, por lo tanto las antenas para WiMAX deben tener un ancho de banda muy extenso.
La asignación de bandas para WiMAX se está negociando para estandarizar el servicio,
pero actualmente se utilizan varias bandas, 2,4GHz, 3,5GHz, 4,9GHz, 5,3GHz, 5,8GHz y
10,5GHz.
Existen dos tipos de enlaces para el protocolo de WiMAX, el modo fijo y el móvil.
5.3.1 WiMAX Fijo
Una aplicación de WiMAX, que puede sustituir las redes de cable coaxial y de pares
telefónicos para el acceso a Internet de última milla, es WiMAX fijo. Esta conexión se
logra con un par de antenas, una para el usuario y otra del proveedor de Internet, donde hay
un enlace fijo entre dos antenas. Al ser un enlace único y fijo para esta aplicación, se
requiere una antena de alta ganancia.
WiMAX acceso fijo funciona desde 2.5-GHz autorizado, 3.5-GHz y 5.8-GHz exento
de licencia [41].
5.3.2 WiMAX móvil
La conexión que se realiza entre el usuario y el proveedor del servicio, al ser móvil,
requiere de una antena, o un sistema de antenas que sea omnidireccional para el usuario y
para el proveedor de Internet. Al igual que en redes telefónicas, los aparatos móviles
funcionan generalmente con baterías, por lo que se requiere de una alta eficiencia para
potencias de radiación baja.
69
En la actualidad la tecnología de WiMAX móvil, está prácticamente suplantando a
la fija ya que se comporta de una manera equivalente, con la ventaja de ser móvil.
5.4 Comunicaciones masivas vía microondas
Para tener comunicación entre dos puntos fijos, con alto ancho de banda, surgen
diferentes alternativas, cable, fibra óptica, u ondas electromagnéticas. Tomando en cuenta
los diferentes requerimientos de esta comunicación como son ancho de banda, distancia,
seguridad, entre otros, se realiza el método de comunicación que mejor se acople a los
requerimientos.
Generalmente este tipo de comunicaciones requieren ancho de banda relativamente
alto, se transportan documentos de alto contenido en bits, y muchos a la vez. Por eso, para
la comunicación inalámbrica entre puntos fijos, se utilizan bandas en el orden de
microondas ya que presentan un ancho de banda alto.
Evidentemente estos enlaces requieren de directividades muy altas, ya que son
puntos fijos. Si la señal se propaga a lugares distintos que el destino, se considera que son
pérdidas o inclusive amenazas de que las señales sean interceptadas por terceros. Otro
factor importante del requerimiento de la alta directividad, es que se dé una comunicación
sin interferencias, que no haya ondas reflejadas ni refractadas, únicamente la señal de línea
vista.
Estos enlaces tan exactos requieren que las dos antenas del acople estén
perfectamente alineadas, ya que deben ser altamente directivas. En caso de que algún
objeto se interponga entre las antenas, se perdería la comunicación. Por eso en este caso se
requiere una torre para las antenas y que no haya interferencia de ningún objeto en la línea
de vista. Para el caso de enlace entre edificios, estos proporcionan la altura necesaria, lo
cual hace que este enlace sea de gran provecho.
70
La potencia es otro factor importante para los enlaces de microondas porque como
se planteó en el capítulo 2, la atmósfera atenúa las ondas electromagnéticas de alta
frecuencia, y las ondas utilizadas en este tipo de enlace se encuentran en el orden de giga
hertz.
71
Capítulo 6. Manual para la selección de antenas
6.1 Televisión
6.1.1 Televisión analógica y digital terrestre
Sistema: Televisión analógica con compatibilidad con televisión digital y con capacidad de
recepción HDTV.
Rango de Frecuencias: Bandas VHF y UHF, frecuencias de 55.25MHz a 889.75MHz.
Ancho de banda: Se requiere un ancho de banda aproximado de 850MHz.
Antena recomendada: Arreglo de dipolos en el exterior. Channel Master CM 3671.
Características de la antena:
Figura 6.1 Antena CM 3671
Fuente: http://www.solidsignal.com/prod_display.asp?PROD=ANC3671
72
Ventajas de la antena: Es un arreglo de antenas para recibir señales de VHF y UHF, la
antena cuenta con un rango de más de 100km para UHF y un rango de más de 160km para
VHF.
Tamaño: 4,4m x 2,8m.
Impedancia: 75 Ω.
Polarización: Horizontal.
Patrón de radiación: Altamente directivo ya que es un arreglo de dipolos de 61 elementos.
Ganancia: 10dB para frecuencias altas en VHF y todo el espectro UHF.
Justificación: La antena que se recomienda es para la recepción de televisión nacional, que
en la actualidad es analógica. En caso de convertirse en digital, la antena debe funcionar
adecuadamente. Esperando una modernización del sistema nacional de radiodifusión de
televisión, la antena recomendable debe soportar estos cambios con una funcionalidad
perfectamente acoplada.
73
6.1.2 Televisión satelital
Sistema: Televisión satelital.
Descripción de uso: La antena recomendada es la antena receptora de señales vía satélite
para televisión.
Rango de Frecuencias: Banda C (3.70GHz-4.2GHZ), la banda Ku (10.7GHz-18GHz) y la
banda Ka (18GHz-31GHz). En este caso la que se utiliza es la Ku.
Ancho de banda: 9,3GHz.
Antena recomendada: Antena LNBF ( Low Noise Block Horn), con un reflector parabólico.
Channel Master DIRECTV Triple LNB Dish
Características de la antena:
Figura 6.2 Antena Channel Master DIRECTV Triple LNS Dish
Fuente: http://www.solidsignal.com/prod_display.asp?prod=SACGAINDELUXE
74
Tamaño: 89,62cm x 60,9cm.
Impedancia: 75 Ω.
Polarización: Circular, RHCP (derecha) / LHCP (izquierda).
Patrón de radiación: Con altísima directividad. El lóbulo principal debe estar perfectamente
alineado con el satélite geoestacionario.
Ganancia: 33,5dB mínimo.
Justificación: Para cualquier enlace satelital se requieren componentes altamente directivos,
en este caso una antena parabólica. El rango de frecuencias es en la banda Ku, por lo tanto
el receptor es de tipo bocina ya que es recomendable en frecuencias altas.
75
6.2 Telefonía móvil GSM
Sistema: Proveedor de servicios de telefonía móvil GSM.
Descripción de uso: La antena recomendada es para la compañía que proporciona el
servicio de telefonía celular.
Rango de Frecuencias: Banda de 900Hz, de 890,2MHz hasta 959,8MHz.
Ancho de banda: 70MHz.
Antena recomendada: Jaybeam Wireless 5266100
Características de la antena:
Figura 6.3 Antena Jaybeam Wireless 5266100
Fuente: [i40]
76
Impedancia: 50Ω.
Polarización: +-45°
Ancho del Haz: 65°
Ganancia: 17dBi
Máxima Potencia: 200W(en cada puerto)
Patrón de radiación:
Figura 6.4: Patrón de radiación para la antena Jaybeam Wireless 5266100
Fuente: [i40]
77
Justificación: El patrón de radiación para aplicaciones de telefonía móvil es generalmente
omnidireccional. En este caso, la antena recomendada tiene un ancho de haz de 65°, lo cual
hace requerir de un sistema de antenas para cubrir un área circular. La ventaja de una
distribución así, es que hay una mejor distribución de ancho de banda y al tener
directividad, la antena presenta una ganancia mucho mayor que una omnidireccional por lo
que un sistema de antenas con ancho de haz de 65°, abarcaría un radio mucho mayor, y esto
significa que se requieran menos torres para antenas. Existe también la posibilidad de que
en un área específica no sea necesario incorporar la red móvil y una única antena con un
patrón de radiación similar al de la figura 6.4, sea la opción más recomendable.
78
6.3 Acceso a Internet inalámbrico WiMAX
Sistema: Proveedor de servicios de Internet inalámbrico WiMAX.
Descripción de uso: La antena recomendada es para la compañía que proporciona el
servicio de Internet inalámbrico.
Rango de Frecuencias: Banda no licenciada 2,4GHz, de 2,4GHz a 2,5GHz.
Ancho de banda: 100MHz.
Antena recomendada: MT-343018/NH.
Características de la antena:
Figura 6.5 Antena MT-343018/NH
Fuente: http://www.wimax-industry.com/sp/mwe/1e.htm
Polarización: Horizontal.
79
Angulo del haz de la antena: 90°.
Ganancia: 13dBi.
EIRP: 2W.
Impedancia: 50 Ω.
Patrón de radiación:
Figura 6.6 Patrón de radiación horizontal y vertical de la antena MT-343018/NH
Fuente: http://www.wimax-industry.com/sp/mwe/1e.htm
Justificación: Al igual que en la antena de telefonía móvil propuesta en la sección anterior,
la antena recomendada para WiMAX es una antena de banda ancha con un patrón de
radiación directivo. En este caso, se recomienda una con ancho de haz de 90°. Existen otros
diseños para antenas omnidireccionales, o más directivas. En el caso del diseño de una
antena WiMAX, es fundamental calcular el número de clientes y su probabilidad de
distribución en el espacio, para distribuir de una manera óptima el ancho de banda de
75Mbps.
80
6.4 Comunicaciones masivas vía microondas
Sistema: Enlaces punto a punto de alta velocidad
Descripción de uso: Comunicación entre dos puntos mediante ondas electromagnéticas, en
el orden de micro ondas para alta velocidad.
Rango de Frecuencias: 6,425GHz – 7,125GHz.
Ancho de banda: 700MHz.
Antena recomendada: Antena de bocina con reflector parabólico: PDH10-65-P7A.
Características de la antena:
Figura 6.7 Antena PDH10-65-P7A
Fuente: https://www.mikom.com/catalog/product_details.aspx?id=5429
81
Diámetro: 3m.
Polarización: Horizontal.
Patrón de radiación: Extremadamente directivo.
Ganancia: de 43,6dBi a 44.2dBi.
Ancho del haz: 1,2°.
Justificación: Para evitar posibles interferencias, se elige una antena que opere en una
banda distinta a las bandas utilizadas en la comunicación satelital. Una antena con reflector
parabólico es la mejor opción, ya que esta es la mejor manera de obtener ganancias del
orden de 43dBi.
82
Capítulo 7. Conclusiones y recomendaciones
Las antenas son elementos eléctricos pasivos y recíprocos. Por lo tanto, una antena
no puede amplificar una señal, aunque sí puede darle dirección. Además, los parámetros de
recepción de señales de una antena son equivalentes a los parámetros de emisión de ondas.
Estas dos características son la base del diseño de antenas y sus aplicaciones para
comunicaciones inalámbricas.
Es importante tener en cuenta que en la actualidad se están desarrollando nuevos
tipo de antenas, para trabajar con mayores anchos de banda. Esto se debe a que las
tecnologías como WiMAX y telefonía móvil de tercera generación, demandan aplicaciones
donde se transfiere voz, video de alta definición y datos a la vez.
Existen varios factores importantes a tomar en cuenta para hacer un diseño para un
enlace o una red inalámbrica. Cada aplicación tiene demandas para algunos parámetros de
la antena, y la importancia de estos parámetros depende de la aplicación. Por lo tanto, no se
puede determinar que algunas características de la antena, son más importantes que otras en
todos los casos. Hay casos donde el parámetro principal de diseño es el alcance, otros la
directividad, ancho de banda y hasta el tamaño de la antena. Encontrar el parámetro
principal es el primer paso para lograr un buen diseño, luego debe encontrarse la antena que
cumpla con el requisito principal y evaluar si las propiedades secundarias son satisfactorias.
Generalmente, para una antena el patrón de radiación es el primer factor de diseño, ya que
describe el tipo de comunicación que se va a tener. El ancho de banda, la frecuencia y los
otros parámetros que no se determinan con el diagrama de radiación, se pueden considerar
como un segundo punto de diseño, aunque no necesariamente menos importantes.
En telecomunicaciones se ha tenido una tendencia a implementar tecnología digital
para la transmisión de datos. En el caso de televisión, se espera que esta tecnología
reemplace a la analógica en un corto periodo de tiempo. Las antenas que se requieren para
aprovechar esta nueva tendencia, tienen la misma demanda para todos los parámetros de
una antena que recibe ondas con modulación analógica, pero para disfrutar apropiadamente
83
las ventajas que tiene esta nueva técnica, se debe tener una antena que cumpla los requisitos
actuales debidamente, como ancho de banda y distancia de recepción.
Los enlaces satelitales requieren de una directividad altísima, debido a que la
distancia entre el satélite y la antena está en el orden de los miles de kilómetros. Por eso,
en este tipo de comunicación, se requiere la implementación de reflectores o lentes. El
método que se ha probado como más eficaz y que es más utilizado actualmente para lograr
esto, son las antenas de microondas con reflectores parabólicos.
En comunicaciones móviles, por ejemplo telefonía celular y acceso a Internet
WiMAX, el patrón de radiación debe ser opuesto al de enlaces satelitales, ya se necesita
que el diagrama de radiación abarque el mayor área posible. La compañía proveedora del
servicio, puede contar con antenas omnidireccionales, o con antenas de ancho de haz
definido. En el caso de diseñar para antenas no omnidireccionales, el ancho del haz es un
parámetro de diseño ya que de ahí se obtiene el número necesario de antenas por torre, el
número de torres, y la distribución del ancho de banda o número de canales por área.
Los enlaces punto a punto requieren de antenas altamente directivas para poder
comunicar distancias grandes con potencias relativamente bajas. La idea es similar a la de
enlaces vía satélite pero con distancias mucho menores. La altura de las antenas es un factor
de diseño importante ya que en un enlace tan directo, cualquier interferencia física en el
medio, interrumpiría la comunicación.
Cada antena tiene su fin, sus ventajas y limitaciones, por lo que se puede generalizar
que todas las antenas son prácticas y útiles, si se hace un diseño apropiado de red o enlace,
tomando en cuenta el diseño de la antena en sí, la aplicación para la que fue diseñada y el
presupuesto con el que se cuenta.
Al haber en la actualidad varias redes móviles distintas, como son telefonía móvil
GSM y tercera generación, e Internet inalámbrico WiMAX, es recomendable estudiar todas
las redes en paralelo para poder lograr un diseño, aprovechando infraestructura y antenas
existentes. Teniendo la opción de antenas multibanda, o invariantes con respecto a la
84
frecuencia, es importante evaluar inclusive el uso de una misma antena para varias redes
móviles.
Para enlaces de punto a punto con microondas, es recomendable, por seguridad,
encriptar los datos que se están transmitiendo, ya que aunque se tenga una directividad
altísima en el enlace, el patrón de radiación de todas las antenas tiene lóbulos secundarios y
el enlace puede ser interferido o espiado mediante este medio.
Estar informado y actualizado debe ser una prioridad para cualquier ingeniero, y en
especial si se trata de un ingeniero en telecomunicaciones. En la actualidad se están
desarrollando antenas novedosas, como el caso de las antenas fractales. Es de suma
importancia tener en cuenta estos y otros nuevos avances a la hora de elegir una antena para
una aplicación, ya que la lista de opciones para diseño de redes y enlaces con antenas está
creciendo notoriamente.
Para determinar el tipo de antena a implementar en las aplicaciones de la
comunicación inalámbrica, que no incluye este trabajo, se recomienda aplicar el método
propuesto por este proyecto. En caso de ampliar este documento, se recomienda actualizar
las aplicaciones analizadas, agregar otras aplicaciones básicas, y enfatizar en la parte de
antenas de banda ancha. Proporcionar un capítulo acerca de antenas inteligentes, sería una
alternativa provechosa e interesante para complementar este trabajo.
85
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