TEMA 22 Secciones 9 y 10

TRANSMISIONES Y COMUNICACIONES

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ANTENAS

Tema 22. 9

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Generalidades de antenas

ANTENA: Dispositivo (conductor o sistema de conductores) diseñado con el objetivo de emitir o recibir energía electromagnéticas hacia/desde el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. Las antenas de transmisión y recepción tienen idénticas características de comportamiento, por lo que la misma antena puede hacer de emisora y de receptora. Esta capacidad para cambiar de uso funcional, se denomina reciprocidad. Cuanto mas eficiente es una antena para transmitir, también lo es para recibir.

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Componentes de antenas Elemento radiante: es la parte del sistema de antena que transforma una

corriente de radiofrecuencia en ondas electromagnéticas, que se propagan por el espacio. Elemento receptor: recíprocamente, en una instalación de recepción, es la parte del sistema de antena que recoge parte de la energía electromagnética y la convierte en corriente de radiofrecuencia. Línea de transmisión: El elemento radiante (o el receptor) está conectado con el transmisor (o receptor) por una línea de interconexión. La misión de la línea de transmisión es recoger la energía donde se produce y llevarla al sitio donde hay que utilizarla, con el mínimo de pérdidas. La línea de transmisión debe tener una impedancia característica, definida de cara a transmitir la máxima energía (mínimas pérdidas) Tipos: Línea de dos hilos, par apantallado, línea coaxial, guía de ondas, etc. Otros elementos: Adaptadores impedancia (C, L) y conmutadores de antena 4

LA RADIACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Los campos eléctrico (E), y magnético (H ó B), están desfasados 90º en el espacio y en fase en el tiempo, y por lo tanto se desplazan formando una señal, tridimensional, donde la línea horizontal corresponde a la componente magnética y la línea vertical corresponde a la componente eléctrica.

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𝐸𝐸 × 𝐵𝐵 nos da la dirección de propagación

Longitud de onda

COMPONENTES ELÉCTRICO Y MAGNÉTICOS EN LA ONDA EMITIDA POR UNA ANTENA

• Cuando la señal llega a la antena, en ésta se crea un campo magnético que es circular en plano perpendicular a la antena, siendo más intenso en el centro y menos intenso en los extremos.

• Además, cuando la señal llega a la

antena, en ésta se crea un campo eléctrico, que es longitudinal con la antena, creando en un extremo de la antena un positivo por donde salen las líneas de fuerza, y en el otro un negativo, por donde entran.

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Generalidades de antenas CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS:

Las antenas se construyen a partir de conductores en forma de cables o varillas dispuestos para proporcionar la máxima eficacia en la generación o captación de ondas electromagnéticas. Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Elementales: Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda.

Resonantes: Si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda

Directivas: si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda

Las principales características de las antenas son:

– Impedancia, Ganancia, Ancho de banda. – Longitud, Directividad, Polarización. – Ángulo/Diagrama de radiación. – Eficiencia.

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Impedancia: Es lo que determina la adaptación de la antena al emisor Ganancia: Número de veces que es mayor el campo eléctrico generado en dicha antena en la dirección mas favorable respecto al producido por otra que se toma como referencia. Se mide en decibelios (dBi). Ancho de Banda: Es el rango de frecuencias dentro de las que funciona satisfactoriamente Longitud de la antena: Relacionada con las frecuencias de trabajo. A frecuencias altas longitud menor Directividad: La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica (radia igual en todas direcciones) que radiase con la misma potencia total.

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Características de las antenas

POLARIZACIÓN: La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo. Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina linealmente polarizada (vertical u horizontal), si es un círculo circularmente polarizada y si, por último la figura trazada es una elipse se denomina elípticamente polarizada.

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Características de las antenas

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS

La polarización del frente de onda de radio, constituye un aspecto importante para la transmisión y recepción de las señales de radio. La polarización de las ondas está determinada por la dirección del campo eléctrico de la onda con respecto a la superficie de la tierra.

La posición de la antena emisora determina el tipo de polarización de la onda de radio:

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𝐸𝐸

𝐸𝐸

𝐵𝐵

𝐵𝐵

Angulo de radiación: ángulo vertical en el que una antena emite/recibe la máxima intensidad del campo eléctrico

Diagrama de radiación:

Representación gráfica de la radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación).

Según el diagrama de radiación podemos clasificar las antenas: isotrópicas, directivas, bidireccionales, omnidireccional).

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:

• Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación, directividad y ganancia.

• Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.

• Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.

• Ancho de haz: Es el margen angular en las que el diagrama de radiación toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, que la potencia radiada se reduce a la mitad. 11

Diagrama de radiación: Omnidireccional: p.e. emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles Direccionales, que canalizan la potencia en una dirección y no interfieren en otros servicios (p.e. antenas de radio-enlaces entre estaciones).

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Generalidades de antenas

Tierra: Se comporta como un espejo para cualquier antena y también radia: Efecto espejo. Así, una antena de cuarto de onda conectada al suelo se comporta como una antena de media onda. Onda incidente: Es la que llega al elemento radiante procedente del generador de RF Ondas estacionarias, ROE (Relación de onda estacionaria) Son las ondas que no se propagan y vuelven al generador. Ocurre cuando las impedancias de generador y antena no están acopladas…

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Ondas estacionarias de la antena: A lo largo de la antena excitada, se producen diferentes valores de corriente en toda su longitud. Estos valores pueden asemejarse a una señal sinusoidal, de tal modo que la longitud de la señal, equivale a la longitud de transmisión ideal de la antena para una frecuencia dada.

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FRECUENCIA DE RESONANCIA DE UNA ANTENA: A cada nodo de intensidad, le corresponde un vientre de tensión, y a cada vientre de intensidad un nodo de tensión. A este sistema de nodos y vientres se denomina distribución de ondas estacionarias.

Transferencia de potencia máxima: Si se quiere transmitir la máxima potencia, la antena debe estar en resonancia con el transmisor, generándose de este modo la máxima corriente en la antena. Impedancia resonante….. La corriente de antena es una corriente alterna que fluye de un lado a otro de la antena con la frecuencia de salida del transmisor. La antena actúa como un circuito resonante serie. Eficiencia: Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad. Excitación de la antena Se dice que una antena transmisora está excitada cuando es alimentada por la salida eléctrica de un transmisor. La excitación de la antena crea una corriente de antena, que a su vez hace que se radien ondas a la atmósfera. 15

Las dos categorías principales son la de media onda y la de cuarto de onda.

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En antenas verticales u horizontales no unidas a tierra, la oscilación fundamental se establece para el semiperíodo, por lo que se llaman antenas de media onda.

TIPOS DE ANTENAS TRANSMISORAS

En las antenas con un polo a tierra (antenas Marconi), se produce un sólo nodo de intensidad (vientre de tensión) en el extremo de antena. Y viceversa en el plano de referencia de la puesta a tierra: cuarto de onda.

TIPOS DE ANTENAS TRANSMISORAS

EJECUCIÓN ANTENA DE MEDIA ONDA: Tiene una longitud igual a la mitad de la longitud de onda de la señal que se quiere irradiar. También se denomina antena dipolo. Normalmente, está alimentada en su punto central.

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VARIACIONES en RADIACIÓN DE ANTENA MEDIA ONDA Cuando tenemos una antena de media onda horizontal, alimentada por el centro, la radiación resultante es una radiación bidireccional, hacia delante y hacia detrás de la antena. Cuando tenemos una antena de media onda vertical, alimentada en el centro, la radiación resultante es una radiación omnidireccional, alrededor de la antena. Cuando una antena de media onda la alimentamos, con el doble de la frecuencia de resonancia (Armónico), resulta una antena de onda completa. La alimentación de esta antena equivalente se ha de realizar a 1/4 de la longitud de la antena desde cualquier extremo. Si la alimentamos con un tercer armónico, (el triple), se obtiene una antena de 1,5 longitudes de onda. La alimentación de esta antena se realiza por su punto central.

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SISTEMA DE ANTENAS con ELEMENTOS

Para eliminar o reducir las interferencias se necesita que la dirección y el ancho de banda de una onda radiada queden dentro de unos límites mas estrechos. De esta forma la potencia radiada se dirige hacia una estación receptora especifica, y se pierde muy poca energía. SISTEMAS PARÁSITOS Detrás de la antena de media onda se coloca un elemento de las mismas características que la antena, pero que no lleva ningún tipo de alimentación, denominado elemento parásito. Cuando la antena radia energía de forma bidireccional, en el elemento parásito se induce una tensión que a su vez induce una radiación, que vuelve a ir en dirección hacia el elemento activo de la antena, de tal modo que aumenta la radiación de la antena en dirección hacia delante. El elemento parásito actúa de reflector de la señal que emite la antena, con lo que se obtiene una gran directividad de la antena y una mayor radiación hacia delante.

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SISTEMA DE ANTENAS CON ELEMENTOS

ANTENA YAGI La antena Yagi emplea elementos parásitos, unos colocados delante (reflectores) y otros detrás (directores) del elemento activo de la antena

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Condiciones para el buen funcionamiento de esta antena: • el elemento activo ha de ser exactamente resonante a media onda

de la radiación

• los elementos reflectores han de ser mayores de media onda

• los elementos directores han de ser más cortos de media onda

• todos los elementos se han de conectar en paralelo.

SISTEMA DE ANTENAS CON ELEMENTOS EL DIPOLO PLEGADO El dipolo plegado es igual que el dipolo simple solamente que éste tiene otro conductor activo en paralelo de la misma longitud que el dipolo original. El dipolo plegado se utiliza cuando necesitamos tener en una instalación una resistencia de radiación de valor elevado, cosa que con la antena Yagi no se consigue..

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SISTEMA DE ANTENAS CON ELEMENTOS

ANTENA PARABÓLICA Se trata de una antena de alta ganancia, utilizada para la recepción y transmisión de señales de UHF y microondas. Consta de un elemento activo u otra forma de dispositivo de radiación y un gran receptor esférico o parabólico. El elemento activo se coloca en el punto focal del reflector.

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ANTENAS RECEPTORAS

Antena sintonizada Es un tipo de antena que ofrece un alto grado de selectividad y cierta supresión de ruidos, las antenas receptoras sintonizadas más comunes son de núcleo de ferrita y de cuadro, y ambas se pueden utilizar para frecuencias desde 10 kHz hasta 30 MHz, con buenos resultados.

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FUENTES DE ALIMENTACIÓN

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Las fuentes de alimentación son las que suministran la energía necesaria y con los niveles adecuados a cada uno de los elementos (transmisores/receptores) que componen un sistema de comunicación. Los circuitos que componen tanto los transmisores como los receptores, necesitan alimentarse con corriente continua, por lo que, exceptuando los equipos portátiles, hay que transformar la tensión alterna y rectificarla para conseguir una tensión adecuada y continua. Deben tener la capacidad adecuada a los consumos esperados, sin sobrecargarse. CLASES DE ALIMENTACIÓN: – Autónoma – Externa

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ALIMENTACIÓN AUTÓNOMA

Proporcionada por pilas y baterías/acumuladores para que el equipo se pueda trasladar a cualquier lugar. Este tipo de alimentación es inherente a todos los equipos portátiles. Alimentación mediante pilas: Las pilas son dispositivos que, mediante la reacción química generada en su interior, producen una tensión constante y continua. La descarga se produce de forma paulatina según la demanda de potencia del equipo, mucho mayor en transmisión que en recepción. La autonomía de esta alimentación no suele ser muy grande y depende del consumo.

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Tipos de Pilas:

– Pila de zinc-carbón.

– Pila alcalina de dióxido de manganeso.

– Pila alcalina de óxido de plata.

– Pila de mercurio.

• La alimentación a pilas suele ser muy costosa por lo que se sustituyen por Baterías recargables…

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Baterías/Acumuladores (pilas recargables): Dispositivos que almacenan energía eléctrica continua y la ceden cuando se conectan a un circuito. La gran ventaja sobre las pilas es que se pueden recargar en multitud de ocasiones, por lo que a la larga resultan más económicos. Tipos de acumuladores y densidad de energía :

- Acumuladores de plomo 45 Ah a 260 Ah : 30 Wh/kg

- Acumuladores de níquel – cadmio (400mAh tipo AAA) - 50 Wh/kg

- Niquel-hidruro metálico (850 a 1400 mAh tipo AAA) - 80 Wh/kg

- Iones de Litio 3,8 V (1500 mAh tipo móvil) - 115 Wh/kg

- Polímero de Litio (Li-Po) 3,7 V (2200 - 3700 mAh) - 130-200 Wh/kg

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ALIMENTACIÓN EXTERNA Utiliza una fuente de alimentación que: • Convierte la corriente alterna de la red en otra alterna de valor inferior,

mediante un transformador (o circuito electrónico)

• Rectifica y filtra para obtener corriente continua

• Estabiliza con un regulador, para evitar fluctuaciones (fuente de ruido)

• Este tipo de alimentación se utiliza para equipos o instalaciones fijas.

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Partes de una fuente de alimentación

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Transformador, rectificador, filtro paso bajo (condensador o bobinas), estabilizador (zener o regulador), protección contra sobretensiones y sobrecargas. Señalización.

ALIMENTACIÓN EXTERNA Reguladores: Se suelen utilizar circuitos integrados Ventajas: - Tensión de salida ajustable o fija LM 7805, LM7812 (1,5 A) - Protegidos sobrecarga térmica y contra cortocircuitos - Montajes sencillos (pocos componentes)

- LM 317 ajustable de 1,5 a 37 V ; 1,5 A

- LM338 ajustable 1,2 V a 25 V; 5 A

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BATERIAS Y GRUPOS DE MERGENCIA En una red de comunicaciones es muy importante asegurar el suministro permanente de energía. El suministro deber ser ininterrumpible aún con cortes de suministro de la red. Se pueden usar baterías de emergencia o grupos electrógenos. En equipos móviles aprovechan la energía de la batería del vehículo. El consumo es mayor en transmisión que en recepción. Siempre que sea posible se usará la menor potencia necesaria que asegure la comunicación (H, L)

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