6.3 Parámetros de antenas.pptx

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PARMETROS DE ANTENAS

1www.coimbraweb.comEdison Coimbra G.

ANTENAS YPROPAGACIN DE

ONDAS

Tema 3 de:

Manual de clases

ObjetivoDefinir los parmetros

espaciales y circuitales de

una antena. Interpretar lospatrones de radiacin para

tipos comunes de antenas.

ltima modificacin:

1 de abril de 2014


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As, una antena es un

dispositivo de

transicin, o

transductor, entre una

onda guiada y una en

el espacio libre o

viceversa. Interconecta

un circuito y unespacio.

1.-SISTEMA DE COMUNICACIN POR RADIO

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Cules son sus elementos principales? (Kraus, 2000)

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIN POR RADIO

Elemento Descripcin

Transmisor Genera una potencia que entrega a la antena a travs de una lnea.

Lnea de transmisin Gua la potencia generada hacia la antena, en forma de onda plana TEM. Se

supone que el espacio entre sus conductores es mucho menor que .

Antena transmisora Radia la potencia que le llega del transmisor. Sus caractersticas determinan la

eficacia de esa radiacin.

Onda en el espacio La onda esfrica radiada se visualiza como plana cuando llega a la antena

receptora que se encuentra en campo lejano.

Antena receptora Absorbe potencia del frente de onda que le llega. Sus caractersticas determinanla eficacia de esa absorcin.

Receptor Recibe, a travs de la lnea, la potencia que absorbe la antena receptora.


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Parmetros bsicos de la antena

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Se clasifican en circuitales y espaciales

De acuerdo con el principio de

reciprocidad, los parmetros son

los mismos si la antena se utiliza

para transmitir o recibir.

PARMETROS BSICOS DE LA ANTENA

Parmetros Descripcin

Circuitales Resistencia de radiacin. La antena se presenta a la lnea como una resistencia delespacio (virtual) acoplada a sus terminales.

Temperatura de la antena. Relacionada con la radiacin pasiva de objetos distantes quela antena est mirando.

Espaciales Diagrama de radiacin. Son cantidades tridimensionales que involucran la variacin delcampo E o de la potenciacomo una funcin de coordenadas esfricas.

Gananciao directividad.Es una indicacin de la capacidad de la antena para conducir lapotencia radiada en una determinada direccin. Normalmente se habla de antenasomnidireccionales y directivas.

rea equivalente.Es el rea de la cual la antena extrae potencia del frente de onda quepasa para entregarla al receptor.

(Kraus, 2000)


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2.- RESISTENCIA DE RADIACIN

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Modelo circuital de la antena en transmisin

MODELO CIRCUITAL DE LA ANTENA

Elemento Descripcin

Impedanciade la antena

ZA. Al conectar el transmisor a la antena, la

relacin de Ve Ien los terminales de la antena

permite modelarla como una impedanciacompleja(ZA) que vara con la frecuencia.

Resistenciade radiacin

Representa la capacidad de disipacin de

potencia mediante radiacin al espacio, y quepuede ser equiparada a una resistencia hmica

disipadora de potencia. Es decir, la antena sepresenta a la lnea como una resistencia del

espacio (virtual) acoplada a sus terminales.

Resistenciade prdidas

Representa la potencia disipada en lasuperficie de los conductores de la antena. Se

utilizan antenas de bajas prdidas.

Reactancia

de la antena

Representa la inductanciade los conductores

de la antena (energa magntica) y sucapacitancia(energa elctrica) respecto a tierra.Estas reactancias son responsables en los

circuitos AC de prdidas de potencia en forma de

"prdidas reactivas de potencia", que no disipan

calor, pero que estn ah.

La antena se modela comouna impedancia compleja.

=

= + + A

ZA=impedancia de la antena, en .

V= voltaje, en V.

I= corriente, en A.Rr =resistencia de radiacin, en

R=resistencia de prdidas, en

XA=reactancia de la antena, en

Impedancia de la antena.


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Resistencia de radiacin de la antena dipolo

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Impedancia del dipolo en funcin de su longitud

El dipolo de 0.95(/2) tiene una resistencia de radiacin de 70 .

(Blake, 2004)ANTENA DIPOLO

Resistencia de radiacin

Un dipolo corto (de una fraccin de ) y de bajasprdidas, tiene una impedancia compleja, compuesta por

una resistencia de radiacinde 2 y una reactanciacapacitiva de 1.900 .

Si la longitud del dipolo corto aumenta, su resistencia deradiacin se incrementa y su reactancia capacitiva

disminuye.

Cuando el dipolo alcanza /2de longitud, adquiere unaimpedancia compuesta por una resistencia de radiacinde 73 y una reactancia, que se vuelve inductiva, de 42,5

.

Si se disminuye en un 5% la longitud del dipolo, la

antena se vuelve resonante, es decir, la impedancia se

hace completamente resistiva, con una resistencia deradiacin de 70 y una reactancia de 0.

Impedancia del dipolo corto

= 2 1.900

= 73 + 42,5

Impedancia del dipolo de /2

Impedancia del dipolo de 0,95(/2)

ZA=impedancia de la antena, en .

Rr =resistencia de radiacin, en

= = 70


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3.- DIAGRAMA DE RADIACIN

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Pueden ser omnidireccionales o directivos

El patrn de radiacin es la forma caracterstica enque una antena radia energa.

(Kraus, 2000) (Anguera, 2008)

ANTENAS SEGN SU RADIACIN

Una antena se disea de modo que radie ms potencia en una

direccinque en otras.

La radiacin se concentra en un patrn con forma geomtrica

reconocible que se conoce como diagrama de radiacin o de campo.

Se habla de antenas omnidireccionalesy directivas.

Tipo Descripcin

Omni-

direccional

Ej.: antena dipolo. Su radiacin tiene forma similara un donut sin agujero, donde las puntas de losbrazos son puntos sordos hacia donde no radia.

Directiva Ej.: antena Yagi, bocina cnica. Tiene un patrnde radiacin similar al conode luz de un proyector.

Dipolo

Yagi

Bocina cnica


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Diagrama de radiacin con coordenadas

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La radiacin se grafica en 3D

Si el diagrama es simtrico, es suficiente eldiagrama de plano principal.

DIAGRAMA DE RADIACIN

Con coordenadas esfricas

La radiacin se grafica en 3D, en funcin de lascoordenadas esfricas r, y a una distancia fija.Muestra la variacin del campo E.Como el campo Hse deriva delE, la representacinse realiza a partir de cualquiera de los dos, siendo

habitual que los diagramas se refieran al campo E.En campo lejano, la densidad de potenciaesproporcional al campo E, lo que hace que undiagrama de radiacin de campo contenga la mismainformacin que un diagrama de potencia.

Si el diagrama es simtrico alrededor de un eje, es

suficiente la representacin con cortes extrado del

diagrama en 3D para o constantes, y sedenominan planos principales (x-zo y-z).

3DCampo

Plano y-zPotencia

(Kraus, 2000) (Anguera, 2008)


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Parmetros del diagrama de plano principal

8www.coimbraweb.com Son cantidades de un solo valor.

Ejemplo 1.- Parmetros del diagrama directivo tpico

Lbulo principal. Es la zona en la que la radiacin es mxima.

Ancho de haz (BW3dB).Es el ancho del lbulo principal entre puntos de potencia media, 3dB: 20.

Nivel de lbulo secundario (SLL). Es el mayor de los mximos secundarios medido respecto al mximoprincipal: 13dB.

Relacin frente/atrs (F/B). Es la relacin en dB de la radiacin principal a la obtenida en la direccinopuesta: 20dB.

Ejemplo para una antena directiva

DIAGRAMA DE RADIACIN

Antenas directivas

En el diagrama se definen parmetros que describen elcomportamiento de la antena y permiten especificar su

funcionamiento. Son cantidades escalares necesarias para

disear antenas directivas.El campo Ese representa de forma relativa(normalizando el valor mximo a la unidad) y en escalalogartmica.

Un diagrama relativo logartmico tiene el mximo en 0dB y el resto de direcciones del espacio con dB negativos.Cuando la escala es logartmica, los diagramas de

campoy de potenciason idnticos.

(Blake, 2004)


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Ejemplos de diagramas de radiacin

9www.coimbraweb.com La antena dipolo es omnidireccional.

Dipolo

Yagi

Ejemplo 2.- Diagrama deantena dipolo

En el plano y-z se muestra el

diagrama de campo Eque esbidireccional.

En el plano y-x,

perpendicular al y-z, se

muestra el diagrama de campoHque es omnidireccional.

Ejemplo 3.- Diagrama deantena Yagi

En el plano y-z se muestra el

diagrama de campo Eque esdirectivo.

En el plano y-x,

perpendicular al y-z, se

muestra el diagrama de

campo Hque es directivo.

Pueden ser omnidireccionales o directivos


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4.- GANANCIA

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Qu es la ganancia de la antena?

El radiador isotrpico se usa como punto de comparacin.

GANANCIA DE LA ANTENA

Conceptos

La gananciaes una indicacin de la capacidad de la antena para conducir lapotencia radiada en una determinada direccin.

Sera intil hablar de antenas si no se tiene algo con qu compararlas. Por eso

se cre el radiador isotrpico.El radiador isotrpico es una antena imaginaria omnidireccional que radiapotencia en forma de esfera perfectamente uniforme, con la misma intensidad en

todas las direcciones.

Se dice, por tanto, que una antena tiene gananciaen la direccin de mximaradiacin, cuando se compara con un radiador isotrpico.

EL RADIADOR ISOTRPICO

Densidad de potencia

Si se dibujara una esferaconcntrica al radiador, todala energa radiada pasara por la superficie de la esfera.

En consecuencia, la densidad de potencia sera lapotencia radiada o transmitida entre el rea de la

superficie de la esfera.

La potencia se dispersasobre una superficie msgrande a medida que aumenta la distancia.

Si=densidad de potencia isotrpica, en W/m2.

PT= potencia radiada o transmitida, en W.

r= distancia radial desde el radiador, en m.

=

42

Densidad de potencia isotrpica.

(Blake, 2004)


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GT= ganancia de la antena transmisora.

S= densidad de potencia transmisora, en W/m2

.

Si= densidad de potencia isotrpica, en W/m2.

PT= potencias radiada o transmitida, en W.

r= distancia radial desde la transmisora, en m.

Ganancia de la antena transmisora

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Ejemplo para la antena dipolo

El i es por la referencia isotrpica.

Ejemplo 4.- Ganancia de antena dipolo

En general, la ganancia de una antena transmisora se calcula

comparando la densidad de potencia radiada en la direccin demxima radiacin, a una distancia dada, con la que radiara a esta

misma distancia un radiador isotrpico que radiase la mismapotencia.

La radiacin isotrpica (Gi =1) se utiliza como referencia. Unaantena con una ganancia superior a la isotrpica radiar ms

potencia en una direccin dada, en detrimento de otras, donde

radiar menos.

La antena dipolo radia 1,64 veces con mayor intensidad en ladireccin de mxima radiacin que un radiador isotrpico, por tanto

su ganancia es 10 log1,64 = 2,15 dBi. =S

S= 42

S

Se expresa en dBi

dBi

= 10 log

GANANCIA Y DIRECTIVIDAD

A veces se usa el trmino directividad, que noes lo mismo que ganancia.

La gananciapone de manifiesto el hecho de queuna antena real no radia toda la potencia que se le

suministra, si no que parte de sta se disipa en

forma de calor (R).

La gananciaes la directividadmultiplicada por

la eficiencia de la antena.

Ganancia de la transmisora.

(Blake, 2004) (Anguera, 2008)


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Ejemplos con densidad de potencia


Para antenas de diferentes ganancias

Ganancia de la antena dipolo: 10 log 1,64 = 2,15 dBi

Ejemplo 5.- Densidad de potencia isotrpica

Se suministra 100 W de potencia a un radiador isotrpico. Calcule la

densidad de potencia que produce a un punto distante 10 km.

Respuesta Ejemplo 5

Si= 79,6 nW/m

2. En

trminos de radio, es una

seal bastante fuerte.

Ejemplo 6.- Densidad de potencia antena dipolo

Se suministra 100 W de potencia a una antena dipolo. Calcule la

densidad de potencia que produce a un punto distante 10 km en ladireccin de mxima radiacin.

Respuesta Ejemplo 6

S= 130,5 nW/m2.

Ejemplo 7.- Densidad de potencia antena Yagi

Se suministra 100 W de potencia a una antena Yagi de

12 dBi. Calcule la densidad de potencia que produce a unpunto distante 10 km en la direccin de mxima radiacin.

Respuesta Ejemplo 7

S= 1.260 nW/m2.

(Blake, 2004)


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Ejemplos con ganancia y diagramas



Ejemplo 9.- Patrn de radiacin

Determine la ganancia y el ancho de haz para la

antena de la figura.

Ejemplo 8.- El dipolo estndar

Es una antena casi perfecta que tambin se usa como punto decomparacin. Se construye bajo un control estricto de laboratorio,garantizando que su construccin, materiales y comportamiento sean

idnticos a un estndar establecido para antenas dipolo.

Dos antenas tienen ganancias de 5.3 dBi y 4.5 dBd, respectivamente.

Cul tiene mayor ganancia?

Respuesta Ejemplo 8

La de 4.5 dBd = 6.65 dBi.

Respuesta Ejemplo 9

G = 3 dBd = 5,15 dBi.Ancho de haz = 70.

Ganancia del dipolo estndar: 10 log 1,64 = 2,15 dBi

(Blake, 2004)


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Ejemplos con ganancia y diagramas



El diagrama tiene el mximo en 0 dB.


Determine la ganancia y el ancho de haz para la antena dela figura.

Respuesta Ejemplo 11

a) G = 13,95 dBi; b)F/B =15 dB;

c)Ancho de haz = 44.


Para el patrn de antena en la figura, encuentre:

a) La ganancia de la antena en dBi.

b) La relacin frente-atrs en dB.

c) El ancho de haz para el lbulo principal.


G = 5 dBi.

Ancho de haz = 20.

(Blake, 2004)


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Aeq=rea equivalente de absorcin, en m2.

= longitud de onda de la onda, en m.

GR= ganancia de la antena receptora.

5.- REA EQUIVALENTE DE ABSORCIN


Para la antena en recepcin

REA EQUIVALENTE DE ABSORCIN

Conceptos

Es el rea del cual la antena receptora absorbe potencia del frente de onda que pasa por ella, paraentregarla al receptor.

Es razonable pensar que la antena absorbe ms potencia si es ms grande, porque cubre un reams grande.

La antena es ms eficiente para absorber potencia desde una direccin que desde otra.Quiere decir, por tanto, que la antena receptora tiene ganancia, y la potencia que absorbe depende de su

tamao fsico y de su ganancia.Con base a la teora electromagntica, se demuestra que el rea equivalente depende de la ganancia de laantena y de la longitud de onda.

rea equivalente de absorcin.

=

S Aeq=rea equivalente de absorcin, en m2.P

R= potencia absorbida o recibida, en W.

S= densidad de potencia transmisora, en W/m2.

=

4

La ganancia es la misma si la antena se utiliza paratransmitir o recibir (principio de reciprocidad).

(Blake, 2004)

Ej l i l


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Ejemplos con rea equivalente



Una antena ms grande tiene mayor rea equivalente.

(Anguera, 2008)

Ejemplo 12.- Tamao del rea equivalente

El rea equivalente de una antena dipolo esproporcional al rea de un cuadrado cuyo lado es casiigual a la longitud de la antena.

En caso de la antena dipolo, los lados del cuadrado soncasi iguales a media longitud de onda.

El rea equivalente de las antenas parablicasusadas en microondas es proporcional al dimetro del

plato reflector, el cual enfoca la radiacin hacia la apertura.


a)Aeq.= 0,897 m2

b)PR= 5,95 pW .

Ejemplo 13.- rea equivalente de una antena

Una antena tiene una ganancia de 7 dBi con respecto a

un radiador isotrpico

a) Cul es su rea equivalentede absorcin si opera a200 MHz?

b) Cunta potencia absorbe de una seal con unaintensidad de campo de 50 mV/m?

(Blake, 2004)

P did l i lib


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Prdida en el espacio libre


La onda se atena al propagarse en el espacio libre

Al alejarse de la transmisora, la onda se esparce sobre unama or re in en el es acio libre. Se atena.

(Frenzel, 2003)

PRDIDA EN EL ESPACIO LIBRE

Ecuacin de Transmisin de Friis

La utilidad del concepto de rea equivalente se demuestraal usarla para desarrollar la ecuacin de transmisin deFriis (H. Friis, Lab. Bell, 1946).

Esta ecuacin establece la prdida en el espacio libre, esdecir, la razn entre la potencia recibida y la potencia

transmitida.

Se obtiene al combinar las ecuaciones de la ganancia dela antena transmisora y del rea equivalente de absorcinde la antena receptora.

PR= potencia recibida, en W.

PT= potencia transmitida, en W.

GT= ganancia de la antena transmisora.

GR= ganancia de la antena receptora.

= longitud de onda de la onda, en m.r= distancia radial entre antenas, en m.

=

162

Ejemplo 14.- Potencia recibida

Un transmisor suministra una potenciade 150 Wa una frecuenciaportadora de 325 MHz. Se

conecta a una antena con una gananciade 12 dBi.La antena receptora est a 10 km de distanciaytiene una gananciade 5 dBi. Calcule la potenciaentregada al receptor, suponiendo propagacin de

espacio libre.


PR= 404 nW

Ecuacin de transmisin de Friis.

(Blake, 2004)

E i ti did l i lib


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Ecuacin prctica prdida en el espacio libre


Se expresa en dB con el signo cambiado

PRDIDA EN EL ESPACIO LIBRE

Ecuacin prctica de Transmisin de Friis

Es comn expresar la ecuacin de transmisin de Friis en

trminos de prdidas en el espacio libre en dB con el signo

cambiado.

Por supuesto, la potencia recibida es ms dbil que la

transmitida, por lo que la prdida en dB es negativa.

Las antenas crean un efecto de amplificacin quecompensan parte de las prdidas.


Un radiotransmisor celular suministra una potenciade 3W a 800 MHz. Utiliza una antena con una gananciade 3dBi. El receptor est a 5 km de distancia, con unagananciade antena de 12 dBi. Calcule la potenciarecibida en dBm.


PR=54.7 dBm.

Prdida con el signo cambiado.

(dB) = 10 log ()

(W)

(dB) = 92,44 + 20 log km + 20 log GHz dBi (dBi)

= prdida en el espacio libre, en dB.

r = distancia radial entre antenas, en km.

f = frecuencia de operacin, en GHz.

GT= ganancia de la transmisora, en dBi.

GR= ganancia de la receptora, en dBi..

(Blake, 2004)

Las antenas crean un efecto de amplificacin.

Ej l did l i lib


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Ejemplos con prdidas en el espacio libre


Antenas de diferentes ganancias

Las antenas crean un efecto de amplificacin.


Un transmisor satelital opera a 4 GHz con una ganancia

de antena de 40 dBi. El receptor situado a 40.000 km tiene

una ganancia de antena de 50 dBi. Si el transmisor tiene

una potencia de 8 W, calcule la potencia recibida.


PR=67,49 dBm.

(dB) = 92,44 + 20 log km + 20 log GHz dBi (dBi)


Un transmisor y un receptor que operan a 6 GHz estn

separados por 40 km. Calcule la potencia que se entrega

al receptor si el transmisor suministra una potencia de 2

W, la antena transmisora tiene una ganancia de 20 dBi y la

receptora de 25 dBi.


PR=67,49 dBm.

(Frenzel, 2003)(Blake, 2004)

Bibli f


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FINEdison Coimbra G.

ANTENAS YPROPAGACIN DE ONDAS

Tema 3 de:

BibliografaCules son las referencias bibliogrficas?

BibliografaAnguera, J. & Perez, A. (2008). Teora de Antenas.Barcelona: La Salle OnLine

APC, Asociacin para el progreso de las comunicaciones (2007).Redes Inalmbricas en los Pases enDesarrollo.Mountain View, CA. USA: Limehouse Book Sprint Team.

Blake, Roy (2004). Sistemas electrnicos de comunicaciones .Mxico: Thomson.

Forouzan, B. A. (2007). Transmisin de datos y redes de comunicaciones.Madrid: McGraw-Hill.

Frenzel (2003). Sistemas Electrnicos de Comunicaciones.Madrid: Alfaomega.

Kraus, J., & Fleisch, D. (2000). Electromagnetismo con Aplicaciones.Mxico: McGraw-Hill.

Miranda, J. M. & otros (2002). Ingeniera de Microondas.Madrid: Prentice Hall.

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