AGRUPACIONES DE ANTENAS Tema I

Introducción y tipos de agrupaciones

1

Manuel Sierra Pérez

Programa del tema

M d l bá i d tModelo básico de una antena.Agrupaciones de antenas. Definición.Tipos de agrupaciones.

En función de la geometríaEn función de la red de distribución

Redes de distribución y agrupaciones de antenas.

2

y g pModelos aproximados de análisis.Principio de multiplicación de diagramas.

Parámetros de una antena: Impedancia

Alimentando una antena lineal con un generador sinusoidal de frecuencia (f), podemos plantear un modelo:frecuencia (f), podemos plantear un modelo:Visto desde los terminales de entrada

Impedancia de entrada.Coeficiente de reflexión de entrada

IVjXRZ aaa =+=

z

y

r

θI

VV

Z0

3

y

x φ

VVg

0

0

ZZZZ

a

aa +

−=Γ

Parámetros de una antena: Diagramas

En el campo lejano de radiación. (campo lejano)Diagrama de radiación de campo eléctrico F.Diagrama de polarización ê.

rjkrFReIE ap

)exp(,,ˆ 0−

= ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ φθηεφθ

2⎞⎛

0

1ˆη

ErH ×=

z

y

r

θI

VV

Zg

E

H

4

( ) ónpolarizacideDiagramaê =φθ ,

1,2

4=Ω∫∫ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ dF

πφθ

εp= rendimiento de potencia

η0= 120π=impedancia del vacío

y

x φ

VVg

Parámetros Z

Parámetros de una antena: Diagramas

En el campo lejano de radiación. (campo lejano)Diagrama de radiación de campo eléctrico F.Diagrama de polarización ê.

2⎞⎛

0

1ˆη

ErH ×=

z

y

r

θI

VV

Zg

E

H

( ) ( )r

jkrFeaE aprad)exp(,,ˆ12 2

0−

Γ−= φθφθηε

5

( ) ónpolarizacideDiagramaê =φθ ,

1,2

4=Ω∫∫ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ dF

πφθ

εp= rendimiento de potencia

η0= 120π=impedancia del vacío

y

x φ

VVg

Parámetros S

Parámetros de una antena. Directividad y ganancia

La directividad de una antena nos da una idea de la capacidad de concentrar la radiación en una determinada dirección.

22

0

2

,442

, ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ == φθππ

ηφθ F

PrE

Drad

z

y

x

r

θ

φ

I

VVg

Zg

6

La ganancia de antena tiene en cuenta las pérdidas en la propia antena, utilizando la potencia entregada.

x φ

2

0

2

,442

, ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ == φθπεπ

ηφθ F

PrE

G pent

Parámetros de una antena individual. Diagrama de polarización.

Otro elemento importante en el diagrama de la antena es la polarización, que viene dada por su vector unitario.

La forma y orientación de la elipse de polarización depende de la relación de amplitudes (α) y de fases (β) entre las componentes del campo eléctrico.

( ) ( ) ( )⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ ⋅+⋅= φθβφθαφφθαθφθ ,exp,sinˆ,cosˆ,ˆ je

z r

7

y

x

θ

φ

I

VVg

Zg

Antena monopolo de baja ganancia.

Hilos de la antena

Torres de soporte

Aislantes

Emisor

8

Plano de tierra

Antena integradas. Baja ganancia

Pequeñas antenasRadian en todas las direcciones.Suelen ser resonantes

Antenas para sistemas integrados.

Los rendimientos entre 10 y 90%

9

integrados.

Antena de reflector parabólico. Alta ganancia

Grandes reflectoresConcentran la radiación en una

dirección.P it t b j f i

Telescopio de Green Bank.

Virginia (USA)

Permiten trabajar en frecuencias muy dispares

Consiguen rendimientos de apertura entre el 50 y el 85%

10

Mide 110m de diámetroPrecisión de la superficie 0.24mmFrecuencia de trabajo hasta 78GHzRendimiento a 50GHz 68%Anchura de haz a 50GHz 14’’

¿Que es una agrupación de antenas o array?

• Definición: – Conjunto de elementos radiantes individualesConjunto de elementos radiantes individuales– Alimentadas desde un terminal común– Mediante redes lineales

z

y

r

θ

11

y

x φI

VVg

Zg

Red lineal

Tipos de agrupaciones

Según su geometríaLineales

Según sus ElementosDe hilos

PlanasConformadas

CilíndricasEsféricas

Según la redPasivas

ImpresasDe ranurasDe bocinas..

Según su aplicaciónComunicaciones

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Un solo hazMultihaz

ActivasAdaptativas

MóvilesSatélites

RadarGoniometría…

Agrupaciones lineales

Elementos situados a lo largo de una línea rectaEquiespaciados (Variables N d )Equiespaciados (Variables N, d.)No equiespaciados (Variables: N, xi)

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Coberturas en estaciones base

Antena GSM de estación base

Tres antenas verticales cubriendo los tres sectores

Antenas dobles para diversidad por espacio

Trabajan con haces estrechos en vertical (6º)

Haces anchos en horizontal (90º)

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Antenas impresas

Las antenas de elementos impresos tienen como

j f ilid d dventajas su facilidad de fabricación y bajo precio.

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Aluminium 1.5mm

ExpandedPolystyrene

Poliester125μm

Transmission line Printed patch

Air

Fibber-glass 1.6mm

Slot in the ground plane

Aluminium 1.5mm

ExpandedPolystyrene

Poliester125μm

Transmission line Printed patch

Air

Fibber-glass 1.6mm

Slot in the ground plane

Agrupaciones planas

Elementos situados en los puntos de un planoReticulares (elementos en los nudos de una retícula)

RectangularesTriangulares

CircularesAleatorios

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Agrupación de bocinas cónicas en una retícula plana triangular.

Antenas planas de ranuras

Antenas de guía radial ranuradaEstán formadas por una estructura de dos planos metálicos sobre los que se induce una onda cilíndrica. Las ranuras se acoplan a la onda de la guía en función de su posición orientación y tamañola guía en función de su posición, orientación y tamaño.

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Antenas de Radar

Sistemas RadarEmisión de impulsos y

recepción de ecos

Cobra Dane

recepción de ecosAntenas directivas (grandes

en longitudes de onda)Gran capacidad de control

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Cobra DaneUna gran antena formada por 34.769 elementos radiantesTrabaja en 1200MHzForma parte de los radares de vigilancia en EEUU.

Radar activo

Propagationw ave layer

Antena adaptativa para un sistema radar a bordo de un avión

Cada subarray contiene un elemento transmisor y receptor montados en diversas capas, de la que la más externa son los elementos radiantes

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A/D A/D A/D A/D A/D

EM -field in teraction

A /D conversion

D igital layer

B eam form ingA lgorithm s

A nalog layer(am plifiers, filters)

A/D A/D A/D A/D A/D

A ntenna outputs

A /D A /D A /D A /D A /D

radiantes

Array plano de antenas Vivaldi

Array plano de dobleArray plano de doble polarización con antenas tipo Vivaldi impresas en estructuras de doble cara.

Balun Apertura

20Entrada en línea

microstrip

Reflectarray

Reflectarray para comunicaciones por satélite.

E fl t lEn un reflectarray, la alimentación se realiza desde una antena excitadora como en reflectores. El campo recibido en los elementos de la antena se rerradia con una corrección de fase para conseguir un frente de onda plano en la dirección de radiación deseada

21

radiación deseada.

• Elementos situados en sobre una superficie no plana

Arrays conformados

• Cilíndricos (Elementos sobre un cilindro)

• Cónicos (Elementos sobre un cono)• Esféricos (Elementos sobre una

esfera o semiesfera)• Superficies varias ( Alas de aviones,

vehículos etc.)

22

vehículos etc.)

Agrupación cilíndricade parches cuadrados

Array cilíndrico

Array cilíndrico de bocinas rectangulares.

23

Array conformado de estructura multicapa con elementos impresos.

Array esférico

Array esférico de parchesde parches impresos.

Arrays conformados de estructura

24

estructura multicapa con elementos impresos.

Agrupación con alimentación pasiva

Utiliza una red de distribución o alimentación formada por elementos pasivos (divisores, líneas de p ( ,transmisión, adaptadores etc.)

El diagrama de radiación y polarización es fijoFunciona como una antena única.Puede tener varios terminales de entrada en la red (antena multi-diagrama o multihaz).Suelen ser recíprocas, trabajando en t i ió ió

25

transmisión y en recepción.

Array multihaz para Detección de Angulo de Llegada (DOA)

Sistema de detección de emisiones radar.Antena multihaz de 64 haces cubriendo 360º

26

Array multihaz para Detección de Angulo de Llegada (DOA)

Sistema de detección de emisiones radar.

Antena de banda ancha (6Antena de banda ancha (6-12GHz) con alimentación multihaz de 10 haces de 9º cubriendo 90º.

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Array multihaz para iluminación de la tierra desde satélite

Cluster de bocinas alimentadoras de un reflector para generar un sistema multihaz.

Las bocinas permiten generar haces conformados a un perimetro dado en la tierra para emisiones de radiodifusión.

28

Agrupaciones activas.

Redes de recepciónRedes de recepción activas

Permiten mejor comportamiento en recepciónRecepción simultánea de varios diagramasS l ió d h

++

LNA

Det

IFA

A/DLPF

Agrupacióncon control

LNA

LNA

W1

W2

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Selección de haces en función de la frecuencia.

en FIWM

Agrupación con alimentación activa

El que utiliza redes lineales activas, fijas o variables, para alimentar el grupo.

P it lifi ió di t ib id l tPermite amplificación distribuida en la antenaReduce el ruido de recepciónPermite control activo de las excitaciones (phased array)Permite procesado de la señal recibida

30

Agrupaciones activas en transmisión

óIFA PA

Redes de transmisión activas

Permite mayores potenciasAmplificación distribuidaPermite el control de diagramas

++ModD/ALPF

Agrupacióncon control

FI

PA

PA

W1

W2

31

diagramas en FI WM

Antena de comunicaciones para satélite (Alcatel)

Antena de satélite para transmisión pde haces directivos de comunicaciones.

Permite transmitir haces en un gran margen de direccionesTrabaja con doble polarizaciónEs una antena de bajo costo.

32

Control digital de la antena

Un procesador digital A/DLNA IFAIFFilter

LPF

ales

Un procesador digital permite:

Control digital de diagramasDiagramas dependientes de

frecuenciati

A/D

A/DLNA IFAIFFilter

LPF

….

esad

or d

igita

l de

seña

33

tiempocódigo

Diagramas simultáneos variables

A/D

Receptor con muestreo en Banda Base

Pro

ce

Antena de sistemas anticolisión en vehículos.

Antena en 60 GHz para sistemas pde radar anticolisión de corto alcance.

Permite transmitir haces en un pequeño margen de direccionesAntena adaptativa que determina la dirección de llegada de la amenaza.D t l l ió d t ñ d

34

Destaca la relación de tamaños de la antena (plano superior) con los elementos de radiofrecuencia (prisma superior) y con los elementos de procesado de señal (tarjetas inferiores)

¿Cómo analizar el comportamiento de una agrupación?

• Separamos en dos partes: – Red de distribución de señal

M t i d i d i Z– Matriz de impedancias Z– Conjunto de elementos radiantes individuales

– Diagramas activos y matriz de impedancias Za

z

y

r

θ1

2Zg

35

y

x φI0

V0

Red Lineal[Z]

2

34

Elementos radiantes

IVVg

Red de distribución

• Viene definida por su matriz de impedancias [Z], admitancias [Y], parámetros de dispersión [S] etc… de N+1 puertasde N+1 puertas.

• Puede descomponerse en un vector de distribución y una matriz de acoplos.

1

2

[ ]⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=cg

b00

Zzzz

Z N

N

zzzzzz

MOMM

L

L

11110

00100

36

Red Lineal[Z]

2

Puerta-03

4

⎥⎦

⎢⎣ NNNN zzz L10

Vector de distribución

Matriz de acoplos internos

Caracterización de la agrupación: Impedancia

• Constituye una red lineal de N puertas– Se puede caracterizar por su matriz de impedancias (Z),

admitancias (Y), dispersión (S) …admitancias (Y), dispersión (S) …– La diagonal indica impedancias de entrada.– El resto representa acoplamientos entre elementos

[ ] ⎥⎤

⎢⎡ Naa zz L 111

z

y

r

θ

I

1

2

ca

37

Elementos radiantes

[ ]⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣

=

aNNaN zz L

MOM

1

aZ

Diagonal principal

y

xφ

Ig 2

34ca

ca

Caracterización de la agrupación: Radiación.

• El diagrama activo de cada elemento representa el campo radiado.– Cuando se excita un solo elemento.Cuando se excita un solo elemento.– Los demás se dejan en circuito abierto (impedancia), en

cortocircuito (admitancia) o con carga nominal (dispersión).

( ) ( )r

jkrFeRIE ziziaipirad)exp(,,ˆ0

−= φθφθηε

• El diagrama de radiación activo êzi y Fzi tiene en cuenta

z r

θ1ca

38Elementos radiantes

– Lo que influyen los demás elementos en la radiación del elemento alimentado.

– Lo que radian los demás elementos por acoplos con el elemento alimentado.

y

xφ

Ig 2

34ca

ca

¿Cómo analizar una agrupación?

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ b00

iZzzz

iZv000 ivv

• Corrientes de excitación• Si las antenas no están

acopladas (Za=diagonal)• Si la red tiene impedancias de

salida nulas (Zc=nula)

• Las corrientes de

z

y

r

θ

φIZg

⎦⎣⎥⎦⎢⎣⎦⎣⎦⎣ acgaaa iZziZv

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excitación son proporcionales al vector ia=i0zg*Za

-1

x φI0

Vg

g

Red lineal

Modelo matemático en arrays

Suponemos que todos los elementos conservan suSuponemos que todos los elementos conservan su diagrama como si estuvieran solos.Suponemos que los elementos conservan la polarización como si estuvieran solos.Si los elementos son iguales, suponemos que las impedancias de entrada siguen siendo iguales.Suponemos que los acoplamientos son despreciables

40

upo o qu o a op a o o d p aben la mayoría de los casos.

Conclusiones

☺Una agrupación es una forma muy versátil de conseguir una antena de gran apertura basada en g g ppequeñas antenas.☺Permite trabajar con elementos activos y su

integración con procesadores digitales☺Permite conformar la antena a formas definidas por

otras limitaciones.En grandes antenas es más compleja y pesada que

41

En grandes antenas es más compleja y pesada que los reflectores.En general es una técnica más cara.