CH 03 Antenna Family 2015-2_update4.pdf

7/25/2019 CH 03 Antenna Family 2015-2_update4.pdf

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EE525M

Ing. Marcial A. Lpez Tafu r

[email protected]

2015-2

Familia de Antenas

Captulo 3
mailto:[email protected]:[email protected]


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End fires Stubs

Arreglos

Patches

Ranuras Aperturas

ReflectoresCornetasEspiralesLentes

Plana Esquina Parablica

Lneas

delgadas

En V Long wires

BicnicaBeverage Rmbica

Radomes FSS

Curtains W8JKs

Dipolos

doblados

Arreglos

Dipolos

Cnicas

Antenas

Espiral

cnica

Polyrods

Hlices

Yagi-uda

Log

peridica

Lazos


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3

Lazos, dipolos y ranuras

Figura 3.1


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Tres tipos bsicos de antenas:

(a) un cuadro pequeo, (b) un dipolo corto, y

(c) una ranura.

El cuadro pequeo y el dipolo corto (eje del

cuadro paralelo al del dipolo) tienen

diagramas de campo idnticos con el E y Hintercambiados.

La ranura y el dipolo tienen los mismos

diagramas de campo con E y Hintercambiados.

Las directividades son idnticas como se

indica.


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La pequea antena horizontal de aro en (a) de la

Fig. 3-1 puede ser considerado como la contraparte

magntica del dipolo vertical corto.

Ambos, el aro y el dipolo tienen diagrama es de

campo idnticos pero con E y H intercambiados.

As, el aro horizontal esta polarizado

horizontalmente y el dipolo vertical esta polarizadoverticalmente.

Ambos, el aro corto y el dipolo corto tienen la

misma directividad D = 1,5.

Para calificar como un aro corto o un dipolo corto,

las dimensiones deberan de ser de /10 o menos.


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EjemploLazo y dipolo para polarizacin circularColocando el dipolo corto dentro del

pequeo cuadro en su eje (Fig. 3-1), el

patrn es omnidireccional en el plano

horizontal con un nulo en el eje vertical

duales del dipolo y lazo.

la misma que para los diagramas indivi-


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Comparacin de impedancias de una antena

dipolo cilndrica con un una antena de ranuracomplementaria, fig. (a).

La ranura en la fig. (b) se adapta con un cable

coaxial de 50

L = 0.925

Z = 50 + j0 w = 2D 0.066

(b)

Dipolo de CompletaDipolo de Completa

(a)

Z = 710 + j0

D = L/28 0.033

L = 0.925

Figura 3.2


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Ejemplo: Dipolo de una longitud de onda y

antena una antena ranurada.En la Fig. siguiente un dipolo cilndrico de

longitud y su ranura complementaria son

comparados. La longitud actual L = 0.925 .El dipolo cilndrico tiene un dimetro

D = L/28 = 0.033 y una impedancia terminal

Zd = 710 +j0.

La ranura complementaria tiene un ancho dew = 2D.

Encontrar la impedancia terminal Zs de la ranura


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SolucinDe (2)

Zs = 3772 / 4*710 = 50Rpta.

Para una impedancia correspondiente a

una lnea coaxial de 50 como se indicaen la Fig. 3-2b.

La radiacin de una antena patch (Fig.

3-11) ocurre aun desde dos ranuras, asque este ejemplo es til para entender las

antenas tipo patch.


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Antenas de cable coaxial con unextremo abierto (opened-out)

Figura 3.3


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Lneas coaxiales con uno de sus extremos

abierto (opened-out) mostrando(a) La evolucin desde una antena de gran

ancho de banda gradualmente convergente

vulcano smoke

(b) A una antena cnica de una de ancho debanda intermedio

(c) Hasta una un monopolo de banda

estrecha de /4


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Todas las antenas en la fig. 3-3 son

omnidireccional en el plano horizontal con unnulo en la direccin vertical (cenit).

La directividad D est indicado para cada

antena.

Pasar de transiciones suaves y graduales a

unos ms abruptos resultan en anchos de

banda mas estrechos.


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Antenas de dos conductores(delgados) con un extremo

abierto


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Figura 3.4


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Antenas de dos conductores con un extremoabierto mostrando la evolucin desde una

banda muy ancha antena bocina gemelaAlpine en la parte superior (a) a travs deuno de ancho de banda intermedio antenabicnica en el centro (b) hasta una deancho de banda estrecho dipolo de /2(c) y las versiones compacta (d) , (e) y (f).

Mientras que la bocina gemelaAlpine esunidireccional, las antenas bicnicas y dipolo

son omnidireccionales en el plano horizontal. La directividad D es indicada para cadaantena.


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Figura 3.5Antenas de G.O

con extremoabierto (apertura)


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Bocina Piramidal ptima

Seccin de corte de una bocina

L

L a

Plano de la

boca de la

bocina

Figura 3.6


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Idealmente la fase del campo a lo largo de laboca de la bocina debe ser constante.

Esto requiere una bocina bastante larga. Sinembargo, por razones prcticas la bocina debeser lo mas corta posible.

Una bocina ptima es un compromiso en el

cual la diferencia de la longitud de latrayectoria a lo largo del borde y el centro de labocina es de 0,25 o menos en el plano E.

Sin embargo, en el plano H, puede sermayor, desde que el campo vale cero en losbordes de la bocina (condicin de frontera,Et= 0 satisfecha).


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De la Fig. 3-6 el ngulo de expansin

gradual esta dado por: = 2cos-1(L / L+ ) (1)

Para una bocina con L = 10 , hallar el

ngulo de expansin gradual(acampanamiento) para el cual = 0,25

Solucin

De (1), = 2cos-1(10/10.25) = 25.4 Rpta.

A t fl t


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Antenas reflectoras

de lmina plana

Figura 3.7

19


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Antenas reflectoras planas con uno o dosdipolos de /2 (a y b) y un reflector de 90 o

cuadrado esquinado (c). La directividad de un dipolo de /2 puede ser

incrementada ubicndolo frente a un conduc-ctor reflector como en (a).

Un arreglo de dos dipolos de /2 al frente deun reflector plano como en (b) produce unams alta directividad.

Se obtiene una mayor directividad doblandoun reflector plano en 90 [en una esquinacuadrada como en (c)].


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Para reducir la resistencia al viento y la

cantidad de metal requerido, los

reflectores suelen ser sustituidos por

grillas de alambres paralelos espaciados

/10 o menos.

La directividad aproximadamente se

duplica de (a) a (b) y se duplica de nuevo

en (c)

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Antenas reflectorasde lmina plana

Ejemplo 3-6 .1: Potencia recibida porun tipo reflector de esquina cuadrada:

Una estacin de TV canal 35 UHF

(599 MHz) produce una intensidad de

campo de 1Vm-1 en una antena receptora

de esquina cuadrada, como en la Fig. 3-7c,

con dimensiones ptimas para este canal.

Hallar la potencia entregada al receptor

asumiendo que est adaptada a su antena.


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Solucin

= c / f= 3x108ms-1 / 599x106 Hz = 0.501m De la Fig. 3-7c, D = 20, por consiguiente la

apertura efectiva:

Ae = D 2 / 4= 20 x 0.251 / 4= 0.4 m2

y la potencia recibida es

(E2 / Z0) xAe = (10-6)2/377 x 0.4 = 1.06x10-15

W = 1.06 f W Rpta


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Platos parablicos y antenas delentes dielctricos

La directividad (o ganancia) de una antena de

plato parablico depende de muchos factores:

1. El diagrama del alimentador de la antena. Sisu diagrama es muy ancho y se derrama sobre

los bordes del plato, la ganancia es reducida.

De otro modo, si el diagrama es muy estrecho,el plato no es totalmente iluminado por el

alimentador y la apertura no es totalmente

utilizada.

Ejemplo 3-7.1


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2. La precisin de la superficie del disco

relativa a una parbola ideal.

Por ejemplo, si la superficie de aparta undistancia = /4 (o 90 grados elctricos)

de la curva parablica, el campo reflejado es

desplazado 180 en fase, lo cual reduce laeficiencia de la apertura. Ver la superficie del

disco en la Fig. 3-8A.

3. Muchos otros factores estn tambin

envueltos. La eficiencia de la apertura varia

ampliamente dependiendo del diseo

especifico.
http://0.0.0.0/http://0.0.0.0/


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Figura 3.8
http://0.0.0.0/http://0.0.0.0/


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Un reflector en forma de plato parablicopuede proporcionar una alta directividad

(proporcional a su apertura) pero para unaoperacin eficiente requiere un alimentadorapropiado con se muestra en (3-8a).

Por el contrario un simple dipolo esadecuado para alimentar un reflector tipoesquina (Fig. 3-7c).

La antena de lente dielctrico en (3-8b) es

anloga a su contraparte ptica. Como la antena de plato parablico, el lente

requiere un alimentador apropiado.


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La directividad D de ambos es proporcional

a su apertura. Ambos requieren teora de

rayos y ptica en su diseo.

Las flechas en las figuras trazan la

trayectoria de los rayos.

Los alimentadores de ambos tipos radian

ondas esfricas.

La parbola convierte las ondas esfricas

en ondas planas por reflexin mientras que

el lente lo hace por refraccin.


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Asumiendo una apertura con una eficiencia

de 70 por ciento, cual es la directividad de

una antena de plato parablico como unafuncin de su radio?

Solucin

2

2 2

22

2

4 4

8.8

p

ap

A rD

r

r

28


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Antenas End Fire Tres tipos de antenas end-fire son mostrados en 3-9.

Debido a su alta directividad, polarizacin circular,

gran ancho de banda y dimensiones no criticas, la

antena helicoidal de modo axial (Fig.3-9c) es

empleada ampliamente en aplicaciones espaciales. Con polarizacin lineal, un cambio de orientacin

del satlite podra resultar en una polarizacin

cruzada y prdida de la seal.

Con pol. circular este problema no ocurre, con tal

de que el satlite y la estacin terrena tengan la

mismo sentido de polarizacin.


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31

Figura 3.9a


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32

Figura 3.9b


38/53

33

Figura 3.9c


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34

La antena Polyrod en (3-9a), la antena

Yagui-Uda en (3-9b) , y la antena helicoidal

de modo axial en son todas antenas-

end fire o de ondas viajeras.

La directividad D de cada una es

proporcional a su longitud L con una alta

directividad para la antena helicoidal porque

esta opera en el modo de directividad

incrementado. Las dimensiones, directividades y anchos de

banda estn indicados.

(3-9c)


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Los diagramas de las tres antenas pueden ser

calculados con una buena aproximacin como

un arreglo de fuentes isotrpicas espaciados: /4 con 90 de fase para el polyrod y la antena

Yagi-Uda y

una fase directiva incrementada para la antena

helicoidal.

Las tres antenas end-fire pueden ser

consideradas como antenas de lentes

rudimentarias que colectan energa a travsde una apertura mucho mas grande que la

seccin transversal fsica.


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En la antena Yagi-Uda:

Solo un elemento es alimentado por la

lnea de transmisin,

El resto son elementos parsitos

energizados por acoplamiento mutuo,

El reflector tendr un retardo de fase y

los directores fases en adelanto.


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Antenas de banda ancha: Laespiral cnica y la log-peridica

La espiral cnica de la Fig. 3-10a puedeser considerada como una espiral planaque ha sido arrollado alrededor de un

cono dielctrico. La espiral cnica es alimentada por un

cable coaxial unida a una cinta conductora

con su conductor mas interno unido a laotra cinta en el pice, como se indica en

el diagrama del espiral plano.

pice: punta o extermo de una cosa.


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El lmite de frecuencia mas bajo de la espiral

cnica es cuando el dimetro de la base es /2.

El limite mas alto de frecuencia ocurre cuandoel dimetro del pice es /4. As, el ancho de

banda esta en la proporcin de del dimetro

de la base al dimetro del pice, el cual, para elcono de la Fig. 3-10a es casi 7 a 1.

El ancho de banda de una antena log-peridica

depende de la razn de los dipolos que estn al

costado del mas largo y al costado del mascorto, lo cual para el arreglo de la Fig. 3-10b es

casi 4 a 1.


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La antena Patch La Patch es una antena de perfil bajo, baja

ganancia, ancho de banda estrecho.

Consideraciones dinmicas demandanantenas de bajo perfil en aeronaves y

muchas clases de vehculos. Fig. 3-11 muestra una antena patch con su

sustrato dielctrico parcialmente removido

para mostrar el punto de alimentacin. Tpicamente un patch consiste de una laminaconductora delgada de aproximadamentepor 0 montado en el sustrato.

0


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42

La radiacin desde el Patch es como la

radiacin de dos ranuras, en los bordesderechos e izquierdos del Patch.

La ranura es una pequea abertura entre el

Patch y el plano de tierra.

El espacio entre el plano de tierra y el Patch

es igual al grosor tdel sustrato y es

tpicamente 0

/100, como se indica en la Fig.

3-11.

Ej l 3 10 1 A l d P h


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= 30 mm Antenas Patch

Al Transmisor

C

50 50

50 50

3.75 mm70.7

35.4

35.4 3.75 mm

y = 7.5 mmy y yA B

Figura 3.12

Ejemplo 3-10.1 Arreglo de ParchesF

G

F = / 2G =

o

o

o


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Ejemplo: Arreglo de 4 patch, es alimentadoen fase por la red de adaptacin mostrada

Encuentre: (a) La directividad D(b) El rea de haz

Solucin:

2

2

4 22

48 25 14dBi

4 40.50 sr

25

e

e

A

A

AD

D

A

A l d l ti


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Arreglo de paneles tipocuadrcula (grilla o rejilla)

El arreglo de rejillas (Fig. 3-13), mide 4 x 2 , tiene

una directividad D = 70 (18.5 dBi) con una eficiencia

de apertura de 75 por ciento.

Tiene lbulos laterales bajos y una VSWR < 1.5sobre un 10 por ciento de ancho de banda.

El arreglo entero es alimentado en un punto (F) por

un cable coaxial de 50 con su conductor interno atravs de una abertura en el plano de tierra con el

conductor externo conectado al plano de tierra.


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Figura 3.13


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El arreglo de rejillas plano mostrando la

distribucin de corrientes instantneas. Todos los campos de los 19 conductores de

media onda se adicionan en fase, mientras

que los campos de los conductoreshorizontales se cancelan.

El arreglo esta montado en un sustrato

dielctrico de encima de un plano de tierraplano


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Muchas g racias po r su atenc in

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