Conceptos Básicos de Antenas · –Circular La desadaptación de polarización puede introducir...
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Pietrosemoli, Antenas - 1
Conceptos Básicos de Antenas
Ermanno PietrosemoliEscuela Latinoamericana de Redes
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Pietrosemoli Pietrosemoli 2
Pietrosemoli, Antenas - 2
Características de las Antenas• Ganancia de la antena: es el cociente entre la
potencia emitida por la antena en su dirección de máxima emisión respecto a una antena isotrópica. Se expresa en dBi
• Ancho del haz: (beamwidth) es el ángulo subtendido por la radiación emitida entre los puntos en que disminuye a la mitad (3 dB)
• Reciprocidad: el comportamiento de la antena en transmisión es similar al de recepción
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Pietrosemoli Pietrosemoli 3
Pietrosemoli, Antenas - 3
Características de las Antenas
• Diagrama de radiación o patrón de radiación de una antena, es una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión.
• El ángulo entre los los dos puntos en los que la potencia se ha reducido a la mitad (3 dB) se denomina ancho del haz
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Pietrosemoli, Antenas - 4
Características de las Antenas• Impedancia de entrada: cociente entre el voltaje
aplicado a los terminales de entrada y la corriente resultante.
• En general tiene una parte resistiva y una parte reactiva
• Para máxima transferencia de potencia la impedancia de la antena debe estar acoplada a la de la línea de transmisión que la alimenta
• La calidad del acoplamiento se mide en términos de la relación de onda estacionaria, VSWR
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Características de las Antenas
Ancho del haz
Diagrama de Radiación
Puntos de media potencia
Lóbulo Trasero Área de Cobertura
Lóbulos Laterales
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Pietrosemoli, Antenas - 6
Diagrama o patrón de radiación
plano acimutal
plano elevación
Ejemplo de diagrama de radiación de un dipolo de media onda
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Pietrosemoli, Antenas - 7
-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 -40
-35
-30
-25
-20
-15
-10 -5 0
File # 1139 8/25/99
:TX=H RX=H EC 2.6 GHz
...sgh00135
Azimuth
Gai
n dB
←ref = 22.2306 dBi
←3 dB bw = 11 deg→
←10 dB bw = 22 deg→
←Ave sll = -37.4237
Ganancia: 22.2 dBBeamwidth: 11°
Primer Lóbulo LateralLóbulo Trasero
Primer cero
Diagrama de Radiación
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Pietrosemoli, Antenas - 8
Características de las AntenasEl “front to back ratio “, o cociente entre la gananciadel lóbulo principal y el lóbulo trasero.
Generalmente se expresa en dB
La eficiencia de la antena es el cociente entre laganancia y la directividad
La apertura de una antena es la superficie que tendríauna antena plana que ofrezca la misma ganancia
El ancho de banda de una antena es la gama de frecuencias sobre la cual la antena cumple con ciertas prestaciones
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Pietrosemoli, Antenas - 9
Apertura de un dipolo de media onda,Distribución de corriente y voltaje
Apertura Corriente Voltaje
G= 2,1 dBi, R = 68 ohmios alimentado en el centro
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Diagrama de radiación 3-Dde un dipolo de media onda
Dipolo
Ancho del haz
Desde A
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Pietrosemoli, Antenas - 11
Monopolo o Antena Marconi
8vertical λ/48Se requiere un buen
plano de tierra8omnidireccional en el
plano horizontal8La apertura es la mitadde la de un dipolo 8impedancia: ~ 36Ω
Tierra:Imagende laAntena
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Pietrosemoli, Antenas - 12
Monopolo o Antena Marconi
8Elemento vertical λ/48El plano de tierra se puede
realizar con 4 radiales, c/u λ/4 de largo
8Los radiales se inclinan hacia abajo para bajar el ángulo de elevación
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Pietrosemoli, Antenas - 13
Polarización: Corresponde a la dirección del campo eléctrico emitido por una antena.
Puede ser:
• Vertical• Horizontal• Elíptica
– (RH o LH)– Circular
La desadaptación de polarización puede introducir una pérdida mayor de 20 dB
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Pietrosemoli, Antenas - 14
La antena helicoidal,ejemplo de polarización circular
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Pietrosemoli, Antenas - 15
Características de las AntenasPolarización: Corresponde a la dirección del
campo eléctrico emitido por una antena.Vertical: Campo
Eléctrico
Campo Magnético
Señal TX Señal RX
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Características de las Antenas
Polarización: Horizontal
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Pietrosemoli, Antenas - 17
Cuando las antenas transmisora y receptora están polarizadas linealmente, una desalineación física entre ellas resulta en una pérdida por desadaptación de polarización, que puede ser determinada utilizando la siguiente fórmula:
Pérdida (dB) = 20 log10 (cos θ)
donde θ es la diferencia en el ángulo de alineación entre las dos antenas. Para 15° la pérdida es de aproximadamente 0.3dB, para 30° perdemos 1.25dB, para 45° perdemos 3 dB y parar 90°tenemos una pérdida infinita.
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Pietrosemoli, Antenas - 18
Antena Yagi-Uda
• 1 Reflector• Directores• 1 director = 8dBi• 15 directores = 14 dBi• A veces se encierra en un “Radome”
ReflectorDirectores
Elemento activo de 1/4 λ Conector
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Antena Yagi-Uda fabricada encircuito impreso con su Radome
Elemento Activo
Reflector
Directores
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Pietrosemoli, Antenas - 20
Yagi-Uda: Diagrama de radiación
Elemento Activo
LóbuloTrasero
Lóbulo Lateral
LóbuloPrincipal
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Antena de “Patch” o plana
Elemento activo 1/4 λ X 1/4 λ
Patch • Conductor o reflector
de 1/4 λ• 6dBi
Patch
Plano de tierra
Substrato
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Pietrosemoli, Antenas - 22
Reflector Parabólico
4Bocina en el foco del reflector4Ancho del haz, θ, y
ganancia, G, dados por:
2
22
;70λ
ηπλθ DGD
==
λ = longitud de onda m, D = díametro del R. en mη = eficiencia de la antena
ReflectorParabólico
Guíaonda
Bocina
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Pietrosemoli Pietrosemoli 23
Pietrosemoli, Antenas - 23
Ejemplo de reciclaje de reflector• Transceptor colocado en
el foco de la parábola• Alcance de 10 km• Económico y fácil de
construirPuede ser utilizado en el interior
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Pietrosemoli, Antenas - 24
Soporte ajustableCon tres grados delibertad
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La propiedad del paraboloide es que los caminos que parten del foco f y se reflejan en el paraboloide, llegan a una superficie S con recorridos de igual longitud.
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Pietrosemoli, Antenas - 26
Alimentando un reflector parabólico con dispositivo USB
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Pietrosemoli, Antenas - 27
Teoría de los ReflectoresLa propiedad básica de un reflector
parabólico perfecto es que convierte una onda esférica irradiada desde un punto ubicado en el foco, en una onda plana.
Recíprocamente, toda la energía recibida en el plato desde una fuente distante se refleja en un punto único en el foco del plato. La posición del foco, o distancia
focal, está dada por:f = D2/(16 × c)
donde D es el diámetro del plato y c es la profundidad de la parábola en su centro.
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Pietrosemoli, Antenas - 28
Ganancia = η (π × D/ λ)2
donde η es la eficiencia, típicamente > 0,5 y D es el diámetro
Ancho del haz = 70 λ/D
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El coeficiente f / D (longitud focal/diámetro del plato) es el factor fundamental que define el diseño del alimentador para un plato. El coeficiente está directamente relacionado al ancho del haz del alimentador necesario para iluminar el plato de forma efectiva. Dos platos del mismo diámetro pero con diferentes longitudes focales requieren diferentes diseños del alimentador si ambos van a ser iluminados eficientemente. El valor de 0,25 corresponde al plato común de plano focal en el cual el foco está en el mismo plano que el aro del plato.
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Pietrosemoli, Antenas - 30
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Distribución de corriente en un reflector parabólico
http://www.feko.co.za/feko/antennadesign.html
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Pietrosemoli Pietrosemoli 33
Pietrosemoli, Antenas - 33
Las antenas de grandes dimensiones y altas ganancias, suelen tener ángulos sólidos tales que los valores de θ y φ son muy pequeños: 0,3º y menos aún.
La estructura y su resistencia al viento debeser tal que no permita alteraciones en la posición de la antena y por consiguiente del diagrama de radiación.
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Pietrosemoli Pietrosemoli 34
Pietrosemoli, Antenas - 34
Algunas antenas son construidas con la pantalla reflectora perforada, a fin de disminuir su
resistencia al viento.
Las perforaciones deben tener un diámetro no mayor que 1/10 a 1/20 de la longitud de onda λ,
a fin de evitar pérdidas y no afectar su rendimiento.
De igual manera, los errores de construcción del reflector están vinculados con λ. La
diferencia entre el reflector parabólico ideal y el real debe ser tal que el error e sea: e ≤ λ /10
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Pietrosemoli Pietrosemoli 35
Pietrosemoli, Antenas - 35
Trayectoria de los rayos en una antena Cassegrain
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Pietrosemoli Pietrosemoli 36
Pietrosemoli, Antenas - 36
Geometría de AntenasCASSEGRAIN
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Pietrosemoli Pietrosemoli 37
Pietrosemoli, Antenas - 37
Geometría de Antenas
Foco Central
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Pietrosemoli Pietrosemoli 38
Pietrosemoli, Antenas - 38
Geometría de Antenas
OFFSET
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Pietrosemoli Pietrosemoli 39
Pietrosemoli, Antenas - 39
Angulo de Elevación
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Pietrosemoli Pietrosemoli 40
Pietrosemoli, Antenas - 40
Patch Panel de elementos múltiples
• 4 elementos - 12 dBi• 12 elementos - 17 dB
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Pietrosemoli Pietrosemoli 41
Pietrosemoli, Antenas - 41
Elementos activos: Mútiples
dipolos de 1/4 λ
Antena Sectorial de Arreglo de Dipolos
• Múltiples dipolos conectados para lograr una gran cobertura horizontal
• 12 dBi - 120°• 16 dBi - 90°
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Pietrosemoli Pietrosemoli 42
Pietrosemoli, Antenas - 42
Dipolo Doblado
• Mayor ancho de banda y 4 veces la resistencia de entrada de un dipolo abierto.
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Pietrosemoli Pietrosemoli 43
Pietrosemoli, Antenas - 43
Antena “loop”o de lazo
Pequeñas dimensiones4Mayor radiación en el
plano del lazo4Gran ancho de banda4Eficiente como antena
RX
Línea deAlimentación
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Pietrosemoli Pietrosemoli 44
Pietrosemoli, Antenas - 44
Log-Periódica (LPDA)
Línea de alimentación
Dipolos
Dirección del lóbulo principal
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Pietrosemoli Pietrosemoli 45
Pietrosemoli, Antenas - 45
Log-Periódica (LPDA)La impedancia es una función periódica de la frecuencia de operaciónUnidireccionalidad y gran ancho de bandaEl elemento más corto es < λ/2 de la frecuencia más alta, mientras que el elemento más largo es > λ/2 de la frecuencia más bajaGanancia inferior a una Yagi con el mismo número de elementosParámetro de diseño: τ = L1/L2 = D1/D2 = L2/L3 = ….
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Pietrosemoli Pietrosemoli 46
Pietrosemoli, Antenas - 46
Reflectores planos y de esquina
• Funcionan como reflectores y se ubican a λ/4 de la antena
• No requiere que sea sólido. Pueden ser varillas o tubos.
• Los reflectores de esquina producen un diagrama más agudo. Amenudos se combinan con Yagis en UHF
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Pietrosemoli Pietrosemoli 47
Pietrosemoli, Antenas - 47
Yagi con reflector de esquina
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Pietrosemoli Pietrosemoli 48
Pietrosemoli, Antenas - 48
Diagrama de Radiación y distribución de corrientes en una Antena de bocina
h
www.feko.co.za/feko/antennadesign.html
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Pietrosemoli Pietrosemoli 49
Pietrosemoli, Antenas - 49
Antena colapsada por efecto del hielo
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Pietrosemoli Pietrosemoli 50
Pietrosemoli, Antenas - 50
Antenas de reflectores parabólicos grillados
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Pietrosemoli Pietrosemoli 51
Pietrosemoli, Antenas - 51
Antena con segmentos de cable coaxial
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Pietrosemoli Pietrosemoli 52
Pietrosemoli, Antenas - 52
Antena ColinealDe 6 elementosOmnidireccionalGanancia 8 dBiRecubierta con Tubo de PVC
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Pietrosemoli, Antenas - 53
Antena de ranuras• Las ranuras son de 1/4
lamda• Con ranuras de un sólo lado
elPatrón de radiación es de 180 grados
• Con ranuras en ambos lados es una omni
• Difundida por Trevor Marshall
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Pietrosemoli, Antenas - 54
Antena parabólica grillada
• 30 dBi de ganancia con 1,5m de diámetro para2,4 GHz.
• Para funcionar a 5,8 GHz hay que cambiar el alimentador y reducirlos vacíos en el reflector
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Pietrosemoli, Antenas - 55
Antena parabólica grillada
• Se muestran loscambios indicados
• El alimentador esuna antena de guía-onda diseñada parala frecuencia de 5,8 GHz
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Pietrosemoli Pietrosemoli 56
Pietrosemoli, Antenas - 56
Antena de bocina en cámara anecoica
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Pietrosemoli Pietrosemoli 57
Pietrosemoli, Antenas - 57
Antena de guía-onda cilíndrica, Long. 58 cm, Diámetro 12 cmConexión a 10 km
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Pietrosemoli Pietrosemoli 58
Pietrosemoli, Antenas - 58
La Antena guía-onda o “cantenna”
• Tubo metálico tapado en un extremo dotado de un elemento activo de ¼ λ (λ = 12 cm @ 2,4 GHz)
• El diámetro debe ser tal que se pueda propagar el modo fundamental pero se atenúen los modos superiores
• En 2,4 GHz esto significa que el diámetro debe ser mayor que 73 mm y preferiblemente menor que 95 mm. La longitud no es crítica, idealmente > 2 λ
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Pietrosemoli Pietrosemoli 59
Pietrosemoli, Antenas - 59
La Antena guía-onda o “cantenna”
• Dentro de la guía se forma una onda estacionaria, que tiene un nulo en el fondo del tubo
• El elemento activo debe posicionarse en un máximo de la onda estacionaria, el cual ocurre a ¼λg, donde λg es la longitud de onda de la onda estacionaria dentro de la guía.
λg
Cable de ante.
Elementoactivo
Onda estacionaria
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Pietrosemoli Pietrosemoli 60
Pietrosemoli, Antenas - 60
La Antena guía-onda o “cantenna”
• La longitud de onda de corte depende del diámetro de la guía: λc= 1,706 D
• La longitud de onda en el vacío es λ= c/f, con c = 300.000 km/s
• (1/ λ)2 = (1/ λc)2 + (1/ λg)2. De donde: λg = ( (1/ λ)2 - (1/ λc)2 ) -2
Cable de ante.
ElementoActivo λ/4
λg Onda estacionaria
D
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Pietrosemoli Pietrosemoli 61
Pietrosemoli, Antenas - 61
La Antena guía-onda o “cantenna”
Para la frecuencia de 2,4 GHz, λ/4 = 31 mm
Cable de antena
ElementoActivo de altura λ/4
λg/4
D
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Pietrosemoli Pietrosemoli 62
Pietrosemoli, Antenas - 62
Diagrama de radiación de la antena guía-onda o de lata
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09/11/2008 Pietrosemoli Pietrosemoli 63
Pietrosemoli, Antenas - 63
Ejemplo de cálculo de radioenalace
Ermanno Pietrosemoli(Fundación EsLaRed) – ULAMérida Venezuela www.eslared.org.ve
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09/11/2008 Pietrosemoli Pietrosemoli 64
Pietrosemoli, Antenas - 64
Potencia Vs Distancia
Rx
Gr
Tx
Gt
ArAt
Pr
Pt
Pérdida en el espacio libre
dBm
km
L= 92,4 +20 log(d/km)+20 log(f/GHz)
Umbral
Margen
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09/11/2008 Pietrosemoli Pietrosemoli 65
Pietrosemoli, Antenas - 65
Ejercicioa) Calcule la intensidad de la señal recibida a 10 grados del eje de una antena Hyperlink HG2424 de 24 dBi, alimentada por un Linksys WRT54 a través de 12 m de cable LMR400 .La antena receptora es omnidireccional, ubicada a 13 km de distancia y con una ganancia de 8dBi a la frecuencia de operación de 2,4 GHz. Está unida al radio mediante 7 m de cable LMR200. Ambos extremos del enlace están protegidos por desviadores de rayos (Lightning Arrestor) que introducen 0,5 dB de pérdida c/u.b) Construya un diagrama de Potencia Vs distancia para este enlace c) determine la velocidad nominal máxima de operación del enlace si ambos extremos utilizan Linksys WRT54G
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Pietrosemoli Pietrosemoli 66
Pietrosemoli, Antenas - 66
Precauciones
• Nunca mire hacia una antena o guía de onda activa
• Pt*Gt*(λ/4*π∗R)^2• 0.011mW/cm^2 =20Gt
20Pt @ 9ft
• ANSI 10mW/cm^2 6min
• USSR – 0.01mW/cm^2 24 hrs– 0.1mW/cm^2 2 hrs– 1.0 mW/cm^2 20 min