Antenas y diagramas (patrones) de radiaciín

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Las antenas son un componente muy importante de los sistemas de comunicaciín. Por definiciín, una antena es un dispositivo utilizado para transformar una seíñal de RF que viaja en un conductor, en una onda electromagnítica en el espacio abierto. Las antenas exhiben una propiedad conocida como reciprocidad, lo cual significa que una antena va a mantener las mismas caracterí­sticas sin importar si estí¡ transmitiendo o recibiendo. La mayorí­a de las antenas son dispositivos resonantes, que operan eficientemente sílo en una banda de frecuencia relativamente baja. Una antena debe ser sintonizada en la misma banda que el sistema de radio al que estí¡ conectada, para no afectar la recepciín y transmisiín. Cuando se alimenta la antena con una seíñal, emitirí¡ radiaciín distribuida en el espacio de cierta forma. La representaciín grí¡fica de la distribuciín relativa de la potencia radiada en el espacio se llama diagrama o patrín de radiaciín.

Glosario de tírminos de las antenas:

Antes de hablar de antenas especí­ficas, hay algunos tírminos que deben ser definidos y explicados:
Impedancia de entrada

Para una transferencia de energí­a eficiente, la impedancia del radio, la antena, y el cable de transmisiín que las conecta debe ser la misma. Las antenas y sus lí­neas de transmisiín generalmente estí¡n diseíñadas para una impedancia de 50 . Si la antena tiene una impedancia diferente a 50 , hay una desadaptaciín, y se necesita un circuito de acoplamiento de impedancia. Cuando alguno de estos componentes no tiene la misma impedancia, la eficiencia de transmisiín se ve afectada.

Pírdida de retorno:

La pírdida de retorno es otra forma de expresar la desadaptaciín. Es una medida logarí­tmica expresada en dB, que compara la potencia reflejada por la antena con la potencia con la cual la alimentamos desde la lí­nea de transmisiín. La relaciín entre SWR (Standing Wave Ratio â€"Razín de Onda Estacionariaâ€") y la pírdida de retorno es la siguiente:

Código: php

                                                   SWR
       Pírdida de Retorno (en dB) = 20log10     ---------
                                                   SWR-1

Aunque siempre existe cierta cantidad de energí­a que va a ser reflejada hacia el sistema, una pírdida de retorno elevada implica un funcionamiento inaceptable de la antena.

Ancho de banda:

El ancho de banda de una antena se refiere al rango de frecuencias en el cual puede operar de forma correcta. Este ancho de banda es el nímero de hercios (Hz) para los cuales la antena va a tener una Razín de Onda Estacionaria (SWR) menor que 2:1.

El ancho de banda tambiín puede ser descrito en tírminos de porcentaje de la frecuencia central de la banda.

Código: php

                                              F H - FL
                Ancho de Banda = 100        ------------
                                                  FC

…donde FH es la frecuencia mí¡s alta en la banda, FL es la frecuencia mí¡s baja, y FC es la frecuencia central.

De esta forma, el ancho de banda porcentual es constante respecto a la frecuencia. Si fuera expresado en unidades absolutas, variarí­a dependiendo de la frecuencia central. Los diferentes tipos de antenas tienen variadas limitaciones de ancho de banda.

Directividad y Ganancia:

La Directividad es la habilidad de una antena de transmitir enfocando la energí­a en una direcciín particular, o de recibirla de una direcciín particular. Si un enlace inalí¡mbrico utiliza locaciones fijas para ambos extremos, es posible utilizar la directividad de la antena para concentrar la transmisiín de la radiaciín en la direcciín deseada. En una aplicaciín mívil donde la antena no estí¡ fijada a un punto, es imposible predecir dínde va a estar, y por lo tanto la antena deberí­a radiar en todas las direcciones del plano horizontal. En estas aplicaciones se utiliza una antena omnidireccional.

La ganancia no es una cantidad que pueda ser definida en tírminos de una cantidad fí­sica como vatios u ohmios, es un cociente sin dimensiín. La ganancia se expresa en referencia a una antena estí¡ndar. Las dos referencias mí¡s comunes son la antena isotrípica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda. La antena isotrípica irradia en todas direcciones con la misma intensidad. En la realidad esta antena no existe, pero provee un patrín teírico ítil y sencillo con el que comparar las antenas reales. Cualquier antena real va a irradiar mí¡s energí­a en algunas direcciones que en otras. Puesto que las antenas no crean energí­a, la potencia total irradiada es la misma que una antena isotrípica. Toda energí­a adicional radiada en las direcciones favorecidas es compensada por menos energí­a radiada en las otras direcciones.

La ganancia de una antena en una direcciín dada es la cantidad de energí­a radiada en esa direcciín comparada con la energí­a que podrí­a radiar una antena isotrípica en la misma direcciín alimentada con la misma potencia. Generalmente estamos interesados en la ganancia mí¡xima, que es aquella en la direcciín hacia la cual la antena estí¡ radiando la mayor potencia. Una ganancia de antena de 3dB comparada con una isotrípica deberí­a ser escrita como 3dBi. El dipolo resonante de media longitud de onda puede ser un estí¡ndar ítil a la hora de compararlo con otras antenas a una frecuencia, o sobre una banda estrecha de frecuencias. Para comparar el dipolo con una antena sobre un rango de frecuencias se requiere de un nímero de dipolos de diferentes longitudes. La ganancia de una antena comparada con un dipolo deberí­a ser escrita como 3dBd.

El mítodo para medir la ganancia mediante la comparaciín de la antena bajo prueba con una antena estí¡ndar conocida, de ganancia calibrada, es conocido como tícnica de transferencia de ganancia. Otro mítodo para medir la ganancia es el de las tres antenas, donde la potencia transmitida y recibida en las terminales de las antenas es medida entre tres antenas elegidas arbitrariamente a una distancia fija conocida.

Diagramas o Patrones de Radiaciín:

Los patrones o diagramas de radiaciín describen la intensidad relativa del campo radiado en varias direcciones desde la antena a una distancia constante. El patrín de radiaciín es tambiín de recepciín, porque describe las propiedades de recepciín de la antena. El patrín de radiaciín es tridimensional, pero generalmente las mediciones de los mismos son una porciín bi-dimensional del patrín, en el plano horizontal o vertical. Estas mediciones son presentadas en coordenadas rectangulares o en coordenadas polares. La siguiente figura muestra el diagrama de radiaciín en coordenadas rectangulares de una antena Yagi de diez elementos. El detalle es bueno pero se hace difí­cil visualizar el comportamiento de la antena en diferentes direcciones.

En los sistemas de coordenadas polares, los puntos se obtienen por una proyecciín a lo largo de un eje que rota (radio) en la intersecciín con uno de varios cí­rculos concíntricos. El siguiente es un diagrama de radiaciín en coordenadas polares de la misma antena Yagi de diez elementos.

Los sistemas de coordenadas polares pueden dividirse en dos clases: lineales y logarí­tmicos. En el sistema de coordenadas polares lineal, los cí­rculos concíntricos estí¡n uniformemente espaciados y graduados. La retí­cula resultante puede ser utilizada para preparar un diagrama lineal de la potencia contenida en la seíñal. Para facilitar la comparaciín, los cí­rculos concíntricos equiespaciados pueden reemplazarse por cí­rculos ubicados adecuadamente, representando la respuesta en decibeles, con 0 dB correspondiendo al cí­rculo mí¡s externo. En este tipo de grí¡ficas los líbulos menores se suprimen. Los líbulos con picos menores de 15 dB debajo del líbulo principal desaparecen por su pequeíño tamaíño. Esta retí­cula mejora la presentaciín de las caracterí­sticas de antenas con alta directividad y líbulos menores pequeíños. En un sistema de coordenadas lineales, se puede trazar el voltaje de la seíñal en lugar de la potencia, En este caso tambiín, se enfatiza la directividad y desenfatizan los líbulos menores, pero no en el mismo grado que en la retí­cula lineal de potencia.

En el sistema de coordenadas polares logarí­tmico, las lí­neas concíntricas de la retí­cula son espaciadas periídicamente de acuerdo con el logaritmo de voltaje de la seíñal. Se pueden usar diferentes valores para la constante logarí­tmica de periodicidad, y esta elecciín va a tener un efecto en la apariencia de los diagramas trazados. Generalmente se utiliza la referencia 0 dB para el extremo externo de la grí¡fica. Con este tipo de retí­cula, los líbulos que estí¡n 30 o 40 dB por debajo del líbulo principal aín pueden distinguirse. El espacio entre los puntos a 0 dB y a -3 dB es mayor que el espacio entre -20 dB y -23 dB, el cual es mayor que el espacio entre -50 dB y -53 dB. Por lo tanto el espacio corresponde a la significancia relativa de dichos cambios en el desempeíño de la antena.

Una escala logarí­tmica modificada enfatiza la forma del haz mayor mientras comprime los líbulos laterales de muy bajo nivel (<30 dB) hacia el centro del patrín.

Hay dos tipos de diagramas de radiaciín: los absolutos y los relativos. Los diagramas de radiaciín absolutos se presentan en unidades absolutas de potencia o intensidad de campo. Los diagramas de radiaciín relativos se referencian a unidades relativas de potencia o intensidad de campo. La mayorí­a de las mediciones de los diagramas de radiaciín son relativas a la antena isotrípica, y el mítodo de transferencia de ganancia es utilizado para establecer la ganancia absoluta de la antena.

El patrín de radiaciín en la regiín cercana a la antena no es el mismo que el patrín a largas distancias. El tírmino campo cercano se refiere al patrín del campo que existe cerca de la antena, mientras que el tírmino campo lejano refiere a los diagramas del campo a largas distancias. El campo alejado tambiín es denominado campo de radiaciín, y generalmente es el que mí¡s interesa. Normalmente el punto de interís es la potencia radiada, y por lo tanto los diagramas de la antena son medidos en la regiín del campo alejado. Para las medidas necesarias para confeccionar los diagramas es importante elegir una distancia suficientemente grande para estar en el campo lejano, mí¡s allí¡ del campo cercano. La distancia mí­nima depende de las dimensiones de la antena con relaciín a la longitud de onda. La fírmula aceptada para esta distancia es:

Código: php

           2d2
   rmin = -----
            λ

…donde rmin es la distancia mí­nima desde la antena, d es la dimensiín mí¡s grande de la antena, y λ es la longitud de onda.

Ancho del haz:

El ancho del haz de una antena usualmente se entiende como ancho del haz a mitad de potencia. Se encuentra el pico de intensidad de radiaciín, luego se localizan los puntos de ambos lados de pico que representan la mitad de la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de la mitad de la potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3dB, por lo tanto algunas veces el ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3dB. Generalmente se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal.

Suponiendo que la mayor parte de la potencia radiada no se dispersa en líbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz: cuando el ancho del haz decrece, la ganancia directiva se incrementa.

Líbulos laterales:

Ninguna antena es capaz de radiar toda la energí­a en una direcciín preferida. Inevitablemente, una parte de ella es radiada en otras direcciones. Esos picos mí¡s pequeíños son denominados líbulos laterales, especificados comínmente en dB por debajo del líbulo principal.

Nulos:

En los diagramas de radiaciín de una antena, una zona nula es aquella en la cual la potencia efectivamente radiada estí¡ en un mí­nimo. Un nulo a menudo tiene un í¡ngulo de directividad estrecho en comparaciín al haz principal. Los nulos son ítiles para varios propísitos tales como la supresiín de seíñales interferentes en una direcciín dada.

Polarizaciín:

La polarizaciín se define como la orientaciín del campo elíctrico de una onda electromagnítica. En general la polarizaciín se describe por una elipse. Dos casos especiales de la polarizaciín elí­ptica son la polarizaciín lineal y la polarizaciín circular. La polarizaciín inicial de una onda de radio es determinada por la antena.

Con la polarizaciín lineal, el vector del campo elíctrico se mantiene en el mismo plano todo el tiempo. El campo elíctrico puede dejar la antena en una orientaciín vertical, horizontal, o en algín í¡ngulo entre los dos. La radiaciín polarizada verticalmente se ve ligeramente menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisiín. Las antenas omnidireccionales siempre tienen una polarizaciín vertical. Con la polarizaciín horizontal, tales reflexiones causan variaciones en la intensidad de la seíñal recibida. Las antenas horizontales tienen menos probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre, normalmente polarizadas verticalmente.

En la polarizaciín circular el vector del campo elíctrico aparece rotando con un movimiento circular en la direcciín de la propagaciín, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotaciín puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. La elecciín de la polarizaciín es una de las elecciones de diseíño disponibles para el diseíñador del sistema de RF.

Desadaptaciín de polarizaciín:

Para transferir la mí¡xima potencia entre una antena transmisora y una receptora, ambas antenas deben tener la misma orientaciín espacial, el mismo sentido de polarizaciín y el mismo coeficiente axial. Cuando las antenas no estí¡n alineadas o no tienen la misma polarizaciín, habrí¡ una reducciín en la transferencia de potencia entre ambas antenas. Esto va a reducir la eficiencia global y las prestaciones del sistema. Cuando las antenas transmisora y receptora estí¡n polarizadas linealmente, una desalineaciín fí­sica entre ellas va a resultar en una pírdida por desadaptaciín de polarizaciín, que puede ser determinada utilizando la siguiente fírmula:

Código: php

                 Pírdida (dB) = 20 log10 (cos θ)

…donde es la diferencia en el í¡ngulo de alineaciín entre las dos antenas. Para 15° la pírdida es de aproximadamente 0.3dB, para 30° perdemos 1.25dB, para 45° perdemos 3dB y para 90° tenemos una pírdida infinita.

Resumiendo, cuanto mí¡s grande la desadaptaciín de polarizaciín entre una antena transmisora y una receptora, mí¡s grande la pírdida aparente. En el mundo real, la pírdida debida a una desadaptaciín en polarizaciín de 90° es bastante grande pero no infinita. Algunas antenas como las Yagis, o las antenas de lata, pueden rotarse 90° de forma sencilla para corresponder con la polarizaciín del otro extremo del enlace. La polarizaciín puede aprovecharse en un enlace punto a punto. Use una herramienta de monitoreo para observar la interferencia desde redes adyacentes, y rote una antena hasta que se minimice la seíñal recibida. Luego instale su enlace utilizando la polarizaciín en la que habí­a medido interferencia mí­nima en ambos extremos. Esta tícnica puede ser utilizada a veces para construir enlaces estables, aín en medio ambientes con mucho ruido RF.

Relaciín de ganancia adelante/atrí¡s:

A menudo es ítil comparar la Relaciín de ganancia adelante/atrí¡s de las antenas direccionales. Este es el cociente de la directividad mí¡xima de una antena con relaciín a su directividad en la direcciín opuesta. Por ejemplo, cuando se traza el patrín de radiaciín en una escala relativa en dB, la relaciín de ganancia adelante/atrí¡s es la diferencia en dB entre el nivel de radiaciín mí¡xima en la direcciín delantera y el nivel de radiaciín a 180 grados. Este nímero no tiene sentido para un antena omnidireccional, pero brinda una idea de la cantidad de potencia dirigida hacia adelante en una antena muy direccional.

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