Antena Microstrip
Antena Parabólica
sábado, 21 de febrero de 2015
Medida de antenas
Hasta hace poco tiempo las medidas de las características de radiación de las antenas se realizaban midiendo los parámetros de campo lejano para asegurar que el frente de radiación de la antena era plano.
Campo próximo: aquella región cuyo radio esta entre R1 y R2 siendo D la máxima dimensión del radiador.
Elementos básicos de aparatos de medida.
Las medidas en lineas de transmision y antenas se pueden realizar fundamentalmente, por el empleo de determinados diapositivos basicos que pueden disponerse integrados en los propios aparatos o como accesorios de apoyo.
Acoplador Direccional.
Consiste en un acoplador con 2 lineas secundarias que muestrean las potencias de la linea que viajan en los dos sentidos. Estos acopladores permiten obtener simultaneamente, las muestras de las ondas que viajan en los dos sentidos de una linea de transmisión.
Aparatos de medida.
- El aparato de medida imprescindible en una instalacion de radio es el valtimetro direccional; que puede medir potencias (directa y reflejada) y ROE.
- El watimetro direccional tiene la ventaja de ser un elemento lineal y puede permanecer inserto en la linea de forma permanente monitorizando el comportamiento del sistema linea-antena.
- Puente de impedancias que mide la impedancia compleja de la antena o en su caso en las terminales de entrada de la linea de trasmisión.
-Analizador vectorial de redes.
Campo próximo: aquella región cuyo radio esta entre R1 y R2 siendo D la máxima dimensión del radiador.
Elementos básicos de aparatos de medida.
Las medidas en lineas de transmision y antenas se pueden realizar fundamentalmente, por el empleo de determinados diapositivos basicos que pueden disponerse integrados en los propios aparatos o como accesorios de apoyo.
Acoplador Direccional.
Consiste en un acoplador con 2 lineas secundarias que muestrean las potencias de la linea que viajan en los dos sentidos. Estos acopladores permiten obtener simultaneamente, las muestras de las ondas que viajan en los dos sentidos de una linea de transmisión.
Aparatos de medida.
- El aparato de medida imprescindible en una instalacion de radio es el valtimetro direccional; que puede medir potencias (directa y reflejada) y ROE.
- El watimetro direccional tiene la ventaja de ser un elemento lineal y puede permanecer inserto en la linea de forma permanente monitorizando el comportamiento del sistema linea-antena.
- Puente de impedancias que mide la impedancia compleja de la antena o en su caso en las terminales de entrada de la linea de trasmisión.
-Analizador vectorial de redes.
Acoplamiento de antenas
Podemos acoplar desde 2 antenas hasta infinito numero de antenas, separadas infinito numero de distancia y de infinitas formas.
La Re y Xe de una antena Y, por tanto, su impedancia de entrada en presencia de otra antena varian de la calculada anteriormente, que supone una antena aislada y sin influencia externas.
R11 Resistencia de entrada de la antena 1 suponiendola sola.
X11 Reactancia de entrada de la antena 1 suponiendola sola.
Z11 Impedancia de entrada de la antena 1 suponiendola sola.
R22 Resistencia de entrada de la antena 2 suponiendola sola.
X22 Reactancia de entrada de la antena 2 suponiendola sola.
Z22 Impedancia de entrada de la antena 2 suponiendola sola.
Logicamente la denominacion de la antena 1 y 2 es convencional, si las antenas 1x2 son iguales, los parametros 11 y 22 son iguales.
R12 Incremento de la resistencia de entrada de la antena 1 a consecuencia de la presencia de la antena 2 (resistencia mutua).
X12 Incremento de la reactancia de entrada de la antena 1 a consecuencia de la presencia de la antena 2 (reactancia mutua).
Z12 Incremento de la admitancia de entrada de la antena 1 a consecuencia de la presencia de la antena 2 (admitancia mutua).
Por reciprocidad la antena 1 tambien ejerce influencia sobre la 2. Pero si las antenas son iguales se cumple X12=X21; R12=R21; Z12=Z21.
La Re y Xe de una antena Y, por tanto, su impedancia de entrada en presencia de otra antena varian de la calculada anteriormente, que supone una antena aislada y sin influencia externas.
R11 Resistencia de entrada de la antena 1 suponiendola sola.
X11 Reactancia de entrada de la antena 1 suponiendola sola.
Z11 Impedancia de entrada de la antena 1 suponiendola sola.
R22 Resistencia de entrada de la antena 2 suponiendola sola.
X22 Reactancia de entrada de la antena 2 suponiendola sola.
Z22 Impedancia de entrada de la antena 2 suponiendola sola.
Logicamente la denominacion de la antena 1 y 2 es convencional, si las antenas 1x2 son iguales, los parametros 11 y 22 son iguales.
R12 Incremento de la resistencia de entrada de la antena 1 a consecuencia de la presencia de la antena 2 (resistencia mutua).
X12 Incremento de la reactancia de entrada de la antena 1 a consecuencia de la presencia de la antena 2 (reactancia mutua).
Z12 Incremento de la admitancia de entrada de la antena 1 a consecuencia de la presencia de la antena 2 (admitancia mutua).
Por reciprocidad la antena 1 tambien ejerce influencia sobre la 2. Pero si las antenas son iguales se cumple X12=X21; R12=R21; Z12=Z21.
Naturaleza ondulatoria de la luz y su propagacion
Se ha demostrado que se trata de un movimiento ondulatorio transversal de 2 campos vectoriales, uno eléctrico y otro magnético variando con el tiempo. Por lo que podemos decir que la luz es una onda que se propaga en el vació con una velocidad dada por 1/Vo^2= Eo*Uo
Vo= Velocidad de la luz en el vació.
Eo= Permitividad eléctrica en el vació.
Uo= Permitividad magnética del vació.
Eo= 8.859x10^-12 fd/m
Uo= 4Pix10^-7 ns/m
Vo= 3x10^8
Deducimos que la velocidad de la luz depende del medio donde se propaga.
PROPAGACIÓN DE LA LUZ.
Para estudiar la propagación en medios transparentes se describen 2 fenómenos que es la reflexión y refracción.
La reflexión es el cambio de dirección que experimenta un haz de luz al incidir en una superficie reflejada. La refracción es el cambio de dirección que experimenta un haz al cambiar de un medio de propagación a otro.
LEYES DE REFLEXIÓN.
- Se dice que es un rayo incidente cuando la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
- Cuando el angulo de incidencia es igual al angulo de refracción.
LEYES DE REFRACCIÓN.
- Rayo incidente, la normal, el rayo reflejado y el rayo refractado estan en el mismo plano.
- Cuando el angulo de incidencia y el angulo de refraccion estan relacionados por n1Sen(fii)=n2Sen(fix)
Si un haz se propaga en un medio con indice de refraccion mayor a otro con indice de refraccion menor existe un angulo llamado angulo critico para el cual la luz no se transmite al otro medio sino que se propaga por la interfaz.
Vo= Velocidad de la luz en el vació.
Eo= Permitividad eléctrica en el vació.
Uo= Permitividad magnética del vació.
Eo= 8.859x10^-12 fd/m
Uo= 4Pix10^-7 ns/m
Vo= 3x10^8
Deducimos que la velocidad de la luz depende del medio donde se propaga.
PROPAGACIÓN DE LA LUZ.
Para estudiar la propagación en medios transparentes se describen 2 fenómenos que es la reflexión y refracción.
La reflexión es el cambio de dirección que experimenta un haz de luz al incidir en una superficie reflejada. La refracción es el cambio de dirección que experimenta un haz al cambiar de un medio de propagación a otro.
LEYES DE REFLEXIÓN.
- Se dice que es un rayo incidente cuando la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
- Cuando el angulo de incidencia es igual al angulo de refracción.
LEYES DE REFRACCIÓN.
- Rayo incidente, la normal, el rayo reflejado y el rayo refractado estan en el mismo plano.
- Cuando el angulo de incidencia y el angulo de refraccion estan relacionados por n1Sen(fii)=n2Sen(fix)
Si un haz se propaga en un medio con indice de refraccion mayor a otro con indice de refraccion menor existe un angulo llamado angulo critico para el cual la luz no se transmite al otro medio sino que se propaga por la interfaz.
Dipolo
Un dipolo corto es siempre de longitud finita, cuando es extremadamente es infinitesimal. Por lo que una antena lineal puede considerarse que esta constituida por un gran numero de dipolos cortos conectados en serie.
El conocimiento de las propiedades del dipolo corto nos es útil para determinar las propiedades de dipolos mas largos que son los que se usan mas comúnmente en la practica.
El potencial escalar retardado ([V]= 1/4PiEo integral de (Po*e^jw[t-t/c])/ r dv)) es una cantidad que depende solo de las corrientes al igual que el campo magnético H mientras que el campo eléctrico E depende tanto de las corrientes como de las cargas. Sin embargo la determinación del campo de radiación a distancias largas solo cosidera las corrientes.
El potencial vectorial retardo esta definido como:
[A]= Uo/4Pi* Integral(Jo*e^jw(t-r/c)/r dv
Solo tiene componente en la división Z.
Io= Amplitud (valor de cresta en el tiempo de la corriente), que es la misma a lo largo de todo el dipolo.
Uo= Permeabilidad del espacio libre= 400Pi nHm^-1
dz= longitud del conductor.
w= frecuencia angular (2Pif)
S= Distancia de dz al punto P.
El conocimiento de las propiedades del dipolo corto nos es útil para determinar las propiedades de dipolos mas largos que son los que se usan mas comúnmente en la practica.
El potencial escalar retardado ([V]= 1/4PiEo integral de (Po*e^jw[t-t/c])/ r dv)) es una cantidad que depende solo de las corrientes al igual que el campo magnético H mientras que el campo eléctrico E depende tanto de las corrientes como de las cargas. Sin embargo la determinación del campo de radiación a distancias largas solo cosidera las corrientes.
El potencial vectorial retardo esta definido como:
[A]= Uo/4Pi* Integral(Jo*e^jw(t-r/c)/r dv
Solo tiene componente en la división Z.
Io= Amplitud (valor de cresta en el tiempo de la corriente), que es la misma a lo largo de todo el dipolo.
Uo= Permeabilidad del espacio libre= 400Pi nHm^-1
dz= longitud del conductor.
w= frecuencia angular (2Pif)
S= Distancia de dz al punto P.
domingo, 8 de febrero de 2015
Tipos de antenas y sus calculos.
¿Que es una antena?
En principio puede ser cualquier conductor de dimensiones comparables a la longitud de onda de una señal. La teoría de antenas trata de obtener las mejores características de radiación de estos aparatos; para ello debe optimar la geometría, dimensiones y propiedades dieléctricas de la estructura radiante. Con frecuencia se considera a las antenas como transductores de energía electromagnética a corriente eléctrica y viceversa.
¿Como funciona una antena?
La onda que viaja en el espacio se encuentra a su paso con el conductor de dimensión y dirección apropiada y resuena en el conductor, y al hacerlo queda atrapada, produciendo una distribución de corriente en el conductor, corriente que puede ser recolectada en las terminales de la antena. Solo aquellas antenas cuya longitud de onda coincida con las dimensiones de la antena, la harán resonar.
Clasificación de las antenas.
Según su forma de radiación.
Omnidireccionales: Dipolos magnéticos y eléctricos, antenas de parche.
Unidireccionales: Yagi-Uda, parabólicas, helicoidales, arreglos dipolares.
Independientes de la frecuencia: Logarítmicas, espirales, espirales cónicas.
Según su geometría y/o construcción.
Delgadas: Dipolos eléctricos y magnéticos, logarítmica, Yagi-Uda, helicoidal, arreglo de dipolos.
De abertura: Guía de onda, corneta, parabólica e hiperbólicas.
Autodefinidas: Logarítmicas, espirales, espirales cónicas.
Planares: Antenas de parche, espirales.
Cuai-ópticas: Aberturas, antenas de Fresnel.
Parámetros del desempeño de una antena.
Patrones de radiación: Es la distribución espacial de la potencia radiada.
Angulo de 1/2 potencia: Es el angulo dentro del cual se encuentra la mitad de la energía radiada.
Directividad: Es la medida de la capacidad de dirigir la energía en cierta dirección, en relación con otra antena tomada como referencia.
Relación frente-atrás: Es la existente entre la radiación máxima en dirección del eje de la antena y la radiación en dirección contraria.
Impedancia de antena: Es la impedancia medida en las terminales de alimentación.
Ancho de banda: Es el rango de frecuencias en el cual las características de ganancia e impedancia no se modifican mas allá de cierta cantidad.
Cálculos de los diferentes tipos de antenas.
Antena Dipolo.
Ganancia del dipolo. Es la relación (cociente) de potencias por unidad de superficie, entre una antena dada y una antena isótropa que se toma como referencia, ambas alimentadas con la misma potencia:
La potencia por superficie unitaria transportada por una onda electromagnética es:
La potencia por superficie unitaria de una antena isótropica alimentada con la misma potencia es:
En el caso de un dipolo corto, cuando se remplazan los valores, el resultado final es:
= 1,5 = 1,76 dBiAncho de banda del dipolo. Potencia normalizada de un dipolo de media longitud de onda, donde se demuestra la relativa banda estrecha de un dipolo. Se observa que el ancho de banda es de aproximadamente un 15%, y por tanto podemos afirmar que un dipolo es de banda estrecha. Para llegar a esta afirmación, nos basamos en la fórmula de la potencia del dipolo de media onda:
![P_{d}\cong\frac{15\cdot I_{m}^{2}}{\pi \cdot r^{2}}\left [ \frac{cos (\beta \cdot L\cdot cos(\theta ))-cos(\beta \cdot L)}{sin(\theta) } \right ]^{2}](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_v3DPyxhPOEJMTkqzbNLJ6YYXvfK-01glgJvkBLDT8T5zxqa_Q_cUFmw4pK1L9LKVyzSSXapBdfSRgwXRW47MXYvbJ8UgdaN_OZunyQFyKbEIemZk-kCUByP80gIMNWo28dEzElNUcOsmRmn65R=s0-d)
donde,
Antena Yagi-Uda.
Aquí se muestra la construcción básica de una antena Yagi, que consta de un elemento director, un elemento reflector y un elemento activo.
- La longitud del elemento activo es de λ/2, es decir, la mitad de la longitud de onda.
- El elemento reflector es ligeramente más grande ya que mide 0,55λ (es decir, un 10% más que media longitud de onda o λ/2)
- A su vez, el elemento director es 10% más corto que el elemento activo.
- para el elemento exitador es λ/2*0,9 ó 0,45λ.
Antena Parabólica.
Ganancia. La ganancia de una antena parabólica indica la cantidad de señal captada que se concentra en el alimentador. La ganancia depende del diámetro del plato, de la exactitud geométrica del reflector y de la frecuencia de operación.Si el diámetro aumenta, la ganancia también, porque se concentra mayor energía en el foco. La exactitud geométrica está relacionada con la precisión con la que se ha fabricado el reflector de la antena parabólica. La antena debe ser parabólica de modo que exista uno y sólo un foco y que en él se debe colocar el alimentador.
G= Ganancia.
A= Área de la apertura de la antena.
d= diámetro del reflector parabólico.
eA= Eficiencia de apertura (entre .55 y .7 para antenas parabólicas).
λ= Longitud de onda.
Ancho de haz. La anchura angular del haz radiado por antenas de alta ganancia se mide por la anchura del haz a potencia mitad (HPBW), que es la separación angular entre los puntos en el patrón de radiación de la antena en el que la potencia se reduce a la mitad (-3 dB) su valor máximo. Para antenas parabólicas, el θ HPBW viene dada por:
λ= Longitud de onda.
k= factor que varía ligeramente dependiendo de la forma del reflector y el patrón de iluminación de alimentación. Para un reflector parabólico ideales uniformemente iluminado y θ en grados, k sería 57.3.
Antena helicoidal.
D= diámetro de giro de la hélice.
C= circunferencia de un giro de la hélice.
S= Separación vertical entre curvas.
α=angulo de paso, que controla hasta que punto la antena crece en dirección Z, y se da por α=tan^-1*(S/C).
N= numero de vueltas en la hélice.
H=Altura total de la hélice. H=N*S.
Ganancia. La ganancia se puede aproximar por:
C= Vel. de la luz.
f= frecuencia, la ganancia aumenta con la frecuencia.
Antena Microstrip
La frecuencia de funcionamiento de la antena de parche de la Figura 1 se determina por la longitud L. La frecuencia central se ser aproximadamente igual a:
La ecuación anterior dice que la antena de parche debe tener una longitud igual a la mitad de una longitud de onda en el dieléctrico (sustrato) medio.
El ancho W de la antena controla la impedancia de entrada. Por un parche cuadrado alimentados por encima de la forma, la impedancia de entrada será del orden de 300 Ohms. Al aumentar la anchura, la impedancia puede ser reducido. Sin embargo, para disminuir la impedancia de entrada de 50 ohmios a menudo se requiere de un parche muy amplio. La anchura más controla el patrón de radiación. El modelo normalizado se aproximadamente igual a:
En lo anterior, kes el espacio libre número de onda, propuesta por 
. La magnitud de los campos, dada por:
Antena Microstrip
La frecuencia de funcionamiento de la antena de parche de la Figura 1 se determina por la longitud L. La frecuencia central se ser aproximadamente igual a:
El ancho W de la antena controla la impedancia de entrada. Por un parche cuadrado alimentados por encima de la forma, la impedancia de entrada será del orden de 300 Ohms. Al aumentar la anchura, la impedancia puede ser reducido. Sin embargo, para disminuir la impedancia de entrada de 50 ohmios a menudo se requiere de un parche muy amplio. La anchura más controla el patrón de radiación. El modelo normalizado se aproximadamente igual a:
. La magnitud de los campos, dada por:
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