¿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_vJEOzb3MZVmjAoTVmT7xluatRljcSLpqRA35dkSYi8aARDzEy9K_nSdgcUmVKt9rMR1LYUvtiDBO9mLyUSm5XfFRbjkrSZBEmXI0yZ1OmjpCkrkpgsAtC8TtlFl2gTy4XBkANe1_JfmqJLtMKr=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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