Antenas y diagramas de radiación

Las antenas son transductores (interfaces de conversión) entre medios guiados (cables coaxiales o guías de ondas) y medios no guiados (el espacio libre). En la transmisión la antena actúa como una impedancia, en la recepción como un generador de alterna.

En las antenas se aplica el principio de reciprocidad: Las características que sirven en transmisión (Tx) también se aplican para recepción (Rx). Así, por ejemplo, cuando se dica que un monopolo es muy eficiente transmitiendo potencia al aire, se le puede dar la vuelta y entender que es muy eficiente recibiendo ondas electromagnéticas.

Imagina una antena que ocupe un punto en el espacio (en rojo en la imagen de la derecha). La radiación se distribuirá uniformemente a su alrededor, formando una esfera (azul en la imagen).

En general no se trabaja con diagramas de radiación en 3D, sino que se emplean las proyecciones horizontal y vertical del mismo. En el siguiente dibujo puedes ver que aparece representado por círculos:

Adds an ImageCaption tag Fig. 1: Diagramas de radiación de la antena isotrópica.

En este caso, G=0dBi.

La antena isotrópica es una antena teórica, algo “ideal” pero que no se puede realizar en el mundo físico. Si sigues leyendo, verás que la antena isotrópica es útilo porque es la base sobre la que se crean las demás antenas.

Los diagramas de radiación de las demás antenas se logran “moldeando” la esfera isotrópica para lograr otras formas. Un diagrama de radiación se comporta como un globo que se puede estrujar en ciertas zonas (perder ganancia) para llegar más lejos en otras (aumentar ganancia).

Las antenas, a pesar de ser elementos pasivos, amplifican las señales. Es por eso que tienen una ganancia que se expresa en decibelios. Concretamente, las ganancias de las antenas se expresan en dBi o en dBd:

  • Ganancia en dBi (la más típica): Lo que amplifica una antena en comparación con lo que amplifica una antena isotrópica. P.ej: una antena de 3dBi, amplifica la señal 2 veces respecto lo que haría la antena isotrópica.
  • Ganancia en dBd: Lo que amplifica una antena en comparación con un dipolo simple, que es la antena realizable más simple que existe. CASI NO SE USA. Como el dipolo simple tiene 2,16dBi de ganancia (NO ENTRA): $$G_{dBi}=G_{dBd}+2,16dB$$

Cuando hablamos de ganancia de una antena, nos referimos a su directividad, es decir, a la ganancia que tiene

Si nos dicen que una antena es muy directiva, quieren decir que:
  • Tiene mucha ganancia en la dirección máxima radiación.
  • Tiene un lóbulo principal muy estrecho.

Lo uno implica lo otro. Si el lóbulo de radiación llega muy lejos (mucha ganancia) es porque lo han moldeado estirándolo mucho, y por tanto queda muy estrecho. En general, las antenas más directivas tienen poco ancho de banda.

El dipolo simple consiste en dos barras de material conductor alineadas. Partiendo de la ecuación “λ=c/f”, si pretendes sintonizar una frecuencia “f”: , la longitud del dipolo será la mitad de su longitud de onda (λ/2) : . Así: $$ {longitud\ dipolo} = {λ \over 2} = {c \over 2\cdot f} $$ Si tenemos en cuenta el factor de velocidad del material de la antena: $$ {longitud\ dipolo} = {NVP \over 2\cdot f}= {k\cdot c \over 2\cdot f} $$

Mira estas animaciones en la Wikipedia. Fíjate que la señal está balanceada en el dipolo pero desbalanceada en la línea coaxial (la malla va a tierra). Según la construcción y cantidad de material que tenga el dipolo, no suele tener una impedancia ajustada con la de la línea coaxial. Para solucionar estos dos problemas, se utilizan los balun (balancer/unbalancer), que son pequeños transformadores que suelen venir dentro de la cajita del dipolo. Los radioaficionados de la banda HF los construyen con barras de ferrita, botellas… Balun caseros Aquí tienes un balun de 1:6. Sirve por ejemplo para poner un dipolo doblado (300Ω) en una línea de 50Ω.

¿Recuerdas el concepto de longitud de onda? Pues has de saber que típicamente los dipolos tienen una longitud de λ/2 o múltiplos de ese número. (…teniendo en cuenta el factor de velocidad).

Ejemplo: Tenemos una antena TDT que lleva dentro un dipolo de 24 cm (0,24 m) de longitud. El material es aluminio de k=0,8. Calcula a qué frecuencia ha sido sintonizada la antena.

$$ f = {k\cdot c \over 2\cdot {longitud\ dipolo}} = { 0,8 \cdot 3 \cdot 10^8 \over 2 \cdot 0,24} = 500 \cdot 10^6 Hz = 500 MHz $$

Polarización de una antena

Con el dipolo, surgen dos opciones de colocación. Esta antena se suele colocar horizontalmente (polarización horizontal), aunque hay casos en los que también se colocan en vertical. La radio FM lleva las dos polarizaciones.

La polarización de una onda electromagnética es la dirección en la que varía el campo eléctrico ($\vec{E}$). Así, tenemos polarización lineal (horizontal y vertical) y circular (no entra):

  • Polarización vertical el dipolo se coloca verticalmente y el campo eléctrico varía verticalmente (ver imagen). Ejemplos: Wi-Fi, telefonía móvil, radio digital DAB, radiocomunicaciones navales, transmisiones de radioaficionados…
  • Polarización horizontal el dipolo se horizontalmente y el campo eléctrico varía horizontalmente. Ejemplos: TDT, recepción de FM en ICT.
  • Polarización mixta es cuando se usa un array o conjunto de antenas colocadas horizontal y verticalmente para lograr mayor penetración. Ejemplo: radio FM comercial. (NO ENTRA)
El programa EMANIM permite simular una o varias ondas electromagnéticas que salen del lado izquierdo de la pantalla (emisora) y llegan al derecho (receptor). El programa permite visualizar el campo eléctrico y variar su polarización. También incorpora atenuación.

En la imagen tenemos polarización vertical y atenuación.

En general a una misma frecuencia sólo puede haber una única señal con una única polarización. Quizá hayáis visto antenas TDT puestas en vertical (mal) funcionando en zonas de buena cobertura. O antenas Wi-Fi tiradas horizontalmente. Pero cuando cuando se trabaja en SHF, o simplemente cuando el nivel de señal es crítico, no queda otra que respetar la polarización a rajatabla.

Tanto es así que la radiodifusión satélite (DVB-S2) transmite señales diferentes a la misma frecuencia usando polaridades distintas. El usuario selecciona cuál quiere recibir con los famosos 13V o 18V que se envían al LNB para conmutar de dipolo.

Además, para propagar señales sobre la superficie del mar es necesario trabajar en polarización vertical dado que el mar es una superficie conductora (radios marítimas).

Diagrama de radiación del dipolo

El diagrama o patrón de radiación del dipolo es un toroide (un donut). Sus zonas de máxima radiación son perpendiculares a los brazos del dipolo (las varillas salen por el agujero del donut). Así, se dice que el patrón de radiación del dipolo es:

Bidireccional cuando la antena se instala en polarización horizontal. Adds an ImageCaption tag Fig. 2: Dipolo simple en polarización horizontal Omnidireccional cuando la antena se instala en polarización vertical. Adds an ImageCaption tag Fig. 3: Dipolo simple en polarización vertical

La palabra omnidireccional, del latín “omnia” signfica “en todas las direcciones”, pero se refiere únicamente a todas las direcciones del plano horizontal (planta).

Recuerda que la única antena que transmite uniformemente en todas las direcciones es la isotrópica.

Fig. 4: Patrón de radiación de un dipolo en polarización horizontal. El apuntamiento es en el eje rotulado como "X", pero las varillas están en el eje "Y". Obtenido en software MMANA-GAL.

Variaciones del dipolo

  • Dipolo simple. El que hemos visto. Idealmente (brazos con poco diámetro, tierra muy lejana, sin efecto borde) lugar a una ganancia de 2,16dBi y a una impedancia de 73Ω. Bidireccional.
  • Dipolo doblado. Los extremos se tocan. Mejora la ganancia. Tiene 300Ω, por lo que requiere balun. Bidireccional.
  • Dipolo acortado eléctricamente. Los segmentos son acortados y reemplazados por solenoides. Pierde eficiencia y ancho de banda.
  • Dipolo en “V” invertida. Los brazos se doblan al mismo ángulo para que no caigan con su peso. Apreciada por radioaficionados. Bidireccional.
  • Dipolo circular (mal llamado así). Es un dipolo doblado al que se le da forma “de canasta”. El resultado es que queda con patrón de radiación omnidireccional. Usado en ICT para radio FM. Ejemplo.

Es idéntica a la dipolo pero sin el segundo brazo que conecta con la malla del cable coaxial. Se suele hacer en longitudes de λ/4 y múltiplos.

Fig. 5: Antenas monopolo Wi-Fi (λ=12 cm) de distintas longitudes

La malla no se conecta a la antena, se queda en la base. En este caso no hay balun ya que la impedancia se ajusta con los solenoides. Como es básicamente un dipolo al que se le han quitado elementos, pierde algo de ganancia respecto a él, pero la recupera aumentando la longitud y añadiendo solenoides. Las antenas monopolo son las más conocidas por la gente ajena a las telecomunicaciones. Se usan mucho en radios de banda ciudadana (CB27MHz, 144MHz…), radiocomunicacones navales…

Los monopolos siempre se usan en polarización vertical. Por ello, se suele ver escrito “antena monopolo” y “antena omnidireccional” indistintamente.
La antena Marconi: es un monopolo de cuarto de onda en vertical. Al colocarlo perpendicular a una superficie conductora, aparece una antena “imaginaria” que completa la resultante de λ/4 y mejora la ganancia. Se suele hacer una base de terreno llano arcilloso que sea buen conductor, con agua salada, o con tres o más varillas que simulen el plano de tierra.

Te dejo esta búsqueda en Google para que veas cómo mejorar un monopolo Wi-Fi sin perder directividad.

Fig. 6: Diagrama de radiación de monopolo en polarización vertical. Obtenido en software MMANA-GAL.

La antena yagi (realmente la diseñó el japonés Uda, pero Yagi era el jefe…) es una variante del dipolo formada por una agrupación de elementos parásitos (que no se conectan a la línea coaxial) que moldean uno de los dos lóbulos para que el otro tenga mucha más ganancia.

  • Reflectores: Son elementos que reducen la intensidad de señal en su dirección y la aumentan en la contraria, como un espejo cóncavo. Tienen más longitud que el dipolo y se colocan detrás de él.
  • Directores: Aumentan la intensidad de señal en su dirección y la reducen en sentido contrario. Tienen menos longitud que el dipolo y se colocan delante de él, en la dirección de apuntamiento. Cuantos más pongas, más ganancia, pero llega un momento en el que poner más no va a afectar al nivel de señal.
Cuando colocas tu punto de acceso Wi-Fi (típicamente monopolo) cerca de una persiana metálica, estás poniendole un reflector que afecta al diagrama de radiación.

Este es el aspecto que tienen:

Fig. 5: Antena yagi Wi-Fi (dipolo doblado, 1 reflector, 15 directores) y yagi para TDT (dipolo en forma de doble "U", 12 reflectores simulando una superficie sólida, 19 directores en 3 parrillas)

Las yagi, junto con las parabólicas, son las antenas de hilo más populares cuando se requiere directividad y mucha ganancia.

Fig. 8: Patrón de radiación de una yagi. Apunta hacia la izquierda. Obtenido en software MMANA-GAL.

Según su cometido, se puede usar en polarización horitontal y en vertical.

El diagrama de radiación, patrón de radiación o diagrama de campo lejano es la representación del campo eléctrico, $\vec{E}$ (más habitual), campo magnético $\vec{B}$ (está relacionado con $\vec{E}$) o bien densidad de potencia (también relacionado con ) $d_{potencia}=\vec{E}^2/Z_{espacio libre}$

Recuerda que una onda electromagnética la forma un campo eléctrico $(\vec{E})$ y un campo magnético $(\vec{B})$. El vector de pointing es el producto vectorial de los vectores campo eléctrico y magnético $\vec{S} =\vec{E}\Lambda { } \vec{B}$. Es perpendicular a ambos y señala la dirección de propagación de la OEM
El diagrama de radiación sólo se aplica a partir de cierta distancia de la antena, es decir, en el campo lejano.

Parámetros del diagrama de radiación (los más importantes en negrita):

  • Lóbulo principal: zona de máxima radiación.
  • Lóbulos laterales: zonas de radiación que rodean al lóbulo principal.
  • Lóbulos secundarios: lóbulos laterales de mayor amplitud.
  • Lóbulo posterior o lóbulo trasero: el que forma 180º con el principal.
  • Ancho de haz a mitad de potencia $(\Delta\theta_{-3dB})$: separación angular entre las direcciones en las que la potencia de radiación es la mitad de la máxima.
  • Ancho de haz entre nulos $(\Delta\theta_{z})$: Separación angular entre las direcciones en las que el lóbulo principal se hace nulo.
  • Relación delante-atrás (FBR, fordward-backwards ratio): Resta en decibelios entre la ganancia del lóbulo principal y la del posterior.

Equivalent isotropically radiated power (EIRP). Es la cantidad de potencia que una antena isotrópica tendría que radiar para poder alcanzar la misma densidad de potencia observada en la dirección de máxima ganancia de la antena. La PIRE nos permite comparar antenas diferentes. Se calcula: $$ {PIRE(dB)}=P_{Tx}-L_{LT}+G_{Antena} $$ Es la potencia del transmisor, menos las pérdidas en la línea de transmisión y latiguillos más la ganancia de la antena (todo en decibelios).

Fig. 9: Representación de la PIRE

Agrupaciones de antenas:

  • Arrays (en inglés significa conjunto). Agrupación de antenas destinada a mejorar ganancia. Ejemplo de array de 4 dipolos para TDT. Ejemplo de array de dipolos en polarización cruzada (mixta) para FM.
  • Antenas panel. Son un array de dipolos sobre un PCB o sobre una espuma. El resultado es directivo. Las típicas antenas de los telepeaje de las autopistas. Ver dos primeros minutos de este video. Ves que en la parte delantera hay un array de dipolos y en la trasera un reflector de aluminio.
  • Array de antenas sectoriales. Si tenemos que una antena panel tiene mucha ganancia en un rango de 120º, colocando tres paneles podremos cubrir 360º y así lograr cobertura omnidireccional, como en este array. Debemos unirlas en un splitter o usar técnicas de antenna diversity para que se comporten como una sola antena.

Antenas de construcción casera:

  • “J-pole” o “antena J”: Monopolo de media onda al que se le deja un tramo a mayores para conectar la malla del cable. Puedes ajustar su impedancia variando los puntos de unión de malla y vivo con la antena. Hay una en el taller TELO-1. Más información.
  • Slim jim: Otra variante del monopolo. La puedes ver en TELO-1 hecha con tubos de PVC y cable eléctrico. Más información.

Antenas de apertura. Las antenas anteriores se consideran de “hilo” (usan segmentos de material conductor) en contraposición con las de apertura:

  • Parabólica. Ya la conoces de ICT. Tiene un reflector sólido con forma de parábola que recoge todos los haces de radiación que impactan en su superficie y los envía a un punto llamado foco.
  • Parabólica de rejilla. Idéntica a la parabólica pero con menos aluminio en el reflector parabólico para ahorrar material y sufrir menos carga al viento. Ejemplo.
  • Tambor: Parabólica con una prolongación (directividad extra) y una tela (protección contra los efectos de la intemperie). Los tambores se ven mucho en estaciones de radio. Incluso pueden llevar resistencias para calefactar la antena y que no forme hielo en invierno.
  • Bocina: Las típicas de los focos de antenas de radar. Se suelen conectar directamente a guías de ondas.

Fig. 10: Parabólica Ubiquiti Powerbeam M5 con router integrado (izquierda), parábolas de tambor (centro), array de antenas sectoriales (derecha).

Mis favoritas son el array de antenas sectoriales y las de tambor, pero están fuera del alcance de los centros educativos.

Consideramos que todas las anteriores son de banda estrecha ya que están diseñadas para funcionar en un margen de frecuencias muy pequeño. Ahora veremos antenas de banda ancha.

  • Antena logarítmica periódica: Es similar a la yagi, pero en esta todos los elementos son excitados (se conectan a la línea de transmisión). Cada elemento tiene una longitud, por tanto funciona a una frecuencia. Es la suma de muchos dipolos de banda estrecha. Para cada dipolo los elementos que tiene delante funcionan como directores y los de detrás como reflectores. Alta directividad y ganancia media.
  • Discone o “antena escáner”. Similar a un monopolo, pero con un cono o bien con segmentos extra que ajustan el patrón de radiación y la impedancia a muchas frecuencias. Omnidireccional y con poca ganancia. La cobertura se produce en el plano que forma el plano de tierra y se pierde con poca desviación. Pero ¿qué quieres? Da cobertura omnidireccional en toda banda. Más información.

Fig. 11: Antena logarítmica (iquierda) y antenas discone (centro y derecha).

MMANAGAL es un programa de diseño de antenas en el que se dibujan El procedimiento es bastante sencillo:

  1. Se dibujan indicando las coordenadas de inicio y fin de cada varilla.
  2. Se indica en qué segmento está la toma de conexión y su posición.
  3. Se indica frecuencia de trabajo, altura de antena y características de la toma de tierra.

Con lo anterior se obtiene el diagrama de radiación de plano horizontal, vertical y 3D. También te indica la ROE esperada.

Descarga MMANA-GAL aquí (versión básica).