Contidos:
As antenas son transductores (interfaces de conversión) entre medios guiados (cables coaxiais ou guías de ondas) e medios non guiados (o espazo libre). Na transmisión, a antena se simplifica como unha impedancia; na rececepción como un xerador de sinal alterna.
Nas antenas se aplica o principio de reciprocidade: as características que serven na transmisión (Tx) tamén se aplican na recepción (Rx). Así, por exemplo, cando se di que un monopolo é moi eficiente transmitindo potencia ó aire, podémoslle dar a volta e entender que tamén é moi eficiente recibindo ondas electromagnéticas.
Imaxina unha antena que ocupa unicamente un punto no espazo (en vermello na imaxe). Nesta construción ideal, a radiación se distribuirá uniformemente ó seu redor, formando unha esfera (en azul na imaxe).
Polo xeral non se traballa con diagramas de radiación en 3D, senón que se empregan as proxeccións horizontal e vertical do mesmo. No seguinte debuxo podes ver o patrón de radiación isotrópico:
Temos que G=0dBi en todas as direccións. O patrón ou diagrama de radiación é a representación en función do ángulo de: campo eléctrico $\vec{E}$ (máis habitual), campo magnético $\vec{B}$ (que provén de $\vec{E}$, e é similar) ou ben densidade de potencia (que é proporcional ó cadrado de $\vec{E}$).
A antena isotrópica é unha antena teórica, algo “ideal” que non se pode lograr no mundo físico. Establece o nivel de referencia (0dBi) sobre o cal se mide a ganancia das antenas.
Se sigues lendo, verás que a antena isotrópica é útil tamén porque é a base sobre a que se crean as demais antenas. Os diagramas de radiación das antenas se logran “moldeando” a esfera isotrópica para lograr outras formas que concentren a radiación nunha ou varias direccións. Un diagrama de radiación se comporta como un globo que se pode apertar en certas zonas (quitarlle ganancia) para que así se estire noutras (aumentar ganancia).
As antenas, a pesares de ser elementos pasivos, realizan unha conversión de enerxía na que o nivel de sinal pode ser mellor nunhas que noutras. Tomamos a antena isotrópica como aquela na que a ganancia é a máis baixa (0dBi), e trataremos de lograr antenas con maior ganancia (3dBi, 5dBi…). As ganancias se expresan en dBi ou en dBd:
Tendo en conta o símil do globo, vemos que ganancia e directividade son practicamente o mesmo concepto.
En xeral as antenas máis directivas traballan nun ancho de banda moi pequeno. Así nos queda a seguinte proporcionalidade:
$$G∝D∝\frac{1}{BW}$$O dipolo simple consiste en dúas barras de material conductor aliñadas. Imaxe de “Chetvorno”:
Partindo da ecuación $\lambda=c/f$, se pretendes sintonizar a antena a unha frecuencia “f”, a lonxitude do dipolo será a metade da súa lonxitude de onda ($\lambda/2$).
Así:
$${Lonxitude\ dipolo}=\frac{\lambda}{2}=\frac{c}{2\cdot f}$$Se temos en conta o factor de velocidade do material da antena:
$${Lonxitude\ dipolo}=\frac{NVP}{2\cdot f}=\frac{k \cdot c}{2\cdot f}$$Os dipolos teñen unha lonxitude típica de $\lambda/2$ ou múltiplos deste número (tendo en conta o factor de velocidade). Exemplo: Temos unha antena de TDT que leva dentro un dipolo de 24cm de lonxitude. O material é aluminio de k=0,8. Calcula a que frecuencia foi sintonizada a antena:
$$f=\frac{k\cdot c}{2\cdot lonx\ dipolo}=\frac{0.8\cdot 3\cdot 10^8}{2\cdot 0.24}=500\cdot 10^6 Hz = 500\ MHz$$
Mira as animacións no artigo Wikipedia sobre dipolos. Repara en que o sinal está balanceado no dipolo pero desbalanceado na liña coaxial (a malla vai a terra). Segundo a construción e cantidade de material que teña o dipolo, non adoita ter unha impedancia axustada coa da liña coaxial. Para solucionar estes dous problemas, utilízanse os balun (balancer/unbalancer), que son pequenos transformadores que adoitan vir dentro da caixa do dipolo. Os radioafeccionados da banda HF os constrúen con barras de ferrita, botellas… ver ligazón.
Aquí tes un balun de 1:6. Serve por exemplo para acoplar un dipolo dobrado (300Ω) a unha liña de 50Ω:
Co dipolo xurden dúas opcións de colocación. Esta antena de adoita colocar horizontalmente (polarización horizontal), aínda que hai casos nos que tamén se colocan en vertical. A radio FM leva as dúas polarizacións.
A polarización dunha onda electromagnética é a dirección na que varía o campo eléctrico $\vec{E}$. Así, temos polarización lineal (horizontal e vertical) e circular:
O programa EMANIM permite simular unha ou dúas OEM que saen do lado esquerdo da pantalla (emisor) e chegan ó lado dereito (receptor). O gráfico amosa o campo eléctrico e permite variar a súa polarización. Na imaxe temos polarización lineal vertical e estamos a simular atenuación.
| En principio vamos traballar considerando que a unha frecuencia dada só pode haber un único sinal cunha única polarización. Quizais teñas visto antenas TDT que funcionan perfectamente a pesar de estar montadas en polarización vertical. Ou antenas Wi-Fi deitadas horizontalmente. Esas non son boas prácticas xa que diminúen o nivel de sinal, pero poden funcionar ata frecuencias SHF. A partir de SHF, por exemplo en radiodifusión satélite, se transmiten sinais diferentes á mesma frecuencia usando polarizacións distintas. O usuario selecciona que polarización quere recibir enviando 13V ou 18V ó LNB para que conmute a recepción dun ou doutro dipolo. Isto se chama PDM (Polarization-Division Multiplexing). |
|---|
| As ondas terrestres ou de superficie (ata 300MHz) (van seguindo a curvatura da terra) utilizan propagación vertical porque a ditas frecuencias a terra e o mar son condutores e, de usar polarización horizontal, o campo eléctrico se curtocircuitaría coa superficie. |
|---|
O diagrama ou patrón de radiación do dipolo é un toroide. As súas zonas de máxima radiación son perpendiculares ós brazos do dipolo (as varillase saen polo burato do “donut”). Así, dise que o patrón de radiación do dipolo é:
Bidireccional cando a antena se instala en polarización horizontal:
Omnidireccional cando a antena se instala en polarización vertical:
| IMPORTANTE: A palabra "omnidireccional", do latín "omnia" (todos), significa "en tódalas direccións", pero se refire unicamente a todas as direccións do plano horizontal (planta). Lembra que a antena que transmite uniformemente en tódalas direccións é a isotrópica. |
|---|
Aquí tes un diagrama de radiación dun dipolo colocado en polarización horizontal. A dirección de apuntamento é a do eixo rotulado como “X”, así que as varillas estarían no eixo “Y”. Simulado en software MMANA-GAL.
No patrón de radiación vimos que as antenas se deseñan para ter unha ganancia que depende do ángulo con que se apunte. Nese diagrama, úsase como referencia a ganancia que ten a antena á súa frecuencia de resonancia, que é a frecuencia que determina a lonxitude do dipolo ($\lambda /2$ tipicamente). Pero iso non quere dicir que as antenas funcionen unicamente a unha frecuencia, senón que teñen un ancho de banda útil:
Como podes ver no debuxo, as antenas se deseñan para funcionar nun rango de frecuencias limitado. Dentro dese rango (e na súa dirección de apuntamento), a ganancia é próxima ó máximo. Fora dese rango, a ganancia cae. Iso é porque ó variar a frecuencia variamos a impedancia da antena: $Z_{ant}=R+j\omega L = R+j\cot 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L$ e nos separamos da impedancia característica da instalación.
Realmente esta definición das frecuencias de corte non indica onde deixa de funcionar a antena xa que se temos unha antena de moita ganancia (12dBi, por exemplo), perdendo 3dBi seguirá funcionando decentemente en moitos casos.
| Sabes por que as antenas se axustan para dar a ganancia máxima ás frecuencias máis altas? Faise porque esas frecuencias serán as que sofrerán máis perdas ó transportar o sinal. É unha maneira de compensalo. |
|---|
No próximo tema (5a) veremos a diferencia entre antenas de banda estreita (ancho de banda restrinxido a un ou poucos servizos) e de banda ancha (ancho de banda máis amplo).
É idéntica ao dipolo pero sen o segundo brazo que conecta coa malla do cable coaxial. Adoitase facer en lonxitudes de $\lambda/4$ e múltiplos. Na figura temos antenas monopolo Wi-Fi (λ=12 cm) de distintas lonxitudes:
Ó non levar o segundo polo, non require balun. A malla non se conecta á antena, queda cortada na base. A impedancia se axusta cos solenoides. Como é un dipolo quitando un dos polos, ten algo menos de ganancia. Pódese incrementar a ganancia aumentando a lonxitude e engadindo solenoides. As antenas monopolo son as máis coñecidas pola xente allea ás telecomunicacións.
Úsanse en radios de banda cidadá (CB27MHz, 144MHz), radiocomunicacións navais, torres radiantes, Wi-Fi…
| IMPORTANTE: Os monopolos sempre se usan en polarización vertical. Por iso, adóitase ver escrito "antena monopolo" e "antena omnidireccional" indistintamente. |
|---|
Diagrama de radiación dun monopolo:
Ollo, non é unha esfera senón un toroide. Temos zonas de radiación nula por riba e por debaixo da antena.
| A antena Marconi é a variante máis coñecida do monopolo. É un monopolo de cuarto de onda que se coloca perpendicular a unha superficie conductora. Desta maneira, aparece unha terra "imaxinaria" que completa a resultante de λ/4 (o polo que falta) e mellora a ganancia. Adoitase facer unha base de terra chá arcillosa que sexa boa conductora, con auga salgada, ou con tres ou máis varillas que simulen ese plano de terra. Deixovos esta procura de Google para que vexades como mellorar un monopolo Wi-Fi sen perder directividade. |
|---|
A antena yagi (realmente a deseñou Uda, pero Yagi era o xefe…) é unha variante do dipolo formada por unha agrupación de elementos parásitos (conductores que non se conectan á liña coaxial) que moldean un dos lóbulos para que o outro teña moita máis ganancia.
Este é o aspecto que teñen as yagi:
As yagi, xunto coas parabólicas, son as antenas de fío máis populares cando se require moita directividade/ganancia.
Patrón de radiación dunha yagi apuntando cara á esquerda. Obtido en MMANA-GAL:
Pódense usar en polarización horizontal ou vertical.
| IMPORTANTE: Cando colocas un punto de acceso Wi-Fi (tipicamente monopolo) preto dunha persiana ou ventá metálica, estás a poñer un gran reflector que afecta ó diagrama de radiación. |
|---|
Se te atascas, pregunta no foro de consultas e eu che responderei. Fai estes exercicios e entrega en formato PDF
| O “modo BOSS” é un nombre comercial de Televés para os preamplificadores (LNA: Low Noise Amplifiers) integrados na carcasa do dipolo da antena. Fai as medicións considerando que está desactivado. |
|---|
Creado para G1701016 – “Radiocomunicacións prácticas” e actualizado para G1801013 por Daniel Ríos Suárez
Licenciado baixo a Licenza Creative Commons Recoñecemento Compartir igual 4.0
Este curso virtual elaborouse para ser impartido no plan anual de formación do profesorado de FP da Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria, Xunta de Galicia
Quedan fora desta licenza os textos, imaxes, recursos... que manteñen a súa propia licenza, sinalada en cada caso.
Úsanse imaxes e recursos de producción propia, que se publican no Dominio público ou con licenza CC BY-SA, outras de dominio público, con licenza creative commons, GNU... tomados prefentemente de bancos de recursos educativos abertos. Tamén se empregan ---acolléndose ao "Dereito de cita" --- imaxes, e recursos diversos de diferentes páxinas web, e se enlaza a súa licenza ao pé dos propios recursos ou na páxina coa atribución da propiedade intelectual dos ODE empregados, dereitos reservados que manteñen integramente. Se detecta algunha imaxe, recurso... con dereitos reservados, agradecemos nos informe para retirala.