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Tecnologia-nuclear-limpia-100Principios básicos de antenas

En Telecomunicaciones, uno de los elementos fundamentales en el proceso de enviar y recibir datos es la antena , y por ello, vamos a dedicar un poco a estudiar los elementos fundamentales y sus  parámetros más importantes.

Se puede definir la antena como  un dispositivo (de uno o varios conductores metálicos)  diseñado para emitir y/o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre.

La  antena como transmisora transforma energía eléctrica en ondas electromagnéticas al espacio

La antena como  receptora transforma el campo eléctrico en energía eléctrica

 

antena dipolo En la imagen superior ( obtenida de wikipedia ), tenemos una antena dipolo de media onda que recibe una señal de radio. Esta antena está compuesta por dos barillas metálicas ( dipolos ) de longitud igual a la cuarta parte de la longitud de onda. Juntando los dos dipolos, suma la mitad de la longitud de onda de la señal. Los dipolos se conectan al receptor cuya impedancia se representa por la letra R. Esa R debe ser igual a la impedancia característica de la antena para que la potencia recibida y entregada sea óptima.

En la representación sólo vamos a mostrar el campo eléctrico ( en verde ) pero no el magnético, para simplificar el modelo. También hay que destacar que lo representado es en el plano donde tenemos el dipolo. Si nos desplazamos un centímetro mas arriba, en un plano paralelo al anterior, tendríamos la misma onda, lo mismo que a cualquier distancia por arriba o por debajo del plano dibujado. La oscilación del campo eléctrico ( verde ) provoca que los electrones que están en la barra metálica ( dipolo ) se muevan a derecha e izquierda ( según el campo ), provocando mayor o menor concentración de ellos a lo largo de la barra ( ver cómo varia la zona roja ). Esto provoca un cambio de potencial en los dipolos opuestos y, por tanto, se establece una corriente por el receptor con la misma frecuencia con la que varía el campo E.

 Tenemos que tener en cuenta que el proceso es reversible, o sea, si aplicamos una tensión variable en los bornes del dipolo, provocaremos una campo electromagnético, que podrá ser recibido por otra antena y, así, recibir la señal que deseamos transmitir.

2. Parámetros más importantes de la antena

 

Con la antigua TV analógica, a la hora de instalar su antena y en el proceso de orientación al repetidor, podíamos observar cómo al ir rotando la misma sobre el eje del mástil, la señal iba apareciendo en la pantalla, desde una imagen con "*nieve" hasta verla bien y luego, de nuevo, la "nieve".

*Nieve = Denominación que el argot de los instaladores se denominaba a la falta de señal, mostrando en pantalla gránulos negros y blancos ( parecidos a la nieve ).

 Lo que ha ocurrido es que hemos pasado por zonas de poca ganancia hasta llegar a la de máxima ganancia. Este concepto de ganancia según la posición de la antena, se denomina:

 Diagrama de radiación. lobulos-antena wifi

Normalmente de define el Diagrama de radiación como el comportamiento de la densidad de potencia radiada por una antena al variar las coordenadas de azimut y elevación.

 

También se puede definir por otros parámetros , pero la densidad de potencia es la más habitual.

En la imagen  tenemos una representación de este concepto en dos planos ( falta la elevación ). Vemos que a 0º tenemos la máxima potencia radiada con la formación de un lóbulo que se denomina principal.

Por la parte trasera se crea otro de una magnitud considerable y unos terceros de menor importancia ( lóbulos laterales ). lóbulo 3dAdjuntamos un lóbulo 3D real de cómo sería la densidad de densidad de potencia de la antena. antena de hiloOtro ejemplo que podemos poner como diagrama de radiación es el que emite un dipolo. En este caso, se genera una señal con forma de donut, donde el máximo lo tiene en el eje horizontal, al instalar la antena verticalmente.

En la figura que se adjunta, se muestra el dipolo y cómo varia la señal. Como se concentra mas la energía en esa zona ( eje horizontal ), la ganancia es 2,14 Db mayor que la isotrópica . Otros parámetros importantes son:

 ancho de haz2.1 Ancho de haz.  

Angulo donde la potencia radiada cae a la mitad ( 3 dB ). Mientras menor sea, mas selectiva es la antena. En el caso de la figura, se tiene un ancho de haz de 44 grados.

2.2 Relación de lóbulo principal y secundario ,que se obtiene al dividir entre valor máximo del lóbulo principal y secundario

2.3 Relación lóbulo principal y trasero, sería lo mismo que el anterior, pero tomando el lóbulo trasero.

2.4 Las antenas no funcionan para todas las frecuencias. Se les define un margen de ellas para las cuales la antena tienen cierto rendimiento. Evidentemente, para una de ellas, funcionará en las mejores condiciones.

Se puede definir el Ancho de Banda como el rango de frecuencias donde la la energía radiada no es inferior a la potencia máxima radiada ( 3 dB )

 

2.5 A la hora de fabricar una antena, si queremos que la potencia se transmita en una dirección determinada, interesa que en el resto de direcciones, la potencia sea 0. En este aspecto entra en juego la Directividad, que se define como la potencia máxima radiada en esa dirección y la potencia radiada por una antena isotrópica ( radia la misma energía en todas las direcciones ) , siendo igual la potencia total radiada por cada una de las antenas.

formula directividad

La Directividad se suele expresar en (dBi) como:

directividad en logaritmo

2.6 Ahora tenemos un parámetro que quizás, por su nombre, de lugar a confusión. Hablamos de la Ganancia.

Como término, nos da la idea de lo que ganamos ( lo que multiplicamos algún parámetro , como la ganancia en tensión, etc).

En las antenas, la ganancia es lo que radia respecto a otra antena.

Se puede definir la Ganancia como la relación entre la densidad de potencia que radia una antena en una dirección ( dada por su directividad ) respecto a una antena isotrópica o dipolar que radie en esa misma dirección y distancia, dando a ambas la misma potencia de entrada Se mide en decibelios y según el referente sea el dipolo o la antena isotrópica, tenemos el dBi o el Dbd La Ganancia y directividad son conceptos análogos

 2.7 Eficiencia Se define como el cociente entre la potencia radiada y la potencia que se suministra a la antena. Podemos utilizar la Ganancia y Directividad para obtener la eficinecia. Veamos. Por un lado tenemos que :

   y  

que despejando la Pr ( direc) nos queda como:

 Pr ( direc) = G * P entrada

y despejando de nuevo la potencia radiada en una dirección,

Pr ( direc) = D * Pradiada .

En las anteriores expresiones , tenemos que :

  1. Pr( direc ) es la potencia radiada por la antena en una dirección
  2. P entrada es la potencia de entrada total de la antenaa
  3. P radiada es la potencia total radiada por la antena
 

De lo anterior, podemos igualar la Pr (direc) de las dos expresiones, quedando que:

 D * Pradiada = G * P entrada

Como , tenemos que:

2.8 Impedancia. Valor complejo que nos indica la oposición que presenta la antena al paso de la corriente alterna. La antena se vuelve resonante si se anulan las componentes reactivas y capacitivas.

3 Polarización:

 

Hace referencia a la posición del campo eléctrico respecto del plano de la tierra, de esta forma tenemos

 3.1 Polarización Vertical: Si el campo eléctrico generado por la antena ( denominado E ) es vertical respecto a la tierra. Se mueve de arriba a abajo

3.2 Polarización Horizontal: En este caso, E es paralelo al plano de la tierra.

 3.3 Polarización Circular: El campo eléctrico generado por la antena ( E ) se mueve generando círculos en su desplazamiento, que puede ser en el sentido de las agujas del reloj o al contrario.

3.4 Polarización Elíptica: Es igual a la anterior, pero en este caso, la fuerza del campo E varia según la dirección ( por ser elíptica ). Veremos un vídeo donde se muestran las tres primeras

4. POTENCIA TRANSMITIDA por una antena

 

Las antenas , aparte de recibir la señal, puede transmitir, y lo hacen con diferentes potencias, según su alimentación y diseño. Para medir este valor se usa el dBm (decibelios relativos a una referencia de 1 milivatio). Como es lógico, está limitado la radiación máxima emitida por la antena.

 En EEUU es de un vatio y en la Unión europea de 250 mW.

Veremos a que valores en db equivalen cada una de estas potencias.

 a) Para la Unión, tenemos 250 mW. Lo pasamos a la fórmula y tenemos:

 b) Para USA, tenemos un vatio, que son 1000 mW

Conceptos radiacción isotropica

Una antena isotrópica teórica ( es imposible construirla ) emite una amplitud de potencia vertical y horizontal igual generando un patrón de radiación esférico. Es una antena ideal que se utiliza para compararla con el resto de las antenas. En este caso, tiene una ganancia de 0Db.

Prácticas de Antena

Antes que nada, vamos a comprobar dentro del aula, la señal recibida por una antena, utilizando nuestro medidor de campo promax

Para ello, tenemos que ver primero el apartado Prácticas con el medidor de campo

Para hacer una vista rápida y comprobar el funcionamiento, comprobamos los siguientes pasos


teclas medidor campo promax

1º  Seleccionamos 0 o 1 para analógico o digital. Asegurarse que está en digital, comprobando que en la  imagen  aparece  cofdm. Por otro lado, al tener en modo digital y  buscar espectro, veremos tres líneas verticales que recogen el ancho de banda

2º  Vamos a botón 1, dónde tenemos el espectro. Nos movemos al canal 42. Volvemos a pulsar el botón 1. Empieza la búsqueda de servicios. Tarda un rato.
3º  Pulsamos en botón giratorio y buscamos lista de servicios. Pulsa y veremos los canales que nos llegan en el canal 42. Vemos que tenemos antena 3 HD y que antes no lo veíamos. Esto es porque el medidor no puede decodificar los canales HD. Seleccionamos otro, por ejemplo, Neox. Ahora si podemos ver el canal en pantalla.
4º Pulsamos el 3 y vemos la potencia de canal. En nuestro caso da 34 Dbµv, con ancho de canal de 8 MHz.
5º  Vamos otra vez al botón rotativo. Vemos que aparte de la lista de canales tenemos las portadoras del canal 8k, el periodo de guarda de 1/4, ancho de banda, no tocar la inversión espectral, tenemos un Code este de 2/3, modulación 64qam, etc
6º Por último, tenemos datos importantes sobre la señal dentro del botón entre el 3 y 4, el marcado por una carpeta y barras verticales y en la figura señalado como 30.
Al presionar, tenemos el CIS (Channel Status Information ) y el BER después de viterbi

Tener cuidado con botón situado debajo del apagado. Nos sirve para mostrar modo monitor o modo datos. Nos muestra en Neox una medida de CIS 17 y BER  1 por 10 elevado a menos 7

7º Pulsamos en 1 para buscar otro canal. En el 45 son todos HD, no podemos visualizar

Vamos al 39. Tenemos otro canal. Vemos en lista de servicios que tenemos Disney Paramount, DMAX, gol etc

Buscar servicios y datos técnicos en el canal 33
 

Práctica del diagrama de radiación

El diagrama de radiación de una antena sirve para conocer la respuesta en ganancia que tiene una antena en función de la orientación respecto a un eje principal.
Esta respuesta vale tanto en transmisión como en recepción.
Tenemos que fijarnos en las características del fabricante a qué valor se refiere ( Campo eléctrico, magnético o la densidad de potencia ).
En la siguiente imagen se representa la ganancia en campo eléctrico y magnético de una antena

ver carpeta
También destacar que la ganancia de la antena depende de la frecuencia de trabajo

Proceso de la práctica
1º Instalar la base de mástil sobre un terreno despejado. Dentro del patio, elegir el mejor lugar considerando que vamos a recibir señales desde otros puntos por efecto de la reflexión de señales por objetos cercanos
2º Orientar la antena al repetidor de Mijas.
3º Conectar nuestro medidor de campo. Ajustar par tomar la señal de un canal de la banda UHF, por ejemplo 55
4º Medir la ganancia máxima que tenemos. A ese valor le daremos la máxima ganancia, con 0 db. Por ejemplo, si con el medidor recibimos 80dBµV cuando orientamos al repetidor de Mijas, a ese valor le damos una ganancia max de 0dB. Si al tomar otra medición recibimos 77dBµV, hemos bajado 3 dB, y por tanto, el nuevo valor será -3dB.
5º Tomar cada 5 grados el valor de campo eléctrico y lo vamos anotando en una tabla. Para esta tarea, utilizar alguna brújula del móvil
6º Pasar cada valor a la gráfica que se adjunta Ficha Práctica radiación de Antena terrestre

Diseño PCB

Ciclo de Grado Medio Instalaciones de Telecomunicaciones. Ies Mare Nostrum. Málaga