Principios básicos de antenas

Tecnologia-nuclear-limpia-100En 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 parámetros más importantes.

Se puede definir la antena como un elemento o conjunto de ellos que al recibir una señal eléctrica que varia en el  tiempo, provoca una variación en su entorno , creando un campo electromagnético.  También al recibir una variación del campo, en la misma se puede producir una corriente 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 wifiNormalmente  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 de la izquierda tenemos una representación de este concepto en dos planos ( falta la elevación ).  Vemos lóbulo 3dque 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 ).

Adjuntamos 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.

La Directividad  se suele expresar en  (dBi) como:

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

 

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 antena
  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.

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

[hoops name=”polarizacion antena”]

4. POTENCIA TRANSMITIDA por una antena

Las antenas , aparte de  recibir la señal, puede transmitir, y lo hacen con diferentes potencias, según se alimenten por un lado y se hayan diseñado por otro. 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 vario, que son 1000 mW

Conceptos 

radiacción isotropicaUna 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.