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  1. 1. Introducción a las Antenas Mario Vielma Abril, 2005
  2. 2. Contenido: Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  3. 3. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  4. 4. Un poco de historia… Franklin, Coulomb, Volta, Ampere, Faraday, Henry Inicios de los estudios en electromagnetismo Maxwell Unificación de la Teoría E.M Marconi Primera comunicación transoceánica (1901) Invención del radar (1930), de forma accidental Radioastronomía (1930), detección de ruido del centro de la galaxia II Guerra Mundial, desarrollo de teoría de guías de onda. Gran interés en teoría de microondas Mediados siglo XX, telecomunicación espacial, satélites rusos y norteamericanos.
  5. 5. Avances recientes.. Uso de software para el calculo de antenas. Método de los momentos Mallas Desarrollo de antenas de microstrip Antenas adaptativas mediante el uso de arreglos de antenas Antenas desplegables e inflables (para ser lanzadas junto con el satélite) Radioastronomía, construcción de interferómetros y mejora en algoritmos de cálculo Mejora en instrumentación. (analizadores de redes), y nuevos software de simulación.
  6. 6. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  7. 7. Campo Electromagnético
  8. 8. ¿Qué es una antena? Es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas E.M. del espacio. Dispositivos que adaptan ondas guiadas, desde conductores o guías al espacio libre.
  9. 9. Radiación: Ecuaciones de Onda: Radiación: Consecuencia del movimiento acelerado de partículas cargadas. Se produce un campo E y un campo H.
  10. 10. La antena como adaptador: La antena se puede ver como un adaptador de impedancias de la guía al espacio libre, cumpliendo con el teorema de máxima transferencia de potencia
  11. 11. Regiones de campo: Región reactiva: R1<0.62(D^3/Lambda)^1/2 Región de radiación de cercano: R2<2D^2/Lambda Región de campo lejano: R3>R2 (onda plana)
  12. 12. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  13. 13. Campos en una antena genérica: La idea es poder calcular adecuadamente los campos. De esta forma, podemos diseñar antenas que cumplan las características que requerimos Podemos optimizar diseños
  14. 14. Campos en una antena genérica: Introduciendo un vector potencial A, obtenemos: Luego sólo bastará conocer el valor de A: Y para conocer el vector A, es necesario conocer la distribución de corriente…
  15. 15. Distribuciones de corriente para el dipolo elemental:
  16. 16. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  17. 17. Impedancia de entrada Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) Directividad Ganancia Polarización Ancho de Banda Pattern de Radiación
  18. 18. Radiador isotrópico: Es una antena puntual, que no se puede realizar en la práctica y que radía de igual manera en todas las direcciones:
  19. 19. Impedancia de Entrada Es la razón entre el voltaje y la corriente en los terminales de la antena. Aquí están representados las pérdidas propias del conductor y la resistencia a radiar de la antena al espacio libre. Además, la reactancia representa el campo reactivo de la antena producido por el campo cercano.
  20. 20. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) Para tener una buena transmisión de potencia entre el transmisor y la antena, es necesario que la impedancia del transmisor sea el conjugado complejo de la impedancia de la antena. El VSWR: medida de desadaptación entre la impedancia del transmisor y de la antena. A mayor VSWR, es peor la adaptación. VSWR=1 Adaptación perfecta. Cuando no hay onda reflejada (| Γ |=0) hay una adaptación perfecta y VSWR=1.
  21. 21. Directividad y Ganancia Ambos parámetros vienen dados por cuánto concentra una antena su radiación hacia una cierta dirección preferente. Es la razón entre esta antena y una antena isotrópica La ganancia se relaciona con la potencia de alimentación La directividad se relaciona con la potencia de radiación Ambas difieren en un factor de eficiencia G= N*D Se miden en dBi (dB) o dBd
  22. 22. Polarización Se le llama polarización de la antena a la polarización del campo eléctrico respecto a un plano de tierra dado. La polarización puede ser lineal, vertical o elíptica. CPL (Cross-Polarization Level) es una medida de polarizaciones no deseadas.
  23. 23. Ancho de Banda Es el rango de frecuencias a los cuales los parámetros de antena son similares a las que tendría si operara en la frecuencia central El estándar es comúnmente para VSWR≤2 (ó | Γ |≤1/3).
  24. 24. Pattern de Radiación Es la representación gráfica de la magnitud relativa de los campos en el espacio Se presenta generalmente en dos planos, uno que contiene al campo eléctrico (Plano E) y otro que contiene al campo magnético (Plano H) Aunque también se pueden representar en 3-D Plano E Plano H
  25. 25. Lóbulos Los lóbulos son direcciones preferenciales de radiación HPBW (Half Power Beamwidth): Ángulo al cual el lóbulo principal tiene la mitad de su potencia Front to Back: Relación entre el lóbulo principal y el lóbulo trasero
  26. 26. Teorema de Reciprocidad Todos los parámetros vistos son válidos tanto en recepción como en transmisión Permite medir de forma más sencilla los parámetros de las antenas
  27. 27. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  28. 28. Formas de clasificar las antenas: Según su forma Según su ganancia Según la forma del pattern Según ancho de banda, precio, etc. Según la aplicación habrá una antena con mejores características según nuestras necesidades
  29. 29. Antenas de cable Dipolo: Usada principalmente en radiodifusión Ganancia: 2dB, BW: 10%, HPBW: 78º, Directividad: 2.15 dB (1.64 Iso) Monopolo: Usada en radiodifusión Zin: 36.5 [Ohm], Ganancia: 2-6 dB, BW: 10%, Directividad: 3.28 dB Loop: Usada en recepción Ganancia: -2 a 3 dB, BW: 10%, Mejorable con núcleo de ferrita
  30. 30. Hélice Dos modos principales de operación: normal y axial Opera en modo normal si el diámetro de la vuelta es pequeño comparado con el largo de onda, y en modo axial si es comparable Modo normal: Radía más bien en forma omnidireccional Modo axial: Radía con gran directividad (> 15dB) el cual aumenta con el número de vueltas y está eléctricamente polarizado. Debido a su gran directividad es apropiado para aplicaciones satelitáles
  31. 31. Bocina (Horn) Son antenas comúnmente utilizadas a frecuencia de microondas Generalmente usadas como alimentadores de reflectores parabólicos Tienen alta ganancia, bajo VSWR, relativamente alto ancho de banda y fácil construcción y diseño.
  32. 32. Reflectores Los reflectores son elementos usados para mejorar las características de radiación (parabólica) y ancho de banda (yagi) Los reflectores son comúnmente superficies planas, parabólicas, hiperbólicas o lineales
  33. 33. Comparación de ganancia entre las distintas antenas estudiadas…
  34. 34. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  35. 35. Antena impresa o antena microstrip Se diseñan a partir de líneas de transmisión. La idea es que la estructura resuene y disipe energía en forma de radiación Se compone de un parche radiador sobre un sustrato dieléctrico y bajo éste un plano a tierra
  36. 36. Formas del parche La forma dependerá de la aplicación que se requiera Los diseños van desde un simple parche rectangular hasta diseños fractales. Según el diseño y los materiales será su precio
  37. 37. Ventajas y desventajas… Ventajas: Son livianas y ocupan poco volumen Perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie Soporta tanto polarización lineal como polarización circular Fácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MICs) Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias Son mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas Desventajas Son de pequeño ancho de banda Baja potencia Baja ganancia Limitada potencia Baja pureza de polarización Además, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas
  38. 38. Técnicas de alimentación Técnicas por contacto Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación) Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching) Alimentación por linea microstrip Alimentación por cable coaxial
  39. 39. Técnicas de alimentación Técnicas sin contacto Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo CPL (Cross Polarization Level) Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%), Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa Alimentación por apertura Alimentación por proximidad
  40. 40. Introducción Histórica Conceptos básicos Métodos de cálculo de antenas Parámetros de una antena Tipos de antena La antena impresa Simuladores
  41. 41. Simuladores Debido a la complejidad de los calculos para encontrar la distribución de corriente en estructuras, se hace indispensable el uso de simuladores computacionales. Las empresas más reconocidas son SONNET EM y ANSOFT ANSOFT HF: HFSS, Ansoft Designer, NEXXIM (simulacion de circuitos) EM: Maxwell 3D, Maxwell 2D, Simplorer SI (Signal-Integrity) Otros simuladores para elementos de RF Direcciones: www.ansoft.com - www.sonnetusa.com
  42. 42. HFSS Simulación de una antena microstrip: Se pueden simular la magnitud y el vector de campos magnéticos y eléctricos, corrientes superficiales y parámetros de antenas tales como VSWR, Parámetros S, etc.
  43. 43. Optimización de parámetros Para la misma antena anterior, podemos ver su desempeño a distintas frecuencias y distintos modos de alimentación Características de la antena: Antena microstrip, resonante a 7.55 Ghz, de largo L cercano a Lambda/2
  44. 44. Simulación de distintas estructuras Con un apropiado diseño, se puede simular una muy alta variedad de estructuras, tales como bocinas, dipolos, guías de onda y filtros
  45. 45. Comentarios
  • joseSalmoralFernande

    Apr. 10, 2019
  • YosiValdiviaVara

    Nov. 26, 2013

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