¿Qué es una antena?

Las antenas se han utilizado ampliamente desde principios del siglo pasado. Desde entonces, este campo ha sido objeto de una amplia investigación, lo que ha dado como resultado un amplio conjunto de conocimientos experimentales y teóricos junto con numerosos diseños y aplicaciones.

La primera antena fue introducida a finales del siglo 19 por el físico alemán Heinrich Hertz. El trabajo de Hertz fue seguido por una gran investigación teórica sobre el tema durante la primera mitad del siglo 20. Esta investigación continuó con el desarrollo de herramientas de diseño asistido por computadora (CAD) durante los 1970s-2000s, posible gracias al desarrollo de una tecnología informática poderosa pero asequible.

Las aplicaciones de antena son vastas y diversas. Estos incluyen: transmisión de radio y televisión, RADAR, comunicación inalámbrica por computadora, dispositivos con Bluetooth, comunicación personal militar, comunicación satelital, teléfonos celulares, etiquetas RFID y mucho más.

Este documento pretende cubrir los conceptos básicos detrás de la operación y el rendimiento de las antenas. Los objetivos principales del documento son informar al lector sobre ambos, los mecanismos físicos que rigen el funcionamiento de la antena y los diversos parámetros que comprenden las especificaciones de la antena. La apreciación adecuada de estos conceptos asegurará una elección adecuada e informada de productos para todas las aplicaciones potenciales.

El documento comienza con una breve introducción física al tema, seguida de una revisión más completa y detallada de los diversos parámetros de la antena.

El tratamiento riguroso de este tema requiere una amplia formación matemática y está más allá del alcance de este documento. Al escribir este artículo, se evitó la complejidad matemática a favor de un enfoque más directo. En términos generales, las cosas se mantuvieron lo más simples posible sin garantizar la pérdida de validez.

Este documento aborda todas las audiencias profesionales relacionadas con este campo, incluido el personal de marketing, ingenieros de sistemas, gerentes, diseñadores y todos los usuarios potenciales. El documento fue compuesto de tal manera que no se requiere capacitación profesional especial ni conocimiento previo del tema.

Es mi deseo y mi intención que este documento sea lo más completo e informativo posible. Le deseo una lectura agradable que, con suerte, le proporcionará una idea de este fascinante tema.

INTRODUCCION FISICA

Una antena es un dispositivo eléctrico designado para irradiar o capturar ondas electromagnéticas (EM). Para apreciar adecuadamente esta definición y el funcionamiento físico de las antenas en su conjunto, tendremos que familiarizar al lector con algunos conceptos electromagnéticos básicos.
Las leyes físicas que rigen todos los fenómenos electromagnéticos clásicos son las ecuaciones de Maxwell. Presentado por primera vez por el científico escocés James Clark Maxwell, en su famoso artículo: "Una teoría dinámica del campo electromagnético", en 1864. Estas cuatro ecuaciones nos proporcionan una descripción matemática casi completa de la forma en que se generan y alteran los campos eléctricos y magnéticos. uno por el otro, así como por cargas y corrientes.

Los campos eléctricos y magnéticos se representan como vectores, que tienen tanto magnitud (fuerza) como orientación (dirección). Los campos varían en magnitud y orientación según la ubicación y la hora en que se miden.

Las ecuaciones de Maxwell implican que las fuentes de todos los campos EM son las cargas y corrientes eléctricas. Como es de esperar, diferentes distribuciones de cargos o corrientes dan lugar a diferentes campos EM.

Un caso particular de interés es el de una carga eléctrica acelerada. La aceleración de una carga eléctrica produce un campo EM que se propaga en forma de onda, lo que se conoce como onda EM. Las ondas EM se propagan a la velocidad de la luz y en dirección exterior con respecto a su origen. El proceso mencionado anteriormente se conoce como radiación EM.

Por lo tanto, está claro que para producir radiación EM, debemos introducir un dispositivo capaz de contener una corriente eléctrica alterna. Este dispositivo se conoce como antena.

A. El modo de transmisión y el modo de recepción

Por definición, una antena se puede utilizar en uno de los dos modos de operación. Estos se conocen como el modo de transmisión y el modo de recepción (modo Tx y modo Rx). Cuando se opera en el modo de transmisión, una señal de RF oscilante incide en los terminales de entrada de la antena. Esta señal luego se convierte en una corriente eléctrica alterna, que a su vez irradia una onda EM. Esta onda EM puede ser capturada por otras antenas. En el modo de recepción, una onda EM que incide sobre la antena induce una corriente eléctrica en sus terminales de entrada que luego puede convertirse de nuevo en una señal de RF. El funcionamiento del dispositivo en estos dos modos es completamente equivalente. Esta propiedad se conoce como reciprocidad.

Los diseños de antenas son vastos y diversos, según la aplicación deseada. Por lo tanto, está claro que debemos establecer medios para la descripción cuantitativa del rendimiento de una antena. Esto, por supuesto, requiere la definición de cantidades matemáticas claras (parámetros de antena) dedicadas a ese propósito. Estos se presentarán y discutirán a continuación.


B. Regiones de campo

Los campos EM generados por una antena muestran diferentes características dependiendo de la distancia desde la antena a la que se miden. Se acostumbra dividir el espacio que rodea la antena en tres zonas, en las que los campos EM poseen diferentes propiedades distinguibles.

En las inmediaciones de la antena, los campos son puramente reactivos. Esto indica que la energía EM está completamente almacenada. Esta región se conoce como el campo cercano reactivo. Hablando matemáticamente, los campos eléctricos y magnéticos están desfasados, de forma similar al voltaje y la corriente en elementos reactivados en un circuito de CA (como un condensador o un inductor).

A medida que aumenta la distancia desde la antena, los campos EM se vuelven menos reactivos, es decir, una parte de la energía EM se convierte en radiación. Esta región se conoce como el campo cercano radiante.

Suficientemente lejos de la antena, los campos reactivos se vuelven insignificantes y dominan los campos radiantes. Esta región se conoce como el campo lejano. Además, los campos eléctricos y magnéticos en esta región son perpendiculares, en fase, y la relación entre sus magnitudes se vuelve constante (ondas planas locales).

Los campos radiados varían en magnitud, dependiendo tanto de la dirección de observación como de la distancia desde la antena. Sin embargo, el patrón general de los campos sigue siendo el mismo en el campo lejano, independientemente de la distancia desde la antena.

Esto no implica que los campos sean independientes de la distancia desde la antena, sino que decaen uniformemente en todas las direcciones. De una manera más precisa, la magnitud de los campos radiados decae proporcionalmente a uno sobre la distancia desde la antena, en el campo lejano.

Tanto el tamaño de la antena como la longitud de onda son necesarios para determinar numéricamente el límite entre las diferentes regiones. Estos se indican a continuación, y se ilustran en la figura 1.

Donde r es la distancia desde la antena, D es la dimensión máxima de la antena y λ es la longitud de onda.

A. Intensidad de radiación

Primero, presentaremos una importante figura de mérito que describe las propiedades de radiación de las antenas y de la cual se derivan otros parámetros de la antena: la intensidad de la radiación.

La onda EM irradiada por la antena transporta energía EM. La potencia radiada varía en magnitud, dependiendo tanto de la dirección de observación como de la distancia desde la antena. Como se mencionó anteriormente, el patrón general de la potencia EM se mantiene en el campo lejano, independientemente de la distancia desde la antena. Por lo tanto, podemos introducir una densidad de potencia EM normalizada que será independiente de la distancia desde la antena en el campo lejano. Esto se conoce como la intensidad de radiación.

La intensidad de radiación es una descripción matemática de la distribución angular de potencia radiada en el campo lejano (para una polarización dada). O en términos más simples: cuánta potencia irradia la antena en una determinada dirección en el campo lejano (utilizando la normalización adecuada con respecto a la distancia desde la antena).

Para describir matemáticamente la intensidad de la radiación, tenemos que definir una forma de representar las direcciones. Asociaremos dos ángulos con cada dirección que lo definan de manera única: un ángulo acimutal denotado por φ y un ángulo de elevación denotado por θ. El ángulo de elevación se usa para describir la inclinación de la antena en relación con el horizonte, mientras que el ángulo acimutal se usa para describir el recorrido de la antena en un estado de inclinación cero. Una ilustración gráfica de estos ángulos se muestra en la figura 2.

B. Patrones de radiación

Como se mencionó, la intensidad de radiación es una función de dos variables: los ángulos de acimut y de elevación. Es suficiente en muchos casos prácticos considerar solo dos cortes 2D de este gráfico 3D para describir adecuadamente las propiedades de radiación de la antena. Los dos cortes se realizan a lo largo de dos planos perpendiculares, llamados Planos principales, como se muestra en la figura 4.El procedimiento de corte nos deja con dos gráficos 2D del patrón de radiación de la antena. estos gráficos se denotan por:

En uno de los planos principales, el azimuthangle es fijo y el ángulo de elevación varía. Esto se conoce como el plano de elevación. En el otro plano, el ángulo de elevación es fijo y el azimutangulo varía. Esto se conoce como el plano azimutal.El procedimiento de corte da como resultado una reducción significativa del tiempo de medición de la antena, ya que solo se necesitan dos cortes 2D para medir en lugar de muchos.Una antena direccional típica RP se presenta en la figura 5. Como se puede observar, el patrón de radiación se compone de lóbulos. Estos lóbulos se clasifican de la siguiente manera:El lóbulo que contiene la dirección de máxima radiación se conoce como el lóbulo mayor o el haz principal. Todos los demás lóbulos se denominan lóbulos menores.El haz principal a menudo representa el sector angular en el que la mayoría de la potencia radiada está destinada a colocarse. Por lo tanto, los lóbulos menores representan radiación en direcciones no deseadas y deben mantenerse lo más bajo posible.Los lóbulos menores también se clasifican. El lóbulo menor más alto se conoce como el lóbulo lateral. El lóbulo lateral a menudo está adyacente al lóbulo principal, como se ilustra en la figura 5. El lóbulo menor que contiene la dirección opuesta a la del haz principal se denomina lóbulo posterior.El RP generalmente se representa en escala logarítmica (decibelios). Esto se hace para agudizar las características más sutiles del gráfico.

C. Ancho del haz

Otro parámetro importante utilizado para describir el ancho angular del haz principal es el ancho del haz de la antena. La extensión de este sector angular determina la región de cobertura de la antena. El ancho del haz se puede definir de varias maneras: el ancho del haz de media potencia (HPBW) se define como la diferencia angular entre los puntos donde la intensidad de radiación alcanza la mitad de su valor máximo (diferencia de dB 3 en decibelios). El primer ancho de haz nulo (FNBW) se define como la diferencia angular entre los dos nulos que encierran el haz principal.

D. Nivel del lóbulo lateral

El nivel del lóbulo lateral (SLL) es un parámetro utilizado para describir el nivel de supresión del lóbulo lateral. Como se mencionó anteriormente, los lóbulos laterales altos a menudo no son deseables, ya que representan radiación fuera del sector del haz principal. El nivel del lóbulo lateral se define como la diferencia en decibelios entre el valor máximo del haz principal y el valor máximo del lóbulo lateral.


 E. Relación de adelante hacia atrás

La relación de adelante hacia atrás (relación F / B) es un parámetro designado para describir la extensión de la radiación hacia atrás. Es decir, la radiación en la dirección opuesta a la del haz principal. La relación F / B se define como la diferencia en decibelios entre el valor del patrón de radiación en la dirección de radiación máxima (dirección frontal) y el valor del patrón de radiación en la dirección opuesta (dirección posterior).


F. Tipos de patrones de radiación

Los patrones de radiación se pueden clasificar en tres categorías principales:
 1. Patrón de radiación direccional: un patrón que contiene un haz principal claro en los planos de acimut y de elevación.
2. Patrón de radiación isotrópica: Patrón constante en los planos de acimut y de elevación.
3. Patrón de radiación direccional omnidireccional: un patrón que contiene un haz principal claro en un solo plano y un patrón constante en el otro.
 El significado físico de una antena isotrópica es que la antena se irradia por igual en todas las direcciones. Este tipo de antena no es físicamente realizable, pero es una antena matemática de referencia conveniente.

G. directividad

La directividad de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación y la potencia radiada total por la antena, dividida por 4 pi.

De una manera más perspicaz, se puede definir alternativamente como: La relación entre la intensidad de radiación de la antena y la intensidad de radiación, suponiendo que difundamos toda la potencia radiada isotrópicamente. En direcciones en las que la directividad tiene un valor bajo, la potencia radiada representa una pequeña porción de la potencia radiada total. De manera similar, en direcciones en las que la directividad es de alto valor, la potencia radiada representa una porción significativa de la potencia radiada total.

La idea general detrás de esta definición particular es comparar la antena con una fuente hipotética que irradia energía por igual en todas las direcciones (fuente isotrópica). Entonces se deduce que la directividad de un isotrópico es igual a la unidad.

Como se indicó anteriormente, la directividad es proporcional a la intensidad de la radiación, y como la última es una función de los ángulos de acimut y de elevación. Si no se indica la dirección, debe entenderse que la dirección de radiación máxima está implícita.

La directividad a menudo se mide en escala logarítmica (decibelios isotrópicos dBi). El gráfico de directividad de una antena direccional se muestra en la figura 6. El gráfico corresponde a uno de los planos principales de la antena. La direccionalidad de una fuente isotrópica equivalente también se traza para comparación.

H. Eficiencia

En realidad, no toda la energía EM entregada a la antena se convierte en radiación, es decir

 
Existen varios mecanismos de pérdida inherentes responsables de la disipación del poder incidente. Estos incluyen: pérdidas dieléctricas, pérdidas de conducción y pérdidas por reflexión.
Las pérdidas de conductores y las pérdidas dieléctricas se deben a la conductividad finita de los conductores y dieléctricos de la antena. Esto significa que parte de la energía siempre se disipa como calor en esos materiales. Las pérdidas por reflexión se deben a un desajuste de impedancia entre la antena y su línea de transmisión de conducción. Esto se discutirá más adelante con más detalle.La eficiencia de la antena se define como la relación, en porcentaje, entre la potencia radiada y la potencia incidente:

 

Está claro que la potencia radiada debe ser menor que la potencia incidente, ya que parte de la última siempre se disipa o refleja. Por lo tanto, la eficiencia será menor que 100%. Una antena eficiente irradiará la mayor parte de la potencia incidente sobre ella, por lo que su eficiencia se acercará al 100% (pequeñas disipaciones y reflexiones). La eficiencia de la antena se puede representar adicionalmente como una multiplicación de tres subeficiencias, cada una de las cuales representa un mecanismo de pérdida diferente. Esto se indica a continuación y se ilustra en la figura 7.

Yo gano

La directividad de la antena no nos proporciona ninguna información sobre la eficiencia de la antena, sino simplemente sobre las propiedades directivas de su patrón de radiación. Esta es la razón principal para introducir un nuevo concepto llamado ganancia de antena. La ganancia de antena se define como:

Como se puede observar, la definición es similar a la de directividad, pero en lugar de considerar la potencia radiada, se considera la potencia de entrada. La ganancia de la antena tiene en cuenta la eficiencia de la antena, ya que es una medida de cuánta potencia irradia la antena en una determinada dirección, en relación con la cantidad de potencia incidente sobre la antena.La directividad y ganancia de la antena se relacionan a través de:

Para apreciar completamente el significado de este concepto, puede ser útil pensar en la antena como un sistema de entrada / salida (E / S). En el sistema discutido, la entrada está representada por la potencia de entrada de la antena y la salida está representada por la potencia radiada en cierta dirección (que está disponible para la recepción por otras antenas). La salida del sistema no es más que su entrada multiplicada por algún número constante. Este número constante es proporcional a la ganancia de la antena. En ese sentido, el término ganancia se ajusta a la terminología utilizada para amplificadores o atenuadores.


J. Impedancia de entrada y VSWR

Otro parámetro eminente que describe las antenas es su impedancia de entrada, es decir, la relación entre el voltaje y la corriente en sus terminales. La energía EM se entrega a una antena a través de una línea de transmisión o una guía de ondas: dispositivos utilizados para guiar las ondas EM desde el transmisor hasta la antena. En este proceso, las ondas EM pueden atenuarse o reflejarse. Para evitar los reflejos de las ondas EM de vuelta al transmisor, la impedancia de entrada de la antena debe coincidir con la de la línea de transmisión de conducción (generalmente 50 ohm).

Sin embargo, la impedancia de entrada de la antena varía con la frecuencia y no puede ser igual a la de la línea de transmisión en todos los puntos de frecuencia. Esto indica que algunas reflexiones son inevitables. La relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es una medida de cuánta potencia se refleja. Un VSWR de bajo valor indica que la mayor parte de la potencia incidente se entrega a la antena y casi se evitan los reflejos.


K. polarización

La polarización de una antena se define como la polarización de la onda EM que irradia en el campo lejano. La onda EM radiada por la antena es una mezcla de campos eléctricos y magnéticos. Si siguiéramos la curva trazada por la punta del vector de campo eléctrico, en alguna ubicación fija en el espacio, obtendríamos, a medida que el tiempo varía, una curva denominada elipse de polarización. Tenga en cuenta que para cada ubicación fija generalmente obtendríamos diferentes curvas, es decir: la polarización de la antena depende de la dirección de observación. La curva se conoce como la elipse de polarización, ya que forma una elipse para una antena polarizada arbitrariamente.

La polarización se puede clasificar como lineal, circular o elíptica dependiendo de las propiedades de la elipse de polarización. Si la elipse tiene el mismo eje menor y mayor, se transforma en un círculo. En ese caso decimos que la antena está polarizada circularmente. Si la elipse no tiene un eje menor, se transforma en una línea recta. En ese caso, decimos que la antena está polarizada linealmente. Los diversos tipos de polarización se demuestran gráficamente en la figura 8.

Cada polarización tiene un sentido. Para una antena polarizada linealmente, se define por el ángulo de inclinación de la elipse de polarización, denotado por τ. Las polarizaciones lineales se clasifican por ese sentido (90º vertical, 0º horizontal, ± 45º de inclinación). Para antenas polarizadas circularmente, el sentido viene dado por la naturaleza del movimiento de la punta del vector del campo eléctrico: en sentido horario o antihorario (RHCP para sentido horario, LHCP para sentido antihorario). En la figura 10 se ofrece una ilustración.

L. Polarización cruzada y copolarización

Como se mencionó anteriormente, las diferentes polarizaciones forman muchos pares ortogonales.La copolarización se define como la polarización que la antena debía irradiar, mientras que la polarización cruzada se define como su par ortogonal. Una antena puramente polarizada tendrá baja radiación de polarización cruzada. Una medida de cuán puramente polarizada es una antena es el nivel de polarización cruzada. Se define como la diferencia en decibelios entre la intensidad de radiación máxima de las polarizaciones co y cruzadas respectivamente.Las antenas deben funcionar en polarizaciones similares para garantizar un rendimiento óptimo.Las antenas que funcionan en polarizaciones ortogonales no funcionarán en absoluto debido a pérdidas de polarización significativas.

M. Ratio axial

Este parámetro se utiliza principalmente para describir la naturaleza de polarización de las antenas polarizadas circularmente. La relación axial (AR) se define como la relación entre los ejes menor y mayor de la elipse de polarización. Recuerde que si la elipse tiene un eje menor y mayor igual, se transforma en un círculo, y decimos que la antena está polarizada circularmente. En ese caso, la relación axial es igual a la unidad (o 0 dB). La relación axial de una antena polarizada linealmente es infinitamente grande ya que uno de los ejes de elipse es igual a cero. Para una antena polarizada circularmente, cuanto más cercana sea la relación axial a 0 dB, mejor.

N. Polarización Diversidad y aislamiento

Algunas antenas pueden ofrecer diversidad de polarización, es decir que están designadas para operar en diferentes polarizaciones. Estas antenas poseen varios puertos, cada uno permite la transmisión de diferentes polarizaciones de onda. Los diferentes puertos a menudo están destinados a operar de forma independiente. Por lo tanto, está claro que requerimos una medida que describa cuánto están aislados estos puertos. El aislamiento entre los dos puertos se define como la relación entre la energía incidente en un puerto y la energía entregada a otro puerto, cuando se termina por una carga coincidente. Un buen aislamiento promete una transmisión no correlacionada de señales eléctricas en ambos puertos.


O. Manejo de potencia

Esto se define como la potencia de entrada máxima que la antena puede manejar mientras funciona correctamente.

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