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Cris, Tema 1,2,3,4
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Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación específicamente diseñadas para
radiar o recibir ondas electromagnéticas. También se pueden definir como los dispositivos que
adaptan las ondas guiadas, que se transmiten por conductores o guías, a las ondas que se propagan
en el espacio libre. Los sistemas de Comunicaciones utilizan antenas para realizar enlaces punto a
punto, difundir señales de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles.
Existe una gran diversidad de tipos de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia
radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base
de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir
a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces).
Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de
la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más
pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones del orden
de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda
son directivas
Un radiador isotrópico es un radiador ficticio que irradia uniformemente en todas las direcciones
espaciales. Para comparación: 0 dBd = 2,15 dBi. Si se especifica la ganancia de antena sin ninguna
referencia, sólo «dB», debe sospechar de la corrección del valor.
DIPOLO: El dipolo se suele encontrar en prácticamente todos los servicios que existen actualmente,
principalmente en arreglos de antenas para transmisores de radio FM y también en transmisores de TV y
servicios de radio móvil para servicios de despacho, seguridad como la policía y emergencias, bomberos
y ambulancias.
Es una antena con dos polos mirando hacia sentidos contrarios, debido a que cada polo se comporta
como si fuera un tramo de línea de transmisión de ¼ de onda, por lo que la longitud más común es de ½
onda, como su nombre lo indica, este tipo de antena se construye y utiliza para una sola frecuencia
presentando un buen compromiso entre directividad y tamaño. Esta antena puede situarse de manera
horizontal o vertical con respecto a la superficie terrestre dependiendo de los requerimientos de los
servicios, su patrón de radiación es omnidireccional en el plano H, utilizado para aplicaciones como
comunicaciones móviles.
MONOPOLO: Conocida también como antena de Marconi, es la más sencilla que se puede encontrar
y utilizar en prácticamente todos los servicios de radio y telecomunicaciones especialmente a bajas
frecuencias, se monta en dirección vertical parecida a una varilla, aterrizada a través de la red de
acoplamiento de la antena.
Su operación se basa en el reflejo virtual que genera el suelo en sentido contrario hacia la dirección de
la antena, empleando la teoría conocida como «método de las imágenes», esa energía es reflejada en
mayor o menor grado dependiendo de las características físicas de la tierra, especialmente de la
conductividad, por esta razón se utilizan suelos ricos en arcilla que son buenos conductores para así
reducir las pérdidas. Si el suelo es mal conductor (arenoso o rocoso), es necesario mejorar sus
características de conductividad para lo cual se puede utilizar un sistema de plano de tierra, hecho con
alambres de cobre ubicados radialmente debajo de la antena y en los casos en los cuales se necesita
instalar monopolos sobre vehículos se utiliza una malla de hilos metálicos.
TIPOS DE ANTENAS Y SU FUNCIONAMIENTO:
Tipos de antenas
Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres son:
Antenas Dipolo
Antenas Yagi
Antenas Dipolo:
Todas las antenas de dipolo tienen un patrón de radiación generalizado. Primero el patrón de elevación
muestra que una antena de dipolo es mejor utilizada para transmitir y recibir desde el lado amplio de la
antena. Es sensible a cualquier movimiento fuera de la posición perfectamente vertical. Se puede mover
alrededor de 45 grados de la verticalidad antes que el desempeño de la antena se degrade más de la
mitad. Otras antenas de dipolo pueden tener diferentes cantidades de variación vertical antes que sea
notable la degradación.
Un ejemplo de patrón de elevación puede verse en la figura 1a. A partir del patrón de azimuth se ve que
las antenas operan igualmente bien en 360 grados alrededor de la antena. Físicamente las antenas dipolo
son cilíndricas por naturaleza, y pueden ser ahusadas o con formas especificas en el exterior para
cumplir con especificaciones de medidas. Estas antenas son usualmente alimentadas a través de una
entrada en la parte inferior, pero también pueden tener el conector en el centro de la misma.
Antenas Yagi:
Estas se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos
transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el número de elementos
directores) determina la ganancia y directividad. Las antenas Yagi no son tan direccionales como las
antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.
Antena Yagi
Patrón de Azimuth Flat Panel
Figura 6. Patrón de Azimuth Flat Panel de Alta Ganancia
Antenas Parabólicas:
Las antenas parabólicas usan características físicas, así como antenas de elementos múltiples para
alcanzar muy alta ganancia y direccionalidad. Estas antenas usan un plato reflector con la forma de una
parábola para enfocar las ondas de radio recibidas por la antena a un punto focal. La parábola también
funciona para capturar la energía radiada por la antena y enfocarla en un haz estrecho al transmitir.
Como puede verse en la Figura 5, la antena parabólica es muy direccional. Al concentrar toda la potencia
que llega a la antena y enfocarla en una sola dirección, este tipo de antena es capaz de proveer muy alta
ganancia.
Patrón de Elevación Parabólica
Figura 7, Patrón de Elevación de Plato Parabólico
Antena de Ranura:
Las antenas de ranura cuentan con características de radiación muy similares a las de los dipolos, tales
como los patrones de elevación y azimuth, pero su construcción consiste solo de una ranura estrecha en
un plano. Así como las antenas microstrip mencionadas abajo, las antenas de ranura proveen poca
ganancia, y no cuentan con alta direccionabilidad, como evidencían su patrones de radiación y su
similiridad al de los dipolos. Su más atractiva característica es la facilidad de construcción e integración
en diseños existentes, así como su bajo costo. Estos factores compensan por su desempeño poco
eficiente.
Antenas Microstrip:
Estas antenas pueden ser hechas para emular cualquiera de los diferentes tipos de antenas antes
mencionados. Las antenas microstrip ofrecen varios detalles que deben de ser considerados. Debido a
que son manufacturadas con pistas en circuito impreso, pueden ser muy pequeñas y livianas. Esto tiene
como costo no poder manejar mucha potencia como es el caso de otras antenas, además están hechas
para rangos de frecuencia muy específicos. En muchos casos, esta limitación de frecuencia de operación
puede ser benéfico para el desempeño del radio. Debido a sus características las antenas microstrip no
son muy adecuadas para equipos de comunicación de banda amplia.
ANTENAS PARA BANDA VHF Y UHF:
Debido a que las longitudes de onda VHF son relativamente largas, las antenas VHF requieren más
elementos. Sin embargo, cuanto más eficientes son las frecuencias VHF al inducir los medios actuales
menos elementos son necesarios, y la varilla (o "auge") a la que están unidos puede ser más corta; es el
caso de una antena UHF. Por ejemplo, una antena óptima para 144 MHz requerirá 12 elementos, que van
desde 41 1/8 a 34 3/4 pulgadas (1,04 a 0,88 m) de longitud, dispuestos en un brazo de 17 pies (5,2 m).
Las longitudes de onda UHF son mucho más cortas que las VHF, por lo que sus elementos son
correspondientemente más cortos. Además, las antenas UHF también requieren muchos más elementos
con el fin de proporcionar una cantidad adecuada de amplificación de señal. Una antena optimizada para
432 MHz necesitaría 33 elementos en un brazo de 24,5 pies (7,47 m). Estos elementos, sin embargo,
miden sólo de 13 11/16 a 10 11/16 pulgadas (0,34 a 0,27 m) de largo.
Directividad:
La directividad de la antena es una medida de la concentración de la potencia radiada en una dirección
particular. Se puede entender también como la habilidad de la antena para direccionar la energía radiada
en una dirección especifica. Es usualmente una relación de intensidad de radiación en una dirección
particular en comparación a la intensidad promedio isotrópica.
Polarización:
Es la orientación de las ondas electromagnéticas al salir de la antena. Hay dos tipos básicos de
polarización que aplican a las antenas, como son: Lineal (incluye vertical, horizontal y oblicua) y
circular (que incluye circular derecha, circular izquierda, elíptica derecha, y elíptica izquierda). No
olvide que tomar en cuenta la polaridad de la antena es muy importante si se quiere obtener el máximo
rendimiento de esta. La antena transmisora debe de tener la misma polaridad de la antena receptora para
máximo rendimiento.
Difraccion: La difracción se refiere a los fenómenos que ocurren cuando una onda es dispersada por un
objeto, lo que da lugar a un espectro de interferencia de máximos y mínimos de intensidad. Las ondas
pueden ser de luz, de rayos X, de electrones, etc.
Refracción: La refracción es el cambio de dirección y lentitud que experimenta una onda al pasar de un
medio a otro con distinto índice refractivo. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la
superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción
se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada
Reflexion: La reflexión es el cambio de dirección de una onda al entrar en contacto con la superficie
(interfaz) que separa dos medios diferentes.
Absorcion: Podemos definir la absorción de una onda como el fenómeno por el cual su intensidad
disminuye debido a los efectos disipativos del medio de propagación que provocan la reducción de la
energía que transporta. ... En el caso de las ondas electromagnéticas la absorción se produce cuando la
onda interacciona con la materia.
TROPOSFERA Y IONOSFERA:
La troposfera: es la capa de la atmósfera terrestre que está en contacto con la superficie de la Tierra.
Tiene alrededor de 14 km de espesor en el Ecuador terrestre y solo 9 km en los polos, y en ella ocurren
todos los fenómenos meteorológicos que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y la
nieve. Además, concentra la mayor parte del oxígeno y del vapor de agua. En particular esta capa actúa
como un regulador térmico del planeta; sin ella, las diferencias térmicas entre el día y la noche serían tan
grandes que no podríamos sobrevivir. Es de vital importancia para los seres vivos. La tropósfera es la
capa más delgada del conjunto de las capas de la atmósfera.
Factor K:
El grado y dirección de la curvatura de la tierra se puede definir por un factor equivalente al de la
curvatura de la tierra, este factor viene conocido con el nombre de "factor K"
K es el factor por el que se debe modificar el radio de la tierra para “enderezar” la curvatura de la onda
electromagnética.
Comúnmente los radioenlaces, incorrectamente sugieren que la efectividad de las comunicaciones está
limitada por el horizonte óptico (K=1). Pero, la mayoría de los radioenlaces no están restringidos a la
propagación en línea de vista. En realidad, frecuentemente se pueden lograr comunicaciones más allá del
horizonte óptico.
Curvatura del rayo para varios Factores K
También el Factor K puede ser directamente relacionado al radio de dos esferas. La primera esfera es la
Tierra (Ro= 3670 Km) y la segunda esfera es la formada por la curvatura del rayo con su centro
coincidiendo con el centro de la Tierra. Entonces, el factor K resulta como una relación de dos radios, el
radio real de la Tierra Ro y el radio de la curvatura del haz Re. K es frecuentemente llamado factor del
"radio efectivo o real de la Tierra" pero trabaja en conjunto con el "radio ficticio de la tierra".
Radio Efectivo de la Tierra (Real)
ATMOSFERA ESTANDAR:
La Atmósfera Estándar Internacional (en inglés: International Standard Atmosphere), más conocida por
sus siglas ISA, es un modelo de la atmósfera terrestre que permite obtener los valores de presión,
temperatura, densidad y viscosidad del aire en función de la altitud. Su función es proporcionar un
marco de referencia invariante para la navegación aérea y para la realización de cálculos aerodinámicos
consistentes.