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U1-Actividad 5 Radiocomunicaciones - Antenas

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERÍA EN
SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL
CARRERA DE TELECOMUNICACIONES

Sistemas

Inalámbricos

8vo “A”

Consulta

Radiocomunicaciones – Antenas

Castañeda Sandoval Jonathan Leonardo

Fecha de Envío: 30 de mayo de 2021

Fecha de Entrega: 02 de junio de

2021

Docente: Ing. Edgar Freddy Robalino Peña

ABRIL 2021 - SEPTIEMBRE


2021 AMBATO – ECUADOR
2021
1. TEMA
Radiocomunicaciones - Antenas

2. OBJETIVO

El objetivo de esta actividad es reforzar el conocimiento en función de los


contenidos propuestos.

3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

Transmisión con radiación electromagnética


En física, la absorción de la radiación electromagnética es el proceso por el cual dicha
radiación es captada por la materia. Cuando la absorción se produce dentro del rango de
la luz visible, recibe el nombre de absorción óptica. Esta radiación, al ser absorbida
puede ser reemitida, como en el caso de la fluorescencia, o transformada en otro tipo de
energía, como calor o energía eléctrica. [1]
Unidades de medida en radiocomunicaciones
Las unidades de medidas que se utilizan en radiocomunicaciones son los Belios y
Decibelios. Las ecuaciones de propagación se comportan de forma no lineal, si
incrementa la distancia al doble tendremos ¼ de la señal. Las variaciones de señal son
muy grandes y son divisiones/multiplicaciones. Las unidades logarítmicas son: 10𝐴 = 𝐵
→ 𝐴 = log10 𝐵. al usar logaritmos tiene la ventaja de usar menos dígitos para números
muy grandes o pequeños, las multiplicaciones se convierten en sumas y las divisiones se
convierten en restas. [2]
Antenas
En esencia, una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas
electromagnéticas, y una guía de onda es un tuvo metálico conductor por medio del cual
se propaga energía electromagnética de alta frecuencia, por lo general entre una antena
y un transmisor, un receptor, o ambos. Una antena se utiliza como la interfase entre un
transmisor y el espacio libre o el espacio libre y el receptor. Una guía de onda, así como
una línea de transmisión, se utiliza solo para interconectar eficientemente una antena
con el transceptor. [3]
Diagrama de radiación de una antena, directiva
El diagrama de radiación de una antena se define como la representación gráfica de las
características de radiación en función de la dirección angular. Se utilizará
habitualmente un sistema de coordenadas esférico. Las tres variables de un sistema
esférico son: (𝑟, θ, Φ). [4]
representación tridimensional de los campos radiados por una
antena.

Las tres variables de un sistema esférico

Ancho de banda
El ancho de banda se mide como la cantidad de datos que se pueden transferir entre dos
puntos de una red en un tiempo específico. Normalmente, el ancho de banda se mide en
bits por segundo (bps) y se expresa como una tasa de bits. El ancho de banda también es
un concepto clave en muchas otras áreas tecnológicas. Por ejemplo, en el procesamiento
de señales se usa para describir la diferencia entre las frecuencias superior e inferior en
una transmisión como una señal de radio, y se mide típicamente en hercios (Hz). [5]
Polarización de una antena
La polarización de una antena es la polarización de la onda radiada por dicha antena en
una dirección dada. La polarización de una onda es la figura geométrica determinada
por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo, en
una posición dada. Para ondas con variación sinusoidal dicha figura es en general una
elipse. Hay una serie de casos particulares. Si la figura trazada es una recta, la onda se
denomina linealmente polarizada, si es un círculo circularmente polarizada. [6]
Tamaño de una antena con respecto a la longitud
El tamaño de las antenas está relacionado con la longitud de onda de la señal de
radiofrecuencia transmitida o recibida, debiendo ser, en general, un múltiplo o
submúltiplo exacto de esta longitud de onda. Por eso, a medida que se van utilizando
frecuencias mayores, las antenas disminuyen su tamaño. Asimismo, dependiendo de su
forma y orientación, pueden captar diferentes frecuencias, así como niveles de
intensidad. Su longitud es un múltiplo entero de la semi-
λ
longitud de onda: 𝑙 = 𝑛 ∙ . [7]
2

Impedancia de una antena


La impedancia de una antena se define como la relación entre la tensión y la corriente
en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja. La parte real se
denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de antena.
𝑉
𝑖
𝑍𝑖 = = 𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑎
𝐼𝑖
Se define la resistencia de radiación como la relación entre la potencia total radiada por
una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada, elevada al
cuadrado y se refine la resistencia óhmica de una antena como la relación entre la
potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente en sus terminales al
cuadrado. [8]

Impedancia de una antena

PIRE y PRA
La Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (PIRE) o en inglés Effective Isotropic
Radiated Power (EIRP), es la potencia efectiva emitida en el lóbulo principal de un
antena transmisora relativa a un radiador isotrópico que tiene 0dB de ganancia. Para
efectos prácticos, el PIRE es igual a la suma de la ganancia de la antena (medido en
dBi) más la potencia (medido en dBm) que ingresa a la antena.
La Potencia Radiada Aparente (PRA) o en inglés Effective Radiated Power (ERP), es la
potencia efectiva emitida en el lóbulo principal de una antena transmisora relativa a la
directividad máxima de una antena dipolo de media onda. Para efectos prácticos es la
ganancia de la antena (medido en dBd) más la potencia (medido en dBm) que ingresa a
la antena. [9]
Campos lejanos y campos cercanos de una antena
Los términos "campo lejano" y "campo cercano" describen los campos alrededor de una
antena o, más generalmente, de cualquier fuente de radiación electromagnética. El
campo cercano está muy cerca del generador de EMI (o de la antena transmisora),
mientras que el campo lejano está más lejos. El campo cercano es la región del espacio
donde la onda electromagnética posee un campo conservativo y donde la onda es
predominantemente de campo magnético (H) o de campo eléctrico (E) y no mantiene la
relación de 377 Ω (impedancias del vacío) entre ambos. Si el generador tiene una fuerte
intensidad eléctrica y baja tensión (E / H < 377Ω).
El campo lejano es la región del espacio donde la onda electromagnética es radiante y
está lejos del generador en términos de longitud de onda. En esta región, E / H = 377 Ω.
Esto significa que E es 377 veces mayor que el campo H y ambas intensidades de
campo, E y H se atenúan proporcionalmente a 1/d. Ambos campos están a 90º entre
ellos. Aquí el conocimiento de uno de los campos, por ejemplo, E, permite la
determinación del otro (H), utilizando la relación en la que estas dos cantidades se
relacionan entre sí por medio de la impedancia del espacio libre (377Ω). [10]

Adaptación de impedancias y balun


Una de las partes más importantes de cualquier transmisor son las redes de
acoplamiento que conectan una etapa con otra. En un transmisor típico, el oscilador
genera la señal de la portadora básica que después, por lo común, se amplifica en etapas
múltiples antes de llegar a la antena. Puesto que la idea es incrementar la potencia de la
señal, los circuitos de acoplamiento entre etapas deben permitir una transferencia
eficiente de potencia de una etapa a la siguiente. Se denomina balun del inglés
balanced-unbalanced lines transformer a un dispositivo conductor que convierte líneas
de transmisión desequilibradas en líneas equilibradas, se transmite la misma
información por dos cables o par de cables, al mismo tiempo y con polaridades
opuestas. [11]
Presupuesto del enlace

Presupuesto del enlace radio


Un presupuesto de potencia para un enlace punto a punto es el cálculo de ganancias y
pérdidas desde el radio transmisor (fuente de la señal de radio), a través de cables,
conectores y espacio libre hacia el receptor. La estimación del valor de potencia en
diferentes partes del radioenlace es necesaria para hacer el mejor diseño y elegir el
equipamiento adecuado. Los elementos pueden ser divididos en 3 partes principales: el
lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión, pérdidas en la propagación y
el lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva (effective receiving sensibility).
[12]

Diversity
La tecnología Diversity se desarrolla para minimizar el efecto de cancelación de la
propagación multitrayecto y extender el rango operativo útil de los sistemas
inalámbricos. Para ello, los receptores diversity cuentan con dos antenas y/o dos
módulos de recepción en el mismo dispositivo. Los circuitos de conmutación en el
receptor seleccionan bien la señal de radiofrecuencia de una de las antenas, o bien la
señal de audio de cada uno de los módulos de recepción, teniendo en cuenta cuál
proporciona una mejor calidad de señal, mayor nivel de radiofrecuencia o mayor
relación señal/ruido, dependiendo del funcionamiento interno de cada uno de ellos. [13]
Tipos de antenas
Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres son:
 Antenas Dipolo: tienen un patrón de radiación generalizado. Es sensible a
cualquier movimiento fuera de la posición perfectamente vertical.
 Antenas Dipolo multi-elemento: cuentan con algunas de las características
generales del dipolo simple.
 Antenas Yagi: Estas se componen de un arreglo de elementos independientes de
antena, donde solo uno de ellos transmite las ondas de radio.
 Antenas Panel Plano (Flat Panel): como su nombre lo dice son un panel con
forma cuadrada o rectangular. y están configuradas en un formato tipo patch.
 Antenas parabólicas (plato parabólico): usan características físicas, así como
antenas de elementos múltiples para alcanzar muy alta ganancia y
direccionalidad. [14]
Dipolo elemental
Un dipolo elemental es un elemento de corriente de longitud h, recorrido por una
corriente uniforme, cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la longitud de
onda. La mayor parte de las antenas a frecuencias inferiores a 1 MHz se comportan
como dipolos elementales, dado que a esa frecuencia la longitud de onda es de 300 m.
Los campos magnéticos inducidos son los que tienen una variación inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia. [15]
Dipolo no elemental
Tiene una polarización lineal en la dirección del dipolo, es una antena con alimentación
central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son
las más simples desde el punto de vista teórico. Tiene una resonancia de λ/2 (realmente
a 0,84 λ), R=73 ohm, tiene un 90% de eficiencia y un ancho de banda pequeño. [16]

Dipolo no elemental

Dipolo doblado
Un dipolo doblado es una estructura formada por dos dipolos paralelos, cortocircuitados
en su extremo. Uno de ellos se alimenta en el centro con un generador. El dipolo
doblado se puede descomponer en el modo par o modo antena, con la misma
alimentación en los dos brazos, y el modo impar o modo línea de transmisión, con dos
generadores con signos opuestos. En conclusión, un dipolo doblado, equivale, desde el
punto de vista de radiación a un dipolo simple con corriente de valor doble, e
impedancia 4 veces. [17]

Monopolo no elemental
Es la más sencilla de las antenas y su nombre indica es es “un” solo polo. Lo más
común es el monopolo de λ/4 de longitud de onda o monopolo de lamda cuartos. La
antena monopolo siempre se usa en conjunto con un plano de tierra el cual actua como
una especie de espejo eléctrico. Un ejemplo sería: La antena de radio de un auto antiguo
o de un radio AM/FM antiguo. [18]
Antena de espira
Una antena de espira es, como el nombre lo indica, una antena compuesta de al menos
una espira de un conductor. Se la puede considerar como un dipolo cuyos brazos se
repliegan hasta formar una espira circular. Todas las antenas de espira son fuertemente
direccionales; la dirección privilegiada está en el plano de la espira, mientras que la
recepción es mínima en la dirección perpendicular al plano de la espira. Las antenas de
espira normales se comportan de manera similar al dipolo, exceptuando el hecho de que
los extremos del dipolo se tocan. [19]
Antena de pajarita
Las antenas de pajarita tienen, sin ser algo sorprendente, la forma del borde de una
pajarita. Utilizadas mayormente para la recepción de TV UHF, estas antenas tienen dos
conductores, al igual que la antena de espiral. Sin embargo, la antena

Antena de pajarita

no se conecta a los conductores. Más cercana a la antena dipolo "orejas de conejo",


usada para la recepción de TV VHF, la antena de pajarita consiste en dos "lazos", cada
uno de los cuales se extiende de un único conductor, gira sobre sí mismo y se vuelve a
conectar al mismo conductor. Aunque estas antenas suelen venir en diseños interiores
relativamente débiles, las antenas de pajarita con múltiples "lazos" y una pantalla
reflectora funcionan mejor para recibir señales UHF, según PBS. [20]
Antena clover leaf Skew Planar Wheel
Una antena incluye una o más antenas elementales con bucles planos no coplanares que
se extienden alrededor de un eje principal en planos inclinados respectivos. Cada antena
elemental está formada por pistas de una estructura impresa sobre un soporte de circuito
que se extiende en el plano inclinado, con dos bucles planos imbricados sintonizados en
frecuencias incluidas en dos respectivas bandas de frecuencia WiFi distintas. Con un
soporte de circuito flexible, una carcasa de antena del dron incluye una cavidad hueca
conformada que comprende una pluralidad de caras planas inclinadas, que son las
contrapartes de los planos inclinados de las antenas elementales, contra las cuales se
apoyan estas últimas tras la deformación del soporte flexible. [21]
Antena Hellical
La antena helicoidal más populares (a menudo llamadas una "hélice") es una antena de
onda que se propaga en forma de un sacacorchos que produce la radiación a lo largo del
eje de la hélice. Estas hélices se conocen como axial modo antenas helicoidales. Los
beneficios de esta antena es que tiene un ancho de banda de ancho, es de fácil
construcción, tiene una impedancia de entrada real, y puede producir polarizada
circularmente campos. [22]
Antena Yagi Uda
Es una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad
Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda. Esta invención de avanzada a
las antenas convencionales produjo que, mediante una estructura simple de dipolo,
combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y director (es), se
obtuviera una antena sencilla y de muy alto rendimiento. Las antenas yagi presentan dos
tipos de elementos:
Reflector. Elemento parásito más largo que el elemento de excitación. Reduce la
intensidad de la señal que está en su dirección e incrementa la que está en dirección del
dipolo.
Director(es). Elemento(s) parásito(s) más corto(s) que su elemento de excitación.
Incrementa(n) la intensidad del campo en su dirección y la reduce(n) a la dirección del
reflector. [23]
Antenas logoperiódicas
Las antenas logoperiódicas son estructuras autoesclables y por tanto son aptas para
realizar antenas independientes de la frecuencia. Existen diferentes estructuras de
antenas logoperiódicas, siendo la más interesante la agrupación logoperiódica e dipolos,
basada en la estructura trapezoidal de la figura 7. Es una estructura desmontable
formada por una agrupación no uniforme de dipolos, de forma que todas las
dimensiones que definen la agrupación se diseñan utilizando un mismo factor de escala
t. [24]
Antena espiral
Una antena espiral es un tipo de antena de radiofrecuencia y microondas, cuya forma
consiste en una espiral de dos o más brazos. Las antenas espirales se describieron por
primera vez en 1956. Este tipo de antenas se suelen clasificar como antenas
independientes de la frecuencia, ya que son capaces de funcionar en un rango muy
amplio de frecuencias. Esto es, su polarización, diagrama de radiación e impedancia
permanecen constantes en una banda muy ancha. Estas antenas son siempre, debido a su
diseño, de polarización circular y de baja ganancia, aunque pueden ser dispuestas en
forma de array para aumentar la ganancia total. [25]
Antena microstrip
Las antenas tipo “parche” también son conocidas como antenas microstrip ya que se
basan en dicha tecnología. Su uso tiene un gran auge para aplicaciones en las que el
tamaño reducido es importante, por ejemplo: aeronáutica, aviación, satélites,
aplicaciones en misiles, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas en general,
y para frecuencias elevadas principalmente en los rangos de microondas y ondas
milimétricas. Son tendencia a la miniaturización al lograr dispositivos cada vez más
pequeños y con componentes livianos. [26]

Antena logoperiódica

Antenas de bocina
Una antena de bocina es una antena que consiste en una guía de onda en la cual el área
de la sección se va incrementando progresivamente hasta un extremo abierto, que se
comporta como una apertura. Las bocinas se suelen utilizar para iluminar un reflector,
formando lo que se denomina una antena parabólica. también se pueden utilizar de
forma aislada, como antenas de cobertura global en satélites o bien formando
agrupaciones, para conformar un determinado diagrama de radiación, para conseguir
una cobertura de un continente o un país. [27]
Antenas de ranura

Antena de ranura
Ranura antenas se utilizan normalmente en las frecuencias entre 300 MHz y 24 GHz.
Estas antenas son muy populares porque se puede cortar de cualquier superficie que van
a ser instalados en, y tienen patrones radiación que se casi omnidireccional (similar a
una antena de cable lineal, como veremos). La polarización es lineal. La ranura tamaño,
forma y lo que está detrás de ella (la cavidad) variables ofrecen un diseño que se puede
utilizar para ajustar el rendimiento. Para tener una intuición sobre antenas de ranura, es
necesario aprender principio de Babinet. [28]

Reflectores en antenas
Las antenas reflectoras se caracterizan por utilizar un espejo reflector metálico para
concentrar la radiación poco directiva de un pequeño alimentador en un haz colimado
de alta directividad. Estas antenas se analizan habitualmente empleando las siguientes
técnicas:
GO (Óptica Geométrica): Permite calcular los campos en la apertura
PO (Óptica Física): Calcula los campos de radiación a partir de las corrientes inducidas
sobre las superficies reflectoras iluminadas.
GTD (Teoría Geométrica de la Difracción): Incluye los rayos difractados en los bordes
de las superficies reflectoras.
PTD (Teoría Física de la Difracción): Incluye corrientes inducidas en los bordes de las
superficies iluminadas. [29]

Reflector parabólico
los reflectores en sí mismos no son antenas. El sistema requiere de una antena primaria
que se complementa con el reflector. El conjunto, antena primaria más reflector, se
define como Antena con Reflector Parabólico. Existen muchos tipos de reflectores
parabólicos. Los más usados son: Cilindros parabólicos, paraboloides de revolución
truncados y paraboloides de revolución. La construcción de estos dispositivos tiene por
objeto lograr altas ganancias, posiblemente sean los arreglos de antenas con mayor
ganancia práctica. Son muy usadas en radar y vínculos de microondas terrestres y/o
satelitales. [30]
Arrays de antenas
Un array es una antena compuesta por un número de radiadores idénticos ordenados
regularmente y alimentados para obtener un diagrama de radiación predefinido. Las
características principales de los arrays de antenas es que su diagrama de radiación es
modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue
controlando de manera individual la amplitud y fase de la señal que alimenta a cada uno
de los elementos del array. [31]
Antenas de lente
El estudio de las antenas lente si bien no resulta novedoso, ha recibido un fuerte impulso
producto de las nuevas tecnologías en estas últimas décadas. El uso de nuevos
materiales y técnicas ha permitido implementar antenas lente en distintas aplicaciones
de telecomunicaciones en la banda de microondas. Cuando las lentes son utilizadas en
aplicaciones ópticas, éstas son estudiadas mediante técnicas asintóticas tales como el
trazado de rayos, debido a que el tamaño de la lente es mucho mayor a la longitud de
onda de la fuente. [32]

Antena Tipo Lente para PTP230, PTP54450, PMP430S y PMP450S

4. PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN

¿Como se transmite y recibe la energía electromagnética?


Cuando la absorción se produce dentro del rango de la luz visible, recibe el nombre de
absorción óptica. Esta radiación, al ser absorbida puede ser reemitida, como en el caso
de la fluorescencia, o transformada en otro tipo de energía, como calor o energía
eléctrica.
¿Qué es una antena isotrópica?
Una antena isotrópica es una antena ideal (utópica) que radia la misma intensidad de
radiación en todas las direcciones del espacio, se utiliza como referencia para definir los
parámetros de las antenas reales.
¿Qué son los decibelios?
Es la decima parte de una unidad logarítmica que expresa la relación entre dos valores
(un valor medido y un valor de referencia), cuyo valor es: 10 log (Potencia/Potencia de
referencia) y 20 log (Voltaje/Voltaje de referencia).
¿Qué es una antena y su función?
Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas
electromagnéticas, y una guía de onda es un tuvo metálico conductor por medio del cual
se propaga energía electromagnética de alta frecuencia, por lo general entre una antena
y un transmisor, un receptor, o ambos. Una antena se utiliza como la interfase entre un
transmisor y el espacio libre o el espacio libre y el receptor.
¿En qué dirección emiten menos o más radiación electromagnética?
La potencia en la radiación isotrópica disminuye con distancias al cuadrado.
¿La ganancia tiene que ver la directividad?
En la definición de Directividad se habla de potencia radiada por la antena, mientras que
en la definición de ganancia se habla de potencia entregada a la antena. La diferencia
entre ambas potencias es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas.
¿Qué es la antena y cable balanceado?
La antena transforma la energía eléctrica en radiación electromagnética y viceversa. Un
cable de audio que transmite una señal no balanceada utiliza dos cables: una señal y una
conexión a tierra. El cable de señal, como su nombre indica, lleva la señal de audio a
donde necesita ir. El cable a tierra actúa como un punto de referencia para la señal. Sin
embargo, el cable a tierra también actúa como una antena, recogiendo ruido no deseado
en el camino.
¿Qué relación tiene el PRA con un dipolo?
La Potencia Radiada Aparente (PRA) o en inglés Effective Radiated Power (ERP), es la
potencia efectiva emitida en el lóbulo principal de una antena transmisora relativa a la
directividad máxima de una antena dipolo de media onda.
¿Que no se permite en campos lejanos?
Se conoce la potencia radiada. En el denominador importa la distancia y en el
numerador importa el desfase.
¿Por qué se producen perdidas?
Las pérdidas se producen en el espacio libre, La pérdida del sistema excluye las
pérdidas en las líneas de alimentación, pero incluye todas las pérdidas en los circuitos
de radiofrecuencia asociados con la antena, como son las pérdidas a tierra, pérdidas
dieléctricas, pérdidas en las bobinas de carga de las antenas y pérdidas en las
resistencias de terminación.
¿Cuál es la aplicación de los arrays de antenas?
Los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes. Una
definición de un sistema de antenas inteligentes es cualquier configuración
adaptativa de múltiples antenas que mejoran el rendimiento de un sistema de
comunicaciones inalámbricas

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