6.3 parámetros de antenas.pptx
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PARMETROS DE ANTENAS
1www.coimbraweb.comEdison Coimbra G.
ANTENAS YPROPAGACIN DE
ONDAS
Tema 3 de:
Manual de clases
ObjetivoDefinir los parmetros
espaciales y circuitales de
una antena. Interpretar lospatrones de radiacin para
tipos comunes de antenas.
ltima modificacin:
1 de abril de 2014
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As, una antena es un
dispositivo de
transicin, o
transductor, entre una
onda guiada y una en
el espacio libre o
viceversa. Interconecta
un circuito y unespacio.
1.-SISTEMA DE COMUNICACIN POR RADIO
2www.coimbraweb.com
Cules son sus elementos principales? (Kraus, 2000)
ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIN POR RADIO
Elemento Descripcin
Transmisor Genera una potencia que entrega a la antena a travs de una lnea.
Lnea de transmisin Gua la potencia generada hacia la antena, en forma de onda plana TEM. Se
supone que el espacio entre sus conductores es mucho menor que .
Antena transmisora Radia la potencia que le llega del transmisor. Sus caractersticas determinan la
eficacia de esa radiacin.
Onda en el espacio La onda esfrica radiada se visualiza como plana cuando llega a la antena
receptora que se encuentra en campo lejano.
Antena receptora Absorbe potencia del frente de onda que le llega. Sus caractersticas determinanla eficacia de esa absorcin.
Receptor Recibe, a travs de la lnea, la potencia que absorbe la antena receptora.
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Parmetros bsicos de la antena
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Se clasifican en circuitales y espaciales
De acuerdo con el principio de
reciprocidad, los parmetros son
los mismos si la antena se utiliza
para transmitir o recibir.
PARMETROS BSICOS DE LA ANTENA
Parmetros Descripcin
Circuitales Resistencia de radiacin. La antena se presenta a la lnea como una resistencia delespacio (virtual) acoplada a sus terminales.
Temperatura de la antena. Relacionada con la radiacin pasiva de objetos distantes quela antena est mirando.
Espaciales Diagrama de radiacin. Son cantidades tridimensionales que involucran la variacin delcampo E o de la potenciacomo una funcin de coordenadas esfricas.
Gananciao directividad.Es una indicacin de la capacidad de la antena para conducir lapotencia radiada en una determinada direccin. Normalmente se habla de antenasomnidireccionales y directivas.
rea equivalente.Es el rea de la cual la antena extrae potencia del frente de onda quepasa para entregarla al receptor.
(Kraus, 2000)
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2.- RESISTENCIA DE RADIACIN
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Modelo circuital de la antena en transmisin
MODELO CIRCUITAL DE LA ANTENA
Elemento Descripcin
Impedanciade la antena
ZA. Al conectar el transmisor a la antena, la
relacin de Ve Ien los terminales de la antena
permite modelarla como una impedanciacompleja(ZA) que vara con la frecuencia.
Resistenciade radiacin
Representa la capacidad de disipacin de
potencia mediante radiacin al espacio, y quepuede ser equiparada a una resistencia hmica
disipadora de potencia. Es decir, la antena sepresenta a la lnea como una resistencia del
espacio (virtual) acoplada a sus terminales.
Resistenciade prdidas
Representa la potencia disipada en lasuperficie de los conductores de la antena. Se
utilizan antenas de bajas prdidas.
Reactancia
de la antena
Representa la inductanciade los conductores
de la antena (energa magntica) y sucapacitancia(energa elctrica) respecto a tierra.Estas reactancias son responsables en los
circuitos AC de prdidas de potencia en forma de
"prdidas reactivas de potencia", que no disipan
calor, pero que estn ah.
La antena se modela comouna impedancia compleja.
=
= + + A
ZA=impedancia de la antena, en .
V= voltaje, en V.
I= corriente, en A.Rr =resistencia de radiacin, en
R=resistencia de prdidas, en
XA=reactancia de la antena, en
Impedancia de la antena.
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Resistencia de radiacin de la antena dipolo
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Impedancia del dipolo en funcin de su longitud
El dipolo de 0.95(/2) tiene una resistencia de radiacin de 70 .
(Blake, 2004)ANTENA DIPOLO
Resistencia de radiacin
Un dipolo corto (de una fraccin de ) y de bajasprdidas, tiene una impedancia compleja, compuesta por
una resistencia de radiacinde 2 y una reactanciacapacitiva de 1.900 .
Si la longitud del dipolo corto aumenta, su resistencia deradiacin se incrementa y su reactancia capacitiva
disminuye.
Cuando el dipolo alcanza /2de longitud, adquiere unaimpedancia compuesta por una resistencia de radiacinde 73 y una reactancia, que se vuelve inductiva, de 42,5
.
Si se disminuye en un 5% la longitud del dipolo, la
antena se vuelve resonante, es decir, la impedancia se
hace completamente resistiva, con una resistencia deradiacin de 70 y una reactancia de 0.
Impedancia del dipolo corto
= 2 1.900
= 73 + 42,5
Impedancia del dipolo de /2
Impedancia del dipolo de 0,95(/2)
ZA=impedancia de la antena, en .
Rr =resistencia de radiacin, en
= = 70
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3.- DIAGRAMA DE RADIACIN
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Pueden ser omnidireccionales o directivos
El patrn de radiacin es la forma caracterstica enque una antena radia energa.
(Kraus, 2000) (Anguera, 2008)
ANTENAS SEGN SU RADIACIN
Una antena se disea de modo que radie ms potencia en una
direccinque en otras.
La radiacin se concentra en un patrn con forma geomtrica
reconocible que se conoce como diagrama de radiacin o de campo.
Se habla de antenas omnidireccionalesy directivas.
Tipo Descripcin
Omni-
direccional
Ej.: antena dipolo. Su radiacin tiene forma similara un donut sin agujero, donde las puntas de losbrazos son puntos sordos hacia donde no radia.
Directiva Ej.: antena Yagi, bocina cnica. Tiene un patrnde radiacin similar al conode luz de un proyector.
Dipolo
Yagi
Bocina cnica
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Diagrama de radiacin con coordenadas
7www.coimbraweb.com
La radiacin se grafica en 3D
Si el diagrama es simtrico, es suficiente eldiagrama de plano principal.
DIAGRAMA DE RADIACIN
Con coordenadas esfricas
La radiacin se grafica en 3D, en funcin de lascoordenadas esfricas r, y a una distancia fija.Muestra la variacin del campo E.Como el campo Hse deriva delE, la representacinse realiza a partir de cualquiera de los dos, siendo
habitual que los diagramas se refieran al campo E.En campo lejano, la densidad de potenciaesproporcional al campo E, lo que hace que undiagrama de radiacin de campo contenga la mismainformacin que un diagrama de potencia.
Si el diagrama es simtrico alrededor de un eje, es
suficiente la representacin con cortes extrado del
diagrama en 3D para o constantes, y sedenominan planos principales (x-zo y-z).
3DCampo
Plano y-zPotencia
(Kraus, 2000) (Anguera, 2008)
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Parmetros del diagrama de plano principal
8www.coimbraweb.com Son cantidades de un solo valor.
Ejemplo 1.- Parmetros del diagrama directivo tpico
Lbulo principal. Es la zona en la que la radiacin es mxima.
Ancho de haz (BW3dB).Es el ancho del lbulo principal entre puntos de potencia media, 3dB: 20.
Nivel de lbulo secundario (SLL). Es el mayor de los mximos secundarios medido respecto al mximoprincipal: 13dB.
Relacin frente/atrs (F/B). Es la relacin en dB de la radiacin principal a la obtenida en la direccinopuesta: 20dB.
Ejemplo para una antena directiva
DIAGRAMA DE RADIACIN
Antenas directivas
En el diagrama se definen parmetros que describen elcomportamiento de la antena y permiten especificar su
funcionamiento. Son cantidades escalares necesarias para
disear antenas directivas.El campo Ese representa de forma relativa(normalizando el valor mximo a la unidad) y en escalalogartmica.
Un diagrama relativo logartmico tiene el mximo en 0dB y el resto de direcciones del espacio con dB negativos.Cuando la escala es logartmica, los diagramas de
campoy de potenciason idnticos.
(Blake, 2004)
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Ejemplos de diagramas de radiacin
9www.coimbraweb.com La antena dipolo es omnidireccional.
Dipolo
Yagi
Ejemplo 2.- Diagrama deantena dipolo
En el plano y-z se muestra el
diagrama de campo Eque esbidireccional.
En el plano y-x,
perpendicular al y-z, se
muestra el diagrama de campoHque es omnidireccional.
Ejemplo 3.- Diagrama deantena Yagi
En el plano y-z se muestra el
diagrama de campo Eque esdirectivo.
En el plano y-x,
perpendicular al y-z, se
muestra el diagrama de
campo Hque es directivo.
Pueden ser omnidireccionales o directivos
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4.- GANANCIA
1www.coimbraweb.com
Qu es la ganancia de la antena?
El radiador isotrpico se usa como punto de comparacin.
GANANCIA DE LA ANTENA
Conceptos
La gananciaes una indicacin de la capacidad de la antena para conducir lapotencia radiada en una determinada direccin.
Sera intil hablar de antenas si no se tiene algo con qu compararlas. Por eso
se cre el radiador isotrpico.El radiador isotrpico es una antena imaginaria omnidireccional que radiapotencia en forma de esfera perfectamente uniforme, con la misma intensidad en
todas las direcciones.
Se dice, por tanto, que una antena tiene gananciaen la direccin de mximaradiacin, cuando se compara con un radiador isotrpico.
EL RADIADOR ISOTRPICO
Densidad de potencia
Si se dibujara una esferaconcntrica al radiador, todala energa radiada pasara por la superficie de la esfera.
En consecuencia, la densidad de potencia sera lapotencia radiada o transmitida entre el rea de la
superficie de la esfera.
La potencia se dispersasobre una superficie msgrande a medida que aumenta la distancia.
Si=densidad de potencia isotrpica, en W/m2.
PT= potencia radiada o transmitida, en W.
r= distancia radial desde el radiador, en m.
=
42
Densidad de potencia isotrpica.
(Blake, 2004)
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GT= ganancia de la antena transmisora.
S= densidad de potencia transmisora, en W/m2
.
Si= densidad de potencia isotrpica, en W/m2.
PT= potencias radiada o transmitida, en W.
r= distancia radial desde la transmisora, en m.
Ganancia de la antena transmisora
11www.coimbraweb.com
Ejemplo para la antena dipolo
El i es por la referencia isotrpica.
Ejemplo 4.- Ganancia de antena dipolo
En general, la ganancia de una antena transmisora se calcula
comparando la densidad de potencia radiada en la direccin demxima radiacin, a una distancia dada, con la que radiara a esta
misma distancia un radiador isotrpico que radiase la mismapotencia.
La radiacin isotrpica (Gi =1) se utiliza como referencia. Unaantena con una ganancia superior a la isotrpica radiar ms
potencia en una direccin dada, en detrimento de otras, donde
radiar menos.
La antena dipolo radia 1,64 veces con mayor intensidad en ladireccin de mxima radiacin que un radiador isotrpico, por tanto
su ganancia es 10 log1,64 = 2,15 dBi. =S
S= 42
S
Se expresa en dBi
dBi
= 10 log
GANANCIA Y DIRECTIVIDAD
A veces se usa el trmino directividad, que noes lo mismo que ganancia.
La gananciapone de manifiesto el hecho de queuna antena real no radia toda la potencia que se le
suministra, si no que parte de sta se disipa en
forma de calor (R).
La gananciaes la directividadmultiplicada por
la eficiencia de la antena.
Ganancia de la transmisora.
(Blake, 2004) (Anguera, 2008)
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Ejemplos con densidad de potencia
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Para antenas de diferentes ganancias
Ganancia de la antena dipolo: 10 log 1,64 = 2,15 dBi
Ejemplo 5.- Densidad de potencia isotrpica
Se suministra 100 W de potencia a un radiador isotrpico. Calcule la
densidad de potencia que produce a un punto distante 10 km.
Respuesta Ejemplo 5
Si= 79,6 nW/m
2. En
trminos de radio, es una
seal bastante fuerte.
Ejemplo 6.- Densidad de potencia antena dipolo
Se suministra 100 W de potencia a una antena dipolo. Calcule la
densidad de potencia que produce a un punto distante 10 km en ladireccin de mxima radiacin.
Respuesta Ejemplo 6
S= 130,5 nW/m2.
Ejemplo 7.- Densidad de potencia antena Yagi
Se suministra 100 W de potencia a una antena Yagi de
12 dBi. Calcule la densidad de potencia que produce a unpunto distante 10 km en la direccin de mxima radiacin.
Respuesta Ejemplo 7
S= 1.260 nW/m2.
(Blake, 2004)
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Ejemplos con ganancia y diagramas
13www.coimbraweb.com
Para antenas de diferentes ganancias
Ejemplo 9.- Patrn de radiacin
Determine la ganancia y el ancho de haz para la
antena de la figura.
Ejemplo 8.- El dipolo estndar
Es una antena casi perfecta que tambin se usa como punto decomparacin. Se construye bajo un control estricto de laboratorio,garantizando que su construccin, materiales y comportamiento sean
idnticos a un estndar establecido para antenas dipolo.
Dos antenas tienen ganancias de 5.3 dBi y 4.5 dBd, respectivamente.
Cul tiene mayor ganancia?
Respuesta Ejemplo 8
La de 4.5 dBd = 6.65 dBi.
Respuesta Ejemplo 9
G = 3 dBd = 5,15 dBi.Ancho de haz = 70.
Ganancia del dipolo estndar: 10 log 1,64 = 2,15 dBi
(Blake, 2004)
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Ejemplos con ganancia y diagramas
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Para antenas de diferentes ganancias
El diagrama tiene el mximo en 0 dB.
Ejemplo 10.- Patrn de radiacin
Determine la ganancia y el ancho de haz para la antena dela figura.
Respuesta Ejemplo 11
a) G = 13,95 dBi; b)F/B =15 dB;
c)Ancho de haz = 44.
Ejemplo 11.- Patrn de radiacin
Para el patrn de antena en la figura, encuentre:
a) La ganancia de la antena en dBi.
b) La relacin frente-atrs en dB.
c) El ancho de haz para el lbulo principal.
Respuesta Ejemplo 10
G = 5 dBi.
Ancho de haz = 20.
(Blake, 2004)
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Aeq=rea equivalente de absorcin, en m2.
= longitud de onda de la onda, en m.
GR= ganancia de la antena receptora.
5.- REA EQUIVALENTE DE ABSORCIN
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Para la antena en recepcin
REA EQUIVALENTE DE ABSORCIN
Conceptos
Es el rea del cual la antena receptora absorbe potencia del frente de onda que pasa por ella, paraentregarla al receptor.
Es razonable pensar que la antena absorbe ms potencia si es ms grande, porque cubre un reams grande.
La antena es ms eficiente para absorber potencia desde una direccin que desde otra.Quiere decir, por tanto, que la antena receptora tiene ganancia, y la potencia que absorbe depende de su
tamao fsico y de su ganancia.Con base a la teora electromagntica, se demuestra que el rea equivalente depende de la ganancia de laantena y de la longitud de onda.
rea equivalente de absorcin.
=
S Aeq=rea equivalente de absorcin, en m2.P
R= potencia absorbida o recibida, en W.
S= densidad de potencia transmisora, en W/m2.
=
4
La ganancia es la misma si la antena se utiliza paratransmitir o recibir (principio de reciprocidad).
(Blake, 2004)
Ej l i l
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Ejemplos con rea equivalente
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Para antenas de diferentes ganancias
Una antena ms grande tiene mayor rea equivalente.
(Anguera, 2008)
Ejemplo 12.- Tamao del rea equivalente
El rea equivalente de una antena dipolo esproporcional al rea de un cuadrado cuyo lado es casiigual a la longitud de la antena.
En caso de la antena dipolo, los lados del cuadrado soncasi iguales a media longitud de onda.
El rea equivalente de las antenas parablicasusadas en microondas es proporcional al dimetro del
plato reflector, el cual enfoca la radiacin hacia la apertura.
Respuesta Ejemplo 13
a)Aeq.= 0,897 m2
b)PR= 5,95 pW .
Ejemplo 13.- rea equivalente de una antena
Una antena tiene una ganancia de 7 dBi con respecto a
un radiador isotrpico
a) Cul es su rea equivalentede absorcin si opera a200 MHz?
b) Cunta potencia absorbe de una seal con unaintensidad de campo de 50 mV/m?
(Blake, 2004)
P did l i lib
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Prdida en el espacio libre
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La onda se atena al propagarse en el espacio libre
Al alejarse de la transmisora, la onda se esparce sobre unama or re in en el es acio libre. Se atena.
(Frenzel, 2003)
PRDIDA EN EL ESPACIO LIBRE
Ecuacin de Transmisin de Friis
La utilidad del concepto de rea equivalente se demuestraal usarla para desarrollar la ecuacin de transmisin deFriis (H. Friis, Lab. Bell, 1946).
Esta ecuacin establece la prdida en el espacio libre, esdecir, la razn entre la potencia recibida y la potencia
transmitida.
Se obtiene al combinar las ecuaciones de la ganancia dela antena transmisora y del rea equivalente de absorcinde la antena receptora.
PR= potencia recibida, en W.
PT= potencia transmitida, en W.
GT= ganancia de la antena transmisora.
GR= ganancia de la antena receptora.
= longitud de onda de la onda, en m.r= distancia radial entre antenas, en m.
=
162
Ejemplo 14.- Potencia recibida
Un transmisor suministra una potenciade 150 Wa una frecuenciaportadora de 325 MHz. Se
conecta a una antena con una gananciade 12 dBi.La antena receptora est a 10 km de distanciaytiene una gananciade 5 dBi. Calcule la potenciaentregada al receptor, suponiendo propagacin de
espacio libre.
Respuesta Ejemplo 14
PR= 404 nW
Ecuacin de transmisin de Friis.
(Blake, 2004)
E i ti did l i lib
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Ecuacin prctica prdida en el espacio libre
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Se expresa en dB con el signo cambiado
PRDIDA EN EL ESPACIO LIBRE
Ecuacin prctica de Transmisin de Friis
Es comn expresar la ecuacin de transmisin de Friis en
trminos de prdidas en el espacio libre en dB con el signo
cambiado.
Por supuesto, la potencia recibida es ms dbil que la
transmitida, por lo que la prdida en dB es negativa.
Las antenas crean un efecto de amplificacin quecompensan parte de las prdidas.
Ejemplo 15.- Potencia recibida
Un radiotransmisor celular suministra una potenciade 3W a 800 MHz. Utiliza una antena con una gananciade 3dBi. El receptor est a 5 km de distancia, con unagananciade antena de 12 dBi. Calcule la potenciarecibida en dBm.
Respuesta Ejemplo 15
PR=54.7 dBm.
Prdida con el signo cambiado.
(dB) = 10 log ()
(W)
(dB) = 92,44 + 20 log km + 20 log GHz dBi (dBi)
= prdida en el espacio libre, en dB.
r = distancia radial entre antenas, en km.
f = frecuencia de operacin, en GHz.
GT= ganancia de la transmisora, en dBi.
GR= ganancia de la receptora, en dBi..
(Blake, 2004)
Las antenas crean un efecto de amplificacin.
Ej l did l i lib
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Ejemplos con prdidas en el espacio libre
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Antenas de diferentes ganancias
Las antenas crean un efecto de amplificacin.
Ejemplo 16.- Potencia recibida
Un transmisor satelital opera a 4 GHz con una ganancia
de antena de 40 dBi. El receptor situado a 40.000 km tiene
una ganancia de antena de 50 dBi. Si el transmisor tiene
una potencia de 8 W, calcule la potencia recibida.
Respuesta Ejemplo 16
PR=67,49 dBm.
(dB) = 92,44 + 20 log km + 20 log GHz dBi (dBi)
Ejemplo 17.- Potencia recibida
Un transmisor y un receptor que operan a 6 GHz estn
separados por 40 km. Calcule la potencia que se entrega
al receptor si el transmisor suministra una potencia de 2
W, la antena transmisora tiene una ganancia de 20 dBi y la
receptora de 25 dBi.
Respuesta Ejemplo 17
PR=67,49 dBm.
(Frenzel, 2003)(Blake, 2004)
Bibli f
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FINEdison Coimbra G.
ANTENAS YPROPAGACIN DE ONDAS
Tema 3 de:
BibliografaCules son las referencias bibliogrficas?
BibliografaAnguera, J. & Perez, A. (2008). Teora de Antenas.Barcelona: La Salle OnLine
APC, Asociacin para el progreso de las comunicaciones (2007).Redes Inalmbricas en los Pases enDesarrollo.Mountain View, CA. USA: Limehouse Book Sprint Team.
Blake, Roy (2004). Sistemas electrnicos de comunicaciones .Mxico: Thomson.
Forouzan, B. A. (2007). Transmisin de datos y redes de comunicaciones.Madrid: McGraw-Hill.
Frenzel (2003). Sistemas Electrnicos de Comunicaciones.Madrid: Alfaomega.
Kraus, J., & Fleisch, D. (2000). Electromagnetismo con Aplicaciones.Mxico: McGraw-Hill.
Miranda, J. M. & otros (2002). Ingeniera de Microondas.Madrid: Prentice Hall.
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