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Aldea Tamanaco.IngenieríaEléctrica.

3doTrimestre.Tema 3

ANTENAS RESIDENCIALES:Tipos de antenas residenciales: Multicanal, Yagi-Uda, dipolo normal. Tipos de cables plano de 300 ohm

y/o coaxial. Adaptador de impedancia (Balum), conexiones típicas Coaxial tipo f y terminales.

1. ANTENA RESIDENCIAL:

Una antena es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.

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). También es una antena la que está integrada en la computadora portátil para conectarse a las redes Wi-Fi.

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.

PARÁMETRO DE UNA ANTENA.

Las antenas se caracterizan por una serie de parámetros, estando los más habituales descritos a continuación:

Diagrama de radiación

Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación). Lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Atendiendo al diagrama de radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional,…) Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiación con polaridad contraria a la que ya tiene.

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagrama_gen_rad.JPG

Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.

Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.

Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.

Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad.

Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.

Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.

Ancho de banda:

Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.

Directividad:

La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.

La Directividad no tiene unidades y se suele expresar en unidades logarítmicas (dBi) como:

Ganancia:

Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.

La unidad de Ganancia (G) de una antena es el dBd o dBi, dependiendo si esta se define respecto a un dipolo de media onda o a la isotrópica.

Eficiencia:

Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena.

También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.

El parámetro e (eficiencia) es adimensional.

Impedancia de entrada:

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de

Entrada. . La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.

Anchura de haz:

Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.

Polarización:

Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).

En el marco de antenas se define un coeficiente de desacoplo por polarización. Este mide la cantidad de

potencia que es capaz de recibir una antena polarizada de una forma con una longitud efectiva de un

campo eléctrico incidente con una determinada polarización . De este modo, el coeficiente de desacoplo por polarización se define como:

De esta manera, obtenemos la fracción de potencia que finalmente la antena es capaz de recibir, multiplicando la potencia incidente en la antena por este coeficiente definido anteriormente, de la forma:

Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.

En antenas profesionales de comunicaciones por satélite, es habitual que una misma antena trabaje con ambas polarizaciones ortogonales a la vez, de modo que se duplique el ancho de banda disponible para la señal en el enlace. Para ello, se coloca junto al alimentador un transductor ortomodo, que dispone de un puerto de guiaondas circular conectado a la bocina y dos puertos de guiaondas rectangulares ortogonales, cada uno de los cuales trabaja en una polarización distinta. Si, en cada uno de estos puertos, se coloca un

diplexor, que separe las bandas de frecuencia de emisión y recepción, se tratará de un alimentador de cuatro puertos con el que una misma antena será capaz de emitir y recibir en ambas polarizaciones simultáneamente. En otras ocasiones, estas antenas disponen de solo dos puertos, uno para emitir en una polarización y el otro para recibir en la polarización opuesta.

Relación Delante/Atrás:

Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta.

Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiación y el nivel de radiación a 180 grados. Este parámetro es especialmente útil cuando la interferencia hacia atrás es crítica en la elección de la antena que vamos a utilizar.

Esta relación, además lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las señales provenientes de la parte trasera. Rara vez es verdaderamente importante, ya que las interferencias por la parte trasera no ocurren habitualmente, pero puede suceder.

La relación F / B no es un número muy útil, ya que a menudo varía enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrón de radiación, entonces no se necesita la relación F/B.

Comparando una antena yagui con una parabólica, podemos ver que para la antena yagui tenemos una relación F/B de aproximadamente 15 dB (según modelo y fabricante) mientras que para la parabólica la relación F/B es >35dB (según modelo y fabricante). De esta forma observamos cómo es "de buena" una antena respecto al rechazo de señales por la parte trasera. Cuanto mayor sea este parámetro en las antenas parabólicas mejor será.

Los 15 dB de la antena yagui lo podemos interpretar también como la atenuación que tendríamos en el sistema, en caso de captar una onda rebotada por ejemplo de un edificio, por la parte trasera de esta.

Resistencia de radiación:

Cuando se le suministra potencia a una antena, parte de ella se irradia y otra parte, se convierte en calor disipándose. Cuando se habla de resistencia de radiación, se hace teniendo en cuenta que no se puede medir de forma directa.

Si se reemplaza la antena por la resistencia de radiación, esta, haría su trabajo, es decir, disiparía la misma cantidad de potencia que la irradiaría la antena. La resistencia de radiación es igual a la relación de la potencia radiada por la antena dividida por el cuadrado de la corriente en su punto de alimentación.

Siendo:

Rr= Resistencia de radiación (Ohms)

P = Potencia radiada por la antena (Watts)

i = Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes)

Se podría obtener la eficiencia de una antena, dada que es la relación de la potencia radiada y la potencia disipada.

2. TIPOS DE ANTENAS:

ANTENA COLECTIVA: Antena receptora que, mediante la conveniente amplificación y el uso de distribuidores, permite su utilización por diversos usuarios.

E- Borne de entrada, S- Borne de salida, D- Borne de derivación, C- Cable coaxial 75 /mt

ANTENA DE CUADRO: Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría.

ANTENA DE REFLECTOR O PARABÓLICA: Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.

ANTENA LINEAL: La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición vertical.

ANTENA MULTIBANDA: La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias.

DIPOLO DE MEDIA ONDA: El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo de 2 MHz, la longitud física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena de Hertz.

Una antena de Hertz es una antena resonante. O Sea, es un múltiplo de un cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante.

Por lo tanto en los extremos hay un máximo voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de alimentación está en el centro de la antena, la impedancia de entrada es E mínimo / I máximo y un valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena de E máximo /I mínimo y un valor máximo.

La impedancia varia de un valor máximo en los extremos de aproximadamente de 2500 W a un valor mínimo en el punto de alimentación de aproximadamente 73 W (de los cuales entre 68 y 70 W es la impedancia de radiación).

El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la localización horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie de la tierra.

Esquema de Ganancia de la Antena Yagi

3. ANTENAS MULTICANAL:

Yagi-Uda: Es una antena dipolo a la cual se le añaden unos elementos llamados: Directores y Reflectores para hacerla más direccional. Los elementos directores se colocan delante de la antena y refuerzan la señal en el sentido de emisión. Los elementos reflectores se colocan detrás y bloquean la captación de señales en la dirección opuesta al emisor.

Esta es la que más demanda tiene, por ser de fácil construcción y porque tiene muy buena ganancia, además de ser la más direccional que hay, por los varios elementos directores que tiene. Como cada elemento tiene una función específica, vamos a tratar de explicarlos en resúmen.

DIPOLO: Es el elemento principal de la antena, pues es el encargado de captar la energía (ondas electromagnéticas). Esto lo puede hacer por la parte posterior o la anterior.

REFLECTOR: La función de este elemento es impedir que el dipolo capte energía por la parte posterior (con esto se evita la imágen fantasma). De tal manera que el dipolo recibe señales en una dirección.

DIRECTOR: Este elemento aumenta la direccionalidad de la antena, además de la ganancia. Aumenta la captación hacia adelante de la antena. Pueden agregarse más elementos directores, lo que haría más direccional a la antena, pero el máximo de elementos aconsejables para una antena son diez.

Una antena debe cumplir con varios requisitos, como por ejemplo: Longitud de los elementos, distancia e impedancia entre estos. Como el tamaño de los elementos y su separación están relacionados con la frecuencia, cada canal tendrá una antena de tamaño diferente.

FRECUENCIAS DE LOS CANALES DE TELEVISION: Los canales están divididos en 2 grupos:

CANALES BAJOS Y ALTOS, dependiendo si son de baja o alta frecuencia, a continuación te describo las frecuencias:

CANALES BAJOS:

Canal 2 frecuencia: 54 - 60 Mhz




CANALES ALTOS:








Si vemos la lista de canales, notamos que el ancho de banda de cada canal es de 6 Mhz, con una onda portadora común para el sonido, la imágen y los pulsos de sincronismo.

Si vamos a construir una antena, debemos de tener en cuenta que la frecuencia escogida para las fórmulas es la frecuencia promedio, ejemplo: canal 3, Frecuencia promedio: = 63 Mhz (60 + 66 = 126 dividido 2 = 63).

FORMULA PARA CALCULAR UNA ANTENA:

REFLECTOR = 150 dividido entre la frecuencia en Mhz. = metros.

DIPOLO = 142.5 dividido entre la frecuencia en Mhz. = metros.

PRIMER DIRECTOR = 135 dividido entre la frecuencia en Mhz. = Metros

F = frecuencia promedio en Mhz.

Metros = Longitud de los elementos.

Para calcular el segundo director se toma la longitud del primero y se le resta la longitud del primero y se le resta otro 3% a su medida.

Para calcular el tercer director se toma la longitud del segundo y se le resta otro 3% a su medida.

COMO EJEMPLO, CALCULEMOS UNA ANTENA PARA EL CANAL 3:

La frecuencia central del canal es de 63 Mhz. Para saber la longitud de los elementos, haremos los siguientes cálculos:

REFLECTOR = 150 dividido 63 = 2.38 metros, DIPOLO = 142.5 dividido 63 = 2.26 metros.

PRIMER DIRECTOR = 135 dividido 63 = 2.14 metros.

SEGUNDO DIRECTOR = 131 dividido 63 = 2.08 metros.

TERCER DIRECTOR = 128 dividido 63 = 2.03 metros.

Si necesitáramos más directores, se harán de la misma medida que el tercero (los directores hacen más sensible a la antena). Analizando los resultados vemos que el dipolo es 5% más pequeño que

el reflector, el primer director, 5% menor que el dipolo, que el segundo o director 3% menor que el primero y el tercero, 3% menor que el segundo director.

Ahora ya sabemos cuáles son las medidas de los elementos de nuestra antena. Sin embargo, otra de las condiciones para que una antena sea efectiva, es la separación entre estos. Esta distancia la podemos averiguar por medio de las fórmulas siguientes (tomamos como base el largo del reflector):

Fórmulas

DISTANCIA 1 = 238 dividido entre 2.7 = 88 centímetros




También debemos de tomar en cuenta la IMPEDANCIA, la cual deberá ser de 300 ohmios, por supuesto que ésta varía, según el número de elementos de la antena, por ejemplo: Un dipolo plegado simple tiene una impedancia de 300 ohmios, cuando le agregamos un reflector y un director, la impedancia baja a 250 ohmios aproximadamente, lo cual se considera correcta para acoplarse a un televisor. Cuando construimos la antena con 5 elementos, la impedancia baja a 140 ohmios, para evitar pérdidas por falta de acoplamiento se acostumbra colocar un elemento extra que hace subir nuevamente la impedancia a 300 ohmios. También se puede aumentar la impedancia aumentando el diámetro de la parte superior del dipolo, el doble del diámetro.

CONSEJOS BÁSICOS ACERCA DE LA TVI: Si su hogar y estación experimenta repetidamente ataques a piedrazos presuntamente debido a interferencias de RF en los televisores de vecinos, pruebe las siguientes contramedidas:

* La longitud del cable coaxial deberá ser siempre al equivalente a múltiplos de 1/4 de onda.

* Una buena toma a tierra lo más corta posible. Puede arrancar una toma desde algún punto del coaxial que coincida con 1/4 de onda, pelando el forro y conectándose con la malla.

* A la salida casi inmediata de la antena arrollar o embobinar el coaxial mediante una o dos vueltas sobre un diámetro de 2 a 4 pulgadas.

* Usar filtros de paso bajo.

PARÁMETROS Y EJEMPLO PARA UNA YAGI 3 ELEMENTOS

Frecuencia central de gestión en 27.550 Mhz (puede usarse cualquier frecuencia HF)

DIRECTOR: = 138,3 : 27,55 = 5,02 mts.

DIPOLO O DRIVEN: = 144,6 : 27,55 = 5,25 mts.

REFLECTOR: = 150,5 : 27,55 = 5,46 mts.

Espaciado del Reflector al Driven: 41,36 :27,55 = 1,50 mts

Espaciado del Director al Driven: 43,19 :27,55 = 1,57 mts.

Diámetro promediode los elementos = 2,5 cms.

Para llegar a éstos factores de cálculo se hicieron pruebas por mucho tiempo en base a programas de computación generados en teorías de sistemas direccionales de Quintana Moreno, William Orr y Stuart Cowan, más el aporte empírico personal.

De esta forma se configuraría la mejor opción de eficiencia en la relación Ancho de Banda versus Decibelaje.

Puede ser considerado éste cálculo como referencial, del cual habría que respetar en lo posible sus medidas. De allí en adelante los sistemas de adaptación de impedancia, balanceo de línea coaxial, filtros, trampas de choke, etc; quedan al albedrío del usuario, pues no alteran mayormente las características de la antena.

Si se opta por mayor comodidad de trabajo y no utilizar adaptadores gama, omega, delta, etc; se sugiere la asistencia de una caja auxiliar de sintonización de antena, trasmacht, o sintonizador. En tal caso tendríamos que cortar el dipolo o driven en su centro para situar en los dos puntos de ataque un balún de relación 1:1. De esta forma podríamos incluso lograr la resonancia con una ganancia aceptable en el espectro de 26 a 29 MHz.

DIPOLO NORMAL: En su versión más sencilla, el dipolo consiste en dos elementos conductores rectilíneos colineales de igual longitud, alimentados en el centro, y de radio mucho menor que el largo.

La longitud del dipolo es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de resonancia del dipolo, y puede calcularse como 150/frecuencia(MHz). El resultado estará dado en metros.

A causa del efecto de bordes la longitud real será algo inferior, del orden del 95% de la longitud calculada.

Ejemplo: Para obtener una antena resonante en la Banda de 10m, a la frecuencia de 28,9 MHz, el dipolo tendrá teóricamente 5,21 metros de largo. En la práctica, el largo real físico del dipolo será algo menor, del orden de 4,95m.

La longitud real del dipolo a la frecuencia de resonancia dependerá de muchos otros parámetros, como el diámetro del conductor, o bien la presencia de otros conductores a proximidad.

En el espacio ideal y a una distancia de la tierra mayor a varias longitudes de onda, la impedancia del dipolo simple es de 73 Ohm.

4 TIPOS DE CABLES PLANO DE 300 OHM Y/O COAXIAL:

El Cable plano de 300 Ohm para televisión viene dado en diferentes modelos el negro para la intemperie mientras que el transparente está

hecho para interiores. Estos cables fueron diseñados para evitar de construir cables y equipos que funcionaran a los 300 Ohm que dan las antenas.

El cable coaxial fue creado en la década de los 30, y es un cable utilizado para transportar señales eléctricas de alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la información, y uno exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante. El conductor central puede estar constituido por un alambre sólido o por varios hilos retorcidos de cobre; mientras que el exterior puede ser una malla trenzada, una lámina enrollada o un tubo corrugado de cobre o aluminio. En este último caso resultará un cable semirrígido. Debido a la necesidad de manejar frecuencias cada vez más altas y a la digitalización de las transmisiones, en años recientes se ha sustituido paulatinamente el uso del cable coaxial por el de fibra óptica, en particular para distancias superiores a varios kilómetros, porque el ancho de banda de esta última es muy superior.

ADAPTADOR DE IMPEDANCIA (BALUM) CONEXIONES TÍPICAS: Se denomina balún (del inglés balanced-unbalanced lines transformer) a un dispositivo adaptador de impedancias que convierte líneas de transmisión simétricas en asimétricas. El balún, además de su función de simetrización de la corriente, también puede tener un efecto de adaptación de impedancias. La

relación de impedancias se denota así: n: m.Ejemplo: 1:4.

Nota:Los balunes, usados como adaptadores de impedancias, son reversibles. Por lo tanto, 1:4 es lo mismo que 4:1.La potencia que puede transmitir un balún depende tanto de la geometría como del material con el que está construido.

Si se usa un balún con núcleo de ferrita, pasada cierta potencia, el material se recalienta; si la temperatura sobrepasa la Temperatura de Curie del material, el balún pierde sus propiedades.Para evitar este problema, algunos baluns se hacen con núcleo de aire; sin embargo, el precio a pagar es que a potencia igual, es preciso construir bobinas demasiado grandes como para ser prácticas.

El balún no genera potencia. En cambio, todo balún tiene pérdidas. Se le llama pérdida de inserción a la atenuación sufrida por la señal a la salida del dispositivo. Una pérdida de inserción típica en un balún es de 0,3 dB. Existen distintas maneras de construir prácticamente un balún.

[Editar]Balun de pastillas huecas. En estos baluns, se hace pasar un cable coaxial dentro de pastillas huecas de un material ferromagnético, lo que da un balún de relación de impedancias 1:1.Es la solución utilizada por la antena Buddipole.[Editar]Balun toroidalEn estos baluns, el campo magnético se confina dentro de un toroide. La ventaja de los toroides es que por su geometría y su material, confinan muy bien el campo magnético, limitando así las pérdidas. Se pueden construir baluns de diferentes relaciones de impedancias, como 1:1 o 1:4, por ejemplo.El balún toroidal es la solución utilizada en la mayoría de los baluns comerciales.[Editar]Balun de cable coaxial. En estos baluns, la adaptación de impedancias se logra mediante la conexión de cables coaxiales cortados a una longitud múltiplo de /4. Estos baluns funcionan en un rango muy estrecho de frecuencias (algunas unidades por ciento), lo que los convierte de hecho también en filtros. Los baluns de cable coaxial son utilizados sobre todo en VHF o UHF, ya que en HF las longitudes de cable (algunas decenas de metros) no serían prácticas.En cambio, en VHF o UHF se usan longitudes de cable entre algunos centímetros y un metro de largo.5

5 CONEXIONES TÍPICAS COAXIAL TIPO F Y TERMINALES.

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