Parámetros fundamentales en Antenas

Una antena es un sistema de conductor metálico,
el cual tiene la capacidad para radiar y capturar las ondas
electromagnéticas. Su finalidad es conectar las
líneas de transmisión haciendo uso del espacio
libre, mediante la aceptación de la energía entre
los extremos del proceso de comunicación. Es mediante la
antena, que las señales eléctricas son convertidas
en ondas electromagnéticas. Su funcionamiento, se basa en
los principios de líneas de transmisión, con la
característica de que los extremos de las mismas se
apartan para dar origen a dos polos (dipolo) en función a
la longitud de la onda a transmitir.

En este sentido, Tomasi (2003) refiere que: "una antena
básica es un dipolo reciproco pasivo" (p. 371). Se
consideran elementos pasivos del sistema de radiocomunicaciones
dado a que no amplifican la señal, a pesar de tener
ganancia; por otro lado, es recíproco dado a que sus
características (directividad, frecuencia de
operación, ancho de banda, resistencia interna,
eficiencia, entre otros) son similares tanto para
transmisión como para recepción.

Para la transmisión, estas deben manejar altos
niveles de potencia; este aspecto debe influir en la
consideración de su material de construcción, cosa
que no sucede en la recepción en la cual los niveles de
voltaje y corriente son muy pequeños, de allí que
se puede construir con alambres de diámetro
pequeño, o inclusive utilizar la misma antena para ambas
finalidades.

Patrón de
radiación

Consiste en una representación polar de las
intensidades de campo en relación a las posiciones
angulares, respecto a una antena en particular; es decir una
muestra del comportamiento de la ración de una antena.
Esta se puede encontrar en término de la intensidad de
campo eléctrico o de la densidad de potencia, a la cual es
comúnmente referida como grafica de ración
absoluta.

El patrón de radiación se puede
representar desde la óptica de la elevación o del
azimut, de tal manera que el patrón de elevación
constituye la representación de la energía radiada
por la antena vista desde el perfil y el patrón del azimut
la representación de la energía radiada vista desde
un plano superficial.

En la siguiente figura se muestran el esquema de un
patrón de radiación de un dipolo
genérico:

Figura 1. Patrones de radiación a)
Patrón de elevación de un dipolo genérico b)
Patrón de azimut de un dipolo genérico c)
Patrón de radiación 3D

Por otro lado, se pueden considerar diferentes casos en
el estudio de los diagramas de radiación, estos son: a) el
patrón isotrópico, el patrón direccional, y
el patrón omnidireccional, dependiendo de la forma en que
se presente la radiación de la antena. El patrón
isotrópico está referida al producido por una
antena hipotética la cual no posee perdidas e irradia
energía en todas las direcciones; el patrón
direccional al producido por una antena en una dirección
específica, y que depende de la dirección angular
en el plano azimutal y/o el plano de elevación; y el
patrón omnidireccional el producido no direccional en un
plano y direccional en el otro.

Asimismo, en estos diagramas se pueden evidenciar formas
de lóbulos de radiación, los cuales constituyen el
área del patrón que se rodea por las regiones de
baja intensidad de radiación. En sentido general, los
lóbulos se clasifican en principales y secundarios, y
estos últimos en laterales y posteriores. En la siguiente
imagen se muestra una representación de los patrones de
radiaciones indicados:

Figura 2. Patrones de radiación:
a) isotrópico, b) omnidireccional, c) directivo

Para finalizar la descripción de los diagramas de
radiación, se deben considerar las regiones de campo las
cuales, se componen por una parte real y una parte imaginaria. La
parte real es denominada potencia radiactiva y puede ser
transferida de un medio a otro; contrario a esto, la parte
imaginaria se conoce como potencia reactiva y no puede ser
transferida entre los medios, por lo cual permanece en
oscilación alrededor de los campos.

En este orden de ideas, tomando en cuenta las regiones
que rodean los campos se pueden definir tres tipos de regiones:
a) la región de campo cercano reactivo; b) la
región de Fresnel o de campo cercano radiante y; c) la
región de Franhofer o de campo lejano.

Figura 3. Patrón de
radiación para una antena genérica

Polarización

El establecer la polarización de la antena
requiere tener en cuenta las componentes electromagnéticas
(campos eléctricos y magnéticos) función del
sentido de propagación de las ondas. De allí que la
polarización puede ser lineal, circular
elíptica.

En la polarización lineal las variaciones del
campo eléctrico se contienen en una sola dirección;
de otra manera, en la polarización circular el vector de
campo eléctrico describe una trayectoria circular, cuya
descripción depende del sentido de rotación; y la
polarización elíptica, la trayectoria descrita es
elíptica.

Un aspecto de gran importancia a considerar es que la
determinación de la polarización y sus medidas se
deben realizar en la zona lejana de la antena para visualizar que
la misma no cambie con la distancia.

Por otro lado, dependiendo del tipo de
polarización se plantean la transmisión y la
recepción, tal que una antena solo puede recibir un tipo
de ondas de acuerdo a la polarización que esta tenga, cuyo
caso contrario ocasiona pérdidas de potencia y por ende de
información.

Directividad

La directividad es la razón de la intensidad de
radiación en una dirección dada a la intensidad de
radiación promediada en todas las direcciones, tal que se
determina por la relación:

Este patón se puede obtener en general partiendo
del diagrama de radiación de la antena y permite analizar
la zona del diagrama de radiación de la antena en la cual
se concentra la mayor intensidad de potencia, con referencia al
resto del patrón de radiación.

Ganancia

Dado que las antenas, constituyen elementos pasivos,
estos no puede realizar ningún proceso de
amplificación; en este sentido, la ganancia constituye un
parámetro similar a la directividad.

La directividad toma en consideración las
propiedades direccionales de la antena, de allí su
dependencia con respecto al patrón de radiación,
mientras que la ganancia toma en consideración las
propiedades direccionales de la misma, tales como la
eficiencia.

La ganancia, se define como la razón de la
intensidad de radiación en cualquier dirección a la
radiación de intensidad que se obtiene al recibir potencia
por antena y radiarla de manera isotrópica. De allí
que, ésta se expresa por la relación:

Impedancia

En general, se le denomina impedancia a la oposición
que presentan todos los materiales al flujo de corriente alterna,
la cual es análoga a la resistencia en corriente continua.
Las antenas no son ajenas a este fenómeno, y generalmente
tienen una impedancia característica entre 50 y 75
Ohmios.

Sin embargo, en la determinación de este valor se debe
tener en cuenta el factor añadido por los conectores y el
cableado. De allí que en los sistemas de comunicaciones se
debe tener especial cuidado en las adaptaciones, dado a que estas
pueden introducir reflexiones indeseadas y perdidas.

La impedancia es representada por la letra Z y se compone de
un número complejo cuya parte real constituye una
resistencia y la parte imaginaria una reactancia. Asimismo, en
razón a la Ley de Ohm, se obtiene a partir del cociente de
la diferencia de potencial entre la intensidad de corriente.

La resistencia (parte real) proviene de la suma de la
resistencia de radiación y la resistencia óhmica;
la resistencia de radiación se obtiene de relación
entre la potencia total radiada y el valor eficaz de la corriente
en sus terminales de entrada elevada al cuadrado, mientras que la
resistencia óhmica se obtiene de la relación entre
la potencia disipada por efecto de las perdidas resistivas y la
corrientes terminales al cuadrado.

Distribución de
corriente

La distribución de corriente en las antenas
describe la forma en que se toma la corriente (amplitud y fase)
en la propia estructura; la cual es determinada por las
condiciones de contorno establecidas en las Leyes de Maxwell del
electromagnetismo clásico. De tal manera que, es una
propiedad de la geometría de la estructura, así
como del punto de excitación de la línea de
transmisión.

Para su determinación se debe tener en cuenta que
el transmisor, a través de la línea imprime una
corriente en el terminal de entrada a la antena, el cual se
extiende a lo largo de la misma, tal como si fuesen corrientes
superficiales. Evidentemente que, dichas corrientes generan un
campo eléctrico y magnético, que afecta la
conductividad en el elemento radiante, la cual tiende a ser muy
alta.

Las precitadas corrientes, varían en la
estructura y originan una onda que se expande en el espacio a
través del aire, modelando la atmósfera como un
elemento vacío (sin permitividad, ni
permeabilidad)

Temperatura de
antena

La temperatura es un parámetro que describe la
cantidad de ruido que una antena produce en un determinado
entorno, la cual depende de la ganancia de la misma y del
ambiente térmico en el que se encuentra la antena. Cabe
destacar, que este elemento varía en función a la
orientación de la antena con respecto a la incidencia de
los elementos externos en la misma, tal que consiste en el
promedio de todas las temperaturas alrededor de la
misma.

Por otro lado influye en la determinación de la
potencia de ruido, cuyo análisis es similar al ruido
térmico producido en los sistemas de comunicación
por efecto de la agitación de electrones en
proporción al ancho de banda tal que la potencia de ruido
se expresa por la relación ; donde K representa la constante de Boltzmann
y B el ancho de banda. La ecuación para determinar la
temperatura de la antena se corresponde a la
siguiente:

Cuyo razonamiento parte de una antena isotrópica,
tal que la antena se integra dentro de una región
esférica.

Acopladores

Los acopladores de antenas o "transmatch" son utilizados
para la alimentación de las antenas cuando estas se
encuentran fuerza de su frecuencia de diseño. Asimismo, se
utilizan para antenas multi bandas, en líneas resonantes y
cuando los conductores tienen demasiada longitud y se conectan
directamente a los equipos transmisores de radio.

Su función es transformar la impedancia de la
línea de transmisión para adecuarla al valor de la
impedancia de los equipos de radio (aproximadamente 50 Ohmios), y
con ello eliminar o reducir la irradiación de
armónicas y sintonizar la línea de
transmisión.

Existen diferentes circuitos con esta finalidad,
capacitivos e inductivos. Sin embargo requieren de la
adaptación de un balun, el cual constituye un dispositivo
adaptador de impedancias que convierte las líneas no
balanceadas en líneas balanceadas. Adicionalmente se
requiere adaptar un medidor de ROE (relación de onda
estacionaria). Los siguientes dos esquemas circuitales se
corresponden a dos acopladores de antena:

Figura 4. Acoplador de antena y
balun.

Antenas para VHF
y para UHF

Los parámetros anteriormente descritos son
fundamentales para seleccionar un cierto tipo de antenas en
función a la banda de frecuencia de trabajo, por ejemplo
las antenas tipo Yagi se caracterizan por su sensitividad a la
frecuencia, lo cual afecta obviamente su funcionamiento para un
determinado rango; de hecho su construcción depende de la
longitud de onda y esta consecuentemente de la frecuencia, lo
cual inclusive interviene en el tamaño de la
misma.

En este sentido, la frecuencia de operación
afecta el diámetro del conductor y su anchura inclusive.
Referente al patrón de radiación, para antenas VHF
un patrón omnidireccional puede insertar ruido e
interferencia, dada la multiplicidad de elementos transmisores
presentes en esa banda, por lo cual para transmisiones VHF es
recomendable incorporar una antena cuyo patrón sea
directivo. La instalación de las antenas también
interviene en su comportamiento, dado a que en las antenas VHF
intervienen las pérdidas de línea, y estas se
incrementan con la frecuencia. De acuerdo a la frecuencia de
operación, las antenas se pueden clasificar en antenas de
abertura, de redes, de onda progresiva y elementos de corriente.
En la siguiente gráfica se puede observar el
comportamiento frecuencial de estos tipos de antenas:

Figura 5. Ubicación de los tipos
de antenas según su frecuencia de
operación

Dado que la frecuencia afecta el tamaño de las
antenas, en la siguiente gráfica se aprecia el
tamaño de las antenas según su
clasificación:

Figura 6 .Tamaño de las antenas
según su clasificación

Finalmente se muestran los diferentes tipos de antenas y
su estructuración de acuerdo a la clasificación
general:

Figura 7. Tipos de antenas en el contexto
de la clasificación general

Arreglo de
antenas

Se entiende como un conjunto de antenas simples, las
cuales se encuentran unidas bajo (generalmente) las mismas
condiciones y que se orientan en la misma dirección; estas
se disponen cercanas las unas con respecto a las otras y cada una
es manejada por un mismo sistema de separación o
combinación de señal.

Los arreglos de antenas son de gran uso para sistemas de
comunicaciones que requieren un patrón directivo de gran
extensión dado a que permiten incrementar el patron de
radiación por medio de la suma de los campos electricos de
cada antena que forma parte del mismo, asimismo, para obtener
dicho patron de radiación se deben tener en cuenta la
configuración geometrica (lineal, plana o circular) de las
antenas, la distancia de separación entre los elementos,
la amplitud y la fase de excitación de cada elemento y el
patrón de radiación relativo de cada
elemento.

Los arreglos lineales se componen de varios elementos
radiantes los cuales se colocan en línea recta. Estos son
considerados como un filtro espacial que pasa las señales
de una cierta dirección y rechaza las señales de
las otras direcciones. Su formación puede ser con
elementos alimentados por corrientes de igual magnitud, con un
desfase uniforme y progresivo de la línea, con los
elementos dispuestos equidistantes, el cual es conocido como
arreglo uniforme.

Otro tipo de arreglos es el arreglo transversal o
Broadside en el cual las corrientes que circulas por todas las
antenas están en fase, y la distancia entre cada antena se
corresponde a la mitad de la longitud de onda; también
existe un arreglo enfire o arreglo axial en el que la distancia
entre las antenas se corresponde a un cuarto de la longitud de
onda. Entre otros tipos de arreglos se pueden mencionar los
arreglos de haz conmutado y los adaptativos

Referencias

Balanis, C. (1997). Antenna Theory, Analysis and
Design, 2nd ed. John Willey & Sons,
Canada.

Tomasi, W (2002). Sistemas de Comunicaciones
Electrónicas, 4ta. Ed. Pearson,
México.

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Funcionamiento [En línea], Disponible en:
http://www.wni.mx/, Consulta realizada (Noviembre, 13 de 2013).
México.

Hernández, R. (2008). Diseño,
simulación y construcción de antenas tipo parche
para bluetooth y Wi-fi, bandas 2,4 GHz y 5,8 GHz.
Universidad de las Américas Puebla. [En línea],
Disponible en: http://catarina.udlap.mx/, Consulta realizada
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Politécnica de Valencia. [En línea], Disponible en:
http://www.upv.es/, Consulta realizada (Noviembre, 13 de
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Solares, C. (2004). Antenas. [En
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Consulta realizada (Noviembre, 13 de 2013).

Osuna, R (s/f). Antenas. [En
línea], Disponible en: http://www.profesoraulosuna.com/,
Consulta realizada (Noviembre, 13 de 2013).

Autor:

Ing. Héctor Martínez

FACILITADORA:

MSC. LILIANA JORQUERA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA

ANTONIO JOSÉ DE SUCRE

VICERRECTORADO BARQUISIMETO

DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y
POSTGRADO

BARQUISIMETO, NOVIEMBRE, 2013