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ANTENAS Valentino Trainotti, IEEE Life Senior Member, BTS-DL Con colaboración de: Gonzalo Figueroa, IEEE Student Member Nicolás Tempone, IEEE Student Member Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Argentina
Secretaría de Investigación y Doctorado
Facultad de Ingeniería Secretaría de Investigación y Doctorado
Breve cronología histórica • • • • •
William Gilbert Benjamin Franklin Charles Augustin Coulomb Alessandro Volta Hans Christian Oersted
1600 1750 1780 1800 1819
• • • • • •
Andre Marie Ampère George Simon Ohm Michael Faraday Joseph Henry James Clerk Maxwell Heinrich Rudolph Hertz
1823 1825 1831 1831 1873 1888
Electroscopio De Magnete Ley de conservación Ley entre cargas Celdas y baterías Electricidad produce magnetismo Electrodinámica Relación entre V, I y R Magnetismo produce elect. Inducción electromagnética Teoría electromagnética Comprueba la teoría
Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894)
Transmisor y detector de Hertz
Antena con reflector parabólico cilíndrico con alimentador dipolar
Heinrich Rudolph Hertz
Primera antena dipolo
Primera antena parabólica cilíndrica
Guglielmo Marconi (1874-1937)
Transmisor de Marconi
Sistema de transmisión de Marconi
Sistema receptor de Marconi
Guglielmo Marconi (1874 – 1937) • 1895 – Primeras experiencias en Bologna • 1896 – Obtiene patente inglesa (12039) • 1897 – Crea la Wireless Telegraph & Signal Company Limited • 1899 – Enlace entre Inglaterra y Francia • 1900 – Crea la Marconi Wireless Telegraph Company Limited • 1901 – Transmisión a través del Atlántico. • 1902 – Experiencia en el Buque Philadelphia • 1909 – Premio Nobel de Física
12 de Diciembre de 1901 Primera comunicación a través del Atlántico
300 años entre los primeros experimentos del Doctor Gilbert y el cruce del Atlántico mediante una radiocomunicación telegráfica
Antena transmisora de Marconi
Antena receptora de Marconi
Instalando la antena barrilete en Newfoundland (Canada) Diciembre de 1901
Antena transmisora de Marconi
Guglielmo Marconi - Yate Elettra
Experimentos en ondas cortas HF (3 – 30 MHz)
Reginald Aubrey Fessenden (1866 - 1932)
Reginald Aubrey Fessenden (1866 - 1932) •1901 - Experiencia de radiotelefonía con transmisor a chispa de alta velocidad para simular onda continua •1902 – Patenta la onda continua (CW) •1905 – Diseña el primer alternador de “alta frecuencia” (LF 0.5 kW, 50 kHz) •1906 – Fessenden y Alexanderson diseñan alternador de 20000 rpm (1 kW, 50 kHz) instalado en Brant Rock, MA. Transmisión de telefonía y música •1906 – Primera transmisón bilateral entre EEUU y Escocia
Fessenden – Antena Transmisora
Brand Rock Massachusetts (1905 - 1906)
Fessenden
Alternador de “alta frecuencia” LF 50 kHz, 1 kW
Fessenden – Detector electrolítico
(1905 - 1906)
Desarrollo del campo eléctrico de un dipolo
Circuito de antena monopolo
Magnitudes • • • • • • • • • • •
E Intensidad de Campo Eléctrico [V/m] H Intensidad de Campo Magnético [A/m] P Densidad de Potencia Radiada [W/m2] U Intensidad de Radiación [W/Rad2] WT Potencia Total Irradiada [W] D Directividad [veces o dBi] G Ganancia [veces o dBi] Za Impedancia de Antena [Ω] RR Resistencia de Radiación [Ω] Z00 Impedancia del Medio [Ω] Ta Temperatura de Ruido [K]
Parámetros de las antenas • • • • • • • • • • • •
A) B) C) D) E) F) G) H) I) J) K) L)
Diagrama de radiación Directividad Ganancia Área, apertura o superficie Altura Rendimiento o eficiencia Impedancia Temperatura Capacidad de potencia Ancho de banda Polarización Mecanismos
Diferentes diagramas de radiación
Diferentes diagramas de radiación
Diagrama rectangular
Directividad
IEEE STD 149-1979
Directividad
Ganancia
Área
Área
Área
Longitud o altura efectiva
Longitud efectiva
Impedancia de antena
Impedancia
Impedancia
Impedancia
Rendimiento o eficiencia de antena η=
Potencia total irradiada Potencia de entrada de la antena
Rr = Resistencia de radiación [Ω] RL = Resistencia de pérdidas [Ω] Depende de las pérdidas en conductores y dieléctricos que forman el circuito completo de la antena. No están incluidas las pérdidas por desadaptaciones de impedancias ni en la línea de transmisión.
Capacidad de potencia Este parámetro depende de las características físicas para soportar altas potencias: • • • • • • • • • •
Configuración geométrica de conductores Espaciado entre conductores Evitar bordes filosos Presurizar áreas críticas Evitar desadaptaciones de impedancia Utilizar dieléctricos adecuados Evitar la unión de diferentes metales Evitar la corrosión Utilizar baja impedancia de alimentación Evitar terminaciones de alto potencial
Temperatura de antena
Ruido: • • • • • •
Térmico Atmosférico Industrial o hecho por el hombre Galáctico Cósmico Fotónico
Temperatura de antena
∆f = 1 Hz
Temperatura de antena
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura Gráfico de la temperatura del cosmos (simplificado)
Temperatura Medición realizada por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965 (4.08 GHz) Antena Bocina reflectora (Bell Labs) TA = 6,7ºK Apuntando cerca del cenit (cielo vacío) Esta temperatura compuesta por: 2,3 ± 0,3 ºK Atmósfera 0,3 ± 0,4 ºK Pérdidas óhmicas < 0.1 ºK Lóbulo posterior que apunta a la tierra 3,2 ± 0,5 ºK 6,7 – 3,2 = 3,5 ± 0,5 ºK 3,5 ºK Atribuidos al ruido de fondo del cielo vacío A. A. Penzias – R. W. Wilson – Astrophys. J. 142, pp 419-421, 1965
Temperatura
Bocina parabólica Holmdel, Bell Labs
Temperatura
Antena directiva de Karl Jansky. Holmdel, Bell Labs, 1931. Primera medición del ruido galáctico.
Temperatura Antena con pérdidas (óhmicas)
Temperatura Figura de Ruido
Polarización La polarización depende de la orientación del vector campo eléctrico producido por la antena Plano transverso
Polarización En general la polarización es elíptica. La polarización lineal y circular son casos particulares. Plano transverso
Polarización La polarización de una antena transmisora en una dada dirección desde la antena, es la polarización de la onda transmitida (IEEE STD 145). Muchas antenas son recíprocas y las propiedades de polarización son idénticas en transmición y recepción. En el caso de antenas receptoras la polarización se define como la polarización de una onda plana incidente desde una dirección dada que produce la máxima potencia disponible en los terminales de la antena (IEEE 145-1983).
Polarización Relación de polarización
Polarización
Polarización Polarización
Relación de polarización
Relación axial
Lineal Vertical
ρL = ∞ ρD = 1 ρC = 1
R=∞ R = ∞ dB
Lineal Horizontal
ρL = 0 ρD = 1 ρC = 1
R=∞ R = ∞ dB
Circular Derecha
ρL = 1 ρD = 1 ρC = ∞
R=1 R = 0 dB
Circular Izquierda
ρL = 1 ρD = 1 ρC = 0
R = -1 R = 0 dB
Polarización Polarización
Pérdida
Antena
onda
dB
Horizontal
Horizontal
0
Horizontal
Vertical
20
Horizontal
Circular
3
Vertical
Vertical
0
Vertical
Horizontal
20
Vertical
Circular
3
Circular
Horizontal
3
Circular
Vertical
3
Circular Izquierda
Circular Izquierda
0
Circular Izquierda
Circular Derecha
25
Circular Derecha
Circular Derecha
0
Circular Derecha
Circular Izquierda
25
Oblicua 45
Horizontal
3
Oblicua 45
Vertical
3
Oblicua 45
Circular
3
Radiadores Básicos Foco isotrópico
Radiadores Básicos
Dipolo Elemental
Dipolo Corto
Radiadores Básicos Dipolo
Radiadores Básicos Dipolo
Radiadores Básicos Dipolo
Radiadores Básicos
Diagrama de Radiación
Radiadores Básicos Dipolo de media onda
Radiadores Básicos Dipolo de media onda
Radiadores Básicos Dipolo
Radiadores Básicos Monopolo Elemental
Monopolo Corto
Radiadores Básicos Monopolo
Intensidad de campo del monopolo en función de su altura
Intensidad de campo del monopolo en función de su altura física y de la conductividad terrestre a 1 MHz
Balunes
Balunes
Balun de banda ancha para HF (2 – 30 MHz)
Radiadores Básicos
MF 0.53 – 1.7 MHz
Monopolo plegado para radiodifusión en ondas medias
Radiadores Básicos Monopolo conectado a tierra
Unidad de sintonía
Radiadores Básicos
MF 0.53 – 1.7 MHz Alta potencia
Monopolo plegado para radiodifusión en ondas medias
Radiadores Básicos
MF 0.53 – 1.7 MHz
Monopolo para radiodifusión en ondas medias (punto de a limentación)
Radiadores Básicos Variantes del dipolo
Radiadores Básicos
Dipolo con reflector para polarización vertical (VHF 88 – 108 MHz)
Radiadores Básicos
ELEMENTO FORMADO POR DOS DIPOLOS DESPLAZADOS 90º (PENETRATOR)
POLARIZACION CIRCULAR
Radiadores Básicos
Dipolos ”Rototiller” (ERI) para polarización circular (VHF 88 – 108 MHz)
Radiadores Básicos
Dipolo con reflector para polarización circular (VHF 88 – 108 MHz)
Líneas de transmisión Líneas bifilares (balanceadas) Líneas coaxiles (desbalanceadas) Características: •Impedancia característica (Z0) •Bifilares (100 – 800 Ω) •Coaxiles (30 – 120 Ω) Normalización de coaxiles: Z0=50 Ω •Atenuación (dieléctricos y conductores)
Líneas de transmisión
Cable coaxil rígido
Líneas de transmisión
Cable coaxil semirígido
Radiadores Básicos Cuadro pequeño
Radiadores Básicos Cuadro (de cualquier tamaño)
Radiadores Básicos Cuadro
Radiadores Básicos Cuadro
Radiadores Básicos Variantes del cuadro
Radiadores Básicos Bocinas
Radiadores Básicos Bocinas Piramidal
Radiadores Básicos Bocinas Diagramas de radiación
Radiadores Básicos Bocinas Directividad
Radiadores Básicos Bocinas Sectorial E Directividad normalizada
Radiadores Básicos Bocinas Sectorial H Directividad normalizada
Radiadores Básicos Bocinas Piramidal óptima
Radiadores Básicos Bocina cónica Valores óptimos
Radiadores Básicos Bocina corrugada
Antenas de banda ancha Impedancia de entrada
Antenas de banda ancha
Antena monopolo de banda ancha (2 – 30 MHz)
Antenas de banda ancha
Antena dipolo de banda ancha (2 – 30 MHz)
Antenas de banda ancha Diagrama de radiación
Antenas de banda ancha Antena “V”
Antena Rómbica
Antenas de banda ancha Antena helicoidal
Antenas de banda ancha Antena espiral equiangular
Antenas de banda ancha Antena espiral cónica equiangular
Antenas de banda ancha Antenas logarítmicas – Periódicas a dientes trapezoidales
Antenas de banda ancha Antena Helicoidal
Antenas de banda ancha Antena Espiral Plana
Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica a dientes trapezoidales
Vista lateral
Vista de frente
Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica a dientes trapezoidales
Vista lateral
Vista de frente
Antenas de banda ancha Antena Log-Periódica Dipolar
Impedancia de Antena Impedancia Propia del Dipolo Cilindrico
Impedancia Mutua Conjuntos de Dipolos - Lado a lado
Impedancia Mutua Conjuntos de Dipolos - Colineales
Conjuntos de Dipolos Diagramas de radiación
G. H. Brown – “Directional Antennas” P.I.R.E, 25 pp 78-145 January 1937
Conjuntos de Dipolos Ganancia
Resistencia de entrada
Conjuntos de Dipolos Dipolo λ/2 sobre tierra
Conjuntos de Dipolos Dipolo λ/2 sobre tierra Diagramas de radiación
Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra
Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra Diagramas de radiación
Conjuntos Antena Vertical sobre Tierra
Conjuntos Antena Yagi-Uda
Conjuntos Antena Yagi-Uda
Conjuntos Antena Yagi-Uda
Conjuntos Antena Yagi-Uda Espaciados óptimos
Antenas con reflectores Reflector plano
Antenas con reflectores Antena Direccional para Radiodifusión en HF
Antena para Radar en VHF
Antenas con reflectores Conjunto con Reflector
Diedro Reflector
Antenas con reflectores Diedro Reflector
Antenas con reflectores Reflector Parabólico
Antenas con reflectores Reflector Parabólico
Antenas con reflectores Aperturas Uniformemente Iluminadas
Antenas con reflectores parabólicos Limitaciones 0 ≤ε ≤ 1
• • • • • • • • • • • •
ε0 Eficiencia por pérdidas óhmicas. ε1 Eficiencia de haz. ε2 Eficiencia de apertura. ε3 Eficiencia de superficie. ε4 Eficiencia de bloqueo. ε5 Eficiencia de fase. ε6 Eficiencia por desenfoque. ε7 Eficiencia por desalineación. ε8 Eficiencia del iluminador. ε9 Eficiencia por polarización. ε10 Eficiencia por desborde. εT 30 al 70%
Antenas con reflectores Antena parabólica para comunicaciones punto a punto
Antenas con reflectores parabólicos Diagramas de radiación medidos
Antenas con reflectores Reflector Parabólico
Antenas con reflectores Reflector Parabólico Offset
Antenas con reflectores
Antena para radar (1 – 2 GHz)
Antenas con reflectores
Reflector parabólico de rejas (1.3 – 1.9 GHz)
Antenas con reflectores
Reflector parabólico sólido (1 – 2 GHz)
Antenas con reflectores parabólicos
Cassegrain – Beneficios:
• Permite colocar el alimentador en una ubicación conveniente. • Permite reducir los desbordes y lóbulos secundarios. • Obtención de una longitud focal equivalente más grande que la física. • Posibilidad de barrido o ensanche de haz moviendo el subreflector.
Antenas con reflectores parabólicos
Cassegrain con reflector parabólico sólido
Antenas con reflectores parabólicos
Detalle del iluminador y sub-reflector
Mediciones Diagramas de Radiación
Mediciones Ganancia
Mediciones Impedancia
Mediciones Impedancia
Muchas gracias por vuestra atención