Noticias - Introducción y clasificación de algunas antenas comunes

1. Introducción a las antenas
Una antena es una estructura de transición entre el espacio libre y una línea de transmisión, como se muestra en la Figura 1. La línea de transmisión puede ser coaxial o un tubo hueco (guía de ondas), y se utiliza para transmitir energía electromagnética desde una fuente a una antena, o desde una antena a un receptor. La primera es una antena transmisora y la segunda, una antena receptora.

Figura 1. Trayectoria de transmisión de energía electromagnética (fuente-línea de transmisión-antena-espacio libre).

La transmisión del sistema de antena en el modo de transmisión de la Figura 1 se representa mediante el equivalente de Thévenin, como se muestra en la Figura 2, donde la fuente está representada por un generador de señal ideal, la línea de transmisión por una línea con impedancia característica Zc, y la antena por una carga ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La resistencia de carga RL representa las pérdidas por conducción y dieléctricas asociadas a la estructura de la antena, mientras que Rr representa la resistencia de radiación de la antena, y la reactancia XA se utiliza para representar la parte imaginaria de la impedancia asociada a la radiación de la antena. En condiciones ideales, toda la energía generada por la fuente de señal debería transferirse a la resistencia de radiación Rr, que se utiliza para representar la capacidad de radiación de la antena. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, existen pérdidas conductor-dieléctricas debido a las características de la línea de transmisión y la antena, así como pérdidas causadas por la reflexión (desadaptación) entre la línea de transmisión y la antena. Considerando la impedancia interna de la fuente e ignorando las pérdidas por línea de transmisión y reflexión (desadaptación), la potencia máxima se suministra a la antena bajo adaptación conjugada.

Figura 2

Debido al desajuste entre la línea de transmisión y la antena, la onda reflejada en la interfaz se superpone a la onda incidente proveniente de la fuente hacia la antena, formando una onda estacionaria. Esta onda representa la concentración y el almacenamiento de energía, y constituye un dispositivo resonante típico. En la Figura 2, la línea punteada muestra un patrón típico de onda estacionaria. Si el sistema de antena no está diseñado correctamente, la línea de transmisión puede funcionar en gran medida como un elemento de almacenamiento de energía, en lugar de como una guía de ondas y un dispositivo de transmisión de energía.
Las pérdidas causadas por la línea de transmisión, la antena y las ondas estacionarias son indeseables. Las pérdidas en la línea se pueden minimizar seleccionando líneas de transmisión de baja pérdida, mientras que las pérdidas en la antena se pueden reducir disminuyendo la resistencia de pérdida representada por RL en la Figura 2. Las ondas estacionarias se pueden reducir y el almacenamiento de energía en la línea se puede minimizar adaptando la impedancia de la antena (carga) a la impedancia característica de la línea.
En los sistemas inalámbricos, además de recibir o transmitir energía, las antenas suelen requerirse para amplificar la energía radiada en ciertas direcciones y atenuarla en otras. Por lo tanto, además de funcionar como dispositivos de detección, las antenas también deben utilizarse como dispositivos direccionales. Las antenas pueden adoptar diversas formas para satisfacer necesidades específicas: un cable, una apertura, un parche, un conjunto de elementos (arreglo), un reflector, una lente, etc.

En los sistemas de comunicación inalámbrica, las antenas son uno de los componentes más importantes. Un buen diseño de antena puede reducir los requisitos del sistema y mejorar su rendimiento general. Un ejemplo clásico es la televisión, donde la recepción de la señal se puede mejorar utilizando antenas de alto rendimiento. Las antenas son a los sistemas de comunicación lo que los ojos son a los seres humanos.

2. Clasificación de antenas
1. Antena de hilo
Las antenas de hilo son uno de los tipos de antenas más comunes, ya que se encuentran prácticamente en todas partes: automóviles, edificios, barcos, aviones, naves espaciales, etc. Existen diversas formas de antenas de hilo, como la lineal (dipolo), la de bucle y la espiral, como se muestra en la Figura 3. Las antenas de bucle no tienen por qué ser circulares; pueden ser rectangulares, cuadradas, ovaladas o de cualquier otra forma. La antena circular es la más común debido a su estructura simple.

Figura 3

2. Antenas de apertura
Las antenas de apertura están adquiriendo mayor relevancia debido a la creciente demanda de antenas más complejas y al uso de frecuencias más altas. En la Figura 4 se muestran algunos tipos de antenas de apertura (antenas de bocina piramidales, cónicas y rectangulares). Este tipo de antena resulta muy útil para aplicaciones en aeronaves y naves espaciales, ya que se pueden montar fácilmente en la carcasa exterior. Además, se pueden recubrir con una capa de material dieléctrico para protegerlas de entornos adversos.

Figura 4

3. Antena de microcinta
Las antenas de microcinta se popularizaron enormemente en la década de 1970, principalmente para aplicaciones satelitales. La antena consta de un sustrato dieléctrico y un parche metálico. Este parche puede tener diversas formas, siendo la antena de parche rectangular mostrada en la Figura 5 la más común. Las antenas de microcinta presentan un perfil bajo, son aptas para superficies planas y no planas, su fabricación es sencilla y económica, ofrecen gran robustez al montarse en superficies rígidas y son compatibles con diseños MMIC. Se pueden instalar en la superficie de aeronaves, naves espaciales, satélites, misiles, automóviles e incluso dispositivos móviles, y su diseño permite su adaptación a la forma de la antena.

Figura 5

4. Antena de matriz
Las características de radiación requeridas por muchas aplicaciones no se pueden lograr con un solo elemento de antena. Los conjuntos de antenas permiten sintetizar la radiación de los elementos para producir la máxima radiación en una o más direcciones específicas; un ejemplo típico se muestra en la Figura 6.

Figura 6

5. Antena reflectora
El éxito de la exploración espacial también ha impulsado el rápido desarrollo de la teoría de antenas. Debido a la necesidad de comunicaciones de ultralarga distancia, se requieren antenas de ganancia extremadamente alta para transmitir y recibir señales a millones de kilómetros de distancia. En esta aplicación, una antena común es la parabólica, mostrada en la Figura 7. Este tipo de antena tiene un diámetro de 305 metros o más, y este gran tamaño es necesario para lograr la alta ganancia requerida para transmitir o recibir señales a millones de kilómetros de distancia. Otro tipo de reflector es el reflector de esquina, como se muestra en la Figura 7 (c).

Figura 7

6. Antenas de lente
Las lentes se utilizan principalmente para colimar la energía dispersa incidente y evitar que se propague en direcciones de radiación no deseadas. Al modificar adecuadamente la geometría de la lente y seleccionar el material correcto, pueden convertir diversas formas de energía divergente en ondas planas. Se pueden utilizar en la mayoría de las aplicaciones, como antenas reflectoras parabólicas, especialmente a altas frecuencias, y su tamaño y peso aumentan considerablemente a bajas frecuencias. Las antenas de lente se clasifican según sus materiales de construcción o formas geométricas, algunas de las cuales se muestran en la Figura 8.