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 una línea coaxial o un tubo hueco (guía de ondas), que se utiliza para transmitir energía electromagnética de una fuente a una antena, o de 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 Thevenin, como se muestra en la Figura 2. La fuente se representa mediante un generador de señales ideal, la línea de transmisión mediante una línea con impedancia característica Zc y la antena mediante una carga ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La resistencia de carga RL representa las pérdidas de 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 (desajuste) entre la línea de transmisión y la antena. Teniendo en cuenta la impedancia interna de la fuente e ignorando las pérdidas de la línea de transmisión y de la reflexión (desajuste), la potencia máxima se proporciona a la antena con adaptación conjugada.

Figura 2

Debido a la discrepancia entre la línea de transmisión y la antena, la onda reflejada desde la interfaz se superpone a la onda incidente de la fuente a la antena para formar una onda estacionaria, que representa la concentración y el almacenamiento de energía y es un dispositivo resonante típico. La línea de puntos de la Figura 2 muestra un patrón típico de onda estacionaria. Si el sistema de antena no está diseñado correctamente, la línea de transmisión puede actuar 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 de línea se pueden minimizar seleccionando líneas de transmisión de baja pérdida, mientras que las pérdidas de antena se pueden reducir reduciendo la resistencia a pérdidas representada por RL en la Figura 2. Las ondas estacionarias se pueden reducir y el almacenamiento de energía en la línea se puede minimizar ajustando 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 ser necesarias para amplificar la energía radiada en ciertas direcciones y suprimirla en otras. Por lo tanto, además de dispositivos de detección, las antenas también deben utilizarse como dispositivos direccionales. Las antenas pueden adoptar diversas formas para satisfacer necesidades específicas. Pueden ser un cable, una apertura, un parche, un conjunto de elementos (array), un reflector, una lente, etc.

En los sistemas de comunicación inalámbrica, las antenas son uno de los componentes más críticos. 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 las transmisiones puede mejorarse mediante el uso de antenas de alto rendimiento. Las antenas son para los sistemas de comunicación lo que los ojos son para los humanos.

2. Clasificación de antenas
1. Antena de cable
Las antenas de alambre son uno de los tipos más comunes, ya que se encuentran prácticamente en todas partes: automóviles, edificios, barcos, aviones, naves espaciales, etc. Existen diversas formas de antenas de alambre, como las de línea recta (dipolo), de bucle y espiral, como se muestra en la Figura 3. Las antenas de bucle no solo tienen que 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 desempeñando un papel cada vez más importante 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 (piramidales, cónicas y de bocina rectangular). Este tipo de antena es muy útil para aplicaciones en aeronaves y naves espaciales, ya que se monta fácilmente en la carcasa exterior de la aeronave o nave espacial. Además, se pueden recubrir con una capa de material dieléctrico para protegerlas de entornos hostiles.

Figura 4

3. Antena de microbanda
Las antenas de microbanda se popularizaron en la década de 1970, principalmente para aplicaciones satelitales. La antena consta de un sustrato dieléctrico y un parche metálico. Este parche metálico puede tener diversas formas, siendo la antena de parche rectangular que se muestra en la Figura 5 la más común. Las antenas de microbanda tienen un perfil bajo, son aptas para superficies planas y no planas, su fabricación es sencilla y económica, presentan una gran robustez al montarse en superficies rígidas y son compatibles con diseños MMIC. Pueden montarse en la superficie de aeronaves, naves espaciales, satélites, misiles, automóviles e incluso dispositivos móviles, y su diseño es conforme.

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 pueden 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 a distancias ultralargas, se deben utilizar antenas de altísima ganancia para transmitir y recibir señales a millones de kilómetros de distancia. En esta aplicación, un tipo de antena común es la antena parabólica que se muestra en la Figura 7. Este tipo de antena tiene un diámetro de 305 metros o más, y un tamaño tan grande es necesario para lograr la alta ganancia necesaria 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. Modificando adecuadamente la geometría de la lente y eligiendo el material adecuado, pueden convertir diversas formas de energía divergente en ondas planas. Se pueden utilizar en la mayoría de las aplicaciones, como las antenas reflectoras parabólicas, especialmente a frecuencias altas, y su tamaño y peso son muy elevados a frecuencias bajas. Las antenas de lente se clasifican según sus materiales de construcción o formas geométricas, algunas de las cuales se muestran en la Figura 8.