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 tener la forma de una línea coaxial o un tubo hueco (guía de ondas), que se utiliza para transmitir energía electromagnética desde una fuente. a una antena, o de una antena a un receptor. La primera es una antena transmisora y la segunda es una antena receptora.
Figura 1 Ruta de transmisión de energía electromagnética (fuente-línea de transmisión-espacio libre de antena)
La transmisión del sistema de antena en el modo de transmisión de la Figura 1 está representada por el equivalente de Thevenin como se muestra en la Figura 2, donde la fuente está representada por un generador de señal ideal, la línea de transmisión está representada por una línea con impedancia característica Zc, y la antena está representada por una carga ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La resistencia de carga RL representa las pérdidas dieléctricas y de conducción asociadas con la estructura de la antena, mientras que Rr representa la resistencia a la radiación de la antena y la reactancia XA se usa para representar la parte imaginaria de la impedancia asociada con la radiación de la antena. En condiciones ideales, toda la energía generada por la fuente de señal debería transferirse a la resistencia a la radiación Rr, que se utiliza para representar la capacidad de radiación de la antena. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, existen pérdidas dieléctricas del conductor 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 la línea de transmisión y las pérdidas por reflexión (desajuste), la potencia máxima se proporciona a la antena bajo coincidencia conjugada.
Figura 2
Debido al desajuste entre la línea de transmisión y la antena, la onda reflejada desde la interfaz se superpone con la onda incidente desde 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 de onda estacionaria típico. Si el sistema de antena no está diseñado adecuadamente, 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 no son deseables. Las pérdidas de línea se pueden minimizar seleccionando líneas de transmisión de bajas pérdidas, mientras que las pérdidas de antena se pueden reducir reduciendo la resistencia a las 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 haciendo coincidir la impedancia de la antena (carga) con la impedancia característica de la línea.
En los sistemas inalámbricos, además de recibir o transmitir energía, normalmente se requieren antenas para mejorar la energía radiada en determinadas direcciones y suprimir la energía radiada en otras direcciones. Por lo tanto, además de los dispositivos de detección, las antenas también deben utilizarse como dispositivos direccionales. Las antenas pueden tener varias formas para satisfacer necesidades específicas. Puede ser un cable, una abertura, un parche, un conjunto de elementos (matriz), 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 el rendimiento general del sistema. Un ejemplo clásico es la televisión, donde la recepción de las emisiones se puede mejorar utilizando antenas de alto rendimiento. Las antenas son para los sistemas de comunicación lo que los ojos para los humanos.
2. Clasificación de antenas
1. Antena de alambre
Las antenas de alambre son uno de los tipos más comunes de antenas porque se encuentran en casi todas partes: automóviles, edificios, barcos, aviones, naves espaciales, etc. Hay varias formas de antenas de alambre, como línea recta (dipolo), bucle, espiral, como se muestra en la Figura 3. Las antenas de bucle no solo necesitan ser circulares. Pueden ser rectangulares, cuadrados, ovalados 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 formas más complejas de antenas y la utilización de frecuencias más altas. En la Figura 4 se muestran algunas formas de antenas de apertura (antenas de bocina piramidales, cónicas y rectangulares). Este tipo de antena es muy útil para aplicaciones de aeronaves y naves espaciales porque pueden montarse muy convenientemente en la carcasa exterior de la aeronave o nave espacial. Además, se pueden cubrir con una capa de material dieléctrico para protegerlos de ambientes hostiles.
Figura 4
3. Antena microcinta
Las antenas microstrip se hicieron muy populares en la década de 1970, principalmente para aplicaciones satelitales. La antena consta de un sustrato dieléctrico y un parche metálico. El parche metálico puede tener muchas formas diferentes y la antena de parche rectangular que se muestra en la Figura 5 es la más común. Las antenas Microstrip tienen un perfil bajo, son adecuadas para superficies planas y no planas, son sencillas y económicas de fabricar, tienen una gran robustez cuando se montan en superficies rígidas y son compatibles con diseños MMIC. Se pueden montar en la superficie de aviones, naves espaciales, satélites, misiles, automóviles e incluso dispositivos móviles y se pueden diseñar conformemente.
Figura 5
4. Antena de matriz
Es posible que un solo elemento de antena no pueda lograr las características de radiación requeridas por muchas aplicaciones. Los conjuntos de antenas pueden sintetizar la radiación de los elementos para producir la máxima radiación en una o más direcciones específicas; en la Figura 6 se muestra un ejemplo típico.
Figura 6
5. Antena reflectora
El éxito de la exploración espacial también ha llevado al rápido desarrollo de la teoría de las antenas. Debido a la necesidad de comunicaciones a distancias ultralargas, se deben utilizar antenas de ganancia extremadamente alta para transmitir y recibir señales a millones de kilómetros de distancia. En esta aplicación, una forma 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 requerida para transmitir o recibir señales de millones de millas de distancia. Otra forma de reflector es un reflector de esquina, como se muestra en la Figura 7 (c).
Figura 7
6. Antenas de lentes
Las lentes se utilizan principalmente para colimar la energía incidente dispersada para evitar que se propague en direcciones de radiación no deseadas. Al cambiar adecuadamente la geometría de la lente y elegir el material adecuado, pueden convertir diversas formas de energía divergente en ondas planas. Se pueden utilizar en la mayoría de aplicaciones, como antenas reflectoras parabólicas, especialmente en frecuencias más altas, y su tamaño y peso se vuelven muy grandes en frecuencias más bajas. Las antenas de lentes se clasifican según sus materiales de construcción o formas geométricas, algunas de las cuales se muestran en la Figura 8.
Figura 8
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Hora de publicación: 19-jul-2024
