Fundamentos de Antenas

Definición de Antenas

Una antena es un dispositivo que se utiliza para transferir ondas electromagnéticas guiadas (señales) a la radiación en un medio ilimitado, generalmente espacio libre, y viceversa (ya sea en la operación en modo de transmisión o recepción).

Una antena puede concebirse también como un transductor para el acoplamiento de una línea de transmisión o una guía de ondas con el medio circundante o viceversa.

PARAMETROS DE ANTENAS

DENSIDAD DE RADIACIÓN

La antena más simple es el radiador isotrópico, el cual no existe en la práctica, pero hace un excelente modelo teórico. Un radiador isotrópico, como se muestra en la figura 2, el cuál es un punto no dimensionable en el espacio, genera ondas con frentes de onda “esferical” que son radiadas uniformemente en todas direcciones. Cuando el transmisor de potencia Ps idealmente emparejado es aplicado, entonces la distancia r da crecimiento a la densidad de radiación.

PATRÓN DE RADIACIÓN

Los tres comportamientos de las dimensiones radiales son descritas por el patrón de radiación, como se observa en la figura 3. Solamente un radiador isotrópico exhibiría la misma radiación un cualquier dirección espacial, sin embargo, este radiador no puede ser implementado por cualquier tipo de polarización específica, y existe principalmente como un modelo de comparación estándar. Además, los dipolos y mono-polos poseen directividad.

ANCHO DE BANDA

El ancho de banda es la banda de frecuencia de funcionamiento de la antena, dentro del cual la antena funciona como se desea. El ancho de banda (BW) puede ser relacionado con la combinación de la banda de la antena si son patrones de radiación no cambiará dentro de la banda. De hecho, este es el caso para antenas pequeñas donde un límite fundamental relaciona el BW, tamaño y eficiencia. El BW de otras antenas puede ser afectado por las características de los patrones de radiación, y éstas características pueden cambiar a pesar de que el acople de la antena sea aceptable. 

DIRECTIVIDAD

La directividad de una antena es una medida de concentración de la potencia radiada en una dirección en particular, se puede decir que es la “habilidad” de una antena de direccionar la energía radiada en una dirección en especifico, o bien, la relación de intensidad de radiación en una dirección en comparación a la intensidad promedio isotrópica. 

GANANCIA

Cuando se habla de ganancia, se habla de una medición del grado de directividad del patrón de radiación de una antena. Se dice que una antena con alta ganancia irradia en una dirección en particular, específicamente, se define como “la relación de la intensidad irradiado por una antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad irradiada a la misma distancia por una hipotética antena isotópica”, esa relación entre la energía que es propagada por una antena direccional y por una que no lo fuese, es conocida como ganancia y esta es constante.

EFICIENCIA

La eficiencia de una antena va relacionada con el área de la misma, es conocida como “el área efectiva AW” y es un parámetro definido especialmente para la recepción de antenas y se traduce como la medida de potencia máxima recibida (Pr) que una antena puede captar de una onda plana de densidad de potencia (S).
Esta puede ser vista también como el área perpendicular a la dirección de propagación de la onda incidente. 

IMPEDANCIA DE ENTRADA

La impedancia de entrada es uno de los parámetros mas relevantes al hablar de antenas, esta es en si la impedancia en la alimentación de una antena; puede constar de una resistencia de radiación y una de perdida en su parte real, como se muestra en la ecuación 1.

Cabe resaltar, que la impedancia nominal de una antena “se especifica comúnmente como la impedancia característica del cable de la antena, a la impedancia de la antena y debe coincidir como regla que sea de 50 Ohmios”. Si la antena posee una impedancia diferente, entonces existe una discordancia, por lo que ocuparía de un circuito de adaptación de impedancias para equilibrarlo.

RESISTENCIA DE RADIACIÓN

La parte real Rin de la impedancia de entrada (Zin) puede ser separada en: resistencia de radiación y la resistencia de pérdida, como se observa en la ecuación 2. Debe conocerse que la resistencia de radiación, siendo el cociente de la potencia radiada y el cuadrado del valor RMS de la corriente de antena, es espacialmente dependiente. Esto aplica además para la misma corriente de antena. Consecuente a esto, cuando se está especificando la resistencia de radiación, se necesita indicar la localización en la antena. Muy comúnmente el punto de alimentación de la antena es especificado, e igualmente a menudo la corriente máxima. Los dos puntos coinciden para algunos, pero de ninguna forma para todos los tipos de antena. 

APERTURA DE HAZ

Conocido también como Beamwidth en inglés, es usualmente considerado para ser el ancho angular de la potencia media radiada dentro de un cierto corte a través del haz principal de la antena donde la mayoría de la potencia está radiando. Desde la intensidad de la punta de la radiación del patrón de radiación, el cual es el pico del haz principal, el nivel de potencia media es de 3 dB, debajo de una punta donde los dos puntos del haz principal son localizados; estos puntos son definidos como la apertura de haz. La potencia media es expresada de decibelios (dB). Usualmente son consideradas las aperturas de haz como horizontal y vertical. 

POLARIZACIÓN

La polarización de una antena es la orientación del campo eléctrico (Plano-E) del radio de la onda respecto a la superficie de la tierra y es determinada por la estructura física y la orientación de la antena. No tiene nada en común en términos de direccionalidad de la antena: Horizontal, vertical y circular. La direccionalidad horizontal y vertical se pueden observar en la figura 4. Así, una simple antena de cable recto hará una polarización cuando sea montada verticalmente y una diferente polarización cuando sea montada horizontalmente. Los filtros polarizadores de la onda electromagnética son estructuras que pueden ser empleadas para actuar directamente en la onda electromagnética al filtro de la energía de onda del filtro de salida de una indeseada polarización y pasar la energía a una deseada polarización. La reflexión generalmente afecta la polarización. Para el radio de las ondas, el reflector más importante es la iosfera, la polarización de señales reflejadas cambiarán impredeciblemente.