Una antena es un dispositivo que sirve de interfaz entre un circuito eléctrico y el espacio, diseñado para transmitir y recibir ondas electromagnéticas en un determinado rango de frecuencia de acuerdo con su propio tamaño y forma. Está hecho de metal, principalmente cobre o aluminio, las antenas transmisoras pueden convertir la corriente eléctrica en radiación electromagnética y viceversa. Cada dispositivo inalámbrico contiene al menos una antena.
Ondas de radio de red inalámbrica
Cuando surge la necesidad de comunicación inalámbrica, se necesita una antena. Tiene la capacidad de enviar o recibir ondas electromagnéticas para comunicarse donde no se puede instalar un sistema cableado.
La antena es el elemento clave de esta tecnología inalámbrica. Las ondas de radio se crean fácilmente y se usan ampliamente para comunicaciones en interiores y exteriores debido a su capacidad para atravesar edificios y viajar largas distancias.
Características principales de las antenas transmisoras:
- Debido a que la transmisión de radio es omnidireccional, la necesidad de coincidencia físicaSe requiere transmisor y receptor.
- La frecuencia de las ondas de radio determina muchas características de transmisión.
- A bajas frecuencias, las ondas pueden pasar fácilmente a través de obstáculos. Sin embargo, su poder cae con el inverso del cuadrado de la distancia.
- Es más probable que las ondas de mayor frecuencia sean absorbidas y se reflejen en los obstáculos. Debido al largo rango de transmisión de las ondas de radio, la interferencia entre transmisiones es un problema.
- En las bandas VLF, LF y MF, la propagación de ondas, también llamadas ondas de superficie, sigue la curvatura de la Tierra.
- Los rangos máximos de transmisión de estas ondas son del orden de varios cientos de kilómetros.
- Las antenas transmisoras se utilizan para transmisiones de bajo ancho de banda, como las transmisiones de modulación de amplitud (AM).
- Las transmisiones de banda HF y VHF son absorbidas por la atmósfera cerca de la superficie de la Tierra. Sin embargo, parte de la radiación, llamada onda ionosférica, se propaga hacia afuera y hacia arriba, hacia la ionosfera en la atmósfera superior. La ionosfera contiene partículas ionizadas formadas por la radiación solar. Estas partículas ionizadas reflejan las ondas del cielo de vuelta a la Tierra.
Propagación de ondas
- Propagación de línea de visión. Entre todos los métodos de distribución, este es el más común. La onda recorre la distancia mínima que se puede ver a simple vista. A continuación, debe usar el transmisor del amplificador para aumentar la señal y transmitirla nuevamente. Tal propagación no será fluida si hay algún obstáculo en su ruta de transmisión. Esta transmisión se utiliza para transmisiones por infrarrojos o microondas.
- Propagación de ondas terrestres desde una antena transmisora. La propagación de la onda al suelo ocurre a lo largo del contorno de la Tierra. Tal onda se llama onda directa. La onda a veces se dobla debido al campo magnético de la Tierra y golpea el receptor. Tal onda puede llamarse onda reflejada.
- Una onda que se propaga a través de la atmósfera terrestre se conoce como onda terrestre. La onda directa y la onda reflejada juntas dan una señal en la estación receptora. Cuando la onda llega al receptor, el retraso se detiene. Además, la señal se filtra para evitar distorsión y amplificación para una salida clara. Las ondas se transmiten desde un lugar y donde son recibidas por muchas antenas transceptoras.
Sistema de coordenadas de medición de antena
Al mirar modelos planos, el usuario se enfrentará a indicadores del acimut del plano y la altura del plano del patrón. El término azimut suele aparecer en relación con "horizonte" u "horizontal", mientras que el término " altitud" suele referirse a "vertical". En la figura, el plano xy es el plano azimutal.
El patrón del plano azimutal se mide cuando se realiza una medición moviendo todo el plano xy alrededor de la antena del transceptor bajo prueba. Un plano de elevación es un plano ortogonal al plano xy, como el plano yz. El plano de elevación recorre todo el plano yz alrededor de la antena bajo prueba.
Las muestras (acimutes y elevaciones) a menudo se muestran como gráficos en polarcoordenadas Esto le da al usuario la capacidad de visualizar fácilmente cómo la antena irradia en todas las direcciones, como si ya estuviera "apuntada" o montada. A veces es útil dibujar patrones de radiación en coordenadas cartesianas, especialmente cuando hay múltiples lóbulos laterales en los patrones y donde los niveles de los lóbulos laterales son importantes.
Características básicas de la comunicación
Las antenas son componentes esenciales de cualquier circuito eléctrico, ya que proporcionan la interconexión entre un transmisor y el espacio libre o entre el espacio libre y un receptor. Antes de hablar de los tipos de antenas, es necesario conocer sus propiedades.
Antenna Array - El despliegue sistemático de antenas que funcionan juntas. Las antenas individuales en un conjunto suelen ser del mismo tipo y están ubicadas muy cerca, a una distancia fija entre sí. La matriz le permite aumentar la directividad, el control de los haces principales de radiación y los haces laterales.
Todas las antenas son de ganancia pasiva. La ganancia pasiva se mide en dBi, que está relacionada con una antena isotrópica teórica. Se cree que transmite energía por igual en todas las direcciones, pero no existe en la naturaleza. La ganancia de una antena dipolo de media onda ideal es de 2,15 dBi.
EIRP, o la potencia radiada isotrópica equivalente de una antena transmisora, es una medida de la potencia máxima que una antena isotrópica teórica irradiaría en la direcciónganancia máxima. EIRP tiene en cuenta las pérdidas de las líneas eléctricas y los conectores e incluye la ganancia real. EIRP permite calcular la potencia real y las intensidades de campo si se conocen la ganancia real del transmisor y la potencia de salida.
Ganancia de antena en direcciones
Se define como la relación entre la ganancia de potencia en una dirección determinada y la ganancia de potencia de la antena de referencia en la misma dirección. Es una práctica estándar utilizar un radiador isotrópico como antena de referencia. En este caso, un emisor isotrópico no tendrá pérdidas, irradiará su energía por igual en todas las direcciones. Esto significa que la ganancia de un radiador isotrópico es G=1 (o 0 dB). Es común utilizar la unidad dBi (decibeles relativos a un radiador isotrópico) para la ganancia relativa a un radiador isotrópico.
La ganancia, expresada en dBi, se calcula mediante la siguiente fórmula: GdBi=10Log (GNumérico / GISotrópico)=10Log (GNumérico).
A veces se utiliza un dipolo teórico como referencia, por lo que se utilizará la unidad dBd (decibelios relativos al dipolo) para describir la ganancia relativa al dipolo. Este bloque se usa típicamente cuando se trata de amplificar antenas omnidireccionales de mayor ganancia. En este caso, su ganancia es superior en 2,2 dBi. Entonces, si la antena tiene una ganancia de 3 dBu, la ganancia total será de 5,2 dBi.
3 dB de ancho de haz
Este ancho de haz (o ancho de haz de media potencia) de la antena generalmente se especifica para cada uno de los planos principales. El ancho de haz de 3 dB en cada plano se define como el ángulo entre los puntos del lóbulo principal que se reducen de la ganancia máxima en 3 dB. Ancho de haz 3 dB: el ángulo entre las dos líneas azules en el área polar. En este ejemplo, el ancho de haz de 3 dB en este plano es de unos 37 grados. Las antenas de ancho de haz amplio suelen tener una ganancia baja, mientras que las antenas de ancho de haz angosto tienen una ganancia mayor.
Por lo tanto, una antena que dirige la mayor parte de su energía a un haz angosto, en al menos un plano, tendrá una mayor ganancia. La relación de adelante hacia atrás (F/B) se utiliza como una medida de mérito que intenta describir el nivel de radiación desde la parte posterior de una antena direccional. Básicamente, la relación de adelante hacia atrás es la relación entre la ganancia máxima en la dirección de avance y la ganancia 180 grados detrás del pico. Por supuesto, en una escala DB, la relación de adelante hacia atrás es simplemente la diferencia entre la ganancia máxima hacia adelante y la ganancia 180 grados detrás del pico.
Clasificación de la antena
Existen muchos tipos de antenas para diversas aplicaciones como comunicaciones, radar, medición, simulación de pulsos electromagnéticos (EMP), compatibilidad electromagnética (EMC), etc. Algunas de ellas están diseñadas para operar en bandas de frecuencias estrechas, mientras que otrosdiseñado para emitir/recibir pulsos transitorios. Especificaciones de la antena transmisora:
- Estructura física de la antena.
- Bandas de frecuencia.
- Modo de aplicación.
Los siguientes son los tipos de antenas según la estructura física:
- cable;
- apertura;
- reflectante;
- lente de antena;
- antenas microstrip;
- antenas masivas.
Los siguientes son los tipos de antenas transmisoras dependiendo de la frecuencia de operación:
- Frecuencia muy baja (VLF).
- Baja frecuencia (LF).
- Frecuencia media (MF).
- Alta frecuencia (HF).
- Frecuencia muy alta (VHF).
- Frecuencia ultra alta (UHF).
- Frecuencia súper alta (SHF).
- onda de microondas.
- Onda de radio.
Las siguientes son antenas de transmisión y recepción según los modos de aplicación:
- Conexión punto a punto.
- Aplicaciones de transmisión.
- Comunicaciones por radar.
- Comunicaciones por satélite.
Características del diseño
Las antenas transmisoras crean radiación de radiofrecuencia que se propaga por el espacio. Las antenas receptoras realizan el proceso inverso: reciben radiación de radiofrecuencia y la convierten en las señales deseadas, como sonido, imagen en antenas transmisoras de televisión y un teléfono móvil.
El tipo de antena más simple consta de dos varillas de metal y se conoce como dipolo. Uno de los tipos más comunes esuna antena monopolo que consiste en una varilla colocada verticalmente en una placa de metal grande que sirve como plano de tierra. El montaje en los vehículos suele ser un monopolo y el techo metálico del vehículo sirve de suelo. El diseño de la antena transmisora, su forma y tamaño determinan la frecuencia de operación y otras características de radiación.
Uno de los atributos importantes de una antena es su directividad. En la comunicación entre dos objetivos fijos, como en la comunicación entre dos estaciones de transmisión fijas, o en aplicaciones de radar, se requiere una antena para transmitir directamente la energía de transmisión al receptor. Por el contrario, cuando el transmisor o el receptor no está fijo, como en las comunicaciones celulares, se requiere un sistema no direccional. En tales casos, se requiere una antena omnidireccional que reciba todas las frecuencias uniformemente en todas las direcciones del plano horizontal, y en el plano vertical la radiación es desigual y muy pequeña, como una antena transmisora de HF.
Fuentes de transmisión y recepción
El transmisor es la principal fuente de radiación RF. Este tipo consiste en un conductor cuya intensidad fluctúa con el tiempo y lo convierte en radiación de radiofrecuencia que se propaga por el espacio. Antena receptora: un dispositivo para recibir frecuencias de radio (RF). Realiza la transmisión inversa que realiza el transmisor, recibe la radiación RF, la convierte en corriente eléctrica en el circuito de la antena.
Las estaciones de transmisión de radio y televisión utilizan antenas transmisoras para transmitir ciertos tipos de señales que viajan por el aire. Estas señales son detectadas por antenas receptoras, que las convierten en señales y son recibidas por un dispositivo apropiado como TV, radio, teléfono móvil.
Las antenas receptoras de radio y televisión están diseñadas para recibir radiación de radiofrecuencia solamente y no producen radiación de radiofrecuencia. Los dispositivos de comunicación celular, como estaciones base, repetidores y teléfonos móviles, tienen antenas de transmisión y recepción dedicadas que emiten energía de radiofrecuencia y dan servicio a las redes celulares de acuerdo con las tecnologías de redes de comunicación.
Diferencia entre antena analógica y digital:
- La antena analógica tiene una ganancia variable y funciona en el rango de 50 km para DVB-T. Cuanto más lejos esté el usuario de la fuente de la señal, peor será la señal.
- Para recibir TV digital: el usuario recibe una buena imagen o una imagen en absoluto. Si está lejos de la fuente de la señal, no recibe ninguna imagen.
- La antena de transmisión digital tiene filtros integrados para reducir el ruido y mejorar la calidad de la imagen.
- La señal analógica se envía directamente al televisor, mientras que la señal digital debe decodificarse primero. Le permite corregir errores y datos como compresión de señal para más funciones como canales adicionales, EPG, TV paga,juegos interactivos, etc.
Transmisores dipolo
Las antenas dipolo son el tipo omnidireccional más común y propagan la energía de radiofrecuencia (RF) 360 grados horizontalmente. Estos dispositivos están diseñados para resonar a la mitad o un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia aplicada. Puede ser tan simple como dos tramos de cable o puede encapsularse.
Dipole se utiliza en muchas redes corporativas, oficinas pequeñas y uso doméstico (SOHO). Tiene una impedancia típica para que coincida con el transmisor para una máxima transferencia de potencia. Si la antena y el transmisor no coinciden, se producirán reflejos en la línea de transmisión, lo que degradará la señal o incluso dañará el transmisor.
Enfoque dirigido
Las antenas direccionales enfocan la potencia radiada en haces estrechos, proporcionando una ganancia significativa en este proceso. Sus propiedades también son mutuas. Las características de una antena transmisora, como la impedancia y la ganancia, también se aplican a una antena receptora. Es por eso que la misma antena se puede usar para enviar y recibir una señal. La ganancia de una antena parabólica altamente direccional sirve para amplificar una señal débil. Esta es una de las razones por las que a menudo se utilizan para comunicaciones de larga distancia.
Una antena direccional de uso común es una matriz Yagi-Uda llamada Yagi. Fue inventado por Shintaro Uda y su colega Hidetsugu Yagi en 1926. La antena yagi utiliza varios elementos paraformando una matriz dirigida. Un elemento excitado, generalmente un dipolo, propaga la energía de RF, los elementos inmediatamente antes y detrás del elemento excitado vuelven a irradiar la energía de RF dentro y fuera de fase, amplificando y ralentizando la señal respectivamente.
Estos elementos se denominan elementos parásitos. El elemento detrás del esclavo se llama reflector y los elementos delante del esclavo se llaman directores. Las antenas Yagi tienen anchos de haz de 30 a 80 grados y pueden proporcionar más de 10 dBi de ganancia pasiva.
La antena parabólica es el tipo más familiar de antena direccional. Una parábola es una curva simétrica y un reflector parabólico es una superficie que describe una curva durante una rotación de 360 grados: un plato. Las antenas parabólicas se utilizan para enlaces de larga distancia entre edificios o grandes áreas geográficas.
Radiadores seccionales semidireccionales
La antena de parche es un radiador semidireccional que utiliza una tira plana de metal montada sobre el suelo. La radiación de la parte trasera de la antena es efectivamente recortada por el plano de tierra, aumentando la directividad hacia adelante. Este tipo de antena también se conoce como antena microstrip. Por lo general, es rectangular y está encerrado en una caja de plástico. Este tipo de antena se puede fabricar mediante métodos estándar de PCB.
La antena de parche puede tener un ancho de haz de 30 a 180 grados yla ganancia típica es de 9 dB. Las antenas seccionales son otro tipo de antena semidireccional. Las antenas de sector proporcionan un patrón de radiación de sector y generalmente se instalan en una matriz. El ancho de haz de una antena de sector puede oscilar entre 60 y 180 grados, siendo típico 120 grados. En un conjunto dividido, las antenas se montan cerca unas de otras, proporcionando una cobertura completa de 360 grados.
Hacer la antena Yagi-Uda
Durante las últimas décadas, la antena Yagi-Uda ha sido visible en casi todos los hogares.
Se puede ver que hay muchos directores para aumentar la directividad de la antena. El alimentador es un dipolo plegado. Un reflector es un elemento largo que se encuentra al final de una estructura. Las siguientes especificaciones deben aplicarse a esta antena.
| Elemento | Especificación |
| Longitud del elemento controlado | 0.458λ a 0.5λ |
| Longitud del reflector | 0, 55λ - 0.58λ |
| Duración del director 1 | 0.45λ |
| Longitud del director 2 | 0.40λ |
| Duración del director 3 | 0.35λ |
| Intervalo entre directores | 0.2λ |
| Reflector para distancia entre dipolos | 0.35λ |
| Distancia entre dipolos y director | 0.125λ |
A continuación se muestran los beneficios de las antenas Yagi-Uda:
- Alta ganancia.
- Alto enfoque.
- Fácil manejo y mantenimiento.
- Se desperdicia menos energía.
- Cobertura de frecuencia más amplia.
Las siguientes son las desventajas de las antenas Yagi-Uda:
- Propenso al ruido.
- Propenso a los efectos atmosféricos.
Si se siguen las especificaciones anteriores, se puede diseñar la antena Yagi-Uda. El patrón direccional de la antena es muy eficiente, como se muestra en la figura. Se suprimen los lóbulos pequeños y se aumenta la directividad del pulso principal agregando directores a la antena.
