PROPAGACIÓN Y SISTEMAS RADIANTES CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN MsC. Daniel Iturralde P.

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN CONCEPTO: La IEEE define una antena como "aquella parte de un sistema de transmisión o recepción que está diseñado para radiar o recibir ondas electromagnéticas."

INTRODUCCIÓN En otras palabras, la antena es la estructura de transición entre el espacio libre y una línea de transmisión.

INTRODUCCIÓN La línea de transmisión puede adoptar la forma de una línea coaxial, y se utiliza para transportar la energía electromagnética desde la fuente de transmisión a la antena, o desde la antena al receptor.

INTRODUCCIÓN La figura muestra el circuito equivalente de Thevenin de un sistema de antena. La fuente es representada por un generador ideal, la línea de transmisión es representada por la impedancia ZC y la antena es representada por una carga ZA [ZA=(RL+Rr)+jXA]

INTRODUCCIÓN La resistencia de carga RL se utiliza para representar la conducción y pérdidas dieléctricas asociadas con la estructura de antena, mientras que Rr referida como la resistencia a la radiación, se utiliza para representar la radiación de la antena. La reactancia XA se utiliza para representar la parte imaginaria de la impedancia asociada con la radiación por la antena.

INTRODUCCIÓN En condiciones ideales, la energía generada por la fuente debe ser transferida totalmente a la resistencia a la radiación Rr. Sin embargo, en un sistema real hay pérdidas debido a la naturaleza de la línea de transmisión y la antena, perdidas provocadas por reflexiones, pérdidas en la conexión entre la línea y la antena y otras.

INTRODUCCIÓN Las ondas reflejadas desde la conexión, junto con las ondas que viajan desde la fuente hacia la antena, crean patrones de interferencia constructivas y destructivas, llamadas ONDAS ESTACIONARIAS.

INTRODUCCIÓN Si el sistema de antena no está diseñado correctamente, la línea de transmisión podría actuar en gran medida como un elemento de almacenamiento de energía en lugar de como un dispositivo de guía de onda y de transporte de energía.

INTRODUCCIÓN Las pérdidas en la línea de transmisión, en la antena y debido a las ondas estacionarias son indeseables. Las pérdidas debidas a la línea pueden minimizarse mediante la selección de líneas de baja pérdida, mientras que las de la antena se pueden disminuir mediante la reducción de la resistencia RL.

INTRODUCCIÓN Las ondas estacionarias se pueden reducir, haciendo coincidir la impedancia de la antena a la impedancia característica de la línea.

INTRODUCCIÓN Un equivalente similar se utiliza para representar el sistema de antena en el modo de recepción, donde la fuente se sustituye por un receptor. La Rr resistencia a la radiación se utiliza para representar en el modo de recepción la transferencia de energía de la onda en el espacio libre de la antena.

INTRODUCCIÓN Una antena en un sistema inalámbrico avanzado es requerida generalmente para optimizar o acentuar la energía de radiación en algunas direcciones y suprimirla en las demás.

INTRODUCCIÓN Para los sistemas de comunicación inalámbrica, la antena es uno de los componentes más críticos. Un buen diseño de la antena puede relajar los requisitos del sistema y mejorar el rendimiento general del sistema.

INTRODUCCIÓN Las antenas han sido parte indispensable de la revolución de las comunicaciones. Muchos más problemas y retos se enfrentan hoy en día, sobre todo porque las demandas son aún mayores.

TIPOS DE ANTENAS

ANTENAS DE ALAMBRE Las antenas de alambre son muy familiares, ya que se ven prácticamente en todas partes, en los automóviles, edificios, barcos, aviones, naves, etc. Hay varias formas de antenas de alambre, tales como un alambre recto (dipolo), lazo, hélice.

ANTENAS DE APERTURA Las antenas de este tipo son muy útiles para aplicaciones en naves, ya que pueden ser colocadas en el fuselaje de la misma. Además, se pueden cubrir con un material dieléctrico para protegerlas de condiciones peligrosas del medio ambiente.

ANTENAS DE MICROCINTA Estas antenas consisten de un parche metálico sobre un sustrato conectado a tierra. Son simples y baratas de fabricar utilizando la tecnología de circuito impreso moderno, Estas antenas se pueden montar en la superficie de los aviones, naves, satélites, misiles, automóviles y teléfonos móviles.

ARREGLOS DE ANTENAS Muchas aplicaciones requieren características de radiación que no pueden ser alcanzables por un solo elemento. Sin embargo, puede ser posible que un arreglo de elementos de una disposición eléctrica y geométrica que dará lugar a las características de radiación deseadas.

ANTENAS DE REFLECTOR Las lentes se utilizan principalmente para evitar que la energía incidente se propague en direcciones no deseadas. Las aplicaciones mas comunes son los reflectores parabólicos transmisores.

ANTENAS DE LENTE Se utilizan principalmente para transformar la energía incidente divergente y evitar que se propague en direcciones no deseadas. Pueden transformar diversas formas de energía divergente en ondas planas. Receptor.

ANTENA IDEAL En resumen, una antena ideal es una que irradia toda la potencia suministrada de la misma desde el transmisor en una dirección o direcciones deseadas. En la práctica, sin embargo, este tipo de antenas ideales no pueden ser alcanzadas.

MECANISMOS DE RADIACIÓN

ALAMBRE SIMPLE Supongamos que una densidad de volumen de carga eléctrica, representada por qv (coulombs/m3), se distribuye de manera uniforme en un alambre circular de área de sección transversal A y volumen V.

ALAMBRE SIMPLE La carga total Q dentro del volumen V se está moviendo en la dirección z con una velocidad uniforme vz (metros / segundo). Entonces la densidad de corriente Jz (amperios/m2) a través de la sección transversal está dada por:

ALAMBRE SIMPLE Si el cable está hecho de un conductor eléctrico ideal, la densidad de corriente JS (amperios/m) reside en la superficie del alambre y está dada por: Donde, qs (coulombs/m2) es la densidad de carga superficial.

ALAMBRE SIMPLE Si el cable es muy delgado (idealmente radio cero), entonces la corriente en el cable puede ser representada por: Donde, ql (coulombs/m) es la carga por unidad de longitud.

ALAMBRE SIMPLE Si la corriente es variable en el tiempo, entonces la derivada de la corriente puede escribirse como: Donde, dvz/dt=az (metros/seg2) es la aceleración.

ALAMBRE SIMPLE Si el alambre tiene una longitud l, entonces la ecuación anterior se puede escribir como: Esta ecuación describe la relación básica entre la corriente y la carga, y también sirve como la relación fundamental de la radiación electromagnética. Simplemente afirma que para crear la radiación, debe haber una corriente variable en el tiempo ó una aceleración (o desaceleración) de la carga.

ALAMBRE SIMPLE Por consiguiente: Si una carga no se mueve, no se crea corriente y por lo tanto no hay radiación. Si la carga se mueve con una velocidad uniforme: No hay radiación si el cable es recto, e infinito en extensión. Hay radiación si el cable es curvo, doblado, discontinuo, terminado ó truncado. Si la carga está oscilando en un tiempo-movimiento, irradia incluso si el cable es recto.

ALAMBRE SIMPLE

DOS ALAMBRES Consideremos una fuente de tensión conectada a una línea de transmisión de dos conductores, que está conectada a una antena.

DOS ALAMBRES La aplicación de un voltaje a través de la línea de transmisión de dos conductores crea un campo eléctrico entre los conductores.

DOS ALAMBRES La creación de campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo entre los conductores forman ondas electromagnéticas que se desplazan a lo largo de la línea de transmisión.

DOS ALAMBRES Si eliminamos parte de la estructura de la antena, las ondas en el espacio libre se pueden formar por "conectar" los extremos abiertos de las líneas eléctricas. Las ondas en el espacio libre se mueven a la velocidad de la luz.

DOS ALAMBRES La figura muestra la creación y el viaje de las ondas en el espacio libre.

ANALOGÍA ONDAS DE AGUA Una vez que se ha iniciado la perturbación en el agua, las ondas de agua empiezan a viajar hacia el exterior. Si la perturbación se ha eliminado, las olas no se detienen. Si la perturbación persiste, nuevas olas se crean de forma continua que se retrasan en su viaje detrás de los otras.

DIPOLO La figura explica el mecanismo por el cual las líneas eléctricas de fuerza se separan de la antena para formar las ondas en el espacio libre.

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE El movimiento de las cargas crea una corriente, de magnitud Io/2, a lo largo de cada uno de los cables. Cuando la corriente llega al final de los cables, se somete a una reflexión completa (igual magnitud y 180◦ de inversión de fase). La onda reflejada, cuando se combina con la onda incidente, forma una onda estacionaria.

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE A medida que la línea de transmisión comienza a separarse, los campos radiados por uno no anulan necesariamente las de la otra.

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE En el caso de un dipolo, la fase del patrón de onda estacionaria actual en cada brazo es la misma en toda su longitud. Así, los campos radiados por los dos brazos del dipolo radiarán hacia la mayoría de las direcciones de observación.

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE La figura muestra el patrón de corriente para dipolos con distintas longitudes de brazos.

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE Las variaciones de corriente, como una función del tiempo, en un dipolo de media onda son mostradas en la figura.

HISTORIA

MAXWELL Unificó las teorías de la electricidad y el magnetismo, y elocuentemente representaba sus relaciones a través de un conjunto de profundas ecuaciones

HERTZ Demostró el primer sistema electromagnético inalámbrico

MARCONI En 1901, fue capaz de enviar señales a grandes distancias.

SEGUNDA GUERRA MUNDIAL La tecnología de la antena se puso en marcha y nuevos elementos se introdujeron.