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Antena reflectora

Antenas reflectoras
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Dispositivo que sirve para reflejar ondas de radio

Antenas reflectoras. En esencia, una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas electromagnéticas, y una guía de onda es un tuvo metálico conductor por medio del cual se propaga energía electromagnética de alta frecuencia, por lo general entre una antena y un transmisor, un receptor, o ambos. Una antena se utiliza como la interfase entre un transmisor y el espacio libre o el espacio libre y el receptor.

Operación básica de una antena

Sin meterse en cuestiones físicas, si una corriente circula por un conductor, creará un campo eléctrico y magnético en sus alrededores. Luego nuestra corriente creará un campo eléctrico y magnético, pero como supondremos que la distancia entre los dos conductores que forman nuestra línea es pequeña, no se creará una onda que se propaga, puesto que la contribución que presenta el conductor superior se anulará con la que presenta el conductor inferior.

Pero si separamos en un punto los dos conductores, los campos que crean las corrientes ya no se anularán entre sí, si no que se creará un campo eléctrico y magnético que formará una onda que se podrá propagar por el espacio.

Según esto, dependiendo del punto desde el que separemos el conductor, tendremos una longitud en los elementos radiantes variable. Al variar esta longitud, la distribución de corriente variará, y lógicamente la onda que se creará y se propagará.

Hay que seguir observando que en los extremos seguimos teniendo un mínimo de corriente y que continúa repitiéndose cada media longitud de onda. Luego ahora podemos ver de forma gráfica, que si suponemos que nuestra antena son solo los elementos radiantes y que el punto en el que los hemos separado es el punto de alimentación de la antena, el módulo de la intensidad en el punto de alimentación varía y lógicamente, también varía la impedancia que presenta la antena. Como podemos ver, no por tener una antena más larga logramos radiar mejor, lo único que conseguimos es variar el diagrama de radiación y la impedancia que presenta.

Términos y definiciones

Una antena va a formar parte de un sistema, por lo que tenemos que definir parámetros que la describan y nos permita evaluar el efecto que va a producir sobre nuestro sistema. Impedancia.

Una antena se tendrá que conectar a un transmisor y deberá radiar el máximo de potencia posible con un mínimo de perdidas. Se deberá adaptar la antena al transmisor para una máxima transferencia de potencia, que se suele hacer a través de una línea de transmisión. Esta línea también influirá en la adaptación, debiéndose considerar su impedancia característica, atenuación y longitud.

Como el transmisor producirá corrientes y campos, a la entrada de la antena se puede definir la impedancia de entrada mediante la relación tensión-corriente en ese punto. Esta impedancia poseerá una parte real Re(w) y una parte imaginaria Ri(w), dependientes de la frecuencia. Si a una frecuencia una antena no presenta parte imaginaria en su impedancia Ri(w)=0, entonces diremos que esa antena está resonando a esa frecuencia.

Normalmente usaremos una antena a su frecuencia de resonancia, que es cuando mejor se comporta, luego a partir de ahora no hablaremos de la parte imaginaria de la impedancia de la antena, si no que hablaremos de la resistencia de entrada a la antena Re. Lógicamente esta resistencia también dependerá de la frecuencia.

Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias, la resistencia de radiación (Rr) y la resistencia de pérdidas (RL). Se define la resistencia de radiación como una resistencia que disiparía en forma de calor la misma potencia que radiaría la antena. La antena por estar compuesta por conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Estar pérdidas son las que definen la resistencia de pérdidas en la antena.

Como nos interesa que una antena esté resonando para que la parte imaginaria de la antena sea cero. Esto es necesario para evitar tener que aplicar corrientes excesivas, que lo único que hacen es producir grandes pérdidas.

Resistencia de radiación y eficiencia de antena

No toda la potencia suministrada a la antena se irradia. Parte de ella se convierte en calor y se disipa. La resistencia de radiación es un poco "irreal", en cuanto a que no puede ser medida directamente. La resistencia de radiación es una resistencia de la antena en ca y es igual a la relación de la potencia radiada por la antena al cuadrado de la corriente en su punto de alimentación. Matemáticamente, la resistencia de radiación es

Rr= P / i2

donde: Rr = Resistencia de radiación (ohms) P = Potencia radiada por la antena (Watts) i = Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes)

La resistencia de radiación es la resistencia que, si reemplazara la antena, disiparía exactamente la misma cantidad de potencia de la que irradia la antena. La eficiencia de antena es la relación de la potencia radiada por una antena a la suma de la potencia radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia radiada por la antena con la potencia total de entrada.

Utilización

Hertz, en sus primeros experimentos ya utilizó una antena reflectora en forma de cilindro parabólico. En la actualidad se utilizan en los campos más variados, como la recepción de señales de satélite, los grandes radiotelescopios, los bases terrenas para la comunicación con satélites geoestacionarios, o los radioenlaces a frecuencias de milimétricas.

Los reflectores empezaron a utilizarse de forma intensiva a partir de los desarrollos técnicos realizados en la segunda guerra mundial, especialmente con los sistemas de radar y de comunicaciones a frecuencias de microondas.

Análisis

El análisis de los reflectores se puede realizar mediante técnicas de trazado de rayos o óptica geométrica (GO), seguida del análisis de los campos en la apertura y el cálculo de los campos radiados. Un análisis más detallado de la radiación requiere el estudio de la difracción en los bordes, para ello se desarrolló la teoría geométrica de la difracción (GTD).

El análisis también puede realizarse a partir de las corrientes inducidas en la superficie del reflector, técnica que se denomina óptica física.

La previsión de los campos radiados por el reflector puede realizarse a partir de la transformada de Fourier bidimensional, el desarrollo de los campos radiados en forma de series de Bessel-Jacobi, o la expansión de los campos en forma de armónicos esféricos. Un análisis más exacto puede realizarse a partir de la propagación del espectro de ondas planas.

En la gráfica se muestran los campos próximos de una apertura con distribución uniforme. Se puede observar que los haces se propagan de forma paralela, hasta una cierta distancia, donde empieza a formarse el diagrama de radiación.

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Arreglos (arrays)

Los reflectores pueden utilizarse conjuntamente con arrays en su foco. Dicha configuración permite obtener haces conformados.

La utilización de múltiples reflectores (superficies planas, parabólicas, hiperbólicas, elípticas) permite optimizar las características de radiación, como el área efectiva, la relación de lóbulo principal a secundario o los niveles de polarización cruzada. Dichas superficies pueden optimizarse para conseguir unos determinados diagramas o características de radiación.

Superficies reflectoras

Las superficies planas, parabólicas, hiperbólicas y elípticas se utilizan habitualmente como parte de la antena. Los reflectores planos, o en forma de diedros permiten mejorar la directividad de los dipolos y se analizan utilizando la teoría de imágenes, conjuntamente con la teoría de agrupaciones.

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Parabólicos

Los reflectores de forma parabólica se utilizan debido a su propiedad, que los rayos salientes de un punto denominado foco, al reflejarse se convierten en un conjunto de rayos paralelos. Recíprocamente un conjunto de rayos paralelos incidentes de forma normal al reflector, convergen en el mismo punto focal.

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Los reflectores parabólicos pueden tener simetría de revolución, o bien pueden ser cilindros parabólicos.

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Hiperbólicos

Los reflectores de forma hiperbólica se utilizan como reflectores secundarios, ya que una onda esférica incidente sobre los mismos se convierte en otra onda esférica. Los dos focos se encuentran a ambos lados de la superficie.

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Un elipsoide de revolución se define como el lugar geométrico de los puntos que cuya suma de distancias a los dos focos es constante.

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Fuentes

  • Propagación y Antenas Salmeron
  • Sistemas de Comunicaciones Electrónicas Wayne Tomasi
  • Antenas Miguel Ferrando, Alejandro Valero. Dep. Comunicaciones. Universidad Politécnica de Valencia
  • Antenas