UNI FIEE EE-525M - ANTENAS 2015-2
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Captulo 1
Introduccin a las Antenas
(Overview)
Ing. Marcial A. Lpez Tafur [email protected]
2015-2Antenas 2
Metodologa
Se desarrolla en base a sesiones tericas semanales con uso de material multimedia y el dilogo pedaggico.
Seminarios de problemas.
Se toman 4 prcticas y 2 exmenes para evaluar el aprendizaje de los temas desarrollados en clase, de la prcticas se elimina la de menor nota de las 4 ( la que no se d).
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Sistema de Evaluacin
Se aplica el sistema de evaluacin F, que establece que el promedio se calcula con la siguiente frmula:
Nota Final = ( EP + 2 EF + PP) / 4
Donde:
EP, EF = Examen Parcial, Final
PP = Promedio prcticas, sin considerar la menor nota o la que no se de.
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Asistencia
La asistencia es no es obligatoria, pero hay alta correlacin entre las faltas a clases y la desaprobacin.
Si se trabaja (o practica) deber planear el tiempo libre que disponga el estudiante, para poder aprender el curso y no slo pasarlo con las justas.
La regla de oro es estudiar cada curso 20 minutos al da.
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Si se vive lejos de la UNI, tomar sus precauciones para llegar temprano.
No est permitido el uso de telfonos celulares durante la clase o prctica.
Distribuir bien el tiempo de manera de poder estudiar y aprender los temas.
Recuerde que tenemos nueva ley universitaria.
Sobre todo estudie, no hay otra frmula para aprender el curso.
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Otras consideraciones
El hecho de trabajar o practicar no da concesiones especiales a ningn alumno.
Un error muy comn es estudiar slo la vspera de los exmenes, se debeestudiar regularmente da a da.
Asista a clases y preprese para las prcticas y exmenes, hay mucho material en Internet o en las fotocopiadoras como para salir mal.
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Recuerde
No deje para la noche lo que puede hacer en la maana
Traducido a nuestra costumbre: No deje para maana lo que pudo hacer ayer
Slo el conocimiento nos har libres, es decir, el poder de transformar el futuro de uno mismo y no estar echndole la culpa a otros otras causas por nuestros fracasos.
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Antenas: Un vistazo general
Qu es una antena?
Es la parte de un sistema de transmisin o recepcin diseado para radiar o recibir ondas electromagnticas
Teorema de la Reciprocidad:
Las antenas se comportan de la misma manera, sea que estn transmitiendo o recibiendo
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Frecuencias y Longitudes de Onda
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
3
kHz
30
kHz
300
kHz
3
MHz
30
MHz
300
MHz
3
GHz
30
GHz
100
km
10
km
1
km
100
m
10
m
1
m
10
cm
1
cm
Los tipos y tamaos de antenas son muy dependientes de la frecuencia de operacin
(longitud de onda) y del ancho de banda.
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La Antena ms simple:
Matemticamente el radiador Isotrpicoes la antena ms simple. (Concepto Terico)
Radia toda la potencia que se le suministra, igualmente en todas direcciones.
Slo en teora, no se puede construirla
Se usa como una referencia para otras antenas que a menudo son comparadas con ella. (Antenas parablicas por ejemplo)
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Fuente Isotrpica (Antena)
Una fuente isotrpica radia su potencia uniformemente en todas direcciones.
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Patrones de Radiacin
Potencia radiada (o Refuerzo de la seal recibida) es una funcin de ngulos (coordenadas esfricas en 3-D)
x y
z
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Dipolo de media onda
Es la antena prctica ms simple
Puede ser
Dipolo simple
Dipolo doblado
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Desarrollo del Dipolo de Media Onda
Lnea en circuito abierto
Lnea con su extremo extendido
Lnea con dipolo de media onda
Campo Elctrico
/4 /4
/4 /4
Campo Elctrico Campo Elctrico
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Antena Dipolo de /2
El patrn de radiacin horizontal es omnidireccional, visualcelo como una dona o rosquilla circundando un alambre
/ 2
i
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Patrn Vertical
Patrn Horizontal
Dipolo de /2
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Patrn de ganancia del dipolo
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Resistencia de Radiacin
La seal radiada al espacio aparece como prdida desde la antena
Elctricamente esto se traduce en una resistencia
Para un dipolo de /2 alimentado en su centro la resistencia de radicacin es aproximadamente 70 ohmios
Antenas tambin tienen resistencia real debido a sus conductores metlicos.
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Eficiencia de la Antena
T
r
T
r
R
R
P
P
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Antena direccional vs. isotrpica
Radiador IsotrpicoSin las
Prdidas (de temp.)
Medicin de la antena
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Ganancia y Directividad
La Directividad es un valor terico que ignora las prdidas
La Ganancia (medicin) incluye prdidas
Como relacin:
ganancia = directividad eficiencia
Las especificaciones dan la ganancia, pero a menudo los modelos computarizados calculan la directividad (tener cuidado)
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Potencia Efectiva Radiada (ERP)
ERP = PT GT Desde que la ganancia incluye eficiencia
de transmisin, podemos usarla para determinar la potencia de radiacin total en una determinada direccin
Realmente, es difcil determinar con exactitud GT, pero el producto PT GT es fcil de medir utilizando un medidor de intensidad de campo.
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La Antena desarrollan ganancia por medio del enfocamiento y formacin del patrn de radiacin.
Las Antenas no pueden crear potencia, slo pueden direccionarla.
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PotenciaIntensidad de campo
En()2
n nP ()=E ()
= 0 = 0
PnEn1.0 1.0
0.707
0.5
HPBW
HPBW
FNBW = 74
FNBW= 74
= 40= 40
(a) (b)
Diagrama de Campo
Diagrama de Potencia
2
n 2max
2n n
E () / ZP () =
E () / Z
P () = E ()
n
max
n n
E()E () =
E ()
E () = E ()
HPBW: Half Power Beam Width FNBW: First Null Beam Width
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EIRP y ERP EIRP = effective isotropic radiated power
Igual a la cantidad de potencia que tendra que ser aplicada a un radiador isotrpico para tener la misma densidad de potencia en un determinado punto.
ERP = effective radiated power
Igual a la cantidad de potencia que tendra que ser aplicada a un dipolo de media onda, orientado en direccin de mxima ganancia, para tener la misma densidad de potencia en un determinado punto.
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Polarizacin del Dipolo
La polarizacin es la misma que la de como esta montado el dipolo:
Dipolo Vertical est polarizado verticalmente
Dipolo Horizontal est polarizado horizontalmente.
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Polarizacin del Dipolo
Dipolo Vertical Dipolo Horizontal
Polarizacin Vertical
Polarizacin Horizontal
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Arreglo o agrupamientode antenas
Antenas simples pueden ser combinada para obtener determinados efectos direccionales
Antenas individuales son llamadas elementos y la combinacin es un arreglo (array).
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Arreglos de antenas (arrays) Es una forma de conformar el patrn de
radiacin
Bsicamente es el resultado de la interaccin de patrones radiados por varias antenas
Antenas de varios elementos tales como las yagis, log peridicas, etc. son esencialmente arreglos de antenas simples (dipolos)
Arreglo de 4-elementos
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Para la ganancia de una antena se usan mltiples elementos especialmente posicionados para enfocar la potencia en una determinada direccin.
Arreglo Horizontal
(Yagi)
Arreglo Vertical
(Co-linear)
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Se pueden espaciar las antenas cuidadosamente para tener el deseado patrn resultante
Pueden usarse retardos de fases elctricos para explorar o dirigir el haz, no requirindose posicionamiento mecnico
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Arreglos de Dipolos Verticales
Alimentacin comn: Cada elementoes alimentado con igual potencia y fase.
3 dBd
3 dBd
6 dBd Total
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Interferencias constructivas y destructivas
++
==
en fasefuera de fase
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Tipos de Arreglos
Broadside: mxima radiacin en ngulo recto del eje principal de la antena
End-fire: mxima radiacin a lo largo del eje principal de la antena
En Fase: todos los elementos conectados a la fuente
Parasticas: algunos elementos no estn conectados a la fuente Ellos re-radian la potencia de otros elementos
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Arreglo de Dipolos Log-Peridica
Varios elementos activos (dipolos) de diferentes longitudes
Arreglo en fase
End-fire unidireccional
Tiene gran ancho de banda pero poca ganancia
A menudo usado para antenas de TV
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Arreglo Log-Peridica
Alimentacin Balanceada
L5 L4 L3 L2 L1
D5
D4
D3
D2
D1
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Antena Log peridica y su patrn
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Arreglo Colinear
Todos los elemento estn a travs del mismo eje
Usada para proveer un patrn omnidireccional horizontal con una antena vertical
Concentra la radiacin en el plano horizontal
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Mxima Radiacin
Arreglo Colinear
Mxima Radiacin
Stub de /4 con extremo en corto circuito
Stub de /4 con extremo en corto circuito
Lnea balan-ceada
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Antenas para Frecuencia modulada (FM)
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Similar al arreglo broadside excepto que los dipolos son alimentados 180 fuera de fase
Arreglo End-Fire
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Mxima Radiacin
/2 /4
/4
Lnea balan-ceada
Arreglo End-Fire
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Arreglo Yagi-Uda
End-fire, Parastica, unidireccional
Un elemento activo: dipolo o dipolo doblado
Un reflector detrs del elemento activo y ligeramente ms largo
Uno o ms directores en frente del elemento activo y ligeramente ms cortos
Hay variantes con dos elementos activos, acoplados.
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Reflector
Elemento Activo
Directores
Direccin de mxima propagacin
Yagi-uda
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Yagi-Udacon Dipolo doblado
Yagi-Udacon Dipolo simple
Antenas 46
Antenas 47 Antenas 48
Yagi-Uda para bandas de radio aficionados de 14, 21, 28 MHz
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Antenas 49
Antena tipo Panel Reflector
Antena montada a /4 de la superficie metlica plana (reflector)
La onda directa y reflejada estn en fase
Se incrementa la radiacin en esa direccin.
Antenas 50
Antena para
transmisin de
televisin
Antenas 51
Apilamiento de Yagis
Apilamiento en-fase Yagis con media longitud de onda de espaciamiento vertical
Reduce radiacin sobre y debajo del horizonte
Incrementa la ganancia en el plano de la a antena
Antenas 52
Antenas 53
Apilamiento de otras antenas
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Antena sector parablico para recepcin
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Reflector de EsquinaCorner Reflector
Radiacin ms enfocada que en el caso del reflector plano.
A menudo usado en antenas de TV UHF
Antenas 58
AntenaMxima radiacin
Reflector (Vista de costado)
Reflector de esquina y sus imgenes
Imagen
Imagen
Antenas 59
Antena UHF-TV : Yagi con reflector de esquina
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Reflector Parablico
Toda la radiacin emitida hacia el foco emerge en un haz paralelo al eje
Se obtiene un haz muy estrecho
Adecuado principalmente en frecuencias de microondas porque el dimetro de la parbola es muy grande comparada con su longitud de onda
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Antena parablica slida para microondas
Antenas 63 Antenas 64
Antenas 65
Antena Parablica para Recepcin Satelital de TV
(TVRO: Televisin Reception Only)
Antenas 66
Antena Parablica para Recepcin Satelital de TV en la casa
(DTH: Direct To Home)
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Antenas 67 Antenas 68
Otros tipos de antenas Apertura/Corneta (horn)
Las ondas son radiadas desde un hueco en la gua de onda
Es bueno para altas frecuencias (microondas)
Parche (Patch)
Pueden fabricarse tipo circuito impreso
Helicoidales
Radian con polarizacin circular
Broadband (de gran ancho de banda)
Diseos novedosos que lucen extraos
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Antenas 71
Antenas para comunicaciones mviles
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Antena fractal para telfono mvil
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Antena fractal en circuito impreso
73VISTA POSTERIOR DE LA ANTENA
VISTA FRONTAL DE LA ANTENA
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Mediciones de antenas
Analizador de Redes (Network Analyzer)
Impedancia de Entrada
Parmetros S
Medidas de Transmisin
Rangos de la antenna
Patrn de Radiacin
Ganancia
Polarizacin ...
Antenas 75 Antenas 76
Herramientas de Simulacin
Software especficos (propietarios y de open source como el phytonxy)
Mediciones de campo
Usando instrumental adecuado como medidor de intensidad de campo, analizador de espectro, etc.
Analizador de espectro
Antenas 77 Antenas 78
Medidores de intensidad de campo
porttiles
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Cmara Anecoica
Absorve las reflexionesen paredes, techo y piso
Antenas 80
Antenas 81 Antenas 82
Antenas 83
Muchas gracias por su atencin
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