Tipos de Antenas.

INTRODUCCION

Existe una diversidad considerable sobre la definición de antena, de tal manera, que se podría firmar que cada autor de textos referente a este tema, tiene su propia definición al respecto. Por ejemplo los señores de la IEEE definen antena como: “Un medio para radiar y/o recibir ondas de radio”.

Así mismo se podría considerar que una antena es: el elemento que permite adaptar a la línea de transmisión (cables conductores paralelos, cables coaxiales o guías de ondas), de un transmisor y/o de un receptor, con el medio ambiente (espacio libre o superficie terrestre) por el cual se transfieren las señales de radio que manejan estos equipos.

Con lo descrito anteriormente se podría concebir a una antena como un “transductor”, consistente en aquel dispositivo físico que convierte la energía o señal eléctrica, generada por el transmisor, en energía electromagnética o señal de radio, que se propaga a través del espacio libre o superficie terrestre, en el caso de que este trabajando en modo de transmisión y en sentido contrario, si está trabajando en modo de recepción.

De esta manera se podría entender que una antena, en modo de transmisión, es un transductor que convierte las señales eléctricas en señales de radio, y en modo de recepción, es un transductor que convierte las señales de radio en señales eléctricas.

El transmisor genera señales eléctricas, moduladas según el sistema empleado para tal fin, las cuales son enviadas a la antena a través de la línea de transmisión, la cual a su vez las transforma en señales de radio que son propagadas a través del espacio libre o de la superficie terrestre. En sentido contrario la antena recibe las señales de radio, transformándolas en señales eléctricas, las cuales son enviadas al receptor a través de la línea de transmisión, el cual realiza el proceso de demodulación respectivo recuperando de esta forma la información transmitida.

El propósito del duplexador es poder emplear una misma antena, en forma simultánea, tanto en modo de transmisión como en modo de receptor.

Toda antena debe ser construida con material conductor, ya que para que pueda rediar señalkes de radio debe fluir por la misma corriente eléctrica (modo de transmisión) y por la misma razón, debe ser conductora, para que una señal de radio induzca sobre la misma una señal eléctrica (modo de recepción).

La resistencia de carga de una antena se debe a las características óhmicas del material del conductor con que esté construida esta, y su resistencia de radiación y su componente reactivo se debe principalmente a su característica eléctrica, la cual depende esencialmente de cómo se distribuye la corriente por la antena, lo cual a su vez depende esencialmente, de las condiciones geométricas de la misma.

En condiciones ideales, la energía entregada a la antena por medio de la línea de trasmisión, sería totalmente radiada por esta, a través de su resistencia de radiación, lo que implicaría que no exista resistencia de carga alguna en la antena y que tampoco contiene componente reactivo o que ha sido este último neutralizado a través de un acoplamiento de impedancia.

En la práctica, en todo montaje de transmisión-recepción, se producen perdidas de energía, debido principalmente a las siguientes razones:

Características intrínsecas disiparías, ya sea de la línea de trasmisión y/o de la antena. La reducción de esta pérdida se puede lograr si se utilizan líneas de trasmisión y antenas de baja perdida.

Reflexión de la señal por la interconexión entre la línea de trasmisión y la antena (ondas estacionarias). La reducción de estas pérdidas se puede utilizar logrando un adecuado acoplamiento físico y de impedancia entre las líneas de transmisión y la antena.

Efectos reflexivos de la superficie terrestre y/o del entorno donde se encuentra instalada la antena. Estas situaciones alteran las características funcionales de las antenas, especialmente su impedancia de radiación y a su vez su impedancia de entrada, lo que viene también a alterar las condiciones ideales de acoplamiento de impedancia. La reducción d estas perdidas se pueden lograr instalando las antenas lo más lejos posible de estructuras de tipo metálico (conductor) y lo más alta posible de la superficie terrestre (mínimo ¼ de longitud de onda de su señal trasmitida).

TIPOS DE ANTENAS

 

La tipificación de las antenas, como para cualquier otra clase de elementos, depende de los criterios que para tal fin se utilicen, por lo tanto habrá tantos tipos de antenas como criterios al respecto existan. A continuación se relacionan algunos de los innumerables tipos de antenas, que con mayor frecuencia se conocen en el argot de la radio-comunicación.

Wire antenas (antenas alámbricas)

La característica esencial de estas antenas, es que el diámetro del elemento con que están construidas es mucho menor que la longitud de la onda que manejan. A continuación se muestran los esquemas de algunas antenas de tipo alámbrico.

ANTENAS DE APERTURA

Estas antenas se caracterizan por corresponder a una apertura de las dimensiones de la guía de onda que las alimenta. En la siguiente figura se representan los esquemas de algunas antenas de tipo de apertura, más utilizadas.

ANTENAS CON REFELCTOR

Estas antenas tienen como característica fundamental que son de alta ganancia, la cual se debe esencialmente al tipo de reflector que utilizan. En la siguiente figura se representan los esquemas de algunas antenas con reflector más utilizadas.

ANTENAS DE BANDA ANCHA (BROAD BAND)

Estas antenas como su denominación lo indica, cubren anchos de banda considerable, lo cual se logra haciendo que exista mayor superficie para la circulación e corriente. Unas de las formas para lograr lo anterior, es haciendo que el elemento radiador tenga buena relación: diámetro/longitud, y/o que exista un complemento de elementos que le contribuyan al elemento radiador para que la antena pueda disponer de mayor superficie para la circulación de la corriente. A continuación se muestran los esquemas de algunas antenas de banda ancha.

ANTENAS INDEPENDIENTES DE FRECUENCIA.

Corresponden a aquellas antenas cuya particularidad es que, idealmente, su funcionamiento es independiente de la frecuencia en que trabajen. Lo anterior se lograría si la configuración geométrica de la antena dependiera exclusivamente de angulos. Sin embargo, en la practica, esta situación no se puede lograr plenamente ya que toda antena tiene que depender de una longitud limitada, lo que hace imposible que la configuración de las antenas tienen que ser finitas, si su configuración se basa en ángulos se  logra obtener que funcionen en un espectro de ancho de banda muy grande. A continuación se representan los esquemas de algunas antenas independientes de frecuencia.

MICORANTENAS (MICROSTRIP ANTENNAS)

Como su nombre lo indica, estas antenas son de tamaño súper reducido y están conformadas esencialmente por un pedazo de metal sobre un dieléctrico. Se utilizan especialmente en aeronaves, misiles, satélites y teléfonos móviles. A continuación se representan los esuqemas de algunos tipos de micro antenas.

 

ANTENAS MONOPOLARES.

Son todas aquelas antenas que tan solo cuentan con un polo para radiar. En este caso la polaridad positiva de la línea de transmisión se conecta al único polo que tiene la antena y la polaridad negativa de dicha línea se conecta a tierra real o simulada. En la siguiente figura se representan los esquemas de algunos tipos de antenas monopolares.

ARREGLOS DE ANTENAS

Con el propósito de poder obtener un patrón de radiación determinado y/o lograr alcanzar mayores ganancias, se interconectan entre sí varias antenas generalmente del mismo tipo. En la siguiente figura se muestran algunos arreglos de antenas.

Antena Colectiva:    Antena receptora que, mediante la conveniente amplificación y el uso de distribuidores,  permite su utilización por diversos usuarios
Antena de Cuadro:    Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría
Antena de Reflector o Parabólica:    Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.
Antena Lineal:  La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición vertical.
Antena Multibanda:    La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias
Dipolo de Media Onda:    El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo de 2 MHz, la longitud física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena de Hertz. Una antena de Hertz es una antena resonante. O Sea, es un múltiplo de un cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante.
La figura anterior podemos observar las distribuciones de corriente y voltaje ideales a lo largo de un dipolo de media onda. Cada polo de la antena se ve como una sección abierta de un cuarto de longitud de onda de una linea de transmisión. Por lo tanto en los extremos hay un máximo voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de alimentación esta en el centro de la antena, la impedancia de entrada es Eminimo / Imaximo y un valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena de Emaximo / Iminimo y un valor máximo. La figura siguiente muestra la curva de impedancia para un dipolo de media onda alimentado en el centro.
La impedancia varia de un valor máximo en los extremos de aproximadamente 2500 W a un valor mínimo en el punto de alimentación de aproximadamente 73 W (de los cuales entre 68 y 70 W es la impedancia de radiación).     El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la localización horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie de la tierra.     La figura siguiente muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo de media onda montado verticalmente. Observese que los dos lóbulos principales que irradian en direcciones opuestas están en ángulo derecho a la antena, los lóbulos no son círculos, se obtienen solo en el caso ideal donde la corriente es constante a todo lo largo de la antena, y esto es inalcanzable en una antena real.
Antena Yagi:    Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. (figura siguiente)     Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por:  G = 10 log n      donde n es el número de elementos por considerar.
Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de 0.15l , y entre el activo y el director es de 0.11l . Estas distancias de separación entre los elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí, bajando la ganancia.     Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho de banda angosto, ya que el elemento dipolar está cortado a una sola frecuencia que generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos de TV; es decir, del canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es posible cubrir varios canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razón se utiliza la denominada antena yagi de banda ancha, la cual puede cubrir varios canales a la vez aunque sacrificando la ganancia.     En la figura siguiente se muestran los parámetros de diseño x y y, creando la relación x + y = l /4, la ganancia se acentúa alrededor de un solo canal, como se muestra en la
Para considerar una antena yagi de banda ancha es necesario, entonces, hacer ajustes en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia óptima. Se recuerda que para un arreglo de antenas en las cuales todos los elementos van alimentados se obtiene mejor ganancia para el denominado "en linea". Como la antena yagi utiliza elementos alimentados y parasitos, es común aumentar el numero de elementos alimentados a 2 o 3; estos dipolos se cortan a la frecuencia media del ancho de banda; generalmente para los canales bajos de televisión da muy buen resultado. En la figura siguiente se proporciona las dimensiones para óptima ganancia de una antena yagi de tres elementos

La Antena Vertical de 1/4 de Onda
El más conocido dipolo asimétrico es la antena de cuarto de onda con plano de tierra artificial, conocida como ground plane. El plano de tierra se simula mediante varios «radiales» de un cuarto de onda extendidos por debajo del elemento radiante vertical y conectados a la malla del cable de alimentación. La práctica demuestra que en HF 30 o 40 radiales de un 1/4 de onda y separados del suelo proporcionan excelentes resultados. En VHF y UHF, donde por lo general las antenas verticales se instalan a cierta altura sobre el suelo, el número de radiales puede ser mucho más reducido. Con los radiales en ángulo recto respecto al elemento radiante, la impedancia de la antena es de 36 ohmios. A medida que los radiales forman un ángulo más obtuso respecto al elemento radiante, la impedancia del sistema aumenta. La antena vertical mínima debe tener un 1/4 de onda eléctrico, lo que no significa que tenga la longitud física de una cuarta parte de la longitud de la onda a transmitir. La longitud física de una antena autorresonante para las bandas de onda más larga -y especialmente en la banda de 160 metros-, puede ocasionar problemas mecánicos para su sustentación de modo que, en general, se la hace menor a la teórica de 1/4 de onda y aún funciona bastante bien. Las antenas verticales cortas se «alargan» artificialmente bien añadiéndoles una inductancia en la base o una capacidad en el extremo superior.
El Dipolo en V Invertida
Cuando el espacio disponible no permite extender el dipolo horizontalmente en toda su longitud, se puede adoptar la configuración de las antenas dipolo en V invertida, que son una buena solución y que presenta incluso algunas ventajas frente al dipolo horizontal. Esta antena se instala utilizando un solo mástil, que la sustenta por su centro o suspendida de una driza. Con un ángulo de 90º entre las ramas en el vértice, esta antena presenta un diagrama de radiación prácticamente omnidireccional, ángulos de salida bajos y una impedancia próxima a los 50 ohmios, que la hace apta para ser alimentada con cable coaxial.
Antenas para Espacios Reducidos
Para las bandas de 80 y 160 metros, en muchas ocasiones no es materialmente posible extender un dipolo de media onda. Es preciso entonces, tratar de acomodar las ramas de la antena al espacio disponible, doblándolas en el plano horizontal o decidirse por una antena vertical. Combinando varios procedimientos es posible construir antenas cuya longitud física sea la mitad o aún menos de la que teóricamente le correspondería y aún así ser muy eficientes. No es infrecuente, por ejemplo, ver antenas dipolo rígidas para la banda de 40 metros cuya longitud total no supera los 10 m. Con todo, no hay que olvidar que cualquier reducción de tamaño de una antena comporta inevitablemente una reducción del ancho de banda útil, así como un descenso del rendimiento total debido, entre otras cosas, a las pérdidas acumuladas en los elementos añadidos.
Antenas Cortas con Inductancias
Uno de los procedimientos usuales para «alargar» eléctricamente las antenas comporta el uso de inductancias en sus ramas. El cálculo del valor y posición de esas inductancias es bastante complicado para hacerlo manualmente por lo que deben usarse programas de ordenador que lo resuelven con buena exactitud. No es válida la simplificación de acortar la antena simplemente arrollando el exceso de hilo sobre un soporte cualquiera formando una bobina; la inductancia necesaria de esa bobina depende de la posición que ocupe sobre el dipolo y de la longitud total de éste, así que sería sólo casualidad acertar con todas las variables.
Antenas Cortas con Cargas Lineales
Otro método de reducir la longitud física de las antenas, manteniendo la resonancia y ofreciendo una resistencia de radiación conveniente y bajas pérdidas, es el uso de las llamadas cargas lineales, consistentes en plegar sobre sí mismo parte del conductor de la antena; el cálculo de las dimensiones de esa configuración es muy complejo y debe realizarse con la ayuda de un programa de ordenador.
Antenas Cortas con Carga Capacitiva
Un tercer procedimiento para «alargar» artificialmente una antena es añadir capacidad al extremo de la misma. Esta capacidad está compuesta por lo general por una red de conductores (cruz, polígono, etc.) conectada al extremo del conductor que se quiere alargar eléctricamente. Un medio para añadir carga capacitiva a un mástil radiante vertical es utilizar una sección de los vientos superiores, que se conectan eléctricamente al vértice del mástil, formando las aristas de un polígono cónico. Si la reducción de longitud es considerable, una antena de ese tipo presenta una baja resistencia de radiación, que complica asimismo el problema de las pérdidas del sistema de tierra.
Antenas Dipolos Multibanda
Un dipolo resuena, además de en su frecuencia natural, a frecuencias múltiplos de aquella; a ciertas frecuencias, la impedancia en el punto de alimentación hace que la ROE resultante sea muy elevada. Es posible, sin embargo, hacer resonar una antena en varias bandas manteniendo su impedancia en valores próximos a la del cable coaxial haciendo uso de «trampas» de onda, que dividen eléctricamente la antena en varios tramos, cada uno de los cuales, añadido al anterior, hace resonar a la antena en una banda determinada. Las trampas de onda actuan prácticamente como un interruptor a su frecuencia, aislando las secciones subsiguientes de la antena. A una frecuencia inferior, la tranpa presenta reactancia inductiva, alargando así eléctricamente la rama. Es posible combinar los distintos valores de forma que la antena resuene en dos o más bandas con una impedancia adecuada para ser alimentada con cable coaxial. Una popular antena de ese tipo es el dipolo para dos bandas (típicamente para 80 y 40 metros) que desarrolló W3DZZ hace ya muchos años. En el número 180 (diciembre 1998) de CQ Radio Amateur y en su página 24 se incluye un excelente artículo de G. Murphy, VE3ERP, que ofrece varias antenas multibandas con trampas LC, ya resueltas. Otra popular antena multibanda es la desarrollada por John Varney, G5RV, de la cual se han desarrollado varias versiones, cortas y largas, que no es difícil de construir y debería ser ensayada por todo radioaficionado.
Antenas para VHF y UHF
Dada la menor longitud de onda de las señales de VHF y UHF, las dimensiones de las antenas básicas (dipolo, vertical con plano de tierra, etc.) son proporcionalmente menores y por ello mismo en esas bandas son posibles formaciones de mayor ganancia, con múltiples elementos, que resultarían inviables en las bandas decamétricas.
Antenas Verticales para V-UHF
Una sencilla antena vertical de 1/4 de onda con plano de tierra artificial puede proporcionar buenos resultados en un entorno urbano. Inclinando los radiales hacia abajo se logra rebajar el ángulo de radiación y elevar la impedancia hasta los 50 ohmios convenientes para alimentarla con cable coaxial. Combinando varias antenas verticales con sus elementos «en línea» se obtiene la antena denominada colineal, con la que se logran mayores prestaciones al concentrar la energía en un menor ángulo vertical, de forma que no se desperdicia energía hacia lo alto. Comercialmente se ofrecen antenas de este tipo que resultan prácticas y convenientes de instalar, tanto en situaciones fijas como sobre un vehículo. La comunicación en VHF o UHF a través de repetidores (analógicos o digitales) se efectúa exclusivamente en FM y utilizando polarización vertical, por lo que las antenas verticales omnidireccionales ofrecen una excelente solución para repetidores relativamente cercanos.
Antenas Direccionales para V-UHF
Cuando se desea incrementar el alcance de la estación en VHF o UHF es necesario optar por una antena direccional, fija o acoplada a un rotor. Dadas las dimensiones relativamente reducidas de estas antenas, incluso con múltiples elementos, es factible mejorar sustancialmente el alcance de un equipo sin necesidad de apelar a amplificadores utilizando antenas direccionales

PATRON DE RADICAION.

 Se considera como patrón de radicación de una antena: la forma geométrica con que sus ondas electromagnéticas son radiadas en el espacio. El tipo de patrón de radicación que generan las antenas, se debe esencialmente a la configuración física y geométrica de la misma.

Los patrones de radicación de las antenas son de diversas formas, entre las cuales destacan las siguientes:

PATRON DE RADIACION ISOTROPICO.

Corresponde aquel patrón, cuya radiación se produce en todas las direcciones con igual intensidad. La antena que genera este tipo de radiación se conoce como: antena isotrópica., la cual es ideal, sin perdidas y con una ganancia igual a la unidad (0dB).

PATRON DE RADICAION DIRECCIONAL.

Corresponde aquel patrón, cuya radiación se produce con mayor intensidad en una determinada dirección. Las antenas que generan este tipo de radiación se conocen como: antenas direccionales. En la siguiente figura se representa una de las diversas antenas (Horn Piramidal) que generan patrones de radiación direccionales.

PATRON DE RADIACION OMNIDIRECCIONAL

Corresponde aquel patrón de radiación no direccional en un plano dado, pero direccional en cualquier plano ortogonal al anterior. Las antenas que generan este tipo de radiación se conocen como: antenas omnidireccionales. En la siguiente figura se muestra una representación de las diversas antenas (dipolo elemental) que generan patrones de radiación omnidireccionales.

En los patrones de radiación se identifican dos clases típicas de lóbulos:

1.- Lóbulo principal: También conocido como lóbulo mayor, corresponde aquel donde H y E presentan la máxima intensidad de radiación.

2.- Lobulos secundarios: Tambien conocidos como lobulos menores; corresponden aquellos donde presentan H y E una porción, relativamente débil de intensidad de radiación, con respecto a la de los lóbulo principal. Dentro de estos lobulos se tipifican: los lobulos laterales y los lobulos posteriores.

ANCHO DE BANDA

Es el rango de frecuencias en el cual la antena mantiene sus características o especificaiones técnicas constantes. Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar en una banda o margen de frecuencias.

Asi como para todo dispositivo de radiocomunicaciones, la antena a medida que posea mayor ancho de banda podrá manejar mayor cantidad de información simultáneamente. Dependiendo del ancho de banda que manejen las antenas, estas pueden clasificarse en:

·         Banda ancah (broad-band): para este caso por lo general se referencia el ancho de banda en forma proporcional. Por ejemplo 10:1 significa que la frecuencia superior de la antena esta 10 veces por encima de la frecuencia inferior de la misma.

·         Banda estrecha o angosta (narrow-band): para este caso por lo general referencia el ancho de banda en forma de porcentaje. Por ejemplo ±5% significa que la antena responde entre -5% y +5% donde f_o es la frecuencia media.

POLARIZACION.

La polarización de una antena es una dirección dada, equivale a la polarización de la onda transmitida por la antena: es decir, es una indicación de la orientación del vector de campo eléctrico, respecto a la superficie de la tierra, radiado por la antena en un punto fijo del espacio al transcurrir el tiempo.

La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector de campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Para ondas con variación temporal sinusoidal esa figura es en general una elipse, pero hay dos casos particulares de interés: si la figura trazada es un segmento, la onda se denomina linealmente polarizada y si es un circulo se denomina circularmente polarizada.

El sentido de giro del campo eléctrico, tanto en las ondas circularmente polarizadas como en las elípticas, se dice que es a derechas si sigue el sentido de las agujas de un reloj y a izquierdas si es el sentido contrario.