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 |
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| 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. |
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Antena
Multibanda:
La
que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud
de banda que abarca muy diversas frecuencias |
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| 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. |
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| 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. |
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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. |
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| 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:
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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 |
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| 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 |
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| 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. |
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| 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.
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| 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. |
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| 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 fo 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.
