Problema de diseño de una antena Helicoidal

Diseño de un Monopolo

Problema de Dipolo Corto

Calcule la resistencia de radiación de una antena que tenga 30m de altura, con un conductor vertical alimentado por la base trabajando sobre una tierra conductora de 97.7 a una frecuencia f=97.7Mhz.

Trabajo sobre los Tipos de Antenas

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica

Y Eléctrica

Unidad ZACATENCO

Profesor: BRITO RODRIGUEZ ROLANDO

ALUMNA: GONZALEZ FLORES DANIELA

GRUPO: 5CM13

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Contenido

• OBJETIVO
• INTRODUCCION
• ¿QUE ES UNA ANTENA?
• TIPOS DE ANTENAS
• EL DIPOLO ELEMENTAL
  *DIPOLO INFINITESIMAL
  *DIPOLO DE LONGITUD FINITA
  *MONOPOLO
  *ANTENAS DIELECTRICAS
• ANTENAS LOOP
  *ANTENAS LOOP CIRCULAR
• ANTENAS DE BANDA ANCHA
  *ANTENAS HELICOIDALES
  *ANTENAS YAGI-UDA
  *ANTENA BIGOTE DE GATO
• ANTENAS HORN (BOCINA)
  *ANTENA HORN PLANO E
  *ANTENA HORN PLANO H
  *ANTENA HORN PIRAMIDAL
  *ANTENA HORN CONICA
• ANTENAS CON REFLECTOR
  *ANTENA CORNER
  *ANTENA PARABOLICA
• ANTENAS MICROSTRIP
• ANTENAS INTELIGENTES
• BIBLIOGRÁFIA
  
  
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OBJETIVO

Conocer los diferentes tipos de antenas, sus características, usos y clasificaciones. 

INTRODUCCIÓN

      ¿QUE ES UNA ANTENA?

Una antena es un dispositivo de transición o transductor entre una onda guiada y una onda en el espacio libre o viceversa; es decir transmite y/o recibe).

• Antena de Transmisión: Esta destinada a la transformación de la energía de un campo electromagnético estacionario (o de inducción) producido por la señal de radio, en energía de un campo electromagnético de radiación, añadiendo ademas que este ultimo debe emitirse en unas direcciones dadas.

• Antena de Recepción: Esta destinada a la transformación de la energía de una radio señal consistente en ondas de un campo de radiación que proceden de direcciones dadas, en energía de un campo estacionario de ondas electromagnéticas.

La reciprocidad de las antenas encuentra su expresión en la posibilidad de utilizar una misma antena en calidad de transmisora y de receptora, y conservar invariables los parámetros principales de la antena al pasar del régimen de transmisión al régimen de recepción y viceversa.

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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. 

EL DIPOLO ELEMENTAL

• EL DIPOLO INFINITESIMAL:
  El dipolo infinitesimal, es aquel dipolo cuya longitud eléctrica es mucho menor que la longitud de onda de la señal a la cual está operando: (l<<lamda), en términos prácticos: (l<lamda/50).
  
  
  Su distribución en corriente: Debido a su longitud infinitesimal: (l<<lamda), se puede considerar que para el caso de este dipolo la corriente es constante: I0, en toda su longitud, y que corresponde a la corriente máxima de alimentación.Por lo tanto, se puede expresar la distribución de la corriente en el dipolo de la siguiente manera:

 Ie(z)=I0 az

• DIPOLO DE LONGITUD FINITA:
  Consideremos ahora los dipolos de cualquier longitud, diferente a la infinitesimal y a la pequeña.
  En la siguiente figura se hace una representación esquemática de la configuración del dipolo finito.Su distribución en Corriente:
  La distribución de la corriente en el en el dipolo finito se puede modelar con la siguiente expresión:
  
  
  Como podemos apreciar, la corriente en los extremos, tanto superior como inferior: z=+- l/2 del dipolo finito es igual a cero.En la siguiente figura se presenta la distribución de corriente para un dipolo finito,
  

• EL MONOPOLO:
  
  El monopolo esta conformado por un solo polo del dipolo correspondiente. Por ejemplo: del dipolo lamda/2 se obtiene el monopolo lamda/4. En la siguiente figura se hace una representación de la configuración física básica del monopolo lamda/4 y su equivalente configuración eléctrica.
  
  
  Unas de las aplicaciones del monopolo lamda/4, hace referencia a los radiadores de las estaciones de radio difusora sonora AM y a las antenas  monopolares para comunicaciones móviles. 

• ANTENAS DIELECTRICAS: Las antenas dieléctricas están formadas por una o varias varillas cónicas fabricadas con un dieléctrico de pocas perdidas. En calidad de tal  dieléctrico se emplea amplia mente el poliestirol, que tiene una constante dieléctrica relativa de (epsilon=2.5) y un angulo de perdida 10^-2 a 5.10^-3.

ANTENAS LOOP 

Las antenas LOOP son aquellas que forman un "lazo" en su configuración geométrica.

• ANTENAS LOOP CIRCULAR
  La utilización de estas antenas en principio fue de uso militar, dado el carácter portable de las mismas y su directividad hicieron de estas un elemento muy atractivo.
  La antena Loop esta formada por una espira conductora, aunque podrían ser mas, formando una circunferencia, cuadrado, hexagono u octagono, cuyas dimensiones físicas pueden variar desde 30 o 40 cm de diámetro, hasta varios metros, según la frecuencia y el rendimiento esperado.
  

ANTENAS DE BANDA ANCHA

• ANTENAS HELICOIDALES:La antena helicoidal es un conductor enrollado en hélice, que se alimenta con una linea coaxial. El conductor interno de la linea de alimentación se conecta a la hélice, y la capa exterior a un disco metálico.Las propiedades de la antena helicoidal se determinan, en gran medida, por la forma y el tamaño de la hélice.Por su forma, la hélice puede ser no solo cilíndrica, sino también cónica, plana o tener el aspecto de una linea quebrada. 

• ANTENA YAGI-UDA
  Es quizá uno de los tipos de antenas mas utilizadas en los sistemas de radiocomunicación lineal de vista, en especial para recepción , en sus diferentes configuraciones, de la señal de TV.
  
  Composición Básica
  La configuración básica de tradicional de la antena Yagi-Uda, esta conformada por los Siguientes elementos:
  *Un elemento excitador, cuya longitud eléctrica típica, para resonancia, esta entre: 0.45(lamda) a 0.49 (lamda)
  *Un (o algunos pocos) elementos reflectores, cuyas longitudes eléctricas estan ligeramente por rencima de la del elemento excitador.
  *Un (o varios) elementos directores, cuyas longitudes eléctricas estan ligeramente por debajo de la del elemento excitador.  
  
• ANTENA BIGOTE DE GATO:
  Esta Antena es otra configuración a base de dipolos, se construye con alambre o cable, y se cortan (según las bandas a trabajar), se pelan en uno de sus extremos y se unen soldando todos y cada uno de los extremos.
  Esta antena tiene la particularidad de poderse alimentar con un solo cable coaxial.
  

ANTENAS HORN (BOCINA)

Debido a su alto grado de directividad, las antenas tipo horn, son frecuentemente usadas en radiocomunicaciones de microondas, para astronomía, comunicaciones satelitales y en términos generales para comunicaciones digitales punto a punto. También se les conoce como antenas de apertura. Este tipo de antenas se utiliza muy comúnmente como foco (radiador) de las antenas parabólicas.

La característica de las antenas tipo horn, consiste en la apertura de las dimensiones  de la guía de onda que se constituye como su base de empalme, las cuales son generalmente tipo: rectangular o circular.

Los principales tipo de antenas horn son: rectangulares y cónicas. Las rectangulares pueden ser: plano –E, plano –H y piramidal. En la sig figura se hace una representación de la configuración básica de este tipo de antenas.

• Antena Horn plano –EEquivale a una línea de guía de onda rectangular que se abre en el lado correspondiente a su altura b. en la figura n° __, se hace una representación de la configuración geométrica de un antena tipo horn plano –E. Donde Ro1 representa su longitud axial y Roe su longitud lateral.

• Antena Horn plano –HEquivale a una línea de guía de onda rectangular se abre en el lado  correspondiente a su ancho: a. en la figura n° ___, se hace una representación de la configuración geométrica de una antena tipo horn plano –H donde: Ro2 representa su longitud axial y Roh su longitud lateral.

• Antena Horn Piramidal
  Corresponde a las combinación de las antenas horn´s plano –E y plano –H. lo que equivale a una línea de guía de onda rectangular que se abre tanto en el lado correspondiente a su ancho: a. en la figura , se hace una representación de la configuración geométrica de una antena horn piramidal. La longitud significativa de esta antena está determinada por Ro1 = Ro__.
  

• Antena Horn  Cónica
  Mientras que las horn piramidales son alimentadas a través de una guía de onda rectangular, las horn cónicas son alimentadas a través de una guía de onda circular. En la figura n°___, se hace una representación de la configuración geométrica básica de un antena horn circular.

ANTENAS CON REFLECTOR

Su nombre esta dado por que su ganancia se debe al reflector, estam conformadas básicamente por el radiador y el reflector.

• Antena Corner (ANTENA CORNER)
  En la figura , se hace una representación de las configuraciones básicas de una antena cornel, tanto en su perspectiva, tanto en su vista frontal, para un reflector continuo (laminas conductoras) y para un reflector con elementos discretos de reflexión.

• Antena con reflector parabólico (ANTENA PARABOLICA)
  Este tipo de antenas es muy utilizado para enlaces de microondas y comunicaciones satelitales la característica fundamental del reflector parabólico, es que convierte las odas esféricas en ondas planas, reduciendo de esta manera la dispersión de las ondas radiales
  

ANTENAS MICROSTRIP O TIPO PARCHE

Es muy practica la utilización de las antenas microstrip para el caso de las aeronaves, misiles, satélites, equipos móviles inalambricos, sistemas de seguridad y para todas aquellas aplicaciones donde los requerimientos de espacio, peso, costo y facilidad de instalación son indispensables.
Entre las principales desventajas de este tipo de antenas se pueden nombrar: baja potencia de radiación, baja eficiencia,ancho de banda angosto,considerables perdidas y son fácilmente afectadas por el factor térmico.

ANTENAS INTELIGENTES

Las antenas denominadas inteligentes son múltiples elementos de atenas que pueden automaticamente optimizar los patrones de radiación dependiendo de la ubicacion del punto o zona que desee cubrir.
Las antenas inteligentes tienen mucha aplicación  en los sistemas de Acceso Multiple por division de Espacio(SDMA), permitiendoles a los mismos rastrear y localizar tanto terminales fijas como terminales móviles, mediante el direccionamiento adaptativo de sus correspondientes patrones de radiación.

CONCLUSIONES:

Podemos concluir que existen varios tipos de antenas, básicamente su uso es el mismo, son para recibir o emitir una señal,transforman la energia electrica en ondas electromagnéticas y viceversa, sin embargo el tipo de antena que se va a escoger dependerá del uso particular que se le va a dar.

BIBLIOGRAFIA

• Antenas, Conceptos basicos simplificados de funcionamiento y diseño
  Jaime Ramirez Artunduaga
  Coleccion Faculta de Ingenieria num. 6
• Fundamentos de Antenas
  Belotserkovski
  Marcombo Boixareu Editores
• Radiacion electromagnetica y antenas
  Jorge Roberto Sosa Pedroza
• Radiacion, Propagacion y antenas
  Maria Jose Salmeron
  Trillas

PARAMETROS ELÉCTRICOS DE LAS ANTENAS

PATRON DE RADIACION

Se considera como patrón de radiación de una antena: a la forma geométrica con que sus ondas electromagnéticas son radiadas en el espacio. El tipo de patrón de radiación que general las antenas, se debe esencialmente a la configuración fisico-geometrica de la misma.

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

• PATRÓN DE RADIACIÓN ISOTROPICO
  Corresponde aquel patrón, cuya radiacion se produce en todas las direcciones con igual intensidad. La antena que genera este tipo de radiacion se conoce como: antena isotropica, la cual es ideal, sin perdidas y con una ganancia igual a la unidad (0dB).
• PATRON DE RADIACION DIRECCIONAL
  Corresponde a aquel patron, cuya radiacion se produce con mayor intensidad en una determinada direccion. Las antenas que generan este tipo de radiacion se conocen como: antenas direccionales.
• PATRON DE RADIACION OMNIDIRECCIONAL
  Corresponde a aquel patron de radiacion no direccional en un plano dado, pero direccional en cualquier plano ortogonal al anterior.
  
  "Un patron de Radiación omnidireccional, es un tipo especial de patrón de radiación direccional"
  

• LÓBULO PRINCIPAL
  También conocido como lóbulo mayor: corresponde aquel donde H y E presentan la máxima intensidad de radiación.
• LÓBULOS SECUNDARIOS
  También conocidos como lóbulos menores: corresponden a aquellos donde presentan a H y E una porción, relativamente débil de intensidad de radiación, con respecto a los del lóbulo principal.

Ademas del patrón de Radiación y la polarización, existen otras características de las antenas que resultan igualmente importantes de considerar en su operación. Los parámetros tales como la Ganancia, directividad ,el área efectiva ,la impedancia, el ancho de banda, etc.

• DIRECTIVIDAD
  Según la IEEE: "Equivale a la relación entre la intensidad de radiación en una dirección dada desde la antena y la intensidad promedia radiada en todas las direcciones".
• GANANCIA
  La ganancia de una antena mide la eficiencia de la misma.Está estrechamente relacionada con la directividad.
• EFICIENCIA DE RADIACIÓN
  Es la relación que existe entre la potencia de radiación de la antena y la potencia neta a la entradade los terminales de la antena.
• EFICIENCIA TOTAL
  Para el caso de la eficiencia total de la antena se considera,ademas de las perdidas ohmicas, las perdidas por efectos de reflexión de la señal que incide en los terminales de la antena, cuando no existe un perfecto acople de impedancia entre la antena y la linea de transmisión que la interconecta con el equipo de radio.
• ANCHO DE BANDA
  Es el rango de frecuencias en el cual la antena mantiene sus características o especificaciones técnicas constantes. Todas las antenas , debido a su geometría finita, están limitadas a operar satisfactoriamente 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.
• POLARIZACION
  
  La polarización de una antena en una dirección dada equivale a la polarización de 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 de la antena en un punto fijo del espacio al transcurrir el tiempo.

FUNDAMENTOS DE ANTENAS

Una antena es un dispositivo de transición o transductor entre una onda guiada y una onda en el espacio libre o viceversa.

Dicho de otra forma es un dispositivo que sirve de enlace o acoplamiento entre un circuito y el espacio.

• TRANSDUCTOR  > convierte un tipo de energía a otra.

La antena esta diseñada para radiar o recibir energía en la forma mas efectiva posible.

• ECUACIONES DE MAXWELL

James Clerk Maxwell publico la primera teoría unificada de la electricidad y el magnetismo, introduciendo, ademas, el concepto de la corriente de desplazamiento y predijo la existencia de las ondas electromagnéticas  (ondas de radio). Maxwell le dio expresión a las leyes del electromagnetismo mediante cuatro ecuaciones, cuyas formas mas generalizadas son las que corresponden a condiciones variables en el tiempo.

A continuación se relacionan las ecuaciones de Maxwell, en función del tiempo, tanto en forma diferencial como en el integral. La forma integral representa las leyes físicas que sirven de fundamento conceptual de teoría electromagnética, mientras que la forma diferencial se emplea en mas frecuencia en la resolución de problemas.

• DIPOLO ELEMENTAL

En términos muy generales, se puede considerar que un dipolo elemental es aquella estructura radiadora de señales electromagnéticas, conformada por dos elementos conductores lineales, alimentados con polaridad inversa entre si.

Dipolo de Hertz, tambien llamado dipolo elemental o dipolo infinitesimal, es aquel dipolo cuya longitud eléctrica es mucho menor que la longitud de onda de la señal a la cual esta operando: (I << lamda), en terminos practicos (I<lamda/50).

El dipolo de Hertz consiste en un trozo l de conductor muy delgado (d<<l),

El dipolo de Hertz consiste en un trozo l de conductor muy delgado (d<<l), con una corriente i senoidal de amplitud uniforme, y una carga puntual q en ambos extremos. Esta carga puntual en los extremos es la que da origen al nombre de dipolo (eléctrico).

Debido a su longitud infinitesimal: (I≪lamda), se puede considerar que para el caso de este dipolo la corriente es constante I0, en toda su longitud , y que corresponde a la corriente máxima de alimentación. Por lo tanto, se puede expresar la distribución de la corriente en el dipolo de hertz de la siguente manera:

Ie(z)=I0az

• DIPOLO CORTO

Las palabras "corto" o "pequeño" en la ingeniería de la antena siempre implica "en relación con una longitud de onda". Así lo absoluto tamaño del dipolo anterior no importa, sólo el tamaño del cable en relación con la longitud de onda de la frecuencia de la operación. Por lo general, un dipolo es corta si su longitud es menor que un décimo de una longitud de onda: lamda/50<I≤lamda/10.

La corriente ene los extremos, tanto superior como inferior: z =±I/2 del dipolo corto, es igual a cero y en sus terminales (z=0) la corriente de entrada es I0.

Fibra Óptica

La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos,consistente en un hilo muy fino de material transparente,vidrio o materiales plásticos,por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un angulo de reflexión por encima del angulo limite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un led.

Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones,ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia, al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, y también se utiliza para redes locales donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica por sobre otros medios de transmisión.