Procedimiento de Diseño de Antenas

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En este blog podrás encontrar toda la

información relacionada con Antenas, que te

ayudarán en tu formación profesional.

Ante todo se debe comenzar por saber ¿Qué son las Antenas?, Una antena es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.

Los parámetros característicos de las antenas son:

1. Patrón de radiación: Es una representación gráfica en tres dimensiones de las propiedades de radiación de una antena en función de la dirección. En la práctica los patrones de radiación, se miden y se representan en dos o tres dimensiones y en dos planos (vertical y horizontal) y en coordenadas polares o rectangulares).

Parámetros del patrón de radiación:

Lóbulo principal: Lóbulo que contiene la dirección de máxima radiación.
Lóbulos Menores: Son todos aquellos lóbulos menores que el principal.
Ceros o nulos: Son todos aquellos puntos en los cuales el patrón se anula.
Ancho del haz de media potencia: Es la separación angular entre los puntos donde el lóbulo principal es igual a la mitad de su valor máximo.
Lóbulo de atrás: Lóbulo diametralmente opuesto al principal.

2. Polarización: Se refiere a la orientación en el tiempo, del campo eléctrico (E) radiado con respecto a la dirección de máxima radiación. La polarización puede ser: Lineal (vertical u horizontal), circular o elíptica. Las antenas transmisoras (TX) y receptoras (RX) deben estar igualmente polarizadas.

3. Directividad: Es el parámetro que describe la propiedad que tienen las antenas TX de concentrar más energía en una dirección que en otras, o las antenas RX de absorber más potencia incidente en determinada dirección.

4. Ganancia: Es el producto de la eficiencia por la Directividad. Si en la antena las pérdidas=0, su eficiencia es del 100 %, es decir, e=1, la Ganancia es igual a la Directividad.

5. Eficiencia: Se define como la relación de la potencia total radiada por la antena y la potencia neta en sus terminales durante el proceso de radiación.

6. Impedancia de entrada: La Impedancia de entrada de una antena, es la impedancia que presenta en los terminales a través de los cuales es conectada al equipo transmisor o receptor mediante una Línea de Transmisión. Si una antena se encuentra cerca de otras, la impedancia de entrada se ve afectada por éstas, por lo que para ser estudiada teóricamente, se debe considerar aislada, de modo que su impedancia de entrada, sea igual a la impedancia propia de la antena.

Tipos de Antenas

Antenas de alambre: Es el tipo más común de antenas y pueden encontrarse prácticamente en todos lados, ya sea en edificios en automóviles en aviones, naves espaciales, etc. Existen varios tipos de antenas de alambre como los monopolos, dipolos, las antenas de lazo y antenas de hélice.

Antenas de apertura: Tienen gran aplicación en aviones y naves espaciales debido a que pueden ser montadas fácilmente en la estructura del avión o nave. Su estructura consta de una guía de onda con terminación en formas piramidales, cilíndricas, rectangulares, etc.

Antenas de microstrip: Las antenas de microstrip desde su aparición han tenido un gran desarrollo principalmente debido a sus tamaños reducidos (conforme las frecuencias de operación han ido incrementando, los tamaños para estas antenas disminuyen considerablemente). Las antenas de microstrip constan de un parche conductor sobre un substrato dieléctrico aterrizado.

Estas antenas son muy versátiles en términos de frecuencia de resonancia, polarización, patrón de radiación e impedancia. Pueden ser usadas en aeronaves, naves espaciales, satélites, misiles, carros e incluso en teléfonos celulares.

Antenas de reflexión: Este tipo de antenas consta de una estructura de antena de cualquier tipo mencionada anteriormente incluyendo un reflector para mejorar sus propiedades. Entre los tipos más comunes de estas antenas están la parabólica, de plano de esquina, cilíndrico y esférico.

Antenas de lentes: Dependiendo de la forma de las lentes y su composición se pueden convertir varias formas de energía divergente en ondas planas. Se pueden usar en prácticamente las mismas aplicaciones que las antenas de reflector parabólico sobre todo a altas frecuencias ya que conforme la frecuencia es pequeña, los tamaños y pesos de las lentes pueden llegar a ser demasiado altos.

Agrupamiento o arrays de antenas:
Consiste en agrupar varias antenas iguales o diferentes formando una matriz. Con ello se consigue una determinada direccionalidad y efectividad controlando las fases de las ondas de cada antena.

Bibliografía: Antenna Theory. Balanis.

Métodos para el diseño de antenas

Se pueden encontrar 3 categorías principales:

Modelos empíricos: estos modelos son los menos precisos a la hora de diseñar, sin embargo son los más sencillos de realizar. Su método de análisis se basa en la suposición de conceptos y estructuras de forma general sin llevar a cabo consideraciones de irregularidades en parámetros. Estos modelos pueden tener un buen nivel de precisión cuando se trabaja en rangos de frecuencias menores a los de las ondas milimétricas (f<30GHz) sin embargo, conforme se salen de estos rangos los modelos presentan imprecisiones muy grandes por lo que es necesario utilizar otros modelos en estos casos.

A pesar de las limitantes mencionadas, los modelos empíricos tienen un rol muy importante para realizar diseños de los cuales partir en primera instancia, a su vez, aportan un buen sustento para llevar a cabo diseños en rangos superiores a las ondas milimétricas ya que muchos análisis pueden ser llevados a cabo en rangos de microondas y utilizar escalas para diseños a más altas frecuencias.

Los dos principales modelos empíricos son:

Modelo de línea de transmisión: el modelo de línea de transmisión presenta una gran facilidad de diseño aunque también es el menos preciso además de que solamente puede ser utilizado para el diseño de antenas rectangulares o circulares. Este modelo considera los bordes de la antena como dos aperturas (slots) que radian. Cada apertura tiene un grosor W (ancho de la antena), una altura h (ancho del substrato) y separadas a una distancia L.

Modelo de cavidad: en el interior de la “cavidad” se producen ondas estacionarias entre las paredes eléctricas y magnéticas. El comportamiento es equivalente a un circuito resonante con pérdidas. En la frecuencia de resonancia la potencia aplicada se convierte en radiación.

Modelos semi-empíricos: estos modelos ocupan un lugar intermedio entre los empíricos y los de onda completa. Presentan una precisión mayor a la de los modelos empíricos pero inferior a la de los modelos de onda completa. A su vez, estos modelos poseen un nivel de dificultad superior a la de los modelos empíricos pero inferior a la de los modelos de onda completa. Entre los principales modelos de este tipo se pueden nombrar:

Enfoque variacional.
Enfoque variacional generalizado.
Enfoque de ecuación integral dual.
Modelo de corriente superficial eléctrica.
Técnica de la transformada de Hankel.
Método de reciprocidad.
Técnica de condición de frontera de borde generalizada.

Modelos de onda completa: estos modelos se presentan como los más precisos a la hora de diseñar sin embargo también son los más complicados y se requieren de herramientas computacionales avanzadas para llevarlos a cabo. Entre los principales modelos de onda completa se pueden mencionar:

Método de momentos en el dominio del espacio.
Método de momentos en el dominio espectral.
Análisis en el dominio de transformada.
Método de estados finitos (FEM).
Enfoque de ecuación integral potencial mixto.
Técnica de la transformada rápida de Fourier en conjugado-gradiente.

Diseño de una antena de bocina 2.4GHz

Cálculos:

Los siguientes cálculos son para el diseño de una antena tipo rectangular que opera en la banda 2.4 GHz.

Frecuencia de operación: 2.4 GHz.

La longitud de la onda en el espacio libre viene determinada por la ecuación:

Donde:

lambda: longitud de la onda en el espacio libre en metros (m).
C: Velocidad de luz en espacio libre en la unidad de m/s.
f: Frecuencia de trabajo en GHz.

Se sustituye y se realiza el cálculo respectivo:

El Modo de operación implementado en el diseño es el dominante TE10.

En la frecuencia F=2.4GHz la longitud de onda en el aluminio se determina con la ecuación:

Donde:

lambda: Longitud de onda en el espacio libre en metros (m).
u: Velocidad de propagación
f: Frecuencia de operación.

La velocidad de propagación en el medio se determina con la ecuación:

Donde:

C: Velocidad de la luz que es 3.10ˆ8 m/s
Épsilon r: Permitividad relativa.
ur: Permeabilidad relativa.

Se toma la permitividad relativa de relleno el Aire igual a 1, y permeabilidad relativa de la cavidad el aluminio igual a 1; Se sustituye en la ecuación: