Antenas parabólicas
Publicado: 26 Sep 2009 20:07
Según el IEEE, una antena es aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas.
Un aspecto muy importante de las antenas es el principio de reciprocidad, que establece que el comportamiento de la antena en transmisión es idéntico al de la antena en recepción. De esta manera, una antena que transmita máxima señal en una dirección dada, también recibirá máxima señal en esa dirección.
Todas las antenas son una región de transmisión entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre.
Como ya sabemos, existen dos funciones básicas de las antenas: transmitir y recibir información, pero cada aplicación necesitará unos requisitos sobre la zona del espacio en que se desee encontrar la energía, niveles de potencia, frecuencia de trabajo, etc. Todas estas diferentes situaciones dan lugar a muchísimos tipos de antenas.
Parámetros:
Para seguir explicando el funcionamiento de las antenas en un sentido amplio lo más adecuado es empezar definiendo sus parámetros para tener una idea clara a la hora de entender el funcionamiento en sí.
Normalmente el transmisor se encuentra muy alejado de la antena y la conexión se hace mediante una línea de transmisión o guía de ondas. Se deben considerar, por tanto, su impedancia característica, su atenuación y su longitud.
Se define la impedancia de entrada a la entrada de la antena mediante relaciones tensión-corriente. Cuando la impedancia de la antena es diferente a la de la guía-onda o cable que la alimenta, parte de la energía entregada a la antena se reflejará hacia el alimentador donde puede incluso causar daños en el transmisor. Esta impedancia disminuye la cantidad de energía disponible para la comunicación, por lo que es necesario siempre intentar conseguir que la impedancia del alimentador se acople a la de la antena.
Para explicar el parámetro “ganancia†debemos tener en cuenta que una antena isotrópica es una antena ideal que radia con la misma potencia en todas las direcciones.
Teniendo esto en cuenta sabemos que la ganancia es el cociente entre la cantidad de energía irradiada en la dirección preferencial y la que radiaría una antena isotrópica alimentada por el mismo transmisor. Este número lo expresamos en decibelios con relación a la isotrópica y por lo tanto se denota en dBi.
Una de las características principales de una antena será su capacidad para radiar con una cierta direccionalidad, lo que significa, concentrar la energía radiada en ciertas direcciones del espacio.
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección. Una característica importante es que a grandes distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se encuentre la antena.
Cuando se va a diseñar una antena uno de los parámetros más importantes es el diagrama de radiación. El diagrama de radiación es la representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena según las distintas direcciones del espacio, a una distancia fija.
La representación puede hacerse a partir del campo eléctrico o magnético (ya que el campo magnético deriva directamente del eléctrico) pero lo más habitual es que los diagramas representen el campo eléctrico.
La zona donde radiación es máxima recibe el nombre de haz principal.
La anchura de haz es un parámetro que está directamente relacionado con el diagrama de radiación. El ancho de haz a -3dB, es el sector angular en el que la potencia radiada máxima disminuye en 3dB, o lo que es lo mismo, el sector angular donde la potencia radiada es igual a la mitad de la máxima.
Para explicar la directividad es necesario conocer el concepto de “antena isotrópicaâ€.
Una antena isótropa es una ideal que radie la misma intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio. Este tipo de antena es ideal y por tanto no existe, pero es muy útil para el estudio de las antenas.
La directividad es la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría a esa misma distancia una antena isótropa que radiase la misma potencia que la antena.
La dirección del campo eléctrico emitido es lo que llamamos polarización.
Esta polarización puede ser: Vertical, Horizontal y Elíptica, Circular (Hacia la derecha o hacia la izquierda)
El intervalo de frecuencias en el que un parámetro de la antena determinado no sobrepasa unos límites prefijados, se conoce como el ancho de banda de la antena. El ancho de banda lo impone el sistema del que forma parte y afectará al parámetro más sensible o crítico en la aplicación.
Como en cualquier aparato eléctrico el ruido también afecta de una manera muy importante a las antenas. Una antena recibe ruido además de señal. A la potencia de ruido disponible en los terminales una antena receptora se le asocia una temperatura de ruido de la antena Ta, entendida como la temperatura a la que tendría que estar una resistencia para producir una potencia de ruido igual.
Si la antena no tiene pérdidas ohmicas, toda la potencia de ruido proviene de fuentes externas en forma de radiación incidente de todas las direcciones del espacio, que es captada por la antena y transferida al receptor.
La Relación Delante/Atrás (Front to Back Ratio F/B) es la relación entre la potencia radiada en la dirección principal y la potencia radiada en la dirección opuesta.
Una vez comprendidos los principales parámetros ya si podemos estudiar los diferentes tipos de antenas que existen. Hemos dividido las antenas en tres tipos; antenas de apertura, antenas planas y antenas de dipolo, que se explican a continuación.
Antenas de Apertura
Las antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar las ondas electromagnéticas.
Cuando vamos subiendo de frecuencia, las dimensiones eléctricas de las antenas aumentan y sus formas empiezan a diferir de las geometrías lineales. Un ejemplo de una antena de apertura sería una guía de ondas alimentada por una sonda coaxial.
En las antenas con reflector las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide, en una antena receptora. Sin embargo, si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena. Los alimentadores de las antenas con reflector suelen ser bocinas (o agrupamiento de bocinas).
Una consideración muy a tener en cuenta es el bloqueo que se puede producir en este tipo de antenas con reflector por el alimentador o el subreflector. La presencia de una superficie opaca en la apertura crea un agujero en la iluminación que disminuye la directividad y aumenta el nivel de los lóbulos secundarios. Es por esta razón que en muchas ocasiones estos elementos se desplazan para disminuir el fenómeno de bloqueo.
Los tipos más básicos de antenas de apertura se describen a continuación.
Foco primario
La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. El foco está centrado en el paraboloide. En este tipo de antenas se produce el fenómeno del efecto de bloqueo.
Offset
Una antena offset esta formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y asimétrica (elipse). El punto focal no se sitúa en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Gracias a esto, el rendimiento es mayor que en la de Foco Primario, ya que se produce un menor efecto de bloqueo. Así, la ventaja de esta tecnología es que la superficie de la antena ya no estará sombreada por el LNB (desde el punto de vista del satélite).
Otra ventaja es la menor probabilidad de que la nieve se acumule sobre el plato, por tener menor inclinación que las de foco primario.La antena offset no parece orientada directamente al satélite como hace la de foco primario, sino que está inclinada unos 25° hacia abajo (casi en posición vertical). Sin embargo, un plato offset aparece como circular con el diámetro en horizontal a la vista del satélite.
Antena Cassegrain
Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.
El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico. El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide. El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.
Otra manera de concentrar la radiación de una fuente primaria (foco) es con la utilización de una lente dieléctrica. Este tipo de lentes transforma el frente de ondas esférico en un frente de ondas planas a la salida de la lente, con lo que se consigue ampliar la ganancia.
Un aspecto muy importante de las antenas es el principio de reciprocidad, que establece que el comportamiento de la antena en transmisión es idéntico al de la antena en recepción. De esta manera, una antena que transmita máxima señal en una dirección dada, también recibirá máxima señal en esa dirección.
Todas las antenas son una región de transmisión entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre.
Como ya sabemos, existen dos funciones básicas de las antenas: transmitir y recibir información, pero cada aplicación necesitará unos requisitos sobre la zona del espacio en que se desee encontrar la energía, niveles de potencia, frecuencia de trabajo, etc. Todas estas diferentes situaciones dan lugar a muchísimos tipos de antenas.
Parámetros:
Para seguir explicando el funcionamiento de las antenas en un sentido amplio lo más adecuado es empezar definiendo sus parámetros para tener una idea clara a la hora de entender el funcionamiento en sí.
Normalmente el transmisor se encuentra muy alejado de la antena y la conexión se hace mediante una línea de transmisión o guía de ondas. Se deben considerar, por tanto, su impedancia característica, su atenuación y su longitud.
Se define la impedancia de entrada a la entrada de la antena mediante relaciones tensión-corriente. Cuando la impedancia de la antena es diferente a la de la guía-onda o cable que la alimenta, parte de la energía entregada a la antena se reflejará hacia el alimentador donde puede incluso causar daños en el transmisor. Esta impedancia disminuye la cantidad de energía disponible para la comunicación, por lo que es necesario siempre intentar conseguir que la impedancia del alimentador se acople a la de la antena.
Para explicar el parámetro “ganancia†debemos tener en cuenta que una antena isotrópica es una antena ideal que radia con la misma potencia en todas las direcciones.
Teniendo esto en cuenta sabemos que la ganancia es el cociente entre la cantidad de energía irradiada en la dirección preferencial y la que radiaría una antena isotrópica alimentada por el mismo transmisor. Este número lo expresamos en decibelios con relación a la isotrópica y por lo tanto se denota en dBi.
Una de las características principales de una antena será su capacidad para radiar con una cierta direccionalidad, lo que significa, concentrar la energía radiada en ciertas direcciones del espacio.
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección. Una característica importante es que a grandes distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se encuentre la antena.
Cuando se va a diseñar una antena uno de los parámetros más importantes es el diagrama de radiación. El diagrama de radiación es la representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena según las distintas direcciones del espacio, a una distancia fija.
La representación puede hacerse a partir del campo eléctrico o magnético (ya que el campo magnético deriva directamente del eléctrico) pero lo más habitual es que los diagramas representen el campo eléctrico.
La zona donde radiación es máxima recibe el nombre de haz principal.
La anchura de haz es un parámetro que está directamente relacionado con el diagrama de radiación. El ancho de haz a -3dB, es el sector angular en el que la potencia radiada máxima disminuye en 3dB, o lo que es lo mismo, el sector angular donde la potencia radiada es igual a la mitad de la máxima.
Para explicar la directividad es necesario conocer el concepto de “antena isotrópicaâ€.
Una antena isótropa es una ideal que radie la misma intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio. Este tipo de antena es ideal y por tanto no existe, pero es muy útil para el estudio de las antenas.
La directividad es la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría a esa misma distancia una antena isótropa que radiase la misma potencia que la antena.
La dirección del campo eléctrico emitido es lo que llamamos polarización.
Esta polarización puede ser: Vertical, Horizontal y Elíptica, Circular (Hacia la derecha o hacia la izquierda)
El intervalo de frecuencias en el que un parámetro de la antena determinado no sobrepasa unos límites prefijados, se conoce como el ancho de banda de la antena. El ancho de banda lo impone el sistema del que forma parte y afectará al parámetro más sensible o crítico en la aplicación.
Como en cualquier aparato eléctrico el ruido también afecta de una manera muy importante a las antenas. Una antena recibe ruido además de señal. A la potencia de ruido disponible en los terminales una antena receptora se le asocia una temperatura de ruido de la antena Ta, entendida como la temperatura a la que tendría que estar una resistencia para producir una potencia de ruido igual.
Si la antena no tiene pérdidas ohmicas, toda la potencia de ruido proviene de fuentes externas en forma de radiación incidente de todas las direcciones del espacio, que es captada por la antena y transferida al receptor.
La Relación Delante/Atrás (Front to Back Ratio F/B) es la relación entre la potencia radiada en la dirección principal y la potencia radiada en la dirección opuesta.
Una vez comprendidos los principales parámetros ya si podemos estudiar los diferentes tipos de antenas que existen. Hemos dividido las antenas en tres tipos; antenas de apertura, antenas planas y antenas de dipolo, que se explican a continuación.
Antenas de Apertura
Las antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar las ondas electromagnéticas.
Cuando vamos subiendo de frecuencia, las dimensiones eléctricas de las antenas aumentan y sus formas empiezan a diferir de las geometrías lineales. Un ejemplo de una antena de apertura sería una guía de ondas alimentada por una sonda coaxial.
En las antenas con reflector las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide, en una antena receptora. Sin embargo, si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena. Los alimentadores de las antenas con reflector suelen ser bocinas (o agrupamiento de bocinas).
Una consideración muy a tener en cuenta es el bloqueo que se puede producir en este tipo de antenas con reflector por el alimentador o el subreflector. La presencia de una superficie opaca en la apertura crea un agujero en la iluminación que disminuye la directividad y aumenta el nivel de los lóbulos secundarios. Es por esta razón que en muchas ocasiones estos elementos se desplazan para disminuir el fenómeno de bloqueo.
Los tipos más básicos de antenas de apertura se describen a continuación.
Foco primario
La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. El foco está centrado en el paraboloide. En este tipo de antenas se produce el fenómeno del efecto de bloqueo.
Offset
Una antena offset esta formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y asimétrica (elipse). El punto focal no se sitúa en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Gracias a esto, el rendimiento es mayor que en la de Foco Primario, ya que se produce un menor efecto de bloqueo. Así, la ventaja de esta tecnología es que la superficie de la antena ya no estará sombreada por el LNB (desde el punto de vista del satélite).
Otra ventaja es la menor probabilidad de que la nieve se acumule sobre el plato, por tener menor inclinación que las de foco primario.La antena offset no parece orientada directamente al satélite como hace la de foco primario, sino que está inclinada unos 25° hacia abajo (casi en posición vertical). Sin embargo, un plato offset aparece como circular con el diámetro en horizontal a la vista del satélite.
Antena Cassegrain
Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.
El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico. El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide. El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.
Otra manera de concentrar la radiación de una fuente primaria (foco) es con la utilización de una lente dieléctrica. Este tipo de lentes transforma el frente de ondas esférico en un frente de ondas planas a la salida de la lente, con lo que se consigue ampliar la ganancia.
