Antenas

RESEÑA HISTORICA
Todo empezó en 1819, cuando Hans Crinstian Oersted demostró que la electricidad
producía magnetismo, gracias a lo que un año después André Marie Ampère y
Oersted ampliando estas observaciones descubrieron que una corriente eléctrica
tiene efectos magnéticos idénticos a los que produce un imán.
En 1831 Michael Faraday descubre que un campo magnético induce corriente en un
hilo conductor próximo, pero esto sólo ocurría si el campo magnético era variable.
Los descubrimientos de Faraday fueron decisivos en el posterior desarrollo de
generadores eléctricos, mientras que los de Oersted y Ampère lo fueron en el diseño
de motores eléctricos.
En 1873 James Clark Maxwell publica “Treatise on Electricity and Magnetism”, libro
donde planteaba las ecuaciones necesarias para relacionar los campos abiertos por
Faraday, Oersted y Ampère, introdujo el concepto de corriente de desplazamiento y
postuló la naturaleza electromagnética de la luz, este paso supone el comienzo de la
teoría electromagnética.

RESEÑA HISTORICA
En 1887 Heinrich Rudolf Hertz demuestra experimentalmente la propagación de
ondas electromagnéticas, ondas de radio u ondas hertzianas, aunque no pudo
explotar todo el potencial de su esquema transmisor-receptor debido a que el
desarrollo de las comunicaciones ha venido ligado inexorablemente al de la
electrónica, de forma que antes de que se explotase el fenómeno electromagnético
en las radiotelecomunicaciones haría falta un avance decisivo en este campo. Este
avance vino de la mano del “cohesor”. Este dispositivo es un tubo de cristal relleno de
partículas metálicas que presenta una resistencia baja en presencia de una descarga
eléctrica cercana, si ésta es ocasionada por la presencia de una onda
electromagnética y el cohesor está convenientemente alimentado y conectado a una
lámpara o timbre, se puede detectar la presencia o no de una transmisión.
Gracias al desarrollo del cohesor se desarrolla uno de los primeros diseños de
receptor, propuesto por el francés Edouard Branly en 1891, y que propició que en
1894 Popov y Marconi pasaran de la física a la ingeniería realizando las primeras
transmisiones de mensajes, nace la radiocomunicación.

RESEÑA HISTORICA
Marconi inicialmente sólo consiguió transmitir a distancias de unos pocos metros,
pero hizo progresos importantes hasta que logró alcanzar distancias de 2 kilómetros,
por lo que decidió hacer una demostración a las autoridades de su país, que no se
hicieron eco del potencial de la radiocomunicación, por lo que pensó en hacer la
propuesta en el Reino Unido.
En 1897 Marconi demostró la posibilidad de conectar dos puntos separados por agua
uniendo las orillas del canal de Bristol y eliminando así la necesidad de cables
submarinos, y en 1899 enlaza el canal de la mancha, que es considerada la primera
radiocomunicación internacional.
A esta demostración le siguió enlazar la estación de Polhu en Inglaterra con la
estación de Newfoundland en Canadá. La letra “s” se escuchó en Newfoundland el 12
de Diciembre de 1901. El Daily Telegraphno dio crédito a la transmisión,
argumentando que se recibiría de la señal transmitida por algún barco ó corriente
terrestre.

RESEÑA HISTORICA
El profesor Ambrose Fleming del University Collage of London trabajaba como
consultor para Marconi con la idea de mejorar los receptores. Tras seguir de cerca el
trabajo de Edison propuso en 1904 la válvula de diodo. Este diodo consistía en una
válvula de cristal al vacío con dos elementos, uno caliente (cátodo) y otro frío
(ánodo). En este dispositivo los electrones pueden fluir del primero al segundo pero
no al revés.
En 1906 De Forest, en los EEUU dio un paso más añadiendo un tercer elemento a la
válvula de diodo que permitiera controlar el flujo de electrones, es el audión o triodo.
Este dispositivo se utilizó, hasta el año1912 como detector, cuando el propio De
Forest lo propone como amplificador y AT&T lo incorporó en repetidores de líneas
telefónicas. Éstos presentaban una selectividad y una sensibilidad pobres. Esto es,
había que mejorar la capacidad de sintonizar un canal determinado y poderlo recibir
incluso para niveles bajos de señal recibida, por lo que elementos como el
amplificador de tríodo era imprescindible para conseguir una buena comunicación
entre elementos.

RESEÑA HISTORICA
En 1918 Edwin Armstrong propone un nuevo esquema de receptor que mejora estas
características, el receptor superheterodino o “superhet”. En este tipo de receptores
la señal recibida se pasa a una frecuencia intermedia donde la señal se filtra y
amplifica adecuadamente. En 1920 el número de estaciones transmisoras empezó a
ser elevado, y esto propició que la separación de frecuencia entre las mismas
disminuyese, lo que propició el uso generalizado de los receptores superheterodinos.
En este año Marconi realiza las primeras pruebas de radiodifusión. En 1922 instala
una emisora en Londres y nace la BBC(British Broadcasting Company), la primera
emisora de emisión en abierto o Broadcast.
Tuvo que llegar el año 1934 para que Edwin Armstrong propusiera la transmisión en
FM y 1940 para que se utilizase comercialmente, con la cual se podía aprovechar
mejor el espectro radioeléctrico, permitiendo enviar señales moduladas en una
frecuencia portadora más alta.

RESEÑA HISTORICA
Desde 1945 a 1949 el grupo de la compañía Bell desarrolló la teoría de los
transistores, la verificó experimentalmente y construyó diodos y tríodos. En el año de
1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de Física por este
brillante trabajo.
También en 1945 Arthur C. Clarke, en un artículo visionario propone realizar
comunicaciones utilizando satélites como repetidores. Esta tecnología fue algo más
lenta y comenzó con el lanzamiento del Sputnik en1957, que únicamente transmitía
un “beep”, mas tarde vino el lanzamiento del ECHO que actuaba como espejo de
señales transmitidas desde tierra.
El primer satélite en incluir receptores y transmisores fue el TELSTAR, que en 1962
estableció un canal de televisión entre EEUU y Europa.

RESEÑA HISTORICA
Por otra parte, el desarrollo de los sistemas de Comunicaciones Móviles tuvo lugar a
partir del final del pasado siglo, cuando en 1979 la compañía Bell Laboratories
desarrolla una red de radio celular. Aparecen las redes públicas de radio móvil
terrestre (PLMR networks) operando en la banda de UHF, lo que permite a sus
clientes establecer una conversación telefónica entre sí mientras están en
movimiento, o con otros clientes de las redes telefónicas de conmutación públicas
(PSTN).
En la década de los 90 se avanza hacia una nueva etapa al implantarse las redes
celulares digitales y los sistemas de telecomunicación inalámbricos que proporcionan
servicios añadidos a la telefonía.

RESEÑA HISTORICA
1988 Las compañías Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba e Intel formaron un “Grupo de
Interés Especial” (SIG) para desarrollar una tecnología de conectividad inalámbrica
entre dispositivos móviles de uso personal, que utilizara la banda no licenciada de
frecuencias (ISM). Fue el nacimiento de Bluetooth.
En junio de 2003, es aprobada la recomendación IEEE 802.11g, como evolución
tecnológica de la serie de recomendaciones 802.11, de redes LAN inalámbricas.
Hasta nuestros días………..

QUE SON
La antena es un elemento que permite radiar, de forma eficiente, una energía en
forma de onda electromagnética.
Veamos los principales fundamentos y teorías en los que se basa esta tecnología y el
funcionamiento de las antenas. Para ello trataremos de estudiar los principios de
transmisión y recepción electromagnéticos así como los elementos básicos de que
consta una antena y sus principales parámetros que determinarán su funcionamiento
y el tipo de aplicación en la que se utilizará.

conceptos y teorías acerca de los principios electromagnéticos con los que trabaja
cualquier antena ya sea de emisión o recepción.

USOS
el uso principal de una antena es transmitir y recibir información codificada o portada
en una onda electromagnética, para que exista nexo entre los diversos elementos de
un sistema o red de telecomunicaciones
Entre los diferentes usos que se le dan a las antenas, el mas importante, o digamos el
más extendido es en las comunicaciones broadcast, tales como son la televisión y la
radio, ya que la gran mayoría de la sociedad las utiliza. Aparte de esta aplicación
también esta extendiéndose el uso de antenas para la telefonía móvil

ECUACIONES DE MAXWELL
A continuación se presenta as leyes de Maxwell basadas en el electromagnetismo, y
de las cuales derivan todas las propiedades de las antenas, pasando también por las
leyes y teorías de Gauss, Faraday, Ampere hasta concluir en la ecuación de onda o
ecuación de Helmoltz la cual resume el funcionamiento básico de cualquier antena.

Los campos electromagnéticos que queremos radiar se producen como respuesta a
una variación de corriente o intensidad. Tiene que haber, por tanto, una variación
temporal. Para facilitar los cálculos recurriremos a trabajar en el dominio de la
frecuencia. Así, lo que tenemos es un conjunto de tonos a diferentes frecuencias.
Como las ecuaciones de Maxwell son lineales, el resultado de trabajar con todos
estos tonos es el mismo que la suma de los resultados obtenidos para cada tono por
separado. Por lo tanto generalmente se trabaja con un solo tono a una frecuencia ω.
Es más, como la componente correspondiente de Fourier es una amplitud compleja
que dependerá de la distancia r por una exponencial compleja de ωt que depende
del tiempo, se trabajará únicamente con esta amplitud, obviando en todo momento
la dependencia temporal. Tendremos pues los siguientes conceptos y expresiones:

Intensidad de Campo eléctrico en un punto dado por el vector r en un instante t
donde E es el fasor de valor complejo para una frecuencia de trabajo dada por
ω = f*2π

Intensidad de Campo magnetico en un punto dado por el vector r en un instante t
donde H es el fasor de valor complejo para una frecuencia de trabajo dada por
ω = f*2π


Al observar esta serie de leyes podemos extraer principalmente que los campos
magnético y eléctrico están cercanamente relacionados entre sí y que cada uno
puede ser generado o variado por el otro, es decir, podemos generar un campo
magnético o intensidad magnética a partir de un campo eléctrico o intensidad
eléctrica.

Ahora que conocemos ligeramente las bases y las relaciones entre campos
magnético y eléctrico el siguiente paso será obtener una ecuación o ecuaciones
que nos definan el funcionamiento de una antena. Dichas ecuaciones serán
obtenidas tras aplicar diversos cálculos, entre ellos la ecuación de Helmholtz
con las respectivas condiciones de contorno que nos permiten calcular
distintos potenciales los cuales harán posible las expresiones de campo
magnético y eléctrico.
Para hacer más fácil la comprensión de esas ecuaciones se utiliza la
aproximación por campo lejano que será aplicable cuando

donde r es la distancia. Los campos obtenidos son

Teoremas básicos
Reciprocidad:

Teoremas básicos
Partiendo de la divergencia de los productos de los campos de
las fuentes a y b.

Teniendo en cuenta las ecuaciones:

CARACTERISTICAS
Sintonía:
La mayoría de las antenas son dispositivos resonantes Patrón de
radiación
Ganancia
Directividad
Polarización
Impedancia de entrada:
Si la antena tiene una impedancia diferente a la de la línea se necesita
un circuito de acoplamiento de impedancia

CARACTERISTICAS ESPERADAS EN UNA
ANTENA
• Buen Rendimiento de radiación

•Diagrama de radiación adecuado a la aplicación.
•Buena adaptación a la línea de transmisión

ANTENA
• Otra forma de expresar la eficiencia es

•Esto es en términos de resistencia de radiación
y resistencia efectiva.

ANTENA
• Otra forma de expresar la eficiencia es

ANTENA
La expresión que permite calcular la ganancia directiva o directividad

GANANCIA
• La ganancia de una antena es la relación entre la
potencia que sale de una antena y la potencia que
entra en esta. Esta ganancia es comúnmente referida
en dBi's, y se refiere a la comparación de cuanta
energía sale de la antena en cuestión, comparada con
la que saldría de una antena isotrópica.
• Una antena isotrópica es aquella que cuenta con un
patrón de radiación esférico perfecto y una ganancia
lineal unitaria.
• Generalmente estamos interesados en la ganancia
máxima, que es aquella en la dirección hacia la cual la
antena está radiando la mayor potencia.

PIRE
Cuando se trata de una antena isotrópica la densidad de potencia es igual a
la producida por un frente de onda esférico. Es decir:

PIRE
En las secciones anteriores, la antena fue tratada principalmente como emisora
de ondas electromagnéticas, aún cuando los conceptos de directividad y
ganancia son igualmente válidos si la antena se utiliza como receptora. Sin
embargo, al analizar la antena en esta aplicación, conviene asociarle una cierta
área en que es válido suponer que se intercepta el campo electromagnético
para extraer de él la energía transportada por la onda. De acuerdo a esto, si se
piensa que la antena tiene asociada un área equivalente A, la potencia
incidente sobre una superficie de esa área, perpendicular a la dirección de
propagación y colocada a una distancia r de la fuente será

Donde Pr es la potencia disponible en las terminales de la antena
receptora, S la densidad de flujo de potencia, PRAD la potencia isotrópica
equivalente radiada por la

PATRON DE RADIACION
Describen la intensidad relativa del campo radiado en varias direcciones
desde la antena a una distancia constante. El patrón de radiación es también
de recepción, porque describe las propiedades de recepción de la antena.

PATRON DE RADIACION
En los sistemas de coordenadas polares, los puntos se obtienen por una proyección a lo
largo de un eje que rota (radio) en la intersección con uno de varios círculos concéntricos. El
siguiente es un diagrama de radiación en coordenadas polares de la misma antena Yagi de
diez elementos.

PATRON DE RADIACION

El patrón de radiación en la región cercana a la antena no es el mismo que el patrón a
largas distancias. El término campo cercano se refiere al patrón del campo que existe
cerca de la antena, mientras que el término campo lejano refiere a los diagramas del
campo a largas distancias. El campo alejado también es denominado campo de
radiación, y generalmente es el que más interesa. Normalmente el punto de interés es
la potencia radiada, y por lo tanto los diagramas de la antena son medidos en la región
del campo alejado. Para las medidas necesarias para confeccionar los diagramas es
importante elegir una distancia suficientemente grande para estar en el campo lejano,
más allá del campo cercano.

PATRON DE RADIACION
• Es una grafica de la energía radiada por la
antena

PATRON DE RADIACION

Los lóbulos se pueden clasificar en: lóbulos principales y lóbulos secundarios y los
secundarios se pueden subdividir en laterales y posteriores .

patrón de radiación de antena de
Marconi

PATRON DE RADIACION
En una antena la potencia radiada se divide en potencia real o radiativa y en potencia
imaginaria o reactiva. La potencia que se puede transferir a un medio de transmisión es
la potencia real y la potencia reactiva se mantiene oscilando entre los campos.
La magnitud de las potencias, sean reales o imaginarias depende de la distancia que se
midan a partir de la antena de ahí que se presenten diferentes regiones de campo.

La región de campo cercano reactiva es la región inmediatamente cercana a la antena y
es completamente reactiva

Para dipolos muy cortos

PATRON DE RADIACION

Donde D es la longitud del dipolo

ANTENA
dimensiones

Como se puede ver la dimensión de la antena
depende de la frecuencia conque se trabaje.

PATRON DE RADIACION
La región de campo cercano radiativa se conoce como región de Fresnel y esta
delimitada por

Para antenas cortas la región de campo cercano radiativa es:

PATRON DE RADIACION
La región de campo lejano esta compuesta en su mayoría por potencia radiada radiativa
y se conoce como región de Fraunhofer y se toma como:

PATRON DE RADIACION
La distancia mínima depende de las dimensiones de
la antena con relación a la longitud de onda. La
fórmula aceptada para esta distancia es:

donde Rmin es la distancia mínima desde la
antena, D es la dimensión más grande de la
antena, y es la longitud de onda.

longitud de onda
Distancia que la onda recorre en un tiempo de
oscilación
Se desea una antena que radie y reciba una señal de
100 MHz igualmente buena en todas direcciones.
Considere el factor de velocidad igual a 0.8

longitud de onda

Como se desea que la antena radie en todas las
direcciones se escoge una antena de Marconi.

longitud de onda
Se tiene un dipolo de media onda como antena
transmisora, que tiene una ganancia directiva At = 10 y
potencia radiada de 100 w. Determinar:
a)Pire
b) Densidad de potencia en un punto a 10 Km.
c) Densidad de potencia si se hubiera utilizado una
antena isotrópica con la misma potencia de entrada y la
eficiencia.
d) En que zona se encuentra una antena a 10 Km
e) Si queremos salir de la zona reactiva que debemos
hacer.

impedancia de entrada
QUE sucede si XA aumenta

QUE sucede Si Rr disminuye

impedancia de entrada

Que sucede si compensamos la reactancia

eficiencia

Existe la posibilidad de medir la eficiencia de radiación y total mediante
un método sencillo denominado caja de Wheeler (Wheeler cap) el cual
consiste básicamente en cubrir la antena con una estructura metálica de
forma que no se altere el campo cercano y al mismo tiempo se cancele el
campo radiado

directividad
Considerando una antena con un único lóbulo cuyo ángulo solido esta
dado por:

Calcular la directividad.

dipolo ½ onda vector de radiación

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