antenas semana 14 universidad tecnologica del peru

Ing. Mag. Jaime Rupaylla A.
Antenas y Propagación – Modulo VIa
1. Cronología, Aplicaciones
2. Fundamentos de la OEM
3. Espectro Electromagnético
4. Legislación, PNAF
5. UIT, CITEL

Temario del Curso
I. Fundamentos OEM
II. Propagación Bandas Bajas
III. Propagación Bandas Altas
IV. Conceptos de Antenas
V. Antenas de Bandas Bajas
VI. Antenas de Bandas Altas

1. Antenas Bocina
2. Antenas Reflectoras
3. Antenas Parabólicas
4. Tipos de Antenas Parabólicas
5. Antenas Inteligentes
Temario Modulo VI-a

Antenas de Apertura
 Se caracterizan por radiar la energía al espacio que las rodea a través
de una abertura; existen de dos tipos:
 Bocinas y ranuras cortadas sobre planos, cilindros, guía de ondas;
cuando la apertura esta perfectamente limitada por paredes
metálicas conductoras.
 Reflectores y lentes; cuando la apertura se define como la porción
de la superficie frontal plana en la que los campos de la onda
colimada por aquellos toma valores apreciables.
Ranuras
Lentes

Antenas Bocina
 Las antenas Bocina (también llamadas corneta o Horn) se basan en
que la terminación o discontinuidad de una estructura guiada deja una
superficie abierta sobre la que se produce una distribución de campo;
está distribución produce radiación en todo el espacio por el principio
de Huygens; su estudio se hace en base a las técnicas de análisis
modal y centro de fase.

Antenas Bocina
 Se forman al emplear como radiadores a las bocas de las guías de
onda monomodo concentrando la emisión/recepción en una
dirección; para ello se extiende o ensancha una guía de onda
rectangular o circular.
 Tienen buena directividad pero presentan una desadaptación en la
boca de la guía de onda; para mejorar la adaptación se realiza un
agrandamiento gradual de sus dimensiones eléctricas.

 Las antenas de bocina son empleadas en microondas por su alta
ganancia, bajo ROE, ancho de banda grande y son fáciles de construir;
también se observan en las antenas del satélite de haz global
trabajando en polarización circular principalmente.
 Por lo general sus dimensiones son mayores a una
longitud de onda.
Antenas Bocina

 Las bocinas rectangulares que se generan a partir de guías de ondas
rectangulares pueden ser:
 Sectoriales, abriendo el ancho o altura de la guía de onda (bocina
de plano horizontal o vertical).
 Piramidales, abren simultáneamente el ancho y altura de la guía
de onda.
Antenas Bocina
Guía de onda
rectangular
Garganta de la
bocina
Boca o apertura
de la bocina
Dirección de
propagación
H
V

Bocinas Rectangulares Lisas
 Se alimentan con una guía rectangular orientada normalmente con la
cara ancha horizontal (campo E vertical y el campo H horizontal).
 Si se ensancha la cara ancha de la guía manteniendo constante la cara
angosta se llama bocina sectorial plano horizontal, lo contrario seria
la bocina sectorial plano vertical; si se ensanchan ambas dimensiones
será una Bocina Piramidal.
 Las bocinas optimas son las que tienen la anchura optima, es decir
son las más cortas que alcanzan una ganancia dada. Máxima
ganancia para mínimas dimensiones.
Bocina Sectorial
Horizontal
E
Piramidal
E
Bocina Sectorial
Vertical
E

Bocina Sectorial Horizontal
Anchura optima
Anchura del haz
A >> λ
Error de fase
𝐴𝑜𝑝𝑡 = 3𝜆𝑅1
𝑡𝑜𝑝𝑡 =
𝐴𝑜𝑝𝑡
2
8𝜆𝑅1
=
3
8
𝐻𝑃𝐵𝑊𝐻 ≈ 78
𝜆
𝐴
(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠)
Campos transversales 𝐻𝑥 = −
𝐸𝑦
𝑍𝑔
𝐸𝑦 = 𝐸0 cos
𝜋𝑥
𝑎
𝑒−𝑗𝛽𝑔𝑧

Bocina Sectorial Horizontal
 Para cada valor de R1 hay un valor optimo
de ancho de apertura A que se
corresponde con el máximo de la curva.
 Para una longitud axial dada al
incrementar el ancho de la boca la
directividad aumenta al incrementarse el
área de apertura.
 Pero también se incrementa el error de
fase en la apertura que cancela el
incremento de directividad producido por
el incremento de apertura.
Impedancia característica
Constante de fase
𝑍0 = 𝑛 1 −
𝜆
2𝑎
2
𝛽𝑔 = 𝛽0 1 −
𝜆
2𝑎
2

Bocina Sectorial Vertical
Anchura optima
Anchura del haz
B >> λ
Error de fase
𝐵𝑜𝑝𝑡 = 2𝜆𝑅2
𝑠𝑜𝑝𝑡 =
𝐵𝑜𝑝𝑡
2
8𝜆𝑅2
=
1
4
𝐻𝑃𝐵𝑊𝐸 ≈ 54
𝜆
𝐵
(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠)

Bocina Sectorial Vertical
 Para cada valor de R2 hay un
valor optimo de ancho de
apertura B que se
corresponde con el máximo
de la curva.
 Las bocinas optimas de
apertura Bopt son las mas
cortas que alcanzan una
determinada ganancia y
poseen un error de fase sopt

Bocinas Piramidales Lisas
Anchura optima
 La más común de las bocinas, genera haces estrechos en ambos
planos; debe cumplirse que la garganta coincida con la guía
rectangular de alimentación.
𝑅𝐸 = 𝑅𝐻 = 𝑅𝑃
𝐴 = 3𝜆𝑅1 𝐵 = 2𝜆𝑅2
𝐺 = 6.3
𝐴𝐵
𝜆2
𝐿𝐸 =
𝐵2
2𝜆
𝐿𝐻 =
𝐴2
3𝜆
 Las bocinas piramidales de bajo error de fase
(s, t < 0.15) son muy largas y eficiencia de
apertura del orden de 0.8
 Las bocinas optimas (error de fase: t = 3/8, s =
¼) tienen eficiencia de apertura de 0.5; las
ganancias van desde 8 a 30 dBi.

Atenuación de Guía de Onda
Frecuencia (GHz)
EW 17
(dB/100m)
EWP 34
(dB/100m)
EWP 77
(dB/100m)
EW 240
(dB/100m)
d1 x d2 (cm) 14.3 x 7.6 8.4 x 4.8 4.4 x 2.5 1.52 x 0.96
1.7 GHz 1.51
2.0 GHz 1.19
2.4 GHz 1.05
3.1 GHz 2.67
3.6 GHz 2.27
4.2 GHz 2.09
6.1 GHz 7.75
7.5 GHz 6.00
8.5 GHz 5.58
22.0 GHz 37.59
24.4 GHz 34.26
26.5 GHz 32.58

𝐴 = 3𝜆𝑅1
𝐵 = 2𝜆𝑅2 𝐺 = 6.3
𝐴𝐵
𝜆2
𝐻𝑃𝐵𝑊𝐻 ≈ 78
𝜆
𝐴
(°) 𝐻𝑃𝐵𝑊𝐸 ≈ 54
𝜆
𝐵
(°)

Bocina Piramidal Corrugada
 Corrugaciones en las paredes perpendiculares al campo E (alta y
baja) en una bocina piramidal modifican el diagrama de radiación
forzando nulos del campo eléctrico en el borde de la apertura.
 Reactancia capacitiva en el plano interior de la bocina beneficia la
simetría de la antena y reduce los lóbulos de difracción en el borde.
𝜆0
4
< 𝑑 < 0.375
𝜆0
4
𝑡 + 𝑤 ≪
𝜆0
4
𝑡 ≪ 𝑤

Bocinas Cónicas
 Las bocinas cónicas se forman a partir de las guías de
ondas circulares y pueden ser del tipo lisa o corrugada y
no presentan una pureza de polarización.
 Las bocinas cónicas corrugadas uniformizan el campo E
en la apertura, las bocinas escalares tienen s > 1 (s =
error de fase) con lo cual el diagrama de radiación no
varia con la frecuencia.
𝐿 =
𝑑2
3𝜆
𝐺 = 0.5
𝜋𝑑 2
𝜆2

Otros tipos de Bocinas
 Existen bocinas Potter que son mas compactas
y sencillas que las corrugadas y presentan
características intermedias entre las bocinas de
paredes lisas y las corrugadas.
 También existen bocinas rellenas de dieléctrico
en vez del aire, mejoran la simetría y la
polarización de la propagación, pero presentan
menor eficiencia y mayores problemas de
reflexiones en las bocinas corrugadas.

Antecedentes
Hubo una vez un hombre que lucho contra el ejército más fuerte del
mundo: el gran imperio romano, era un griego de avanzada edad,
el que combatió durante casi tres años contra el ejército romano… y
estuvo a punto de triunfar: era Arquímedes de Siracusa, el científico
más grande del mundo antiguo.
El ejército romano conocía la reputación de Arquímedes y éste no
defraudo las previsiones. “Cuenta la leyenda que construyo espejos
curvos en las murallas de Siracusa e hizo presa el fuego en las naves
romanas que las asediaban.
 Primera antena construida por Hertz (reflector
parabólico cilíndrico de zinc), las dimensiones
del reflector eran de 1.2 m de abertura por 2 m
de largo.

 Los reflectores en las antenas son ampliamente usadas para modificar
y mejorar el patrón de irradiación de un elemento radiante.
 Su análisis se basa en la óptica geométrica y la óptica física:
 La óptica geométrica para calcular en campo lejano el lóbulo
principal y los lóbulos secundarios principales.
 La óptica física, para calcular los campos de radiación GTD (teoría
geométrica de la difracción) y los lóbulos originados por las
difracciones.
Antenas Reflectoras

 De acuerdo a la Teoría Geométrica de
Difracción (GTD), el campo dispersado
es la suma de los campos de óptica
geométrica (onda directa y reflejada)
y los campos difractados por aristas y
bordes (Principio de Fermat).
 Existen diferentes tipos de reflectores:
 Reflector plano.
 Reflector diedro (tipo córner).
 Reflector parabólico.
 Reflector elíptico.
 Reflector hiperbólico.
 Reflector circular.
Antenas Reflectoras

Aplicaciones
 Usado en aplicaciones donde se requiere mayor directividad, alta
ganancia y pequeños ángulos del lóbulo principal:
 Radioenlaces por microondas
terrestre.
 Enlaces satelitales de
comunicación y distribución
(VSAT, DTH)
 Radiotelescopios.
 Estaciones de seguimiento de
sondas espaciales.
 Radares de apertura sintética,
(uso militar y meteorológico)

 Al instalar una antena frente a una superficie plana, infinita
y conductora se genera una imagen frente de la original;
de forma similar a usar un plano de tierra.
 La ganancia y forma del patrón de radiación se varia
modificando la distancia entre la antena y el reflector (s)
 Para s pequeña tenemos antenas de banda angosta y para
valores grandes de s se tienen antenas de banda ancha.
Reflectores Planos
Antena
Reflector
plano
Imagen
Espaciamiento s en λ
Ganancia
λ/4
λ/16
λ/8

 Consiste en un antena dipolo λ/2 situada frente (a λ/4) de una
superficie reflectora plana metálica cercana.
 Con esto las ondas directas y reflejadas estarán en fase y se
incrementara la radiación en la dirección perpendicular al panel,
produce la eliminación de la potencia radiada hacia atrás.
Reflectores Planos

Antenas Reflectores Planas
 Antena Reflectora de Canal (Trough Reflector
Antenna), es básicamente un reflector de esquina
truncado; la razón principal para ir a esta forma es
reducir la profundidad de la antena.
 Antena de Panel es básicamente una antena
reflectora de canal cuyos lados han sido traídos
hasta que estén en ángulo recto con el plano
trasero; a continuación, se añaden los extremos
para completar la "caja" y facilitar la instalación
de un radomo sobre los elementos. Los extremos
no tienen un efecto apreciable en el rendimiento
eléctrico de las antenas.

Reflectores Planos
Antena Panel de Media Onda (UHF)
Numero
de dipolos
Ganancia
Angulo de Media
Potencia
dBi Potencia H V
4 10 6.10 60° 30|
6 12 9.66 60° 20°
12 15 19.28 60° 16°
24 18 38.45 34° 16°
Panel de dipolos de media
onda UHF horizontal.
Angulo de media potencia
de 60°.

Reflectores Planos
Antena Panel de Onda Completa (UHF)
Numero de
dipolos
Ganancia
Angulo de Media
Potencia
dBi Potencia H V
4 12.8 11.61 38° 18°
6 15.2 20.18 38° 17°
12 18.0 38.45 37° 9°
24 21.0 76.73 16° 5°
http://www.idealantenas.com.br/Espanhol/espa%C3%B1ol/produtosport/tv/pdfantenapain
elondacompleta.pdf

 También llamado córner, el plano reflector
concentra la radiación de una fuente primaria,
similar al reflector plano pero enfoca más la
radiación en la dirección deseada.
 Su estudio se realiza mediante la teoría de
imágenes considerando los planos del reflector
infinitos.
 Reflector de 90° (se analiza mediante 3 imágenes)
y reflectores de 60° (4 imágenes).
Reflectores Diedros
Antena
Imagen
Vista lateral
del reflector
Vista Frontal Vista de Arriba

 El uso de estos reflectores permiten optimizar las características de
radiación, como el área efectiva, la relación de lóbulo principal a
secundario o los niveles de polarización cruzada.
 El tamaño y geometría del reflector determinan las características del
patrón de radiación (ancho de haz, polarización, relación nivel del
lóbulo principal al secundario, ganancia e impedancia)
Reflectores Diedros
𝑠 = 0.5𝜆
𝐷0 ≈ 12 𝑑𝐵𝑖
𝑠 = 1.5𝜆
𝐷0 ≈ 15 𝑑𝐵𝑖

 Se trata de un dipolo delante de un reflector del
tamaño adecuado, el cual se dobla a un ángulo
determinado (generalmente de 60° o 90°), el dipolo
se encuentra a cierta distancia de la intersección del
ángulo, con una apertura de 1 a 2 .
 La anchura y ganancia del haz dependen de la
relación entre el tamaño del reflector, el ángulo y la
posición del dipolo.
Antenas Reflectores Diedros
 El reflector puede ser un plano solido, una
malla de alambre o barras verticales
espaciadas lo suficientemente cerca como
para obtener casi el mismo efecto que un
reflector continuo (varillas paralelas al dipolo
y separadas menos de 1/8 ).

 Son mas fáciles de construir que los reflectores parabólicos
 Empleados en las bandas VHF y UHF alimentados con dipolos,
especialmente para captar señales de TV

 La finalidad que se persigue con las distintas formas de reflector y de
lente es la concentrar la radiación de fuentes primarias, en general
poco directivas, en una determinada dirección o región del espacio.
 Aumentan la directividad gracias a la geometría del reflector, el cual
es capaz de focalizar la energía en regiones angulares menores.
Reflectores Parabólicos
Tipos de Geometría del Reflector
Parabólico Esférico Reflector con bocina

dipolo
Cilindro Parabólico Recto
Reflector
Parabólico
 Existen muchos tipos de reflectores parabólicos
primarios:
 Cilindros parabólicos
 Paraboloides con simetría de revolución
 Paraboloides de revolución truncado
Reflector
Parabólico
Alimentador
(corneta)
Paraboloide Truncado

 Los reflectores de forma hiperbólica y elípticos se utilizan como
reflectores secundarios, ya que una onda esférica incidente sobre
los mismos se convierte en otra onda esférica.
 Los dos focos se encuentran a ambos lados de la superficie.
Elipse
Reflector
Elíptico
Antena Primaria

 Un reflector plano presenta pequeña ganancia y se
requieren grandes superficies y ángulos reducidos.
 Empleando una parábola como superficie reflectante
se mejora la ganancia y directividad, el principio de su
funcionamiento consiste en focalizar la potencia
incidente en el reflector sobre una fuente primaria
situada en su foco.
Alimentador
alimentador
alimenta
dor
Reflector semi-parabólico
Reflector
parabólico
Reflector
parabólico
Reflector
hipérbola

 Los reflectores se colocan en frente de un radiador primario para
convertir las ondas cilíndricas o esféricas que salen del radiador en
ondas planas que rebotan del reflector, concentrando la radiación en
una dirección del espacio.
 El punto focal se ubica en medio del plato reflector y son simétricas, la
ganancia dependerá de las características geométricas del reflector, la
distancia focal, diámetro de la antena, etc.

 Estructura formada por un espejo reflector metálico en forma de
paraboloide de revolución para concentrar la radiación poco directiva
de un pequeño alimentador (antena dipolo, bocina, o un arreglo de
dipolos) en un haz de alta directividad, el alimentador se ubica en el
foco de la parábola.
 Tienen la propiedad de que los rayos salientes de su foco al reflejarse
se convierten en un conjunto de rayos paralelos; de forma reciproca
un conjunto de rayos paralelos incidentes de forma normal al reflector
se focalizan o convergen en el mismo punto focal.
Plano del
frente de
ondas
Reflector
parabólico
Radiador
primario
Antena Parabólica

Antena Parabólica
 La antena con reflector parabólico se compone de un reflector
parabólico pasivo y un elemento activo (antena primaria con mecanismo
de alimentación), el reflector solo refleja la energía del elemento activo
en una emisión direccional y con un frente de ondas plano.
 Esto origina un lóbulo principal y pequeños lóbulos
laterales, a mayor diámetro del paraboloide se tiene
mayor directividad y ganancia.

Tipos de Reflectores
Tipo de Reflector Eficiencia
Cilíndricos Menor a 55%
Grilla o Rejilla Menor a 60%
Foco Centrado o Primario 50 a 65%
Descentrado u Offset 70 a 75%
Cassegrein o Gregoriano Centrado 60 a 70%
Cassegrein o Gregoriano Offset 70 a 85%

 La PARABOLA es el lugar geométrico de los puntos que equidistan del
foco y de la recta generatriz.
𝑟 =
𝑓
𝑐𝑜𝑠2 𝜃
2
𝜌 = 2𝑓 tan
𝜃
2
𝑧 = −𝑓 +
𝑥2
4𝑓
𝑟 = 𝑟′
𝑟′
+ 𝑑 = 2𝑓
𝑑 = 𝑟 cos 𝜃
Antena Parabólica Centrada

Campos en la Apertura
 Aplicando la Ley de Snell para el proceso de
reflexión, y el Teorema de Malus para garantizar
que los rayos reflejados en el reflector sean
paralelos; se tiene:
𝐴 =
𝜋𝐷2
4
𝐸𝑎𝑝 = 𝐸0
𝐺(𝜃)
𝜌
𝐸0 = ො
𝑦
𝑍0𝑃
2𝜋
𝐺𝐴 =
4𝜋𝐴
𝜆2
cot
𝜃0
2
න
0
𝜃0
𝐺(𝜃) tan
𝜃
2
𝑑𝜃
2

reflector parabólico
(conductor)
antena
 Las OEM rebotan en el reflector
parabólico, concentrándose en el foco
de la parábola que es el lugar en
donde se coloca el alimentador.
 La ganancia depende del diámetro de
la parábola y de la frecuencia.
 En el apuntamiento requieren de gran
precisión por el menor ancho de haz.
 Defecto: el alimentador obstruye los
rayos reflejados produciendo una zona
de baja intensidad o sombra en el
centro de la apertura; además
requiere tramos de guía de onda o
coaxial mas largos,
Teórico
100% eficiencia
𝐺 =
𝜋𝐷
𝜆
2

Antena Parabólica Solida
Frente de
ondas plano
Reflector
Montaje
Alimentador
Estructura
de soporte

 Ganancia:
𝜃ℎ𝑎𝑧 3𝑑𝐵 = 7𝟎
𝜆
𝐷
𝐺(𝑑𝐵) = 10 log 𝜂
𝜋𝐷
𝜆
2
 Eficiencia del alimentador (0.5  0.8)
 Angulo con respecto al eje
en la dirección de la orbita
del satélite GEO
𝐺 = 29 − 25 log 𝜑 𝑑𝐵𝑖
𝐺 = −10 𝑑𝐵𝑖
1° ≤ 𝜑 ≤ 48°
48° ≤ 𝜑 ≤ 180°
𝐺 𝑑𝐵 =
30,000
(𝜃3𝑑𝐵)2
 Ancho del lóbulo:
 Lóbulos laterales:
𝜃𝐻𝑎𝑧 𝑵𝒖𝒍𝒐𝒔 = 𝟏𝟒𝟎
𝜆
𝐷
 Ancho del haz entre nulos:
𝜃ℎ𝑎𝑧 3𝑑𝐵 =
170
10
𝐺𝑚𝑎𝑥
20

Antena Andrew HP8-36
 Empleada en radioenlaces terrestres a frecuencias por encima de
1 GHz.

Defecto Antena Parabólica
 La ubicación del alimentador en el foco de la parábola ocasiona un
área de sombra que modifica el patrón de radiación de la antena.
 Otro efecto es que una porción de la onda emitida regresa al
alimentador produciendo un desacoplamiento de impedancia,
variando la fase de la impedancia aunque su valor absoluto es
constante.
Patrón normal
Patrón
resultante
Patrón
de sombra

 Estas antenas tienen lóbulos mas anchos que las antenas solidas,
por lo que no requiere un apuntamiento preciso.
 Su reflector grillado se construye a base de tubos o varillas paralelas
separadas entre si una fracción de longitud de onda (s < /10), la
rejilla tiene menos rendimiento por las propiedades físicas de la
curva que describe.
 Solo operan en una polarización lineal que
coincide con la dirección de las varillas,
como alimentador puede emplearse un
dipolo o una yagi de 2 elementos.
 Empleado a frecuencias menores a 2.7 GHz.
 No ofrecen resistencia al viento (wind
loading), empacado y traslado fácil; no
acumula nieve, polarización simple; baratas.
Antena Parabólica Grilla

Antena Parabólica Rejilla
 Pueden emplear reflectores tipo toroidal, cilíndrico, parabólico o arcos
porciones de parábolas; tienen siempre el foco en el eje de la parábola.
Cilindro parabólico de
apertura rectangular
Paraboloide de revolución de
apertura rectangular
Paraboloide de revolución de
apertura circular
𝐺 ≈ 0.5
4𝜋
𝜆2
𝑠𝑎𝑝

Antena Parabólica Rejilla

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