Elementos de Antenas Direccionales

Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE 1
Antenas direccionales
Las antenas direccionales pueden ser divididas en
categorías o tipos:
• de polarización vertical/horizontal
• de polarización circular/elíptica
• Parabólica y tipo “horn”
• Microstrip/stripline

Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE
Estructuras diversas de
antenas direccionales(1).
2

Listado parcial de antenas:
• Yagi – Uda
• Log-periódica
• Circular (elíptica)
• Parabólica
• Corneta (“horn”)
• “microstrip” (“patch”)
Estructuras diversas de
antenas direccionales(2).

Antenas direccionales la Yagi –Uda
La Yagi –Uda es una antena compuesta de al menos 3
elementos: el elemento activo (dipolo), el reflector
y el director.
• elemento activo – λ/2
• reflector ~ 5% mayor al activo
• director ~ 5% menor al activo
• ganancia ~ 7 dBi
• 6 elementos (10 dBi), hasta 16 dBi
• distancia entre elementos ~ 0.2 λ

Antenas direccionales - la Yagi –Uda
La Yagi –Uda es una antena:
• de ancho de banda estrecho (~ 2% de f operación)
• ancho de banda se puede incrementar
un poco acortando los directores
• “beamwidth” es de ~ 60 grados

La Yagi –Uda es una antena:
• “beamwidth” es de ~ 60 grados

Patrón de irradiación de Yagi –Uda de mas elementos
7

Antenas direccionales - la Log-Periodica
Para compensar por la necesidad de ancho de bando, pero con un
pequeño precio en la directividad de la antena se usa la Log-Periódica.
La directividad es de 7 dB
El ancho de banda depende del largo de
los elementosmas corto y largo.
α
transmisor/
receptor
300 Ω
8

La antena Log-Periódica tiene la capacidad de tener un ancho de
banda superior a la Yagi-Uda Esta va desde - (2% ~ 5%) de la
frecuencia menor posible (elemento mas largo de la antena)
hasta la frecuencia mayor posible (elemento más corto del arreglo).
Los valores exactos de los largos de los dipolos siguen una
proporción constante:
𝜏 =
𝐿2
𝐿1
=
𝐿3
𝐿2
=
𝐿4
𝐿3
…….
9

La distancia entre los dipolos también varia siguiendo la misma
proporción entre dipolos.
𝜏 =
𝐷2
𝐷1
=
𝐷3
𝐷2
=
𝐷4
𝐷3
…….
La ganancia típica del arreglo es de ~ 7 dB y el ángulo α es ~ 70o.
α
transmisor/receptor300 Ω
10

Antenas direccionales – parabólica/elíptica
Las antenas direccionales
(parabólicas y elipticas) son
las de común uso en comunicación
satelital y de larga distancia.
Estas antenas tienen una bien alta
directividad (~ 20 dB o mas)
11

12
Antenas direccionales - la Log-Periódica
La antena log-periódica provee un ancho de banda muy
superior a una Yagi-Uda, puede ser de hasta 10:1.
Yagi ~ 2 – 5 MHz, log 400 ~ 800 MHz

Antenas direccionales – elíptica/circular
La polarización circular es producto del uso de 2 campos eléctricos
desfazados estos entre si por 90 grados por sus magnitudes. La
amplitud de un campo con respecto al otro determina la dirección.

14
Ejemplos de estructura de
antenas de polarizacion circular

15
5.8 GHz circular antenna
antena circular para 2.4 GHz
Microwave
circular
patch antenna
Antena FM
comercial 3 kW

Cada antena de polarización elíptica-circular tiene
sus características, propiedades y requerimientos de
diseño. Los métodos y/o procesos de cálculo de estos
(ganancia, ancho de banda, patrón de irradiación, …)
varían de manera significativa.

17
Presentamos un ejemplo de análisis/diseño para una antena
circular elíptica.
S
D
reflector
𝑆 =
𝜆
4
; 𝜋𝐷 ≈ 𝜆 ; 3 𝑑𝐵 𝑏𝑒𝑎𝑚𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ =
52𝜆
𝜆𝐷
𝜆
𝑁𝑆
(𝑁 = # 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠)
G =
15𝑁𝑆(𝜋𝐷)2
𝜆3

Antenas direccionales – parabólica

forma de parábola
La forma de parábola concentra la recepción, o el origen de
transmisión, en el foco, donde se sitúa generalmente un dipolo.

Antena horn
Las antenas “horn” pueden ser rectangulares y circulares.
Generalmente son usadas para alimentar platos parabólicos para
mayor directividad. Frecuencias varían desde 300 MHz hasta 18 GHz.

Antenas de superficie (“patch antennas”)
Las antenas tipo “patch”,
también conocidas como
antenas “microstrip”,
son usadas para aplicaciones
de alta frecuencia (> 1 GHz).
Estas antenas manejan
potencia y tienen un estrecho
ancho de banda y pueden desplegar
polarización lineal, circular y elíptica.

Estas antenas tipo “patch”
son en realidad una extensión
de líneas de transmisión en
circuitos electrónicos de alta
frecuencia (microondas, > 1 ~ 2 GHz)
que son construidas, en algunas de sus
partes, para hacer un acoplamiento
efectivo y eficiente de una
banda estrecha de frecuencias para
propósitos de transmisión o recepción.

Antenas de superficie
Razón principal de uso de “microstrip” como
línea de transmisión:
sustituye componentes discretos de R, L y C por
efectos parasíticos y aumento de inductancia y
capacitancia distribuidas en estos.
Ventajas:
tamaño pequeño, relativo bajo costo, efectivo uso
en espacios pequeños (satélites, sistemas
portátiles, celulares) y
Desventajas: relativa baja ganancia y estrecho
ancho de banda.

Las antenas tipo “patch” son útiles para construir arreglos
de antena para aumentar aún mas la directividad de estas.

Las antenas tipo “patch” tienen las siguientes características
generales:
• El largo L determina la f de
operación.
• El ancho W determina su
impedancia de entrada
• L debe ser idealmente λ/2
• En la practica L es 2 ~ 4%
mas corto porque efectos de
orilla (“fringe effects”) hacen parecer la antena mas grande.

26
Estructura tridimensional de una antena simple (1).
Efecto de orilla en la antena.
Este efecto hace parecer la antena un 2 ~ 4% mas grande.

27
Estructura tridimensional de una antena simple (2).

28
Estructura tridimensional de una antena simple.

29
Campo eléctrico por “fringe effects”,
introduce algo de pérdidas.

30
Para diseñar un “patch” rectangular
Gobiernan las siguientes ecuaciones:
𝑊 =
𝑐
2𝑓
𝜀 𝑟 + 1
2
−1/2
𝑙 =
𝑐
2𝑓 𝜀 𝑟
′
− 2∆𝑙
𝓔’
r depende de h y de la permitividad
relativa del dieléctrico 𝓔r.

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