UNIVERSIDAD FERMIN TORO

VICERRECTORADO ACADEMICO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE TELECOMUNICACIONES

NUCLEO ARAURE

ARREGLOS DE ANTENAS

Alumnos:

Prez, DavidQuerales, RafraDocente. Juan Villegas

Abril, 20151. Arreglo de Antenas o ArrayEl apilamiento de antenas consiste en agrupar una serie de antenas (en progresin geomtrica 2, 4, 8) sumando sus seales mediante un acoplador para obtener una serie de mejoras en las caractersticas de las mismas. Lo normal son los arrays de 2 antenas y en casos excepcionales de 4. Los acoplamientos se pueden realizar tanto en plano horizontal, como en vertical como en ambos a la vez. Las ventajas de agrupar antenas se resumen en dos:Aumento de la ganancia: Tericamente se obtienen 3 dB de aumento de ganancia al duplicar el nmero de elementos del array (es decir con 2 antenas ganamos 3 dB, con 4 ganamos 6 dB). En la realidad es siempre menor debido a las prdidas del acoplador y los cables y a la separacin de las antenas mismas.Mejora en el diagrama de radiacin: El array de antenas introduce una serie de nulos en el diagrama de radiacin del plano en el que se realiza el array. Estos nulos dependen de la separacin entre las antenas y de la frecuencia. La frmula que los relaciona es D*sen= (2n-1)*/2En donde d es la separacin entre antenas, el ngulo en el que se produce el nulo y la longitud de onda. Esto puede ser muy til para discriminar seales reflejadas y evitar dobles imgenes.

Sin embargo el uso del apilamiento de antenas presenta una serie de restricciones y particularidades, que se deben de tener en cuenta a la hora de plantearse el uso del mismo:Las seales que se suman han de ser iguales, tanto en magnitud como en fase, con lo que se han de tener en cuenta las siguientes consideraciones: Las conexiones se han de realizar con mucho cuidado, nos hemos de asegurar que los cables que conectan las antenas al acoplador sean de la misma longitud y del mismo tipo, para que la diferencia de fase sea la misma para cada antena a la entrada del acoplador, de lo contrario no se obtendrn las caractersticas propias del acoplamiento. Para obtener un acoplamiento correcto las antenas han de estar separadas una distancia comprendida entre /2 y 2.Estos lmites vienen determinados porque a una distancia menor de /2 se producen efectos de acoplamiento inductivo entre las propias antenas y sus elementos que anula el efecto deseado y a mayor distancia de 2 las seales que llegan a cada antena tienen tanta diferencia, tanto de fase como de nivel, que no se pueden sumar. Las antenas empleadas en el array han de ser iguales. Esto que parece una trivialidad no lo es tanto, ya que en antenas de baja calidad pueden existir grandes diferencias de comportamiento elctrico de una antena a otra del mismo modelo, lo que va a provocar que el array no se comporte del modo esperado. Si se emplea el array para discriminar reflexiones, se ha de tener en cuenta que la direccin en la que se obtiene el nulo depende de la frecuencia, con lo que el nulo no va a estar en la misma direccin para todas las frecuencias. Esto implica que este efecto solo va a ser vlido para un canal o un grupo de canales contiguos. Si aumentamos el nmero de antenas en el array (por ejemplo pasando de dos a cuatro) aumentaremos la cantidad de nulos con lo que ampliamos el margen de utilizacin del array.Por lo general, el patrn de radiacin de un solo elemento es relativamente amplio, y cada elemento proporciona bajos valores de directividad (ganancia). En muchas aplicaciones es necesario el diseo de antenas con muchas caractersticas de la Directiva (muy altas ganancias) para satisfacer las demandas de comunicacin de larga distancia. Esto slo se puede lograr mediante el aumento del tamao de la antena elctrica.La ampliacin de las dimensiones de los elementos individuales a menudo conduce a ms caractersticas directiva.Otra forma para agrandar las dimensiones de la antena, sin necesariamente aumentar el tamao de los elementos individuales, es para formar un conjunto de elementos en una configuracin elctrica y geomtrica de la radiacin. Esta nueva antena, formada por elementos mltiples, se conoce como un arreglo. El campo total del arreglo se determina por la suma vectorial de los campos radiados por los elementos individuales. En un arreglo de elementos idnticos, hay al menos cinco controles que pueden ser utilizados para dar forma al patrn general de la antena. Estos son: la configuracin geomtrica del arreglo general (lineal, circular, rectangular, esfrica, etc.) el desplazamiento relativo entre los elementos La amplitud de la excitacin de los elementos individuales La fase de excitacin de los elementos individuales el patrn relativo de los elementos individualesCada uno de estos tiene influencia sobre las caractersticas generales de radiacin. Hay una gran cantidad de agrupacin de antenas utilizadas para aplicaciones personales, comerciales y militares que utilizan diferentes elementos, entre ellos dipolos, bucles, aberturas, microtiras, cuernos, reflectores, y as sucesivamente. Un arreglo clsico de dipolos, es la matriz Yagi - Uda, y se utiliza principalmente para la televisin y las aplicaciones de radio aficionados. Tambin existe una serie de dipolos, que es denominada la antena log-peridica, que es principalmente usado para la recepcin de televisin y tiene un ancho de banda ms ancha que la matriz Yagi - Uda, pero un poco ms pequea de directividad.El ms simple y uno de los arreglos ms prcticos se forman mediante la colocacin de los elementos a lo largo de una lnea. Para simplificar la presentacin y dar una mejor interpretacin fsica de las tcnicas, primero ser considerado como un array de dos elementos.

2. Parmetros de Arreglos de Antenas

Ganancia: Existen dos definiciones diferentes de la ganancia de una antena, pero relacionadas, son: la ganancia directiva y la ganancia de potencia. La primera es, algunas veces, denominada directividad. La segunda es llamada simplemente ganancia. La ganancia directiva es descriptiva del patrn de la antena, y la ganancia de potencia es ms usada en aplicaciones de radar.La Ganancia Directiva es la capacidad o habilidad de una antena para concentrar energa en una direccin particular. La ganancia directiva () de una antena transmisora se puede definir como:

Dnde intensidad de radiacin mxima, e es la intensidad de radiacin promedio. La ganancia directiva no considera las disipaciones de potencia. La ganancia de potencia, la cual se denota por G, incluye las prdidas por disipacin de la antena, pero no considera las prdidas del sistema que surgen del acoplamiento inadecuado y/o la polarizacin. Esta se puede definir anlogamente a la ganancia directiva, excepto que el denominador es la potencia neta aceptada por la antena del transmisor conectado (), y en numerador es la potencia mxima radiada por unidad de ngulo slido ()

Patrn de Radiacin: Es la representacin de la radiacin o recepcin de la antena de los campos elctricos en el espacio. El patrn de radiacin de una antena se puede representar grficamente, presentando la distribucin relativa de potencia o propiedades de radiacin en funcin de coordenadas espaciales. En la mayora de casos, el patrn de radiacin es evaluado considerando condiciones en la regin de campo lejano, y representado en coordenadas direccionales. A la traza de la potencia recibida a un radio constante se le denomina patrn de potencia.

Ancho de Haz: Es la apertura angular del lbulo principal medido en un determinado nivel de potencia constante. Directividad: Es la medida del contraste del arreglo y es el radio de la potencia radiada por el arreglo en la direccin deseada a la potencia media radiada por el arreglo en todas las direcciones. Red de Lbulos: Son los lbulos laterales que tienen una intensidad igual a la del lbulo principal

3. Arreglos de Dos ElementosPara iniciar, suponga que la antena a estudiar es un arreglo de dos dipolos horizontales e infinitesimales, ubicados a lo largo del eje z, como se muestra en la Figura. El campo radiado por dos elementos, asumiendo que no hay acoplamiento mutuo entre elementos, es la suma de los campos individualesSe estudian los parmetros como la diferencia de fase de excitacin entre los elementos, el vector unitario en plano, impedancia intrnseca del medio, y k se define como: k=w2 otros asociados con variaciones armnicas temporales. La magnitud de excitacin de los radiadores es idntica

La ecuacin anterior muestra que el campo total del arreglo es igual al campo de un slo elemento, ubicado en el origen, multiplicado por un factor ampliamente conocido como factor del arreglo (FA). Entonces para un arreglo de dos elementos con amplitud constante, el factor del arreglo es determinado por

Donde es la diferencia de fase entre la excitacin de los elementos. La magnitud de la excitacin de los radiadores es idntica. El factor de arreglo es una funcin de la geometra del arreglo y la fase de excitacin. Mediante la variacin de la separacin d y/o la fase entre los elementos, las caractersticas del factor de arreglo y del campo total del arreglo pueden ser controladas.El campo lejano de una zona uniforme de dos elemento del arreglo de elementos idnticos es igual al producto del campo de un solo elemento, en un punto de referencia seleccionado (normalmente el origen), y el factor de array de ese arreglo.E (total) = [E (solo elemento en el punto de referencia)] [factor de array]Cada serie tiene su propio factor de array. El factor de array, en general, es una funcin del nmero de elementos, su disposicin geomtrica, sus magnitudes relativas, sus fases relativas, y sus separaciones. El factor de array ser de la forma ms simple si los elementos tienen amplitudes idnticas, fases, y separaciones.

4. Arreglo de N-Elementos Lineales con Amplitud y Espaciamiento UniformeAhora que el conjunto de elementos se ha introducido y se ilustra en el array de dos elementos, vamos a generalizar el mtodo para incluir N elementos. Refirindose a cualquier geometra, vamos a suponer que todos los elementos tienen amplitudes iguales pero cada elemento tiene una fase progresiva que conduce corriente de excitacin con respecto a la anterior ( representa la fase en la que la corriente en cada elemento lleva la corriente del elemento anterior). Un arreglo de elementos idnticos todo de magnitud idntica y cada uno con una fase progresiva se conoce como arreglo uniforme. El factor de array puede obtenerse considerando los elementos para ser fuentes puntuales. Si los elementos reales no son fuentes isotrpicas, el campo total puede estar formado multiplicando el factor de array de las fuentes isotrpicas por el campo de un solo elemento.

Puesto que el factor de array total de un arreglo uniforme es una suma de exponenciales, puede ser representado por el vector suma de fasores N cada uno de la unidad de amplitud y fase progresiva con respecto a la anterior.

5. Factor de ArregloEl Factor de Arreglo es el diagrama de radiacin de una agrupacin de elementos isotrpicos. Cuando los diagramas de radiacin de cada elemento del array son iguales y los elementos estn orientados en la misma direccin del espacio, el diagrama de radiacin de la agrupacin se puede obtener como el producto del factor de array por el diagrama de radiacin del elemento.6. Arreglo de N elementos LinealesEl mtodo para un arreglo de N elementos. Donde todos los elementos tienen amplitud idntica, y cada elemento sucesivo tiene una fase progresiva (), la separacin entre elementos es idntica (d). Un arreglo de elementos idnticos todos de magnitud idntica y cada uno con fase progresiva se denomina un arreglo uniforme. El factor del arreglo puede obtenerse considerando a los elementos fuentes ideales o isotrpicas. Si los elementos no son fuentes isotrpicas, el campo total puede ser formado multiplicando el factor del arreglo de las fuentes isotrpicas por el campo de un slo elemento. Esto es, la regla del patrn de multiplicacin se aplica slo para arreglos de elementos idnticos. El factor del arreglo para este caso es dado por

7. Patrones de Radiacin de Arreglos de AntenasLas antenas direccionales se subdividen en antenas de alta ganancia para aplicaciones punto a punto y antenas sectoriales, que normalmente tienen anchos de haz de 60, 90 o 120 y que pueden ser combinadas para proveer cobertura de 360 desde una estacin base. En el Caso de las Antenas Sectoriales, Las antenas sectoriales pueden ofrecer una amplia apertura horizontal de entre 60 y 180, y como su nombre indica, son ideales para proporcionar cobertura por sectores. Las antenas sectoriales tpicamente tienen mayor ganancia que las omnidireccionales con lo que ofrecen un mayor alcance. Si cada sector es alimentado por un radio distinto, se puede obtener tambin mayor caudal de transmisin respecto al obtenible con una antena omnidireccional nica.Tambin podemos cubrir un plano de 360 horizontales con un array de 3 antenas, obteniendo mayor eficiencia que con una sola antena omnidireccional

8. Procedimientos de DiseoEn el diseo de cualquier sistema de antena, los parmetros de diseo ms importantes son generalmente el nmero de elementos, el espaciamiento entre los elementos, de excitacin (amplitud y fase), media anchura de haz de energa, directividad, y el nivel de lbulo lateral. En un procedimiento de diseo de algunos de estos parmetros se especifican y los otros se determinan a continuacin.Los parmetros que se especifican y aquellos que se determinan varan entre los diseos. Para una matriz uniforme, el lbulo lateral es siempre aproximadamente -13,5 dB. El orden en la cual el resto de parmetros se especifican y determinado vara entre diseos. Para cada uno de los conjuntos lineales uniformes que se han discutido , ecuaciones y algunos grficos han sido presentados que pueden ser utilizados para determinar el ancho del haz a potencia mitad y la directividad , una vez que el nmero de elementos y el espaciamiento (o la longitud total de la matriz ) son especificado. De hecho, algunas de las ecuaciones se han enumerado en las tablas. Esto puede ser considerado ms de un procedimiento de anlisis.El otro enfoque es para especificar la anchura del haz a potencia mitad o directividad y para determinar la mayora de los otros parmetros. Esto puede ser visto ms como un enfoque de diseo, y se puede lograr en gran medida con las ecuaciones o grficos que se han presentado. Ms valores exactos se pueden obtener, si es necesario, utilizando mtodos iterativos o numricos.