Tabla de contenido de Antenas Helicoidales

1. Antenas Helicoidales: Introducción
2. Antenas Helicoidales: Modo Normal de Radiación

En el modo normal de operación el campo radiado es máximo en la dirección normal y para ciertas geometrías, en teoría, emitirá ondas polarizadas circularmente. Para un modo normal de operación las dimensiones de la hélice deben ser pequeñas comparadas con la longitud de onda, que es, . El modo normal de la hélice es eléctricamente pequeño y con eficiencia baja.

Como la hélice es pequeña se asume que la corriente es constante en magnitud y fase sobre su longitud. El patrón de campo lejano es independiente del número de vueltas y puede ser obtenido examinando una sola vuelta. Una vuelta puede aproximarse a un lazo pequeño y a un dipolo ideal como se muestra en la figura 1. [9].

Fig. 1. (a) (b) (c) Dimensiones de la hélice lazo y dipolo [9].

El campo eléctrico en la zona lejana para un dipolo ideal es: [10].

Donde S es el espacio entre las curvas o vueltas helicoidales, es la longitud del dipolo ideal en la figura 1. El campo eléctrico en la zona lejana de un lazo pequeño es: [10].

Donde es el área del lazo. La radiación total de campo para una sola vuelta o curva como se modela en la figura 1, es la suma de los vectores de campo en la figura 1 y 2. Nótese que ambas componentes tienen un patrón y están desfasados . El eje radial de polarización de la elipse se encuentra del radio de la figura 1 y 2. [10].

Como las componentes perpendiculares están desfasadas , la polarización circular es obtenida si el radio axial es la unidad. Esto ocurre para

Figura 2 (a) Geometría usada (b) patrón de radiación para y . [9].

El cual fue encontrando igualado la ecuación anterior a la unidad. Esta polarización circular se obtiene en todas las direcciones excepto donde el patrón de radiación es cero. De la figura 3 se observa que: [10].

Fig. 3. Curva de la hélice no enrollada [9].

Para una polarización circular en el modo normal, la circunferencia de la hélice está dada por:

Esta es una ecuación cuadrática que puede ser resuelta para S como:

Utilizando solo el signo positivo para mantener la longitud física de S, se obtiene el ángulo de inclinación para la polarización circular.

Referencias:

[8]Kinayman Noyan, M. I. Aksun, “Modern Microwave circuits”, Artech House Inc Boston.London, 2005;

[9]Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House Inc Boston.London, 2001;

[10]Perez Reinaldo, “Wireless Comunication Design HandBook” Volume 3: Interference Into Circuits, Academic Press. Boston. London. 1998

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Tabla de contenido de Antenas Helicoidales

1. Antenas Helicoidales: Introducción
2. Antenas Helicoidales: Modo Normal de Radiación

Si un conductor tiene forma helicoidal y alimentación propia, este se refiera a una antena helicoidal o simplemente hélice. La geometría típica para una hélice se muestra en la figura 5.1. Si una vuelta o curva de la hélice no está enrollada, la relación entre varios parámetros de hélices se revela en la figura 5.2. [8].

Fig. 5.1. Geometría y dimensiones de una antena helicoidal. [9].

Los términos usados para describir la geometría de una antena helicoidal se definen como sigue: [8].

Nótese que cuando la hélice se reduce a una antena de lazo y cuando esta se reduce a una antena linear. La hélice puede trabajarse en dos modos, el modo normal y el modo axial.

El modo normal produce radiación muy intensa en su eje normal. Esto ocurre cuando el diámetro de la hélice es pequeño en comparación con la longitud de onda. El modo axial tiene su radiación máxima a lo largo del eje de la hélice. Cuando la circunferencia de la hélice está en orden de la longitud de onda el modo axial resultaría útil. [9].

Fig. 5.2. Curva de la hélice no enrollada [9].

Referencias:

[8] Kinayman Noyan, M. I. Aksun, “Modern Microwave circuits”, Artech House Inc Boston.London, 2005;

[9] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House Inc Boston.London, 2001;

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Tabla de contenido de Antenas Yagi

1. Antena Yagi: Principios Básicos
2. Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director
3. Antena yagi: Diseño

Figura 1. Geometría de diseño en FEKO

Resultados del Diseño:

Figura 2. Diagrama de Radiación de antena Yagi

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Tabla de contenido de Antenas Yagi

1. Antena Yagi: Principios Básicos
2. Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director
3. Antena yagi: Diseño

Cuando el parásito funciona como reflector, la ganancia máxima llega a 5 dB para una distancia dipolo-parasito de . Esta distancia no es crítica y entre y la ganancia disminuye poco. Para , la resistencia de radiación del dipolo es casi la misma que si el dipolo estuviera solo. La relación delante-atrás de la ganancia es del orden de 5 dB, siendo la radiación hacia atrás inferior en 1 dB a la del dipolo solo.

Cuando el parásito funciona como director, la ganancia máxima tiene lugar para una distancia dipolo-parasito de ; alcanza casi 6 dB. La ganancia hacia atrás es algo superior a la de una antena de media onda sola. La relación ganancia hacia adelante-ganancia hacia atrás es de unos 5 dB. La resistencia de radiación es muy pequeña, del orden de 13 ohm. La mejor relación delante-atrás se obtiene para una separación dipolo parásito de y alcanza 20 dB, pero la ganancia hacia adelante cae a 2.5 dB y la resistencia de radiación es pequeña, próxima a 17 ohm. Para alimentar esta antena hay que emplear un trasformador de impedancia que eleve la débil resistencia de radiación a un valor compatible con la impedancia de los feeders. Por otra parte, la resistencia óhmica deberá hacerse lo más pequeña posible para que le rendimiento de la antena sea satisfactorio.

La máxima ganancia para un reflector se obtiene cuando este es más largo que el dipolo en un 5% aproximadamente, y la máxima ganancia como director se obtiene cuando este es aproximadamente un 5% más corto que el dipolo.

Cuando el elemento parásito ya no está en resonancia, presenta cierta reactancia, inductiva si es demasiado largo, capacitiva si es demasiado corto.

Al momento de construir una antena yagi, se comprueba que el efecto de un director a es compensado por el efecto de un reflector a . Aunque el efecto producido por un director o un reflector depende de la longitud de estos elementos, es decir, de su sintonía. Así, según sea la sintonía del director, la longitud del dipolo estará comprendida entre 14.325/F y 15.248/F cm. Esto para un director a (sin reflector). Para un reflector a , la longitud del dipolo estará comprendida entre 14.325/F y 13.868/F (sin director). Un buen valor para la longitud del reflector es 1.05 veces la longitud del dipolo, y para la longitud del director es 1.05 veces la longitud del dipolo.

En la figura siguiente se describe el dimensionamiento para la fabricación de una antena yagi de hasta 4 elementos:

Longitud de los elementos, ganancia y resistencia de radiación [11]

De esta manera y de forma general se puede considerar que la longitud del dipolo (alimentador) está dada por:

La longitud del reflector según el número de elementos viene dada por:

La longitud del primer director según el número de elementos es:

La separación entre dipolo y reflector suele ser de:

La distancia entre dipolo y primer director es de:

La distancia entre primer director y segundo director es de:

El trecho entre el segundo director y el tercer director es de:

El trecho entre el tercer director y el cuarto director es de 2:

La distancia entre los directores siguientes suele ser de 0.25 longitudes de onda y sus dimensiones suelen disminuir en 0.01 longitudes de onda cada 2 directores.

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

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Tabla de contenido de Antenas Yagi

1. Antena Yagi: Principios Básicos
2. Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director
3. Antena yagi: Diseño

La antena de Yagi es una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención “de quitar la tierra” a las ya convencionales antenas (groundbreaking), produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, logró construir una antena de muy alto rendimiento. La invención del Dr. Yagi (patentada en 1926) no fue usado en Japón en un principio.

1.- Directividad

La directividad se expresa a menudo por el ángulo cuya bisectriz es la dirección de radiación máxima y en cuyo interior la ganancia en potencia no desciende por debajo de la mitad de la ganancia máxima. Esta disminución de la ganancia corresponde a 3dB. Si la antena tiene una ganancia de 14 dB, el ángulo en el que la ganancia esta comprendida entre 8 Y 11 dB da la directividad de la antena. Este ángulo expresa en definitiva el grado de estrechez del lóbulo principal del diagrama de radiación.

2.- Antenas con elementos parásitos

Cuando varias antenas paralelas, todas alimentadas, se combinan para conjugar sus efectos, se obtiene una ganancia sustancial, pero las dificultades de puesta en fase o en oposición de fase complican de modo singular la construcción de estos sistemas de antenas. Se ha pensado, por tanto, en alimentar solamente una de las antenas y utilizar la radiación de esta para alimentar las otras.

Cuando las antenas están muy juntas, la corriente inducida por la antena alimentada en las antenas que no lo están es importante, estas antenas radiarán a su vez, reaccionarán sobre la antena alimentada y combinarán su radiación propia con la de la antena alimentada. Se puede producir un efecto directivo y, por tanto, una ganancia, combinando las radiaciones de estas distintas antenas para que se sumen en la dirección deseada y se resten en otra dirección.

Se considera el caso de dos antenas de media longitud de onda, en donde a la que está alimentada se le conoce como dipolo, y a la segunda, la que toma su energía del dipolo se la conoce como parasito.

Se Comprende que el parasito no puede captar toda la energía emitida por el dipolo. No tendrá, por tanto, la misma influencia que este último, y el efecto producido por el conjunto será disimétrico. Por otra parte, como el parasito recibe su energía del dipolo, esta le llega con cierto retraso, hay una diferencia de fase entre las corrientes en el dipolo y en el parasito y esta diferencia depende de la distancia que separa los dos elementos y también de la longitud del parasito. Es fácil imaginar que un parasito en resonancia en la frecuencia de la energía emitida por el dipolo absorberá más energía que un parasito no sintonizado. Además, cuando más cerca este el parasito del dipolo, más energía captará. Sin embargo, se observa que hay una regulación de la distancia dipolo-paracito y una longitud de elementos que dan el máximo de ganancia.

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En nuestro diseño de la antena panel para una frecuencia de 5.8GHz, el panel tendrá forma rectangular y con el fin de utilizar materiales que están disponibles en nuestro medio, se utilizará baquelita de doble lado, FR4, constituida por dos paneles conductores de cobre y el substrato con una constante dieléctrica .

Forma básica

Los elementos básicos de una antena panel rectangular de microcinta, se muestran en la Fig. 7.2.1. La cinta conductora de la parte superior (panel de radiación) de dimensiones LxW, se encuentra sobre el substrato dieléctrico con constante de dieléctrico y esperor h, y en la parte inferior del substrato la cinta conductora (plano tierra).

Fig. 7.2.1. Geometría básica de una antena panel rectangular. [11].

Para realizar la conexión del punto de alimentación al cable coaxial, se debe utilizar un conector tal como se muestra en la Fig. 7.2.2, el conductor interior del conector coaxial se extiende a través del dieléctrico y es soldado al panel de radiación de la antena anteriormente seleccionado, mientras que el conector exterior de cable coaxial está conectado con el plano tierra.

Fig. 7.2.2. Alimentación de antena panel de microcinta [11].

Cuando la antena es excitada por la alimentación, la distribución de cargas se efectúa entre el panel de radiación y el plano tierra, en un instante de tiempo bajo el panel de radiación se concentra la carga positiva y sobre el plano tierra la carga negativa. La atracción de fuerzas entre éstas se establece, tendiendo a llevar una gran cantidad de carga entre ambas superficies. Sin embargo, la fuerza de repulsión de las cargas positivas, presiona a las cargas hacia los bordes, dando como resultado una densidad de carga en los bordes. Estas cargas son la fuente de campos del borde y la radiación asociada.

El ancho del panel de radiación (W) tiene poco efecto en la frecuencia de resonancia y el diagrama de radiación de la antena. Un gran ancho del panel incrementa la potencia de radiación, por tanto decrece la resistencia de resonancia, incrementa el ancho de banda e incrementa la eficiencia de radiación. El ancho del panel debería ser seleccionado para obtener una buena eficiencia de radiación si lo requerimientos de estado real o los lóbulos no son factores primordiales. Esto sugiere que 1<W/L<2 [11].

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

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