Generalidades sobre Antenas de Microondas

El componente principal que está bajo la decisión de los planificadores de radio, en términos del diseño del enlace, es la antena. Sus características generales, incluidos la ganancia, rechazo a interferencias, diámetro y peso, son los factores críticos en el éxito del diseño.

El propósito de una antena es convertir la energía eléctrica generada en el transmisor de un sistema de radio en un una señal electromagnética enfocada en una dirección determinada. Las antenas se comportan de la misma manera en las direcciones de transmisión y recepción, esta es una característica conocida como reciprocidad.

Se sabe que cualquier flujo de corriente genera un campo magnético, si este flujo varia con el tiempo, se generará un campo magnético que también variará con el tiempo, éste a su vez generará un campo eléctrico también variable, estos dos campos interactuarán uno con otro, y si el conductor es lo suficientemente largo, en vez de que se genere solo calor, el conductor “irradiará”.

Con un conductor cuya longitud es «media longitud de onda de la señal», el flujo de corriente podrá recorrer el conductor de inicio a fin en un ciclo de RF y luego se podrá producir la máxima oscilación para esa frecuencia; esto es lo que se llama resonancia. A las frecuencias de microondas las longitudes de onda son relativamente pequeñas, en cambio en frecuencias HF se podría requerir antenas del tamaño de un campo de futbol.

La antena más simple es la antena dipolo, la cual es solamente un elemento conductor de tamaño de una media longitud de onda e irradia la energía en todas las direcciones, a esto se le denomina antena omnidireccional. Esta es la antena más parecida a lo que se denomina antena isotrópica, la cual es una antena hipotética que irradia la energía en todas las direcciones en un patrón esférico, con lo que se entiende que la energía es irradiada de la misma manera en todas las direcciones.

3.2 Fundamentos de Antenas

Una antena es básicamente un elemento radiante que convierte la energía eléctrica en forma de corriente en un frente de onda EM en forma de campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Cualquier flujo de corriente en un conductor configurará un campo magnético. Cualquier flujo de corriente variable generará un campo magnético variable que a su vez establece un campo eléctrico. Existe una interacción entre los campos eléctricos y magnéticos que da como resultado la propagación EM. Cuanto más rápida sea la variación de estos campos, mayor será la radiación del elemento conductor (antena). Los componentes de campo que no están radiados componen las partes capacitivas e inductivas de la antena, lo que hace que la antena muestre una impedancia compleja en lugar de solo resistencia.

3.3. Características de Antenas

3.3.1. Ganancia

Una antena es un dispositivo pasivo y, por definición, no puede amplificar la señal; sin embargo, puede dar forma a la señal para que sea más fuerte en una dirección que en otra. Si considermos un globo y lo aplastamos a los lados, se expandiría en los extremos. Esta es la base de lo que consideramos ganancia de antena. La referencia es un radiador isótropo que, por definición, tiene ganancia cero.

Figura 3.4. Radiador Isótropo

La cantidad por la cual la antena da forma a la señal en una dirección particular se describe en términos de su ganancia. Cuando uno habla de la ganancia de la antena particular, uno se refiere a la ganancia en el eje de la antena, es decir, la radiación que sale directamente de la parte frontal de la antena.

Figura 3.5. Comparación entre antena isótropica y antena directiva

La ganancia se expresa como la relación entre la densidad de potencia de referencia (P) de un radiador isotrópico y la densidad de potencia en la dirección particular que se está considerando. Esto generalmente se expresa en una escala logarítmica en decibelios. Las antenas de microondas generalmente se especifican en dBi y se pueden expresar como:

Donde:

• GdBi: Ganancia de la antena con respecto a una antena isotrópica
• P: Densidada de potencia en la dirección considerada
• Pdi: Densidad de potencia de una antena isotrópica

Teniendo en cuenta que las antenas isotrópicas no pueden ser construidas en la práctica, otra forma de expresas la ganancia de una antena es en relación a las antenas omnidireccional dipolo que es lo mas cercano a una construcción real de una antena isotrópica. Esta relación es tipicamente dada en antenas VHF y UHF y se expresa de la siguiente forma:

Donde:

• GdBd: Ganancia de la antena con relación a una antena dipolo
• P: Densidada de potencia en la dirección considerada
• Pdi: Densidad de potencia de una antena omnidireccional dipolo

La relación matemática entre la ganancia de una antena expresada en dBd es 2.16dB menos que una antena expresada en dBi, es decir, la relación queda así:

En una antena de microondas, la ganancia esta relacionada con el area de apertura de la antena y su frecuencia, esta puede ser expresada de la siguiente forma:

Donde:

• n: Eficiencia de apertura de la antena
• Aa: Area de apertura de la antena
• λ: Longitud de onda de la señal

Normalmente la eficiencia de una antena parabolica va en el rando de los 50% y 60%, si asumimos una eficiencia del 55% obtendremos una formula muy útil para los planificadores de radioenlaces cuando se desconoce la ganancia de la antena:

Donde:

• d: Diametro de la antena (metros)
• f: Frecuencia de operación (Gigahertz)

3.3.2. Lóbulos laterales

Las antenas de microondas son diseñadas para ser directivas. La máxima radiación es por lo tanto en la dirección de propagación. En la práctica, es imposible concentrar toda la energía en una sola dirección. Parte de la energía se propaga a los lados y detrás de la antena. El lóbulo principal es el que se encuentra al centro y de frente de la antena. Los lóbulos secundarios son de menor amplitud y se encuentran alrededor de la antena.

Figura 3.6. Lobulos de una antena parabólica de microondas

3.3.3. Relación Front to Back (F/B)

Se define como la relación de la ganancia en la dirección deseada entre la ganancia en la dirección opuesta detrás de la antena. Esto se expresa en decibeles. Es muy importante en los sistemas microondas de redes troncales tener una buena relación F/B para el re-uso de frecuencias. Relaciones superiores a los 70 dB pueden ser requeridas en el diseño.

Figura 3.7. Relación Front to Back

3.3.4. Ancho del haz

El ancho del haz es una indicación de cuan angosto es el lóbulo principal. El ancho de haz a media potencia es el ancho del lóbulo principal en la mitad de la intensidad de la potencia (es decir, 3 dB por debajo de la ganancia del lobulo principal). Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, más estrecho será el ancho del haz, como se muestra en la Figura 3.8. La razón tiene que ver con la definición de ganancia de antena. Recuerde que a medida que aumenta la ganancia en una dirección, los lóbulos laterales disminuyen en otra.

Figura 3.8 Ancho de haz de antenas parabólicas

El ancho de haz de la antena generalmente disminuye al aumentar el tamaño del reflector. Las antenas de alta ganancia no solo mejoran la el margen de desvanecimiento de un enlace de radio, sino  también reduce la interferencia de las señales fuera de la vista.

Hay que tener cuidado con las antenas de muy alta ganancia pues la estabilidad de las torres es un factor critico al sostener estas antenas de gran tamaño y peso, la fuerza del viento podría generar desvanecimientos por desapuntamiento de la antena.

3.3.5. Polarización

La polarización de la señal es determina por su alimentador o feeder (Horn feed). Los radioenlaces deben transmitir y recibir en la misma polarización. Si una señal es recibida en la polarización opuesta, la mayor parte de la señal será atenuada debido a la discriminación por cros-polarización (XPD). Se suele usar antenas con doble polarización para incrementar la capacidad del sistema, para lograr esto se hace uso de alimentadores con polarización dual, esto solo es posible en antenas parabólicas sólidas.

Figura 3.9. Antenas de Doble Polarización

3.3.6. Patrón de radiación

El patrón configurado por una antena tiene un aspecto tridimensional. Normalmente se necesita conocer la forma y amplitud de los distintos lóbulos. Esto se hace trazando la señal alrededor de 360 grados en ambos planos. En el caso de las antenas VHF y UHF, esto generalmente se hace como un gráfico polar. Para las antenas de microondas, la gráfica se aplana en una gráfica de envolturas de patrón de radiación (RPE), que indica la envolvente de los lóbulos de -180 grados a +180 grados sobre una base lineal.

Figura 3.10. Patrón de radiación de una antena.

3.3.7. VSWR

Una antena presenta una impedancia compleja en el feeder y en el cable alimentador, en una situación ideal, toda la potencia del módulo transmisor se transferiría al cable de alimentación y a la antena para transmitirla en el trayecto. Sin embargo, en la práctica, hay una falta de adaptación en la salida del transmisor o en cualquier sección dañada del alimentador, por ejemplo, una curva cerrada, y en la interfaz de la antena. La potencia reflejada, por lo tanto, retorna por el cable hacia el transmisor. También puede ocurrir una falta de adaptación entre la antena y el cable, y por lo tanto, se refleja nuevamente en el cable y se configura una onda estacionaria. Este desajuste se califica en términos de una relación de onda estacionaria de voltaje (ROE o VSWR), como se muestra en la Figura 3.11.

Figura 3.11. Desadaptación de impedancias que genera ondas estacionarias reflejadas

En la práctica, si hay un VSWR deficiente, uno debe verificar si el alimentador está dañado, por ejemplo, en la guía de ondas, uno debe asegurarse de que no se haya excedido el radio de curvatura máximo, y que el conector del alimentador y de la antena se haya realizado correctamente. El VSWR (o ROE) se puede expresar como:

El valor de VSWR siempre será mayor a la unidad y el mejor VSWR es un valor que se acerca a la unidad. En la práctica, un buen valor resultará alrededor de 1.2. Se puede definir un coeficiente de reflexión (ρ) que exprese la relación entre las ondas reflejadas e incidentes.

La forma más conveniente de expresar esta falta de coincidencia es la pérdida de retorno (RL, Return Loss), que es la diferencia de decibelios entre la potencia incidente en la desadaptación y la potencia reflejada desde la desadaptación. La RL en decibelios se expresa en términos del coeficiente de reflexión:

Cuanto mayor sea el valor de la RL, mejor. Normalmente, esta cifra debería ser mayor a 20 dB para los sistemas de radio de microondas. Para lograr esto, los componentes individuales deben superar los 25 dB.

3.3.8. Campo Lejano y Campo cercano

Los patrones de antena solo están completamente establecidos a cierta distancia de la antena, esta distancia es el campo lejano, es aqui donde la física geométrica se puede usar para predecir las intensidades de campo. Conceptos tales como ganancia de antena y pérdida de espacio libre se definen en el campo lejano. La intensidad de la señal en el campo cercano no se define tan fácilmente porque tiene un patrón oscilatorio. La distancia de campo lejano se define como:

Donde:

• CL: Distancia de Campo Lejano
• D: Diametro de la antena
• λ: Longitud de Onda en Metros

En el primer 40% del campo cercano, el efecto no es tan drástico, pero una vez que se excede esta distancia, la respuesta es oscilatoria; por lo tanto, es extremadamente difícil predecir cuál es la ganancia de la antena.

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Fuente: Capítulo III: Características de antenas de microondas (telectronika.com)