Antenas no parabólicas

Una antena Yagi (a veces llamada por su nombre completo Yagi-Uda en honor a sus inventores) se basa en una matriz de dipolos. Solo un dipolo está conectado a una fuente de energía, que se llama elemento impulsado; los otros son elementos parásitos y consisten en un elemento reflector colocado detrás del dipolo y de mayor longitud que el resto de la antena y las barras pasivas del director colocadas paralelas entre sí a intervalos muy específicos irradian de nuevo la energía y crean ganancia. Esto se muestra en la imagen, las barras se colocan con una separación de un cuarto de longitud de onda de modo que la fase de estas señales adicionales sea aditiva en la dirección de avance. El espaciado de la varilla se establece por la banda de frecuencia de la antena, y cuantos más directores tenga, más largo será y mayor será la ganancia. La ganancia puede estimarse multiplicando el número de dipolos del director por 1,66.

Las antenas Yagi son populares para las bandas de frecuencias de microondas más bajas, ya que tienen suficiente ganancia para un enlace funcional, pero tienen una carga de torre muy baja en comparación con las placas parabólicas. Por ejemplo, una antena de 1,5 m de longitud tendría una ganancia de alrededor de 16 dB. A menudo están envueltos para ofrecer protección contra el daño físico. Una antena reflectora de esquina es efectivamente dos yagis colocados en forma de V para mejorar la ganancia. Otra antena no parabólica es la antena de placa plana. Por lo general, funcionan en una matriz de fases usando componentes electrónicos de estado sólido para dar forma al haz. Estas antenas son particularmente útiles para montar contra un edificio, para reducir el impacto visual. Lograr una buena relación de frente a fondo es un desafío (por ejemplo, es de alrededor de 30 dB para un panel de 50 cm × 50 cm a 1,4 GHz), pero la ganancia es adecuada teniendo en cuenta el tamaño físico. Por ejemplo, a 1,4 GHz, se pueden obtener 17 dBi con un panel de 50 cm × 50 cm, más o menos equivalente a un plato parabólico de tamaño similar. Técnicamente hablando, es posible producir antenas de panel plano en las bandas milimétricas. Al igual que con todos los productos electrónicos de estado sólido, la oportunidad de precios bajos es el volumen. A menos que exista una gran demanda de la antena, para reducir los precios, seguirá siendo menos competitiva que los platos parabólicos y se utilizará principalmente para cumplir aplicaciones de enlaces específicos donde las dimensiones de la antena física son un beneficio.

Antenas parabólicas

La mayoría de las antenas de microondas se basan en un reflector parabólico. Las antenas parabólicas funcionan según el principio de que la alimentación de la bocina se coloca en el punto focal, de modo que la señal reflejada desde el elemento reflector está en fase.

a. Antena de rejilla

Las antenas de red se pueden usar a frecuencias de microondas más bajas, por debajo de aproximadamente 2,5 GHz. La ventaja de las antenas de red es que tienen una carga de viento significativamente menor en la torre. Desde un punto de vista eléctrico, tiene los mismos parámetros de antena que un plato sólido: se puede usar exactamente el mismo hornfeed. La longitud de onda es tal que los «espacios» entre las cuadrículas no son necesarios. Eléctricamente no hay diferencia entre un reflector sólido y un reflector de rejilla. En la práctica, el reflector de rejilla tiene una relación F / B ligeramente peor debido a la difracción alrededor de los elementos de la rejilla. Una limitación de las grillas es que no pueden soportar más de una polarización. Las barras del reflector polarizan naturalmente la señal en la dirección en que se encuentran las barras. Esto da como resultado una muy buena discriminación cruzada polar. Las antenas de red tienden a ser significativamente más económicas que las antenas sólidas. Los cuernos son una construcción más simple y la cantidad de material utilizado para el reflector es menor. Los costos de transporte, que constituyen una parte importante del costo de una antena, también se reducen debido a que se pueden enviar en una forma desmontada

b. Parabólico sólido

En las antenas parabólicas solidas podemos encontrar dos tipos: antenas estándar, antenas de plano focal y antenas de alto rendimiento o High Performance.

Antena estándar: Las antenas parabólicas estándar generalmente están construidas de aluminio. Se fabrican presionando una lámina de aluminio alrededor de un mandril giratorio con forma de parábola. Los propios reflectores no dependen de la frecuencia, pero cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la perfección de la superficie requerida. En la práctica, los reflectores se especifican por banda de frecuencia. Esta antena tiene parámetros estándar de ganancia, relación F / B, ancho de haz y RL. Si se desea una mejora en estos parámetros, se deben realizar ciertos cambios en la antena.

Antena del plano focal: Para mejorar la supresión del lóbulo lateral y la relación F / B, la antena del plano focal extiende la parábola del reflector al plano del foco. Esto significa que el área de apertura aumenta. En lugar de aumentar el área iluminada, lo que daría como resultado un aumento en la ganancia, se ilumina la misma área, lo que reduce el derrame que produce lóbulos laterales y lóbulos posteriores. En la práctica, la ganancia se reduce debido a la eficiencia de iluminación de la antena. Para mejorar aún más la relación F / B, la antena tiene una geometría de borde especial. El plato está construido con un borde serrado. Esto rompe las corrientes de Foucault, cancelando los componentes de adición de fase, reduciendo así la radiación detrás del plato. Este tipo de plato ofrece al menos una mejora de 10 dB en la relación F / B en comparación con una antena estándar, con una reducción muy leve en la ganancia (significativamente inferior a 1 dB). El principio de una antena de plano focal.

Antena de alto rendimiento: Cuando se requiere una muy buena relación F / B con una excelente supresión de lóbulos laterales, se requieren antenas de alto rendimiento, muy alto rendimiento y de ultra alto rendimiento. Estas antenas usan una cubierta alrededor del borde del plato para eliminar la radiación de los lados y la parte posterior de la antena. Estos obenques están cubiertos de material altamente absorbente que absorbe la energía de radio del microondas. En el caso de las antenas de ultra alto rendimiento, el cuerno en sí mismo también está cubierto con este material para eliminar la dispersión de él. Esto da como resultado una ganancia ligeramente menor debido a que parte de la energía directa también se absorbe. También se emplean alimentaciones especiales para este tipo de plato. Los RPE se especifican para cada lado de la antena ya que el hornfeed no es simétrico, y por lo tanto el patrón varía ligeramente para cada lado. Las antenas de alto rendimiento son significativamente más caras que las antenas estándar, pero generalmente son obligatorias si se requiere la reutilización de frecuencias.

Antenas Split-fit: Para los sistemas de radio donde la unidad de RF de antena se monta en el exterior, la antena a menudo se monta directamente en la unidad de RF. Esto elimina la necesidad de una conexión de guía de onda, reduciendo significativamente las pérdidas totales. Esta conexión es patentada porque está desarrollada por un diseño conjunto entre los fabricantes de radio y antena.

Radomes

Las cubiertas especiales para antenas llamadas radomes están disponibles para proteger el cuerno y reducir la carga de viento en la torre. Estos radomes varían en su construcción dependiendo del tipo de antena. Para platos parabólicos estándar, los radomes son generalmente una forma cónica construida de fibra de vidrio. El radom debe ser construido de tal manera que su pérdida de inserción se minimiza. Para antenas envueltas, generalmente se emplea un radom de tela que cubre la abertura del plato. Mientras que los platos parabólicos sin cubierta se pueden usar con o sin radom , la construcción envuelta tiene una carga de viento tan severa que los radomes son obligatorios. Estos radomes planar deben tener un perfil lateral inclinado hacia adelante para que las gotas de agua no puedan residir en el radom. Los obenques de alto rendimiento tienen la forma correspondiente. Un radom puede reducir la carga de viento por un factor de tres. Las antenas con un diámetro de uno o dos tamaños más alto, con un radom, pueden presentar la misma carga de viento que la antena más pequeña sin radom. Por lo tanto, los radiadores son muy recomendables en cualquier instalación.

Alimentadores

El propósito de la línea de transmisión (alimentador) en este contexto es transferir la señal de RF desde el módulo de transmisión del equipo de radio al sistema de antena de la manera más eficiente. Para las configuraciones de equipos que tienen la unidad de RF en la parte posterior de la antena, el alimentador se usa para transportar la banda de base y las señales de IF más las señales de potencia y telemetría. Hay dos tipos principales de líneas de transmisión utilizadas en los sistemas de microondas: cables coaxiales y guías de onda.

Los cables coaxiales están construidos con un núcleo interno metálico con un material dieléctrico que separa el conductor metálico externo. El cable está cubierto con una chaqueta de plástico para protección. El material dieléctrico suele ser aire o espuma, en la práctica. Los cables son bastante robustos y, por lo tanto, fáciles de instalar. Diferentes chaquetas de cables están disponibles para uso en interiores y exteriores. Para aplicaciones en interiores, los cables se verifican en cuanto a resistencia al fuego y emisiones gaseosas. Para aplicaciones en exteriores, la resistencia UV de la chaqueta es el factor clave. El núcleo central del conductor es invariablemente de cobre para garantizar una alta conductividad. El cable externo tiene una mayor área de superficie y, por lo tanto, la conductividad no es tan crítica. También se usa alambre de acero recubierto de cobre o aluminio plateado. El conductor externo a menudo toma la forma de alambre trenzado para mejorar la flexibilidad; sin embargo, un conductor sólido tiene un rendimiento de producto de intermodulación (IMP) muy superior. En este caso, generalmente se emplea una superficie anular para garantizar la flexibilidad.

La pérdida de cable es una función del área de la sección transversal; por lo tanto, cuanto más grueso es el cable, menor es la pérdida. Obviamente, la desventaja de los cables más gruesos es la flexibilidad reducida y el costo incrementado. La pérdida de cable se cotiza en decibelios por 100m. Los cables dieléctricos de aire ofrecen una solución de baja pérdida, pero tienen la complejidad añadida de la presurización para evitar la entrada de humedad.

A medida que aumenta la frecuencia de operación, la resistencia del conductor aumenta, lo que resulta en pérdida de potencia debido al calentamiento. Cualquier corriente alterna no tiene una densidad de corriente uniforme. La densidad de corriente tiende a ser mayor en la superficie del conductor, que es un fenómeno conocido como el efecto de la piel. En las frecuencias de gigahertz, este cambio en la resistencia puede ser grande. La pérdida de conductor por 100 m aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Otra razón por la cual la pérdida aumenta a medida que aumenta la frecuencia es que la pérdida de radiación de un conductor aumenta con la frecuencia a la potencia de 4 (f 4). La energía de RF viaja por el conductor como una onda EM con el conductor interno y el conductor externo acoplando los campos de tal manera que se propaga la señal. A medida que aumenta la frecuencia, se introducen nuevos modos de acoplamiento que interfieren con la señal. Este efecto junto con la pérdida de alta inserción limita la utilidad de un conductor coaxial por debajo de unos 3 GHz para la mayoría de las aplicaciones. Cuando se requieren longitudes de cable de RF muy cortas, por ejemplo, para conectar la unidad de RF exterior a la antena en configuraciones de radio de unidad dividida, se pueden usar cables coaxiales especiales en bandas de frecuencia de hasta 23 GHz.

Para aplicaciones donde hay una configuración de radio de unidad dividida o split, el cable se usa para transportar banda base, IF, telemetría y alimentación de CC. Las características de atenuación generalmente limitan la longitud del cable a aproximadamente 150 m para un cable de tipo RG-6. Esta longitud se puede duplicar para un cable de tipo RG-11. Los cables coaxiales están disponibles en 50 ohm o 75 ohm.

El estándar habitual es usar 50 ohm para aplicaciones de RF y 75 ohm para aplicaciones IF. Tradicionalmente, esto es para acomodar el hecho de que los cables IF tienen tendidos de cables más largos. En cables coaxiales con 75 ohm la impedancia característica tiene un valor de atenuación inferior a 50 ohm. Los cables de RF tienden a llevar una señal de potencia más alta, de ahí la elección de 50 ohm. La impedancia de salida del equipo de radio, los conectores del cable y el cable en sí deben coincidir para garantizar una buena transferencia de potencia y una baja distorsión de la señal. El conector en sí no tiene una impedancia característica a menos que se haya insertado una sección dieléctrica en el cuerpo del conector. Es necesario verificar que las dimensiones de los pines coincidan, ya que los conectores tradicionales tienen diferentes tamaños de pines para los diferentes conectores de impedancia.

b. Guía de onda

La energía de microondas puede guiarse en un tubo metálico, llamado guía de ondas, con una atenuación muy baja. Los campos eléctricos y magnéticos están contenidos en la guía y, por lo tanto, no hay pérdida de radiación. Además, dado que el dieléctrico es aire, las pérdidas dieléctricas son despreciablemente pequeñas. Una guía de ondas solo funcionará entre dos frecuencias límite, llamada frecuencia de corte. Estas frecuencias dependen de la geometría de la guía de ondas en comparación con la longitud de onda de operación. Las guías de onda deben elegirse dentro de la banda de frecuencias que admite el modo de propagación deseado. Recuerde que una onda no guiada que viaja a través del espacio libre viaja como un frente de onda TEM. En una guía de onda rectangular guiada, las ondas planas se reflejan de pared a pared, lo que da como resultado que un componente del campo eléctrico o magnético esté en la dirección del frente de onda y que otro componente esté paralelo a él. Por lo tanto, ya no viaja como una onda TEM.

Debido a las complejas configuraciones de campo y la fuerte dependencia de la forma de la guía de onda, las instalaciones deben realizarse con el mayor cuidado. Las guías de onda tienen una limitación para doblarse en ambos planos. La guía de onda no debe torcerse porque esto produce una distorsión de retardo de grupo no cuantificable.

La guía de onda más común utilizada en una instalación de radio de microondas es la guía de onda elíptica. Esta tiene paredes de cobre corrugado con una funda de plástico para protección. Las ondulaciones dan como resultado un cable fuerte con capacidad de doblado limitada. La limitación de la flexión se especifica en términos de un radio de curvatura en el plano E y el plano H. Se permite un radio de curvatura mucho más pequeño en el plano E; por lo tanto, se debe utilizar esto al planificar una instalación de guía de onda. Aunque se especifica una tolerancia máxima de torsión, deben evitarse las torsiones al planificar una instalación. Un cambio en el plano de E a H se puede lograr fácilmente dentro de unos pocos metros sin torcer la guía de onda doblando la guía de onda dentro del radio de curvatura especificado de cada plano E y H, respectivamente. La longitud efectiva utilizable de la guía de ondas está determinada por la pérdida de la guía de ondas. La pérdida de la guía de onda se especifica en decibelios por 100 m y aumenta significativamente a medida que aumenta la frecuencia. Por encima de 10 GHz, la pérdida se vuelve excesiva y los fabricantes de radio a menudo ofrecen la opción de una conexión de banda base o IF a una unidad de RF exterior montada en la torre para evitar largos recorridos de guía de onda con pérdidas.

Accesorios del sistema de antena

Presurizadores

Para evitar el ingreso de humedad en un alimentador dieléctrico de aire, debe presurizarse. Las variaciones diarias de temperatura dan como resultado un volumen variable de aire dentro del alimentador. Durante el enfriamiento nocturno, el aire húmedo y cálido puede penetrar en el alimentador, lo que produce humedad en las paredes del alimentador que puede provocar una oxidación no deseada. El aire seco o un gas inerte como el nitrógeno se usa con una presión de unos 10 mbar para evitar la entrada de humedad. Se debe insertar una ventana de presión entre las secciones presurizadas y no presurizadas del alimentador, que generalmente se encuentra en la brida de la radio después de la derivación. La unidad del presurizador debe dimensionarse de acuerdo con la longitud total del alimentador que se debe presurizar. Los presurizadores de aire seco a menudo se llaman deshidratadores. Los tipos convencionales fuerzan el aire húmedo a través de un desecante, que absorbe la humedad. Los tipos más recientes utilizan una membrana para separar la humedad.

Fontanería

Las conexiones de la guía de onda en la radio y la antena se pueden simplificar utilizando una combinación de secciones rectas, giros y curvas rígidas. Estos deben planificarse cuidadosamente midiendo la altura de la entrada de la guía de ondas en relación con el puerto de la guía de ondas en el equipo y teniendo en cuenta la polarización de la antena.

Kits de tierra

Es importante no permitir sobretensiones inducidas en la sala de equipos a través del cable de alimentación. Por lo tanto, el cable debe estar correctamente conectado a tierra. Hay disponibles kits de puesta a tierra que proporcionan un buen contacto entre la guía de onda y la correa de tierra. Al instalarlos, es importante sellar la unidad para que no se permita la humedad en la conexión. Se debe buscar el camino más corto y recto entre el kit de conexión a tierra y el punto de la Tierra. Para los cables coaxiales, hay pararrayos en línea que usan tubos supresores de gas para absorber las sobretensiones. Un problema con estos tubos es que a menudo se pueden descargar sin que el usuario se dé cuenta de que el tubo está fundido. Por lo tanto, se requieren pruebas regulares.

Abrazaderas de cable

Los cables en una torre están sujetos a fuertes esfuerzos y tensiones debido a la vibración de las fuerzas del viento. Es muy importante que estén bien sujetos a la escalera de la guía de onda. En el caso de la guía de onda, también es importante soportar el peso del cable; de lo contrario, las corrugaciones del alimentador en la base de la torre pueden comenzar a agruparse. Normalmente se recomienda que las abrazaderas se coloquen a no más de 1 m de separación. La abrazadera tampoco debe cortar o distorsionar el alimentador. Las bridas de plástico se vuelven frágiles muy rápidamente debido a la radiación ultravioleta (UV) del sol. Por lo tanto, normalmente se requiere un material resistente a los rayos UV y libre de corrosión como el acero inoxidable.

Referencias

• https://www.youtube.com/channel/UCeuAWxMDU2FHWsy-Pr52UYQ
• Manning, T. (2009). Microwave radio transmission design guide. Boston: Artech House.