No hay diferencia
teórica entre las antenas de microondas y las que se utilizan para frecuencias
menores. Las diferencias son prácticas: a frecuencias de microondas es posible
construir elaboradas antenas de ganancia alta de tamaño físico razonable. Por supuesto,
también son posibles los dipolos, Yagis y antenas log-periódicas, pero en esta
sección se examinan las antenas cuya construcción sería impráctica a
frecuencias menores.
En el capítulo 16
se describió el reflector parabólico. Aunque en ocasiones se usa a bajas
frecuencias (para radiotelescopios, por ejemplo, su uso es más común a
frecuencias de microondas. El plato parabólico en realidad no es una antena: es
un reflector y necesita una antena para proveerlo con una señal. La antena de
alimentación más común para uso con un plato parabólico es la bocina, descrita
a continuación.
Antena de bocina
Las antenas de bocina, como la que se
ilustra en la figura 17.43, pueden considerarse como transformadores de
impedancia que adoptan las impedancias de las guías de ondas con las del
espacio libre. Los ejemplos de la figura representan los tipos más comunes. Las
bocinas sectoriales de plano E y H reciben el nombre por el plano en el que se
ensancha; la bocina piramidal se ensancha en ambos planos. La bocina cónica es
la más apropiada con la guía de ondas circular.
La ganancia y directividad de las
antenas de bocina dependen del tipo de bocina y sus dimensiones. Examinemos la
bocina piramidal, ya que es el tipo más común. Su ganancia es proporcional a
las dimensiones de la apertura, mostradas en el diagrama como dE (para
el plano E) y dH (para el plano H). El
ángulo de abertura está limitado por consideraciones de adaptación de
impedancia, así que la ganancia alta requiere una bocina larga y grande. La
ecuación para la ganancia es
La apertura de haz es diferente en las dos
direcciones. En el plano H éste es
donde θH = apertura de haz
en el plano H en grados
λ = longitud de onda
dH = apertura de
plano H
y en el plano E la apertura de haz
es
donde θH = apertura
de haz en el plano E en grados
λ = longitud de onda
dE = apertura de
plano E
Para bocinas prácticas, la ganancia
suele estar en la vecindad de 20 dBi con una apertura de haz de alrededor de
25°. La apertura de haz es casi la misma que la de la guía de ondas asociada.
Es decir, funciona en un margen de frecuencia de aproximadamente 2:1.
Antena de parche
Esta antena consta de un parche
metálico delgado colocado a una pequeña fracción de una longitud de onda arriba
de un plano conductor de tierra. El parche y el plano de tierra están separados
por un dieléctrico. Generalmente, se utiliza un trozo de placa de
circuitoPágina 654 | Inicio del artículoimpreso bilateral
(con la cubierta de cobre en un lado para el plano de tierra y el parche
fotograbado en el otro). Para mejores resultados debe utilizarse un material de
placa de circuito de baja pérdida. Las antenas de parche son de bajo costo,
compactas a frecuencias de UHF y microondas y tienen una ganancia del orden de
6 dBi.
El parche conductor puede tener
cualquier forma, pero son más comunes la configuraciones geométricas simples;
esto simplifica el diseño y análisis de la antena. La mayor parte de la
radiación es en la dirección perpendicular al plano de la antena y en el lado
del parche de la antena. El plano de tierra impide que el parche irradie mucho
en la dirección opuesta.
El parche rectangular de media onda
es la antena de microcinta que más se utiliza. Se caracteriza por su longitud
L, ancho W y espesor d, como se muestra en la
figura 17.44. La longitud es casi igual a media longitud de onda en el
dieléctrico; el ancho no es de importancia crítica pero por lo regular la
antena se construye cuadrada. La radiación proviene de campos marginales
(fringing field) entre el parche y el plano de tierra. Éste funciona mejor con
un sustrato relativamente grueso (algunos milímetros) con una per-mitividad
relativa bastante baja, comúnmente entre 1 y 4.
parche
La antena de parche puede alimentarse
por medio de un cable coaxial. El conductor interno de la línea coaxial (a
veces conocido como sonda) se conecta a un parche radiante en tanto
que el conductor externo se conecta al plano de tierra. Si se mueve el punto de
conexión, se obtiene una adaptación de impedancia para el cable utilizado: la
impedancia es alta en el borde (varios cientos de ohms), descendiendo a cero en
el centro. En otro método de alimentación se utiliza una línea de microcinta,
fotograbada en el mismo sustrato utilizado para la antena y conectada a su
borde.
Otras antenas de
microondas
Hay muchos otros tipos de antenas de
uso común. A continuación se da una breve introducción para algunas de ellas.
En la figura 17.45 se muestra una
antena de ranura (Slotantenna), la cual en realidad es una guía de ondas con un
agujero. Generalmente la longitud de la ranura es media longitud de onda. Su
patrón de radiación es similar al de un dipolo con un reflector plano detrás.
Por consiguiente, tiene mucha menos ganancia que, por ejemplo, una antena de
bocina. Pocas veces se utiliza una sola, pero normalmente se combina con muchas
otras ranuras para conformar un arreglo en fase. En el capítulo 16 se
estudiaron los arreglos en fase con varios elementos; a frecuencias de
microondas, es posible utilizar una gran cantidad de antenas de ranura para
formar una haz estrecho de ganancia alta cuya dirección pueda cambiarse
electrónicamente al cambiar la fase de la señales para cada uno de los
elementos. Esta clase de antenas son útiles en particular para radar
aerotransportado. En este caso, las ranuras se rellenarían con un material
dieléctrico para presentar una superficie lisa al aire. Los aviones grandes en
realidad tienen varios arreglos de ranuras, para las comunicaciones así como
para el radar.
Por supuesto, los arreglos en fase
también pueden construirse de elementos de antena más comunes, como los
dipolos. En ocasiones los dipolos se ensamblan de manera un poco fuera de lo
común, depositándolos sobre una placa de circuito impreso en la forma de una
antena de línea de cinta.
Así como a la propiedad óptica de
reflexión se le da buen uso en las antenas de microondas, también puede dársele
a la refracción. A frecuencias de microondas, es práctico construir una lente
para ondas de radio. La lente no tiene que ser transparente desde el punto de
vista óptico, sino que debe estar hecha de un buen dieléctrico, el teflón es un
material de uso común. Para reducir el tamaño físico de la lente, generalmente
se elige la lente de Fresnel (vea la figura 17.46). La lente,
como el plato parabólico, en realidad no es una antena; debe alimentarla un
elemento radiante como una antena de bocina. Una aplicación común de la lente
dieléctrica es en los sistemas de radar de la policía.
Antenas sectorizadas. Son antenas que su
ancho de haz en el plano horizontal pueden tener 30, 60, 90 o 120º y en el
plano vertical entre unos 8 y 15º. Se utilizan cuando la "central" o
base se encuentra en un costado respecto de los abonados o bien cuando se
"arma" un lóbulo omnidireccional con 3 o más sectorizadas (p.e. 3 x
120º) Poseen la ventaja fundamental de poder colocarse levemente inclinadas
hacia abajo, con lo que el lóbulo de radiación cubre también a los abonados
cercanos. Si bien la señal del transmisor se reparte entre todas, cada una de
ellas tiene mayor ganancia que una omni (entre 11 y 19 dBi)
La antena parabólica es un tipo de
antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico, cuya superficie
en realidad es un paraboloide de revolución. Las antenas parabólicas pueden ser
transmisoras, receptoras o full dúplex, llamadas así cuando pueden trasmitir y
recibir simultáneamente. Suelen ser utilizadas a frecuencias altas y tienen una
ganancia elevada.
En las antenas satelitales
transmisoras, la así llamada parábola refleja las ondas electromagnéticas
generadas por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del
paraboloide. Los frentes de onda inicialmente esféricos que emite ese
dispositivo se convierten en frentes de onda planos al reflejarse en dicha
superficie, produciendo ondas más coherentes que otro tipo de antenas.
En las antenas receptoras el
reflector parabólico se encarga de concentrar en su foco, donde se encuentra un
detector, los rayos paralelos de las ondas incidentes.
Imágenes de diferentes tipos de antenas Utilizadas en Telefonía Celular:
