Bandas De Frecuencia

TIPOS DE ANTENAS Y SUS CARACTERISTICAS 

Que es un antena
Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores que, unido a un generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o que, conectado a una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente lejana para este fin existen diferentes tipos:

Características de las antenas:

Una antena es un dispositivo hecho para transmitir (radiar) y recibir ondas de radio (electromagnéticas). Existen varias características importantes de una antena que deben de ser consideradas al momento de elegir una específica para su aplicación:

• Patrón de radiación
• Ganancia
• Directividad
• Polarización

Patrones de Radiación:

El patrón de radiación de una antena se puede representar como una grafica tridimensional de la energía radiada vista desde fuera de esta. Los patrones de radiación usualmente se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimuth. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía radiada vista directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una representación tridimensional de como es realmente radiada la energía desde la antena.

Ganancia:
La ganancia de una antena es la relación entre la potencia que entra en una antena y la potencia que sale de esta. Esta ganancia es comúnmente referida en dBi's, y se refiere a la comparación de cuanta energía sale de la antena en cuestión, comparada con la que saldría de una antena isotrópica. Una antena isotrópica es aquella que cuenta con un patrón de radiación esférico perfecto y una ganancia lineal unitaria.

Directividad:
La directividad de la antena es una medida de la concentración de la potencia radiada en una dirección particular. Se puede entender también como la habilidad de la antena para direccionar la energía radiada en una dirección especifica. Es usualmente una relación de intensidad de radiación en una dirección particular en comparación a la intensidad promedio isotrópica.

Polarización:
Es la orientación de las ondas electromagnéticas al salir de la antena. Hay dos tipos básicos de polarización que aplican a las antenas, como son: Lineal (incluye vertical, horizontal y oblicua) y circular (que incluye circular derecha, circular izquierda, elíptica derecha, y elíptica izquierda). No olvide que tomar en cuenta la polaridad de la antena es muy importante si se quiere obtener el máximo rendimiento de esta. La antena transmisora debe de tener la misma polaridad de la antena receptora para máximo rendimiento.

Tipos de antenas

Antena Colectiva:    Antena receptora que, mediante la conveniente amplificación y el uso de distribuidores,  permite su utilización por diversos usuarios

Antena de Cuadro:    Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría

Antena de Reflector o Parabólica:    Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.

Antena Lineal:  La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición vertical.

Antena Multibanda:    La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias

Dipolo de Media Onda:    El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo de 2 MHz, la longitud física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena de Hertz. Una antena de Hertz es una antena resonante. O Sea, es un múltiplo de un cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante.

La figura anterior podemos observar las distribuciones de corriente y voltaje ideales a lo largo de un dipolo de media onda. Cada polo de la antena se ve como una sección abierta de un cuarto de longitud de onda de una linea de transmisión. Por lo tanto en los extremos hay un máximo voltaje y un mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de alimentación esta en el centro de la antena, la impedancia de entrada es E_minimo / I_maximo y un valor mínimo. La impedancia en los extremos de la antena de E_{maximo /} I_minimo y un valor máximo.

La figura siguiente muestra la curva de impedancia para un dipolo de media onda alimentado en el centro.  

La impedancia varia de un valor máximo en los extremos de aproximadamente 2500 W a un valor mínimo en el punto de alimentación de aproximadamente 73 W (de los cuales entre 68 y 70 W es la impedancia de radiación).
    El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la localización horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie de la tierra.
    La figura siguiente muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo de media onda montado verticalmente. Observese que los dos lóbulos principales que irradian en direcciones opuestas están en ángulo derecho a la antena, los lóbulos no son círculos, se obtienen solo en el caso ideal donde la corriente es constante a todo lo largo de la antena, y esto es inalcanzable en una antena real.

Antena Yagi:    Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. (figura siguiente)
    Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por: 

G = 10 log n   

Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de 0.15l , y entre el activo y el director es de 0.11l . Estas distancias de separación entre los elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí, bajando la ganancia.     Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho de banda angosto, ya que el elemento dipolar está cortado a una sola frecuencia que generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos de TV; es decir, del canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es posible cubrir varios canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razón se utiliza la denominada antena yagi de banda ancha, la cual puede cubrir varios canales a la vez aunque sacrificando la ganancia.
    En la figura siguiente se muestran los parámetros de diseño x y y, creando la relación x + y = l /4, la ganancia se acentúa alrededor de un solo canal, como se muestra:

Para considerar una antena yagi de banda ancha es necesario, entonces, hacer ajustes en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia óptima. Se recuerda que para un arreglo de antenas en las cuales todos los elementos van alimentados se obtiene mejor ganancia para el denominado "en linea". Como la antena yagi utiliza elementos alimentados y parasitos, es común aumentar el numero de elementos alimentados a 2 o 3; estos dipolos se cortan a la frecuencia media del ancho de banda; generalmente para los canales bajos de televisión da muy buen resultado. En la figura siguiente se proporciona las dimensiones para óptima ganancia de una antena yagi de tres elemento.

ANTENAS PRACTICAS

La elección de la antena a instalar en una situación determinada depende de un gran número de factores. Desde un simple alambre extendido entre las azoteas dos edificios vecinos hasta complejas estructuras sobre una torre giratoria, las configuraciones posibles son muy numerosas, y el aficionado debe escoger la que más se acomode a sus posibilidades y necesidades. En los edificios urbanos, donde frecuentemente el espacio es restringido, el trabajo en HF puede iniciarse con una antena vertical con algunos «radiales» como plano de tierra, que puede proporcionar buenos contactos, aunque las antenas de este tipo son susceptibles de captar más ruido eléctrico ambiental que los dipolos horizontales. En VHF y UHF, ha de ser generalmente factible hallar en un edificio un punto donde instalar una antena vertical eficaz o incluso una pequeña directiva con un rotor al extremo de un mástil. La antena dipolo de 1/2 onda. Desde el punto de vista eléctrico y considerando la fiabilidad de predicción de su comportamiento, la facilidad en procurarse los materiales necesarios y su economía, la antena dipolo de media onda alimentada por el centro es la opción que debería considerar en primer lugar el radioaficionado aprendiz. Una antena horizontal de media onda, despejada y elevada por lo menos un 1/4 de onda sobre cualquier obstáculo, proporciona buena cobertura para distancias cortas y medias y es capaz de dar alguna agradable sorpresa en distancias largas. La longitud total de una antena dipolo de hilo es algo menor que la correspondiente a la media onda en el aire debido al efecto puntas de los conductores (capacidad del hilo más los aisladores extremos). Así pues, una antena para la frecuencia de 21,175 MHz (centro del segmento de fonía para EC) debería tener unos 6,85 m. Un dipolo del mismo tipo para el segmento de CW de la banda de 40 metros (7,025 MHz) mide 20,64 m. Las medidas anteriores son válidas suponiendo que el diámetro del conductor empleado es muy reducido comparado con la longitud de la onda a radiar. Si el conductor de la antena es grueso se debe aplicar un factor de reducción. El diagrama de radiación vertical de un dipolo depende grandemente de su distancia al suelo y de las características de éste, lo cual explica en parte las enormes diferencias de comportamiento de antenas aparentemente iguales, situadas en lugares distintos.

La Antena Vertical de 1/4 de Onda

El más conocido dipolo asimétrico es la antena de cuarto de onda con plano de tierra artificial, conocida como ground plane. El plano de tierra se simula mediante varios «radiales» de un cuarto de onda extendidos por debajo del elemento radiante vertical y conectados a la malla del cable de alimentación. La práctica demuestra que en HF 30 o 40 radiales de un 1/4 de onda y separados del suelo proporcionan excelentes resultados. En VHF y UHF, donde por lo general las antenas verticales se instalan a cierta altura sobre el suelo, el número de radiales puede ser mucho más reducido. Con los radiales en ángulo recto respecto al elemento radiante, la impedancia de la antena es de 36 ohmios. A medida que los radiales forman un ángulo más obtuso respecto al elemento radiante, la impedancia del sistema aumenta. La antena vertical mínima debe tener un 1/4 de onda eléctrico, lo que no significa que tenga la longitud física de una cuarta parte de la longitud de la onda a transmitir. La longitud física de una antena autorresonante para las bandas de onda más larga -y especialmente en la banda de 160 metros-, puede ocasionar problemas mecánicos para su sustentación de modo que, en general, se la hace menor a la teórica de 1/4 de onda y aún funciona bastante bien. Las antenas verticales cortas se «alargan» artificialmente bien añadiéndoles una inductancia en la base o una capacidad en el extremo superior.

El Dipolo en V Invertida

Cuando el espacio disponible no permite extender el dipolo horizontalmente en toda su longitud, se puede adoptar la configuración de las antenas dipolo en V invertida, que son una buena solución y que presenta incluso algunas ventajas frente al dipolo horizontal. Esta antena se instala utilizando un solo mástil, que la sustenta por su centro o suspendida de una driza. Con un ángulo de 90º entre las ramas en el vértice, esta antena presenta un diagrama de radiación prácticamente omnidireccional, ángulos de salida bajos y una impedancia próxima a los 50 ohmios, que la hace apta para ser alimentada con cable coaxial.

Antenas para Espacios Reducidos

Para las bandas de 80 y 160 metros, en muchas ocasiones no es materialmente posible extender un dipolo de media onda. Es preciso entonces, tratar de acomodar las ramas de la antena al espacio disponible, doblándolas en el plano horizontal o decidirse por una antena vertical. Combinando varios procedimientos es posible construir antenas cuya longitud física sea la mitad o aún menos de la que teóricamente le correspondería y aún así ser muy eficientes. No es infrecuente, por ejemplo, ver antenas dipolo rígidas para la banda de 40 metros cuya longitud total no supera los 10 m. Con todo, no hay que olvidar que cualquier reducción de tamaño de una antena comporta inevitablemente una reducción del ancho de banda útil, así como un descenso del rendimiento total debido, entre otras cosas, a las pérdidas acumuladas en los elementos añadidos.

Antenas Cortas con Inductancias

Uno de los procedimientos usuales para «alargar» eléctricamente las antenas comporta el uso de inductancias en sus ramas. El cálculo del valor y posición de esas inductancias es bastante complicado para hacerlo manualmente por lo que deben usarse programas de ordenador que lo resuelven con buena exactitud. No es válida la simplificación de acortar la antena simplemente arrollando el exceso de hilo sobre un soporte cualquiera formando una bobina; la inductancia necesaria de esa bobina depende de la posición que ocupe sobre el dipolo y de la longitud total de éste, así que sería sólo casualidad acertar con todas las variables.

Antenas Cortas con Cargas Lineales

Otro método de reducir la longitud física de las antenas, manteniendo la resonancia y ofreciendo una resistencia de radiación conveniente y bajas pérdidas, es el uso de las llamadas cargas lineales, consistentes en plegar sobre sí mismo parte del conductor de la antena; el cálculo de las dimensiones de esa configuración es muy complejo y debe realizarse con la ayuda de un programa de ordenador.

Antenas Cortas con Carga Capacitiva

Un tercer procedimiento para «alargar» artificialmente una antena es añadir capacidad al extremo de la misma. Esta capacidad está compuesta por lo general por una red de conductores (cruz, polígono, etc.) conectada al extremo del conductor que se quiere alargar eléctricamente. Un medio para añadir carga capacitiva a un mástil radiante vertical es utilizar una sección de los vientos superiores, que se conectan eléctricamente al vértice del mástil, formando las aristas de un polígono cónico. Si la reducción de longitud es considerable, una antena de ese tipo presenta una baja resistencia de radiación, que complica asimismo el problema de las pérdidas del sistema de tierra.

Antenas Dipolos Multibanda

Un dipolo resuena, además de en su frecuencia natural, a frecuencias múltiplos de aquella; a ciertas frecuencias, la impedancia en el punto de alimentación hace que la ROE resultante sea muy elevada. Es posible, sin embargo, hacer resonar una antena en varias bandas manteniendo su impedancia en valores próximos a la del cable coaxial haciendo uso de «trampas» de onda, que dividen eléctricamente la antena en varios tramos, cada uno de los cuales, añadido al anterior, hace resonar a la antena en una banda determinada. Las trampas de onda actuan prácticamente como un interruptor a su frecuencia, aislando las secciones subsiguientes de la antena. A una frecuencia inferior, la tranpa presenta reactancia inductiva, alargando así eléctricamente la rama. Es posible combinar los distintos valores de forma que la antena resuene en dos o más bandas con una impedancia adecuada para ser alimentada con cable coaxial. Una popular antena de ese tipo es el dipolo para dos bandas (típicamente para 80 y 40 metros) que desarrolló W3DZZ hace ya muchos años. En el número 180 (diciembre 1998) de CQ Radio Amateur y en su página 24 se incluye un excelente artículo de G. Murphy, VE3ERP, que ofrece varias antenas multibandas con trampas LC, ya resueltas. Otra popular antena multibanda es la desarrollada por John Varney, G5RV, de la cual se han desarrollado varias versiones, cortas y largas, que no es difícil de construir y debería ser ensayada por todo radioaficionado.

Antenas para VHF y UHF

Dada la menor longitud de onda de las señales de VHF y UHF, las dimensiones de las antenas básicas (dipolo, vertical con plano de tierra, etc.) son proporcionalmente menores y por ello mismo en esas bandas son posibles formaciones de mayor ganancia, con múltiples elementos, que resultarían inviables en las bandas decamétricas.

Antenas Verticales para V-UHF

Una sencilla antena vertical de 1/4 de onda con plano de tierra artificial puede proporcionar buenos resultados en un entorno urbano. Inclinando los radiales hacia abajo se logra rebajar el ángulo de radiación y elevar la impedancia hasta los 50 ohmios convenientes para alimentarla con cable coaxial. Combinando varias antenas verticales con sus elementos «en línea» se obtiene la antena denominada colineal, con la que se logran mayores prestaciones al concentrar la energía en un menor ángulo vertical, de forma que no se desperdicia energía hacia lo alto. Comercialmente se ofrecen antenas de este tipo que resultan prácticas y convenientes de instalar, tanto en situaciones fijas como sobre un vehículo. La comunicación en VHF o UHF a través de repetidores (analógicos o digitales) se efectúa exclusivamente en FM y utilizando polarización vertical, por lo que las antenas verticales omnidireccionales ofrecen una excelente solución para repetidores relativamente cercanos.

Antenas Direccionales para V-UHF

Cuando se desea incrementar el alcance de la estación en VHF o UHF es necesario optar por una antena direccional, fija o acoplada a un rotor. Dadas las dimensiones relativamente reducidas de estas antenas, incluso con múltiples elementos, es factible mejorar sustancialmente el alcance de un equipo sin necesidad de apelar a amplificadores utilizando antenas direccionales.

 

 OTROS TIPOS DE ANTENAS

 
 

Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres son:

• Antenas Dipolo
• Antenas Dipolo multi-elemento
• Antenas Yagi
• Antenas Panel Plano (Flat Panel)
• Antenas parabólicas (plato parabólico)

Antenas Dipolo:

Todas las antenas de dipolo tienen un patrón de radiación generalizado. Primero el patrón de elevación muestra que una antena de dipolo es mejor utilizada para transmitir y recibir desde el lado amplio de la antena. Es sensible a cualquier movimiento fuera de la posición perfectamente vertical. Se puede mover alrededor de 45 grados de la verticalidad antes que el desempeño de la antena se degrade más de la mitad. Otras antenas de dipolo pueden tener diferentes cantidades de variación vertical antes que sea notable la degradación.
Un ejemplo de patrón de elevación puede verse en la figura 1a. A partir del patrón de azimuth se ve que las antenas operan igualmente bien en 360 grados alrededor de la antena. Físicamente las antenas dipolo son cilíndricas por naturaleza, y pueden ser ahusadas o con formas especificas en el exterior para cumplir con especificaciones de medidas. Estas antenas son usualmente alimentadas a través de una entrada en la parte inferior, pero también pueden tener el conector en el centro de la misma.

Antenas Dipolo Multi-Elemento:

Las antenas multi-elemento tipo dipolo cuentan con algunas de las características generales del dipolo simple. Cuentan con un patrón de elevación y azimuth similar al de la antena dipolo simple. La diferencia más clara entre ambas es la direccionalidad de la antena en el plano de elevación, y el incremento en ganancia debido a la utilización de múltiples elementos. Con el uso de múltiples elementos en la construcción de la antena, esta puede ser configurada para diferentes ganancias, lo cual permite diseños con características físicas similares. Tal como se puede ver en el patrón de elevación de la fig. 2, múltiples antenas de dipolo son muy direccionales en el plano vertical. Debido a que la antena de dipolo radía igualmente bien en todas las direcciones del plano horizontal, es capaz de operar igualmente bien en configuración horizontal.

 

Antenas Yagi:

Estas se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el número de elementos directores) determina la ganancia y directividad. Las antenas Yagi no son tan direccionales como las antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.

Antenas Panel Plano (Flat Panel):

Las antenas de panel plano como su nombre lo dice son un panel con forma cuadrada o rectangular. y están configuradas en un formato tipo patch. Las antenas tipo Flat Panel son muy direccionales ya que la mayoría de su potencia radiada es una sola dirección ya sea en el plano horizontal o vertical. En el patrón de elevación (Fig. 4) y en el patrón de azimuth (Fig. 5) se puede ver la directividad de la antena Flat Panel. Las antenas Flat Panel pueden ser fabricadas en diferentes valores de ganancia de acuerdo a su construcción. Esto puede proveer excelente directividad y considerable ganancia.

Antenas Parabólicas:

Las antenas parabólicas usan características físicas así como antenas de elementos múltiples para alcanzar muy alta ganancia y direccionalidad. Estas antenas usan un plato reflector con la forma de una parábola para enfocar las ondas de radio recibidas por la antena a un punto focal. La parábola también funciona para capturar la energía radiada por la antena y enfocarla en un haz estrecho al transmitir. Como puede verse en la Figura 5, la antena parabólica es muy direccional. Al concentrar toda la potencia que llega a la antena y enfocarla en una sola dirección, este tipo de antena es capaz de proveer muy alta ganancia.

Antena de Ranura:

Las antenas de ranura cuentan con características de radiación muy similares a las de los dipolos, tales como los patrones de elevación y azimuth, pero su construcción consiste solo de una ranura estrecha en un plano. Así como las antenas microstrip mencionadas abajo, las antenas de ranura proveen poca ganancia, y no cuentan con alta direccionabilidad, como evidencían su patrones de radiación y su similiridad al de los dipolos. Su más atractiva característica es la fáicilidad de construcción e integración en diseños existentes, así como su bajo costo. Estos factores compensan por su desempeño poco eficiente.

Antenas Microstrip:

Estas antenas pueden ser hechas para emular cualqueira de los diferentes tipos de antenas antes mencionados. Las antenas microstrip ofrecen varios detalles que deben de ser considerados. Debido a que son manufacturadas con pistas en circuito impreso,

pueden ser muy pequeñas y livianas. Esto tiene como costo no poder manejar mucha potencia como es el caso de otras antenas, además están hechas para rangos de frecuencia muy especificos. En muchos casos, esta limitación de frecuencia de operación puede ser benéfico para el desempeño del radio. Debido a sus características las antenas microstrip no son muy adecuadas para equipos de comunicación de banda amplia.

Conclusión:
De esta introducción básica a las antenas, podemos obtener una comprensión simple de los tipos de antenas y aplicaciones de estas. Por ejemplo, las antenas dipolo aún cuando no proveen mucha ganancia ofrecen la mejor flexibilidad en cuanto a orientación de la antena. Las antenas flat panel ofrecen mayor direccionabilidad y son buena opción para instalaciones fijas. La antena parabolica con su alta ganancia y gran direccionabilidad son muy buenas para proveer enlaces punto a punto en largas distancias, con antenas instaladas permanentemente. Finalmente las antenas de ranura y las de microstrip son correctas para aplicaciones de desempeño moderado que necesitan integrar la antena dentro del radio y aplicaciones OEM. Adicionalmente es posible usar diferentes tipos de antena en el mismo sistema. Por ejemplo, se puede montar una antena flat panel en una pared cerca de un access point. Cuando una pieza de equipo con antena dipolo cerca del access point, el sistema podría actualizar estadísticas inmediatamente en el equipo. Para ayudar en la elección de la antena correcta para su aplicación, la tabla 1 se provee como un medio de comparación entre los diferentes tipos:

	Patrón de Radiación	Ganancia	Directividad	Polarización
Dipolo	Amplio	Baja	Baja	Lineal
Dipolo Multi-Elemento	Amplio	Baja/Media	Baja	Lineal
Panel Plano (Flat Panel)	Amplio	Media	Media/Alta	Lineal/Circular
Plato Parabólico	Amplio	Alta	Alta	Lineal/Circular
Yagi	Endfire	Media/Alta	Media/Alta	Lineal
Ranura	Amplio	Baja/Media	Baja/Media	Lineal
MicroStrip	Enfire	Media	Media	Lineal