Antenas

TEMA 1: DEFINICIÓN Y FUNDAMENTOS DE ANTENAS

1. Introducción y definición de antena. 2. Tipos de antenas y bandas de frecuencia de radio. 3. Fundamentos de radiación y de propagación. 4. Distribución de corriente y teorema de Poynting. 5. Potenciales retardados. 6. Radiación de un elemento de corriente 7. Campos radiados por una antena: condición de campo lejano.

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Definición deAntena

•

Una antena es un “dispositivo generalmente metálico capaz de radiar y recibir ondas de radio” que adapta la entrada/ salida del receptor/ transmisor al medio. Las propiedades de una buena antena son:
– Buen Rendimiento – Buena direccionalidad u omnidireccionalidad (dependiendo de la aplicación)

•

Medio Transmisor Antena Tx Antena Rx Receptor

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Bandas deFrecuencia de Radio

Analog and Digital Mobile Services

DBS: Direct Broadcasting Services

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Tipos de Antenas

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Según el “modo de radiación” se definen cuatro grupos de antenas:
– elementos de corriente (eléctrica o magnética), – antenas de onda progresiva, – arrays y – aperturas.
Frecuencia (Hz)

Aperturas Arrays Onda Progresiva Elementos 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G 100GAperturas Arrays Onda Progresiva Tamaño de antena en λ Elementos 0.01 0.1 1 10 100 1000

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Antenas Lineales (Elementos de Corriente y Onda Progresiva)

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Arrays

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Aperturas (Bocinas)

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Aperturas (Reflectores)

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Aperturas (Lentes)

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Ecuaciones de Maxwell
CAMPOS E: Intensidad de campo eléctrico H:Intensidad de campo magnético D: Inducción de campo eléctrico B: Inducción de campo magnético FUENTES ρ: Densidad de carga eléctrica J: Densidad de corriente Jc: D. de Corriente de Conducción MEDIO ε: Permitividad eléctrica µ: Permeabilidad magnética σ: Conductividad

! ∇ ⋅ J + jωρ = 0 ! ! D = εE ! ! B = µH ! ! J c = σE ! ! J c = σE

! ! ∇ × E = − jωB ! ! ! ∇ × H = jωD + J ! ∇⋅D = ρ ! ∇⋅B = 0Ley de Faraday Ley de Amper generalizada Ley de Gauss Continuidad de Flujo Magnético Ecuación de Continuidad Ecuaciones Constitutivas de la Materia

Permitividad Compleja en un medio con pérdidas

 σ    !  σ  ! !  ⇒ ε c = ε′ − jε′′ = ε1 − j  ωε    ∇ × H = jω ε + E + J ext   jω   
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Condiciones de contorno

Condiciones de contorno de Conductor Realσ≠∞

δ =1

πfµσ

Zs =

1+ j σδ

Condiciones de contorno de Conductor Perfecto.
σ=∞ Js
ˆ n

! E z − ! H ∝ e δ ! J z

J ˆ n H tan E tan

profundidad de penetración

! ! ˆ Js = n × H ! ˆ ρs = n ⋅ D ! ˆ n × E = 0 ⇒ E tan = 0 ! ! ˆ n ⋅ H = 0 ⇒ H nor = 0

! ! ˆ n × E = −Zs H tan ! ! ˆ n ⋅ H = 0 ⇒ H nor = 0

! E=0 ! H=0

H tan

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Distribución de Corriente
• • Esla función que define la forma que toma la corriente sobre la antena Está fijada por las condiciones de contorno de las E. Maxwell.
– En régimen permanente sinusoidal basta con aplicar: Et (sobre conductores)=0

L  I(z) = I 0 sen k 0  − z 2 

•

•

El Método de los Momentos se aplica numéricamente sobre esta condición y permite obtener la distribución “exacta” de corriente. Enalgunos casos la distribución se modela utilizando razonamientos muy simples: p.e., la figura justifica la distribución aproximada en onda estacionaria típica de un dipolo.

L  I(z) = I0 sen k 0  − z  2 

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Distribución de Corriente: Variación temporal
• Para un dipolo λ/2 Corriente instantánea:
I(z, t ) = Re I(z )e jωt = I 0 cos(k 0 z )cos(ωt )

[

]

Amplitudcompleja:
I(z ) = I 0 cos(k 0 z )

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Mecanismo de Radiación
• Generación de las líneas de campo para un dipolo
– (a) Durante el primer cuarto de periodo la corriente acumula carga positiva en el semibrazo superior y negativa en el inferior, cerrándose el circuito a través de las corrientes de desplazamiento que siguen las líneas de campo. (b) En el siguiente cuarto de periodo la...