ANTENAS

Parámetros de una antena
Las antenas se caracterizan eléctricamente por una serie de parámetros, estando los más habituales descritos a continuación:

Diagrama de radiación (Patrón de radiación)
Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena. Es habitual representar el módulo del campo eléctrico o la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase.

Diagrama de radiación

Ancho de banda
Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.

Directividad
Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección de máxima radiación, a una cierta distancia r y la potencia total radiada dividida por el área de la esfera de radio r. La directividad se puede calcular a partir del diagrama de radiación. La ganancia de una antena es igual a la directividad multiplicada por la eficiencia.

Ganancia
Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección del máximo a una distancia r y la potencia total entregada a la antena dividida por el área de una esfera de radio r. La eficiencia de una antena es la relación entre la ganancia y la directividad. Dicha relación, coincide con la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena.

Impedancia de entrada
Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. . La impedancia es compleja. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.

Anchura de haz
Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la máxima. También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.

Polarización
Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).
Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.

Relación Delante/Atrás
Es la relación entre la potencia radiada en la dirección principal y la potencia radiada en la dirección opuesta. En inglés este parámetro se denomina Front to Back Ratio F/B.

Tipos básicos de antenas
Existen tres tipos básicos de antenas: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas.

Antenas de hilo
Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:

El monopolo vertical
El dipolo y su evolución, la antena Yagi
La antena espira
La antena hélice
Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.

Antenas helicoidales
La antena helicoidal es un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Un conductor describe una hélice, consiguiendo así una polarización circular.

Antenas de apertura
La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección, formando ángulos sólidos. La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como satélites. La ganancia de dichas antenas estará relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor ganancia en una menor apertura angular. El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar en forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un subreflector, dependiendo del diseño de la misma. El alimentador está generalmente ubicado en el foco de la parábola. El alimentador, en sí mismo, también es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia (e.g. cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satélite en órbita geoestacionaria).
Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, , con la siguiente expresión, donde es el área y es la longitud de onda:

Reflectores parabólicos
Hay varios tipos de antenas de apertura, como la antena de bocina, la antena parabólica, la antena parabólica del Radar Doppler y superficies reflectoras en general.

Antenas planas
Un tipo particular de antena plana son las antenas de apertura sintética, típicas de los radares de apertura sintética (SAR).

Clasificación funcional
La clasificación tradicional de las antenas se basa, fundamentalmente, en la forma en que se distribuye el campo electromagnético en la propia antena o en la tecnología utilizada. No obstante, también pueden hacerse clasificaciones desde un punto de vista práctico: una catalogación de las antenas desde el punto de vista de sus prestaciones y tecnología, casos de uso concretos y discusiones acerca de los parámetros de ingeniería que ayuden al entendimiento de su funcionamiento.
A continuación se desarrolla la aproximación práctica propuesta por la Universidad Europea de Madrid (Laureate International Universities).[cita requerida]

Antenas con reflector
La manera de producir y recibir ondas electromagnéticas que viajan en el espacio sin hilos, es a través de reflectores parabólicos, también conocidos como antenas.
Su utilización radica en una propiedad por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide, en el caso de una antena receptora, en cambio si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena.

Tipos Básicos de Antenas con Reflector

Antena Foco Primario

Foco primario
La superficie de estas antenas es un paraboloide de revolución. Las ondas electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y dirigen al foco.
El foco está centrado en el paraboloide.
Tienen un rendimiento máximo de aproximadamente el 60%, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% lo hace al foco y se aprovecha, el resto se pierde debido principalmente a dos efectos, el efecto spillover y el efecto bloqueo.
Su relativa gran superficie implica un menor ángulo de anchura del haz (3 dB), por lo que la antena debe montarse con mayor precisión que una antena offset normal. La lluvia y la nieve pueden acumularse en el plato e interferir en la señal; Además como el LNB va montado centralmente, bloquea muchas señales con su propia sombra sobre la superficie de la antena.

Antena Offset

Offset
Una antena offset esta formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de Foco Primario, pudiendo ser de un 70% o algo más.

Cassegrain

Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.
El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico.
El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.
El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador.

Alimentadores para antenas con reflector (bocinas)
Las bocinas son utilizadas como alimentador en las antenas, es decir, se utilizan para iluminar el reflector formando lo que se conoce como antena parabólica. La bocina de alimentación se encuentra situada en el foco del paraboloide.
Una única bocina puede utilizarse como una antena de cobertura global en satélites; además se pueden agrupar varias bocinas (alimentándolas con una amplitud y una fase diferentes), para conseguir un determinado diagrama de radiación y dar cobertura a un país o continente. La agrupación de bocinas sería el alimentador del reflector.
En una transmisión la bocina emite energía desde el foco hacia la superficie del reflector, consiguiendo radiar sobre el rango de cobertura deseado, mientras que en una recepción el reflector actúa como un acumulador de energía de la señal, que es concentrada hacia la bocina alimentadora.
Las bocinas pueden transmitir ó recibir dos ondas con polarización distinta, siempre que la polarización sea ortogonal. Esto se consigue con un dispositivo llamado acoplador ortomodo (OMT), que es un sistema de guía de ondas en forma de T, donde por la guía principal se propagan dos modos dominantes ortogonales y cada guía adosada soporta uno de los dos modos anteriores.
La polarización ha de ser ortogonal para que no se produzcan interferencias.
De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica.
Bocina piramidal

Bocina Piramidal
Es un tipo de bocina rectangular. Se ensancha tanto en el plano E como en el H, lo que permite radiar haces estrechos en ambos planos. Este tipo de bocinas son adecuadas para sistemas de polarización lineal. Su ganancia puede calcularse exactamente a partir de sus dimensiones físicas por ello se suelen utilizar como patrones de comparación en las medidas de ganancia. El diseño de una bocina piramidal requiere que su garganta coincida con la guía rectangular de alimentación.
Bocina cónica
Se utilizan fundamentalmente en antenas de satélites de haz global. Son las más adecuadas para utilizar polarizaciones circulares, aunque también pueden utilizar polarización lineal.

Bocina Cónica Corrugada (corrugaciones en la cara interna)
Según el modo de propagación transmitido se clasifican como: bocinas de modo dominante, bocinas de modo dual y bocinas corrugadas.
Bocinas de modo dominante: Se sintoniza al modo predominante de la guía de onda circular, el modo TE11.
Bocinas multimodo: Se sintoniza al modo de propagación TE11 de la onda que se propaga por la guía de onda, junto al modo TM11 que es el siguiente modo de propagación.
Bocinas corrugadas (o híbridas): Se ajustan a un modo híbrido (HE11), con lo que se consigue un ancho de haz amplio y simétrico gracias a lo cual el reflector se alimenta uniformemente. Además con este tipo de bocinas se consigue una polarización más pura.

Bocina con lente Dieléctrica

Lentes dieléctricas
Otra manera de concentrar la radiación de una fuente primaria (foco) es con la utilización de una lente dieléctrica.
Gracias a la utilización de una lente dieléctrica en la boca del alimentador de una antena (bocina), se consigue disminuir el error de fase.
Este tipo de lentes transforma el frente de ondas esférico en un frente de ondas planas a la salida de la lente, con lo que se consigue ampliar la ganancia.
Con las lentes dieléctricas también se consigue modificar la distribución de amplitud, haciéndola más uniforme y aumentando la eficiencia de apertura del sistema.

Ingeniería con estas antenas

Iluminación parabólica sobre pedestal
Para distribuciones parabólicas sobre pedestal el modelo de campo de apertura es el siguiente:
Eab(r) = C + (1 - C) [1 - (r / a) 2] n
Iluminación sobre el borde de la parábola (dB)
Nivel del lóbulo secundario
Radio de la apertura
a = D / 2