TEMA 2: PARÁMETROS BÁSICOS DE RADIACIÓN - GR · PDF fileEdB i θi...

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  • 1

    RDPR-2- 1

    TEMA 2: PARMETROS BSICOS DE RADIACIN

    1. La antena como elemento circuital.2. Diagrama de radiacin de una antena.

    3. Intensidad de radiacin y directividad. Ganancia4. Polarizacin de una antena.

    5. Ancho de banda.6. La antena en recepcin

    7. Frmula de Friis. Propagacin en espacio libre.8. Ruido captado por una antena.

    RDPR-2- 2

    La antena presenta a la lnea de transmisin una impedancia Zi.

    Circuito equivalente de transmisin

    Z VIi

    =Lnea de

    Transmisin Antena

    I

    VZ0 Z R jXi i i= +( )( )

    R fX f

    i

    i

    Xi(f)=0, Antena Resonante

    La antena como elemento de circuitoImpedancia de entrada.

    Z 0 ZL=Z iZg

    Vg

    Transmisor Antenatransmisora

  • 2

    RDPR-2- 3

    La parte real de la impedancia de entrada es la suma de la resistencia de prdidas y la resistencia de radiacion.

    Otros parmetros alternativos a la impedancia de entrada, ms fcilmente medibles en el rango de altas frecuencias son:

    Coeficiente de Reflexin: Prdidas de Retorno (dB): ROE:

    R R Ri perdidas radiacion= +

    2radiada

    radiacionI

    P2R= radiacionperdidas

    radiacion

    entregada

    radiadarad

    RR

    R

    P

    PoRendimient+

    ===

    La antena como elemento de circuito Parmetros alternativos.

    giT

    *giT

    TZZ

    ZZ

    +

    =

    T

    T

    1

    1ROE

    +=T

    inc

    ref log20P

    Plog10)dB(R.P ==

    ( )2TDTrefDTET 1PPPP == Potenciasg

    2

    gDT

    R

    V

    8

    1P =

    RDPR-2- 4

    Parmetros de RadiacinDiagramas de Radiacin

    Se definen como una representacin grfica de las propiedades direccionales de radiacin de una antena en funcin de las coordenadas angulares del espacio.

    Se representan diagramas de: campo : , ,,arg(), arg(), ECP, EXP, etc potencia : , Ganancia, Directividad.

    Los formatos que pueden tomar los diagramas son: Diagramas Absolutos: se representan los campos o densidad de potencia para una

    potencia entregada a la antena y una distancia constante. Diagramas Relativos: son los anteriores normalizados respecto al mximo valor de la

    funcin representada. En este caso la representacin suele hacerse en escala logartmica (dB). Entonces los diagramas de potencia y de campo coinciden ya que:

    10 20log log< >< >

    =SS

    EEmax max

  • 3

    RDPR-2- 5

    uv

    ==

    sen cossen sen

    -

    Diagramas de Radiacin

    Las coordenadas respecto a las que se representan los diagramas son: (,), (u, v)

    Desde el punto de vista de representacin grfica se realizan diagramas: Tridimensionales

    Diagramas 2D: Representacin en forma de curvas de nivel.

    Cortes =cte. y =cte.: Cortes del diagramas de radiacin por superficies planas: =cte. y =/2. Cortes del diagramas de radiacin por superficies cnicas: =cte./2 (0).

    RDPR-2- 6

    Representacin Tridimensional

    DiagramaTridimensionalen coordenadas(u,v)

  • 4

    RDPR-2- 7

    Diagrama Bidimensional

    Diagrama 2Den coordenadas(u,v)

    u

    v

    uv

    ==

    sen cossen sen

    0 dB

    RDPR-2- 8

    Cortes del Diagrama de Radiacin.Formatos: Polar y Cartesiano

    0

    30

    60

    90

    120

    150

    180

    210

    240

    270

    300

    330

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    Eimax( )E

    i

    90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 9020

    15

    10

    5

    0

    EdBi

    ideg

    Polar (Lineal) Cartesiano (dB)

  • 5

    RDPR-2- 9

    z

    x

    y

    Diagramas de RadiacinPlanos Principales

    Para antenas directivas y polarizacin lineal suele bastar con conocer los diagramas de los planos principales: Plano E: contiene el vector E y a la

    direccin de mxima radiacin (YZ) Plano H: contiene el vector H y a la

    direccin de mxima radiacin (XZ)

    RDPR-2- 10

    Parmetros del Diagrama de Radiacin

    LOBULO: porcin del diagrama delimitada por regiones de radiacin ms dbil. Lbulo principal: contiene la direccin de

    mxima radiacin Lbulos secundarios: los no principales. Lbulos laterales: adyacentes al lbulo

    principal Lbulo posterior, en direccin opuesta al

    principal. Nivel de Lbulos Secundarios (del mayor

    lbulo secundario respecto al principal) Ancho del haz principal a -3dB (entre puntos

    de potencia mitad). Ancho del haz principal entre nulos.

    Relacin delante-atrs, (relacin entre el lbulo principal y el posterior).

    100 50 0 50 10035

    30

    25

    20

    15

    10

    5

    0

    i

    BW-3dB

    Nivel de Lbulo Lateral (S.L.L.)

    BWNulos

    Lbulo Principal

    Lbulos Secundarios

    Lbulo Lateral

    BWn dB 2 3,25 BW

  • 6

    RDPR-2- 11

    Tipos de Diagramas

    Atendiendo al servicio que da la antena se clasifican en:

    Isotrpicos (cuasi-isotrpico) Omnidireccionales: Direccionales en un plano e isotrpicos en el otro (Diagramas con

    simetra de revolucin). Direccionales: Concentra la radiacin fundamentalmente en un pequeo cono angular:

    Pincel: Haz cnico (p.e. para comunicaciones punto a punto) Abanico (p.e. antenas sectoriales de estaciones base de sistemas mviles) Haz contorneado, tpicos para dar cobertura ajustada en servicios DBS Haz conformado, tpicos de radares de vigilancia (csc2) Multihaz (varios lbulos principales)

    Multidiagrama: Varios diagramas simultneos. Antenas de Haz Reconfigurable. Antenas adaptativas

    RDPR-2- 12

    Ejemplos de Diagramas Contorneados

    Diagrama multihaz de haces contorneadosde la antena DBS del satlite HISPASAT.

    Diagramas de la antena TVA-GOV (antena multidiagrama) del satlite

    HISPASAT.

    11,5 a 11,7 GHz

    7,8 a 8 GHz

    12,1 a 12,5 GHz

  • 7

    RDPR-2- 13

    Intensidad de Radiacin

    Angulo Slido: Zona del espacio abarcada por una sucesin de lneas

    radiales con vrtice en el centro de una esfera. Su unidad es el estereoradin ( ngulo slido que

    abarca una superficie esfrica r2 con un radio r).

    Intensidad de Radiacin: Es la potencia radiada por unidad de ngulo slido.

    d dAr

    r d dr

    d d = = =22

    2

    sensen

    ( ) ( ) ( )U S r dAd

    r S r

    ,, ,

    , ,=< >

    = < >

    2

    r

    r sen d

    r ddAz

    RDPR-2- 14

    Directividad

    Ganancia Directiva: D(,) Cociente entre la intensidad de radiacin en una direccin y la intensidad de radiacin

    de una antena istropa que radiase la misma potencia total.

    Directividad: D0. Ganancia directiva en la direccin de mxima radiacin. Siempre mayor o igual que 1 (0 dBi). Expresada en dBi vale: 10 log D0.

    ( ) ( ) ( ) ( )radiada

    2

    radiadaIsotropica P,,rS

    r4P

    ,U4U

    ,U,D

    === ( ),U

    =

    4PU radiadaisotropica

    ( ) ( ) ==

    ddsen,,rSrd,UP

    0

    2

    0

    2

    4rad

  • 8

    RDPR-2- 15

    Ganancia de Potencia: G(,)

    Ganancia: G0. Ganancia de Potencia en la direccin de mxima radiacin. Puede ser menor que 1 Expresada en dBi vale: 10 log G0.

    Rendimiento de radiacin

    P.I.R.E.:Potencia Isotrpica Radiada Equivalente

    ( ) ( ) ( )entregada

    2

    entregada P,,rS

    r4P

    ,U4,G

    ==

    0

    0

    entregada

    radiadaR

    D

    G

    P

    P == ( ) ( )= ,D,G R

    ( ) ( ) ( ) [ ]222 .ent m/Wr4,PIRE

    r4P,G,,rS

    =

    Las curvas de P.I.R.E. se trazan normalmente en dBW

    Ganancia y Eficiencia

    ( ) ( ) .entP,G,PIRE =

    RDPR-2- 16

    Directividad versus Ancho de Haz

    A partir del diagrama normalizado de potencia:

    donde A es el ngulo slido del haz.

    Para antenas directivas, de diagrama tipo pincel

    ( ) ( )f UUmax

    ,,

    = 1

    ( ) ( )( )

    ( )( )

    ( ) ( )A

    0,f4,fD

    4 d,f,f4

    4 d,U,U4,D

    ==

    =

    =

    ( )

    =

    dosgra:drad:r412534D

    dB3ahazdeAnchuras

    d2d1r2r10

    r2r1A

    DA

    04=

    1

    z

    x

    y

    1r2r

    A( ) = 4 d,fA

  • 9

    RDPR-2- 17

    !E E E

    E E eE E e

    j

    j= +==

    " " ( )

    ( )E E tE E t

    i

    i

    = += +

    coscos

    =

    =

    +

    22

    iii

    2

    i senEE

    cosEE

    EE2

    EE

    Tiempo

    OAOB

    Elipse de Polarizacin

    CW

    Polarizacin

    Es la figura que traza en funcin del tiempo, para una direccin fija, el extremo del vector del campo radiado y su sentido de giro, visto por un observador desde la antena.

    Eliminando t

    < 0 > 0

    (derechas)(izquierdas)

    RDPR-2- 18

    Tipos de Polarizacin

    Caractersticas de la Elipse

    Relacin Axial

    Angulo del Eje Mayor con

    OAOB

    CW

    Sentido de Giro de Polarizacin (Circular o Elptica)A derechas (CW, RHC):A izquierdas (CCW, LHC):

    < 0 > 0

    Tipos de Polarizacin ideales:

    Lineal: El campo se mueve sobre una recta (AR=).

    Circular: El extremo del campo se mueve sobre una circunferencia (AR=1)( ) ( )RHC90oLHC90yEE ===

    a b E c E) ) ) = = =0 0 0

    OB

    OAAR =

  • 10

    RDPR-2- 19

    ( ) ( ) ( ) xpXPcpCP u,Eu,E,E +=!

    ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) =

    +=

    sen,Ecos,E,Ecos,Esen,E,E

    XP

    CP

    Antena Receptora

    (sobre eje y)

    z

    E

    E x yComponentes CP y XP:

    Circulares

    x

    y

    E

    E

    ( ) ( ) ( )!E E E , , " , "= +

    Lineales:3 Definicin de Ludwig para componentes lineales con copolar segn y

    Polarizacin: Diagramas Copolar y Contrapolar

    ( ) ( ) ( )( )