antena parabólica

tipo de antena

Erdfunkstelle , una gran antena parabólica de comunicaciones por satélite en Raisting , Baviera , Alemania , la mayor instalación de comunicaciones por satélite del mundo. Tiene alimentación tipo Cassegrain .

Una antena parabólica es una antena que utiliza un reflector parabólico , una superficie curva con la forma de sección transversal de una parábola , para dirigir las ondas de radio . La forma más común tiene forma de plato y popularmente se denomina antena parabólica o antena parabólica . La principal ventaja de una antena parabólica es que tiene una alta directividad . Funciona de manera similar a un reflector o reflector de linterna para dirigir ondas de radio en un haz estrecho o recibir ondas de radio desde una dirección particular únicamente. Las antenas parabólicas tienen algunas de las ganancias más altas , lo que significa que pueden producir los anchos de haz más estrechos de cualquier tipo de antena. ^{[1] [2]} Para lograr anchos de haz estrechos, el reflector parabólico debe ser mucho mayor que la longitud de onda de las ondas de radio utilizadas, ^[2] por lo que las antenas parabólicas se utilizan en la parte de alta frecuencia del espectro de radio , en UHF y Frecuencias de microondas ( SHF ), en las que las longitudes de onda son lo suficientemente pequeñas como para que se puedan utilizar reflectores de tamaño conveniente.

Las antenas parabólicas se utilizan como antenas de alta ganancia para comunicaciones punto a punto , en aplicaciones como enlaces de retransmisión de microondas que transportan señales telefónicas y de televisión entre ciudades cercanas, enlaces WAN/LAN inalámbricos para comunicaciones de datos, comunicaciones por satélite y antenas de comunicación para naves espaciales. . También se utilizan en radiotelescopios .

El otro gran uso de las antenas parabólicas es el de las antenas de radar , que necesitan transmitir un haz estrecho de ondas de radio para localizar objetos como barcos, aviones y misiles guiados . También se suelen utilizar para la detección del tiempo. ^[2] Con la llegada de los receptores domésticos de televisión por satélite , las antenas parabólicas se han convertido en una característica común de los paisajes de los países modernos. ^[2]

La antena parabólica fue inventada por el físico alemán Heinrich Hertz durante su descubrimiento de las ondas de radio en 1887. Usó reflectores parabólicos cilíndricos con antenas dipolo excitadas por chispas en sus focos tanto para transmitir como para recibir durante sus experimentos históricos.

Las antenas parabólicas se basan en la propiedad geométrica del paraboloide de que las trayectorias FP ₁ Q ₁ , FP ₂ Q ₂ , FP ₃ Q ₃ tienen la misma longitud. Por lo tanto, un frente de onda esférico emitido por una antena de alimentación en el foco F del plato se reflejará en una onda plana saliente L que viaja paralela al eje VF del plato .

Diseño

El principio de funcionamiento de una antena parabólica es que una fuente puntual de ondas de radio en el punto focal frente a un reflector parabólico de material conductor se reflejará en un haz de ondas planas colimadas a lo largo del eje del reflector. Por el contrario, una onda plana entrante paralela al eje se enfocará en un punto en el punto focal.

Una antena parabólica típica consiste en un reflector parabólico de metal con una pequeña antena de alimentación suspendida frente al reflector en su foco, ^[2] apuntando hacia el reflector. El reflector es una superficie metálica con forma de paraboloide de revolución y generalmente truncada en un borde circular que forma el diámetro de la antena. ^[2] En una antena transmisora, la corriente de radiofrecuencia procedente de un transmisor se suministra a través de un cable de línea de transmisión a la antena de alimentación , que la convierte en ondas de radio. Las ondas de radio son emitidas hacia el plato por la antena de alimentación y se reflejan en el plato en un haz paralelo. En una antena receptora, las ondas de radio entrantes rebotan en el plato y se enfocan en un punto en la antena de alimentación, que las convierte en corrientes eléctricas que viajan a través de una línea de transmisión hasta el receptor de radio .

reflector parabólico

Antena parabólica tipo rejilla de alambre utilizada para enlace de datos MMDS a una frecuencia de 2,5-2,7 GHz. Es alimentado por un dipolo vertical debajo del pequeño reflector de aluminio del brazo. Irradia microondas polarizadas verticalmente .

El reflector puede construirse con chapa de metal, una pantalla de metal o una rejilla de alambre, y puede tener un plato circular o varias otras formas para crear diferentes formas de haz. Una pantalla de metal refleja ondas de radio con tanta eficacia como una superficie metálica sólida si sus orificios son más pequeños que una décima parte de una longitud de onda , por lo que los reflectores de pantalla se utilizan a menudo para reducir el peso y las cargas de viento sobre el plato. Para lograr la máxima ganancia , la forma del plato debe ser precisa dentro de una pequeña fracción de una longitud de onda, para garantizar que las ondas de diferentes partes de la antena lleguen al foco en fase . Los platos grandes a menudo requieren una estructura de soporte detrás de ellos para proporcionar la rigidez requerida.

Un reflector formado por una rejilla de alambres o barras paralelas orientadas en una dirección actúa como filtro polarizador además de reflector. Sólo refleja ondas de radio polarizadas linealmente , con el campo eléctrico paralelo a los elementos de la parrilla. Este tipo se utiliza a menudo en antenas de radar . Combinado con una bocina de alimentación linealmente polarizada , ayuda a filtrar el ruido en el receptor y reduce las devoluciones falsas.

Un reflector parabólico de metal brillante también puede enfocar los rayos del sol. Dado que la mayoría de los platos podrían concentrar suficiente energía solar en la estructura de alimentación como para sobrecalentarla gravemente si apuntaran al sol, los reflectores sólidos siempre reciben una capa de pintura mate.

Antena de alimentación

La antena de alimentación en el foco del reflector suele ser del tipo de baja ganancia , como un dipolo de media onda o (más a menudo) una antena de bocina pequeña llamada bocina de alimentación . En diseños más complejos, como Cassegrain y Gregorian, se utiliza un reflector secundario para dirigir la energía hacia el reflector parabólico desde una antena de alimentación ubicada lejos del punto focal primario. La antena alimentadora se conecta al equipo transmisor o receptor de radiofrecuencia (RF) asociado mediante una línea de transmisión o guía de ondas de cable coaxial .

En las frecuencias de microondas utilizadas en muchas antenas parabólicas, se requiere una guía de ondas para conducir las microondas entre la antena de alimentación y el transmisor o receptor. Debido al alto costo de los recorridos de las guías de ondas, en muchas antenas parabólicas la electrónica frontal de RF del receptor está ubicada en la antena de alimentación y la señal recibida se convierte a una frecuencia intermedia más baja (IF) para que pueda conducirse al receptor. a través de un cable coaxial más económico . Esto se llama convertidor reductor de bloque de bajo ruido . De manera similar, en platos transmisores, el transmisor de microondas puede estar ubicado en el punto de alimentación.

Una ventaja de las antenas parabólicas es que la mayor parte de la estructura de la antena (toda excepto la antena de alimentación) no es resonante , por lo que puede funcionar en una amplia gama de frecuencias (es decir, un amplio ancho de banda ). Todo lo que se necesita para cambiar la frecuencia de operación es reemplazar la antena de alimentación por una que funcione a la frecuencia deseada. Algunas antenas parabólicas transmiten o reciben en múltiples frecuencias al tener varias antenas de alimentación montadas en el punto focal, muy juntas.

Antenas parabólicas parabólicas

Antenas parabólicas de haz conformado

Tipos

Principales tipos de alimentaciones de antenas parabólicas.

Las antenas parabólicas se distinguen por su forma:

• Paraboloide o plato  : el reflector tiene forma de paraboloide truncado con un borde circular. Este es el tipo más común. Irradia un haz estrecho en forma de lápiz a lo largo del eje del plato.
  • Plato cubierto  : a veces se coloca un escudo metálico cilíndrico en el borde del plato. ^[3] La cubierta protege la antena de la radiación proveniente de ángulos fuera del eje del haz principal, reduciendo los lóbulos laterales . A veces se utiliza para evitar interferencias en enlaces de microondas terrestres, donde varias antenas que utilizan la misma frecuencia están ubicadas muy juntas. La cubierta está recubierta por dentro con material absorbente de microondas. Las cubiertas pueden reducir la radiación del lóbulo posterior en 10 dB. ^[3]
• Cilíndrico  : el reflector es curvado en una sola dirección y plano en la otra. Las ondas de radio no se concentran en un punto sino a lo largo de una línea. La alimentación es a veces una antena dipolo ubicada a lo largo de la línea focal. Las antenas parabólicas cilíndricas irradian un haz en forma de abanico, estrecho en la dimensión curva y ancho en la dimensión no curva. Los extremos curvos del reflector a veces están cubiertos por placas planas, para evitar que la radiación salga por los extremos, y esto se llama antena pastillero o antena de queso .
• Antenas de haz con forma  : las antenas reflectoras modernas se pueden diseñar para producir un haz o haces de una forma particular, en lugar de simplemente los haces estrechos en forma de "lápiz" o "abanico" de las antenas parabólicas y cilíndricas simples mencionadas anteriormente. ^[4] Se utilizan dos técnicas, a menudo combinadas, para controlar la forma del haz:

• Reflectores con forma  : al reflector parabólico se le puede dar una forma no circular, o diferentes curvaturas en las direcciones horizontal y vertical, para alterar la forma del haz. Esto se utiliza a menudo en antenas de radar. Como principio general, cuanto más ancha sea la antena en una dirección transversal determinada, más estrecho será el patrón de radiación en esa dirección.

• Antena de "piel de naranja"  : se utiliza en radares de búsqueda y es una antena larga y estrecha con forma de letra "C". Irradia un haz vertical estrecho en forma de abanico.

Conjunto de múltiples bocinas de alimentación en una antena de radar de vigilancia de un aeropuerto alemán para controlar el ángulo de elevación del haz

• Conjuntos de alimentaciones  : para producir un haz de forma arbitraria, en lugar de una bocina de alimentación, se puede utilizar una serie de bocinas de alimentación agrupadas alrededor del punto focal. Las antenas alimentadas por matrices se utilizan a menudo en satélites de comunicaciones, particularmente satélites de transmisión directa , para crear un patrón de radiación de enlace descendente para cubrir un continente o área de cobertura en particular. A menudo se utilizan con antenas reflectoras secundarias como la Cassegrain.

Las antenas parabólicas también se clasifican por el tipo de alimentación , es decir, cómo se suministran las ondas de radio a la antena: ^[3]

• Axial , enfoque principal o alimentación frontal  : este es el tipo de alimentación más común, con la antena de alimentación ubicada frente al plato en el foco, en el eje del haz, apuntando hacia el plato. Una desventaja de este tipo es que la alimentación y sus soportes bloquean parte del haz, lo que limita la eficiencia de la apertura a sólo un 55-60%. ^[3]
• Alimentación fuera del eje o : el reflector es un segmento asimétrico de un paraboloide, por lo que el foco y la antena de alimentación están ubicados a un lado del plato. El propósito de este diseño es mover la estructura de alimentación fuera de la trayectoria del haz, de modo que no bloquee el haz. Se utiliza ampliamente en antenas parabólicas domésticas de televisión por satélite , que son lo suficientemente pequeñas como para que la estructura de alimentación bloquee un porcentaje significativo de la señal. La alimentación compensada también se puede utilizar en diseños de reflectores múltiples, como Cassegrain y Gregorian, que se muestran a continuación.
• Cassegrain  : en una antena Cassegrain , la alimentación se ubica sobre o detrás del plato e irradia hacia adelante, iluminando un reflector secundario hiperboloidal convexo en el foco del plato. Las ondas de radio de la señal se reflejan en el reflector secundario hacia el plato, que las refleja nuevamente hacia adelante, formando el haz de salida. Una ventaja de esta configuración es que la alimentación, con sus guías de ondas y su electrónica " frontal " no tiene que estar suspendida delante del plato, por lo que se utiliza para antenas con alimentaciones complicadas o voluminosas, como grandes antenas de comunicaciones por satélite y radiotelescopios . La eficiencia de apertura es del orden del 65 al 70%. ^[3]
• Gregoriano  : similar al diseño Cassegrain, excepto que el reflector secundario tieneforma cóncava ( elipsoidal ). Se puede lograr una eficiencia de apertura superior al 70%. ^[3]

Patrón de alimentación

Efecto del patrón de radiación de la antena de alimentación (pequeña superficie en forma de calabaza) sobre el desbordamiento. Izquierda: con una antena de alimentación de baja ganancia, partes importantes de su radiación caen fuera del plato. Derecha: con una alimentación de mayor ganancia, casi toda su radiación se emite dentro del ángulo del plato.

El patrón de radiación de la antena de alimentación debe adaptarse a la forma del plato, ya que tiene una fuerte influencia en la eficiencia de apertura , que determina la ganancia de la antena (consulte la sección de ganancia a continuación). La radiación de la alimentación que cae fuera del borde del plato se llama derrame y se desperdicia, reduciendo la ganancia y aumentando los lóbulos posteriores , posiblemente causando interferencias o (en antenas receptoras) aumentando la susceptibilidad al ruido de fondo. Sin embargo, la ganancia máxima sólo se logra cuando el plato está "iluminado" uniformemente con una intensidad de campo constante en sus bordes. Por lo tanto, el patrón de radiación ideal de una antena de alimentación sería una intensidad de campo constante en todo el ángulo sólido del plato, cayendo abruptamente a cero en los bordes. Sin embargo, las antenas de alimentación prácticas tienen patrones de radiación que disminuyen gradualmente en los bordes, por lo que la antena de alimentación es un compromiso entre un desbordamiento aceptablemente bajo y una iluminación adecuada. Para la mayoría de las bocinas de alimentación frontales, la iluminación óptima se logra cuando la potencia irradiada por la bocina de alimentación es 10 dB menor en el borde del plato que su valor máximo en el centro del plato. ^[5]

Polarización

El patrón de campos eléctricos y magnéticos en la boca de una antena parabólica es simplemente una imagen ampliada de los campos irradiados por la antena de alimentación, por lo que la polarización está determinada por la antena de alimentación. Para lograr la máxima ganancia, ambas antenas de alimentación (transmisora ​​y receptora) deben tener la misma polarización. ^[6] Por ejemplo, una antena de alimentación dipolo vertical irradiará un haz de ondas de radio con su campo eléctrico vertical, lo que se denomina polarización vertical . La antena de alimentación receptora también debe tener polarización vertical para recibirlos; si la alimentación es horizontal ( polarización horizontal ), la antena sufrirá una grave pérdida de ganancia.

Para aumentar la velocidad de datos, algunas antenas parabólicas transmiten dos canales de radio separados en la misma frecuencia con polarizaciones ortogonales , utilizando antenas de alimentación separadas; esto se llama antena de doble polarización . Por ejemplo, las señales de televisión por satélite se transmiten desde el satélite en dos canales separados en la misma frecuencia utilizando polarización circular derecha e izquierda . En una antena parabólica doméstica , estos son recibidos por dos pequeñas antenas monopolo situadas en la bocina de alimentación , orientadas en ángulo recto. Cada antena está conectada a un receptor independiente.

Si la señal de un canal de polarización es recibida por una antena con polarización opuesta, se producirá una diafonía que degradará la relación señal-ruido . La capacidad de una antena para mantener separados estos canales ortogonales se mide mediante un parámetro llamado discriminación de polarización cruzada (XPD). En una antena transmisora, XPD es la fracción de potencia de una antena de una polarización radiada en la otra polarización. Por ejemplo, debido a imperfecciones menores, un plato con una antena de alimentación polarizada verticalmente irradiará una pequeña cantidad de su potencia en polarización horizontal; esta fracción es el XPD. En una antena receptora, el XPD es la relación entre la potencia de la señal recibida de polarización opuesta y la potencia recibida en la misma antena de la polarización correcta, cuando la antena está iluminada por dos ondas de radio polarizadas ortogonalmente de igual potencia. Si el sistema de antena tiene una XPD inadecuada, a menudo se pueden utilizar algoritmos de procesamiento de señales digitales con cancelación de interferencias de polarización cruzada (XPIC) para disminuir la diafonía.

Conformación de reflector dual

En las antenas Cassegrain y Gregoriana, la presencia de dos superficies reflectantes en la ruta de la señal ofrece posibilidades adicionales para mejorar el rendimiento. Cuando se requiere el máximo rendimiento, se puede utilizar una técnica llamada conformación de reflector dual . Esto implica cambiar la forma del subreflector para dirigir más potencia de señal a las áreas exteriores del plato, para mapear el patrón conocido de la alimentación en una iluminación uniforme del primario, para maximizar la ganancia. Sin embargo, esto da como resultado una secundaria que ya no es precisamente hiperbólica (aunque todavía está muy cerca), por lo que se pierde la propiedad de fase constante. Sin embargo, este error de fase se puede compensar modificando ligeramente la forma del espejo primario. El resultado es una mayor ganancia, o relación ganancia/desbordamiento, a costa de superficies que son más difíciles de fabricar y probar. ^{[7] [8]} También se pueden sintetizar otros patrones de iluminación del plato, como patrones con un ahusamiento alto en el borde del plato para lóbulos laterales de desbordamiento ultra bajo y patrones con un "agujero" central para reducir las sombras de la alimentación.

Ganar

Las cualidades directivas de una antena se miden mediante un parámetro adimensional llamado ganancia , que es la relación entre la potencia recibida por la antena de una fuente a lo largo del eje de su haz y la potencia recibida por una antena isotrópica hipotética . La ganancia de una antena parabólica es: ^[9]

${\displaystyle G={\frac {4\pi A}{\lambda ^{2}}}e_{A}=\left({\frac {\pi d}{\lambda }}\right)^{2}e_{A}}$

dónde:

• ${\displaystyle A}$es el área de la apertura de la antena, es decir, la boca del reflector parabólico. Para una antena parabólica circular, dando la segunda fórmula anterior. ${\displaystyle A=\pi d^{2}/4}$
• ${\displaystyle d}$es el diámetro del reflector parabólico, si es circular.
• ${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda de las ondas de radio.
• ${\displaystyle e_{A}}$Es un parámetro adimensional entre 0 y 1 llamado eficiencia de apertura . La eficiencia de apertura de las antenas parabólicas típicas es de 0,55 a 0,70.

Se puede observar que, como ocurre con cualquier antena de apertura , cuanto mayor es la apertura, en comparación con la longitud de onda , mayor es la ganancia. La ganancia aumenta con el cuadrado de la relación entre el ancho de la apertura y la longitud de onda, por lo que las grandes antenas parabólicas, como las utilizadas para las comunicaciones de naves espaciales y los radiotelescopios , pueden tener una ganancia extremadamente alta. Al aplicar la fórmula anterior a las antenas de 25 metros de diámetro que se utilizan a menudo en conjuntos de radiotelescopios y antenas terrestres de satélite a una longitud de onda de 21 cm (1,42 GHz, una frecuencia de radioastronomía común ), se obtiene una ganancia máxima aproximada de 140.000 veces o aproximadamente 52 dBi ( decibeles por encima del nivel isotrópico ). La antena parabólica más grande del mundo es el radiotelescopio esférico de apertura de quinientos metros situado en el suroeste de China, que tiene una apertura efectiva de unos 300 metros. La ganancia de este plato a 3 GHz es de aproximadamente 90 millones, o 80 dBi.

La eficiencia de apertura e _A es una variable general que tiene en cuenta varias pérdidas que reducen la ganancia de la antena del máximo que podría lograrse con la apertura dada. Los principales factores que reducen la eficiencia de apertura en antenas parabólicas son: ^[10]

• Desbordamiento de alimentación  : parte de la radiación de la antena de alimentación cae fuera del borde del plato y, por lo tanto, no contribuye al haz principal.
• Cono de iluminación de alimentación  : la ganancia máxima para cualquier antena de apertura solo se logra cuando la intensidad del haz radiado es constante en toda el área de apertura. Sin embargo, el patrón de radiación de la antena de alimentación suele disminuir hacia la parte exterior del plato, por lo que las partes exteriores del plato se "iluminan" con una menor intensidad de radiación. Incluso si la alimentación proporcionara una iluminación constante a lo largo del ángulo subtendido por el plato, las partes exteriores del plato están más alejadas de la antena de alimentación que las partes interiores, por lo que la intensidad disminuiría con la distancia desde el centro. Por lo tanto, la intensidad del haz radiado por una antena parabólica es máxima en el centro del plato y disminuye con la distancia desde el eje, lo que reduce la eficiencia.
• Bloqueo de apertura  : en los platos parabólicos de alimentación frontal donde la antena de alimentación está ubicada frente al plato en la trayectoria del haz (y también en los diseños Cassegrain y Gregoriano), la estructura de alimentación y sus soportes bloquean parte del haz. En antenas parabólicas pequeñas, como las antenas parabólicas domésticas, donde el tamaño de la estructura de alimentación es comparable al tamaño de la antena, esto puede reducir seriamente la ganancia de la antena. Para evitar este problema, este tipo de antenas suelen utilizar una alimentación desplazada , donde la antena de alimentación se ubica a un lado, fuera del área del haz. La eficiencia de apertura de este tipo de antenas puede alcanzar entre 0,7 y 0,8.
• Errores de forma  : los errores superficiales aleatorios en la forma del reflector reducen la eficiencia. Esta pérdida se aproxima mediante la ecuación de Ruze .

Para consideraciones teóricas de interferencia mutua (en frecuencias entre 2 y aproximadamente 30 GHz; típicamente en el servicio fijo por satélite ) donde no se ha definido el rendimiento específico de la antena, se utiliza una antena de referencia basada en la Recomendación UIT-R S.465 para calcular la interferencia. , que incluirá los lóbulos laterales probables para efectos fuera del eje.

Patrón de radiación

Patrón de radiación de una antena parabólica alemana. El lóbulo principal (arriba) tiene sólo unos pocos grados de ancho. Todos los lóbulos laterales están al menos 20 dB por debajo (1/100 de la densidad de potencia de) el lóbulo principal, y la mayoría están 30 dB por debajo (si este patrón se dibujó con niveles de potencia lineales en lugar de niveles logarítmicos de dB, todos los lóbulos excepto el principal el lóbulo sería demasiado pequeño para verlo).

En las antenas parabólicas, prácticamente toda la potencia radiada se concentra en un lóbulo principal estrecho a lo largo del eje de la antena. La potencia residual se irradia en lóbulos laterales , normalmente mucho más pequeños, en otras direcciones. Dado que la apertura del reflector de las antenas parabólicas es mucho mayor que la longitud de onda, la difracción suele provocar muchos lóbulos laterales estrechos, por lo que el patrón de los lóbulos laterales es complejo. También suele haber un lóbulo posterior , en dirección opuesta al lóbulo principal, debido a la radiación de desbordamiento de la antena de alimentación que no alcanza el reflector.

Amplitud de rayo

El ancho angular del haz radiado por antenas de alta ganancia se mide mediante el ancho del haz a media potencia (HPBW), que es la separación angular entre los puntos del diagrama de radiación de la antena en los que la potencia cae a la mitad (-3 dB) su valor máximo. Para antenas parabólicas, el HPBW θ viene dado por: ^{[5] [11]}

${\displaystyle \theta =k\lambda /d\,}$

donde k es un factor que varía ligeramente dependiendo de la forma del reflector y del patrón de iluminación de alimentación. Para un reflector parabólico ideal uniformemente iluminado y θ en grados, k sería 57,3 (el número de grados en radianes). Para una antena parabólica típica, k es aproximadamente 70. ^[11]

Para una antena parabólica típica de 2 metros que funcione en la banda C (4 GHz), esta fórmula da un ancho de haz de aproximadamente 2,6°. Para la antena de Arecibo a 2,4 GHz, el ancho del haz es 0,028°. Dado que las antenas parabólicas pueden producir haces muy estrechos, orientarlas puede ser un problema. Algunas antenas parabólicas están equipadas con una mira para poder apuntar con precisión a la otra antena.

Existe una relación inversa entre ganancia y ancho del haz. Combinando la ecuación del ancho del haz con la ecuación de ganancia, la relación es: ^[11]

${\displaystyle G=\left({\frac {\pi k}{\theta }}\right)^{2}\ e_{A}}$

El ángulo theta es normal a la apertura.

Fórmula del patrón de radiación

La radiación de un gran paraboloide con apertura iluminada uniforme es esencialmente equivalente a la de una apertura circular del mismo diámetro en una placa de metal infinita con una onda plana uniforme que incide sobre la placa. ^[12] ${\displaystyle D}$

El patrón del campo de radiación se puede calcular aplicando el principio de Huygens de forma similar a una apertura rectangular. El patrón del campo eléctrico se puede encontrar evaluando la integral de difracción de Fraunhofer sobre la apertura circular. También se puede determinar mediante ecuaciones de zona de Fresnel . ^[13]

${\displaystyle E=\int \int {\frac {A}{r_{1}}}e^{j(\omega t-\beta r_{1})}dS=\int \int e^{2\pi i(lx+my)/\lambda }dS}$

dónde . Usando coordenadas polares, y . Teniendo en cuenta la simetría, ${\displaystyle \beta =\omega /c=2\pi /\lambda }$ ${\displaystyle x=\rho \cdot \cos \theta }$ ${\displaystyle y=\rho \cdot \sin \theta }$

${\displaystyle E=\int \limits _{0}^{2\pi }d\theta \int \limits _{0}^{\rho _{0}}e^{2\pi i\rho \cos \theta l/\lambda }\rho d\rho }$

y el uso de la función Bessel de primer orden proporciona el patrón de campo eléctrico , ${\displaystyle E(\theta )}$

${\displaystyle E(\theta )={\frac {2\lambda }{\pi D}}{\frac {J_{1}[(\pi D/\lambda )\sin \theta ]}{\sin \theta }}}$

donde es el diámetro de la apertura de la antena en metros, es la longitud de onda en metros, es el ángulo en radianes desde el eje de simetría de la antena como se muestra en la figura y es la función de Bessel de primer orden . La determinación de los primeros nulos del patrón de radiación da el ancho del haz . El término siempre . De este modo, ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle J_{1}}$ ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle J_{1}(x)=0}$ ${\displaystyle x=3.83}$

${\displaystyle \theta _{0}=\arcsin {\frac {3.83\lambda }{\pi D}}=\arcsin {\frac {1.22\lambda }{D}}}$.

Cuando la apertura es grande, el ángulo es muy pequeño, por lo que es aproximadamente igual a . Esto proporciona las fórmulas comunes de ancho de haz, ^[12] ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle \arcsin(x)}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle \theta _{0}\approx {\frac {1.22\lambda }{D}}\,{\text{(in radians)}}={\frac {70\lambda }{D}}\,{\text{(in degrees)}}}$

Historia

La idea de utilizar reflectores parabólicos para antenas de radio se tomó de la óptica , donde el poder de un espejo parabólico para enfocar la luz en un haz se conoce desde la antigüedad clásica . Los diseños de algunos tipos específicos de antena parabólica, como la Cassegrain y la Gregoriana , provienen de tipos de telescopios reflectores análogos con nombres similares , que fueron inventados por los astrónomos durante el siglo XV. ^{[14] [2]}

El físico alemán Heinrich Hertz construyó la primera antena reflectora parabólica del mundo en 1888. ^[2] La antena era un reflector parabólico cilíndrico hecho de chapa de zinc sostenido por un marco de madera y tenía un dipolo de 26 cm excitado por vía de chispas como antena de alimentación a lo largo de la línea focal. Su apertura era de 2 metros de alto por 1,2 metros de ancho, con una distancia focal de 0,12 metros, y se utilizaba a una frecuencia de funcionamiento de unos 450 MHz. Con dos antenas de este tipo, una utilizada para transmitir y otra para recibir, Hertz demostró la existencia de ondas de radio que habían sido predichas por James Clerk Maxwell unos 22 años antes. ^[15] Sin embargo, el desarrollo inicial de la radio se limitó a frecuencias más bajas en las que las antenas parabólicas no eran adecuadas, y no se utilizaron ampliamente hasta después de la Segunda Guerra Mundial , cuando comenzaron a emplearse frecuencias de microondas.

El pionero de la radio italiana Guglielmo Marconi utilizó un reflector parabólico durante la década de 1930 en investigaciones de la transmisión UHF desde su barco en el Mediterráneo. ^[14] En 1931, se demostró un enlace telefónico de retransmisión de microondas de 1,7 GHz a través del Canal de la Mancha utilizando antenas parabólicas de 3,0 metros (10 pies) de diámetro. ^[14] La primera antena parabólica grande, un plato de 9 m, fue construida en 1937 por el radioastrónomo pionero Grote Reber en su patio trasero, ^[2] y el estudio del cielo que hizo con ella fue uno de los eventos que fundaron el campo de la radio. astronomía . ^[14]

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial dio un gran impulso a la investigación de antenas parabólicas. Esto llevó a la evolución de las antenas de haz perfilado, en las que la curva del reflector es diferente en las direcciones vertical y horizontal, adaptadas para producir un haz con una forma particular. ^[14] Después de la guerra, se construyeron antenas parabólicas muy grandes como radiotelescopios . El radiotelescopio Green Bank de 100 metros en Green Bank, Virginia Occidental , cuya primera versión se completó en 1962, es actualmente el plato parabólico totalmente orientable más grande del mundo.

Durante la década de 1960, las antenas parabólicas se utilizaron ampliamente en las redes de comunicación terrestres de retransmisión de microondas , que transmitían llamadas telefónicas y programas de televisión a través de continentes. ^[14] La primera antena parabólica utilizada para comunicaciones por satélite se construyó en 1962 en Goonhilly en Cornwall , Inglaterra, para comunicarse con el satélite Telstar . La antena Cassegrain fue desarrollada en Japón en 1963 por NTT , KDDI y Mitsubishi Electric . ^[16] La llegada de herramientas de diseño por computadora en la década de 1970, como NEC , capaz de calcular el patrón de radiación de antenas parabólicas, ha llevado al desarrollo de diseños sofisticados asimétricos, multirreflectores y múltiples alimentadores en los últimos años.

Ver también

• Radio telescopio
• Antena parabólica
• Televisión via satélite
• Simulsat (una antena cuasi parabólica que es esférica en un plano y parabólica en otro)

Referencias

1. Paja, R. Dean, Ed. (2000). El libro de antenas de la ARRL, 19ª edición . EE. UU.: Liga Estadounidense de Retransmisiones de Radio. pag. 19.15. ISBN 978-0-87259-817-1.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
2. Stutzman, Warren L.; Gary A. Thiele (2012). Teoría y diseño de antenas, 3ª ed. Estados Unidos: John Wiley & Sons. págs. 391–392. ISBN 978-0470576649.
3. Lehpamer, Harvey (2010). Redes de transmisión por microondas: planificación, diseño e implementación. Estados Unidos: McGraw Hill Professional. págs. 268-272. ISBN 978-0-07-170122-8.
4. A. David Olver (1994) Bocinas y alimentos para microondas , p. 61-62
5. Paja, R. Dean, Ed. (2000). El libro de antenas de la ARRL, 19ª edición . EE. UU.: Liga Estadounidense de Retransmisiones de Radio. pag. 18.14. ISBN 978-0-87259-817-1.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
6. Seybold, John S. (2005). Introducción a la propagación de RF. John Wiley e hijos. págs. 55–58. ISBN 978-0471743682.
7. Galindo, V. (1964). "Diseño de antenas de doble reflector con distribuciones arbitrarias de fase y amplitud". Transacciones IEEE sobre antenas y propagación . 12 (4). IEEE: 403–408. Código Bib : 1964ITAP...12..403G. doi :10.1109/TAP.1964.1138236.
8. Willams, WF (1983). "Diseño de RF y rendimiento previsto para un futuro sistema de antena de reflector dual con forma de 34 metros que utiliza la bocina de alimentación XS de apertura común" (PDF) . Informe de Avance de Telecomunicaciones y Adquisición de Datos . 73 : 74–84. Código Bib : 1983TDAPR..73...74W.
9. Anderson, Harry R. (2003). Diseño de sistema inalámbrico de banda ancha fija. Estados Unidos: John Wiley & Sons. págs. 206-207. ISBN 978-0-470-84438-0.
10. Pattan, Bruno (1993). Sistemas satelitales: principios y tecnologías. Estados Unidos: Springer. pag. 267.ISBN​ 978-0-442-01357-8.
11. Minoli, Daniel (2009). Ingeniería de Sistemas Satelitales en un Entorno IPv6. Estados Unidos: CRC Press. pag. 78.ISBN​ 978-1-4200-7868-8.
12. Kraus, John Daniel; Marhefka, Ronald J. (2002). Antenas para todas las aplicaciones. McGraw-Hill. ISBN 9780072321036.
13. John C. Slater y Nathaniel H. Frank. Introducción a la Física Teórica.
14. Olver, A. David (1994). Cuernos y piensos para microondas. NOSOTROS: IET. pag. 3.ISBN​ 978-0-7803-1115-2.
15. Con cariño, Allan W. "Conceptos de antenas espaciales grandes para ESGP" (PDF) . Rockwell Internacional . Consultado el 31 de julio de 2009 .
16. Makino, Shigero (2006). «Reseña histórica de los sistemas de antenas reflectoras desarrollados para comunicación satelital por MELCO» (PDF) . ISAP2006-Simposio Internacional de Antenas y Propagación . Mitsubishi Electric Corp. Archivado desde el original (PDF) el 25 de abril de 2012 . Consultado el 24 de diciembre de 2011 .en el sitio web de ISAP

enlaces externos

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