Conjunto de antenas

Conjunto de múltiples antenas que trabajan juntas

Un tipo común de antena de matriz, una antena de televisión UHF de matriz reflectante . Este ejemplo consta de ocho elementos accionados por dipolos montados delante de un reflector de pantalla de alambre. Los dipolos en forma de X le dan un ancho de banda amplio para cubrir las bandas de TV VHF (174–216 MHz) y UHF (470–700 MHz). Tiene una ganancia de 5 dB VHF y 12 dB UHF y una relación de frente a fondo de 18 dB.

Antena de matriz plana de gran tamaño de un radar de defensa aérea móvil ruso VHF , el Nebo-M. Consta de 175 antenas dipolo plegadas . Esta antena, que era una de las primeras en su tipo , emitía un haz vertical en forma de abanico que podía barrer horizontalmente el espacio aéreo frente a ella.

Un conjunto de antenas (o antena de matriz ) es un conjunto de múltiples antenas conectadas que funcionan juntas como una sola antena, para transmitir o recibir ondas de radio . ^{[1] : p.149  [2]} Las antenas individuales (llamadas elementos ) suelen estar conectadas a un solo receptor o transmisor mediante líneas de alimentación que alimentan la energía a los elementos en una relación de fase específica . Las ondas de radio radiadas por cada antena individual se combinan y superponen , sumándose ( interfiriendo de manera constructiva ) para mejorar la potencia radiada en las direcciones deseadas y cancelándose ( interfiriendo de manera destructiva ) para reducir la potencia radiada en otras direcciones. De manera similar, cuando se utilizan para recibir, las corrientes de radiofrecuencia separadas de las antenas individuales se combinan en el receptor con la relación de fase correcta para mejorar las señales recibidas de las direcciones deseadas y cancelar las señales de las direcciones no deseadas. Las antenas de matriz más sofisticadas pueden tener múltiples módulos transmisores o receptores, cada uno conectado a un elemento de antena o grupo de elementos separado.

Un conjunto de antenas puede lograr una mayor ganancia ( directividad ), es decir, un haz de ondas de radio más estrecho, que la que se podría lograr con un solo elemento. En general, cuanto mayor sea el número de elementos de antena individuales utilizados, mayor será la ganancia y más estrecho el haz. Algunos conjuntos de antenas (como los radares de matriz en fase militares ) están compuestos por miles de antenas individuales. Los conjuntos se pueden utilizar para lograr una mayor ganancia, para dar diversidad de trayectoria (también llamada MIMO ) ^[3] que aumenta la confiabilidad de la comunicación, para cancelar interferencias de direcciones específicas, para dirigir electrónicamente el haz de radio para que apunte en diferentes direcciones y para la radiogoniometría (RDF). ^[4]

El término "conjunto de antenas" se refiere más comúnmente a un conjunto excitado que consta de múltiples elementos excitados idénticos , todos ellos conectados al receptor o transmisor. Un conjunto parásito consta de un único elemento excitado conectado a la línea de alimentación y otros elementos que no lo están, llamados elementos parásitos . Por lo general, es otro nombre para una antena Yagi-Uda .

Un conjunto en fase suele ser un conjunto escaneado electrónicamente ; una antena de conjunto accionada en la que cada elemento individual está conectado al transmisor o receptor a través de un desfasador controlado por una computadora. El haz de ondas de radio se puede dirigir electrónicamente para apuntar instantáneamente en cualquier dirección en un ángulo amplio, sin mover las antenas. Sin embargo, el término "conjunto en fase" a veces se utiliza para referirse a una antena de conjunto común. ^[4]

Principio

Según el criterio de Rayleigh , la directividad de una antena, el ancho angular del haz de ondas de radio que emite, es proporcional a la longitud de onda de las ondas de radio dividida por el ancho de la antena. Las antenas pequeñas de tamaño cercano a una longitud de onda, como los monopolos de cuarto de onda y los dipolos de media onda , no tienen mucha directividad ( ganancia ); son antenas omnidireccionales que irradian ondas de radio en un ángulo amplio. Para crear una antena direccional ( antena de alta ganancia ), que irradia ondas de radio en un haz estrecho, se pueden utilizar dos técnicas generales:

Una técnica consiste en utilizar la reflexión mediante grandes superficies metálicas, como reflectores parabólicos o bocinas , o la refracción mediante lentes dieléctricas para cambiar la dirección de las ondas de radio y enfocarlas desde una única antena de baja ganancia en un haz. Este tipo se denomina antena de apertura . Un plato parabólico es un ejemplo de este tipo de antena.

Una segunda técnica consiste en utilizar varias antenas que se alimentan desde el mismo transmisor o receptor; esto se denomina antena de matriz o red de antenas. Para una antena transmisora, la onda electromagnética recibida en cualquier punto es la suma vectorial de las ondas electromagnéticas de cada uno de los elementos de la antena. Si las corrientes se alimentan a las antenas con la fase adecuada , debido al fenómeno de interferencia, las ondas esféricas de las antenas individuales se combinan (superponen) frente a la matriz para crear ondas planas , un haz de ondas de radio que viaja en una dirección específica. En direcciones en las que las ondas de las antenas individuales llegan en fase , las ondas se suman ( interferencia constructiva ) para mejorar la potencia radiada. En direcciones en las que las ondas individuales llegan desfasadas , con el pico de una onda coincidiendo con el valle de otra, las ondas se cancelan ( interferencia destructiva ) reduciendo la potencia radiada en esa dirección. De manera similar, al recibir, las corrientes oscilantes recibidas por las antenas separadas de las ondas de radio recibidas desde las direcciones deseadas están en fase y cuando se combinan en el receptor se refuerzan entre sí, mientras que las corrientes de las ondas de radio recibidas desde otras direcciones están desfasadas y cuando se combinan en el receptor se cancelan entre sí.

El patrón de radiación de una antena de este tipo consiste en un haz potente en una dirección, el lóbulo principal , más una serie de haces más débiles en diferentes ángulos llamados lóbulos laterales , que generalmente representan radiación residual en direcciones no deseadas. Cuanto mayor sea el ancho de la antena y mayor el número de elementos de antena que la componen, más estrecho será el lóbulo principal y mayor será la ganancia que se puede lograr, y más pequeños serán los lóbulos laterales.

Los conjuntos en los que los elementos de antena se alimentan en fase son conjuntos de banda ancha; el lóbulo principal se emite perpendicularmente al plano de los elementos.

Las antenas de matriz más grandes son los radiointerferómetros utilizados en el campo de la radioastronomía , en los que se conectan varios radiotelescopios que constan de grandes antenas parabólicas para formar una matriz de antenas, con el fin de lograr una mayor resolución. Mediante la técnica denominada síntesis de apertura, una matriz de este tipo puede tener la resolución de una antena con un diámetro igual a la distancia entre las antenas. En la técnica denominada interferometría de línea de base muy larga (VLBI, por sus siglas en inglés), se han conectado platos en continentes separados, creando "antenas de matriz" de miles de kilómetros de tamaño.

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  Matriz colineal VHF de dipolos plegados
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  Antenas sectoriales (barras blancas) en torres de telefonía celular . Conjuntos de dipolos colineales que emiten un haz plano en forma de abanico.
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  La antena reflectora de 108 MHz de un radar SCR-270 utilizado durante la Segunda Guerra Mundial consta de 32 antenas dipolo de media onda delante de una pantalla reflectante.
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  Antena de radar de matriz en fase PAVE PAWS de la Fuerza Aérea de los EE. UU. de 420 a 450 MHz para detección de misiles balísticos, Alaska. Las dos matrices circulares están compuestas cada una por 2677 antenas dipolares cruzadas.
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  Algunos de los elementos de dipolo cruzado en la antena en fase PAVE PAWS, a la izquierda
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  Antena de transmisión de televisión VHF de tipo ala de murciélago
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  Antena de transmisión de radio FM de dipolo cruzado
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  Antena de transmisión de onda corta con sistema de cortina , Austria. Dipolos de alambre suspendidos entre torres
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  Conjunto de antenas de torniquete utilizadas para comunicaciones por satélite
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  Antena de matriz microstrip plana para recepción de TV vía satélite .
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  El Very Large Array , un radiotelescopio formado por un conjunto de 27 antenas parabólicas en forma de Y, situado en Socorro, Nuevo México
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  HAARP , un conjunto en fase de 180 dipolos cruzados en Alaska que puede transmitir un haz de 3,6 MW de ondas de radio de 3 a 10 MHz a la ionosfera con fines de investigación
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  Conjunto de cuatro antenas helicoidales utilizadas como antena de seguimiento de satélites, Pleumeur-Bodou , Francia

Tipos

La mayoría de las antenas de matriz se pueden dividir en dos clases según cómo se relaciona el eje de las antenas componentes con la dirección de la radiación.

• Un conjunto de antenas laterales es un conjunto unidimensional o bidimensional en el que la dirección de radiación ( lóbulo principal ) de las ondas de radio es perpendicular al plano de las antenas. Para radiar perpendicularmente, las antenas deben estar alimentadas en fase.
• Un conjunto de radiación de extremo a extremo es un conjunto lineal en el que la dirección de la radiación se produce a lo largo de la línea de antenas. Las antenas deben alimentarse con una diferencia de fase igual a la separación de las antenas adyacentes.

También existen conjuntos (como los conjuntos en fase ) que no pertenecen a ninguna de estas categorías, en los que la dirección de la radiación está en algún otro ángulo con respecto al eje de la antena.

Las antenas de matriz también se pueden clasificar según cómo están dispuestas las antenas elementales:

• Matriz activada : se trata de una matriz en la que las antenas componentes individuales están todas "activadas", es decir, conectadas al transmisor o receptor. Las antenas individuales, que suelen ser idénticas, suelen estar formadas por un único elemento activado , como dipolos de media onda , pero también pueden ser antenas compuestas, como antenas Yagi o antenas de torniquete .
  • Conjunto colineal : conjunto de antenas de banda ancha que consta de múltiples antenas dipolares idénticas orientadas verticalmente en una línea. Se trata de una antena omnidireccional de alta ganancia , que se utiliza a menudo en labanda VHF como antenas de transmisión para estaciones de televisión y antenas de estación base para radios móviles terrestres bidireccionales .
    • Antena superturnstile o de alas de murciélago : antena vertical especializada que se utiliza para la transmisión de televisión y que consta de múltiples antenas de dipolo cruzado montadas de forma colineal sobre un mástil. Patrón de radiación omnidireccional de alta ganancia con amplio ancho de banda.
  • Matriz plana– un conjunto de antenas bidimensionales y planas. Dado que un conjunto de antenas omnidireccionales irradia dos haces con una separación de 180° y que se extienden a ambos lados de la antena, normalmente se monta delante de un reflector plano o se compone de antenas direccionales, como antenas Yagi o helicoidales , para generar un haz unidireccional.
  • Conjunto reflectante : conjunto plano de antenas, a menudo dipolos de media onda alimentados en fase, frente a un reflector plano, como una placa de metal o una pantalla de alambre. Esto irradia un solo haz de ondas de radio perpendiculares (de lado) al conjunto. Se utilizan como antenas de televisión UHF y antenas de radar.
    • Matriz de cortina : antena exterior de transmisión de ondas cortas por cable que consta de una matriz plana de dipolos de cable suspendidos delante de un reflector vertical hecho de una "cortina" de cables paralelos. Se utiliza en la banda de alta frecuencia como antena de transmisión de larga distancia para estaciones de radiodifusión de onda corta. Puede orientarse como matriz en fase.
    • Antena de microbanda : conjunto de antenas de parche fabricadas en una placa de circuito impreso con una lámina de cobre en el reverso que funciona como reflector. Los elementos se alimentan a través de líneas de banda hechas de lámina de cobre. Se utilizan como antenas receptoras de televisión por satélite y UHF.

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    Animación que muestra cómo funciona un arreglo en fase.

    Arreglo en fase o arreglo escaneado electrónicamente : un arreglo plano en el que el haz puede ser dirigido electrónicamente para apuntar en cualquier dirección sobre un ángulo amplio frente al arreglo, sin mover físicamente la antena. La corriente del transmisor se alimenta a cada antena componente a través de un desfasador , controlado por una computadora. Al cambiar la fase relativa de las corrientes de alimentación, el haz puede apuntar instantáneamente en diferentes direcciones. Esta técnica, ampliamente utilizada en radares militares, se está extendiendo rápidamente a las aplicaciones civiles.
    • Matriz de barrido electrónico pasivo (PESA): una matriz en fase como la descrita anteriormente, en la que los elementos de antena se alimentan desde un solo transmisor o receptor a través de desplazadores de fase.
    • Matriz activa de barrido electrónico (AESA): matriz en fase en la que cada elemento de antena tiene su propio módulo transmisor y/o receptor, controlado por una computadora central. Esta tecnología de matriz en fase de segunda generación puede emitir múltiples haces en múltiples frecuencias simultáneamente y se utiliza principalmente en radares militares sofisticados.
  • Matriz conformada : matriz en fase bidimensional que no es plana, sino que se adapta a una superficie curva. Los elementos individuales son accionados por desfasadores que compensan las longitudes de trayectoria variables, lo que permite que la antena irradie un haz de ondas planas. Las antenas conformadas suelen integrarse en la piel curva de aeronaves y misiles para reducir la resistencia aerodinámica.
  • Antena inteligente , antena reconfigurable o matriz adaptativa : una matriz receptora que estima la dirección de llegada de las ondas de radio y optimiza electrónicamente el patrón de radiación de forma adaptativa para recibirla, sintetizando un lóbulo principal en esa dirección. ^[5] Al igual que una matriz en fase, consta de múltiples elementos idénticos con desfasadores en las líneas de alimentación, controlados por una computadora.
• Matriz dipolar logarítmica periódica (LPDA): matriz de emisión longitudinal que consta de muchos elementos accionados por dipolos en línea, con una longitud que aumenta gradualmente. Actúa como una antena de banda ancha de alta ganancia. Se utiliza como antena de recepción de televisión y para comunicaciones de onda corta.

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  Una antena de televisión de techo , un conjunto parásito de emisión final que consiste en una combinación de una antena Yagi y una antena logarítmica periódica .

  Matriz parásita : es una matriz de radiación longitudinal que consta de varios elementos de antena en una línea de los cuales solo uno, el elemento excitado , está conectado al transmisor o receptor, mientras que los otros elementos, llamados elementos parásitos , no lo están. Los elementos parásitos funcionan como resonadores , absorbiendo ondas de radio del elemento excitado y volviéndolas a irradiar con una fase diferente, para modificar el patrón de radiación de la antena, aumentando la potencia radiada en la dirección deseada. Dado que estos tienen solo un elemento excitado, a menudo se los llama "antenas" en lugar de "matrices".
  • Antena Yagi-Uda o antena Yagi: este conjunto de radiación longitudinal consta de múltiples elementos dipolares de media onda en línea. Consta de un único elemento excitado con múltiples elementos parásitos "directores" en la dirección de la radiación y, por lo general, un único elemento parásito "reflector" detrás de él. Se utilizan ampliamente en las bandas de HF , VHF y UHF como antenas de televisión, antenas de comunicación de onda corta y en conjuntos de radares.
  • Antena cuádruple : consta de varias antenas de bucle en línea, una de ellas activa y las otras parásitas. Funciona de manera similar a la antena Yagi.

Matrices periódicas

Consideremos una matriz lineal cuyos elementos están dispuestos a lo largo del eje x de un sistema de referencia cartesiano ortogonal. Se supone que los radiadores tienen la misma orientación y la misma polarización del campo eléctrico. En base a esto, el factor de matriz puede escribirse de la siguiente manera ^[6]

${\displaystyle F(u)=\sum _{n=1}^{N}I_{n}\,e^{jk\,x_{n}u}}$

donde es el número de elementos de antena, es el número de onda, y (en metros) son el coeficiente de excitación complejo y la posición del n-ésimo radiador, respectivamente, , siendo y el ángulo cenital y el ángulo acimutal, respectivamente. Si el espaciamiento entre elementos adyacentes es constante, entonces se puede escribir que , y se dice que el conjunto es periódico. El conjunto es periódico tanto espacialmente (físicamente) como en la variable . Por ejemplo, si , siendo la longitud de onda, entonces la magnitud del factor del conjunto tiene un período, en el dominio de , igual a . Vale la pena enfatizar que es una variable auxiliar. De hecho, desde un punto de vista físico, los valores de que son de interés para fines radiativos caen en el intervalo , que está asociado con los valores de y . En este caso, el intervalo [-1,1] se llama espacio visible . Como se muestra más adelante, si la definición de la variable cambia, la extensión del espacio visible también cambia en consecuencia. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle I_{n}}$ ${\displaystyle x_{n}}$ ${\displaystyle u=\sin \theta \cos \phi }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle x_{n+1}-x_{n}=d}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle d=\lambda /2}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle [-1,1]}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle u}$

Ahora, supongamos que los coeficientes de excitación son variables reales positivas. En este caso, siempre en el dominio de , la magnitud del factor de matriz tiene un lóbulo principal con valor máximo en , llamado lóbulo principal , varios lóbulos secundarios más bajos que el lóbulo principal, llamados lóbulos laterales y réplicas de lóbulos principales llamadas lóbulos de rejilla . Los lóbulos de rejilla son una fuente de desventajas tanto en transmisión como en recepción. De hecho, en transmisión, pueden conducir a radiación en direcciones no deseadas, mientras que, en recepción, pueden ser una fuente de ambigüedad ya que la señal deseada que ingresa a la región del lóbulo principal podría ser fuertemente perturbada por otras señales (señales interferentes no deseadas) que ingresan a las regiones de los diversos lóbulos de rejilla. Por lo tanto, en matrices periódicas, el espaciamiento entre radiadores adyacentes no debe exceder un valor específico para evitar la aparición de lóbulos de rejilla (en el espacio visible) en el espacio visible ), el espaciamiento entre radiadores adyacentes no debe exceder un valor específico. Por ejemplo, como se vio anteriormente, los primeros lóbulos de rejilla para ocurren en . Por lo tanto, en este caso no hay problemas ya que, de esta manera, los lóbulos de la rejilla quedan fuera del intervalo [-1,1]. ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle u=0}$ ${\displaystyle d=\lambda /2}$ ${\displaystyle u=\pm 2}$

Matrices aperiódicas

Como se ha visto anteriormente, cuando el espaciamiento entre radiadores adyacentes es constante, el factor de matriz se caracteriza por la presencia de lóbulos de rejilla. En la literatura se ha demostrado ampliamente que para destruir la periodicidad del factor de matriz, la geometría de la misma matriz también debe hacerse aperiódica. ^[7] Es posible actuar sobre las posiciones de los radiadores de modo que estas posiciones no sean conmensurables entre sí. Se han desarrollado varios métodos para sintetizar matrices en las que también las posiciones representan grados de libertad adicionales (incógnitas). Existen metodologías tanto deterministas ^[8] como probabilísticas ^{[9] [10]} . Dado que la teoría probabilística de matrices aperiódicas es una teoría suficientemente sistematizada, con una sólida base metodológica general, concentrémonos primero en describir sus peculiaridades.

Supóngase que las posiciones de los radiadores, , son variables aleatorias independientes e idénticamente distribuidas cuyo soporte coincide con toda la apertura del arreglo. En consecuencia, el factor del arreglo es un proceso estocástico, cuya media es la siguiente ^[9] ${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$

${\displaystyle E\left[F(u)\right]=\textstyle \int \limits _{-L/2}^{L/2}f(x)\,e^{jkxu}\,dx}$

Diseño de redes de antenas

En un conjunto de antenas que proporciona un patrón de radiación fijo, podemos considerar que la red de alimentación es una parte del conjunto de antenas. Por lo tanto, el conjunto de antenas tiene un solo puerto. Se pueden formar haces estrechos, siempre que la fase de cada elemento del conjunto sea adecuada. Si, además, la amplitud de la excitación recibida por cada elemento (durante la emisión) también está bien elegida, es posible sintetizar un conjunto de un solo puerto que tenga un patrón de radiación que se aproxime estrechamente a un patrón especificado. ^[6] Se han desarrollado muchos métodos para la síntesis de patrones de conjuntos. Otras cuestiones que se deben considerar son la adaptación, la eficiencia de la radiación y el ancho de banda.

El diseño de un conjunto de antenas orientables electrónicamente es diferente, porque se puede variar la fase de cada elemento y, posiblemente, también la amplitud relativa de cada elemento. En este caso, el conjunto de antenas tiene varios puertos, de modo que los aspectos de adaptación y eficiencia son más importantes que en el caso de un solo puerto. Además, la adaptación y la eficiencia dependen de la excitación, excepto cuando se pueden ignorar las interacciones entre las antenas.

Un conjunto de antenas utilizado para la diversidad espacial y/o multiplexación espacial (que son diferentes tipos de comunicación por radio MIMO) siempre tiene varios puertos. ^[11] Su finalidad es recibir excitaciones independientes durante la emisión y entregar señales más o menos independientes durante la recepción. Aquí también se involucran los temas de adaptación y eficiencia, especialmente en el caso de un conjunto de antenas de un dispositivo móvil (ver capítulo 10 de ^[11] ), ya que, en este caso, el entorno del conjunto de antenas influye en su comportamiento y varía con el tiempo. Las métricas de adaptación y eficiencia adecuadas tienen en cuenta las peores excitaciones posibles. ^[12]

Véase también

• Coeficiente de reflexión activa total

Referencias

1. Carr, Joseph; Hippisley, George (2012). Manual práctico de antenas, 5.ª edición, McGraw-Hill. ISBN 9780071639590.
2. Graf, Rudolf F., ed. (1999). "Antena". Diccionario moderno de electrónica. Newnes. pág. 29. ISBN 978-0750698665.uah1PkxWeKYC.
3. Poole, Ian (2016). "¿Qué es MIMO? Tutorial de entrada múltiple y salida múltiple". Antenas y propagación . Radio-electronics.com (Adrio Communications) . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
4. Bevelacqua, Peter (2016). "Array Antennas". Antenna-theory.com . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
5. Poole, Ian (2016). "Tutorial de antenas inteligentes". Antenas y propagación . Radio-electronics.com (Adrio Communications) . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
6. Collin, Robert E. (1985). Antenas y propagación de ondas de radio . McGraw-Hill. ISBN 0-07-011808-6.
7. Steinberg, B. (1972). "El lóbulo lateral máximo de un conjunto en fase con elementos ubicados aleatoriamente". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 20 (2): 129–136. Bibcode :1972ITAP...20..129S. doi :10.1109/TAP.1972.1140162. ISSN  0096-1973.
8. Ishimaru, A. (1962). "Teoría de conjuntos desigualmente espaciados". IRE Transactions on Antennas and Propagation . 10 (6): 691–702. Bibcode :1962ITAP...10..691I. doi :10.1109/TAP.1962.1137952. ISSN  0096-1973.
9. Lo, Y. (1964). "Una teoría matemática de conjuntos de antenas con elementos espaciados aleatoriamente". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 12 (3): 257–268. Bibcode :1964ITAP...12..257L. doi :10.1109/TAP.1964.1138220. ISSN  0096-1973.
10. Skolnik, M.; Sherman, J.; Ogg, F. (1964). "Conjuntos de densidad cónica diseñados estadísticamente". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 12 (4): 408–417. Bibcode :1964ITAP...12..408S. doi :10.1109/TAP.1964.1138239. ISSN  0096-1973.
11. Sibille, Alain; Estges, Claude; Zanella, Alberto (2011). MIMO: de la teoría a la implementación . Elsevier. ISBN 978-0-12-382194-2.
12. Broydé, F.; Clavelier, E. (enero de 2022). "Eficiencias de radiación y transductores de un conjunto de antenas multipuerto". Excem Research Papers in Electronics and Electromagnetics (4). doi :10.5281/zenodo.5816837.