Conjunto de antenas

Conjunto de múltiples antenas que funcionan 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 otorgan un amplio ancho de banda para cubrir las bandas de televisión VHF (174–216 MHz) y UHF (470–700 MHz). Tiene una ganancia de 5 dB VHF y 12 dB UHF y una relación adelante-atrás de 18 dB.

Gran antena plana de un radar móvil de defensa aérea ruso VHF , el Nebo-M. Consta de 175 antenas dipolo plegadas . Una de las primeras matrices en fase , la antena irradiaba un haz vertical en forma de abanico que podía barrer horizontalmente a través del espacio aéreo frente a la antena.

Un conjunto de antenas (o conjunto de antenas ) es un conjunto de múltiples antenas conectadas que funcionan juntas como una sola antena para transmitir o recibir ondas de radio . Las antenas individuales (llamadas elementos ) generalmente están 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 constructivamente ) para mejorar la potencia radiada en las direcciones deseadas y cancelándose ( interfiriendo destructivamente ) para reducir la potencia radiada en otras direcciones. De manera similar, cuando se usan 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 desde las direcciones deseadas y cancelar las señales de direcciones no deseadas. Las antenas de conjunto más sofisticadas pueden tener múltiples módulos transmisores o receptores, cada uno de ellos conectado a un elemento o grupo de elementos de antena independiente.

Un conjunto de antenas puede lograr una mayor ganancia ( directividad ), es decir, un haz de ondas de radio más estrecho, que el que podría lograrse 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 militares en fase ) se componen de miles de antenas individuales. Las matrices se pueden utilizar para lograr una mayor ganancia, para brindar diversidad de ruta (también llamada MIMO ) ^[1] , lo que aumenta la confiabilidad de la comunicación, para cancelar la interferencia de direcciones específicas, para dirigir el haz de radio electrónicamente para que apunte en diferentes direcciones y para radiogoniometría. (RDF). ^[2]

El término conjunto de antenas comúnmente significa un conjunto impulsado que consta de múltiples elementos impulsados ​​idénticos , todos conectados al receptor o transmisor. Una matriz parásita consta de un único elemento impulsado conectado a la línea de alimentación y otros elementos que no lo están, llamados elementos parásitos . Suele ser otro nombre para una antena Yagi-Uda .

Una matriz en fase normalmente significa una matriz escaneada 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 que apunte instantáneamente en cualquier dirección en un gran ángulo, sin mover las antenas. Sin embargo, el término "matriz en fase" se utiliza a veces para referirse a una antena de matriz ordinaria. ^[2]

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 aproximadamente una longitud de onda, como los monopolos de un cuarto de onda y los dipolos de media onda , no tienen mucha directividad ( ganancia ); Son antenas omnidireccionales que irradian ondas de radio en un gran ángulo. Para crear una antena direccional ( antena de alta ganancia ), que irradie 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 o bocinas parabólicas , o la refracción mediante lentes dieléctricas para cambiar la dirección de las ondas de radio y enfocar las ondas de radio desde una única antena de baja ganancia en un haz. Este tipo se llama antena de apertura . Un plato parabólico es un ejemplo de este tipo de antena.

Una segunda técnica consiste en utilizar múltiples antenas que se alimentan desde el mismo transmisor o receptor; esto se llama conjunto de antenas o conjunto de antenas. 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 al conjunto para crear ondas planas , un haz de ondas de radio que viaja en una dirección específica. . En las 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 , coincidiendo el pico de una onda con el valle de otra, las ondas se anulan ( 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 cancela entre sí.

El patrón de radiación de una antena de este tipo consta de un haz potente en una dirección, el lóbulo principal , más una serie de haces más débiles en diferentes ángulos llamados lóbulos laterales , que normalmente representan radiación residual en direcciones no deseadas. Cuanto mayor sea el ancho de la antena y mayor el número de elementos componentes de la antena, 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 costado; el lóbulo principal se emite perpendicular al plano de los elementos.

The largest array antennas are radio interferometers used in the field of radio astronomy, in which multiple radio telescopes consisting of large parabolic antennas are linked together into an antenna array, to achieve higher resolution. Using the technique called aperture synthesis such an array can have the resolution of an antenna with a diameter equal to the distance between the antennas. In the technique called Very Long Baseline Interferometry (VLBI) dishes on separate continents have been linked, creating "array antennas" thousands of miles in size.

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  VHF collinear array of folded dipoles
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  Sector antennas (white bars) on cell phone tower. Collinear dipole arrays, radiating a flat, fan-shaped beam.
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  108 MHz reflective array antenna of an SCR-270 radar used during World War II consists of 32 half-wave dipole antennas in front of a reflecting screen.
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  US Air Force PAVE PAWS phased array 420–450 MHz radar antenna for ballistic missile detection, Alaska. The two circular arrays are each composed of 2677 crossed dipole antennas.
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  Some of the crossed-dipole elements in the PAVE PAWS phased array antenna, left
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  Batwing VHF television broadcasting antenna
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  Crossed-dipole FM radio broadcast antenna
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  Curtain array shortwave transmitting antenna, Austria. Wire dipoles suspended between towers
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  Turnstile antenna array used for satellite communication
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  Flat microstrip array antenna for satellite TV reception.
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  The Very Large Array, a radio telescope made of a Y-shaped array of 27 dish antennas in Socorro, New Mexico
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  HAARP, a phased array of 180 crossed dipoles in Alaska which can transmit a 3.6 MW beam of 3–10 MHz radio waves into the ionosphere for research purposes
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  Array of four helical antennas used as a satellite tracking antenna, Pleumeur-Bodou, France

Types

Most array antennas can be divided into two classes based on how the component antennas' axis relates to the radiation direction.

• A broadside array is a one or two dimensional array in which the direction of radiation (main lobe) of the radio waves is perpendicular to the plane of the antennas. To radiate perpendicularly, the antennas must be fed in phase.
• Un conjunto endfire es un conjunto lineal en el que la dirección de la radiación es a lo largo de la línea de las antenas. Las antenas deben alimentarse con una diferencia de fase igual a la separación de antenas adyacentes.

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

Las antenas de matriz también se pueden clasificar según la forma en que están dispuestas las antenas de elementos:

• Conjunto controlado : se trata de un conjunto en el que las antenas de los componentes individuales están todas "controladas", conectadas al transmisor o al receptor. Las antenas individuales, que suelen ser idénticas, a menudo constan de elementos accionados individuales , como dipolos de media onda , pero también pueden ser antenas compuestas como antenas Yagi o antenas de torniquete .
  • Conjunto colineal : conjunto lateral que consta de múltiples antenas dipolo idénticas orientadas verticalmente en una línea. Se trata de una antena omnidireccional de alta ganancia , utilizada a menudo en la banda VHF como antenas de transmisión para estaciones de televisión y antenas de estaciones base para radios bidireccionales móviles terrestres .
    • Supertorniquete o conjunto Batwing : antena vertical especializada utilizada para transmisiones de televisión que consta de múltiples antenas dipolos cruzados montadas colinealmente en un mástil. Patrón de radiación omnidireccional de alta ganancia con amplio ancho de banda.
  • matriz plana– un conjunto plano bidimensional de antenas. Dado que un conjunto de antenas omnidireccionales irradia dos haces con una separación de 180° a ambos lados de la antena, generalmente se monta frente a un reflector plano o se compone de antenas directivas como Yagi o antenas helicoidales , para proporcionar 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 único haz de ondas de radio perpendicular (lado ancho) al conjunto. Utilizadas como antenas de televisión UHFy antenas de radar.
    • Conjunto de cortina : antena transmisora ​​de onda corta de alambre para exteriores que consta de un conjunto plano de dipolos de alambre suspendidos frente a un reflector vertical hecho de una "cortina" de alambres paralelos. Se utiliza en la banda HF como antena transmisora ​​de larga distancia para estaciones de radiodifusión de onda corta. Puede ser gobernado como una matriz en fase.
    • Antena microstrip : un 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 cinta hechas de láminas de cobre. Utilizadas como antenas receptoras de televisión por satélite y UHF.

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    Animación que muestra cómo funciona una matriz en fase.

    Conjunto en fase o conjunto escaneado electrónicamente : conjunto plano en el que el haz se puede dirigir electrónicamente para apuntar en cualquier dirección en un ángulo amplio frente al conjunto, 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 aplicaciones civiles.
    • Conjunto pasivo escaneado electrónicamente (PESA): un conjunto en fase como se describe anteriormente, en el que los elementos de la antena se alimentan desde un único transmisor o receptor a través de desfasadores.
    • Conjunto activo escaneado electrónicamente (AESA): un conjunto en fase en el 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 irradiar múltiples haces en múltiples frecuencias simultáneamente y se utiliza principalmente en radares militares sofisticados.
  • Matriz conforme : una matriz en fases bidimensional que no es plana, sino que se adapta a alguna superficie curva. Los elementos individuales son impulsados ​​por desfasadores que compensan las diferentes longitudes de trayectoria, permitiendo que la antena irradie un haz de onda plana. Las antenas conformadas suelen estar integradas en la piel curva de aviones y misiles, para reducir la resistencia aerodinámica.
  • Antena inteligente , antena reconfigurable o conjunto adaptativo : conjunto receptor 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. ^[3] Al igual que una matriz en fase, consta de múltiples elementos idénticos con desfasadores en las líneas de alimentación, controlados por una computadora.
• Matriz de dipolos log-periódicos (LPDA): una matriz de endfire que consta de muchos elementos impulsados ​​por dipolos en una línea, con una longitud que aumenta gradualmente. Actúa como una antena de banda ancha de alta ganancia. Utilizadas como antenas de recepción de televisión y para comunicación de onda corta.

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  Una antena de televisión en la azotea , una matriz parásita Endfire que consiste en una combinación de una antena Yagi y una antena logarítmica periódica.

  Matriz parásita : se trata de una matriz endfire que consta de múltiples elementos de antena en una línea de los cuales solo uno, el elemento impulsado , 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 impulsado y reradiándolas con una fase diferente, para modificar el patrón de radiación de la antena, aumentando la potencia radiada en la dirección deseada. Dado que sólo tienen un elemento accionado, a menudo se les llama "antenas" en lugar de "conjuntos".
  • Antena Yagi-Uda o antena Yagi: este conjunto de endfire consta de múltiples elementos dipolo de media onda en una línea. Consiste en un único elemento impulsado con múltiples elementos parásitos "directores" en la dirección de la radiación y, normalmente, un único elemento parásito "reflector" detrás de él. Se utilizan ampliamente en las bandas HF , VHF y UHF como antenas de televisión, antenas de comunicación de onda corta y en conjuntos de radar.
  • Antena cuádruple : consta de múltiples antenas de bucle en una línea, con un bucle controlado y los demás parásitos. 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 se puede escribir de la siguiente manera ^[4]

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

donde es el número de elementos de la antena, es el número de onda y (en metros) son el coeficiente de excitación complejo y la posición del enésimo radiador, respectivamente, siendo y el ángulo cenital y el ángulo azimutal, respectivamente. Si el espacio entre elementos adyacentes es constante, entonces se puede escribir que y se dice que la matriz es periódica. La matriz es periódica tanto espacialmente (físicamente) como en la variable . Por ejemplo, si , siendo la longitud de onda, entonces la magnitud del factor de matriz tiene un período, en el dominio de , igual a . Cabe destacar 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 del lóbulo principal llamadas lóbulos de rejilla . Los lóbulos de rejilla son una fuente de desventajas tanto en la transmisión como en la recepción. De hecho, en la transmisión, pueden provocar radiación en direcciones no deseadas, mientras que, en la recepción, pueden ser una fuente de ambigüedad, ya que la señal deseada que ingresa a la región del lóbulo principal podría verse fuertemente perturbada por otras señales (señales de interferencia no deseadas) que ingresan a las regiones. de los distintos lóbulos de la rejilla. Por lo tanto, en conjuntos periódicos, el espacio entre radiadores adyacentes no debe exceder un valor específico para evitar la aparición de lóbulos de rejilla (en el espacio visible ) , el espacio entre radiadores adyacentes no debe exceder un valor específico. Por ejemplo, como se vio anteriormente, los primeros lóbulos de la rejilla ocurren en . Entonces, 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 ve arriba, cuando el espacio es constante entre radiadores adyacentes, 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. ^[5] 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 mayores grados de libertad (incógnitas). Existen metodologías tanto deterministas ^[6] como probabilísticas ^{[7] [8]} . Dado que la teoría probabilística de conjuntos aperiódicos es una teoría suficientemente sistematizada, con una base metodológica general sólida, concentrémonos primero en describir sus peculiaridades.

Supongamos que las posiciones de los radiadores, , son variables aleatorias independientes e idénticamente distribuidas cuyo soporte coincide con toda la apertura del conjunto. En consecuencia, el factor de matriz es un proceso estocástico, cuya media es la siguiente ^[7] ${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$

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

Diseño de conjuntos de antenas.

En un conjunto de antenas que proporciona un patrón de radiación fijo, podemos considerar que la red de alimentación es parte del conjunto de antenas. Por tanto, el conjunto de antenas tiene un único puerto. Se pueden formar vigas estrechas, siempre que la fase de cada elemento de la matriz sea apropiada. Si, además, también se elige bien la amplitud de la excitación recibida por cada elemento (durante la emisión), es posible sintetizar una matriz de un solo puerto que tenga un patrón de radiación que se aproxime mucho a un patrón específico. ^[4] Se han desarrollado muchos métodos para la síntesis de patrones de matrices. Otras cuestiones que deben considerarse son la adaptación, la eficiencia de la radiación y el ancho de banda.

El diseño de un conjunto de antenas orientable electrónicamente es diferente, porque se puede variar la fase de cada elemento, y posiblemente también la amplitud relativa de cada elemento. Aquí, el conjunto de antenas tiene múltiples puertos, por lo que los temas de coincidencia y eficiencia son más complicados que en el caso de un solo puerto. Además, la adaptación y la eficiencia dependen de la excitación, excepto cuando las interacciones entre las antenas pueden ignorarse.

Un conjunto de antenas utilizado para diversidad espacial y/o multiplexación espacial (que son diferentes tipos de comunicación por radio MIMO) siempre tiene múltiples puertos. ^[9] Está destinado a recibir excitaciones independientes durante la emisión y a entregar señales más o menos independientes durante la recepción. Aquí también están involucrados los temas de adaptación y eficiencia, especialmente en el caso de un conjunto de antenas de un dispositivo móvil (ver capítulo 10 de ^[9] ), ya que, en este caso, el entorno del conjunto de antenas influye en su comportamiento. y varían con el tiempo. Las métricas de coincidencia y las métricas de eficiencia adecuadas tienen en cuenta las peores excitaciones posibles. ^[10]

Ver también

• Coeficiente de reflexión activa total

Referencias

1. Poole, Ian (2016). "¿Qué es MIMO? Tutorial de múltiples entradas y múltiples salidas". Antenas y propagación . Radio-electronics.com (Adrio Communications . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
2. Bevelacqua, Peter (2016). "Matriz de antenas". Antena-theory.com . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
3. Poole, Ian (2016). "Tutorial de Antenas Inteligentes". Antenas y propagación . Radio-electrónica.com (Adrio Communications) . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
4. Collin, Robert E. (1985). Antenas y Propagación de Ondas Radioeléctricas . McGraw-Hill. ISBN 0-07-011808-6.
5. Steinberg, B. (1972). "El lóbulo lateral máximo de la matriz en fase que tiene elementos ubicados aleatoriamente". Transacciones IEEE sobre antenas y propagación . 20 (2): 129-136. Código Bib : 1972ITAP...20..129S. doi :10.1109/TAP.1972.1140162. ISSN  0096-1973.
6. Ishimaru, A. (1962). "Teoría de matrices desigualmente espaciadas". Transacciones IRE sobre Antenas y Propagación . 10 (6): 691–702. Código Bib : 1962ITAP...10..691I. doi :10.1109/TAP.1962.1137952. ISSN  0096-1973.
7. Lo, Y. (1964). "Una teoría matemática de conjuntos de antenas con elementos espaciados aleatoriamente". Transacciones IEEE sobre antenas y propagación . 12 (3): 257–268. Código Bib : 1964ITAP...12..257L. doi :10.1109/TAP.1964.1138220. ISSN  0096-1973.
8. Skólnik, M.; Sherman, J.; Ogg, F. (1964). "Matrices de densidad cónica diseñadas estadísticamente". Transacciones IEEE sobre antenas y propagación . 12 (4): 408–417. Código Bib : 1964ITAP...12..408S. doi :10.1109/TAP.1964.1138239. ISSN  0096-1973.
9. Sibille, Alain; Estges, Claude; Zanella, Alberto (2011). MIMO: de la teoría a la implementación . Elsevier. ISBN 978-0-12-382194-2.
10. Broydé, F.; Clavelier, E. (enero de 2022). "La eficiencia de la radiación y del transductor de una matriz de antenas multipuerto". Trabajos de investigación de Excem en Electrónica y Electromagnética (4). doi :10.5281/zenodo.5816837.