En telecomunicaciones y radar , una antena de matriz reflectante es una clase de antenas directivas en las que se montan múltiples elementos accionados frente a una superficie plana diseñada para reflejar las ondas de radio en una dirección deseada. Son un tipo de antena de matriz . Se suelen utilizar en las bandas de frecuencia VHF y UHF . Los ejemplos de VHF son generalmente grandes y se parecen a un cartel publicitario de carretera , por lo que a veces se les llama antenas publicitarias . Otros nombres son conjunto de somieres [1] y conjunto de pajarita , según el tipo de elementos que componen la antena. El sistema de cortina es una versión más grande utilizada por las estaciones de radiodifusión de onda corta .
Las antenas de matriz reflectante generalmente tienen una serie de elementos accionados idénticos, alimentados en fase , frente a una superficie reflectante plana y eléctricamente grande para producir un haz unidireccional de ondas de radio, lo que aumenta la ganancia de la antena y reduce la radiación en direcciones no deseadas. Cuanto mayor sea el número de elementos utilizados, mayor será la ganancia; cuanto más estrecho es el haz y más pequeños son los lóbulos laterales . Los elementos individuales suelen ser dipolos de media onda , aunque a veces contienen elementos parásitos además de elementos impulsados. El reflector puede ser una lámina de metal o, más comúnmente, una pantalla de alambre. Una pantalla de metal refleja ondas de radio tan bien como una lámina de metal sólida, siempre que los orificios de la pantalla sean más pequeños que aproximadamente una décima parte de una longitud de onda, por lo que las pantallas se utilizan a menudo para reducir el peso y las cargas de viento en la antena. Suelen consistir en una rejilla de alambres o varillas paralelas, orientadas paralelamente al eje de los elementos dipolares.
Los elementos accionados son alimentados por una red de líneas de transmisión , que dividen la potencia de la fuente de RF en partes iguales entre los elementos. Este suele tener la geometría del circuito de una estructura de árbol.
Cuando una señal de radio pasa por un conductor, induce una corriente eléctrica en él. Dado que la señal de radio llena el espacio y el conductor tiene un tamaño finito, las corrientes inducidas se suman o se cancelan a medida que se mueven a lo largo del conductor. Un objetivo básico del diseño de una antena es hacer que las corrientes sumen un máximo en el punto donde se extrae la energía. Para ello, los elementos de la antena se dimensionan en relación con la longitud de onda de la señal de radio, con el objetivo de generar ondas estacionarias de corriente que se maximicen en el punto de alimentación.
Esto significa que una antena diseñada para recibir una longitud de onda particular tiene un tamaño natural. Para mejorar la recepción, no se puede simplemente agrandar la antena; esto mejorará la cantidad de señal interceptada por la antena, que es en gran medida una función del área, pero reducirá la eficiencia de la recepción (a una longitud de onda determinada). Por lo tanto, para mejorar la recepción, los diseñadores de antenas suelen utilizar múltiples elementos, combinándolos para que sus señales se sumen. Estos se conocen como conjuntos de antenas .
Para que las señales se sumen, deben llegar en fase . Consideremos dos antenas dipolo colocadas en una línea de extremo a extremo o colineal . Si la matriz resultante apunta directamente a la señal fuente, ambos dipolos verán la misma señal instantánea y, por lo tanto, su recepción estará en fase. Sin embargo, si uno girara la antena para que quede en ángulo con la señal, el camino adicional desde la señal hasta el dipolo más distante significa que recibe la señal ligeramente desfasada. Cuando las dos señales se suman, ya no se refuerzan estrictamente entre sí y la salida cae. Esto hace que la matriz sea más sensible horizontalmente, mientras que apilar los dipolos en paralelo estrecha el patrón verticalmente. Esto permite al diseñador adaptar el patrón de recepción y, por tanto, la ganancia , moviendo los elementos.
Si la antena está correctamente alineada con la señal, en cualquier instante dado, todos los elementos de una matriz recibirán la misma señal y estarán en fase. Sin embargo, la salida de cada elemento debe reunirse en un único punto de alimentación y, a medida que las señales viajan a través de la antena hasta ese punto, su fase cambia. En una matriz de dos elementos esto no es un problema porque el punto de alimentación se puede colocar entre ellos; cualquier cambio de fase que tenga lugar en las líneas de transmisión es igual para ambos elementos. Sin embargo, si se extiende esto a una matriz de cuatro elementos, este enfoque ya no funciona, ya que la señal del par externo tiene que viajar más lejos y, por lo tanto, estará en una fase diferente que la del par interno cuando llegue al centro. Para garantizar que todos lleguen con la misma fase, es común ver un cable de transmisión adicional insertado en la ruta de la señal, o que la línea de transmisión se cruce para invertir la fase si la diferencia es mayor que 1 ⁄ 2 longitud de onda.
La ganancia se puede mejorar aún más añadiendo un reflector . Generalmente, cualquier conductor en una lámina plana actuará como un espejo para señales de radio, pero esto también es válido para superficies no continuas siempre que los espacios entre los conductores sean menores que aproximadamente 1/10 de la longitud de onda objetivo . [2] Esto significa que se pueden utilizar mallas de alambre o incluso alambres paralelos o barras metálicas, lo que es especialmente útil tanto para reducir la cantidad total de material como para reducir las cargas de viento.
Debido al cambio en la dirección de propagación de la señal durante la reflexión, la señal sufre una inversión de fase. Para que el reflector se sume a la señal de salida, debe llegar a los elementos en fase. Generalmente, esto requeriría que el reflector se coloque a 1⁄4 de longitud de onda detrás de los elementos, y esto se puede ver en muchos conjuntos de reflectores comunes, como antenas de televisión . Sin embargo, hay una serie de factores que pueden cambiar esta distancia y la posición real del reflector varía.
Los reflectores también tienen la ventaja de reducir la señal recibida desde la parte posterior de la antena. Las señales recibidas desde la parte trasera y retransmitidas desde el reflector no han sufrido un cambio de fase y no se suman a la señal del frente. Esto mejora enormemente la relación adelante-atrás de la antena, haciéndola más direccional. Esto puede resultar útil cuando se desea una señal más direccional o cuando hay señales no deseadas presentes. Hay casos en los que esto no es deseable y, aunque los reflectores se ven comúnmente en conjuntos de antenas, no son universales. Por ejemplo, mientras que las antenas de televisión UHF suelen utilizar un conjunto de antenas tipo pajarita con un reflector, un conjunto de antenas tipo pajarita sin reflector es un diseño relativamente común en la región de las microondas . [3]
A medida que se agregan más elementos a una matriz, el ancho del haz del lóbulo principal de la antena disminuye, lo que lleva a un aumento en la ganancia. En teoría, este proceso no tiene límites. Sin embargo, a medida que aumenta el número de elementos, aumenta la complejidad de la red de alimentación requerida que mantiene las señales en fase. En última instancia, las crecientes pérdidas inherentes en la red de alimentación se vuelven mayores que la ganancia adicional lograda con más elementos, lo que limita la ganancia máxima que se puede lograr.
La ganancia de las antenas de matriz prácticas está limitada a unos 25-30 dB. Se han utilizado dos elementos de media onda separados por media onda y un cuarto de onda de una pantalla reflectante como antena de ganancia estándar con aproximadamente 9,8 dBi en su frecuencia de diseño. [4] Las antenas de televisión comunes de 4 bahías tienen ganancias de alrededor de 10 a 12 dB, [5] y los diseños de 8 bahías podrían aumentar esto a 12 a 16 dB. [6] El SCR-270 de 32 elementos tenía una ganancia de alrededor de 19,8 dB. [7] Se han construido algunos conjuntos reflectantes muy grandes, en particular los radares soviéticos Duga , que tienen cientos de metros de ancho y contienen cientos de elementos. Las antenas activas , en las que grupos de elementos son controlados por amplificadores de RF separados, pueden tener una ganancia mucho mayor, pero son prohibitivamente caras.
Desde la década de 1980, se han fabricado versiones para uso en frecuencias de microondas con elementos de antena de parche montados delante de una superficie metálica. [8]
Cuando se activa en fase, el patrón de radiación del conjunto reflectante es un único lóbulo principal perpendicular al plano de la antena, más varios lóbulos laterales en ángulos iguales a cada lado. Cuantos más elementos se utilizan, más estrecho es el lóbulo principal y menos energía se irradia en los lóbulos laterales.
El lóbulo principal de la antena se puede orientar electrónicamente dentro de un ángulo limitado desfasando las señales de accionamiento aplicadas a los elementos individuales. Cada elemento de antena se alimenta a través de un desfasador que se puede controlar digitalmente, retrasando cada señal en una cantidad sucesiva. Esto hace que los frentes de onda creados por la superposición de los elementos individuales formen un ángulo con respecto al plano de la antena. Las antenas que utilizan esta técnica se denominan conjuntos en fase y se utilizan a menudo en los sistemas de radar modernos.
Otra opción para dirigir el haz es montar toda la estructura de la antena en una plataforma pivotante y girarla mecánicamente.
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).