En telecomunicaciones y radar , una antena de matriz reflectante es una clase de antenas directivas en las que se montan múltiples elementos accionados delante de una superficie plana diseñada para reflejar las ondas de radio en una dirección deseada. Son un tipo de antena de matriz . A menudo se utilizan en las bandas de frecuencia VHF y UHF . Los ejemplos de VHF son generalmente grandes y se parecen a una valla publicitaria de una carretera , por lo que a veces se las llama antenas de valla publicitaria . Otros nombres son matriz de resortes de cama [1] y matriz de pajarita, según el tipo de elementos que componen la antena. La matriz de cortina es una versión más grande utilizada por las estaciones de radiodifusión de onda corta .
Las antenas de matriz reflectante suelen tener una serie de elementos excitados idénticos, alimentados en fase , delante de 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 sea el haz y más pequeños serán los lóbulos laterales . Los elementos individuales son más comúnmente dipolos de media onda , aunque a veces contienen elementos parásitos además de elementos excitados. El reflector puede ser una lámina de metal o, más comúnmente, una pantalla de alambre. Una pantalla de metal refleja las 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 a menudo se utilizan pantallas para reducir el peso y las cargas de viento en la antena. Por lo general, consisten en una rejilla de alambres o varillas paralelas, orientadas en paralelo al eje de los elementos dipolares.
Los elementos accionados se alimentan mediante una red de líneas de transmisión , que dividen la potencia de la fuente de RF de manera equitativa entre los elementos. Esto suele tener la geometría de circuito de una estructura de árbol.
Cuando una señal de radio pasa por un conductor, induce una corriente eléctrica en él. Como 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 antenas es hacer que las corrientes se sumen hasta 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 establecer 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 hacer la antena más grande; 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 dada). Por lo tanto, para mejorar la recepción, los diseñadores de antenas a menudo utilizan múltiples elementos, combinándolos entre sí para que sus señales se sumen. Estos se conocen como conjuntos de antenas .
Para que las señales se sumen, deben llegar en fase . Considere dos antenas dipolo colocadas en una línea de extremo a extremo, o colineales . Si el conjunto resultante apunta directamente a la señal de origen, 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 estuviera 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 el conjunto 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 lo tanto, la ganancia , moviendo los elementos.
Si la antena está correctamente alineada con la señal, en cualquier instante dado en el tiempo, todos los elementos de un conjunto recibirán la misma señal y estarán en fase. Sin embargo, la salida de cada elemento tiene que ser recogida en un único punto de alimentación, y a medida que las señales viajan a través de la antena hasta ese punto, su fase va cambiando. En un conjunto de dos elementos esto no es un problema porque el punto de alimentación puede colocarse entre ellos; cualquier cambio de fase que tenga lugar en las líneas de transmisión es igual para ambos elementos. Sin embargo, si uno extiende esto a un conjunto de cuatro elementos, este enfoque ya no funciona, ya que la señal del par exterior tiene que viajar más lejos y, por lo tanto, estará en una fase diferente a la del par interior 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 mediante la adición de un reflector . Generalmente, cualquier conductor en una lámina plana actuará como un espejo para las 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 de metal, 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, tiene que llegar a los elementos en fase. Por lo general, 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 las 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 posterior y retransmitidas desde el reflector no han sufrido un cambio de fase y no se suman a la señal desde la parte frontal. Esto mejora en gran medida la relación de adelante hacia atrás de la antena, haciéndola más direccional. Esto puede ser útil cuando se desea una señal más direccional o hay señales no deseadas. Hay casos en los que esto no es deseable y, aunque los reflectores se ven comúnmente en antenas de matriz, no son universales. Por ejemplo, mientras que las antenas de televisión UHF a menudo utilizan una matriz de antenas de lazo con un reflector, una matriz de lazo sin reflector es un diseño relativamente común en la región de microondas . [3]
A medida que se añaden más elementos a una matriz, el ancho de haz del lóbulo principal de la antena disminuye, lo que genera un aumento de 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 necesaria para mantener las señales en fase. En última instancia, las crecientes pérdidas inherentes en la red de alimentación se vuelven mayores que la ganancia adicional que se logra 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 unos 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 pueden 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 de matriz activa , en las que los grupos de elementos son impulsados 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 utilicen, más estrecho será el lóbulo principal y menos potencia se irradiará en los lóbulos laterales.
El lóbulo principal de la antena se puede orientar electrónicamente dentro de un ángulo limitado mediante el desplazamiento de fase de las señales de control aplicadas a los elementos individuales. Cada elemento de la antena se alimenta a través de un desplazador de fase 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 antenas 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 rotarla 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 ).