CAPITULO 2. ANTENAS E INSTRUMENTOS DE MEDIDA

INTRODUCCIN

Las antenas son un tipo muy particular de circuitos cuya misin ms importante es

generar ondas de radiacin con alto rendimiento. Adems tienen, en muchos

casos, la posibilidad de dirigir esa radiacin en una direccin o direcciones

preferentes. En los tres primeros apartados de este captulo se introduce al

funcionamiento y caracterizacin de una antena. Dedicamos una parte final a una

descripcin de los tipos ms frecuentes de antenas

2.1 CAMPOS DE RADIACIN DE UNA ANTENA.

2.1.1 CAMPO LEJANO

Si partimos de la idea de que todo elemento de corriente variable en el tiempo

genera una onda radiada, cualquier circuito elctrico produce una radiacin

electromagntica. Normalmente, en circuitos electrnicos de informtica, control o

comunicaciones, esa radiacin es muy pequea. Las antenas son circuitos

diseados para conseguir una fuerte radiacin, de forma que la mayor parte de la

potencia de entrada se traduce en una onda radiada. Para determinar la forma en

que radia una antena debemos sumar todas las contribuciones de todos los

elementos de corriente que forman la antena.

Cuando consideramos la antena limitada a un cierto volumen y miramos el campo

elctrico que produce a una distancia grande, la forma de la onda generada se

parece mucho a una onda esfrica. En esta onda los frentes de fase son esferas

centradas en el centro de la antena y la amplitud y la fase dependen de la

distancia a la antena de la misma forma en todas las direcciones. La amplitud y

fase pueden ser diferentes para cada direccin, pero el campo elctrico es

siempre perpendicular a la direccin de propagacin, que es la del radio de la

esfera. Estas condiciones son las que se denominan de Campo Lejano.

La forma que puede tomar una antena es muy variada y estamos acostumbrados

a ver antenas de hilos, como los monopolos y dipolos, antenas conectadas a

guas de onda, como las bocinas, y antenas ms complejas como las formadas

por reflectores parablicos. En cualquier caso, siempre encontramos un par de

terminales o una conexin a una lnea de transmisin que ser la puerta de

entrada a la antena. Cuando conectamos la antena a un generador sinusoidal a la

frecuencia f, se puede escribir el campo elctrico radiado por una antena de la forma

general siguiente:

Figura 2.1 Antena dipolo en el eje Z del sistema de Coordenadas

Las variables (r, , y ) son las coordenadas esfricas referidas a un sistema de

coordenadas en el que antena est aproximadamente en el centro. I 0 es la

corriente de excitacin o representa una magnitud proporcional a la excitacin de

la antena. F (, ) y F (, ) son funciones complejas de los ngulos de

direccin. k0=2f/v0 es el nmero de onda.

En la Ecuacin (2.1) se aprecian algunas de las condiciones mencionadas del

campo lejano. El campo radiado es proporcional a la amplitud de la corriente de

entrada, lo que implica una relacin lineal entre ambas magnitudes. La onda se

propaga segn la coordenada radial, respecto de la que hay una atenuacin de la

forma (1 / r) y una variacin de fase lineal de la forma (-k0 r). El campo es

perpendicular al vector radial ya que no tiene componente en el vector unitario r.

La amplitud y fase relativas de las componentes de campo den variar para

diferentes direcciones de propagacin.

Una magnitud de gran importancia en antenas es la densidad de potencia que la

antena produce en un punto dado del espacio. La densidad de potencia

corresponde al mdulo del vector de Poynting, que en condiciones de campo

lejano apunta siempre en la direccin del radio (r) y viene dado en mdulo por:

Donde n=120 es la impedancia del vaco. A modo de ejemplo podemos ver el

campo que radia un dipolo de media longitud de onda. Esta antena, muy frecuente

en sistemas de comunicaciones, consiste en un hilo de media longitud de onda,

conectad generador en su punto medio, tal como se muestra en la Figura 2.1. El

campo radiado por un dipolo de / 2 es de la forma:

(2.3)

Donde I0 es la

corriente de entrada y L es la longitud del dipolo que debe ser aproximadamente

de media longitud de onda. Puede apreciarse en la ecuacin anterior que la

amplitud del campo es proporcional a la corriente de entrada. Slo tenemos una

componente vectorial y esta depende slo de la coordenada angular de

elevacin ().

2.1.2 Diagramas De Radiacin

Para ver la forma en que una antena radia y cuales son las direcciones

preferentes de radiacin, podemos eliminar de la Ecuacin (2.1) la dependencia

con el radio (r). Las dos funciones que dependen de los de direccin ( y ),

representan las componentes vectoriales del campo radiado. Lo normal es

representar estas funciones normalizadas respecto del valor mximo, eliminando

as la dependencia de la excitacin.

Tenemos dos funciones de dos variables, lo que resulta difcil de presentar de

forma grfica. En muchos casos, como hemos visto en el dipolo, la dependencia

de los diagramas con una de las variables se ha perdido, o es poco importante.

Incluso es posible que una de las componentes sea mucho ms pequea que la

otra. Es frecuente representar la forma de variacin de cada una de las

componentes en funcin de una de las variables dejando constante la otra. Estas

representaciones, ya sea en polares o en cartesianas, se denominan diagramas

de radiacin.

En la mayor parte de los casos, para conseguir apreciar detalles de radiacin en

direcciones en que el campo radiado es pequeo, se utilizan unidades

logartmicas en lugar de las unidades lineales. As, las funciones de campo

normalizadas se pueden representar en dB utilizando la conversin dada por:

En la Figura 2.2 se presenta el diagrama en polares de una antena dipolo junto

con una representacin tridimensional del diagrama. Este tipo de representaciones

es til para hacerse una idea grfica de la forma de radiacin. Para la definicin

cuantitativa de la forma de radiacin de la antena resulta ms til el diagrama

cartesiano convencional.

No siempre nos interesa representar directamente las componentes de campo en

las direcciones de los vectores unitarios y . Puede que sea otro vector de

polarizacin el que nos interese, como veremos en el apartado de polarizacin.

Otras veces nos interesa representar slo la densidad de potencia radiada en una

direccin, lo que nos lleva a combinaciones de las funciones anteriores. Una de

las funciones que resulta frecuente representar es el diagrama de potencia dado

por:

Dentro del diagrama de una antena suelen definirse algunos parmetros que nos

describen su comportamiento y sobre todo permiten especificar su funcionamiento

en un conjunto de valores numricos reducido. Lo normal es que una antena se

disee para concentrar la radiacin en una direccin dada, y es para ese tipo de

antenas para las que se suelen definir los siguientes parmetros:

Direccin de apuntamiento (0 y 0 ). Direccin que corresponde al mximo de

radiacin de la antena.

Haz principal o lbulo principal. Margen angular correspondiente a la zona prxima

al mximo y comprendido entre ste y los mnimos relativos que lo rodean.

Figura 2.2. a) diagrama en esfricas de un dipolo en /2 (escala Lineal) b)

Diagrama en polares (escala logartmica)

Figura 2.3. Parmetros de un diagrama de radiacin

Anchura del haz principal entre puntos de -3 dB (BW3dB). Margen angular entre las

dos direcciones prximas al mximo principal cuya amplitud est 3 dB por debajo

del mximo.

Nivel de lbulos secundarios (SLL). El mayor de los mximos secundarios medido

respecto al mximo principal, en dB.

Relacin delanteatrs (BLL). Relacin en dB de la radiacin principal a la

obtenida en la direccin opuesta.

En la Figura 2.3 se presenta un diagrama directivo tpico y se puede apreciar la

forma de medir cada uno de estos parmetros. Es importante destacar que estos

no son los nicos parmetros que definen un diagrama dado y que depender

mucho del tipo de antena y la aplicacin a que se dedique la lista de parmetros

que la especifican.

2.2 POLARIZACIN, DIRECTIVIDAD, GANANCIA E IMPEDANCIA DE

ANTENA

Si nos fijamos en una direccin cualquiera (, ) en la zona de campo lejano y

expresamos el vector campo dado por la Ecuacin (2.1) en funcin del tiempo

obtenemos la siguiente expresin:

Para un valor dado de la distancia r, el campo describe una elipse en el plano

normal a la direccin de propagacin (plano de polarizacin). La excentricidad y

orientacin de la elipse depende de la relacin de amplitudes de las componentes

de campo segn los vectores unitarios (| F / F |), y de la diferencia de fase entre

ellas ( ). Si normalizamos el vector campo respecto de la amplitud eficaz,

podemos escribir (2.1) en funcin de un vector unitario ( e ) de polarizacin, de la

siguiente forma:

El vector unitario de polarizacin describe entonces la forma de variacin en el

tiempo del campo elctrico en el plano normal a la direccin de propagacin y es

de mdulo unidad (e. e* = 1). Puede ponerse como dos componentes lineales

complejas de la forma:

En la Figura 2.4 se presenta la forma general de variacin de la amplitud y

direccin del campo en el tiempo, donde se definen los parmetros ms

importantes de la elipse de polarizacin. Los parmetros ms importantes que

definen la elipse son los siguientes:

La polarizacin de la onda puede reducirse a una polarizacin lineal cuando se

cumple alguna de las condiciones siguientes:

Figura 2.4Elipse de polarizacin.

Que una de las componentes es nula. Entonces la polarizacin es lineal en

la otra componente.

Que la diferencia de fase entre ellas es cero o radianes. La polarizacin

es lineal formando un ngulo ( ) con el vector unitario ().

La polarizacin es circular cuando ambas componentes poseen la misma amplitud

y estn en cuadratura, es decir, la diferencia de fases es = I2. El sentido de

giro viene impuesto por el signo de la define siempre para una onda emitida por el

observador, que se propaga segn la direccin del vector que indica la direccin

de propagacin, llamado radiovector.

Un parmetro de gran inters en la medida de polarizacin es la relacin axial o

relacin entre los ejes mayor y menor de la elipse. La relacin axial suele indicarse

en dB y viene dada por la expresin:

La medida de polarizacin puede realizarse midiendo las componentes

ortogonales del campo el midiendo directamente la relacin axial. Esta ltima

forma de medida est normalmente asociada a que miden la amplitud y en los que

resulta muy difcil o imposible hacer medidas fiables de la relacin entre las

diferentes componentes del campo.

En muchas ocasiones se desea conocer hasta qu punto la polarizacin de una

antena se ajusta a una forma deseada. Por ejemplo, si la polarizacin deseada es

lineal vertical, nos interesa saber cul es la componente vertical del campo y cul

es la magnitud de la polarizacin horizontal. Cuando definimos una polarizacion

como la deseada ( ec ) , siempre podemos encontrar la polarizacin contraria o

ms propiamente dicho, la polarizacin ortogonal a ella, que ser la no deseada

( ex), tal que ec . ex*= 0.

As, la polarizacin ortogonal a una polarizacin lineal ( = 0 o = +- ) es otra

polarizacin lineal con el campo elctrico perpendicular al de la primera. La

polarizacin ortogonal a una polarizacin circular ( = /2, A = A) es la otra

polarizacion circular que gira en sentido opuesto ( = -/2, A = A ).

Cualquier vector unitario de polarizacin puede descomponerse en dos

componentes ortogonales. Los coeficientes asociados a esa descomposicin se

denominan componentes copolar (CP) y contrapolar (XP) respecto de la

polarizacin deseada. La relacin entre dichas componentes y su expresin en dB

es la forma mas frecuente de expresar hasta que punto la antena satisface la

condicin de polarizacin deseada.

2.2.1. Directividad, Ganancia De Antena E Impedancia De Antena

Los diagramas de radiacin nos dan una idea de niveles relativos de campo o de

potencia que la antena radia en cada direccin. Para obtener una medida absoluta

de la capacidad de la antena para concentrar la radiacin en una direccin

determinada respecto a las dems, se define la directividad.

La directividad viene dada por cociente entre la densidad superficial de potencia

radiada en una direccin dada y la que radiara isotrpica con la misma potencia

total radiada. Entendemos por antena isotrpica la que radia la misma densidad

de potencia en todas las direcciones. La densidad de potencia de la antena

isotrpica a una distancia >puede obtenerse dividiendo la potencia radiada por

la superficie de la esfera de radio r (s=4 r2) en funcin de los parmetros

conocidos, la directividad se puede escribir como:

Puede apreciarse que la directividad es una funcin de los ngulos de direccin

que toma la misma forma que el diagrama de potencia. Normalmente se llama

Directividad de una Antena al valor mximo de la funcin directividad. lo que

supone que la directividad de una antena es siempre superior a la unidad. La

integral del denominador requiere conocer el campo radiado en todas las

direcciones del espacio, lo que a veces es difcil de medir.

Un parmetro similar a la directividad es la Ganancia de Antena. En este caso

la potencia de normalizacin no es la potencia radiada sino la potencia entregada

a la antena en sus terminales. La relacin entre ambas potencias es un factor de

rendimiento (p), que depender de las prdidas en componentes internos de la

antena o en la corriente en los conductores que la forman,

Cuando conectamos un generador o transmisor a una antena, la relacin de

tensin y corriente en los terminales de entrada permite modelar la antena como

una impedancia compleja (Z). La potencia entregada a la antena depender

fundamentalmente del generador y de los niveles de adaptacin entre la

impedancia del generador y la de la antena. La mxima transferencia de potencia

entre el generador y la antena se produce cuando ambas impedancias son

conjugadas entre s (adaptacin de impedancias). De acuerdo con la Figura 2.5, la

potencia transferida del transmisor a la antena puede escribirse como:

Donde:

P1 es la potencia disponible del generador (transmisor).

Z = R + j X es la impedancia de entrada a la antena.

Z g = R g + j X g es la impedancia asociada al generador (impedancia de salida del

transmisor).

es el coeficiente de reflexin de la antena respecto a la impedancia del

generador.

Como ya hemos indicado, no toda la potencia entregada a la antena se traduce en

potencia radiada. El cociente entre la potencia radiada y la entregada corresponde

al rendimiento de radiacin (p). De forma similar, la parte real de la impedancia de

entrada de una antena puede dividirse en dos partes. La primera representa la

potencia radiada por la antena, y se denomina resistencia de radiacin (Rrad),

mientras que la otra representa la potencia disipada por efecto Joule, y se

denomina resistencia de prdidas (Rp), ya sea en la superficie de los conductores

o en elementos disipativos propios del diseo de la antena. Podemos entonces

expresar la resistencia de entrada y el rendimiento de radiacin como:

Figura 2.5. Circuito equivalente de antena en transmisin.

2.2.2 Caracterizacin De Una Antena En Recepcin

2.2.2.1 Reciprocidad

Si aplicamos a una antena los principios de reciprocidad, el comportamiento de la

antena en recepcin est definido por su comportamiento en transmisin.

En una antena dada, la tensin inducida en sus bornes de salida en circuito

abierto ser proporcional al campo elctrico que llega a la antena. En este sentido

la antena se comporta como un generador cuya impedancia interna es la misma

que tiene la antena en transmisin. La tensin inducida en la antena depende de

la direccin de llegada de la seal y de su polarizacin, de forma que se puede

establecer un diagrama de recepcin que ser el mismo que el de transmisin. En

cuanto a la polarizacin, la condicin de mxima tensin se obtiene para el caso

en que la polarizacin del campo recibido sea la misma que la que produce la

antena en transmisin. De esta forma la tensin que el campo elctrico induce en

los terminales de la antena se puede escribir como:

Donde:

e0 es el vector de polarizacin del campo incidente referido al sistema de

coordenadas de la antena receptora.

E0 es la amplitud y fase de dicho campo en el centro nominal de la antena.

es la longitud de onda.

n0=120 es la impedancia caracterstica del vaco.

e (, ) es el vector unitario de polarizacin de la antena receptora en la

direccin de recepcin.

F(, ), es el diagrama de radiacin en transmisin para una corriente de

entrada de 1A.

Tanto el vector de polarizacin como el diagrama de radiacin vienen

determinados por el comportamiento de la antena en transmisin, de forma que

podemos obtener los parmetros en transmisin y determinar en funcin de ellos

los de recepcin.

2.2.2.2 Prdidas Por Desacoplo De Polarizacin

Se denomina factor de prdidas por polarizacin al producto escalar del vector de

polarizacin del campo incidente y el vector de polarizacin de la antena

receptora. Normalmente se define ese factor en potencia, con lo que nos solemos

referir al cuadrado del mdulo del producto indicado. Esta magnitud puede tomar

valores entre cero y uno. Cuando ambas polarizaciones son iguales el

acoplamiento es mximo y cuando son ortogonales el acoplamiento es nulo. Hay

que tener en cuenta que la formulacin de ambos vectores debe realizarse sobre

el mismo sistema de coordenadas, por lo que necesariamente uno de ellos (el del

campo recibido) no se define sobre el sistema de coordenadas del transmisor,

sino respecto de la antena receptora. Esa es la razn por la que no se aplica el

conjugado a uno de los vectores en el clculo del factor de prdidas de

polarizacin. Es frecuente definir este factor de prdidas en decibelios.

2.2.2.3 rea Equivalente De Absorcin

En recepcin se define el rea equivalente de absorcin como el cociente entre la

potencia recibida y la densidad superficial de potencia del campo incidente. Este

parmetro representa el rea de una superficie plana que puesta normal al vector

de Poynting incidente, recogiese toda la potencia del campo que incide sobre ella.

De esta forma la potencia que la antena receptora puede dar a una carga

adaptada o potencia disponible Pdis viene dada por el producto del rea

equivalente de absorcin Ae por el vector de Poynting incidente

Figura 2.6. Circuito equivalente de recepcin.

Por supuesto, la potencia recibida depende de la direccin de llegada de la seal y

por tanto el rea equivalente depende de las coordenadas esfricas de direccin.

En todo este razonamiento se supone una adaptacin perfecta de polarizacin. Si

aplicamos los principios de reciprocidad, se puede obtener una relacin entre el

rea equivalente de una antena y su ganancia.

Igual que ocurre con la ganancia, se suele especificar como rea equivalente de

una antena el valor en la direccin de mxima radiacin. Como veremos ms

adelante, en antenas de grandes dimensiones en longitudes de onda, como las

antenas de apertura o las agrupaciones de antenas, el rea equivalente est

ntimamente asociada a la superficie real de la antena. De hecho, puede definirse

un rendimiento de apertura como la relacin entre el rea equivalente de la

antena y la superficie fsica que cubre,

La antena se puede representar en recepcin como un generador equivalente

cuya impedancia interna es la impedancia de antena y cuyo generador asociado

tiene una tensin dada por (2.19). La potencia realmente entregada a la carga

depender de los niveles de adaptacin entre la impedancia de carga y de antena,

tal como se presenta en la Figura 2.6.

Donde:

Pr es la potencia entregada al receptor.

Pdis es la potencia disponible en los terminales de la antena.

ZL= RL + jXL es la impedancia de carga (impedancia de entrada al receptor).

L es el coeficiente de reflexin de la carga respecto a la impedancia de antena.

2.2.3 Ecuacin De Transmisin De Friis

Para determinar la potencia recibida en un enlace por radio debemos tener en

cuenta la antena transmisora, la antena receptora y el espacio que las separa. Si

admitimos que la antena receptora est lejos de la transmisora, podemos

considerar el campo lejano radiado por la antena transmisora como campo

incidente en la antena receptora. De esta forma obtenemos la potencia recibida

combinando las Ecuaciones (2.16) a (2.21) como:

Las prdidas de enlace, obtenidas como cociente entre la potencia recibida y la

potencia de transmisin, se pueden descomponer en un conjunto de factores que

se identifican con los diferentes elementos del enlace.

Las prdidas de propagacin en espacio libre representan el proceso de

expansin de la onda esfrica, de forma que la densidad superficial de potencia

disminuye conforme aumenta la superficie esfrica en la que se expande. La

dependencia con la frecuencia de este factor hace pensar en mayores prdidas

para frecuencias ms altas. Esta tendencia se compensa con la ganancia de las

antenas. En frecuencias altas la ganancia de una antena puede ser mucho mayor

que en frecuencias bajas, siendo aproximadamente proporcional al cuadrado de la

frecuencia a igualdad de dimensiones geomtricas. Esta proporcin compensa

con creces el factor de prdidas por espacio libre. Las prdidas de polarizacin y

de desadaptacin suponen siempre una reduccin en la potencia mxima de

recepcin.

2.2.4 Medida De Diagramas .Campo Lejano

En un campo de medida de antenas se establece un enlace entre un transmisor y

un receptor y se mide la relacin de potencia transmitida a recibida (prdidas de

transmisin). Conociendo las dimensiones del enlace y los parmetros de una de

las antenas, podemos determinar los parmetros de la otra antena. La antena bajo

medida puede trabajar tanto en transmisin como en recepcin. Normalmente se

trabaja con las antenas en recepcin, pero slo en antenas activas es preceptivo

trabajar en el modo para el que la antena est diseada. En adelante

consideramos que la antena transmisora forma parte del campo de medida y

genera en la zona de la antena a medir un frente de onda que debe ser plano y

homogneo (campo lejano).

La medida del diagrama de antena se basa en situar la antena a medir en la zona

de recepcin y modificar su orientacin anotando los valores de la potencia

recibida o de las prdidas en el enlace. La potencia obtenida es una funcin de la

orientacin de la antena (ngulos del sistema esfrico), que forma la funcin del

diagrama de potencia. Esta funcin suele normalizarse al valor mximo y se

representa en dB.

Si consideramos un sistema formado por el transmisor y el receptor con la antena

transmisora asociada al sistema de medida, podemos analizar el campo que se

produce en la zona de recepcin, donde se localiza la antena bajo medida. El

campo en la zona de recepcin difiere de una onda plana homognea tanto en

amplitud como en fase. La diferencia de fase se debe fundamentalmente a que la

distancia entre transmisora y receptora est limitada y la onda ser una onda

esfrica en lugar de ser una onda plana, tal como se muestra en la Figura 2.7.

Figura 2.7. Limitaciones del campo lejano.

Si tomamos como referencia de fase la del punto central del sistema, el error de

fase en cualquier otro punto del plano de medida a una distancia d del punto

central es la siguiente:

El error mximo de fase admitido en un sistema de medida depender de la

precisin deseada en la medida de diagramas de radiacin, sobre todo en la zona

de los lbulos secundarios. Normalmente se considera que el error mximo no

debe superar el valor /2, lo que supone una limitacin en las dimensiones

mximas de la antena bajo medida (L) dada por:

El error de amplitud est asociado al diagrama de radiacin de la antena

transmisora. Normalmente la zona de medida se ilumina con el haz principal, con

su mximo coincidiendo con el centro de dicha zona. El rizado en la zona de

medida vendr impuesto por el rizado del diagrama en el ngulo correspondiente

junto con la mayor distancia al plano de medida. Este ltimo efecto suele ser

despreciable en situaciones normales. Como criterio general suele considerarse

que el rizado de amplitud no debe superar 1dB. Esta condicin limita la

directividad mxima de la antena transmisora para un determinado campo

de medida.

2.2.5 Medida De Polarizacin

La medida de polarizacin de una antena depende mucho de las caractersticas

de polarizacin esperadas para esa antena. Lo ms frecuente es intentar

establecer el nivel de la componente de polarizacin deseada y el nivel de la

ortogonal a ella o no deseada. Como cualquier polarizacin puede

descomponerse en dos componentes ortogonales, las magnitudes asociadas a la

componente deseada (CP) y a la no deseada (XP) nos indican la calidad de la

polarizacin. Por ejemplo, si la polarizacin establecida para una antena es lineal

vertical, la ortogonal a ella es la polarizacin lineal horizontal y la relacin

polar/contrapolar, descrita por la Ecuacin (2. 14), se obtiene con las medidas

respectivas con una sonda de polarizacin vertical y horizontal.

A veces no disponemos de sondas con la polarizacin adecuada para la medida

de las componentes polar y contrapolar. Por ejemplo, cuando deseamos medir

una polarizacin circular y slo disponemos de sondas con polarizacin lineal.

En este caso, la medida puede realizarse en las dos componentes lineales

(vertical y horizontal) y determinar la elipse de polarizacin por clculo aplicando

las Ecuaciones (2.9) a (2.12). Este proceso requiere medir tanto la amplitud como

la fase relativa de las antenas, lo que muchas veces resulta complicado o no nos

ofrece la precisin requerida. Una forma de hacer la medida en polarizacin

circular consiste en utilizar una sonda de polarizacin lineal giratoria.

Si la sonda gira a una velocidad grande comparada con la velocidad de giro del

posicionador de antena, la potencia de salida oscilar entre un valor mximo y un

valor mnimo que se corresponden con los ejes mayor y menor de la elipse de

polarizacin. En esa medida la relacin (diferencia en dB) entre el mximo y el

mnimo nos da la relacin axial. La relacin copolar/contrapolar en polarizacin

circular corresponde a las componentes circular a izquierdas y a derechas,

dependiendo de cual sea la deseada. La ecuacin que nos permite pasar de la

relacin axial a la polar/contrapolar es la siguiente:

Las magnitudes que intervienen en esta ecuacin deben estar en la forma de

factor y no en dB.

2.2.6 Medida De Ganancia

La medida de ganancia, a travs de la medida de campo de radiacin requiere

una serie de medidas absolutas de potencia que pueden inducir a errores

importantes o resultar incmodo si transmisor y receptor estn alejados. La forma

ms frecuente de hacer la medida de ganancia es por comparacin de la antena a

medir con una antena patrn de ganancia conocida. En el caso de que no se

disponga de una antena calibrada, se puede hacer una medida con tres antenas

diferentes, siempre que estn acopladas en polarizacin o conozcamos las

prdidas de polarizacin asociadas al enlace.

2.2.6.1 Medida De Ganancia Por Comparacin Con Una Antena Calibrada

Cualquier antena puede calibrarse para hacer una medida de ganancia, aunque lo

ms normal es disponer de antenas de banda ancha con polarizacin lineal como

antenas calibradas para la medida de ganancia. Las ms habituales son las

antenas logo-peridicas de dipolos en las frecuencias ms bajas (hasta 1 o 2

GHz) y las antenas de bocina alimentadas con gua de onda en las frecuencias

ms altas.

El proceso de medida consiste en calibrar el campo con la antena conocida en la

misma posicin que utilizaremos para la antena a medir. De acuerdo con la

ecuacin de transmisin (2.24), la potencia medida (Pcal) es directamente

proporcional a la ganancia de la antena. Sustituyendo la antena patrn por la

antena a medir, se obtiene una nueva medida de potencia (Pmed), que ser

proporcional a la ganancia de la antena con la misma constante de

proporcionalidad. Si las condiciones de medida no han variado, la relacin entre

las potencias medidas nos da la variacin de la ganancia entre ambas antenas.

En este proceso de medida es necesario tener algunas precauciones para evitar

errores de medida. Entre ellas, las ms importantes son las siguientes:

La polarizacin de ambas antenas debe ser la misma y normalmente con

una buena adaptacin entre las antenas patrn y sonda y entre la antena a medir

y la sonda. De la Ecuacin (2.24) se aprecia que cualquier discrepancia entre los

factores de prdidas por polarizacin de las antenas supone un error directo en la

medida de ganancia.

La distancia entre antenas debe ser la misma en ambos casos y estar en la

zona de campo de radiacin. En general es fcil asegurar que los errores por

distancia son pequeos. Es ms frecuente cometer errores por situarnos

demasiado cerca, en una zona en que no se cumple la condicin de campo lejano

(2.32) para la antena patrn o para la antena a medir.

Debe hacerse una medida de las prdidas por desadaptacin de

impedancias de la antena a medir y de la antena patrn. Lo normal es que la

antena patrn est bien adaptada y tenga muy bajas prdidas por esta causa,

pero la antena a medir puede tener unas prdidas importantes que adems

dependan mucho de la frecuencia.

2.2.6.2 Medida De Ganancia Con Tres Antenas

Cuando no disponemos de una antena calibrada, podemos hacer una medida con

dos antenas iguales y determinar el resto de los factores de la ecuacin de Friis

(2.24) por medidas directas de los parmetros (distancia entre antenas,

frecuencia, niveles de adaptacin y acoplo de polarizacin).

Si no tenemos dos antenas iguales o no podemos asegurar que tengan la misma

ganancia, puede realizarse una medida similar con tres antenas. En este caso es

necesario realizar tres medidas, tomando las tres combinaciones posibles de dos

de ellas, y formando el enlace de medida. Si conocemos los parmetros del

campo los y los asociados a las prdidas de las antenas (polarizacin y

adaptacin de impedancias), podemos escribir el siguiente sistema de

ecuaciones:

Aunque el efecto de las prdidas por desacoplo de polarizacin puede ser

importante, normalmente se trabaja con la misma polarizacin para todas las

antenas y se busca que estas prdidas sean lo ms bajas posible.

2.3. CAMPOS DE MEDIDA DE ANTENAS

2.3.1 Cmaras Anecoicas

El modelo de medida de antenas planteado en el apartado anterior se supone que

no existe ningn objeto entre la antena transmisora y la receptora. La onda

esfrica que se genera en la antena transmisora no debe encontrar ningn

obstculo que perturbe la onda esfrica en la zona de recepcin. La situacin ms

parecida a la de espacio libre es la que se obtiene mediante una cmara anecoica.

Consiste en una sala en la que las paredes, el techo y el suelo estn cubiertos de

un material absorbente de radiaciones electromagnticas. De esta forma la onda

incidente en las paredes no genera reflexin alguna.

El material absorbente est formado por conos de esponja de carbono, por placas

de ferrita o por combinaciones de ambos. La calidad del material se caracteriza

por su reflectividad para una onda de incidencia normal en funcin de la

frecuencia. La reflectividad se define como el cociente entre la potencia de la onda

reflejada y la onda incidente en el supuesto de una onda plana incidiendo sobre

una superficie plana indefinida. Los valores normales de reflectividad para una

cmara anecoica deben estar por debajo de -30dB en todo el margen de

frecuencias de trabajo.

En general, para conos absorbentes, la reflectividad aumenta al disminuir la

frecuencia, de forma que por debajo de una cierta frecuencia lmite la reflectividad

es demasiado alta para trabajar correctamente. Esta frecuencia depende de la

altura de los conos, siendo ms baja para conos ms altos. En la Figura 2.8 se

presenta una fotografa de una cmara anecoica donde se aprecia el posicionador

de la antena bajo medida y los conos absorbentes de las paredes y suelo.

2.3.2 Campo Abierto Reflexin En El Suelo

Cuando no se dispone de una cmara cerrada, o las dimensiones del campo de

medida son muy grandes, se puede establecer un sistema de medida abierto entre

dos torres que disten entre si la distancia necesaria entre transmisor y receptor.

En este tipo de campos la reflexin en el suelo puede ser importante y resulta muy

difcil reducir la reflectividad del suelo con materiales absorbentes, sobre todo si

tienen que soportar la humedad temperaturas extremas.

Figura 2.8. Campo de medida en una cmara anecoica. (Cmara anecoica de

la ETSI de Telecomunicacin de la Universidad Politcnica de Madrid).

Una de las formas de reducir la influencia de la reflexin en el suelo consiste en

disear la antena transmisora para que tenga un nulo en el diagrama de radiacin

en la direccin del rayo reflejado. En la Figura 2.9 se presenta un esquema de

este tipo de montaje. Se puede ajustar el diagrama de la antena o la altura sobre

la torre para conseguir esta condicin de nulo.

Figura 2.9. Campo de medida abierto sin reflexin.

La otra forma de tener en cuenta la reflexin en el suelo consiste en ajustar las

alturas para asegurar que el rayo reflejado se une al rayo directo en fase en el

punto de recepcin (zona de medida). Cuando la distancia entre torres es muy

grande resulta difcil ajustar un nulo en la direccin del rayo reflejado. En ese caso

el campo en la zona de recepcin se compone de dos partes, una procedente del

rayo directo y otra del reflejado, tomando la forma:

Donde R es el coeficiente de reflexin complejo del suelo.

Cuando la distancia entre torres es grande, el diagrama de la antena transmisora

ser muy parecido para el rayo directo y el reflejado, podemos suponer que la

polarizacin es vertical u horizontal y que se mantiene en el proceso de reflexin

(Figura 2.10). La distancia que recorre el rayo reflejado es muy parecido a la del

rayo directo, por lo que el efecto de atenuacin es muy parecido. En esas

condiciones la diferencia mas importante entre ambos rayos es un factor de

amplitud por reflexin (coeficiente de reflexin del suelo) y un factor de fase por la

diferencia de caminos. En la Ecuacin (2.39) se destaca esta aproximacin, lo que

supone que el campo recibido E es proporcional al campo de rayo directo Ed

multiplicado por un factor que depende del tipo de suelo, la distancia y la altura de

las torres. Si llamamos a la diferencia elctrica de caminos entre el rayo directo y

el reflejado, y a la fase de R, E se puede escribir como:

Cuando el ngulo de elevacin es pequeo, el coeficiente de reflexin se

aproxima a la unidad en mdulo y a la fase de 180, sobre todo en superficies

lisas y hmedas, como lagos y campos de labor. En superficies rugosas, la

dispersin de potencia producida por la rugosidad reduce el coeficiente de

reflexin. Se considera superficie rugosa cuando la profundidad media de la

rugosidad es superior a la longitud de onda dividida por el seno del ngulo de

elevacin (h > / sen(y)). En una zona muy accidentada y en frecuencias altas

es posible encontrar reflexiones en otros puntos adems del suelo, tales como

edificios, montaas, etc. En estas situaciones es necesario hacer un estudio

detallado de las reflexiones para establecer el campo de medida.

Figura 2.10. Campo abierto de medida con reflexin controlada.

Figura 2.11. Factor de atenuacin en campos de reflexin en funcin de la

altura. a) Parmetro el coeficiente de reflexin. b) Parmetro la frecuencia.

Aun suponiendo el coeficiente de reflexin constante, el factor de atenuacin o

ganancia del campo depende de la diferencia de fase entre los rayos directo y

reflejado. Para minimizar esta influencia es necesario que ambas contribuciones al

campo se sumen en fase, por lo que se debe cumplir la condicin:

Si considerarnos un rizado del campo de hasta 1 dB, la altura 4, puede tomar

valores entre un valor mnimo y un valor mximo cuyo margen define la zona de

medida con error limitado. En el caso panicular de que el coeficiente de reflexin

sea R =-1,el primer margen obtenido es:

A partir de esta zona se producen mnimos y mximos de campo que se repiten

de forma peridica con la altura. Cualquiera de los mximos posee la misma forma

y permite definir una zona de medida de las mismas dimensiones. En la Figura

2.11 a se presenta la forma que toma el campo elctrico en funcin de la altura h2,

y del coeficiente de reflexin del suelo para unas dimensiones dadas del sistema

de medida. En todas las curvas se considera que la fase del coeficiente de

reflexin es de 180. Al cambiar la frecuencia cambia la posicin y dimensiones de

la zona de campo constante, por lo que este tipo de sistemas tiene limitado el

margen de frecuencias de medida y es necesario modificar la configuracin al

pasar de una banda de frecuencias a otra. En la Figura 2.11 b se presenta el

factor de atenuacin en funcin de la altura pero tomando la frecuencia como

parmetro.

Para establecer la zona de medida en un campo dado, se mide el campo en

funcin de la altura de la antena receptora y se establece la zona de medida para

un rizado mximo de 1 dB. Esta zona depende de la frecuencia, por lo que se

definen diferentes alturas para las diferentes bandas de frecuencia que se desean

utilizar en el sistema. Normalmente la mxima variacin de la frecuencia dentro de

cada una de estas bandas no supera un 25%.

2.3.3 Medida En Campo Prximo

Por teora electromagntica sabemos que el campo lejano de radiacin de una

antena est relacionado con el campo prximo a ella. De hecho, los teoremas de

equivalencia permiten obtener el campo radiado partiendo de los campos en una

superficie cualquiera que rodea la antena. Segn esta teora, si conocemos el

campo e una superficie que rodea la antena, podemos calcular el campo lejano de

radiacin. La gran ventaja de este sistema de medida es que permite utilizar

instalaciones de pequeo tamao, como las cmaras anecoicas, para obtener los

parmetros de campo lejano de una antena. A cambio, requiere un proceso de

medida largo y u proceso posterior de clculo.

Las ecuaciones que relacionan el campo prximo y el campo de radiacin se

denominan de Transformacin son ecuaciones integrales, Uno de los problemas

para obtener el campo de radiacin a partir del campo prximo es que

necesitamos realizar medidas de modulo y fase y en ambas polarizaciones y en

toda la superficie que rodea la antena para poder realizar las integrales de

transformacin. En realidad, como en toda transformacin, existe una distancia

mxima entre los puntos de medida que es necesario respetar si deseamos

realizar una integracin numrica con cierta precisin.

En la prctica se utilizan tres formas de medida en campo prximo: campo

prximo esfrico, cilndrico y plano.

2.3.3.1 Campo prximo esfrico

En su forma y estructura es similar al campo lejano salvo que no satisface la

Ecuacin (2.32) de distancia entre la antena transmisora y la receptora. No

obstante, la distancia entre ambas debe ser superior a unas pocas longitudes de

onda y por supuesto superior a las dimensiones de la antena a medir. La antena

transmisora o como suele denominarse en estos casos, la sonda de medida, debe

moverse sobre una esfera que rodea la antena a medir.

En realidad es la antena a medir la que gira alrededor de un punto o centro de

giro, mientras la sondase mantiene fija. En la Figura 2.12 se presenta de forma

esquemtica un montaje de medida en una cmara anecoica.

La sonda no tiene movimiento alrededor del sistema de posicin de la antena,

pero debe permitirse el giro de la sonda para medir las dos componentes de

polarizacin. Normalmente se utilizan sondas de polarizacin lineal y se miden las

dos componentes en polarizacin vertical y horizontal, que correspondern a los

vectores unitarios segn las coordenadas esfricas.

Las ecuaciones de transformacin relacionan el campo medido en las

coordenadas esfricas y a una distancia r del centro de la antena, con el

campo lejano en las coordenadas y . En realidad la sonda de medida no es un

detector ideal de campo elctrico y hay que tener en cuenta su propio diagrama y

vector polarizacin, por lo que las ecuaciones de transformacin deben incluir

estos factores. Para una integracin numrica de precisin, es necesario conocer

el campo en puntos de la superficie esfrica que no disten ms de media longitud

de onda.

Figura 2.12. Posicionadores en el sistema de campo prximo cilndrico.

2.3.3.2 Campo prximo cilndrico

En este caso el principio es el mismo pero el giro del posicionador se realiza slo

en el plano horizontal, mientras que la sonda de medida se desplaza en una lnea

vertical. De esta forma se consigue situar la sonda, de forma relativa a la antena a

medir, en puntos de una superficie cilndrica. Por lo dems las condiciones de

medida y las precauciones a tomar son las mismas que en el sistema esfrico.

En general, el sistema cilndrico posee la ventaja de que permite medir antenas

ms pesadas y sobre todo ms grandes en la dimensin vertical (agrupaciones

lineales). Como inconveniente tiene la necesidad de construir un sistema de

desplazamiento vertical de la sonda con la precisin necesaria. Normalmente la

precisin requerida es de una fraccin pequea de la longitud de onda (del orden

de una centsima), por lo que resulta ms complejo en frecuencias altas. En la

Figura 2.13 se presenta un esquema de la estructura del sistema de medida.

Figura 2.13. Posicionadores en el sistema de campo prximo cilndrico

2.3.3.3. Campo prximo plano

Es uno de los sistemas ms extendidos por su capacidad de medida de grandes

antenas. Consiste en un posicionador cartesiano que permite desplazar la sonda

de medida sobre los puntos de un plano. Por supuesto, se supone que la antena a

medir radia de forma preferente en las direcciones de dicho plano y su radiacin

hacia atrs es despreciable. Este es el caso de las grandes antenas de alta

frecuencia como las antenas reflectoras o las agrupaciones de antenas. La antena

queda fija en un soporte mientras la sonda se desplaza por los nudos de una

retcula cartesiana en el plano de medida (Figura 2.14).

El sistema cartesiano permite medir antenas de gran tamao. La distancia de la

sonda a la antena se reduce a unas pocas longitudes de onda, lo que permite

reducir la dimensin de la cmara de medida a poco ms que la dimensin de la

antena.

Figura 2.14. Esquema de Posicionadores en el sistema de campo prximo

plano.

2.3.4 CAMPO COMPACTO

La condicin de campo lejano sugiere que la condicin real para una medida

correcta no es tanto la distancia entre las antenas como que en la antena a medir,

actuando como receptora, exista un frente de onda plano y uniforme. Esta

condicin de un frente de onda plano se puede generar a partir de un frente de

onda esfrico a travs de una lente o de un espejo parablico. Esta es la forma de

obtener un frente de onda plano en los sistemas de campo compacto (compact

range). La antena transmisora se sita en el foco de un paraboloide de revolucin,

radiando un frente de onda esfrico suficientemente uniforme en amplitud. En la

zona central del reflector obtendremos un frente de onda plano, donde los planos

de fase constante son perpendiculares al eje del paraboloide. Este proceso para

generar una especie de campo lejano artificial tiene bastantes problemas entre,

los que destacan los siguientes:

No se puede colocar el alimentador en el centro del paraboloide porque la

sombra que produce distorsiona fuertemente el campo. Normalmente se utilizan

reflectores parablicos descentrados (offset), formados por una seccin no

simtrica de paraboloide iluminado por una alimentador descentrado.

El diagrama del alimentador unido a la diferencia de caminos en el tramo

alimentador-reflector produce una variacin de amplitud en la zona de campo

plano. Requiere alimentadores de diagrama muy amplio aun a costa de perder

bastante potencia.

La reflexin modifica la polarizacin de la onda incidente, de forma que no se

conserva la polarizacin en toda la zona del frente de onda plano. Obliga a disear

reflectores con una gran distancia focal para reducir estos efectos de polarizacin.

La difraccin en los bordes del reflector parablico genera un campo disperso

que produce un rizado de amplitud y fase en la zona de campo plano. Se suele

minimizar cortando el borde del reflector en forma de dientes triangulares que

dispersan en campo fuera de la zona de inters.

Los sistemas de medida de campo compacto suelen situarse en el interior de

cmaras anecoicas para reducir en lo posible la influencia de reflexiones no

deseadas en objetos ajenos al sistema de medida.

Figura 2.15. Campo compacto con doble reflector E.T.S.I de Telecomunicaciones

Universidad Politecnica de Madrid.

2.4. ANTENAS PEQUEAS Y ANTENAS RESONANTES

Las antenas que tienen unas dimensiones inferiores o iguales a media longitud de

onda en la frecuencia de funcionamiento forman un conjunto con caractersticas

comunes. Tradicionalmente, en las bandas de VLF a HF la construccin de

antenas con dimensiones superiores a media longitud de onda resulta difcil por

sus grandes dimensiones fsicas. En estas frecuencias son tpicas las antenas de

hilo, como monopolos, dipolos o espiras. En frecuencias ms altas, las antenas

pequeas se pueden utilizar directamente o como parte de una antena ms

sofisticada, corno puede ser el alimentador de un reflector o el elemento de una

agrupacin. Las antenas pequeas tienen diversos aspectos en comn entre los

que destacamos los siguientes:

El diagrama de radiacin es poco directivo. En general poseen diagramas con

lbulos anchos, de forma que la variacin del campo lejano con las coordenadas

angulares es pequea. Pueden tener una o varias direcciones de nulos de

radiacin, pero no suelen tener lbulos secundarios.

La directividad es baja. Como consecuencia del anterior, la mxima

directividad de la antena no suele superar los 3 dB.

La impedancia de entrada corresponde a un circuito resonante. Las

dimensiones de la antena o el circuito de entrada se ajustan para que la

impedancia sea real, obteniendo una variacin de la parte imaginaria con la

frecuencia que puede aproximarse por la de un circuito resonante. Puede definirse

un factor de calidad como circuito resonante.

La banda de trabajo est centrada en la frecuencia de resonancia y limitada

por el factor de calidad.

2.4.1 Antenas Pequeas

Las antenas cuyas dimensiones son mucho menores de media longitud de onda

forman un conjunto muy til en frecuencias bajas, donde otro tipo de antena

resulta muy grande. Las antenas ms utilizadas son el dipolo y monopolo cortos y

las antenas de bobina. En general, las antenas pequeas poseen una impedancia

de entrada con una parte reactiva importante, que obliga a utilizar circuitos de

adaptacin externos. El factor de calidad suele ser alto, por lo que la banda de

trabajo es pequea. Las prdidas disipativas son altas, de forma que el

rendimiento es pequeo y la resistencia de prdidas es una parte importante de la

impedancia de entrada.

Todos estos efectos aumentan al reducir el tamao elctrico de la antena.

Son tpicas como antenas pequeas las antenas de paraguas, formadas por un

monopolo corto sobre un plano de masa terminado en una capacidad que forman

un entramado de hilos, corno se indica en la figura 2.16.

Figura 2.16. Esquema de una antena de paraguas

Entre las antenas de bobina pequeas, las ms utilizadas son las formadas por

una bobina sobre una ferrita que ofrece una buena impedancia en reducido

tamao, aunque las potencias que son capaces de soportar son pequeas por

saturacin de las ferritas. Son tpicas las utilizadas en receptores de reducido

tamao para onda media.

2.4.2 Antenas De Hilo

Entre las antenas resonantes, las antenas de hilo con diferentes estructuras se

utilizan en todas las bandas de frecuencia. Las antenas ms frecuentes son los

dipolos y monopolos, aunque tambin se utilizan los anillos, hlices resonantes y

combinaciones de todas ellas. Una de las estructuras ms frecuentes es el dipolo

resonante de media longitud de onda sobre un plano conductor. Normalmente la

alimentacin se realiza partiendo de un cable coaxial. Para conseguir que la masa

del coaxial se una a la masa del plano conductor sin que afecte a la alimentacin

equilibrada del dipolo, se utiliza un circuito de compensacin o balun que se ver

ms adelante, como se indica en la Figura 2.17.

Una antena muy popular por su sencillez de construccin es el dipolo doblado,

que se ha utilizado mucho en antenas de recepcin de TV en VHF y UHF, ya sea

solo o en combinacin de dipolos parsitos formando la antena Yagui. Consiste en

una varilla plegada formando un bucle alargado y alimentado en el centro un

balun. Mediante este sistema se consigue que la impedancia de 75 Ohm tpica del

dipolo, aumente hasta unos 300 Ohm. Adems se consigue aumentar la banda de

adaptacin desde un 10% al 30% aproximadamente.

En la Figura 2.18 se presenta una biografa de una amena de espira utilizada en

un radi-gonimetro de onda corta, de forma que el diagrama de la combinacin

formada por el monopolo central y la espira produce un diagrama de tipo cardioide

con un solo nulo. La posicin del nulo de recepcin es la que permite detectar la

direccin de llegada de la emisin buscada.

Figura 2.17. Esquema de dipolo sobre plano de masa. a) Vista superior b)

esquema de conexiones.

Figura 2.18 Antena de un radiogonimetro

2.4.3 Antenas De Ranura

Las antenas de ranura estn asociadas a las lneas de transmisin cerradas:

coaxiales, guas de onda, lneas triplaca, etc. Estn formadas por una ranura

sobre uno de los planos conductores que cierra la lnea. Se sitan de forma que

corten las lneas de corriente del modo principal y tienen una longitud prxima a

media longitud de onda, con lo que se consigue que se genere un campo en la

ranura y se radie una parte de la potencia que se propaga en la lnea de

transmisin.

No es frecuente ver antenas de ranura individuales. Normalmente se utilizan para

formar agrupaciones de antenas, ya sea lineales o planas, producidas sobre la

misma estructura de lnea de transmisin. Una de las antenas ms utilizadas en

sistemas de radar de microondas es la gua de onda ranurada. En ese caso se

realizan las ranuras sobre la cara estrecha de una gua de ondas. Las ranuras se

realizan con una inclinacin que define la relacin entre la potencia radiada por

cada ranura y la potencia que se propaga en la gua de ondas.

La potencia sobrante se recoge en una carga adaptada en el extremo. En la

Figura 2.19 se presenta un esquema de una antena en gua rectangular.

Figura 2.19 Antena ranuras en gua rectangular

2.4.4 Antenas De Parche

Con la aparicin de las estructuras impresas utilizadas como lneas de transmisin

en microondas, aparece tambin la antena impresa o antena de parche. En

principio se puede ver como una lnea de transmisin de tipo microstrip de longitud

igual a media longitud de onda y terminada en circuito abierto en ambos extremos.

En realidad es una antena similar a un dipolo sobre plano de masa, con la

diferencia de que la antena est formada por una metalizacin impresa sobre un

substrato dielctrico, la distancia al plano d masa suele ser mucho ms pequea

de un cuarto de longitud de onda y la forma de alimentacin es diferente de la del

dipolo. El uso de circuitos impresos en microondas ha hecho muy popular esta

antena como una extensin natural de dichos circuitos. En muchos casos se

integra parte del circuito pasivo (redes de adaptacin y filtros) o activo

(amplificadores y conversores) en los mismos substratos que forman parte de la

antena impresa. En la Figura 2.20 se presentan algunas de las formas de los

parches y tipos de alimentacin.

Figura 2.20. Formas de los parches y tipos de alimentacin

2.4.7 Balun

En sistemas de radio es muy frecuente utilizar el cable coaxial como lnea de

transmisin, por estar apantallada y ser de bajas prdidas y fcil de construir. Por

otra parte, las antenas estn necesariamente asociadas a un plano de masa o una

estructura puesta a masa, ya sea como parte integrante del diseo de la antena o

como simple soporte de las partes mecnicas que la forman. Esto significa que la

masa del coaxial debe ir unida necesariamente a la masa de la estructura, lo que

en ocasiones impide alimentar adecuadamente la amena. El ejemplo ms sencillo

es el del dipolo resonante sobre plano de masa presentado en la Figura 2.17, que

necesita tensiones, respecto a tierra, iguales y de distinto signo en cada uno de

los dos puntos de entrada.

Un BALUN (BALanced to UNbalanced transformer) es un circuito que permite

pasar de una lnea balanceada en la que ambos hilos tienen tensiones simtricas

respecto a tierra, a una lnea no balanceada en la que uno de los hilos esta a

tensin nula. El balun ms sencillo es un transformador, como se indica en la

Figura 2.2 la. El transformador es un circuito sencillo y funciona en un margen muy

amplio de frecuencias. De todas formas no siempre es posible utilizar un

transformador, ya que en frecuencias altas o en niveles altos de potencia las

prdidas y desequilibrios del transformador lo hacen poco recomendable. En estos

casos es conveniente utilizar circuitos basados en lneas de transmisin mucho

ms grandes pero que soportan mejor la potencia y tienen bajas prdidas.

Los balunes en lneas de transmisin estn basados en muchos casos en

transformadores de cuarto de onda, lo que hace que sean necesariamente

selectivos en frecuencia. En la Figura 2.21 b se presenta el esquema de un balun

tpico de coaxial, en el que se aprecia la lnea equilibrada y en el que se basa el

balun utilizado en la Figura 2.17. En la Figura 2.21c se presenta un balun para

lnea impresa basado en un divisor de potencia y desfasador.

En muchas ocasiones no es necesario incluir un circuito especfico que haga las

funciones de un balun, ya que la antena produce por si sola la transformacin de

un modo puesto a tierra a un modo equilibrado. Ese es el caso de las antenas de

lazo, las transiciones de coaxial a gua en las antenas de bocina o las antenas de

parche o dipolos alimentados por acoplamiento con ranuras acopladas a su vez a

las lneas impresas.

Figura 2.21 Circuitos de Balun a) Transformador b) Balun Coaxial c) Balun en

Microstrip.

Figura 2.22. Antena de onda progresiva en forma de rombo

2.4.8 Antenas De Banda Ancha E Independientes De La Frecuencia

Todas las antenas descritas en el apartado anterior tienen una banda limitada

alrededor de una frecuencia de resonancia. Algunas de ellas, como el dipolo

doblado, consiguen una banda apreciable, pero para alcanzar un comportamiento

ms uniforme con la frecuencia es necesario evitar los efectos resonantes. A

continuacin se describen algunos de los mecanismos por los que se pueden

conseguir antenas con bandas superiores a una octava.

2.4.8.1 Antenas De Onda Progresiva

Se basan en generar una onda progresiva sobre una estructura radiante. La onda

pierde parte de su potencia en el campo de radiacin conforme progresa por la

estructura, de forma que en el extremo se instala una carga que recoge la

potencia sobrante y evita las reflexiones.

La forma ms clsica de este tipo de antenas la constituye la antena en V y su

extensin en la antena rmbica. En ella se excita una onda progresiva sobre un

hilo situado horizontalmente a una cierta distancia de tierra. Si la distancia es del

orden de un cuarto de longitud de onda, la corriente de la onda progresiva produce

una radiacin en un cono que tiene por eje el mismo hilo. El plano de masa ayuda

a concentrar la radiacin en el plano vertical del hilo. Normalmente se combinan

dos hilos en forma de V para aumentar la directividad y en ocasiones se cierra en

forma de rombo para poder utilizar cargas equilibradas entre ambos brazos de la

lnea.

En la Figura 2.22 se presenta un esquema de estas antenas. El haz principal

forma un cierto ngulo con la direccin de los hilos que depende de la longitud y

sobre todo de la velocidad de propagacin de la corriente en la lnea. Su uso se ha

extendido mucho por su sencillez de montaje, sobre todo en frecuencias de HF y

VHF.

En frecuencias de UHF y superiores se utilizan estructuras impresas con el mismo

principio de antenas de onda progresiva. En milimtricas se han utilizado tambin

lneas de transmisin dielctricas en las que se recortan discontinuidades que

generan una radiacin progresiva de la onda.

2.4.8.2 Antenas Espirales

Las antenas espirales se basan en el principio de escala electromagntica. Si una

estructura se ampla en un factor de escala en todas sus dimensiones, su

funcionamiento se mantiene si escalamos la longitud de onda en el mismo factor.

En este sentido, las espirales son estructuras autoescalables, de forma que al

multiplicar sus dimensiones por un factor cualquiera nos queda la misma

estructura. Esto significa que una antena basada en una forma espiral puede

funcionar a cualquier frecuencia. En realidad, las espirales equiangulares se

extienden en teora desde un origen con tamaos que tienden a cero hasta el

infinito. En la realidad es necesario truncar esta estructura matemtica y por lo

tanto limitar la banda de frecuencias de trabajo. En cualquier caso, se consiguen

varias octavas de funcionamiento para una antena dada.

En la Figura 2.23a se presenta una antena espiral equiangular en la que se

aprecia una vista de la placa impresa. Estas antenas se construyen planas o sobre

conos, consiguiendo en estas ltimas una mayor ganancia. La polarizacin del

campo es circular en todas ellas. En el caso de antenas planas, la radiacin se

produce en ambas direcciones normales al plano que contiene la antena. Para

evitar la radiacin en una direccin se suele utilizar una cavidad metlica.

En general esto supone una resonancia que reduce considerablemente la banda

de trabajo. Si se quiere mantener la banda, se utiliza material absorbente de

radiaciones en la cavidad, con lo que se asegura la banda a costa de una

reduccin en la ganancia. En la Figura 2.23b se ha dibujado una seccin

transversal donde se representa la cavidad y material absorbente encargado de

eliminar el lbulo posterior de radiacin.

Figura 2.23. Antena espiral equiangular. a) Metalizacin en espiral. b)

Seccin con la cavidad y diagrama aproximado.

2.4.8.3 Antenas Logo-Peridicas

Podemos aplicar el mismo principio de escalado a otras estructuras siempre que

limitemos los factores de escala a unos valores discretos. Una de las antenas ms

utilizadas en sistemas de medida es la antena logo-peridica de dipolos.

Consiste en combinar varios dipolos en la misma estructura para conseguir que la

antena sea autoescalable por un factor dado (k). Eso significa que si funciona a

una frecuencia f1 tambin lo har a kf1 y a k2f1 y en general a k

n f1. Cuando el

factor de escala k es prximo a la unidad, el conjunto de frecuencias comprendido

entre los dos valores discretos de escalado queda cubierto por la banda de trabajo

del elemento que forma la antena, en este caso el dipolo. Por supuesto en esta

antena tambin tendremos un problema de truncado, de forma que las frecuencias

ms baja y ms alta de trabajo estarn definidas por los dipolos ms largo y ms

corto respectivamente. En la Figura 2.24 se aprecia una antena logo-peridica de

dipolos con la lnea de alimentacin.

Figura 2.24 Antena logo-peridica de polarizacin lineal

2.5. GRANDES ANTENAS, REFLECTORES

2.5.1 ANTENAS DE BOCINA

Aunque existen antenas de bocina muy grandes, podemos encontrar bocinas de

tamaos muy diferentes, desde pequeas bocinas de apenas una longitud de

onda en su apertura hasta centenares de longitudes de onda. La bocina es la

antena formada por la extensin natural de la gua de onda. La mayor parte de las

bocinas estn formadas simplemente por un ensanchamiento gradual de las

dimensiones de la gua de ondas, manteniendo las caractersticas de campo del

modo principal de la gua. En este sentido, las ms utilizadas son la bocina

piramidal y la bocina cnica. la primera conectada a una gua rectangular y la

segunda a una gua circular.

Por su carcter no resonante, las bocinas son antenas de banda ancha, que

normalmente cubren toda la banda de la gua de ondas a la que van conectadas.

Adems, son antenas en las que el modelo de campos, su propagacin a lo largo

de la bocina y su forma de radiacin, se ajustan muy bien a los valores medidos,

por lo que en muchas ocasiones se toman como patrones de medida en la medida

de polarizacin y de ganancia.

En general, las antenas de apertura son ms directivas cuanto mayor es su

apertura. Esta directividad puede deteriorarse si la fase del campo en la apertura

no es constante. Por la forma que toman las bocinas, el modo que se excita en la

apertura tiene un frente de fase esfrico, lo que supone un error de fase respecto

del frente de fase plano, que aumenta con el ngulo de abocinamiento y con la

anchura de la bocina. Para una longitud dada, el error de fase aumenta con las

dimensiones de la apertura, por lo que el aumento de ganancia asociado al

aumento de dimensiones se ve limitado por el error de fase en la boca. La

condicin de ganancia mxima lleva a una relacin entre las dimensiones de la

boca y la longitud de onda para cada tipo de bocina. Esta relacin depende del

modo que se excita y de la forma de la bocina. La relacin entre los valores de los

lados, la longitud de la bocina y la longitud de onda debe satisfacer las siguientes

relaciones en la bocina piramidal ptima:

La directividad que se puede obtener con las bocinas piramidales ptimas suporte

un rendimiento de apertura algo superior al 50% pudiendo ponerse en funcin de

las dimensiones como:

En el caso de una bocina cnica, la forma del campo elctrico en la boca

corresponde al modo TE11, lo que produce polarizacin lineal en la direccin del

campo elctrico.

Figura 2.25 Bocina piramidal optima. En el origen de LE y LH est en el

vrtice nominal de la pirmide.

Figura 2.26 Bocina Cnica Lisa

De igual modo en que las piramidales, en la bocina cnica la condicin de mxima

ganancia para una longitud dada de bocina se obtiene para un dimetro de la

boca dado por la condicin:

La directividad mxima para una bocina ptima se puede poner en funcin de las

dimensiones de la boca como:

Adems de estas bocinas, son importantes otros tipos de antenas de bocinas

como las que se basan en guas con resalte, que ofrecen bandas de

funcionamiento grandes, o las bocinas corrugadas, que permiten reducir

considerablemente su longitud manteniendo un bajo error de fase en la boca.

2.5.2 Antenas Reflectoras

Las antenas reflectoras y en particular el reflector parablico, son las antenas ms

utilizadas en aplicaciones donde se requiere una gran directividad. Son muchos

los tipos de reflectores utilizados en diversas antenas. Desde el reflector plano,

reflector didrico a los reflectores ms frecuentes del tipo cilindro parablico o

paraboloide de revolucin.

El reflector ms usual es el parablico, que est formado por un paraboloide de

revolucin metlico con una antena alimentadora situada en el foco. La reflexin

del campo en el reflector transforma una onda incidente con frentes de fase

esfricos en una onda plana, consiguiendo en el plano de su apertura un campo

en fase y bastante uniforme en amplitud, lo que supone un diagrama muy directivo

en la direccin normal a dicho plano. Las antenas utilizadas como alimentadoras

pueden ser muchas, aunque las ms frecuentes son las bocinas, dipolos o hlices.

La antena alimentadora debe concentrar el campo en la direccin del reflector,

para evitar que una parte de la potencia que genera se pierda fuera de la zona de

reflexin (spillover). Por otro lado, para conseguir una variacin de amplitud

pequea en la apertura del conjunto, es necesario que el diagrama de la

alimentadora sea lo ms uniforme posible hacia el reflector. Ambos requisitos

suelen ser contradictorios, llegando a una situacin de compromiso en la que se

concentra el haz principal de la antena alimentadora hacia el reflector,

manteniendo una relacin de campo del centro al borde de unos 8 a 10dB.

En general las caractersticas de ganancia y polarizacin se degradan al aumentar

el ngulo con que se ve el reflector desde el foco (20), o lo que es lo mismo al

reducir la relacin de distancia focal a dimetro (f/d). El valor ptimo se estima

para f/d=0,5, lo que supone un ngulo = 53. En la Figura 2.27 se presenta un

dibujo esquemtico de una seccin de paraboloide, donde se indican las

dimensiones ms importantes. La superficie del paraboloide viene dada por una

ecuacin que en esfricas y si tomamos el eje Z como el eje de simetra del

paraboloide, se puede poner como:

Figura 2.27 Esquema de un reflector parablico

La ecuacin que liga la relacin dimetro a distancia focal con el semingulo de

apertura del paraboloide, viene dada por:

Adems de la variacin de amplitud en la apertura o la potencia no incidente en el

reflector, otros efectos que influyen sobre la directividad son la sombra del

alimentador, la rugosidad del reflector y otros muchos que dependen de los

tamaos y frecuencia de trabajo. En esas condiciones, el rendimiento de apertura

de un reflector es del orden del 50 al 60%, de forma que la directividad se puede

poner aproximadamente como:

Adems del reflector simple, en antenas muy grandes o de prestaciones

especiales, se utilizan reflectores dobles como en las antenas Casegrain. En este

caso la onda generada en el alimentador es reflejada primero en un reflector

hiperblico para producir otra onda esfrica que incide sobre el reflector parablico

principal. Este sistema tiene ventajas en grandes antenas porque evita llevar la

seal con lneas de transmisin hasta el foco. Otras estructuras utilizadas son los

reflectores offset o descentrados, que eliminan el efecto de la sombra del

alimentador tomando una seccin asimtrica del reflector. Una parte importante de

la investigacin actual en antenas se centra en los materiales y formas de los

reflectores para conseguir efectos especiales con la frecuencia y diagramas

conformados a una especificacin especial.

2.5.3. Agrupacin De Antenas

Una de las formas cada vez ms utilizadas en grandes antenas es la agrupacin

(array) de pequeas antenas trabajando en comn, es decir, alimentadas desde

un terminal comn mediante redes lineales. Frente a otros tipos de antenas de

gran tamao, las agrupaciones presentan la ventaja de tener un diseo ms

verstil, permitiendo controlar de forma casi independiente la alimentacin de cada

uno de los elementos que forma la agrupacin y por tanto la forma de los

diagramas de radiacin generados.

Una de las grandes ventajas de este control es que las variaciones de fase en la

alimentacin de los elementos permite modificar la direccin de apuntamiento de

la antena (phased arrays). Esta capacidad de barrido electrnico de la direccin

de apuntamiento se aprovecha para sistemas tipo radar y radio-faros permitiendo

antenas de gran estabilidad mecnica. A continuacin se hace una pequea

descripcin de algunas de las agrupaciones ms frecuentes.

2.5.3.1 Agrupaciones Lineales

La agrupacin de varios elementos iguales a lo largo de una lnea permite

controlar el diagrama de radiacin en el plano que contiene la lnea de la antena.

Cuando todos los elementos tienen la misma orientacin, el diagrama de radiacin

puede ponerse como un producto del diagrama de un elemento por un factor que

depende solo del nmero, posicin y forma de excitacin de los elementos (factor

de grupo o array factor), lo que se conoce como Principio de multiplicacin de

diagramas. La forma ms sencilla de situar los elementos en la lnea de la antena

es equiespaciados una distancia d. La longitud total de la antena en ese caso ser

el producto del nmero de elementos por la distancia que los separa (L = Nd). La

mxima directividad se obtiene para una agrupacin que tiene todos los elementos

alimentados con la misma amplitud. En ese caso la directividad terica depende

slo de la longitud de la agrupacin y es independiente de la direccin de

apuntamiento y del nmero de elementos. Para una agrupacin de elementos

istropos, viene dada por la expresin:

En realidad no podemos separar los elementos todo lo que queramos, cuando la

distancia entre ellos supera media longitud de onda, pueden aparecer lbulos de

difraccin en los que se pierde una parte importante de la potencia y que estn

dirigidos en alguno de los sentidos del eje de la antena. En ese caso la ecuacin

de la directividad deja de ser cierta. Normalmente se sitan los elementos a una

distancia entre media y una longitud de onda, evitando siempre la aparicin de

lbulos de difraccin.

La direccin de apuntamiento del haz principal, dentro del plano que contiene el

eje de la antena, depende de la fase relativa de la corriente de alimentacin de los

elementos. Cuando la diferencia de fase entre cada dos elementos consecutivos

es , la direccin de apuntamiento viene dada por (2.50), donde 0 es el ngulo

que forma con el eje de la agrupacin.

La polarizacin del campo radiado depende del elemento utilizado y puede

controlarse independientemente de la forma y directividad del diagrarna. En la

Figura 2.28 se presenta una agrupacin lineal de dipolos alimentada con una red

de lneas bifilares con divisores de potencia simples y estructura en paralelo.

Figura 2.28 Agrupacin lineal de dipolos alimentados en paralelo

2.5.3.2 Agrupaciones Planas

Aunque ms complejas, las agrupaciones planas permiten obtener una mayor

directividad y control del diagrama que las lineales. La forma ms utilizada a la

hora de colocar los elementos de una agrupacin en un plano es la reticular

rectangular, o la circular.

La primera sita los elementos radiantes en los nudos de una retcula rectangular,

de forma que puede verse y analizarse como una agrupacin de agrupaciones

lineales. En este caso se sigue cumpliendo el principio de multiplicacin de

diagramas y se puede analizar el comportamiento de la agrupacin

independientemente del elemento utilizado para construirlo. Una agrupacin plana

posee la capacidad de apuntar el haz principal en cualquier direccin, controlando

la fase relativa entre elementos en una lnea y en una columna. Si consideramos

que el elemento radiante slo radia en un semiespacio (situacin frecuente si se

utiliza un plano de masa), la direccin de apuntamiento es nica y la directividad

mxima de la antena viene dada por:

Donde Lx=Nxdx y Ly= Ny dy son las longitudes de los lados de la retcula. Nx y Ny

el nmero de elementos o por fila o por columna y dx y dy la distancia que los

separa. Si situamos el plano de la agrupacin en el plano xy, direccin de

apuntamiento depende de la diferencia de fase entre los elementos de cada fila

(x) y de columna (y) y se puede escribir como:

2.5.4 ANTENAS ADAPTATI VAS

La capacidad de controlar el diagrama a travs de los coeficientes de alimentacin

no se reduce slo a la direccin de apuntamiento. Se puede controlar la direccin

de nulos del diagrama, niveles relativos en diferente direcciones e incluso la

diferencia de fase entre la recepcin de seales en funcin de la direccin de

llegada. Todas estas caractersticas se pueden aprovechar plenamente si

disponemos de una red de distribucin lineal que sea variable, de forma que

podamos controlar de forma independiente la amplitud y fase de alimentacin de

cada elemento de la agrupacin.

En la Figura 2.29 se presenta un esquema de lo que puede ser una agrupacin

trabajando en recepcin con un control independiente de la alimentacin de cada

uno de los elementos. Este esquema, que contiene amplificadores de ganancia

variable y desfasadores variables, es lo que se conoce como una agrupacin

activa. Por supuesto, podemos formar la misma agrupacin en transmisin con

grandes ventajas sobre la agrupacin pasiva. Una de las ventajas ms

importantes del esquema en transmisin es lo que se denomina la amplificacin

distribuida. Si deseamos radiar una potencia dada, no es necesario disponer de un

amplificador que aporte toda la potencia. Podemos obtener la misma potencia con

un gran nmero de amplificadores con tal de que su contribucin se sume en el

campo de radiacin.

Figura 2.29 Esquema de una agrupacin activa

Aunque puede parecer muy costoso incluir un amplificador y desfasador para cada

uno de los elementos de la agrupacin, los grandes avances en los circuitos

integrados de RF y microondas permite actualmente pensar en agrupaciones

activas con un gran nmero de elementos y relativo bajo costo.

Podemos hacer el control de la amplitud y fase utilizando un procesador digital

que nos permita conocer en cada momento el diagrama que sintetizamos. Ms

interesante resulta hacer depender ese diagrama de las seales recibidas y en

eso consiste una antena adaptativa. Actualmente destacan dos aplicaciones

importantes de las antenas adaptativas: el control de diagramas para recepcin

ptima de una seal (adaptacin a una referencia) y deteccin de ngulos de

llegada.

En el primer caso se utiliza un proceso iterativo para conseguir el ptimo de una

funcin error que resulta de comparar la seal recibida con una seal de

referencia. Este proceso permite minimizar el ruido e interferencias con que se

recibe una seal dada si conocemos algunas de sus caractersticas (modulacin,

codificacin, direccin de llegada, etc.) En la Figura 2.30 se presenta un esquema

de bloques en el que se ha resumido el control de amplitud y fase en un factor

complejo y se esquematiza el control adaptativo en funcin del error respecto a la

referencia. Este sistema se est utilizando con xito en diversos sistemas de

comunicaciones fijas y mviles.

En el segundo caso simplemente se analiza la seal obtenida en cada uno de los

elementos y a travs de un proceso estadstico de correlacin se puede

determinar la direccin de llegada de todas las seales que alcanzan la antena.

Este tipo de procesos es muy til en sistemas de localizacin, radar,

radiotelescopios, etc.

Figura 2.30 Esquema de una agrupacin adaptativa

CAPITULO 3. INSTRUMENTOS BSICOS DE MEDIDA DE

FRECUENCIA DE MICROONDAS

3.1 AMPLIFICADOR SELECTIVO

3.1.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La Figura muestra un esquema del panel frontal de un amplificador selectivo

tpico, tambin llamado medidor de onda estacionaria. Un amplificador selectivo es

esencialmente un receptor de baja frecuencia que tiene una banda muy estrecha,

generalmente centrada en torno a 1 kHz, y que dispone de un regulador de

ganancia.

Estos instrumentos son empleados habitualmente para monitorizar niveles

relativos de seal y medir razones de onda estacionaria. Para poder utilizarlos es

necesario disponer de un diodo detector que presente una respuesta cuadrtica, o

bien de un bolmetro que opere en su zona lineal. Asimismo, tambin es

necesario que la seal est modulada en amplitud, y que el espectro de la seal

moduladora se encuentre dentro de la banda de frecuencias del amplificador.

La seal moduladora puede ser una onda cuadrada o una sinusoidal. En el primer

caso la seal de entrada al amplificador no sera monocromtica, pero la mayor

parte de la energa de esta seal seguira estando concentrada dentro de la banda

del amplificador y por tanto no se degradara la sensibilidad de forma apreciable.

Generalmente los amplificadores selectivos disponen de tres tipos de escala:

1. Escala normal, para medida general de VSWR.

2. Escala en dB, para medida de cocientes de potencia o bien valores de VSWR

en dB.

3. Escala expandida, para medida de VSWR bajas.

Es importante ajustar los controles del amplificador para utilizarlo con el tipo de

generador y detector de que se disponga. Algunos modelos disponen de controles

para seleccionar la impedancia del dispositivo. En particular, los diodos detectores

pueden presentar impedancias muy elevadas si no estn polarizados, e

impedancias muy bajas si se polarizan. Algunos modelos de amplificadores

disponen de redes propias para la polarizacin del detector. Asimismo, los

amplificadores selectivos generalmente permiten al usuario seleccionarla

frecuencia central y el ancho de banda. El amplificador selectivo puede utilizarse

tambin con bolmetros, y de hecho algunos modelos de estos instrumentos

disponen de circuitos de compensacin. Cuando los niveles de seal son

suficientemente elevados es posible sustituir el amplificador selectivo por un

milivoltmetro de alterna, dado que la escala en dB del amplificador selectivo es

equivalente a la escala estndar de un milivoltmetro,

3.1.2 MEDIDA DE COCIENTES DE POTENCIA

Una de las medidas ms bsicas que se puede realizar con un amplificador

selectivo consiste en determinar cocientes de potencia, como por ejemplo

ganancias o atenuaciones. Si adems se dispone de una seccin de lnea con

sonda mvil, tambin se puede utilizar el amplificador selectivo para determinar

diferencias entre los niveles de campo elctrico existentes entre dos puntos de

una lnea en la que haya reflexiones. Un posible procedimiento a seguir para

realizar esta medida sera el siguiente:

1. Situar la sonda detectora en el punto en el que se oblonga la seal ms

elevada de los dos.

2. Ajustar la ganancia del amplificador selectivo hasta que la aguja del

instrumento se encuentre en el origen de escala, situado el extremo derecho de la

misma.

3. Deslazar el detector al segundo punto. en estas circunstancias la aguja

indicara el cociente de campos. expresado en dB. existente entre ambos puntos.

3.1.3 RAZN DE ONDA ESTACIONARIA

3.1.3.1 Valores bajos de VSWR

Las escalas del amplificador selectivo permiten medir de forma directa el valor de

VSWR aplicando el procedimiento descrito, en el Apartado anterior a dos puntos

de la lnea donde se obtenga un mximo y un mnimo de campos

respectivamente. La escala normal generalmente tiene dos subescalas, la primera

de ellas puede abarcar todo el rango de posibles valores de VSWR, desde 1 a .

La segunda permite realizar una medida mas precisa cuando VSWK > 3.2. Para

utilizar esta segunda subescala basta con seguir el mismo procedimiento que el

descrita en el Apartado anterior, pero al final del proceso de medida se debe

aumentar la ganancia del amplificador en 10 dB, Una vez hecho esto la lectura de

la aguja indica el valor mas preciso de VSWR segn esta subescala. La razn de

por qu esta subescala comienza en 3,2 es fcil de entender: cuando se aumenta

la ganancia en 10 dB el detector se encuentra localizado en un mnimo de seal.

Por tanto si la respuesta del detector es ideal, este aumento de ganancia equivale

a una medida de una onda estacionaria ficticia con una VSWR 10 dB inferior a la

real. Para que esta VSWR ficticia sea exactamente de 1, es necesario que el

cociente real de campos sea de 10 dB - 0 dB = 10 dB. Este cociente equivale a

una VSWR real de

VSWR real = 1010/20 = 3.1623 (2.53)

Las escalas expandidas generalmente estn calibradas para rangos de VSW

comprendidos entre 1 y 1,3, o bien entre 1 y 2 Estas escalas habitualmente estn

marcadas en color rojo para facilitar su identificacin.

La escala en dB. Utilizada para medir cocientes de potencia, lgicamente tambin

permite determinar el valor de VSWR en dB. Esta escala est calibrada entre 0 y

10 dB. Puede apreciarse en indicador que, tal y como cabria esperar el valor de

10 dB esta alineado con el valor de 3,2 en la escala normal de VSWR.

3.1.3.2 Valores elevados de VSWR

Cuando se miden valores de VSWR moderados o bajos el problema de que el

detector presente un margen de potencias limitado en respuesta cuadrtica no es

demasiado grave, pues en este caso siempre se podr reducir el nivel de seal del

generador hasta hacer que el mximo de campo se localice dentro de la zona

cuadrtica del detector

Figura 2.31. Medidor de onda estacionaria v esquema de sus escalas, El

modelo es el Hewlett-Packard 415-E.

Sin embargo, supongamos que las reflexiones son tan elevadas que la diferencia

de seales entre el mximo y el mnimo de campo es ms amplia que el margen

de potencias de seal en el que el dispositivo presenta una respuesta cuadrtica.

Si se reduce la potencia del generador para que el mximo de seal se encuentre

dentro de la zona de respuesta cuadrtica, entonces tambin se disminuye la

potencia en el mnimo y se corre el riesgo que este sea indectable. En estas

circunstancias no es posible medir VSWR. Puesto que en lugar de detectar la

seal generada por un mnimo de campo se detectara ruido.

Existen dos mtodos alternativos de medida de razones de onda estacionaria

elevadas. El primero de ellos consiste en utilizar un atenuador variable calibrado.

El montaje a realizar se muestra en la Figura 2.32 siguiente Un posible

procedimiento a seguir .sera el siguiente:

1. Ajustar inicialmente el atenuador a una posicin de mnima atenuacin.

2. Situar la sonda de la gua ranurada en un mnimo de seal.

3. Ajustar la ganancia del medidor de onda estacionaria hasta que indicase un

valor de referencia cualquiera.

4. Desplazar la sonda hasta un mximo, y para la misma ganancia del

amplificador selectivo ajustar el atenuador calibrado hasta obtener el valor de

referencia fijado previamente.

La atenuacin introducida seria la razn de onda estacionaria medida en dB

VSWRdB = 20log10 (VSWR) (2.54)

En este procedimiento no existira ningn problema con la falta de respuesta

cuadrtica en el dispositivo. Puesto que este recibe la misma potencia tanto en el

mximo como en el mnimo.

El segundo mtodo de medida de razones de onda estacionaria elevadas tienen la

ventaja respecto al primero de que no necesita ningn atenuador calibrado.

Recibe el nombre de "Mtodo indirecto" se basa en calcular la razn de onda

estacionaria a partir de dos parmetros directamente medibles:

1. Cociente entre el campo en un puni arbitrario Zp y el campo en un mnimo.

2. Distancia del punto intermedio al mnimo ms prximo.

La eleccin de Zp es totalmente arbitraria, siempre y cuando el cociente de

campos en la sonda E (Zp) /