Tema 2 · Antenas

Antenas en los radioenlaces

Directividad, ganancia y eficiencia; diagrama de radiación, θ3dB, SLL, FBR y XPD; desapuntamiento y tipos de antena

Idea clave. Una antena no amplifica: es un dispositivo pasivo que reparte la potencia y la concentra en unas direcciones a costa de otras. Su diagrama de radiación dice cuánto en cada dirección. En un radioenlace importan la ganancia en la dirección del vano, lo que se pierde si la antena se desapunta y lo bien que separa las dos polarizaciones.

Parámetros primarios

Una antena isótropa reparte la potencia radiada $P_{rad}$ por igual sobre una esfera de radio $R$ . Cualquier antena real se compara con ella:

\Phi_{iso} = \frac{P_{rad}}{4\pi R^2} \qquad U(\theta,\phi) = \Phi(\theta,\phi)\cdot R^2 \qquad d(\theta,\phi) = \frac{\Phi(\theta,\phi)}{\Phi_{iso}} = \frac{U(\theta,\phi)}{U_{iso}}

$\Phi$ es la densidad de potencia (W/m²), $U$ la intensidad de radiación (W/sr) y $d$ la directividad. El campo eléctrico sale de la densidad de potencia, $e = \sqrt{\Phi\,\eta_0}$ .

Visto desde el transmisor, la antena es una impedancia: $Z = R_{rad} + R_{\text{pérd}} + jX$ . La parte que radia es $R_{rad}$ ; $R_{\text{pérd}}$ se queda en calor. Se dice que la antena está sintonizada en el margen de frecuencias en que $X \approx 0$ , es decir, donde las pérdidas de retorno superan 15 dB o la ROE es menor que 1,5:

RL = -20\log_{10}|s_{11}| \qquad ROE = \frac{1 + |s_{11}|}{1 - |s_{11}|}

Dentro de esa banda, la eficiencia dice qué parte de la potencia entregada se radia, y la ganancia es la directividad por la eficiencia:

\eta = \frac{P_{rad}}{P_{ent}} = \frac{R_{rad}}{R_{rad} + R_{\text{pérd}}} \qquad g(\theta,\phi) = \eta\cdot d(\theta,\phi) \qquad S_{ef}(\theta,\phi) = \frac{\lambda^2}{4\pi}\, g(\theta,\phi)

La superficie efectiva es la que usa la antena receptora para «recoger» el flujo, como en el balance del enlace. La polarización es la orientación del campo eléctrico: lineal (vertical u horizontal), circular o elíptica.

El diagrama de radiación

El diagrama de radiación representa $U$ , $\Phi$ , $e$ , $d$ o $g$ en función del acimut y la elevación, a una distancia fija en campo lejano: $R > 2D^2/\lambda$ , con $D$ la dimensión mayor de la antena. Se suele dar en dos cortes: en acimut (elevación 0°) y en elevación (acimut 0°), en polar o en cartesiano y normalizado al máximo.

Lóbulos: zonas del diagrama separadas por nulos. El lóbulo principal contiene la dirección de máxima radiación ( $D_{max}$ , $G_{max}$ ).
Ancho de haz a 3 dB ( $\theta_{3dB}$ ): ángulo entre los puntos de potencia mitad del lóbulo principal.
SLL (side lobe level): $SLL = D_{max} - D_{\text{lóbulo secundario}}$ , cuánto por debajo del máximo queda el lóbulo lateral más alto.
FBR (front to back ratio): $FBR = D_{max} - D_{\text{lóbulo posterior}}$ .

Por su forma, las antenas son directivas (un haz estrecho), sectoriales (un haz ancho en acimut) u omnidireccionales (igual en todo el acimut).

Desapuntamiento

Cerca del máximo, el lóbulo principal se aproxima por una parábola en dB. Si la antena está desapuntada $\theta$ grados respecto a la dirección del vano:

G(\theta) = G_{max} - 12\left(\frac{\theta}{\theta_{3dB}}\right)^2

En $\theta = \theta_{3dB}/2$ cae justo 3 dB: es la definición del ancho de haz. Cuanto más directiva es la antena, más estrecho es $\theta_{3dB}$ y más cuesta un error de apuntamiento. En un problema, mira qué estación está desapuntada: solo cambia la ganancia de esa antena ( $G_t$ o $G_r$ ).

Polarización cruzada: la XPD

Una antena polarizada en vertical también radia un poco en horizontal. El diagrama copolar es el de la polarización buena (VV, HH) y el contrapolar, el de la cruzada (VH, HV). La diferencia es la discriminación por polarización cruzada:

XPD(\theta,\phi) = D_{copolar}(\theta,\phi) - D_{contrapolar}(\theta,\phi)

Es la que permite usar las dos polarizaciones en la misma frecuencia (doble polarización) sin que una interfiera a la otra. Es máxima en el apuntamiento y baja fuera del eje. La lluvia también despolariza: se verá en «Lluvia y disponibilidad».

Tipos de antenas

Tipo	Cómo es	Características	Uso típico
Dipolo λ/2 (lineal)	Hilo conductor muy delgado; su longitud fija la frecuencia central	Diagrama casi omnidireccional, XPD muy grande	Punto a zona, elemento de otras antenas
Yagi-Uda (lineal)	Dipolo excitado con un reflector detrás y varios directores delante (elementos parásitos)	Más directiva que el dipolo; tamaños y separaciones fijan la banda	Recepción de TV, enlaces sencillos
Parche (apertura)	Parche metálico sobre un sustrato dieléctrico y un plano de masa	Plana, fácil de construir; banda estrecha, ganancia y eficiencia bajas	Terminales y agrupaciones
Bocina (apertura)	Guía de onda abocinada que adapta la guía al espacio libre	Gran ancho de banda, directividad alta, fácil de construir	Fuente primaria, medidas
Parabólica (apertura)	Una fuente primaria ilumina un reflector parabólico que colima el haz	Gran ancho de banda, directividad muy alta	Radioenlaces punto a punto, satélite

En las antenas de apertura, la superficie radiante está directamente ligada a la superficie efectiva y, por tanto, a la ganancia: a igual frecuencia, más grande es más directiva. Según el servicio se eligen directivas para punto a punto, sectoriales para punto a multipunto y omnidireccionales para punto a zona.

Preguntas de repaso

¿Por qué una antena «tiene ganancia» si es un dispositivo pasivo?

Porque no crea potencia: la concentra. La ganancia compara la densidad de potencia en una dirección con la de una isótropa que radiara lo mismo. Lo que gana en el lóbulo principal lo pierde en el resto de direcciones, y además $g = \eta\, d \le d$ . (Pregunta propia, redactada a partir de las transparencias.)

Antena de 40 dBi con θ3dB = 2°, desapuntada 2°. ¿Cuánto pierde?

$G = 40 - 12\cdot(2/2)^2 = 28$ dBi: 12 dB menos. A $\theta = \theta_{3dB}/2 = 1°$ perdería solo 3 dB; la pérdida crece con $\theta^2$ . (Pregunta propia, redactada a partir de las transparencias.)

¿Qué diferencia hay entre SLL y FBR?

Los dos miden cuánto por debajo del máximo queda otro lóbulo: el SLL usa el lóbulo lateral más alto y el FBR el lóbulo posterior (hacia atrás, a 180°). Un SLL y un FBR grandes significan que la antena capta poca interferencia de fuera del vano. (Pregunta propia, redactada a partir de las transparencias.)

¿Para qué sirve una XPD grande en un radioenlace?

Para transmitir dos señales en la misma frecuencia, una en cada polarización. Con una XPD de 40 dB, lo que se cuela de una polarización en la otra queda 40 dB por debajo y no interfiere. (Pregunta propia, redactada a partir de las transparencias.)

Material del curso usado: Transparencias del tema 2: «Antenas en los sistemas de radiocomunicación» · Formulario propio.