Radar(IV): Antenas, guiaondas y otros menesteres

Bueno, una antena es un elemento que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en corrientes eléctricas (cuando actúa de receptor) y de transformar corrientes eléctricas en ondas electromagnéticas (cuando actúa de emisor). Pero no cualquier cosa sirve con antena, una antena ha de estar diseñada específicamente para una frecuencia, o para un abanico de frecuencias que puede depender principalmente de la longitud de onda de la oem que quieras recibir o emitir.

Un hilo cerrado de unas dimensiones mayores que la longitud de onda de un generador de corriente alterna, radia energía en forma de onda electromagnética al espacio, pero esto aunque radie, el rendimiento es muy bajo, prácticamente inservible para el tema que nos ataña.

Para hacernos una idea de cuanta energía radioeléctrica se emite al espacio, se inventó el factor denominado “resistencia de radiación” de una antena, que es una resistencia ficticia equivalente a una real que disiparía la potencia que se radia al espacio. Se deduce que contra mayor sea esta, mas energía radiamos al espacio:

Wr=Rr*Ief2 

Donde:
– Wr es la potencia radiada
– Rr es la resistencia de radiación
– Ief es la corriente eficaz.

Contra mayor sea la frecuencia, mayor será el rendimiento de la radiación, (vemos que las microondas son ideales para un alto rendimiento, y por lo tanto la necesidad de utilizar una potencia baja).

Como hemos dicho, una antena ha de tener una forma y unas dimensiones específicas para la frecuencia a la cual va a trabajar y donde su resistencia de radiación va a ser óptima.

ANTENA DIPOLO

La antena dipolo se considera como la antena mas simple que existe, su rendimiento es medio-bajo pero tiene la gran ventaja de ser muy simple y poseer un ancho de banda grande (es decir, abarca un amplio abanico de frecuencias de trabajo).

La definición más simple, un dipolo son 2 cables de una longitud determinada que radian una oem donde se le conecta un generador de corriente alterna. Para que un dipolo funcione, sus brazos han de tener una relación con la longitud de onda ? que suele ser de ?, ?/2 y ?/4,

fig 1

Un problema que se presenta con las microondas, y de ahí lo delicado de trabajar con estas frecuencias tan elevadas es que cualquier pista de circuito impreso, un hilo suelto en un cable, una soldadura mas gruesa de lo normal, al tener una ? tan pequeña, puede comportarse como pequeños dipolos indeseables que nos pueden arruinar el invento, o hacer que nuestro equipo no funcione correctamente.

CARACTERISTICAS DE UNA ANTENA

La función primordial para una buena radiación es que la antena genere un fuerte campo electromagnético en unas condiciones determinadas. Las principales características de una antena son:

Polarización: Es la dirección que toma el campo eléctrico de la onda (la misma dirección de la antena). Las antenas emisoras y receptoras han de tener la misma polarización para obtener un rendimiento óptimo. Existen 2 tipos básicos de polarización, la polarización vertical y la polarización horizontal.

Angulo de radiación: Es aquel ángulo por encima de la horizontal donde la antena radia o recibe la máxima intensidad del campo electromagnético. En nuestro las antenas son muy directivas, por lo que no es importante para las antenas que vamos a utilizar.

Directividad: La directividad indica hacia que dirección la antena radia y recibe mayor cantidad de señal de RF (radiofrecuencia). Las antenas utilizadas por los radares son muy directivos y centran mucho la RF emitida (y recibida).

Ganancia: Es un factor que indica cuanta mas energía em capta una antena con respecto a otra que se toma como modelo (el modelo se llama antena isotrópica pero este tema no nos interesa), solo decir que una antena con mas ganancia emitirá mas energía em que otra de menos ganancias en la mismas condiciones. Así mismo una antena con mas ganancia recibe mas energía em que otra de menos ganancia en las mismas condiciones.

Impedancia: Por ahora, no nos interesa, pero para los que tengan curiosidad mide la resistencia que la señal de RF ve cuando llega a la antena, incluyendo la resistencia de radiación. Las impedancias habituales son 73Ohm y 50Ohm. Pero lo dicho, por ahora nos vamos a meter más en ello.

Longitud de los elementos radiales: Los elementos de la antena, como hemos dicho, han de tener una longitud determinada para que funcionen a la frecuencia que queremos trabajar.

Altura: Las antenas para que funcionen correctamente han de estar a una altura del suelo, sin embargo este factor no es importante en las antenas que nos interesas.

Ancho de banda: Simplemente indica a que rango de frecuencias puede trabajar la antena.

ANTENAS PARA MICROONDAS

Existen múltiples tipos de antenas para todo tipo de frecuencias y usos, de los más convencionales como los dipolos hasta las más complejas multibandas con un montón de palitos de formas de lo más curiosas, desde antenas enormes que miden metros para frecuencias bajas, hasta antenas enanísimas como las de un teléfono móvil.

Las antenas de las microondas son antenas relativamente pequeñas, siendo las más utilizadas por los radares de la DGT, y por nuestros antirradares, la de tipo “bocina”.

Pero antes de entrar en las antenas de microondas, me vais a permitir un pequeño inciso en las líneas de transmisión. Una línea de transmisión es “el cable” que une el equipo emisor-receptor con la antena. Para frecuencias bajas, por debajo de los GHz, se trata de un cable, mas o menos complejo, siendo actualmente el mas utilizado (por no decir el único utilizado) de tipo coaxial, que tiene un cable central, un aislante y una malla externa, todo rodeado por una funda. Es el tipo de cable que tiene nuestra TV en la antena.

Fig 2

La transmisión de la energía em desde el transmisor a la antena se hace como un transporte de energía eléctrica, como una corriente alterna (como el cable de la luz de casa, salvando las diferencias claro) y es en la antena donde verdaderamente se transforma la corriente eléctrica en una onda electromagnética y viceversa.

Sin embargo, este tipo de cable por encima de los GHz empieza a tener problemas. Por cuestiones físicas que no voy a explicar por no extenderme mucho, el cable coaxial empieza a tener pérdidas importantes, y se ha visto que modificando el cable coaxial, quitando el conductor central y el aislante, y dejando la malla exterior se consigue que la transmisión de la microonda no tuviese pérdidas importantes, de ahí nacen los guiaondas, que se trata de unos tubos por donde discurre la microonda de unas dimensiones específicas por la frecuencia a tratar.

El nombre de guiaondas le viene de ahí, porque la onda va “guiada” por el interior de este tubo. En realidad las antenas de las microondas, los guiaondas y los elementos de las antenas de estas frecuencias son mas parecidos a un “sistema de fontanería” que a un sistema electrónico.

(Nota: Para los mas eruditos, es una explicación muy simplista sin entrar a explicar nada del porque, ya que considero que no es el fin de estos artículos)

Por eso si miramos una antena de estas características, veremos que los ajustes son tornillitos que suben y bajan, placas que entran y salen, todo muy mecánico para conseguir los ajustes necesarios para un correcto funcionamiento.

Fig 3

Fig 4

Así mismo, para los guiaondas pasa lo mismo, plaquitas por aquí y por allí para ajustar los rebotes y “guiar” las ondas.

Fig 5

La antena más popular utilizada en microondas es un dipolo en un sistema captador (una parábola, una bocina…) donde resuena a la frecuencia a recibir o emitir (la palabra “resuena” la tomaremos como que trabaja a la frecuencia adecuada) y la onda es guiada por el guiaondas:

Fig 6

Así mismo, el elemento radiador puede ser interno y la microonda generada guiada por un guiaondas al exterior en una terminación de bocina, por ejemplo, que es lo acostumbrado a ver en los radares de la DGT y los antirradares.

Fig 7

No voy a entrar mas en este tema ya que de por si es un tema muy profundo pero con estas ideas generales creo que son suficientes para hacernos una idea de por donde van los tiros, y el motivo de que lleve una “bocina” en el parachoques de mi coche, y porque así consigo “mas ganancia” y detecto mejor el radar de la DGT que no con un equipo portátil, por ejemplo.

ACOPLAMIENTOS DE RF

Cuando hablamos de acoplamientos, nos referimos a que los elementos de radiación, guiaondas, etc. deben estar diseñados y ajustados para que no existan pérdidas en el cambio de, por ejemplo, un guiaondas a otro, eso es lo que se entiende por acoplamiento.

Como ya hemos indicado, el sistema tiene que estar diseñado para funcionar en una frecuencia específica, y por eso los ajustes se realizan para es frecuencia. Si quisiéramos trabajar en otra, el equipo se “desacoplaría” y empezaríamos a tener pérdidas y falta de rendimiento.

Se considera ancho de banda, aquel margen de frecuencias donde la potencia emisora no disminuye más allá de ½ de la potencia máxima.

Fig 8

Para el próximo artículo nos meteremos ya con la electrónica del radar, veremos que es muy lioso trabajar con frecuencias tan altas, y veremos como se transformas estas frecuencias tan altas en otras frecuencias más bajas y cómodas de manejar.

Hablaremos de:
– Mezcla de frecuencias
– Heteroninaje
– Amplificadores y pasos intermedios. Osciladores locales.

Articulos relacionados

Radar(I): Introducción y generalidades
Radar(II): Ondas electromagnéticas, efecto Doppler
Radar(III): Aplicación del efecto Doppler, microondas
Radar(IV): Antenas, guiaondas y otros menesteres
Radar(V): Mezclando frecuencias
Radar(VI): Amplificaciones y osciladores
Radar(VII): La electrónica de control

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Un comentario en “Radar(IV): Antenas, guiaondas y otros menesteres

  1. Muy pero que muy bien explicado! Sigue así…

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