Ángulos, aperturas y diagramas… Lo que “ve” la antena

¿Hasta dónde puede recibir una antena? Si el radar no está totalmente de frente a nuestro receptor, ¿Dónde está el límite del desfase lateral?. Esas son dos de las preguntas que los usuarios avanzados suelen plantearse cuando se enfrentan a radares complicados en cuanto a la orografía del terreno.

Una imagen puede explicar lo que se denomina “diagrama de radiación” o “patrón de radiación”. En realidad, el término radiación se confunde con el de recepción, ya que la antena se comporta de forma idéntica en ambas circunstancias.

Fig.1

En ésta imagen 3D podemos ver una corneta con unos lóbulos que salen hacia delante. El lóbulo y su color simbolizan el alcance en esa trayectoria, de tal forma que si el radar se encuentra dentro de él, será capaz de recibirlo con facilidad.

En la Fig 1. se aprecian tres lóbulos, uno principal y dos secundarios. El lóbulo central es el denominado principal, de mayor alcance y ángulo menor, mientras que los dos pequeños de los lados se denominan secundarios y que en función de su ángulo con respecto al eje principal y su magnitud, podrán recibir la señal del radar si se encuentra dentro de su campo de recepción.

La Fig 1. nos muestra un ejemplo de construcción de antena, pero realmente existen muchos patrones posibles, con dos, cuatro, seis y más lóbulos laterales. Todo depende de las dimensiones y tipo de antena. En la Fig 2. podemos ver ejemplos de distintos diagramas de recepción, pero esta vez en 2D y representando el máximo para un plano de corte que pasa por el eje principal.

Fig 2.

Mientras que la Fig 2A simboliza una antena con un patrón amplio, que es capaz de recibir desde ángulos muy alejados del eje principal, la Fig 2F se especializa más hacia el frente, con los lóbulos laterales algo menores. La más radical es la Fig 2K, que consigue llegar casi a los 180º.

Vistas las figuras de arriba, uno puede pensar que quizá el mejor patrón es el K, B o A, sin embargo hay que destacar algo importante: La intensidad se divide por el área cubierta por la antena. Así es, la antena A puede recibir desde ángulos mayores, pero a menor distancia ya que su área está muy repartida. En términos de luz, una lámpara con un foco abierto, ilumina localmente poco.

Por tanto hay que cuidar mucho dónde ponemos la mayor intensidad de recepción, y aquí es donde viene otro ejemplo en la siguiente figura. La antena extremadamente direccional, de la Fig 3.

Fig 3.

Toda la recepción se concentra en el eje principal, siendo casi inexistentes los lóbulos laterales. El alcance es máximo en línea recta, pues toda la energía se concentra en un ángulo muy estrecho.

Aunque sus ventajas son muchas en cuanto a recepción, este tipo de antenas no está exento de problemas. Una pequeña desalineación del eje provoca que el radar no intercepte el lóbulo, y por tanto necesita estar totalmente orientada hacia él. En un vehículo en movimiento, con cambios en la orografía, curvas y radares fuera de la vía este tipo de patrones no son deseables.

Parece claro que hay que buscar una optimización en cuanto a distancia (enfoque) y algo de ángulo para poder recibir también desde zonas complicadas, teniendo en cuenta que los ángulos difíciles en la práctica no superan los 15-20º debido a los rebotes producidos por el propio terreno, y que por tanto no pueden venir de demasiado lejos pues no estarían en la trayectoria. Se puede estimar que no más de 100 metros con esos ángulos abiertos al máximo.

Teniendo en cuenta todo esto, el patrón ideal sería aquel que conjuga un buen lóbulo principal, concentrado y de ángulo cerrado y dos secundarios a unos 15-20º del orden 10dB inferiores. El aspecto de un patrón como el indicado puede tener cierta similitud con la Fig 4.

Fig 4.

La Fig 4 muestra esos deseados lóbulos secundarios casi pegados al principal, pero lamentablemente también desperdicia energía en otros cuatro menores. Eso se ha de considerar como algo no deseable y a evitar en el diseño, y es que resulta muy difícil encontrar la forma ideal sin desperdicio de señal.

Otro factor que aún complica más el diseño es la frecuencia. Los receptores destinados a cubrir un amplio rango de frecuencias no pueden cumplir de la misma forma con un patrón similar, de tal modo que lo que es bueno para una frecuencia, puede ser fatal para otra adyacente.

Esto quiere decir que para la misma antena construida de forma ideal para la frecuencia de 34GHz, y que nos ofrece un patrón aceptable como el de la Fig 2F, cuando cambia a la frecuencia de 35.5, puede ofrecer un patrón totalmente distinto como el de la Fig 2L, donde ha desaparecido totalmente el lóbulo principal.

En resumen, la forma de la antena y su capacidad de poder recibir señales de radares desde las zonas óptimas con buen patrón, y por tanto buenas distancias, requiere un compromiso muy delicado entre ángulos, focalización y especialización en frecuencias.