Antenas, su teoría y fundamentos E-Book

Martín Lema

• Herausgeber: Editorial Autores de Argentina
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 1004

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Este libro está dirigido a todos aquellos que necesiten conocer el funcionamiento de las antenas con fundamentación técnica sólida. Pensado para profesionales y estudiantes de tecnologías que requieren de comunicaciones inalámbricas en su área de trabajo, como ser redes celulares, equipamiento para fuerzas armadas y de seguridad, internet de las cosas, industria automotriz, aeroespacial, etc. En esos casos las antenas son un componente imprescindible, del cual deben comprender cabalmente su funcionamiento, sus capacidades y limitaciones, pero no más que eso. Por esa razón en el texto se profundiza justo lo necesario en materia de electromagnetismo, evitando ahondar en raíces teóricas que no les serán imprescindibles para su actividad. Si bien todos los temas se tratan con la rigurosidad necesaria, el texto está redactado en lenguaje llano, muy fácil de entender, evitando tecnicismos y desarrollos matemáticos innecesarios para el lector al que apunta esta obra. En casi todos los temas tratados se incluyen ejemplos reales resueltos, cosa que facilita la interpretación de las fórmulas presentadas. Para estudiantes y aficionados interesados en el terreno de las antenas, esta obra le servirá como portal de entrada al apasionante mundo de la física de las telecomunicaciones, brindándole las herramientas y conocimientos necesarios para su actividad. Para profesores de materias relacionadas con las tecnologías que requieren telecomunicaciones, este será un libro de consulta útil.

Leseprobe

MARTÍN LEMA

Antenas, su teoría y fundamentos

Manual práctico para proyectos de ingeniería

Lema, Martín Antenas, su teoría y fundamentos : manual práctico para proyectos de ingeniería / Martín Lema. - 1a ed - Ciudad Autónoma de Buenos Aires : Autores de Argentina, 2024.

Libro digital, EPUB

Archivo Digital: descarga y online

ISBN 978-987-87-4973-0

1. Manual Técnico. I. Título. CDD 621.3824

EDITORIAL AUTORES DE [email protected]

Tabla de Contenidos

PREFACIO

CAPÍTULO 1 - Introducción a las antenas, la radiofrecuencia (RF) y su espectro

Introducción

1.1 La bendita RF hace lo que quiere

1.2 Las premisas acerca de la RF

1.3 Definición de antena

1.4 La antena y la estructura de soporte de antena

1.5 Los múltiplos de la unidad de frecuencia

1.6 La longitud de onda

1.7 ¿Cuánto mide una antena?

1.8 Las estructuras básicas, el dipolo y el monopolo

1.9 Las antenas más comunes

1.10 Los fasores

1.11 La electricidad y los números complejos

1.12 El efecto pelicular

1.13 El dB (decibel)

1.14 Las telecomunicaciones, las ondas, las antenas, la física cuántica y la química

1.15 Tabla de órdenes de magnitud de variables que pueden aparecer en instalaciones reales de radiocomunicaciones.

1.16 El espectro electromagnético

1.17 Potencia y energía

CAPÍTULO 2 - Los parámetros principales de las antenas

Introducción

2.1 Tipos de antenas

2.2 La potencia irradiada por una antena

2.3 La directividad de las antenas

2.4 ¿Qué es una antena isotrópica?

2.5 La ganancia de las antenas

2.6 El patrón de radiación de las antenas

2.7 El ancho de haz a -3dB

2.8 La antena en recepción y el área efectiva

2.9 La directividad relacionada con el ángulo sólido equivalente

2.10 Campos producidos por una antena transmisora

2.11 La polarización de las antenas

2.12 El AR (Axial Ratio)

2.13 El rechazo de polarización cruzada

2.14 La impedancia de las antenas

2.15 La resistencia de radiación de las antenas

2.16 La ROE o VSWR de las antenas

2.17 El ancho de banda de las antenas

2.18 La relación frente espalda de las antenas

2.19 Los productos de PIM (intermodulación pasiva)

CAPÍTULO 3 - La antena inmersa en el cálculo de propagación

Introducción

3.1 El cálculo de enlace

3.2 Concepto de uplink y downlink

3.3 Los distintos entornos de propagación

3.4 La propagación por espacio libre y cálculo de su “atenuación”

3.5 Dependencia de la atenuación de espacio libre con la frecuencia

CAPÍTULO 4 - Simulación electromagnética por computadora

Introducción

4.1 El proceso de diseño de una antena

4.2 El cálculo analítico sigue vivo

4.3 El cálculo numérico electromagnético

4.4 El primer paso del cálculo numérico, dividir los elementos de la antena en “N” segmentos.

4.5 El segundo paso del cálculo numérico, determinar la corriente que circula por cada segmento

4.6 El tercer paso del cálculo numérico, resolver los campos eléctricos y magnéticos que produce toda la estructura a su alrededor

4.7 El cuarto paso del cálculo numérico, mostrar los resultados y graficar

4.8 Ejemplo de modelación y posterior simulación de una antena real

4.9 Modelado en presencia de plano de tierra real

4.10 Simulación de superficies sólidas mediante una malla de alambres

4.11 La forma y las dimensiones de la grilla

4.12 El desempeño del grillado en función de la frecuencia

4.13 El desempeño del grillado en función del diámetro de los conductores

4.14 Agujeros en el grillado

CAPÍTULO 5 - Estructuras radiantes básicas

Introducción

5.1 El entorno de espacio libre

5.2 El radiador elemental

5.3 Campos eléctrico y magnético producidos por el radiador elemental

5.4 El dipolo de dimensiones comparables con la longitud de onda

5.5 El dipolo de media onda

5.6 La impedancia de entrada de los dipolos

5.7 Los dipolos con conductores reales

5.8 Las antenas monopolo

5.9 Antena de espira o antena magnética elemental

5.10 Similitudes y diferencias entre el radiador elemental y las espiras elementales

5.11 La directividad y la ganancia de las antenas elementales o muy cortas

5.12 Las antenas de varias espiras

5.13 ¿Por qué interesa tanto que la resistencia de radiación sea alta?

5.14 Antena de ranura (slot antenna)

CAPÍTULO 6 - Reflectores y formaciones

Introducción

6.1 Las antenas básicas con reflector plano

6.2 El reflector grillado

6.3 El reflector diédrico

6.4 El reflector parabólico

6.5 El reflector elíptico

6.6 El reflector hiperbólico

6.7 Las formaciones de antenas (Antenna Array)

6.8 Jergas y nombres de formaciones de uso habitual

6.9 Desarrollo analítico del patrón resultante de formaciones de antenas

6.10 Aplicación práctica del desfasaje entre elementos de una formación

6.11 Las formaciones con elementos paralelos

6.12 Las formaciones direccionales tipo end-fire

6.13 El caso particular de las formaciones con elementos a 45°

6.14 La formación bidimensional plana en forma de filas y columnas

6.15 Dependencia de la orientación del haz en función de la rotación de fase entre elementos de una formación bidimensional

6.16 El plano reflector en una formación, la antena panel

CAPÍTULO 7 - Antenas direccionales de mediana ganancia

Introducción

7.1 Conceptos teóricos que fundamentan las antenas tratadas en este capítulo.

7.2 La antena Yagi

7.3 La ganancia de las antenas Yagi en función del número de elementos

7.4 La impedancia de las antenas Yagi y su adaptación

7.5 La antena patch

7.6 La impedancia de entrada de la antena patch y su adaptación

7.7 Agrupamiento de antenas patch (formaciones o patch arrays)

7.8 Las antenas patch con polarización circular

7.9 Las antenas independientes de la frecuencia en general

7.10 La antena bicónica

7.11 Las antenas en espiral

7.12 La estructura logperiódica

7.13 La antena discono

7.14 La antena helicoidal en modo axial

CAPÍTULO 8 - Antenas para estaciones base

Introducción

8.1 La formación de dipolos

8.2 Las antenas colineales

8.3 La antena Franklin (Franklin Array)

8.4 Las antenas Ringo y Ringo Ranger

8.5 La antena Colineal Coaxial (COCO)

8.6 La influencia del montaje, el mástil y las riendas en la instalación de antenas omnidireccionales

8.7 Las antenas panel

8.8 Las antenas panel multibanda

8.9 Los metamateriales

8.10 Configuración física de una antena panel multibanda

8.11 La orientación de las antenas panel

8.12 La antena panel de haces múltiples

8.13 Las antenas panel adaptativas

CAPÍTULO 9 - Antenas para terminales móviles

Introducción

9.1 El alambrecito como antena

9.2 Antenas helicoidales en modo normal

9.3 La antena meandro

9.4 Las antenas para NFC (Near Field Communications)

9.5 Las antenas tipo L invertida y F invertida

9.7 Las antenas chip

9.8 Antenas hoja de trébol (cloverleaf antenna)

9.9 Antenas látigo (whip)

9.10 Antenas para móviles aeronáuticos

9.11 La antena tipo towel bar (toallero)

9.12 Las antenas de ayuda a la seguridad y automatización de la navegación aérea

9.13 Las antenas de los terminales celulares

CAPÍTULO 10 - Antenas para HF

Introducción

10.1 Generalidades de las comunicaciones en HF y la participación de la antena

10.2 Las antenas dipolo, Yagi y logperiódicas en HF

10.3 ¿Por qué nos comunicamos si tenemos las antenas “de punta”?

10.4 Las antenas multibanda de HF con trampas y bobinas de carga

10.5 Las antenas tipo dipolo de HF acortadas

10.6 Las antenas Yagi de HF acortadas

10.7 Las antenas de alambre largo en HF

10.8 Antenas de onda progresiva (TWA Traveling Wave Antenna)

10.9 Las antenas Beverage

10.10 Las antenas rómbicas

10.11 las antenas T2FD o TTFD (Terminated Tilted Folded Dipole)

10.12 La antena V invertida

10.13 El balún en antenas de HF

10.13.1 Breve resumen de la función de un balún

10.14 La antena bigote de gato (también antena abanico o fan antenna)

10.15 Las antenas delta loop y quad

CAPÍTULO 11 - Antenas con relector parabólico

Introducción

11.1 Las antenas de bocina (horn antennas)

11.2 Las antenas parabólicas

11.3 El alimentador de las antenas parabólicas (feeder)

11.4 La polarización en las antenas parabólicas

11.5 Las antenas parabólicas blindadas

11.6 El radomo en las antenas parabólicas

11.7 La envolvente del patrón de radiación de las antenas de alta ganancia

11.8 Las antenas parabólicas tipo offset

11.9 El reflector parabólico grillado

11.10 Influencia de los errores de armado y montaje en reflectores parabólicos

11.11 Determinación analítica de los lóbulos secundarios en antenas parabólicas

11.12 Las antenas parabólicas con doble reflector

11.13 La arquitectura Cassegrain

11.14 La arquitectura Gregoriana

11.15 Las antenas de arquitectura reflectarray

CAPÍTULO 12 - Interacción de la energía electromagnética con la materia

Introducción

12.1 Accidentes por uso del celular en conductores o peatones

12.2 ¿Quiénes están expuestos a las RNI?

12.3 La química y la física. ¿por qué se las incluye en este capítulo?

12.4 Física cuántica para salita de 4

12.5 La física de los conductores eléctricos

12.6 La interacción de la energía electromagnética con la materia en general

12.7 Interacción de la materia con fotones de distinta energía (frecuencia)

12.8 Interacción de la energía electromagnética con la materia orgánica

12.9 La absorción de energía electromagnética del cuerpo humano en general

12.10 La absorción de energía y el SAR

12.11 El SAR de cuerpo entero

12.12 La profundidad de penetración de la radiación en tejidos biológicos

12.13 Marco regulatorio de la República Argentina en materia de RNI

12.14 Valores límites de exposición a RNI en la República Argentina

12.15 Resumen de la Normativa argentina relativa a RNI

CAPÍTULO 13 - Líneas de transmisión

Introducción

13.1 ¿En qué casos se aplica la teoría de línea de transmisión?

13.2 La carta de Smith

13.3 Diseño de redes de adaptación de impedancia usando la carta de Smith

13.4 Comparación de antenas usando la carta de Smith

13.5 La adaptación de impedancias

13.6 La relación entre ancho de banda y diferencia de impedancias adaptadas

13.7 Adaptadores de impedancia binomial, Chebyshev y taper

13.8 Las líneas de transmisión reales

13.9 El efecto pelicular

13.10 Los cables coaxiales

13.11 Las líneas de transmisión con dos conductores paralelos cilíndricos

13.12 Las líneas de transmisión con dos conductores paralelos cuadrados en aire

13.13 Las líneas de transmisión con un solo conductor contra tierra

13.14 Las líneas de transmisión impresa (Microstrip)

13.15 Las guías de onda

13.16 Las partes integrantes de una bajada de antena con guía

PREFACIO

Este libro está dirigido a todos aquellos que necesiten conocer el funcionamiento de las antenas con fundamentación técnica sólida. En general se trata de profesionales y estudiantes de tecnologías que hacen uso de comunicaciones inalámbricas, como ser telecomunicaciones, internet de las cosas, industria automotriz, aeroespacial, etc. Todos ellos ven a las antenas como un componente imprescindible, del cual deben comprender cabalmente su funcionamiento, sus capacidades y limitaciones. No van a dedicarse al diseño industrial de antenas, ni a desarrollar nuevas variantes. Por esa razón en el texto se profundiza justo lo necesario en materia de electromagnetismo, evitando ahondar en raíces teóricas que no les serán imprescindibles para su actividad.

El contenido está diagramado de modo que textos e imágenes asociadas estén contiguas, cosa que facilita la lectura en formatos electrónicos y redactado en lenguaje llano, tratando de evitar los desarrollos tediosos que aportan poco al entendimiento general del tema tratado, y dispersa la atención del lector con asuntos matemáticos que no son función del ingeniero o técnico actual.

En todos los capítulos se hace mucho foco en resaltar la influencia de cada parte de una antena en el funcionamiento del conjunto. Para el objetivo de este trabajo, es mucho más importante comprender “que pasa si modifico tal cosa” que profundizar en las fórmulas matemáticas que lo describen. No debemos olvidarnos de que el diseño moderno se basa en simulaciones, donde es mucho más importante entender que calcular. Entender es lo que hace el humano, calcular lo hace la máquina.

Este es un libro formativo, ya que la formación sigue siendo exclusividad del ámbito académico. No pretende ser informativo, la información hoy está en Internet, y en la abundante literatura existente sobre antenas que se actualiza día a día. También, por otro lado, es realmente difícil extraer información útil de la web si no se cuenta con la formación adecuada.

Los capítulos tienen “vida propia”, es decir, pueden leerse por separado si se usa este libro como texto de consulta. Por ejemplo, si alguien está interesado en antenas parabólicas, puede leer solo el capítulo que las contiene. Obviamente todo tiene que ver con todo y cada capítulo requiere del ecosistema del libro en general, pero los capítulos están redactados casi como “libritos independientes”.

En casi todos los casos se incluyen ejemplos numéricos, cuyo objetivo es utilizar en un caso real las fórmulas o métodos de cálculo tratados. Estos ejemplos si bien son casos reales, están simplificados de manera de resaltar el tema que se está tratando sin desviarse con otros detalles que, aunque pueden ser importantes en un diseño industrial, desenfocan la atención del lector.

En algunos capítulos, sobre todo al analizar la radiación y la absorción de energía aparece la necesidad de tratar el tema desde el punto de vista de la física de partículas, algo poco habitual en textos sobre telecomunicaciones. Ocurre que abordar la física cuántica es de fundamental importancia para introducir al lector en el mundo de las telecomunicaciones del futuro a corto y mediano plazo. En el siglo XXI no pueden estar disociadas las telecomunicaciones y la física cuántica.

¿Por qué hay una buena parte del libro redactado en forma de preguntas y respuestas?

Hay varios motivos, quizá el principal, es inducir al lector a cuestionarse todo, a preguntarse ¿y por qué esto es así?, algunas respuestas las encontrará en el libro, otras no, y deberá buscarlas solo.

En este punto del prefacio dejo de describir el libro y doy mi opinión como docente de la especialidad. Otro de los motivos de la abundancia de preguntas y respuestas, es que creo que la principal función del docente no es la de dar respuestas. A mi criterio, más importante es formar y fomentar la generación de preguntas racionales. Lo mejor que me puede pasar es enterarme que el lector, luego de leer cada párrafo, tenga más preguntas que antes de leerlo, y este libro le haya dado las herramientas formativas necesarias para buscar y encontrar las respuestas a las nuevas preguntas que se formule.

Y, por último, el hecho que haya preguntas y respuestas, crea un clima apacible, más de diálogo ya que este libro intenta compartir en forma amena con el lector algunos conocimientos y experiencias que obtuve como resultado de haber trabajado muchas décadas en la capa física del mundo de las telecomunicaciones inalámbricas.

Martín Lema

Uso como libro de consulta

Este libro también está pensado como libro de consulta y referencia aplicable a carreras relativas a las tecnologías de la información y la comunicación. De hecho, mucho del contenido de este libro está tomado de los apuntes que redacté para mis alumnos de radiopropagación y antenas en el Instituto Universitario de la Policía Federal Argentina.