Un conjunto de antenas (o conjunto de antenas ) es un conjunto de múltiples antenas conectadas que funcionan juntas como una sola antena para transmitir o recibir ondas de radio . Las antenas individuales (llamadas elementos ) generalmente están conectadas a un solo receptor o transmisor mediante líneas de alimentación que alimentan la energía a los elementos en una relación de fase específica . Las ondas de radio irradiadas por cada antena individual se combinan y superponen , sumando ( interfiriendo constructivamente ) para mejorar la potencia irradiada en las direcciones deseadas y cancelando (interfiriendo destructivamente ) para reducir la potencia irradiada en otras direcciones. De manera similar, cuando se usa para recibir, las corrientes de radiofrecuencia separadas de las antenas individuales se combinan en el receptor con la relación de fase correcta para mejorar las señales recibidas desde las direcciones deseadas y cancelar las señales de las direcciones no deseadas. Las antenas de matriz más sofisticadas pueden tener múltiples módulos transmisores o receptores, cada uno conectado a un elemento de antena o grupo de elementos separado.
Un conjunto de antenas puede lograr una mayor ganancia ( directividad ), es decir, un haz de ondas de radio más estrecho, de lo que podría lograr un solo elemento. En general, cuanto mayor sea el número de elementos de antena individuales utilizados, mayor será la ganancia y más estrecho el haz. Algunos conjuntos de antenas (como los radares militares en fase ) se componen de miles de antenas individuales. Las matrices se pueden utilizar para lograr una mayor ganancia, para brindar diversidad de ruta (también llamada MIMO ) [1] que aumenta la confiabilidad de la comunicación, para cancelar la interferencia de direcciones específicas, para dirigir el haz de radio electrónicamente para apuntar en diferentes direcciones y para radiogoniometría. (RDF). [2]
El término conjunto de antenas más comúnmente significa un conjunto impulsado que consta de múltiples elementos impulsados idénticos , todos conectados al receptor o transmisor. Una matriz parásita consiste en un solo elemento impulsado conectado a la línea de alimentación y otros elementos que no lo son, llamados elementos parásitos . Suele ser otro nombre para una antena Yagi-Uda .
Una matriz en fase generalmente significa una matriz escaneada electrónicamente ; una antena de matriz impulsada en la que cada elemento individual está conectado al transmisor o receptor a través de un desfasador controlado por una computadora. El haz de ondas de radio puede dirigirse electrónicamente para apuntar instantáneamente en cualquier dirección en un ángulo amplio, sin mover las antenas. Sin embargo, el término "red en fase" se utiliza a veces para referirse a una red de antenas ordinaria. [2]
Cómo funcionan las matrices
Las antenas pequeñas alrededor de una longitud de onda de tamaño, como los monopolos de cuarto de onda y los dipolos de media onda , no tienen mucha directividad ( ganancia ); son antenas omnidireccionales que irradian ondas de radio en un ángulo amplio. Para crear una antena direccional ( antena de alta ganancia ), que irradia ondas de radio en un haz estrecho, se pueden utilizar dos técnicas generales. Una técnica consiste en utilizar la reflexión mediante grandes superficies metálicas, como reflectores parabólicos o cuernos , o la refracción mediante lentes dieléctricas para cambiar la dirección de las ondas de radio, para enfocar las ondas de radio de una única antena de baja ganancia en un haz. Este tipo se llama antena de apertura . Un plato parabólico es un ejemplo de este tipo de antena.
Una segunda técnica consiste en utilizar varias antenas que se alimentan desde el mismo transmisor o receptor; esto se llama un conjunto de antenas o conjunto de antenas. Si las corrientes se alimentan a las antenas con la fase adecuada , debido al fenómeno de interferencia, las ondas esféricas de las antenas individuales se combinan (superponen) frente a la matriz para crear ondas planas , un haz de ondas de radio que viaja en una dirección específica. . En las direcciones en las que las ondas de las antenas individuales llegan en fase , las ondas se suman ( interferencia constructiva ) para mejorar la potencia radiada. En las direcciones en las que las ondas individuales llegan desfasadas , coincidiendo el pico de una onda con el valle de otra, las ondas se cancelan ( interferencia destructiva ) reduciendo la potencia irradiada en esa dirección. De manera similar, al recibir, las corrientes oscilantes recibidas por las antenas separadas de las ondas de radio recibidas desde las direcciones deseadas están en fase y cuando se combinan en el receptor se refuerzan entre sí, mientras que las corrientes de las ondas de radio recibidas desde otras direcciones están desfasadas y cuando se combinan en el receptor se cancela entre sí.
El patrón de radiación de dicha antena consiste en un haz fuerte en una dirección, el lóbulo principal , más una serie de haces más débiles en diferentes ángulos llamados lóbulos laterales , que generalmente representan radiación residual en direcciones no deseadas. Cuanto mayor sea el ancho de la antena y mayor sea el número de elementos componentes de la antena, más estrecho será el lóbulo principal, mayor será la ganancia que se puede lograr y menores serán los lóbulos laterales.
Las matrices en las que los elementos de antena se alimentan en fase son matrices laterales; el lóbulo principal se emite perpendicular al plano de los elementos.
El conjunto de antenas más grande son los interferómetros de radio utilizados en el campo de la radioastronomía , en los que varios radiotelescopios que constan de grandes antenas parabólicas se conectan entre sí en un conjunto de antenas para lograr una resolución más alta. Usando la técnica llamada síntesis de apertura, tal arreglo puede tener la resolución de una antena con un diámetro igual a la distancia entre las antenas. En la técnica llamada Interferometría de línea de base muy larga (VLBI) se han vinculado platos en continentes separados, creando "antenas de matriz" de miles de millas de tamaño.
Galería
Matriz colineal VHF de dipolos plegados
Antenas de sector (barras blancas) en la torre de telefonía celular . Conjuntos de dipolos colineales, que irradian un haz plano en forma de abanico.
La antena de matriz reflectante de 108 MHz del radar AN-270 utilizada durante la Segunda Guerra Mundial consta de 32 antenas dipolo de media onda frente a una pantalla reflectante.
US Air Force PAVE PAWS phased array Antena de radar de 420 - 450 MHz para detección de misiles balísticos, Alaska. Las dos matrices circulares están compuestas cada una de 2677 antenas dipolo cruzadas.
Algunos de los elementos de dipolo cruzado en la antena de matriz en fase PAVE PAWS, izquierda
Antena de transmisión de televisión Batwing VHF
Antena de transmisión de radio FM de dipolo cruzado
Antena transmisora de onda corta tipo cortina , Austria. Dipolos de alambre suspendidos entre torres
Conjunto de antenas de torniquete utilizado para comunicaciones por satélite
Antena de matriz de microbanda plana para recepción de televisión por satélite .
The Very Large Array , un radiotelescopio hecho de una matriz en forma de Y de 27 antenas parabólicas en Socorro, Nuevo México
HAARP , una matriz en fase de 180 dipolos cruzados en Alaska que puede transmitir un haz de 3.6 MW de ondas de radio de 3 a 10 MHz a la ionosfera con fines de investigación.
Matriz de cuatro antenas helicoidales utilizadas como antena de seguimiento por satélite, Pleumeur-Bodou , Francia
Tipos
La mayoría de las antenas de matriz se pueden dividir en dos clases según la relación entre el eje de las antenas componentes y la dirección de la radiación.
- Una matriz de banda ancha es una matriz de una o dos dimensiones en la que la dirección de la radiación ( lóbulo principal ) de las ondas de radio es perpendicular al plano de las antenas. Para irradiar perpendicularmente, las antenas deben alimentarse en fase.
- Una matriz de fuego final es una matriz lineal en la que la dirección de la radiación está a lo largo de la línea de las antenas. Las antenas deben alimentarse con una diferencia de fase igual a la separación de las antenas adyacentes.
También hay matrices (como matrices en fase ) que no pertenecen a ninguna de estas categorías, en las que la dirección de la radiación se encuentra en algún otro ángulo con respecto al eje de la antena.
Matriz impulsada : esta es una matriz en la que las antenas de los componentes individuales están todas "impulsadas", conectadas al transmisor o receptor. Las antenas individuales, que suelen ser idénticas, a menudo constan de elementos impulsados individuales , como dipolos de media onda , pero también pueden ser antenas compuestas como antenas Yagi o antenas de torniquete .
- Matriz colineal : una matriz de banda ancha que consta de múltiples antenas dipolo idénticas orientadas verticalmente en una línea. Se trata de una antena omnidireccional de alta ganancia, a menudo utilizada en labanda VHF como antenas de transmisión para estaciones de televisión y antenas de estación base para radios terrestres móviles de dos vías .
- Superturnstile o Batwing array: antena vertical especializada utilizada para la transmisión de televisión que consta de múltiples antenas de dipolo cruzado montadas colinealmente en un mástil. Patrón de radiación omnidireccional de alta ganancia con ancho de banda amplio.
- Matriz plana: una matriz plana bidimensional de antenas. Dado que un conjunto de antenas omnidireccionales irradia dos haces con una separación de 180 ° desde ambos lados de la antena, a menudo se monta frente a un reflector o se compone de antenas directivas como Yagi o antenas helicoidales , para proporcionar un haz unidireccional.
- Matriz reflectante : una matriz plana de antenas, a menudo dipolos de media onda alimentados en fase, frente a un reflector plano, como una placa de metal o una pantalla de alambre. Esto irradia un solo haz de ondas de radio perpendicular (costado) a la matriz. Utilizado como antenas de televisión UHFy antenas de radar.
- Matriz de cortina : antena de transmisión de onda corta de cable exterior que consta de una matriz plana de dipolos de cable suspendidos frente a un reflector vertical hecho de una "cortina" de cables paralelos. Se utiliza en la banda de HF como antena transmisora de larga distancia para estaciones de radiodifusión de onda corta. Puede dirigirse como una matriz en fase.
- Antena de microbanda : conjunto de antenas de parche fabricadas en una placa de circuito impreso con una lámina de cobre en el reverso que funciona como reflector. Los elementos se alimentan a través de líneas de bandas hechas de lámina de cobre. Se utilizan como antenas de televisión por satélite y UHF.
- Matriz en fase o matriz escaneada electrónicamente : una matriz plana en la que el haz se puede dirigir electrónicamente para apuntar en cualquier dirección sobre un gran ángulo frente a la matriz, sin mover físicamente la antena. La corriente del transmisor se alimenta a cada antena componente a través de un desfasador controlado por una computadora. Al cambiar la fase relativa de las corrientes de alimentación, el haz puede apuntar instantáneamente en diferentes direcciones. Ampliamente utilizada en radares militares, esta técnica se está extendiendo rápidamente a aplicaciones civiles.
- Matriz pasiva escaneada electrónicamente (PESA): una matriz en fase como se describe anteriormente, en la que los elementos de la antena se alimentan desde un solo transmisor o receptor a través de desfasadores.
- Matriz de exploración electrónica activa (AESA): una matriz en fase en la que cada elemento de antena tiene su propio módulo transmisor y / o receptor, controlado por una computadora central. Esta tecnología de matriz en fase de segunda generación puede irradiar múltiples haces a múltiples frecuencias simultáneamente y se utiliza principalmente en radares militares sofisticados.
- Matriz conformada : una matriz en fase bidimensional que no es plana, sino que se adapta a una superficie curva. Los elementos individuales son impulsados por desfasadores que compensan las diferentes longitudes de trayectoria, lo que permite que la antena irradie un haz de ondas planas. Las antenas conformadas a menudo se integran en la piel curva de aviones y misiles, para reducir la resistencia aerodinámica.
- Antena inteligente , antena reconfigurable o matriz adaptativa : una matriz de recepción que estima la dirección de llegada de las ondas de radio y optimiza electrónicamente el patrón de radiación de forma adaptativa para recibirlo, sintetizando un lóbulo principal en esa dirección. [3] Como una matriz en fase, consta de múltiples elementos idénticos con desfasadores en las líneas de alimentación, controlados por una computadora.
- Matriz reflectante : una matriz plana de antenas, a menudo dipolos de media onda alimentados en fase, frente a un reflector plano, como una placa de metal o una pantalla de alambre. Esto irradia un solo haz de ondas de radio perpendicular (costado) a la matriz. Utilizado como antenas de televisión UHFy antenas de radar.
- Matriz de dipolos periódicos logarítmicos (LPDA): una matriz de disparo final que consta de muchos elementos impulsados por dipolos en una línea, con una longitud que aumenta gradualmente. Actúa como una antena de banda ancha de alta ganancia. Se utilizan como antenas de recepción de televisión y para comunicaciones de onda corta.
Matriz de parásitos : esta es una matriz de fuego final que consta de múltiples elementos de antena en una línea de los cuales solo uno, el elemento impulsado , está conectado al transmisor o receptor, mientras que los otros elementos, llamados elementos parásitos , no lo están. Los elementos parásitos funcionan como resonadores , absorbiendo las ondas de radio del elemento impulsado y volviéndolas a irradiar con una fase diferente, para modificar el patrón de radiación de la antena, aumentando la potencia irradiada en la dirección deseada. Dado que estos tienen un solo elemento impulsado, a menudo se les llama "antenas" en lugar de "matrices".
- Antena Yagi-Uda o antena Yagi: esta matriz de fuego final consta de varios elementos dipolo de media onda en una línea. Consiste en un solo elemento accionado con múltiples elementos parásitos "directores" en la dirección de la radiación, y generalmente un solo elemento parásito "reflector" detrás de él. Se utilizan ampliamente en lasbandas de HF , VHF y UHF como antenas de televisión, antenas de comunicación de onda corta y en conjuntos de radares.
- Antena cuádruple : consta de varias antenas de bucle en una línea, con un bucle activado y los otros parásitos. Funciona de manera similar a la antena Yagi.
Coincidencia con una matriz de antenas
Desde el punto de vista del emparejamiento, una red de antenas de un solo puerto puede considerarse como una antena de un solo puerto. De ello se desprende que el coeficiente de reflexión de potencia definido por Kurokawa [4] es una métrica coincidente que caracteriza correctamente la transferencia de potencia entre un generador de un solo puerto y un conjunto de antenas de un solo puerto utilizado para la emisión, o entre un conjunto de antenas de un solo puerto utilizado para recepción y carga de un solo puerto. El valor ideal del coeficiente de reflexión de la potencia es cero, que corresponde a una potencia recibida por la antena que es igual a la potencia disponible del generador. De acuerdo con el teorema de transferencia de potencia máxima , esto ocurre cuando las impedancias de la fuente y la carga son conjugados complejos entre sí.
En el caso especial donde la impedancia interna del generador de puerto único es real e igual a una resistencia de referencia , el coeficiente de reflexión de potencia es el cuadrado del valor absoluto del coeficiente de reflexión de voltaje para la resistencia de referencia, de modo que el valor absoluto de este coeficiente de reflexión y la correspondiente relación de onda estacionaria (ROE) son métricas coincidentes que caracterizan correctamente la transferencia de potencia hacia o desde una red de antenas de un solo puerto.
Si no hay interacción entre el puerto de un conjunto de antenas multipuerto y entre los puertos del dispositivo multipuerto acoplado al puerto del conjunto de antenas multipuerto, cada puerto del conjunto de antenas multipuerto puede considerarse independientemente de los demás en lo que respecta a la coincidencia, y caracterizado por un coeficiente de reflexión de potencia. En el caso contrario, la coincidencia con el conjunto de antenas multipuerto es más complicada, porque: [5] la relación de transferencia de potenciaentre un generador multipuerto y la red de antenas multipuerto utilizada para la emisión depende de la excitación producida por el generador multipuerto; y la relación de transferencia de potenciaentre el conjunto de antenas multipuerto utilizado para la recepción y una carga multipuerto depende de la excitación producida por el conjunto de antenas multipuerto. Aquí, una métrica de coincidencia adecuada es la cifra de coincidencia de potencia dada por
dónde es el elemento menor del conjunto de valores de la relación de transferencia de potencia para todos los voltajes de circuito abierto distintos de cero que se encuentran en , dónde es el número de puertos del conjunto de antenas multipuerto. La figura del partido de poder satisface. El valor ideal de la cifra de coincidencia de potencia es cero, que corresponde a una potencia recibida por la antena que es igual a la potencia disponible del generador. De acuerdo con el teorema de transferencia de potencia máxima para multipuertos, [6] esto ocurre cuando la fuente y las matrices de impedancia de carga son cada una la transpuesta conjugada (a veces llamada adjunta hermitiana) de la otra.
En el caso especial donde la matriz de impedancia interna del generador multipuerto es real e igual a , dónde es una resistencia de referencia y es la matriz de identidad del tamaño por , la cifra de emparejamiento de potencia es igual a la cifra de retorno dado por [5]
dónde es la matriz de dispersión del conjunto de antenas multipuerto para la resistencia de referencia , y donde denota la norma espectral de una matriz cuadrada (ver norma de matriz # norma espectral ). Por lo tanto, es el mayor valor singular de , que es igual a la raíz cuadrada del mayor valor propio de , y también a la raíz cuadrada del mayor valor propio de , dónde denota la transposición conjugada de .
Ver también
- Coeficiente de reflexión activa total
Referencias
- ^ Poole, Ian (2016). "¿Qué es MIMO? Tutorial de múltiples entradas y múltiples salidas" . Antenas y propagación . Radio-electronics.com (Adrio Communications . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
- ^ a b Bevelacqua, Peter (2016). "Matriz de antenas" . Antenna-theory.com . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
- ^ Poole, Ian (2016). "Tutorial de Antenas Inteligentes" . Antenas y propagación . Radio-electronics.com (Adrio Communications) . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
- ^ Kurokawa, K. (marzo de 1965). "Ondas de energía y la matriz de dispersión". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 13 (2): 194–202. Código Bibliográfico : 1965ITMTT..13..194K . doi : 10.1109 / TMTT.1965.1125964 .
- ^ a b Broydé, F .; Clavelier, E. (abril de 2021). "Algunos resultados de potencia en multipuertos pasivos lineales invariantes en el tiempo, parte 2". Artículos de investigación Excem en electrónica y electromagnética (3). doi : 10.5281 / zenodo.4683896 .
- ^ Desoer, CA (mayo de 1973). "El teorema de transferencia de potencia máxima para n-puertos". Transacciones IEEE sobre teoría de circuitos . 20 (3): 328–330. doi : 10.1109 / TCT.1973.1083664 .