Fundamentos de Antenas: Diagramas de Radiación y Parámetros Esenciales
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Diagramas de Radiación de Antenas: Conceptos y Representaciones
Definición de Diagrama de Radiación
El diagrama de radiación de una antena se define como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular.
Diagramas Tridimensionales
Se puede representar el campo eléctrico, magnético o la densidad de potencia radiada. Dado que los campos son magnitudes vectoriales, se pueden representar el módulo o la fase de sus componentes. Las formas de representación pueden ser tridimensionales o bidimensionales, en escalas lineal o logarítmica.
La siguiente figura es la representación tridimensional de los campos radiados por una antena:
Dada la dificultad de representar gráficamente el diagrama tridimensional, se opta por representar cortes del diagrama en coordenadas polares o cartesianas. Los cortes corresponden a la intersección del diagrama 3D con planos.
Diagramas Bidimensionales
Un corte bidimensional en coordenadas polares se representaría como:
En coordenadas cartesianas y escala logarítmica:
Parámetros Fundamentales de las Antenas
Densidad de Potencia Radiada
La densidad de potencia radiada (S) se define como la potencia por unidad de superficie en una determinada dirección. Sus unidades son vatios por metro cuadrado (W/m²). Se puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos como:
La relación entre el módulo del campo eléctrico (|E|) y el módulo del campo magnético (|H|) es la impedancia característica del medio (η):
Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede calcular a partir de las dos componentes del campo eléctrico:
La potencia total radiada (Prad) se puede obtener como la integral de la densidad de potencia en una esfera que encierre a la antena:
Directividad (D)
La directividad de una antena (D) se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección (θ, φ), a una distancia (r), y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, con la misma potencia total radiada.
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la dirección de máxima radiación. La directividad se puede obtener en general a partir del diagrama de radiación de la antena mediante las siguientes expresiones:
Ganancia (G) y Eficiencia (ηL)
La ganancia de una antena (G) se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena.
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la ganancia se refiere a la dirección de máxima radiación.
En la definición de directividad se habla de potencia radiada por la antena, mientras que en la definición de ganancia se habla de potencia entregada a la antena. La diferencia entre ambas potencias es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas.
La eficiencia (o rendimiento de radiación, ηL) se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una antena (Prad) y la potencia entregada a la misma (Pin). La eficiencia es un número comprendido entre 0 y 1.
La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia:
G = ηL * D
Si una antena no tiene pérdidas óhmicas (es decir, ηL = 1), la directividad y la ganancia son iguales.
Las fórmulas relevantes son:
