PERFECCIONANDO EL MUNDO DE LAS ANTENAS

PERFECCIONANDO EL MUNDO DE LAS ANTENAS

Se describen a continuación los avances más importantes que se han producido en radiocomunicaciones, con especial énfasis en el desarrollo de las antenas.

Teoría de Antenas

La mayor parte de los avances están relacionados con el uso de los ordenadores para el cálculo.

La transformada rápida de Fourier (FFT). El campo radiado por una apertura se puede calcular como la transformada de Fourier de los campos en la apertura. El cálculo de dicha transformada no es siempre posible de una forma analítica. El tiempo empleado en el cálculo directo de la integral es excesivo. El algoritmo de la FFT permite reducir de forma drástica dicho tiempo.

Teoría Geométrica de la Difracción (GTD). Recientemente se ha desarrollado la técnica denominada GTD que permite analizar el efecto en los campos radiados debido a los bordes y vértices. Complementa al método de Kirchhoff.

Espectro Angular de Ondas Planas (PWS) .Se basa en la expansión modal de los campos en el dominio espectral. El uso del algoritmo de la FFT permite reducir el tiempo de cálculo. Se puede utilizar en problemas de difracción.

Método de los Momentos. Es un método numérico que permite el análisis de antenas, mediante la discretización del problema, y la resolución del sistema de ecuaciones resultante. Varios programas (NEC) y (MININEC) utilizan dicho método para el cálculo de la radiación y difracción de antenas de hilo.

Arrays de barrido de fase 

En un array de barrido de fase se puede controlar la forma del diagrama de radiación mediante el control de la fase de cada una de las antenas que lo componen. Los últimos avances en este tipo de antenas se han producido en todas las áreas tecnológicas. Concretamente se pueden citar:

Mejora de los desfasadores y divisores de potencia en las redes de distribución.

Utilización de microprocesadores para el control óptimo de la fase y amplitud para conseguir un diagrama con unas características prefijadas.

Mejora de las técnicas de análisis, concretamente en lo que afecta a los efectos mutuos entre los elementos de la agrupación ya la cuantización de la fase debido a los desfasadores digitales.

Desarrollo de la técnica de agrupaciones adaptativas, que son capaces de maximizar la relación de señal a interferencia, o bien situar nulos en las direcciones del espacio en las que hay interferencias.

Mejoras en la tecnología de circuitos integrados de microondas, amplificadores de bajo ruido, amplificadores de potencia y circuitos monolíticos, que permiten la realización de antenas distribuidas.

Desarrollo de nuevas técnicas de fabricación, como la de las antenas microstrip, que permiten la integración de las antenas con la circuitería, así como arrays conformables.

Antenas adaptativas

El término Antena adaptativa se aplica a los arrays que son capaces de ajustar su diagrama de forma prefijada, dependiendo de las fases y de las amplitudes recibidas desde fuentes externas. El ejemplo más típico de una antena adaptativa es la denominada SLC (Sidelobe canceller antenna), que ajusta el diagrama de forma que aparece un nulo en la dirección de la interferencia o jammer. Una antena como la indicada consiste en una antena de elevada ganancia y varias antenas auxiliares con un diagrama prácticamente omnidireccional. El número de antenas auxiliares determina el máximo número de interferencias que se pueden cancelar. Otro ejemplo es el denominado SLB (sidelobe blanking antenna). En este caso se compara la señal recibida a través de la antena principal y la antena auxiliar. Se desconecta el receptor cuando la señal que llega es superior en el canal auxiliar.

Los algoritmos matemáticos relacionados con las antenas adaptativas son relativamente complejos. La implementación práctica se puede realizar en forma analógica o digital, aunque últimamente se está imponiendo la tecnología digital. 

El objetivo básico en la actualidad es la reducción de los tiempos de convergencia de los algoritmos y la obtención de arrays superdirectivos, con un gran poder de resolución.

Antenas de apertura sintética

Se denomina apertura sintética al método que permite sintetizar un array de grandes dimensiones a partir del movimiento lineal de una antena relativamente pequeña, transportada por un avión o un satélite.  

La apertura es sintetizada, ya que no existe en realidad. Se obtienen anchos de haz muy estrechos, elevada ganancia y por lo tanto una gran resolución a partir de una antena pequeña.

 Los datos obtenidos se deben procesar posteriormente. Históricamente se aplicaba el procesado óptico de la información , siendo en la actualidad procesados digitalmente.

Se puede conseguir una gran resolución mediante técnicas de focalización y mediante técnicas de compresión de pulsos.  

Las aplicaciones más importantes se centran en la realización de mapas y la detección de recursos naturales.

Antenas de bajos lóbulos

En muchas aplicaciones se requiere que la antena tenga un nivel de lóbulo principal a secundario extremadamente bajo. Dicho parámetro es importante en antenas de radar , a fin de reduccir los efectos del clutter, pero sobre todo para minimizar las posibles interferencias o jammer. En aplicaciones de comunicaciones, una antena con lóbulos bajos permite que se utilize la misma frecuencia en dos satélites.

 En los últimos años se han podido conseguir antenas con márgenes entre 40 y 50 dB, mientras que no hace mucho se consideraba que una antena con 30 dB de relación de lóbulo principal a secundario era excelente. 

Los puntos claves que han permitido dichos avances han sido el cálculo numérico, teniendo en cuenta los efectos mutuos y las técnicas avanzadas de producción, con tolerancias muy estrictas en la construcción del array o del reflector.

Comunicaciones espaciales

Las antenas para comunicaciones espaciales han evolucionado mucho en los últimos años, siendo la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Norteamericana (NASA) las dos organizaciones responsables de los avances en dicha materia .

Las antenas han evolucionado desde las de cobertura global, para satélites no estabilizados, hasta las de gran ganancia en los satélites en órbita geoestacionaria.

Dichas antenas deben ser de banda ancha, con bajos lóbulos, de elevada ganancia, y además últimamente se está exigiendo que sean reconfigurables, con haces controlables desde tierra, y con haces conformados.

Se han desarrollado nuevas tecnologías que permiten lanzar satélites con grandes antenas, basadas en dos conceptos: antenas desplegables y antenas hinchables.

También se han desarrollado nuevos procesos para la construcción de paraboloides con elevadas tolerancias y bajo peso, como la tecnología de la fibra de carbono.  

Las antenas empleadas son básicamente reflectores, con múltiples alimentadores en el plano focal, con redes de distribución pasivas. La tendencia actual va hacia las grandes agrupaciones activas, con control total de la amplitud y de las fase de todos los elementos del array.

Radioastronomía

Los avances recientes en antenas de radioastronomía se centran en la mejora de la resolución, mediante el uso de interferómetros de muy larga base VLBI, utilizando arrays de dos antenas situadas en diferentes continentes, y aprovechando el movimiento de la tierra y las técnicas de apertura sintética. El sincronismo de fase entre ambas antenas se consigue mediante relojes atómicos.

Otro avance importante se ha conseguido mediante la construcción de arrays de antenas de grandes dimensiones, como el del National Radio Astronomy Observatory, con 27 paraboloides de 25 metros de diámetro, repartidos en tres radios de una dimensiones máximas de 20 km Se han construido recientemente antenas para frecuencias superiores a los 100 GHz, con tolerancias mecánicas inferiores a los 0.2 mm.

Medidas de antenas

Las técnicas de medida de antenas han evolucionado mucho en los últimos años. Los avances más significativos han sido las medidas en campo próximo, en superficies planas, cilíndricas o esféricas, y la técnica del campo compacto.  

Desde el punto de vista de instumentación los nuevos analizadores de redes automáticos han supuesto un avance realmente notable, sobre todo en la mejora de los márgenes dinámicos, la linealidad de la medida y la resolución. La medida de fase ha supuesto la posibilidad de aplicar técnicas matemáticas de transformación. 

Las medidas en campo próximo han sido posible gracias a la introducción de ordenadores suficientemente rápidos para efectuar las operaciones de transformada rápida de Fourier o los desarrollos en armónicos cilíndricos o esféricos.