Conjunto de antenas

Un conjunto de antenas (o antena de arreglo ) es un conjunto de múltiples antenas conectadas que trabajan juntas como una sola antena para transmitir o recibir ondas de radio . ^{[ 1 ] : p.149 [ 2 ]} Las antenas individuales (llamadas elementos ) generalmente están conectadas a un único receptor o transmisor mediante líneas de alimentación que alimentan la potencia a los elementos en una relación de fase específica . Las ondas de radio radiadas por cada antena individual se combinan y superponen , sumándose ( interfiriendo constructivamente ) para aumentar la potencia radiada en las direcciones deseadas y cancelándose ( interfiriendo destructivamente ) para reducir la potencia radiada en otras direcciones. De manera similar, cuando se utiliza para la recepción, las corrientes de radiofrecuencia separadas de las antenas individuales se combinan en el receptor con la relación de fase correcta para aumentar las señales recibidas de las direcciones deseadas y cancelar las señales de las direcciones no deseadas. Las antenas de arreglo más sofisticadas pueden tener múltiples módulos transmisores o receptores, cada uno conectado a un elemento de antena separado o a un grupo de elementos.

Un conjunto de antenas puede lograr una mayor ganancia ( directividad ), es decir, un haz de ondas de radio más estrecho, que el 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 de matriz en fase ) están compuestos por miles de antenas individuales. Los conjuntos se pueden utilizar para lograr una mayor ganancia, para proporcionar diversidad de trayectoria (también llamada MIMO ) ^{[ 3 ]} , lo que aumenta la fiabilidad de la comunicación, para cancelar interferencias de direcciones específicas, para dirigir electrónicamente el haz de radio hacia diferentes direcciones y para la radiogoniometría (RDF). ^{[ 4 ]}

El término conjunto de antenas se refiere comúnmente a un conjunto activo compuesto por múltiples elementos activos idénticos , todos conectados al receptor o transmisor. Un conjunto parásito consta de un único elemento activo conectado a la línea de alimentación, y otros elementos que no lo están, denominados elementos parásitos . Generalmente, también se conoce como antena Yagi-Uda .

Una matriz de fase generalmente se refiere a una matriz de exploración electrónica ; una antena de matriz activa 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 se puede dirigir electrónicamente para apuntar instantáneamente en cualquier dirección en un amplio ángulo, sin mover las antenas. Sin embargo, el término "matriz de fase" a veces se usa para referirse a una antena de matriz convencional. ^{[ 4 ]}

Según el criterio de Rayleigh , la directividad de una antena, es decir, el ancho angular del haz de ondas de radio que emite, es proporcional a la longitud de onda de las ondas de radio dividida por el ancho de la antena. Las antenas pequeñas, de aproximadamente una longitud de onda, como los monopolos de un 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: ^{[ 5 ] : p.692}

Una técnica consiste en utilizar la reflexión mediante grandes superficies metálicas, como reflectores parabólicos o bocinas , o la refracción mediante lentes dieléctricas para cambiar la dirección de las ondas de radio y concentrarlas en un haz desde una única antena de baja ganancia. Este tipo de antena se denomina antena de apertura . Un ejemplo de este tipo de antena es una antena parabólica .

Una segunda técnica consiste en utilizar múltiples antenas alimentadas por el mismo transmisor o receptor; esto se denomina antena de arreglo o conjunto de antenas. Para una antena transmisora, la onda electromagnética recibida en cualquier punto es la suma vectorial de las ondas electromagnéticas de cada uno de los elementos de la antena. 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 al conjunto 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 aumentar la potencia radiada. En las direcciones en las que las ondas individuales llegan desfasadas , con el pico de una onda coincidiendo con el valle de otra, las ondas se cancelan ( interferencia destructiva ), reduciendo la potencia radiada en esa dirección. De manera similar, al recibir, las corrientes oscilantes recibidas por las antenas individuales a partir de las ondas de radio recibidas desde las direcciones deseadas están en fase y, al combinarse en el receptor, se refuerzan mutuamente, mientras que las corrientes de las ondas de radio recibidas desde otras direcciones están desfasadas y, al combinarse en el receptor, se cancelan entre sí.

El patrón de radiación de una antena de este tipo consiste en un haz intenso 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 el número de elementos que la componen, más estrecho será el lóbulo principal, mayor la ganancia que se puede lograr y menores serán los lóbulos laterales.

Las matrices en las que los elementos de la antena se alimentan en fase se denominan matrices de emisión lateral; el lóbulo principal se emite perpendicularmente al plano de los elementos.

Las antenas de mayor tamaño son los radiointerferómetros utilizados en radioastronomía , en los que múltiples radiotelescopios compuestos por grandes antenas parabólicas se unen para formar una red de antenas y lograr una mayor resolución. Mediante la técnica de síntesis de apertura, dicha red puede alcanzar la resolución de una antena con un diámetro igual a la distancia entre las antenas. En la técnica de interferometría de muy larga base (VLBI), se han conectado antenas parabólicas ubicadas en continentes diferentes, creando redes de antenas de miles de kilómetros de longitud.

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  Conjunto colineal de dipolos plegados en VHF
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  Antenas sectoriales (barras blancas) en la torre de telefonía móvil . Conjuntos de dipolos colineales que irradian un haz plano en forma de abanico.
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  La antena de matriz reflectante de 108  MHz de un radar SCR-270 utilizado durante la Segunda Guerra Mundial consta de 32 antenas dipolo de media onda situadas delante de una pantalla reflectante.
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  Antena de radar de matriz en fase PAVE PAWS de la Fuerza Aérea de EE. UU., de 420 a 450 MHz, para la detección de misiles balísticos, Alaska. Las dos matrices circulares están compuestas cada una por 2677 antenas dipolo cruzadas. 
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  Algunos de los elementos de dipolo cruzado en la antena de matriz en fase PAVE PAWS, izquierda
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  Antena de transmisión de televisión VHF tipo Batwing
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  Antena de radiodifusión FM de dipolo cruzado
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  Antena transmisora ​​de onda corta tipo cortina , Austria. Dipolos de alambre suspendidos entre torres.
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  Conjunto de antenas tipo torniquete utilizado para la comunicación por satélite
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  Antena plana de matriz de microcintas para recepción de televisión por satélite .
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  El Very Large Array , un radiotelescopio formado por una matriz en forma de Y de 27 antenas parabólicas en Socorro, Nuevo México.
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  HAARP , una matriz de 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.
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  Conjunto de cuatro antenas helicoidales utilizadas como antena de seguimiento de satélites, Pleumeur-Bodou , Francia.

La mayoría de las antenas de arreglo se pueden dividir en dos clases según la relación entre el eje de las antenas componentes y la dirección de radiación.

• Una antena de radiación frontal es una matriz unidimensional o bidimensional en la que la dirección de radiación ( lóbulo principal ) de las ondas de radio es perpendicular al plano de las antenas. Para que la radiación sea perpendicular, las antenas deben alimentarse en fase.
• Una matriz de radiación axial es una matriz lineal en la que la dirección de radiación coincide con la línea que une las antenas. Las antenas deben alimentarse con una diferencia de fase igual a la separación entre antenas adyacentes.

También existen conjuntos de antenas (como los conjuntos de fase ) que no pertenecen a ninguna de estas categorías, en los que la dirección de la radiación forma un ángulo diferente con el eje de la antena.

Las antenas de arreglo también se pueden clasificar según cómo están dispuestas (organizadas) las antenas de los elementos:

• Arreglo activo : Se trata de un arreglo en el que todas las antenas componentes individuales están "activadas", es decir, conectadas al transmisor o al receptor. Las antenas individuales, que suelen ser idénticas, a menudo constan de un único elemento activo , como dipolos de media onda , pero también pueden ser antenas compuestas como antenas Yagi o antenas de torniquete .
  • Arreglo colineal : un arreglo de antenas de banda ancha que consta de múltiples antenas dipolo idénticas orientadas verticalmente en línea. Se trata de una antena omnidireccional de alta ganancia , utilizada frecuentemente en la banda VHF como antena de transmisión para estaciones de televisión y antena de estación base para radios móviles terrestres bidireccionales .
    • Antena Superturnstile o Batwing : antena vertical especializada utilizada para la transmisión de televisión, compuesta por múltiples antenas dipolo cruzadas montadas colinealmente en un mástil. Presenta un patrón de radiación omnidireccional de alta ganancia con un amplio ancho de banda.
  • Arreglo de antenas circulares (CDAA): Un arreglo de antenas cuyos elementos están dispuestos en un círculo grande. Los CDAA se utilizan para la localización y triangulación de señales de radio errantes, por ejemplo, para la vigilancia del espacio aéreo y el control de la radiodifusión. El aspecto imponente de estas estructuras les ha valido el apodo de "jaulas de elefante".
  • Matriz planar– una matriz plana bidimensional de antenas. Dado que una matriz de antenas omnidireccionales irradia dos haces separados 180° perpendicularmente desde ambos lados de la antena, generalmente se monta frente a un reflector plano o se compone de antenas directivas como antenas Yagi o helicoidales , para generar un haz unidireccional.
  • Antena reflectora : un conjunto plano de antenas, a menudo dipolos de media onda alimentados en fase, situados frente a un reflector plano, como una placa metálica o una rejilla de alambre. Esto emite un único haz de ondas de radio perpendicular (de frente) al conjunto. Se utilizan como antenas de televisión UHF y antenas de radar.
    • Antena de cortina : antena transmisora ​​de onda corta para exteriores, compuesta por una matriz plana de dipolos de alambre suspendidos frente a un reflector vertical formado por una "cortina" de alambres paralelos. Se utiliza en la banda de HF como antena transmisora ​​de largo alcance para estaciones de radiodifusión de onda corta. Puede orientarse como una matriz de fase.
    • Antena microstrip : un conjunto de antenas de parche fabricadas sobre una placa de circuito impreso con una lámina de cobre en el reverso que funciona como reflector. Los elementos se alimentan mediante líneas de transmisión de cobre. Se utilizan como antenas receptoras de televisión UHF y por satélite.

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    Antena de barrido electrónico o de fase controlada : una matriz plana en la que el haz se puede orientar electrónicamente para apuntar en cualquier dirección en un amplio ángulo frente a la matriz, sin necesidad de mover físicamente la antena. La corriente del transmisor se suministra a cada antena componente a través de un desfasador , controlado por un ordenador. Al cambiar la fase relativa de las corrientes de alimentación, el haz se puede orientar instantáneamente en diferentes direcciones. Ampliamente utilizada en radares militares, esta técnica se está extendiendo rápidamente a aplicaciones civiles.
    • Arreglo de exploración electrónica pasiva (PESA): un arreglo de fase como el descrito anteriormente, en el que los elementos de la antena se alimentan desde un único transmisor o receptor a través de desplazadores de fase.
    • Antena de barrido electrónico activo (AESA): una antena de fase en la que cada elemento de antena tiene su propio módulo transmisor y/o receptor, controlado por una computadora central. Esta tecnología de antena de fase de segunda generación puede emitir múltiples haces a múltiples frecuencias simultáneamente y se utiliza principalmente en radares militares sofisticados.
  • Antena conformable : una antena bidimensional de fase que no es plana, sino que se adapta a una superficie curva. Los elementos individuales son controlados por desfasadores que compensan las variaciones en la longitud de la trayectoria, lo que permite que la antena irradie un haz de onda plana. Las antenas conformables se integran a menudo en la superficie curva de aeronaves y misiles para reducir la resistencia aerodinámica.
  • Antena inteligente , antena reconfigurable o arreglo adaptativo : un arreglo receptor que estima la dirección de llegada de las ondas de radio y optimiza electrónicamente el patrón de radiación de forma adaptativa para recibirlas, sintetizando un lóbulo principal en esa dirección. ^{[ 6 ]} Al igual que un arreglo de fase, consta de múltiples elementos idénticos con desfasadores en las líneas de alimentación, controlados por una computadora.
• Arreglo de dipolos logarítmicos periódicos (LPDA): un arreglo de antenas axiales compuesto por numerosos elementos dipolares dispuestos en línea, con longitud que aumenta gradualmente. Funciona como una antena de banda ancha de alta ganancia. Se utiliza como antena de recepción de televisión y para comunicaciones de onda corta.

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  Arreglo parasitario : Se trata de un arreglo de antenas de radiación frontal que consta de múltiples elementos de antena en línea, de los cuales solo uno, el elemento activo , está conectado al transmisor o receptor, mientras que los demás elementos, denominados parásitos , no lo están. Los elementos parásitos funcionan como resonadores , absorbiendo las ondas de radio del elemento activo y reemitándolas con una fase diferente, para modificar el patrón de radiación de la antena y aumentar la potencia radiada en la dirección deseada. Dado que solo tienen un elemento activo, a menudo se les denomina "antenas" en lugar de "arreglos".
  • Antena Yagi-Uda o antena Yagi: este conjunto de antenas de radiación frontal consta de múltiples elementos dipolo de media onda dispuestos en línea. Se compone de un único elemento activo con múltiples elementos parásitos "directores" en la dirección de radiación y, generalmente, un único elemento parásito "reflector" detrás de él. Se utilizan ampliamente en las bandas de HF , VHF y UHF como antenas de televisión, antenas de comunicación de onda corta y en sistemas de radar.
  • Antena cuádruple : Consiste en varias antenas de bucle alineadas, una de ellas activa y las demás parásitas. Su funcionamiento es similar al de la antena Yagi.

Consideremos una matriz lineal cuyos elementos están dispuestos a lo largo del eje x de un sistema de referencia cartesiano ortogonal. Se supone que los radiadores tienen la misma orientación espacial y la misma polarización para el campo eléctrico. Con base en esto, el factor de matriz se puede escribir como sigue ^{[ 7 ].}$${\displaystyle F(u)=\sum _{n=1}^{N}I_{n}\,e^{jk\,x_{n}u}}$$

dónde${\displaystyle N}$es el número de elementos de la antena,${\displaystyle k}$es el número de onda,${\displaystyle I_{n}}$y${\displaystyle x_{n}}$(en metros) son el coeficiente de excitación complejo y la posición del n -ésimo radiador, respectivamente .${\displaystyle u=\sin \theta \cos \phi }$⁠ , con${\displaystyle \theta }$y${\displaystyle \phi }$siendo el ángulo cenital y el ángulo azimutal, respectivamente. Si el espaciado entre elementos adyacentes es constante, entonces se puede escribir que${\displaystyle x_{n+1}-x_{n}=d}$⁠ , y se dice que la matriz es periódica. La matriz es periódica tanto espacialmente (físicamente) como en la variable ⁠${\displaystyle u}$⁠ . Por ejemplo, si ⁠${\displaystyle d=\lambda /2}$⁠ , con${\displaystyle \lambda }$Siendo la longitud de onda, entonces la magnitud del factor de matriz tiene un período, en el dominio de ⁠${\displaystyle u}$⁠ , igual a 2 . Vale la pena destacar que${\displaystyle u}$es una variable auxiliar. De hecho, desde un punto de vista físico, los valores de${\displaystyle u}$que son de interés para fines radiativos caen en el intervalo [ −1, 1 ] , que está asociado con los valores de ${\displaystyle \theta }$y​${\displaystyle \phi }$⁠ . En este caso, el intervalo [ −1, 1 ] se denomina espacio visible . Como se muestra más adelante, si la definición de la variable${\displaystyle u}$A medida que cambian los cambios, la extensión del espacio visible también cambia en consecuencia.

Ahora bien, supongamos que los coeficientes de excitación son variables reales positivas. En este caso, siempre en el dominio de${\displaystyle u}$⁠ , la magnitud del factor de matriz tiene un lóbulo principal con valor máximo en ⁠${\displaystyle u=0}$⁠ , llamado lóbulo principal , varios lóbulos secundarios más bajos que el lóbulo principal, llamados lóbulos laterales y réplicas del lóbulo principal llamadas lóbulos de rejilla . Los lóbulos de rejilla son una fuente de desventajas tanto en la transmisión como en la recepción. De hecho, en la transmisión, pueden provocar radiación en direcciones no deseadas, mientras que, en la recepción, pueden ser una fuente de ambigüedad ya que la señal deseada que entra en la región del lóbulo principal podría verse fuertemente perturbada por otras señales (señales interferentes no deseadas) que entran en las regiones de los diversos lóbulos de rejilla. Por lo tanto, en arreglos periódicos, el espaciado entre radiadores adyacentes no debe exceder un valor específico para evitar la aparición de lóbulos de rejilla en el espacio visible ), el espaciado entre radiadores adyacentes no debe exceder un valor específico. Por ejemplo, como se vio anteriormente, los primeros lóbulos de rejilla para${\displaystyle d=\lambda /2}$ocurren en${\displaystyle u=\pm 2}$⁠ . Por lo tanto, en este caso no hay problemas ya que, de esta manera, los lóbulos de la rejilla están fuera del intervalo [ −1, 1 ] .

Como se ha visto anteriormente, cuando el espaciado entre radiadores adyacentes es constante, el factor de matriz se caracteriza por la presencia de lóbulos de rejilla. En la literatura, se ha demostrado ampliamente que para destruir la periodicidad del factor de matriz, la geometría de la misma matriz también debe hacerse aperiódica. ^{[ 8 ]} Es posible actuar sobre las posiciones de los radiadores de manera que estas posiciones no sean conmensurables entre sí. Se han desarrollado varios métodos para sintetizar matrices en las que las posiciones también representan grados de libertad adicionales (incógnitas). Existen metodologías tanto deterministas ^{[ 9 ]} como probabilísticas ^{[ 10 ] [ 11 ]} . Dado que la teoría probabilística de matrices aperiódicas es una teoría suficientemente sistematizada, con una sólida base metodológica general, centrémonos primero en describir sus peculiaridades.

Supongamos que las posiciones de los radiadores ,${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$⁠ , son variables aleatorias independientes e idénticamente distribuidas cuyo soporte coincide con la apertura total del arreglo. En consecuencia, el factor del arreglo es un proceso estocástico, cuya media es la siguiente ^{[ 10 ]}$${\displaystyle E\left[F(u)\right]=\textstyle \int \limits _{-L/2}^{L/2}f(x)\,e^{jkxu}\,dx}$$

En un conjunto de antenas que proporciona un patrón de radiación fijo, podemos considerar que la red de alimentación forma parte del conjunto. Por lo tanto, el conjunto de antenas tiene un solo puerto. Se pueden formar haces estrechos, siempre que la fase de cada elemento del conjunto sea la adecuada. Si, además, la amplitud de la excitación recibida por cada elemento (durante la emisión) también se elige correctamente, es posible sintetizar un conjunto de un solo puerto con un patrón de radiación que se aproxime mucho a un patrón especificado. ^{[ 7 ]} Se han desarrollado muchos métodos para la síntesis de patrones de antenas. Otros aspectos a considerar son la adaptación de impedancias, la eficiencia de radiación y el ancho de banda.

El diseño de un conjunto de antenas orientables electrónicamente es diferente, ya que se puede variar la fase de cada elemento y, posiblemente, también su amplitud relativa. En este caso, el conjunto de antenas tiene múltiples puertos, por lo que los aspectos de adaptación de impedancias y eficiencia son más complejos que en el caso de un solo puerto. Además, la adaptación de impedancias y la eficiencia dependen de la excitación, salvo cuando se pueden ignorar las interacciones entre las antenas.

Un conjunto de antenas utilizado para diversidad espacial y/o multiplexación espacial (que son diferentes tipos de comunicación de radio MIMO) siempre tiene múltiples puertos. ^{[ 12 ]} Su propósito es recibir excitaciones independientes durante la emisión y entregar señales más o menos independientes durante la recepción. Aquí también entran en juego los temas de adaptación y eficiencia, especialmente en el caso de un conjunto de antenas de un dispositivo móvil, ^{[ 13 ]} ya que, en este caso, el entorno del conjunto de antenas influye en su comportamiento y varía con el tiempo. Las métricas de adaptación y eficiencia adecuadas tienen en cuenta las peores excitaciones posibles. ^{[ 14 ]}

• Conjunto de antenas digitales
• Coeficiente de reflexión activa total