Antena de ranura

Antena de radar marino de guía de onda ranurada en banda X  instalada en un buque, de 8 a 12 GHz. La antena emite un haz estrecho de microondas en forma de abanico vertical, que escanea toda la superficie del agua de 360° alrededor del buque con cada rotación.

Sección transversal de una antena de radar marina similar con parte del radomo de plástico retirado, que muestra las ranuras en la guía de ondas.

Una antena de ranura consiste en una superficie metálica , generalmente una placa plana, con uno o más orificios o ranuras recortadas. ^{[ 1 ]} Cuando la placa se excita como antena mediante una corriente de radiofrecuencia aplicada , la ranura irradia ondas electromagnéticas de forma similar a una antena dipolo . La forma y el tamaño de la ranura, así como la frecuencia de excitación, determinan el patrón de radiación . Las antenas de ranura se utilizan habitualmente en frecuencias UHF y de microondas , donde las longitudes de onda son lo suficientemente pequeñas como para que la placa y la ranura sean convenientemente pequeñas. En estas frecuencias, las ondas de radio suelen conducirse mediante una guía de ondas , y la antena consta de ranuras en la guía de ondas; esto se denomina antena de guía de ondas ranurada . Múltiples ranuras actúan como una antena de matriz directiva y pueden emitir un haz estrecho de microondas en forma de abanico. Se utilizan en fuentes de microondas de laboratorio estándar empleadas para la investigación, antenas transmisoras de televisión UHF, antenas en misiles y aeronaves, antenas sectoriales para estaciones base celulares y, en particular, antenas de radar marino . Las principales ventajas de una antena de ranura son su tamaño, la simplicidad de su diseño y su fácil adaptación a la producción en masa mediante tecnología de guía de ondas o de placa de circuito impreso.

Como demostró HG Booker en 1946, según el principio de Babinet en óptica, una ranura en una placa metálica o guía de ondas tiene el mismo patrón de radiación que una antena de varilla excitada cuya varilla tiene la misma forma que la ranura, con la excepción de que las direcciones del campo eléctrico y del campo magnético están intercambiadas; la antena es un dipolo magnético en lugar de un dipolo eléctrico; el campo magnético es paralelo al eje longitudinal de la ranura y el campo eléctrico es perpendicular. Por lo tanto, el patrón de radiación de una ranura se puede calcular mediante las mismas ecuaciones bien conocidas que se utilizan para antenas de elementos de varilla como el dipolo . Las ondas están polarizadas linealmente perpendicularmente al eje de la ranura. Las ranuras de hasta una longitud de onda tienen un único lóbulo principal con radiación máxima perpendicular a la superficie.

Las antenas que constan de múltiples ranuras paralelas en una guía de ondas son antenas de arreglo ampliamente utilizadas . Tienen un patrón de radiación similar al de un arreglo lineal correspondiente de antenas dipolo, con la excepción de que la ranura solo puede irradiar hacia el espacio en un lado de la superficie de la guía de ondas, a 180° del espacio circundante. Existen dos tipos ampliamente utilizados:

Antena de guía de onda ranurada longitudinal

El eje de las ranuras es paralelo al eje de la guía de ondas. Esto produce un patrón de radiación similar al de una antena dipolo colineal y generalmente se monta verticalmente. El patrón de radiación es casi omnidireccional en el plano horizontal perpendicular a la antena en un azimut de 180° frente a la ranura, pero estrecho en el plano vertical, con una ganancia vertical que aumenta aproximadamente 3  dB por cada duplicación del número de ranuras. La radiación está polarizada horizontalmente. Se utiliza para antenas transmisoras omnidireccionales verticales en estaciones de televisión UHF. Para la radiodifusión, a veces se utiliza una guía de ondas cilíndrica o semicircular con varias columnas de ranuras cortadas en diferentes lados para obtener un patrón de radiación omnidireccional de 360°.

Antena de guía de onda ranurada transversal

Las ranuras son casi perpendiculares al eje de la guía de ondas, pero están ligeramente inclinadas, con ranuras alternas inclinadas en ángulos opuestos. Esto genera un patrón dipolar en el plano perpendicular a la antena y un haz muy nítido en el plano de la misma. Su principal aplicación es en antenas de radar marino de microondas . La antena se monta horizontalmente sobre un mecanismo que la hace girar alrededor de un eje vertical, escaneando el haz vertical en forma de abanico 360° alrededor de la superficie del agua que rodea el barco hasta el horizonte con cada revolución. La amplia dispersión vertical del haz garantiza que, incluso con mal tiempo, cuando el barco y el eje de la antena se balancean en un amplio ángulo debido a las olas, el haz de radar no perderá de vista la superficie.

Una antena de ranura de línea radial es una matriz plana de guías de onda ranuradas en la que las ranuras se alimentan mediante una guía de onda radial. Fue inventada por Naohisa Goto, profesor emérito del Instituto Tecnológico de Tokio , y se ha utilizado como antena plana de alta eficiencia para la recepción de transmisiones satelitales; se informó de una versión ligera con estructura de panal para uso espacial y también se utilizó como antena de alta ganancia en Hayabusa2 . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

La antena de ranura fue inventada en 1938 por Alan Blumlein , mientras trabajaba para EMI . La inventó con el fin de producir un tipo de antena práctica para la transmisión de televisión VHF que tuviera polarización horizontal, un patrón de radiación horizontal omnidireccional y un patrón de radiación vertical estrecho. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Antes de su uso en radares de búsqueda de superficie, estos sistemas utilizaban un reflector de segmento parabólico , o « antena de queso ». La antena de guía de ondas ranurada fue el resultado de una investigación colaborativa sobre radares llevada a cabo por la Universidad McGill y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 6 ]} Los coinventores, WH Watson y EW Guptill de McGill, obtuvieron una patente estadounidense para el dispositivo, descrito como una «antena direccional para microondas», en 1951. ^{[ 7 ]}

En una aplicación relacionada, las denominadas guías de onda con fugas también se utilizan para determinar la posición de los vagones en ciertos sistemas de transporte rápido. Se emplean principalmente para determinar la posición precisa del tren al detenerse en una estación, de modo que las puertas se alineen correctamente con los puntos de espera en el andén o con un segundo juego de puertas de seguridad, en caso de que se instalen.

• Radiómetro de microondas (Juno) (tiene una antena de matriz de ranuras)
• RIMFAX (el radar para el rover de Marte tiene un diseño de antena ranurada)

• "Antenas de ranura" . Teoría de antenas .
• Antenas de guía de onda ranurada Antenna-Theory.com