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ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 08 Ago 2014, 15:38
por Jason2000
ENFASAMIENTO DE ANTENAS


El enfasamiento de antenas consiste en agrupar antenas idénticas (normalmente), conectadas al mismo equipo de radio, para conseguir efectos beneficiosos como son una mayor ganancia o una mayor directividad del sistema
de antenas con respecto a una única antena, en el caso de enfasamiento de
las antenas directivas, o conseguir diagramas de radiación directivos o
especiales en el caso de enfasamiento de antenas no directivas verticales
(y en general, para cualquier tipo de antena).

Las antenas del sistema enfasado, deben de ser completamente idénti-cas (marca, n de elementos..etc) y las antenas deben de estar conectadas mediante un riguroso sistema de enfasado a la misma línea de transmisión, o a un equipo de radio, de esta forma podemos lograr que cada antena va radie con la misma potencia radioeléctrica (que por tanto será un fracción de la enviada por el equipo transmisor), y dependiendo de la distancia que estén separadas las antenas entre si, de los desfases de la señal radioeléctrica enviada por el transmisor repartidos entre una antena y otra del sistema a causa de las longitudes de los tramos de las líneas de transmisión que unen las antenas, la dirección de radiación considerada, etc... determinan los efectos anteriormente mencionados.

El enfasamiento de las antenas es un proceso, que para obtener con él, un máximo de rendimiento, se debe realizar respetando escrupulosamente las medidas y normas para cada tipo de antenas, pues en caso contrario no solo no lograremos mejorar el rendimiento de nuestro sistema radiante, sino que en mu-chas circunstancias puede ser peor que si utilizaramos una única antena.

Los efectos que se obtienen con estos sistemas de antenas enfasadas son los mismos tanto para transmisión como para recepción.



Caso de antenas verticales omnidireccionales enfasadas

Así, p.ej, en el caso de dos antenas verticales omnidireccionales y del mismo tipo, separadas por media longitud de onda, y alimentadas por el
transmisor en fase, presentará un diagrama de radiación con un máximo de ra- diacción perpendicular al eje que une ambas antenas, y un nulo en la dirección de este eje (parecido a una dipolo):

máximo
^
|
|
|
nulo < Ant. Ant. > nulo
a | b
|
|
V
máximo

En efecto, supongamos dos antenas, A, B, separadas en media onda y alimentadas en fase: esto significa que ambas radian la señal aplicada por el transmisor con la misma fase, por lo que al propagarse ambas radiacciones en dirección arriba abajo del gráfico anterior, se propagarán en fase, por lo que una antena más lejana situada en esa dirección recibirá ambas señales en fase, y por tanto sus amplitudes se sumarán: El diagrama de radiación del sistema enfasado presenta un máximo en esa dirección.

Sin embargo, cuando tomamos la dirección izquierda derecha, se produce un nulo teórico de radiación. En efecto, analicemos el sentido

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 08 Ago 2014, 15:39
por Jason2000
A >B.

En el momento que A emite un máximo positivo (máximo del semiciclo positivo) de la señal de RF del transmisor, también lo emite la antena B, pues
ambas emiten en fase. Al cabo de medio período de onda, ambas antenas emitirán el máximo negativo de la señal del transmisor, pero ahora B estará recibiendo el máximo positivo emitido por A anteriormente, ya que éste al propagarse en el espacio en medio período de la onda, ha recorrido media longitud de onda. Consecuencia: la radiación de B en el sentido indicado se cancela por la señal recibida de A en ese sentido, pues ambas están en oposición de fase.

Y lo mismo ocurre para el sentido B >A.

Para cualquier otra dirección la suma de amplitudes de las señales radiadas por A y B no será nula, pero dependerá de los desfases con que la antena receptora distante reciba ambas señales.

En este ejemplo, para que el diagrama de radiación sea el indicado, las dos antenas han de estar separadas en media longitud de onda en el espacio, y radiar en fase, lo cual significa que han de estar conectadas al transmisor por la misma longitud de cable de antena (línea de transmisión).

Esto se puede conseguir de la siguiente manera:

│ │
│ Antena A │ Antena B
│ │
│ D │
│ < > │
│ │ D= media longitud
│ D/2 D/2 │ de onda.
║ < >|< > ║
║ | ║
║ | ║
╚══════════════╦══════════════╝

║ < línea de transmisión.

║ ┌────────┐
║ │ │
╚══════Á TX /RX │
│ │
└────────┘

En este ejemplo, la línea de transmisión se bifurca en dos ramas de igual
longitud, una a cada antena. El mismo efecto se conseguiría usando dos
líneas de transmisión del mismo tipo y de la misma longitud, una por cada
antena, conectadas (mediante un conector en T) a la toma de antena del
equipo de radio.
Un dato a tener muy en cuenta para enfasar antenas, ya sean verticales u horizontales, es la medida del cable coaxial que va desde cada antena hasta el conector "T". esta debe ser una medida concreta y con la mayor exactitud posible. Existen líneas ya medidas y comprobadas a la venta

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 08 Ago 2014, 15:40
por Jason2000
ENFASAMIENTO DE ANTENAS 2/4


Supongamos ahora la siguiente situación teórica, en la que varía el punto de bifurcación de la línea de transmisión.


│ │
│ Antena A │ Antena B
│ │
│ D │
│ < > │
│ │
│ │
│ │
│ │
│ │
╠═════════════════════════════╝

║ < línea de transmisión.

║ ┌────────┐
║ │ │
╚═════════════════════Á TX /RX │
│ │
└────────┘

Si la separación D es de media onda, por un razonamiento similar al anterior veríamos que el sistema enfasado radia de manera opuesta al caso anterior: nulo de radiacción en sentido perpendicular a al dirección A B,
y máximo en la dirección A B. Ahora ambas antenas radian en oposición de fase (desfasadas en media onda), pues cuando la señal entregada por el transmisor, supongamos un máximo del semiciclo positivo de la onda, llega
a la base de la antena A, aún le queda recorrer el tramo de línea correspon-diente para alcanzar la base de la antena B, esto es, media onda. Y cuando llega a la base de B, en la base de A está entrando en ese momento el máximo del siguiente semiciclo de onda negativo entregado por el transmisor: Por tanto, en dirección arriba abajo (siguiendo el gráfico anteriormente repre-sentado) ambas radiacciones se envían en oposición de fase, mientras que en dirección derecha izquierda (A B), ambas se refuerzan, por estar en igualdad de fase: En el sentido A >B la onda radiada por A alcanza a B al mismo tiempo que B recibe la correspondiente señal a través del trozo de línea que une la base de A con la de B, mientras que en el sentido B >A cuando la onda radiada por B alcanza la antena A, ésta está radiando el siguiente ciclo de onda, en igualdad de fase (hay un desfase real de una onda completa entre lo radiado por A y por B, por lo que la fase instantánea de ambas señales será la misma).

Si la separación D fuera ahora de un cuarto de longitud de onda, podríamos ver con el mismo razonamiento de que ahora la antena presenta un máximo de radiacción en la dirección y sentido A >B, y un nulo de radiacción
en el sentido opuesto, esto es, en el sentido B >A.
El diagrama de radiacción de la antena sería una especie de "cardioide"(figura con forma de corazón), con un nulo de radiacción teórico en el sentido B >A.
(esto permite tener con dos antenas verticales tener un sistema enfasado bas- tante omnidireccional, excepto en una dirección, que se puede orientar hacia alguna zona origen de ruidos radioeléctricos o de interferencias).

Si se usan otras separaciones D se obtienen otros diagramas de radiacción del sistema enfasado. Lo mismo ocurrirá si en lugar de dos antenas individuales, el sistema enfasado se realiza con 3 o más antenas individuales.


Otras cuestiones prácticas

Aunque en el estudio anterior no se ha mencionado, cuando además de la

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 08 Ago 2014, 15:40
por Jason2000
separa-
ción física entre las dos antenas verticales, la longitud de los tramos de línea que unen cada antena con la bifurcación a la línea de bajada al equipo de radio son distintas, hay que tener en cuenta el denominado factor de velo-cidad de la línea de antena empleada para realizar los enfasamientos.
En efecto, el factor de velocidad de la línea es la velocidad de propagación de la señal radioeléctrica (por la línea) relativa con relacción a la velocidad en el espacio libre o en el vacío (300.000 Km/s).

Para los cables empleados actualmente para líneas de antena, este factor de velocidad es del orden de 0.66 a 0.88, según el cable, lo cual significa que la velocidad de propagación de la onda radioeléctrica por la línea es 0.66*c a 0.88*c, siendo c la velocidad de la luz en el vacío.

Esto debe de tenerse en cuenta al realizar enfasamientos con longitudes de
cable distintas para cada unión entre la bifurcación y antena en un sistema enfasado: Si L es la longitud de onda de una frecuencia dada, en el aire o en el espacio la longitud de onda tendrá el valor L, mientras que en un cable con factor de velocidad 0.66, esta longitud será 0.66 L, y por tanto menor a la longitud de onda en el espacio.

Por tanto, si dos antenas enfasadas necesitan estar desfasadas en media longi-tud de onda, y las líneas de transmisión utilizadas tienen el factor de velocidad 0.66, la diferencias de recorridos de la señal radioeléctrica entre el transmisor y ambas antenas deberá ser de 1/2 * (0.66 * L). Pero si las antenas están separadas físicamente en media longitud de onda (L/2), pueden haber problemas de realizar un enfasamiento de este tipo, al ser más corta la media onda en la línea de transmisión que en el espacio: esto nos haría físicamente irrealizable el último montaje planteado en el apartado anterior.

Pero esto no es ningún problema, ya que como la fase de la onda es la misma
al cabo de una o varias longitudes de onda L (aunque el ciclo de la onda sea otro), el mismo desfase podemos obtener con una tirada de cable de antena de media onda, 1/2 * (0.66 * L), que con onda y media de cable, 3/2 * (0.66 * L) : Esto ya hace realizable el último montaje del apartado anterior, ya que aunque la separación en el espacio de ambas antenas es de media onda, L/2, el cable de unión de ambas antenas puede tener una longitud de onda y media, que a pesar del factor de velocidad del cable, ya es suficientemente largo (y de sobras) para unir físicamente ambas antenas sin problemas, y con igual desfase que con una tramo de línea de media onda.

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 08 Ago 2014, 15:41
por Jason2000
Además se ha de tener en cuenta que al conectar dos (o más) antenas al mismo equipo transmisor, la impedancia del sistema de antenas varía, por lo que se deberá de poner algún adaptador de impedancias en el punto de bifurcación de la línea de transmisión hacia las antenas. Un método de adaptación es mediante el uso del denominado transformador de cuarto de onda, que hace uso de tramos de cable coaxial de longitud e impedancia determinadas, para conectar cada antena al punto de bifurcación de la línea de bajada al equipo. Este tipo de conexión entre antena y bifurcación ya permite de por sí acoplar automáticamente la impedancia de cada antena del sistema enfasado a la impedancia que muestra el punto de conexión a la bifurcación, esto lo veremos en el siguiente apartado.

En el caso de dos antenas directivas enfasadas, donde la radiación de una antena no afecta a la otra, la impedancia del sistema se reduce a la mitad, pero en el caso de dos antenas verticales, donde la radiación de una antena alcanza e influye en la otra antena, provoca interacciones mútuas entre ambas, que dá lugar a que la impedancia del sistema dependa del grado de interacción entre ambas antenas, lo cual a su vez dependerá de la separación entre ambas, del desfase con que radían sus señales...

En el siguiente caso, aunque está planteado para antenas yagi para la banda de 2 metros, es válido en líneas generales para cualquier caso de enfasamiento de antenas, en particular para las directivas.


Caso de enfasamiento de antenas directivas (yagis)

Supongamos disponemos de dos antenas yagis idénticas, compradas o de fabricación propia, pero iguales, y las queremos enfasar para conectarlas a una estación de radio cuya toma de antena es de 50 ohm.

Para enfasarlas y que funcionen necesitaremos un transformador de impedancia que fabricaremos con dos trozos iguales de cable coaxial de 75 ohms (RG 11 cable grueso o RG 59 cable fino), que se unirán en un extremo en un conector en T al cable de bajada de 50 ohmios, que estará conectado a nuestra estación de radio (más adelante veremos el porqué de estos valores concretos).

El cálculo del largo de cada trozo de cable es el siguiente:

Longitud trozo: D = 1.25 * L * Fv = (5/4) * L * Fv

siendo L la longitud de onda de la frecuencia de trabajo,
y Fv el factor de velocidad del cable de 75 ohm empleado.


Ejemplo:

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 08 Ago 2014, 15:41
por Jason2000
Para ajustar dos antenas YAGIS en el centro de la banda de dos metros (146.000) utilizando un cable tipo RG 59 o RG 11 que poseen factor de veloci-dad de 0.66, el cálculo será el siguiente:

L = 300.000/146.000
D = 1.25 * L * 0.66 = 1,695 mtrs.

O sea que, para enfasar dos antenas que operen en la banda de dos metros, utilizando un cable para enfasamiento de una velocidad de propagación relativa de 0.66 necesitaremos dos trozos de un metro con sesenta y nueve
centímetros y medio de cable.

Hay también un cable de bajas pérdidas de 75 ohm de impedancia, que posee las siglas CATV, que es muy utilizado por los sistemas de circuitos cerrados de TV que tiene una velocidad de propagación de 0.82.

En ese caso se tendrá que:

D = 1.25 * L * 0.82 = 2,106 mtrs.

Como hacemos para saber si los trozos que hemos cortado están bién?

Muy sencillo, con la ayuda de un medidor de R.O.E.y dos cargas fantasmas (no radiativas) de 50 ohmios.

Al conectar las cargas a las puntas de los cables, como si fueran dos antenas y el medidor de R.O.E. en la union de los cables, no nos tiene que
acusar estacionarias, si lo hace es que por lo general los cables no poseen la misma medida.

Nota: Las Cargas Fantasmas se pueden construir fácilmente con resistencias de carbón de 50 ohm no inductivas que se adquieren en cualquier comercio del ramo y donde nos pueden asesorar sobre la potencia que deben disipar.


POR QUE ENFASAR ANTENAS?

Uno de los elementos que determinan la ganancia de una antena es su longitud; para una antena correctamente diseñada y optimizada, su ganancia aumenta en la práctica en 2,2 dB cada vez que se dobla su longitud.
Actualmente se fabrican antenas yagis para la banda de 2 metros con 8, 10 y hasta 12 metros de longitud, que ya presentan importantes problemas mecánicos (peso, sujecciones...). Pero si queremos aumentar más la ganancia no nos queda otro camino que "enfasar antenas", para minimizar estos inconvenientes mecánicos que se dan en antenas de gran tamaño.

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 27 Ago 2014, 16:22
por Predator
Este tema despierta mucho mi interés.
Jason2000 escribió:Como hacemos para saber si los trozos que hemos cortado están bién? Muy sencillo, con la ayuda de un medidor de R.O.E.y dos cargas fantasmas (no radiativas) de 50 ohmios. Al conectar las cargas a las puntas de los cables, como si fueran dos antenas y el medidor de R.O.E. en la union de los cables, no nos tiene que
acusar estacionarias, si lo hace es que por lo general los cables no poseen la misma medida.
Nota: Las Cargas Fantasmas se pueden construir fácilmente con resistencias de carbón de 50 ohm no inductivas que se adquieren en cualquier comercio del ramo y donde nos pueden asesorar sobre la potencia que deben disipar.
Con respecto al método de enfasado, primero quisiera hacerles notar que todo el artículo se refiere al enfasado de antenas utilizadas tanto para recepción como para transmisión por parte de radioaficionados, con lo cual las antenas alli descriptas se deben adaptar a la impedancia característica de los transmisores, que es de 50 Ohm.
En cambio, para recepción de TV, nuestros sintonizadores utilizan una impedancia característica de 75 Ohm, y esa es la impedancia ideal a la que se deben adaptar las líneas de enfasado hacia el coaxil de bajada.

Pero la pregunta más de fondo que me hago es si, a diferencia de la TV analógica, si verdaderamente conviene enfasar dos antenas para recibir TV Digital (???).
Es que pequeñas diferencias entre las longitudes de las 2 líneas de enfasado podrían provocar diferencias de fase en la entrada del receptor que, para recepción de modulaciones 64QAM como las utilizadas en HDTV ISDB-Tb, si bien el apilado contribuiría a sumar intensidad de señal, aumentaría mucho el ruido de fase (y por ende afectaría al MER).

Por ejemplo, una diferencia de 1cm en la longitud de alguna línea de enfasado representa un error constante de 0.02 Lambda (a 500MHz).
¿Eso es grave o es insignificante? En modulación 64QAM, sería grave. En cambio, en modulación QPSK es un error que pasa totalmente desapercibido.

Pero lo que me da vueltas en la cabeza es la gran fama que le han hecho al protocolo ISBD-Tb atribuyéndole ser muy robusto e inmune frente a rebotes por multitrayecto, que sería equivalente a decir que es más inmune a errores de fase, como las que introduciría un array mal enfasado.

Es que la gran cantidad de subportadoras que componen un MUX ISDB-Tb (en modo 3, hasta 384 subportadoras por cada uno de los 13 segmentos) hace que el Symbol Rate en cada subportadora sea relativamente muy bajo. Y esta tasa de bits tan lenta por cada subportadora, con modulación QPSK dicen que hace que el protocolo sea más inmune a errores de fase, donde un error de 0,02 Lambda pasaría desapercibido.

¿Y entonces en qué quedamos? Hmmm... no sé.
Habrá que analizar qué servicio DX queremos recibir, averiguar en qué modo transmite (1, 2 ó 3, según la cantidad de subportadoras por segmento), estudiar si utiiza modulación QPSK, 16QAM ó 64QAM y, según resulten las respuestas, decidir si estaqueamos dos Yagis o si nos quedamos con sólo una bien larga.
Para servicios One-Seg, apilar es perfecto.
Pero para recibir DX HDTV.....??

Me gustaría mucho conocer sus opiniones y sus experiencias, si es que alguno hizo pruebas DX con servicios Full HD, y pudo comparar resultados con o sin antenas apiladas.

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 27 Ago 2014, 16:52
por Driver 1
Imagen

Re: ENFASAMIENTO DE ANTENAS

Publicado: 09 Dic 2014, 09:04
por andresgeb
Muy interesante. Habrá que probar