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Antena de ranura

alimentación

Figura 1: La longitud de una ranura determina la frecuencia de resonancia, la anchura de la ranura determina el gran ancho de banda del radiador de ranura.

alimentación

Figura 1: La longitud de una ranura determina la frecuencia de resonancia, la anchura de la ranura determina el gran ancho de banda del radiador de ranura.

Antena de ranura

Los radiadores de ranura o antenas de ranura son antenas que se utilizan en la gama de frecuencias comprendida entre unos 300 MHz y 25 GHz. Se utilizan a menudo en radares de navegación, normalmente como un conjunto alimentado por una guía de ondas. Pero también las antenas antiguas de grandes antenas en phase utilizaban este principio porque los radiadores de ranura son una forma muy barata de escanear frecuencias en conjuntos. Las antenas de ranura son una ranura alargada de aproximadamente λ/2, cortada en una placa conductora (considere una lámina conductora infinita) y excitada en el centro. Esta ranura se comporta según el principio de Babinet como un radiador resonante. Jacques Babinet (1794 - 1872) fue un físico y matemático francés. Formuló el teorema de que dos pantallas complementarias producen patrones de difracción similares (principio de Babinet). Este principio relaciona los campos radiados y la impedancia de una antena de apertura o ranura con los del campo de una antena dipolo. La polarización de una antena de ranura es lineal. Los campos de la antena de ranura son casi los mismos que los de la antena dipolo, pero los componentes del campo están intercambiados: una ranura vertical tiene un campo eléctrico horizontal; y el dipolo vertical tiene un campo eléctrico vertical.

La impedancia de la antena de ranura (Zs) está relacionada con la impedancia de su antena dipolo complementaria (Zd) mediante la relación:

Zd · Zs = η2/4   Zs = impedancia de la antena de ranura
Zd = impedancia de su antena dipolo complementaria
η  = impedancia intrínseca del espacio libre.
(1)

Se deduce por Zs = 485 Ω.

El ancho de banda de una ranura rectangular estrecha es igual al del dipolo correspondiente y equivale a la mitad del ancho de banda de un dipolo cilíndrico con un diámetro igual a la anchura de la ranura. La figura 2 muestra diferentes antenas de ranura de forma rectangular que aumentan el ancho de banda de la antena de ranura.

Figura 2: Distintas antenas de ranura de banda ancha.

Figura 2: Distintas antenas de ranura de banda ancha.

Aunque la teoría requiere una superficie conductora de propagación infinita, la desviación del valor teórico es pequeña cuando la superficie es mayor que el cuadrado de la longitud de onda. La alimentación de la antena de ranura puede hacerse con una línea común de dos hilos. La impedancia depende del punto de alimentación, como en un dipolo. El valor de 485 Ω sólo se aplica a un punto de alimentación en el centro. Un cambio del punto de alimentación del centro al borde disminuye constantemente la impedancia.

La aplicación de las antenas de ranura puede ser versátil. Pueden sustituir a los dipolos, por ejemplo, si se requiere una polarización perpendicular a la extensión longitudinal del radiador. Si se utiliza un dipolo para alimentar una antena parabólica para generar un haz en abanico orientado verticalmente pero polarizado horizontalmente, ese dipolo debe estar orientado horizontalmente. Esto significa que las superficies de los bordes del reflector parabólico no estarán suficientemente iluminadas, sino que se perdería mucha energía por encima y por debajo del reflector. Además, la longitud del dipolo se extiende en un plano, en el que requiere un punto como fuente de radiación para el foco del reflector parabólico. Si este dipolo se sustituye por una antena ranurada, estos inconvenientes no surgen.

Ranuras en guías de ondas

Figura 3: Distintas disposiciones de las rendijas en una guía de ondas.

Figura 3: Distintas disposiciones de las rendijas en una guía de ondas.

Las antenas de ranura en guías de ondas ofrecen una forma rentable de diseñar conjuntos de antenas. La posición, la forma y la orientación de las ranuras determinarán cómo irradian (o si irradian). La figura 3 muestra una guía de ondas rectangular con una instantánea dibujada con líneas rojas de la distribución esquemática de la corriente en las paredes de la guía de ondas. Si se cortan ranuras en las paredes, el flujo de corriente se verá más o menos afectado en función de la ubicación de la ranura. Si las ranuras son suficientemente estrechas, las ranuras B y C (Fig. 3) tendrán poca influencia en la distribución de la corriente. Estas dos ranuras no irradian (o lo hacen muy poco). Las ranuras A y D representan barreras al flujo de corriente. Así, este flujo de corriente actúa como un sistema de excitación para la ranura, esta ranura actúa como un radiador. A medida que avanza la onda en la guía de ondas, estas líneas dibujadas migran en la dirección de propagación. La ranura obtiene un potencial de tensión siempre alternante en los bordes de la ranura (en función de la frecuencia en la guía de ondas). La energía que irradia la ranura puede modificarse acercándolas o alejándolas del borde. Las ranuras A y D (como se ilustra en la Figura 3) tienen el acoplamiento más fuerte a la energía de RF transportada en la guía de ondas. Para reducir este acoplamiento, por ejemplo, la ranura A puede acercarse a una de las paredes más cortas de la guía de ondas. Rotar las ranuras tendría el mismo efecto (un ángulo entre las orientaciones de A y B o C y D). El acoplamiento de esta ranura rotada es un factor de aproximadamente sin2θ del ángulo de θ.

Antenas de guía de ondas ranuradas

Figura 4: Geometría básica de una antena de guía de ondas de rendija (los radiadores de rendija están en la pared más ancha de la guía de ondas rectangular).

Figura 4: Geometria básica de uma antena com guia de onda com fenda (os radiadores de fenda estão na parede mais larga do guia de onda retangular.)

Varios radiadores de ranura en una guía de ondas forman una antena de grupo. La guía de ondas se utiliza como línea de transmisión para alimentar los elementos. Para radiar en la fase correcta, todas las ranuras individuales deben cortarse a la distancia de longitud de onda válida para el interior de la guía de ondas. Esta longitud de onda difiere de la longitud de onda en el espacio libre y es función del lado más ancho a de una guía de ondas rectangular. Normalmente, esta longitud de onda se calcula para el modo TE₁₀ mediante:

a  = longitud del lado más ancho de las guías de ondas rectangulares
λh = longitud de onda „guiada“ (dentro de la guía de ondas)
λ  = longitud de onda en el espacio libre
(2)

Figura 5: Geometría básica de una antena de guía de ondas ranurada con antenas ranuradas giradas en la pared más estrecha.

Figura 5: Geometría básica de una antena de guía de ondas ranurada con antenas ranuradas giradas en la pared más estrecha.

La longitud de onda dentro de la guía de ondas es mayor que en el espacio libre. La distancia de los radiadores de rendija del grupo se ajusta en esta longitud de onda a un valor ligeramente superior a la longitud de onda λ en el espacio libre. El número y el tamaño de los lóbulos laterales se ven afectados tan desfavorablemente. Las ranuras suelen fijarse excéntricamente a izquierda y derecha (con acoplamiento reducido). Si se monta en el lado estrecho de la guía de ondas, puede ocurrir que la longitud del radiador de la ranura resonante sea más corta que la pared. En este caso, la ranura también se puede guiar alrededor de las esquinas y luego también ligeramente en el lado A de la guía de ondas. En la práctica, todas estas ranuras están cubiertas con un fino material aislante (para la protección del interior) de la guía de ondas. Este material no puede ser higroscópico y debe protegerse de la intemperie.

Un radiador de ranura estrecha también puede funcionar a frecuencias ±5 … ±10% más allá de la frecuencia de resonancia. En el caso de las antenas de matriz, esto no es tan fácil. Una antena de este grupo se fija fuertemente a una sola frecuencia, que viene determinada por la separación de exactamente λh, y para la que se ha optimizado la antena. Si se cambia la frecuencia, estas distancias no son correctas, el rendimiento de la antena disminuye. La diferencia de fase que surge entre los elementos de la antena se va sumando a lo largo de toda la antena hasta alcanzar valores que ya no se pueden tolerar. Esta antena empieza a "pellizcar el ojo", es decir, el diagrama de la antena apunta en una dirección distinta del eje central óptico. Este efecto también puede aprovecharse para obtener un pivotaje electrónico del haz de la antena en función de la variación de la frecuencia de transmisión.