Log Periodic Dipole Array Antenna: Una guía completa

La tecnología avanza a pasos agigantados en el mundo actual. Las comunicaciones desempeñan un papel fundamental en este rápido crecimiento y las antenas son uno de los componentes más cruciales. Las antenas de matriz dipolar logarítmica periódica (antenas LPDA) son importantes en los sistemas modernos de radiodifusión y telecomunicaciones. Las antenas log periódicas dipolo son antenas direccionales con múltiples elementos dispuestos en un patrón específico. La longitud de los elementos de la antena generalmente disminuye hacia la parte frontal de la antena y con elementos de diferentes longitudes, son capaces de captar diferentes frecuencias, por lo que son ideales para aplicaciones que requieren soluciones de comunicación robustas y versátiles en diferentes frecuencias. Se denominan antenas logarítmicas periódicas porque la impedancia de estas antenas es una función logarítmicamente periódica de su frecuencia. Las antenas logarítmicas periódicas se utilizan generalmente para aplicaciones en las que hay que transmitir o recibir diferentes frecuencias en diferentes ángulos y diferentes frecuencias, como la radiodifusión televisiva, la monitorización de banda ancha y los sistemas de medición, etc.

Historia y desarrollo de la antena LPDA

Se considera que la antena periódica logarítmica fue inventada por el ingeniero eléctrico estadounidense Dwight E. Isbell y su colega Raymond DuHamel en el periodo 1957-1958 y publicaron un artículo al respecto. Posteriormente, Paul Mayes desarrolló el concepto. El concepto de antena logarítmica periódica fue patentado por la Universidad de Illinois (EE.UU.) a raíz del trabajo de estos inventores. Sin embargo, también se cree que fue inventado por John Dunlavy en 1952, pero no se le dio el crédito debido ya que fue inventado como una misión secreta mientras trabajaba para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.

Características de diseño de la antena Log Periodic

Las antenas logarítmicas periódicas se componen de múltiples elementos dipolares de diferentes longitudes y distancias dispuestos en una configuración lineal o plana. Generalmente, se disponen de forma que la longitud de los elementos disminuye hacia la parte frontal de la antena y con alternancia de fase entre ellos a intervalos específicos siguiendo una función logarítmica de la frecuencia. Estos elementos de antena suelen estar fabricados con materiales conductores, como aluminio o cobre, y montados en paralelo a ambos lados de una estructura de soporte que suele estar fabricada con un material no conductor. Las características de funcionamiento de la antena logarítmica periódica dependen de la longitud, el espaciado, la diferencia de fase y la progresión logarítmica de los elementos.

Las antenas logarítmicas periódicas funcionan según el principio de inversión de fase dependiente de la frecuencia. Cada elemento resuena a una frecuencia diferente y, a medida que aumenta la frecuencia, el elemento resonante se desplaza hacia los elementos más pequeños creando una señal ondulada que se desplaza a lo largo de la estructura central. Este mecanismo proporciona una respuesta de frecuencia de banda ancha con una ganancia e impedancia constantes en las antenas periódicas de tronco.

Parámetros clave

Teniendo en cuenta los principales parámetros de rendimiento de las antenas log-periódicas, éstas son capaces de operar en múltiples bandas de frecuencia. Las antenas logarítmicas periódicas pueden funcionar en una amplia gama de frecuencias, desde unos pocos megahercios hasta varios gigahercios, dependiendo de su diseño. Las antenas looperiódicas suelen tener una ganancia relativamente alta debido a su patrón de radiación y direccionalidad. Pueden funcionar con una ganancia de pico de unos 10-11dBi y la ganancia suele variar entre 5 y 15 dBi. El alcance operativo de una antena log periódica depende de todos estos factores, como la frecuencia, la ganancia, así como de los factores ambientales y de cualquier obstáculo o interferencia. En la mayoría de los casos, las antenas log periódicas utilizan conectores hembra normales de tipo N y suelen montarse en mástiles o postes. Pero esto puede variar en función del tipo de antena, ya que también están disponibles en diseños muy compactos tipo panel.

Características principales de la antena periódica de troncos

Algunas de las principales características de una antena log-periódica son su amplia gama de frecuencias, su ganancia direccional y su diseño compacto.

• Gama de frecuencias de banda ancha

Las antenas periódicas logarítmicas, debido a la presencia de elementos de antena conductores de diferentes longitudes, tienen la capacidad de funcionar en una amplia gama de frecuencias. Su cobertura en un amplio espectro de frecuencias las convierte en una opción de antena adecuada para diversas aplicaciones de comunicaciones y RF. Esto permite a los usuarios utilizar una sola antena para comunicarse a través de varios canales a diferentes frecuencias. Por lo tanto, las antenas log periódicas son extremadamente útiles en aplicaciones en las que el entorno operativo es dinámico o cambia rápidamente, ya que pueden garantizar una comunicación estable e ininterrumpida en tales escenarios.

• Ganancia direccional

Las antenas logarítmicas periódicas tienen una ganancia estable, lo que constituye una ventaja fundamental. Son capaces de mantener una ganancia direccional alta y estable incluso cuando la frecuencia varía o fluctúa. Por lo tanto, las antenas logarítmicas periódicas son capaces de proporcionar una ganancia direccional consistente a través de diferentes bandas de frecuencia. Debido a su alta ganancia direccional, son capaces de dirigir las señales hacia una dirección específica, aumentando así el alcance de la comunicación en esa dirección. Esta característica hace que las antenas log periódicas sean ideales para aplicaciones que requieren una comunicación de largo alcance eficaz y precisa.  

• Diseño compacto

Las antenas logarítmicas periódicas tienen un diseño y una estructura sencillos. Suelen tener un tamaño compacto, por lo que pueden utilizarse fácilmente en aplicaciones con restricciones de espacio. Pueden utilizarse cómodamente tanto en aplicaciones estáticas como móviles. Las antenas periódicas logarítmicas son relativamente fáciles de fabricar e instalar debido a su diseño compacto.

Tipos de antenas logarítmicas periódicas

Existen antenas logarítmicas periódicas de diferentes formas y frecuencias. Cuatro de los tipos más comunes de antenas se discuten a continuación.

• Red de dipolos logarítmicos periódicos (LPDA)

Es el tipo más común de antena logarítmica periódica. Como su nombre indica, las antenas LDPA tienen un conjunto de elementos de antena dipolo dispuestos en longitud creciente y montados a ambos lados de un brazo de soporte. Los elementos de antena están conectados en paralelo a una línea de alimentación y el dipolo más largo actúa como reflector. La antena LPDA suele alimentarse desde el elemento semipolar más corto a través de un único puerto. Las LPDA suelen funcionar con impedancias de entrada, VSWR y características de radiación uniformes en una amplia gama de frecuencias. Este tipo de antenas logarítmicas periódicas se utiliza normalmente para aplicaciones de recepción de televisión y radio.

• Antena monopolo log-periódica

Las antenas log periódicas monopolo son bastante similares a las LPDA. En esta variación, se utilizan monopolos en lugar de

dipolos en las antenas y generalmente montadas sobre un plano de tierra conductor. Este diseño ha mejorado el rendimiento en términos de ganancia y se utiliza habitualmente en sistemas de comunicación terrestres.

• Antena logarítmica planar

Este tipo de antena logarítmica periódica tiene sus elementos de antena impresos en un sustrato plano similar a una placa de circuito impreso. Debido a su diseño compacto, son ideales para ser utilizadas en dispositivos más pequeños con limitaciones de espacio, así como para aplicaciones móviles. También se suelen utilizar en aplicaciones de radar y microondas.

• Antena Log-Periódica de hilo

Al igual que otras antenas log periódicas, las antenas log periódicas de hilo también tienen múltiples elementos de antena. Sin embargo, en lugar de los típicos elementos sólidos, estas antenas están formadas por elementos de antena fabricados con alambres que se apoyan en un bastidor rígido o una estructura de brazo.

Antenas Log-Periódicas vs. Antenas Yagi

Las antenas LPDA y las antenas Yagi son bastante similares. Sin embargo, presentan algunas diferencias clave que las hacen únicas tanto en términos de estructura física y diseño como de parámetros de rendimiento.

Las antenas logarítmicas periódicas suelen tener una estructura triangular y se componen de varios elementos de antena de diferentes longitudes y distancias entre sí dispuestos en un conjunto específico a ambos lados de una estructura en forma de brazo. Las antenas Yagi tienen una estructura más lineal, con múltiples elementos de antena que suelen tener la misma longitud, a diferencia de las antenas periódicas logarítmicas, dispuestos en un conjunto a lo largo de una estructura en forma de brazo. Debido a la longitud similar de los elementos de antena, se considera que las antenas Yagi son ligeramente más fáciles de construir y fabricar que las antenas logarítmicas periódicas. Las antenas periódicas logarítmicas son algo más complejas de diseñar y construir, ya que hay que calcular y aplicar con precisión las distintas longitudes de los elementos, su espaciado y las diferencias de fase. Además, las antenas Yagi suelen ser más voluminosas que las log periódicas. Sin embargo, las antenas log periódicas son comparativamente más fáciles de instalar que las antenas Yagi, ya que éstas necesitan una alineación más precisa para obtener un rendimiento óptimo en una dirección específica.

Teniendo en cuenta los parámetros de rendimiento, tanto las antenas log periódicas como las antenas Yagi están disponibles en una amplia gama de bandas de frecuencia. Las antenas logarítmicas periódicas suelen funcionar en gamas de frecuencias comprendidas entre 30 y 4200 MHz, mientras que las antenas Yagi funcionan entre 30 y 3000 MHz. Las antenas logarítmicas periódicas tienen un diagrama de radiación más amplio y, por lo tanto, una ganancia menor y son poco direccionales en comparación con las antenas Yagi. Las antenas Yagi son muy direccionales y tienen un ancho de banda estrecho, por lo que su ganancia es mucho mayor en una dirección específica. Las señales de una antena Yagi se concentran en un área de cobertura de un ángulo de unos 45 grados a 90 grados, mientras que las antenas periódicas logarítmicas son capaces de tener un área de cobertura mucho más amplia debido a que tienen elementos de antena de diferentes longitudes y espaciamientos.

Las antenas log periódicas y las antenas Yagi también varían en cuanto a sus aplicaciones. Las antenas periódicas logarítmicas se suelen utilizar en aplicaciones que requieren que las señales se transmitan y reciban en múltiples direcciones y múltiples frecuencias diferentes simultáneamente. Se utilizan en aplicaciones LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M, etc. Las antenas Yagi son mejores para sistemas de comunicación punto a punto, como en aplicaciones de radiocomunicación de difusión, domésticas y comerciales, ya que son altamente direccionales y tienen una alta ganancia hacia una dirección específica.

Los costes iniciales de instalación y mantenimiento de las antenas Yagi y las log periódicas son relativamente similares. Sin embargo, las antenas log periódicas suelen considerarse más versátiles, ya que pueden utilizarse para casos de uso que requieren frecuencias diferentes. Las antenas Yagi necesitan un mantenimiento más regular para mantener su rendimiento en una dirección a un nivel óptimo.

Ventajas de las antenas log periódicas

Las antenas logarítmicas periódicas son un tipo de antena extremadamente versátil que se utiliza en diversos sistemas de comunicación debido a sus ventajas clave en cuanto a rendimiento. A continuación se describen algunas de estas ventajas.

• Gran ancho de banda

Las antenas logarítmicas periódicas son capaces de cubrir una amplia gama de frecuencias y pueden funcionar en varias bandas de frecuencias gracias a su gran ancho de banda sin necesidad de sintonización ni ajustes. Por lo tanto, las antenas periódicas logarítmicas se consideran versátiles, ya que una sola antena puede sustituir a varias antenas diseñadas para diferentes rangos de frecuencia. Por ello, las antenas log periódicas son versátiles y rentables.

• Patrón de radiación direccional

Las antenas looperiódicas tienen un diagrama de radiación direccional. Por eso son capaces de concentrar su energía en una dirección específica, lo que las hace ideales para la comunicación a larga distancia. El diagrama de radiación de las antenas log-periódicas tiene lóbulos laterales bajos, lo que significa que irradian la mayor parte de su energía en la dirección deseada y minimizan la energía desperdiciada en otras direcciones. Su patrón direccional las hace más resistentes a las interferencias de otras señales no deseadas y a cualquier obstáculo. Esto también ayuda a mejorar la relación señal/ruido.

• Alta ganancia

Las antenas looperiódicas suelen tener mayor ganancia debido a su patrón de radiación direccional. Así, tienen capacidad para transmitir y recibir señales a mayores distancias y con gran eficacia. En los sistemas de comunicación, una ganancia elevada es un parámetro crucial para mantener señales fuertes y estables en un rango mayor.

• Tamaño compacto

Las antenas logarítmicas periódicas pueden utilizarse en aplicaciones en las que hay limitaciones de espacio, ya que suelen estar diseñadas para ser pequeñas y compactas en comparación con otros tipos de antenas. Son ideales tanto para aplicaciones fijas como móviles.

En general, las antenas log-periódicas ofrecen ventajas clave como un amplio rango de frecuencias, alta ganancia, patrón de radiación direccional y tamaño compacto, lo que las convierte en una opción versátil y conveniente para diversas aplicaciones en comunicación y radiodifusión.

Desventajas y limitaciones

Aunque las antenas log periódicas tienen algunas ventajas clave, como siempre también hay algunas limitaciones.

• Diseño y construcción complejos

Dado que las antenas periódicas se construyen para funcionar en varias frecuencias diferentes, su diseño debe ser preciso. Hay que tener en cuenta la longitud de los elementos de la antena, su espaciado y colocación, la diferencia de fase entre los elementos, etc. Debido a la complejidad de su diseño y construcción, las antenas logarítmicas periódicas suelen ser relativamente caras.

• Montaje y mantenimiento

La instalación y el mantenimiento de una antena troncoperiódica pueden ser ligeramente complejos y llevar mucho tiempo, ya que tienen múltiples elementos que requieren un espaciado y una colocación precisos. Además, para garantizar que la antena funcione en su estado óptimo de forma continua con una transmisión y recepción de la señal estable y precisa, es necesario realizar un mantenimiento regular de las antenas log periódicas.

• Interferencias

Especialmente en aplicaciones exteriores, las antenas log periódicas tienden a estar sujetas a interferencias de otras señales, así como a cualquier obstrucción física. También pueden verse afectadas por condiciones meteorológicas como fuertes vientos, lo que las hace susceptibles a la carga del viento.

Aplicaciones de las antenas logarítmicas periódicas

Como se ha comentado a lo largo del artículo, las antenas logarítmicas periódicas son extremadamente versátiles y, por lo tanto, se utilizan en diversas aplicaciones de diferentes sectores. A continuación se describen algunos de los casos de uso más comunes.

• Televisión y radio

Las antenas periódicas logarítmicas se utilizan habitualmente en la radiodifusión de televisión y radio para recibir y transmitir señales, ya que pueden funcionar en una amplia gama de frecuencias, lo que les permite ofrecer contenidos en múltiples canales y emisoras. Gracias a las características de diseño y rendimiento de las antenas logarítmicas periódicas, es posible utilizar una sola antena para varias bandas de frecuencias.

• WiFi

Las antenas log periódicas también se utilizan habitualmente para establecer redes WiFi. Se pueden utilizar para transmitir y recibir señales para aplicaciones WiFi, ya que son capaces de proporcionar una conexión inalámbrica a Internet estable y fuerte.

• Redes celulares

Al igual que las redes WiFi, también se utilizan en las redes celulares para transmitir y recibir señales de las torres de telefonía, lo que permite la comunicación móvil. Su direccionalidad y ganancia les permiten concentrar fuertemente las señales en una dirección determinada, lo que les permite establecer conexiones a grandes distancias.

• Amplificadores de señal

Las antenas logarítmicas periódicas también se suelen utilizar en sistemas de amplificación de señal. Su alta ganancia y direccionalidad aumentan la intensidad y el alcance de las señales para mejorar la recepción y la transmisión, por lo que son ideales para amplificadores de señal.

• Sistemas de Antenas Distribuidas (DAS)

Las antenas log periódicas también se utilizan habitualmente en instalaciones DAS. Su gran ancho de banda, alta ganancia y direccionalidad son útiles para mejorar la cobertura inalámbrica y la capacidad de los sistemas de comunicación en grandes edificios, estadios, aeropuertos y otras zonas públicas.

Instalación y mantenimiento

El proceso de instalación de una antena periódica de troncos comienza con la selección del emplazamiento. Es importante seleccionar un lugar con un mínimo de obstrucciones e interferencias para garantizar un rendimiento óptimo. También hay que tener en cuenta otras condiciones meteorológicas y factores ambientales. Las antenas log periódicas se montan generalmente en un mástil o poste para minimizar las obstrucciones en las vías de señal. Es importante montar las antenas de forma segura para garantizar la estabilidad y la alineación adecuada. Es necesario utilizar cables coaxiales y conectores de alta calidad para minimizar la pérdida de señal durante la transmisión. Otro factor que debe tenerse en cuenta es la correcta conexión a tierra, que es crucial para proteger la antena de las sobretensiones eléctricas que puedan producirse. Es esencial colocar la antena en la orientación correcta y alinearla adecuadamente para garantizar un rendimiento óptimo hacia una dirección específica en un rango de frecuencias deseado. Por último, es importante realizar suficientes pruebas y afinarla haciendo los ajustes necesarios para conseguir una calidad óptima y un rendimiento fiable de una antena periódica de troncos.

Casos prácticos

Las antenas log periódicas se utilizan en muchas industrias y tienen varios casos de uso, como se entiende a lo largo del artículo. A continuación se describen algunos de los escenarios y aplicaciones reales de las antenas log periódicas.

• Radiodifusión

Las antenas periódicas logarítmicas son capaces de cubrir un amplio espectro de frecuencias debido a su estructura con diferentes elementos de antena alargados y diferencias de fase, por lo que se utilizan habitualmente tanto en radiodifusión como en televisión. Así pues, las antenas periódicas logarítmicas se utilizan ampliamente tanto en zonas urbanas como en zonas remotas para transmitir señales a través de varios canales proporcionando cobertura de forma eficaz y estable.

• Militar y defensa

Las antenas log periódicas se utilizan ampliamente en la industria militar y de defensa para diversas aplicaciones de defensa y seguridad. Se utilizan habitualmente en aviones, satélites, sistemas de radar, equipos militares, etc. para la transmisión y recepción de señales. Las antenas periódicas Log son capaces de proporcionar una comunicación fiable en un amplio ancho de banda y una alta direccionalidad, lo que las hace ideales para misiones críticas y operaciones de vigilancia en el ejército. En el ámbito militar y de defensa, el personal del ejército utiliza dispositivos alimentados por antenas log periódicas para mantenerse conectado en diferentes ubicaciones operativas. Esto es posible gracias a la fiabilidad y estabilidad de las señales transmitidas y recibidas a través de las antenas log periódicas. También se utilizan ampliamente para aplicaciones de vigilancia en misiones militares y de defensa. Son capaces de transmitir y recibir señales con rapidez, lo que las hace importantes en misiones críticas. Las antenas log periódicas permiten el intercambio de datos en tiempo real entre sensores remotos, drones y centros de mando. Esto permite al personal del ejército tomar decisiones bien informadas en aplicaciones de tiempo crítico en tareas militares y de defensa.

• Guerra electrónica

Las antenas log periódicas también forman parte integral de los sistemas de guerra electrónica. Su alta ganancia direccional y su transferencia de señal dirigida pueden ser cruciales para identificar dispositivos enemigos y para interceptar e interferir señales de comunicación enemigas. En la guerra electrónica, las antenas log-periódicas se utilizan como parte de sistemas para interceptar, interferir o asegurar las comunicaciones aprovechando sus capacidades de banda ancha y su rendimiento direccional. Esto puede ser crucial en la guerra para contraatacar eficazmente las señales de comunicación enemigas y obtener una ventaja táctica en el campo de batalla.

Conclusión

Las antenas logarítmicas periódicas son un componente crucial en el panorama de la tecnología de antenas moderna. Las antenas logarítmicas periódicas están disponibles en varias formas, tamaños y configuraciones y, entre ellas, las antenas Log Periodic Dipole Array son las más utilizadas. Las antenas LPDA funcionan de forma que la impedancia de la antena es una función logarítmicamente periódica de su frecuencia de funcionamiento. Son capaces de facilitar una amplia gama de aplicaciones, desde la radiodifusión televisiva hasta los sistemas WiFi y celulares, pasando por aplicaciones militares y de defensa críticas. La capacidad de las antenas logarítmicas periódicas para funcionar en una amplia gama de frecuencias, su capacidad direccional y su diseño compacto las convierten en un dispositivo versátil y una solución práctica para los consumidores que buscan mejorar sus sistemas de comunicación.