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Enlaces de Comunicaciones CAPITULO 1

Introducción- El espectro Radioeléctrico

Introducción ●

Que es el EspectroRadioeléctrico:

• El espectro radioeléctrico es un concepto fundamental en materia de telecomunicaciones. • Se encuentra asociado a las comunicaciones inalámbricas. • Puede se entendido como en medio en el que se propagan las ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS.

Introducción ●

Que es el EspectroRadioeléctrico:

Es un fenomeno producido por la combinación de campos eléctricos y magneticos oscilantes y que se propaga a través del espacio en todas direcciónes, en FORMA DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS, llevando la energia de un lugar a otro. El espectro radioeléctrico es una porcion del espectro electromagnetico,

Introducción ●

Que es el EspectroRadioeléctrico:

El espectro radioeléctrico constituye un subconjunto de ondas electromagnéticas u ondas hertzianas fijadas convencionalmente por debajo de 3000 GHz, que se propagan por el espacio sin necesidad de una guía artificial. El espectro radioeléctrico es considerado por la Constitución de la República como un sector estratégico, por tanto, el Estado se reserva el derecho de su istración, regulación, control y gestión. Dentro de este contexto, la legislación de telecomunicaciones ecuatoriana lo define como un recurso natural limitado, perteneciente al dominio público del Estado, inalienable e imprescriptible.

Introducción Espectro Electromagnetico

Introducción ●

Toda onda se caracteriza por su frecuencia (f) y su longitud de onda (λ), ambas relacionadas por la velocidad de propagación en el medio, que habitualmente en antenas tiene las propiedades del vacío (c=3·108 m/s), con c=λf. ● El conjunto de todas las frecuencias, o espectro de frecuencias, se divide por décadas en bandas, con la denominación presentada en la tabla. Cada aplicación tiene asignada por los organismos de normalización unas determinadas porciones de ese espectro.

Introducción

Introducción A frecuencias de microondas existe una subdivisión acuñada desde los primeros tiempos del radar, recogida en la tabla siguiente, que es ampliamente utilizada en la actualidad.

Introducción A frecuencias superiores nos encontramos con las ondas electromagnéticas correspondientes al infrarrojo, visible, ultravioleta y rayos X

CAPITULO 1 DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS 1.1 Definición y elementos de una antena 1.2 Relación de antenas líneas de Transmisión 1.3 Representación del diagrama de Radiación de una Antena 1.4 Acoplamiento de Impedancias y cálculo del ROE 1.4 Polarización y tipos (Lineal, circular y elíptica) 1.5 Resistencia de pérdidas y radiación de una antena 1.6 Impedancia de una antena (ZL) 1.7 Ganancia y Directividad de una antena 1.8 Ancho de banda y factor de calidad de una antena 1.9 Anchura de haz y relación frente-atrás de una antena

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS 1.1 Definición y elementos de una antena.El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define una antena como: Aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas (IEEE Std. 145-1983). ● Convierte la onda guiada por la línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre. ● En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS ● Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás. Esto es necesario ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección determinada. ● Las antenas también deben dotar a la onda radiada de una polarización. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación.

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS ● Existen, pues, dos misiones básicas de una antena: o transmitir y recibir, ● Imponiendo cada aplicación condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar, frecuencia de trabajo y otros parámetros que definiremos posteriormente. ● Esta diversidad de situaciones da origen a un gran número de tipos de antenas.

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS GEOMETRIA: Antenas de cable Antenas de Apertura Reflectores Lentes CLASIFICACIÓN DE LAS ANTENAS: Agrupaciones de antenas COMPORTAMIENTO: Antenas de Banda Ancha Antenas Miniatura Antenas Multifrecuencia

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS GEOMETRÍA Antenas de cable: como, por ejemplo, los dipolos, monopolos, espiras, helicoides. Las antenas de televisión que habitualmente encontramos en los edificios están formadas por un conjunto de dipolos.

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS Antenas de apertura: como, por ejemplo, las bocinas , las ranuras y las antenas microstrip

Antenas microstrip: consisten en un parche metálico sobre un substrato y un plano de masa por debajo. Las antenas microstrip son de perfil bajo, adaptables a cualquier superficie, simples y baratas de fabricar, mecánicamente robustas cuando se instalan sobre superficies rígidas

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS Reflectores: antenas formadas por un reflector, generalmente con perfil parabólico, y la antena situada en el foco del reflector. Las grandes antenas de observación del espacio son un ejemplo de ellas

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS Lentes: formadas, tal y como indica su nombre, por una lente que tiene como objetivo conformar la radiación de una determinada forma

Agrupaciones de antenas: cuando se junta más de una antena para conseguir determinadas características de radiación, se denomina antena agrupación o, en inglés, array

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS CLASIFICACIÓN POR EL COMPORTAMIENTO: Antenas de banda ancha: cuando las antenas pueden trabajar en un margen muy amplio de frecuencias. Un ejemplo lo tenemos en antenas de bocina para realizar medidas radioeléctricas en cámara anecoica. Con una bocina podemos cubrir un gran margen frecuencial; por ejemplo, de 800 MHz a 5 GHz, sin necesidad de cambiar de antena. Antenas miniatura: cuando la antena presenta unas dimensiones mucho más pequeñas que la longitud de onda. Veremos que la dimensión de una antena está directamente relacionada con su comportamiento electromagnético. Si se realiza una antena que tiene dimensiones pequeñas en términos de la longitud de onda, sus características se verán. Las antenas de terminales móviles son un modelo.

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS Antenas multifrecuencia: antenas que pueden operar con unas características muy similares para diferentes sistemas de telecomunicación. Las antenas de estación base y terminales móviles que operan a GSM900 y GSM1800 son casos de antenas multifrecuencia.

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS ESTADO DEL ARTE: Miniaturización de antenas: el aumento de dispositivos con antena ha sufrido un crecimiento continuo (teléfonos móviles, auriculares, ordenadoras, ratones, consolas de juego, etc.). Miniaturizar el elemento radiante es sumamente importante para facilitar la integración en el dispositivo. El diseño de este tipo de antenas lleva consigo diversos parámetros como la radiación de la antena teniendo en cuenta el cuerpo humano, propagación multicamino

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS Antenas multifrecuencia: es decir, antenas que puedan operar en varios sistemas de comunicación con características similares de radiación. Como veremos durante el curso, una antena es un dispositivo selectivo en frecuencia y, por lo tanto, es complicado lograr que la antena presente unas propiedades similares en varias bandas de frecuencia

Antenas para aplicaciones militares: donde es interesante disponer, por ejemplo, de antenas de mucho ancho de banda en algunos casos y de miniatura, en otros.

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS Antenas Dieléctricas: Habitualmente pensamos que las antenas sólo son estructuras metálicas. Sin embargo, existe la posibilidad de diseñar antenas dieléctricas. Del mismo modo que un conductor fija unas condiciones determinadas de contorno (campo eléctrico tangencial nulo en su superficie), las dieléctricas fijan otras y, así, podemos encontrar bocinas construidas exclusivamente con dieléctrico o, por ejemplo, las lentes

Antena inteligente (smart antennas, MIMO multiple Input Multiple Output): dotan de mayor capacidad, mejor calidad de servicio y más tiempo de vida de las baterías en las unidades móviles. Las antenas inteligentes están basadas en una agrupación de antenas y un algoritmo de formación de haz

CAP 1. DEFINICIÓN Y PARÁMETROS DE LAS ANTENAS PARAMETROS DE LAS ANTENAS:

Las antenas tienen unas características de impedancia y de radiación que dependen de la frecuencia. El análisis de dichas características se realiza a partir de las ecuaciones de Maxwell en el dominio de la frecuencia, utilizando las expresiones de los campos en forma compleja o fasorial.

PARAMETROS DE LAS ANTENAS:

       

Impedancia de entrada Coeficiente de desadaptación de impedancias en transmisión Eficiencia de radiación Intensidad de radiación Diagrama de radiación Directividad Ganancia Polarización

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión El funcionamiento básico de una antena se comprende mejor con referencia en las ilustraciones de ondas estacionarias en una línea de transmisión: • La línea de transmisión termina en un circuito abierto, que representa una discontinuidad abrupta para la onda incidente de voltaje y tiene la forma de una inversión de fase • La inversión de fase hace que se irradie algo del voltaje incidente, sin reflejarse hacia la fuente.

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión • La energía radiada se propaga alejándose de la antena, en forma de ondas electromagnéticas transversales. • La eficiencia de irradiación de una línea de transmisión abierta es extremadamente baja. • Es la relación de la energía irradiada entre la energía reflejada. Para irradiar más energía tan sólo se apartan entre sí los conductores. • A la antena obtenida así se le llama un dipolo (quiere decir dos polos)

antena de Marconi

antena de Hertz

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión Si los conductores se apartan en una línea recta a la distancia de un cuarto de onda. Esa antena se llama antena de cuarto de onda o monopolo vertical. Un dipolo de media onda se llama antena de Hertz

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión Circuitos equivalentes a una antena En las radiocomunicaciones, los transmisores están conectados a los receptores a través de líneas de transmisión, antenas y el espacio libre. Las ondas electromagnéticas se acoplan desde las antenas transmisoras a las receptoras, a través del espacio libre en una forma parecida a cuando la energía se acopla del primario al secundario de un transformador. Sin embargo, con las antenas el grado de acoplamiento es mucho menor que en un transformador, e interviene una onda electromagnética y no sólo una onda magnética.

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión Un sistema de acoplamiento con antena se puede representar con una red de cuatro terminales . La energía electromagnética se debe transferir de la antena transmisora a un espacio libre y después desde el espacio libre a una antena receptora.

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión El circuito equivalente de una antena transmisora.

El circuito equivalente para una antena receptora

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión RECIPROCIDAD DE ANTENAS: • Una antena básica es un dispositivo recíproco pasivo • Una antena es un dispositivo recíproco porque las características y el desempeño de transmisión y de recepción son idénticas. • Características: ganancia, directividad, frecuencia de operación, ancho de banda, resistencia de radiación, eficiencia.

CAP 1. Relación de antenas líneas de Transmisión Las antenas de transmisión deben poder manejar potencias grandes y, en consecuencia, deben ser de materiales que soporten altos voltajes y grandes potencias, como por ejemplo, de tubo metálico. Por otra parte antenas de recepción producen voltajes y corrientes muy pequeños y se pueden hacer con alambre de diámetro pequeño. Sin embargo, en muchos sistemas de radio comunicación, se usa la misma antena para transmitir y para recibir

CAP 1. PARAMETROS Sistema de coordenadas de la antena:

Las características direccionales de una onda electromagnética, irradiada o recibida por una antena, se describen en general en términos de coordenadas esféricas. Imagine la antena colocada en el centro de la esfera, y la distancia a cualquier punto en la superficie de la esfera se puede definir con respecto a la antena, mediante el radio de la esfera d y los ángulos  y .

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN DIAGRAMA DE RADIACIÓN Es un diagrama o gráfica polar que representa intensidades de campo o densidades de potencia en diversas posiciones angulares en relación con una antena. Gráfica de radiación absoluta: La gráfica de radiación se traza en términos de intensidad del campo eléctrico () o de densidad de potencia () (es decir, distancia variable y potencia fija).

La figura muestra una gráfica de radiación absoluta para una antena no especificada

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN La gráfica se traza en papel de coordenadas polares, y la línea gruesa representa puntos de igual densidad de potencia (10 W/m2). Los gradientes circulares indican la distancia en incrementos de 2 km. Se puede ver que la radiación máxima forma 90° con la referencia. La densidad de potencia a 10 km de la antena, en una dirección de 90° es 10 W/m2. En una dirección a 45°, el punto de igual densidad de potencia está a 5 km de la antena; a 180°, sólo a 4 km, y en dirección de −90°, esencialmente no hay radiación.

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN Lóbulo mayor o principal: Es el haz primario que está en la dirección de 90° en la figura de ejemplo, puede haber más de un lóbulo mayor. El lóbulo mayor se propaga y recibe la mayor cantidad de energía,ese lóbulo se llama lóbulo frontal (el frente de la antena).

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN Lóbulo menor: Es el haz secundario, que en la figura esta en la dirección de −180°. En el caso normal, los lóbulos menores representan radiación o recepción no deseada.

Los lóbulos adyacentes al frontal se llaman lóbulos laterales (el lóbulo menor de 180° es un lóbulo lateral)

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN Lóbulos traseros: Son los lóbulos cuya dirección es exactamente opuesta al lóbulo frontal; en este diagrama de ejemplo no hay lóbulo trasero. Eficiencia direccional: Es la relación de la potencia de lóbulo frontal a la de lóbulo trasero. Relación frontal a lateral: Es la relación de lóbulo frontal a un lóbulo lateral.

Línea de tiro o punto de tiro:

Es la línea que bisecta al lóbulo mayor, o que apunta desde el centro de la antena con dirección de radiación máxima

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN Gráfica de radiación relativa: Si se grafica intensidad de campo o densidad de potencia con respecto al valor en algún punto de referencia.

CAP 1 PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN La línea gruesa representa puntos a igual distancia de la antena (10 km), y los gradientes circulares indican densidad de potencia en divisiones de 1 – W/m2. Se ve que la radiación máxima (5 W/m2) está en la dirección de la referencia (0°), y que la antena irradia la menor potencia (1 W/m2) a 180° de la referencia. En consecuencia, la eficiencia direccional es 5:1=5. En general, la intensidad relativa de campo y la densidad de potencia se grafican en decibelios

(dB), siendo dB log(/máx).

20 log(/máx) o bien 10

CAP 1 .PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN La figura muestra una gráfica de radiación relativa con la densidad de potencia en decibelios. En direcciones a ±45° de la referencia, la densidad de potencia es −3 dB (mitad de potencia) en relación con la densidad de potencia en la dirección de radiación máxima (0°). .

CAP 1 .PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN La figura muestra la gráfica de radiación para una antena omnidireccional. Una antena omnidireccional, o isotrópica, irradia energía en todas direcciones por igual y, en consecuencia, la gráfica de radiación es un círculo (en realidad, una esfera). También, con una antena omnidireccional no hay lóbulos frontales, traseros o laterales, porque la radiación es igual en todas direcciones

CAP 1 .PARAMETROS-DIAGRAMA DE RADIACIÓN

CAP 1 .PARAMETROS-Campos cercano y lejano Campos cercano y lejano El campo de radiación cercano a una antena no es igual que el que está a una gran distancia. Campo Cercano: El término se refiere a la gráfica de radiación cerca de una antena. • • • • •

Durante medio ciclo, se irradia potencia desde una antena, donde algo de la potencia se almacena en forma temporal en el campo cercano. Durante el siguiente medio ciclo, la potencia en el campo cercano regresa a la antena. Esta acción se parece a la forma en la que un inductor almacena y libera energía. Campo de inducción El campo cercano se define como la zona dentro de una distancia D2/ de la antena, siendo la longitud de onda y D el diámetro de la antena, en las mismas unidades.

CAP 1 .PARAMETROS-Campos cercano y lejano Campos cercano y lejano Campo Lejano: El término indica una gráfica de radiación a gran distancia. • La potencia que llega al campo lejano continúa irradiándose y alejándose, y nunca regresa a la antena. • En consecuencia, a veces al campo lejano se le llama campo de radiación. • La potencia irradiada suele ser la más importante de las dos y, en consecuencia, las gráficas de radiación son para el campo lejano

CAP 1 .PARAMETROS-Resistencia de radiación Resistencia de radiación

La resistencia de radiación es una resistencia de antena a la corriente alterna, y es igual a la relación de la potencia irradiada por la antena entre el cuadrado de la corriente en su punto de alimentación. La ecuación que define la resistencia de radiación es:

CAP 1 .PARAMETROS-Resistencia de radiación Resistencia de radiación

• No toda la potencia que se suministra a una antena se irradia. • Algo de ella se convierte en calor y se disipa. • La resistencia de radiación es un poco “irreal”, porque no se puede medir en forma directa. • La resistencia de radiación es aquella que si reemplazara a la antena disiparía exactamente la misma potencia que la que irradia la antena • La resistencia de radiación de una antena, tal como se define en la ecuación, es una cantidad ficticia en cierto sentido, porque se refiere a un punto arbitrario de la antena, que tendría distintos valores de corriente para distintos puntos de referencia

CAP 1 .PARAMETROS-Resistencia de radiación Resistencia de radiación

• La resistencia de radiación de una antena, tal como se define en la ecuación, es una cantidad ficticia en cierto sentido, porque se refiere a un punto arbitrario de la antena, que tendría distintos valores de corriente para distintos puntos de referencia. • Cuando se refiere al punto de corriente máxima, la resistencia de radiación se llama a veces resistencia de radiación de lazo, o resistencia de radiación de antinodo, porque un máximo de corriente también es un antinodo de corriente.

CAP 1 .PARAMETROS-Resistencia de radiación Eficiencia de la antena Es la relación de la potencia irradiada por ella entre la suma de la potencia irradiada y la potencia disipada, o la relación de la potencia irradiada por la antena entre la potencia total de entrada.

CAP 1 .PARAMETROS-Resistencia de radiación La siguiente figura muestra el circuito eléctrico simplificado y equivalente a una antena. Algo de la potencia de entrada se disipa en la resistencia efectiva (del suelo, corona, dieléctricos imperfectos, corrientes parásitas, etc,), y el resto se irradia

CAP 1 .PARAMETROS-Resistencia de radiación

La potencia total de la antena es la suma de las potencias disipada e irradiada. En consecuencia, en términos de resistencia y de corriente, la eficiencia de la antena es:

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia Ganancia directiva y ganancia de potencia

Ganancia Directiva: La es la relación de la densidad de potencia irradiada en una dirección particular entre la densidad de potencia irradiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas estén irradiando la misma cantidad de potencia. La ganancia directiva máxima se llama directividad. La ecuación de definición es:

CAP 1 . Definición de Decibelio El decibelio o decibel: • Símbolo dB, es la unidad relativa empleada en acústica, electricidad, telecomunicaciones y otras especialidades para expresar la relación entre dos magnitudes: la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia • Como relación de potencias que es, la cifra en decibelios no indica nunca el valor absoluto de las dos potencias comparadas, sino la relación entre ellas. • Esto permite, por ejemplo, expresar en decibelios la ganancia de un amplificador o la pérdida de un atenuador sin necesidad de referirse a la potencia de entrada que, en cada momento, se les esté aplicando.

CAP 1 . Definición de Decibelio El decibelio o decibel:

La ganancia de un dispositivo, expresada en decibelios viene dada por la fórmula:

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia Ganancia de Potencia:

Es lo mismo que la ganancia directiva, excepto que se usa la potencia total alimentada a la antena; es decir, se toma en cuenta la eficiencia de la antena. Se supone que la antena dada y la antena de referencia tienen la misma potencia de entrada, y que la antena de referencia no tiene pérdidas (=100%). La ecuación de la ganancia de potencia, Ap, es

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia Ganancia de Potencia:

Si la antena es sin pérdidas, irradia 100% de la potencia de entrada, y la ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva. La ganancia de potencia de una antena también se expresa en decibelios en relación con una antena de referencia. En este caso, la ganancia de potencia es:

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia • Para una referencia isotrópica, la ganancia de potencia en decibelios, de un dipolo de media onda, es 1.64 (2.15 dB), aproximadamente. • Se acostumbra expresar la ganancia de potencia en decibelios, cuando se refiere a un dipolo de /2 (dBd).

• Sin embargo, si la referencia es un radiador isotrópico, se mencionan los decibelios como dBi, o dB/radiador isotrópico, y es 2.15 dB mayor que si se usara un dipolo de media onda como referencia

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia • Es importante notar que la potencia irradiada de una antena nunca puede ser mayor que la potencia de entrada. • La antena no amplifica la potencia de entrada • Una antena tan sólo concentra su potencia irradiada en determinada dirección. Entonces, los puntos en donde la potencia irradiada se concentra obtienen una ganancia aparente, en relación con la densidad de potencia en esos mismos puntos si se usara una antena isotrópica.

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia • Es importante notar que la potencia irradiada de una antena nunca puede ser mayor que la potencia de entrada. • La antena no amplifica la potencia de entrada • Una antena tan sólo concentra su potencia irradiada en determinada dirección. Entonces, los puntos en donde la potencia irradiada se concentra obtienen una ganancia aparente, en relación con la densidad de potencia en esos mismos puntos si se usara una antena isotrópica.

• Si la ganancia se obtiene en una dirección, debe haber una reducción (una pérdida) de densidad de potencia en otra dirección

CAP 1 . Ganancia directiva y ganancia de potencia • La dirección a la que “apunta” una antena siempre es la de máxima radiación. • Como una antena es un dispositivo recíproco, su gráfica de radiación también es su gráfica de recepción.

• Para alcanzar una potencia capturada máxima, una antena de recepción debe apuntar en la dirección desde donde se desea recibir. • En consecuencia, las antenas de recepción tienen directividad y ganancia de potencia, exactamente como las de transmisión.

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada Potencia Isotrópica efectiva irradiada: (EIRP, por effective isotropic radiated power) se define como la potencia equivalente de transmisión y se expresa como sigue:

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada La ecuación de EIRP se puede escribir en función de la potencia de entrada y la ganancia de potencia de la antena, como sigue:

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada En conclusión

La EIRP, o simplemente ERP (de effective radiated power, potencia efectiva radiada) es la potencia equivalente que tendría que irradiar una antena isotrópica para alcanzar la misma densidad de potencia en la dirección elegida y en determinado punto, que otra antena

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada Densidad de potencia:

Para calcular la densidad de potencia en determinado punto a una distancia R de la antena transmisora, se puede incluir la ganancia de la antena, y escribir como sigue:

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada Densidad de potencia:

o en términos de ganancia directiva:

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada Para una antena transmisora con ganancia de potencia At= 10 y potencia de entrada Pent= 100 W, calcular: . (a) EIRP en watts, dBm y dBW. (b) Densidad de potencia en un punto a 10 km de la antena. (c) Densidad de potencia si se hubiera usado una antena isotrópica, con la misma potencia y eficiencia:

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada a) EIRP en watts, dBm y dBW

c) Densidad de potencia si se hubiera usado una antena isotrópica

b) Densidad de potencia en un punto a 10 km de la antena

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada Para una antena de transmisión con resistencia de radiación Rr 72 ohms, resistencia efectiva de antena Re 8 ohms, ganancia directiva D 20 y potencia de entrada Pent 100 W, calcular: (a) La eficiencia de la antena. (b) La ganancia de la antena (absoluta y en dB). (c) La potencia irradiada en watts, dBm y dBW. (d) La EIRP en watts, dBM y dBW.

CAP 1 . Potencia isotrópica efectiva irradiada (a) La eficiencia de la antena.

(b)

(c)

(d)

CAP 1 . Densidad de potencia capturada Densidad de potencia capturada

La densidad de potencia recibida o capturada por una antena es el producto de la densidad de potencia en el espacio que rodea a la antena de recepción, por su ganancia directiva:

CAP 1 . Densidad de potencia capturada Densidad de potencia capturada, es la densidad de potencia en el espacio, en W/m2, y es una cantidad algo engañosa. Lo que tiene más importancia es la potencia real, en watts, que produce una antena en sus terminales de salida; esto, naturalmente, depende de cuánta potencia captura la antena de recepción, así como de su eficiencia.

CAP 1 . Densidad de potencia capturada Área de captura y potencia capturada

Área de captura de una antena es un área efectiva: Es la cantidad de potencia que incide en, o pasa a través de cada área unitaria de una superficie imaginaria que es perpendicular a la dirección de propagación de las ondas electromagnéticas Una antena receptora expuesta al campo electromagnético tendrá inducidos en ella un voltaje y una corriente de radiofrecuencia, que producirán una potencia correspondiente de radiofrecuencia en las terminales de salida de la antena

CAP 1 . Densidad de potencia capturada Potencia capturada: Es la potencia (en watts) disponible en las terminales de salida de la antena. • La potencia capturada se puede entregar a una carga, que puede ser una línea de transmisión o los circuitos de entrada a un receptor.

• Para que aparezca la potencia capturada en las terminales de la antena, ésta debe haber capturado potencia de un espacio inmediato que la rodee. • La potencia capturada es directamente proporcional a la densidad de potencia recibida y al área de captura de la antena receptora

CAP 1 . Densidad de potencia capturada • Hay una relación obvia entre el tamaño de una antena y su capacidad para capturar la energía electromagnética

CAP 1 . Densidad de potencia capturada • Si se despeja la ganancia de la antena de la ecuación, se obtiene

La potencia capturada es tan sólo el producto de la densidad de potencia en la zona que rodea a la antena receptora, por el área de captura de esa antena. La potencia capturada se define como

CAP 1 . Densidad de potencia capturada La potencia capturada

CAP 1 . Densidad de potencia capturada Ejemplo: Calcular, para una densidad de potencia recibida de 10 W/m2 y una antena receptora con área de captura de 0.2 m2, lo siguiente: (a) Potencia capturada, en watts. (b) Potencia capturada, en dBm.

a)

b)

CAP 1 . Polarización de antena POLARIZACIÓN: Es “la polarización de la onda radiada cuando ésta se encuentra excitada”. Es decir: es la orientación del campo eléctrico que se irradia de ella. Una antena puede estar polarizada linealmente (en general, horizontal o verticalmente, suponiendo que los elementos de la antena están en un plano horizontal o en uno vertical), elípticamente o circularmente.

CAP 1 . Polarización de antena En cada punto del espacio existe un vector de campo eléctrico E(r,t); función de la posición y el tiempo. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, con el paso del tiempo, por el extremo del vector de campo eléctrico en un punto del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación

A medida que el tiempo progresa, el campo eléctrico (Ex) en un punto fijo oscila hacia arriba y hacia abajo a lo largo de una línea vertical. En este plano ortogonal al sentido de propagación se pone de manifiesto la trayectoria que describe el vector de campo eléctrico con el transcurso del tiempo.

CAP 1 . Polarización de antena POLARIZACIÓN VERTICAL Si una antena irradia una onda electromagnética verticalmente polarizada, se define a la antena como verticalmente polarizada (o polarizada verticalmente). POLARIZACIÓN HORIZONTAL Si una antena irradia una onda electromagnética horizontalmente polarizada, se dice que la antena está polarizada horizontalmente;

CAP 1 . Polarización de antena Si el campo eléctrico gira describiendo una elipse, está elípticamente polarizada;

Si el campo eléctrico gira en forma circular, está circularmente polarizada. La fig. muestra las diversas polarizaciones que se acaban de describir.

CAP 1 . Polarización de antena El sentido de giro de campo eléctrico, tanto en polarización circular como elíptica, es hacia la derecha cuando la onda se aleja del observador, rota el campo en el sentido de las agujas del reloj, y hacia la izquierda si el sentido es contrario

CAP 1 . Polarización de antena Uso de fasores: (Un fasor es un numero complejo que representa la amplitud y la fase de una senoide ) Antes de analizar los tres tipos de polarización (lineal, circular y elíptica), hay que tener presente la notación fasorial de una magnitud vectorial como es el campo eléctrico. Expresión instantánea de una cantidad escalar: E(t): campo eléctrico Eo: amplitud camp eléctrico ω: frecuencia angular [rad/s] φ: ángulo de fase respecto de la función coseno.

CAP 1 . Polarización de antena Fasor de una magnitud escalar:

Por lo tanto, el término es la expresión fasorial de la corriente. El fasor contiene información de amplitud y fase, pero es independiente del tiempo (t). Expresión instantánea de una magnitud vectorial:

CAP 1 . Polarización de antena Si se supone una onda plana que se propaga en dirección z y sólo tiene campo definido en x:

CAP 1 . Polarización de antena Fasor de una magnitud vectorial:

CAP 1 . Polarización de antena Términos de las expresiones vectoriales temporal y fasorial:

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización lineal

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización lineal En esta expresión, ambos componentes se encuentran en fase con la función de referencia coseno, pero se podría tener una expresión más general como la siguiente:

Para que la onda tenga polarización lineal, la diferencia de fase entre los dos componentes tiene que ser:

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización lineal Ejemplo de polarización lineal con los dos componentes desfasados π radianes:

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización circular La relación espacio-tiempo en una polarización circular es difícil de apreciar:

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización circular Polarización a DERECHAS:

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización circular Polarización a IZQUIERDAS (LEVÓGIRA):

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización elíptica La polarización elíptica se da cuando:

La diferencia de fase entre los dos componentes de campo ortogonales es múltiplo impar de y las amplitudes son diferentes:

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización elíptica La diferencia de fase entre los dos componentes no es igual a múltiplos de

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización elíptica La figura descrita más habitual de una polarización elíptica en el plano perpendicular al sentido de propagación es el de una elipse con tilt (inclinación):

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización elíptica Relación axial (axial ratio):

CAP 1 . Polarización de antenaPolarización elíptica La inclinación de la elipse, relativa al eje y, se representa mediante el ángulo ζ, y da

CAP 1 . Polarización de antena Abertura del haz de la antena:

La abertura (angular) del haz de una antena es la separación angular entre dos puntos de media potencia (−3 dB) en el lóbulo mayor de la gráfica de radiación de una antena, que se suele tomar en uno de los planos “principales” La abertura del haz de una antena se llama a veces ancho de haz de −3 dB, o ancho de haz de media potencia, o ancho de lóbulo.

CAP 1 . Polarización de antena La ganancia de la antena es inversamente proporcional a la abertura del haz: mientras más grande es la ganancia de una antena, la abertura del haz es menor. • Una antena omnidireccional (isotrópica) irradia por igual en todas direcciones. Por consiguiente, tienen ganancia de unidad y abertura de haz de 360°. • Las antenas normales tienen abertura de haz de 30° a 60°. • Las antenas de microondas de alta ganancia tengan una abertura de haz hasta de 1°.

CAP 1 . Ancho de banda de antena Ancho de banda de antena

El ancho de banda de una antena se define, en forma vaga, como el intervalo de frecuencias dentro del cual el funcionamiento de la antena es “satisfactorio”. • Se toma, en el caso normal, como la diferencia entre las frecuencias de media potencia (diferencia entre las frecuencias máxima y mínima de operación), pero a veces indica variaciones en la impedancia de entrada de la antena.

• El ancho de banda de una antena se expresa, también normalmente, como un porcentaje de la frecuencia óptima de operación de esa antena.

CAP 1 . Ancho de banda de antena Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias.

En antenas de banda ancha se suele especificar en la forma:

CAP 1 . Ancho de banda de antena Ejemplo:

Calcular el ancho de banda porcentual para una antena con frecuencia óptima de operación de 400 MHz, y frecuencias de −3 dB de 380 MHz y 420 MHz.

CAP 1 . Temperatura de ruido de antena Una antena recibe, además de señal, ruido. A la potencia de ruido disponible en los terminales de una antena receptora se le asocia una temperatura de ruido de la antena Ta, entendida como la temperatura a la que tendría que estar una resistencia para producir una potencia de ruido igual.

PN es la potencia de ruido disponible en bornes de la antena, B el ancho de banda, k=1,38·10-23 J/K la constante de Boltzmann, R la resistencia y VN la tensión (rms) en circuito abierto.

CAP 1 . Temperatura de ruido de antena La relación señal-ruido (S/N) de una antena receptora es el cociente entre las potencias de señal y de ruido recibidas, expresado habitualmente en decibelios. En el caso ideal de antenas y medios sin pérdidas y sin desadaptaciones resulta:

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena • La radiación de una antena es un resultado directo del flujo de corriente de RF. • La corriente va hacia la antena pasando por una línea de transmisión, que está conectada con un espacio pequeño entre los conductores que forman la antena. • El punto de la antena donde se conecta la línea de transmisión se llama terminal de entrada de la antena, o simplemente punto de alimentación

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena El punto de alimentación presenta una carga de ca a la línea de transmisión, llamada impedancia de entrada de (o a) la antena. Si la impedancia de salida del transmisor y la impedancia de entrada de la antena son iguales a la impedancia característica de la línea de transmisión, no habrá ondas estacionarias en la línea y se transmitirá una potencia máxima a la antena, potencia que será irradiada.

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena La impedancia de entrada de una antena es sólo la relación del voltaje de entrada a la antena a la corriente de entrada a la misma

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena La impedancia de entrada tiene una parte real (R(ω)) y una parte imaginaria (X(ω)); ambas dependientes de la frecuencia. Este parámetro también se ve afectado por otras antenas u objetos cercanos, pero de momento se asume que la antena se encuentra aislada.

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Rr: resistencia de radiación. Representa la potencia o energía que la antena radia hacia el espacio libre. Se define Rr como el valor de la resistencia que disiparía la misma potencia que la radiada por la antena. RΩ: resistencia de pérdidas. Representa las pérdidas que se producen en la antena, en los conductores y/o dieléctricos, aunque en las antenas de ferrita también se producen pérdidas en el núcleo. En la mayoría de antenas RΩ << Rr.

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena La potencia entregada a la antena será la suma de las dos anteriores:

XA: parte reactiva de la impedancia de entrada. Se dice que la antena es resonante a una frecuencia fo si la parte imaginaria es nula (XA = 0). Una antena presenta muchas resonancias.

La impedancia de entrada es un parámetro de gran trascendencia ya que condiciona el valor de tensión que debe suministrar el generador para obtener una corriente determinada en la antena y, en consecuencia, una potencia radiada concreta: • •

Si XA aumenta, implica el aumento de la tensión del generador para obtener una corriente apreciable. Si Rr disminuye, la corriente tiene que ser muy grande para obtener una potencia radiada apreciable.

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Ejemplo: en un sistema de radiodifusión se desea obtener una potencia radiada de 100 kW. La impedancia de entrada de la antena es 20-j100 Ω. Calcula la tensión que debe suministrar el generador.

Si se compensa la parte reactiva de la antena (XA = 0):

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Adaptación trasmisora:

de

la

antena

• Habitualmente interesa que la antena esté adaptada al generador. • De este modo la potencia del generador pasa a la antena y ésta se radia al espacio

• Si la antena no está adaptada, parte de la potencia incidente procedente del generador se refleja hacia él mismo. • Esto puede dañar las etapas de amplificación del generador si las potencias de transmisión fuesen elevadas

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Para que la antena radie el máximo de potencia con las mínimas pérdidas posibles, ambos, transmisor y antena, deben adaptarse para una transferencia de potencia máxima en el sentido clásico de circuitos.

En este caso, de toda la potencia suministrada por el generador, la mitad se disipa en la resistencia del generador y la otra mitad se entrega en la antena.

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Habitualmente el transmisor puede encontrarse alejado de la antena y la conexión se realiza mediante una línea de transmisión o guía de ondas, que participa también en esta adaptación, considerando su impedancia característica, atenuación y longitud.

Por debajo de un determinado valor, como por ejemplo ROE < 3 en los casos menos restrictivos, puede considerarse que una antena está bien adaptada. Coeficiente de onda estacionaria: ROE Є [1,∞) Coeficiente de reflexión: ρ, S11 Є [-1,1] Adaptación perfecta: ρ = 0 ; ROE =1 Desadaptación total: |ρ| = 1 ; ROE =∞

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Donde ZL es la impedancia de antena y Z0 la impedancia de referencia

CAP 1 . Impedancia de entrada a la antena Coeficiente de desadaptación de impedancias en transmisión: El coeficiente de desadaptación de impedancias de una antena transmisora (CaT) establece la relación entre la potencia que se entrega a la antena (PAN) y la potencia que se hubiera podido entregar si ésta hubiera estado perfectamente adaptada en condiciones de máxima transferencia de potencia (PAMAX):

CAP 1 . RESUMEN Parámetros de la antena en transmisión

Parámetros de la antena en Recepción

Impedancia de entrada

Impedancia en recepción

Intensidad de radiación

Eficiencia

Diagrama de radiación

Área efectiva

Directividad

Longitud efectiva

Ganancia

Coeficiente de desadaptación de polarización

Polarización

Ancho de banda

Eficiencia

Temperatura de antena. Ruido de antena

Ancho de banda

CAP 1 . RESUMEN Los parámetros introducidos son útiles para realizar un balance de potencias y ver cómo cada uno de ellos afecta en la ecuación que relaciona la potencia transmitida por una antena y recibida por otra. La adaptación de una antena y su eficiencia de radiación determinan cuánta potencia se radiará en el espacio (por reciprocidad, cuánta se recibe del espacio y se entrega el receptor). El diseño de la antena determina su adaptación, que puede complementarse tanto con redes de adaptación o con elementos discretos (ej.: bobina y condensadores) y/o distribuidos (ej.: líneas de transmisión).

CAP 1 . RESUMEN El concepto de directividad indica la capacidad de una antena para concentrar la radiación, tanto la que se radia en el espacio como la que se recibe En aquellas aplicaciones donde no se sabe dónde está localizado un emisor, se suele utilizar antenas de poca directividad como es el caso de antenas de radiodifusión comercial (FM). En caso de que de tener un receptor fijo, la antena suele tener más directividad como por ejemplo, las antenas de TV utilizadas en los tejados de los edificios.