Comunicaciones Inalámbricas

Transcripción

1 Comunicaciones Inalámbricas Revisión de Conceptos Básicos de Antenas y Propagación Iván Bernal, Ph.D. imbernal@mailfie.epn.edu.ec Escuela Politécnica Nacional Quito Ecuador I. Bernal Agenda Visión general de antenas Algunos tipos de antenas Parámetros de las antenas Mecanismos de propagación Desvanecimiento 2 1

2 Bibliografía W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd Edition, Prentice Hall, 2005, T.S. Rappaport, "Wireless Communications: Principles & Practice", First Edition, Prentice Hall, Antti V. Raisanen, Arto Lehto, Radio Engineering for Wireless Communication and Sensor Applications, Artech House, Boston USA, ISBN Antenas Un conductor o sistema de conductores utilizados para radiar o recolectar energía electromagnética. Para transmitir una señal, la antena transforma energía eléctrica del transmisor en energía electromagnética, la cual es radiada en el ambiente circundante (atmósfera, espacio, agua). Para recepción de una señal, la energía electromagnética que llega a la antena se convierte en energía eléctrica y se alimenta al receptor. En comunicaciones de dos vías, la misma antena puede usarse tanto para transmisión como para recepción. Las antenas son dispositivos recíprocos. Las características de una antena son las mismas tanto para trasmitir como para recibir energía electromagnética. Una antena es igual de eficiente transfiriendo energía del medio circundante hacia los terminales de entrada de su receptor, que transfiriendo energía de los terminales de salida de su transmisor hacia el medio circundante (a la misma frecuencia). 4 2

3 Antenas 5 Antenas Una antena puede radiar energía en todas las direcciones pero no lo hace de manera uniforme en todas las direcciones. Patrones de radiación Representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena como una función de las coordenadas espaciales. El patrón de radiación más simple corresponde a la antena isotrópica (ideal). Es un punto en el espacio que radia potencia de manera uniforme en todas las direcciones. El patrón de radiación real sería una esfera (3D), con la antena en el centro de la esfera. Lo común es representar un corte transversal (2D) del patrón 3D. 6 3

4 Antenas 7 Patrones de radiación Antenas La distancia desde la antena a cada punto del patrón de radiación es proporcional a la potencia radiada por la antena en esa dirección. El tamaño real de un patrón de radiación es arbitrario. Lo importante es la distancia relativa desde la antena en cada dirección. La distancia relativa determina la potencia relativa. Para determinar la potencia relativa en una dirección dada, se dibuja una línea desde la posición de la antena (considerando el ángulo apropiado) y el punto de intercepción con el patrón de radiación. En la figura se comparan dos ángulos de transmisión: A y B. La antena isotrópica produce un patrón de radiación omnidireccional. Los vectores A y B son de igual longitud. 8 4

5 Antenas Patrones de radiación La figura presenta el patrón de radiación de otra antena ideal. La antena es direccional. La dirección de radiación preferida está a lo largo de uno de los ejes. Comparando las direcciones de transmisión A y B, se nota que el vector B es mas grande que el A, lo que indica que se radiará mas potencia en la dirección de B. Las longitudes relativas de A y B son proporcionales a la cantidad de potencia radiada en las dos direcciones. 9 Patrones de radiación Antenas La congestión del espectro radioeléctrico, debido al creciente número de usuarios y aplicaciones, impone requerimientos estrictos para las antenas. Se ha desarrollado un gran número de estructuras de antenas para diferentes frecuencias y aplicaciones. 10 5

6 Antenas 11 Patrones de radiación Antenas Los patrones de radiación permiten determinar el ancho del haz de radiación de una antena, que es una medida de su directividad. Se conoce también como el ancho del haz de media potencia. En transmisión, es el ángulo dentro del cual la potencia radiada por la antena es al menos la mitad de la potencia radiada, en la dirección preferida. En recepción, la sección mas grande del patrón de radiación indica la mejor dirección para recepción. La mayor cantidad de potencia radiada en una dirección es a expensas de la radiada en otras direcciones. En general, antenas de alta ganancia dirigen la energía de forma mas precisa y concentrada. Antenas de baja ganancia dirigen su energía en un patrón mas amplio, mas ancho. Se debe llegar a compromisos: si se desea un rango máximo, se debe sacrificar cobertura. 12 6

7 A las antenas (reales) se las clasifica generalmente como direccionales y omnidireccionales. Las antenas deben transferir la potencia de forma eficiente, para lo cual se requiere una alineación adecuada de la antena (polarización) y un adecuado acoplamiento de impedancias: Se debe acoplar adecuadamente la línea de transmisión a la antena, para que ésta transfiera la mayor cantidad de potencia a la antena, evitando que se disipe energía en la línea y conectores o que la misma línea radie la energía. 13 Ejemplos de antenas para WLANs 14 7

8 Ejemplos de antenas para WLANs (de Cisco) 15 Antenas para WLANs de Cisco (Bridges 1400 a 5 GHz) 16 8

9 Dipolos Dipolo de media onda (half-wave dipole) Conocido como antena HERTZ. Consiste de dos conductores rectos colineales de igual longitud, con un pequeño espacio de separación entre los conductores. La longitud de la antena es la mitad de la longitud de onda de la señal (½ λ) que pueda transmitirse de forma mas eficiente. Tiene un patrón de radiación omnidireccional en una dimensión y la forma de un 8 en las otras dos dimensiones. 17 Dipolos Patrón horizontal es omnidireccional 18 9

10 Dipolos 19 Dipolos 20 10

11 Antena vertical de cuarto de onda (quarter-wave vertical antenna) Conocido como antena MARCONI. Utilizada frecuentemente para los radios de los automóviles y radios portátiles. 21 Antena Reflectiva Parabólica Se utiliza para aplicaciones de microonda terrestre y satelitales. Recibe el nombre de parábola el conjunto de puntos (P), tales que su distancia a una recta fija llamada directriz, es igual a su distancia a un punto fijo llamado foco. Es el conjunto de puntos en los que la relación de distancias entre P al foco y P a la directriz es constante, y dicha relación además es igual a uno. P1F/P1L=P2F/P2L = 1 Es decir que satisfacen la ecuación PF = PL 22 11

12 Antena Reflectiva Parabólica Si una parábola gira alrededor de su eje, la superficie generada se denomina un paraboloide. 23 Antena Reflectiva Parabólica Si se ubica una fuente de energía electromagnética en el foco de la parábola, y si la superficie del paraboloide es reflectiva, entonces las ondas reflejadas son paralelas al eje de la parábola. El haz paralelo en realidad presenta dispersión porque el foco no es un solo punto. Para recepción, las ondas que viene paralelas al eje, al incidir en la superficie del paraboloide, se reflejan y se concentran en el foco

13 Antena Reflectiva Parabólica La figura presenta un patrón de radiación típico para una antena parabólica. 25 Antena Reflectiva Parabólica En la tabla se presentan el ancho de los haces de radiación para antenas parabólicas de diferente diámetro, a una frecuencia de 12 GHz. Nótese que a mayor diámetro se obtiene mayor direccionalidad. Diámetro de la antena (m) Ancho del Haz (grados)

14 Arreglo Yagi-Uda Cualquier elemento que se añade al dipolo básico de media longitud de onda se denomina elemento pasivo y no está conectado eléctricamente al dipolo. Directores (elemento pasivo): Alteran la directividad para que la ganancia se mejore al frente del dipolo. Mientras mas directores la antena es mejor en captar señales de la fuente y rechazar señales de otros ángulos. Un nuevo director es cada vez menos efectivo. El espaciamiento entre los directores, el diámetro de los conductores, el espacio entre el primer director y el dipolo son de importancia. La longitud de los directores determina el ancho de banda, suelen ser del 75% de la longitud del dipolo. 27 Arreglo Yagi-Uda Reflector (elemento pasivo): Refleja las señales que vienen por el lado de atrás del dipolo mejorando la ganancia adelante

15 Antenas Patch Un poco mas complicadas que los dipolos. Se fabrican usando dos placas paralelas de metal, formando un sándwich con un aislante en la mitad. 29 Ganancia Ancho de banda Ancho del haz (beamwidth) Polarización Potencia Parámetros de las Antenas 30 15

16 Ganancia de una antena Parámetros de las Antenas Es una medida de la direccionalidad de una antena. No se refiere a obtener mayor potencia de salida que una potencia de entrada. Es esencialmente una medida de cuan bien la antena concentra la energía radiada en una dirección particular. Se define como la potencia de salida, en una dirección particular, comparada a la producida por una antena isotrópica (ideal). Una ganancia de 3 db indica que la antena en estudio, en una dirección dada, es mejor que la isotrópica en un factor de 2. Se mide en dbi y dbd. Respecto al radiador isotrópico o un dipolo. 0 dbd equivalen a 2.14 dbi. Para convertir una ganancia en dbd a dbi, se añade Ganancia de una antena Parámetros de las Antenas 32 16

17 Ganancia de una antena Área efectiva Parámetros de las Antenas Está relacionada al tamaño físico de la antena y su forma. Se basa en asumir una antena ideal en la que la radiación incidente sobre un área efectiva es absorbida y transferida al receptor (sin re-radiación). Esta antena ideal absorbe tanta energía como la antena real. Otra forma de ver este concepto: Es el área que cuando multiplicada por un flujo de energía incidente (promediado en el tiempo), nos entrega la máxima potencia recibida por la antena. Para la antena isotrópica ideal, que es un punto, de que área se habla? A e 2 λ = = 4π Área del círculo con radio '2 πλ ' λ ' λ = λ 2π 33 Ganancia de una antena Parámetros de las Antenas Área efectiva Para una antena alargada que puede parecer esencialmente unidimensional, de que área se habla? El concepto de área efectiva indica que posee una segunda dimensión determinada por λ Para la antena de media longitud de onda A e λ λ 1.64λ λ = = = 4π 2 2π 2 ( 0.26λ) Un rectángulo con una de las dimensiones igual a la longitud física de la antena y la otra de aproximadamente λ/4. La relación entre ganancia y A e para cualquier antena es: 34 17

18 Ancho de banda Parámetros de las Antenas Es la banda de frecuencias en la cual el performance de la antena se considera aceptable. Mientras mayor es el rango de frecuencia que abarca una banda, mayor debe ser el ancho de banda de la antena. Si se diseña una antena para un gran ancho de banda, generalmente no tendrá tan buen comportamiento como una antena similar optimizada en un ancho de banda mas pequeño. 35 Ancho del haz (beamwidth) Parámetros de las Antenas Es una medida para describir antenas direccionales. Se le suele llamar ancho del haz de media potencia. Es el ancho total en grados, sobre el lóbulo de radiación principal, medidos en los puntos en los que la potencia radiada ha disminuido 3 db respecto a la dirección de la línea central del lóbulo

19 Parámetros de las Antenas Polarización Las ondas de radio están constituidas por dos campos: el eléctrico y el magnético. Estos campos son perpendiculares entre si. La combinación de los dos es el campo electromagnético. La polarización viene definida por la trayectoria que describe el vector de campo eléctrico (o magnético) cuando se observa en el sentido de propagación de la onda. Forma fácil de visualizar: La posición y dirección del campo eléctrico con referencia a la superficie de la tierra determina la polarización de la onda. Polarización Horizontal: el campo eléctrico es paralelo a tierra. Polarización Vertical: el campo eléctrico es perpendicular a tierra. Normalmente, dos antenas que forman un enlace deben colocarse para tener la misma polarización. 37 Parámetros de las Antenas Polarización Polarización lineal: las variaciones del vector de campo eléctrico están contenidas una única dirección. Polarización circular: el vector de campo eléctrico describe una trayectoria circular. Si rota en el sentido de las agujas del reloj, la polarización es de mano derecha. (righthanded) Si lo hace en sentido contrario, la polarización es de mano izquierda ( left-handed). Polarización elíptica: el vector de campo eléctrico describe una trayectoria elíptica. Se puede distinguir entre polarización elíptica de mano derecha e izquierda

20 Parámetros de las Antenas Polarización cruzada (Cross-Polarization) Cuando dos antenas no tienen la misma polarización. Si se tienen dos antenas, ambas con polarización lineal, pero una tiene polarización vertical y la otra polarización horizontal. Una antena que use polarización circular de mano derecha no podrá recibir una onda polarizada circularmente de mano izquierda. A veces es beneficiosa. Por ejemplo, suponer que las antenas de un enlace A tienen polarización cruzada con las antenas de un enlace B. Los enlaces A y B son dos enlaces diferentes, ubicados cerca uno del otro, pero no es la intención que se comuniquen entre ellos. En este caso, el hecho que los enlaces A y B tengan polarización cruzada es beneficioso, porque esto previene o reduce la posibilidad de interferencia entre los enlaces. 39 Polarización Parámetros de las Antenas 40 20

21 Parámetros de las Antenas Polarización 41 EIRP Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) Potencia Isotrópicamente Radiada Efectiva (PIRE) Es la potencia equivalente de una señal transmitida en términos de un radiador isotrópico. EIRP es la suma de la potencia de transmisión y la ganancia de la antena (menos la pérdida en los cables y acoplamiento). Es el producto Pt.Gt Se expresa en watts (W). Para un valor de potencia transmitida Pt,el PIRE aumenta con la ganancia de la antena transmisora Gt