Curso de Operadores de Emergencia FUNDAMENTOS DE PROPAGACIÓN N Y ANTENAS

Transcripción

1 Curso de Operadores de Emergencia FUNDAMENTOS DE PROPAGACIÓN N Y ANTENAS Esteban Andrés s Asenjo Castruccio XQ7UP Santiago, 01 y 08 de Agosto de 2009 xq7up@psk.cl

2 Introducción Mensaje Código Emisor Canal Receptor

3 Introducción Emisor: Es quien emite el mensaje, puede ser o no una persona. Receptor: Es quien recibe la información. n. Canal: Es el medio físico f por el que se transmite el mensaje. Código: Es la forma que toma la información que se intercambia entre la Fuente (el emisor) y el Destino (el receptor). Mensaje: Es lo que se quiere transmitir.

4 Introducción Nuestro escenario.

5 Capitulo I Conceptos Preliminares

6 Medios de Comunicación Camino físico f entre transmisor y receptor por el que viajan las señales en forma de ondas electromagnéticas. ticas. Guiados o Cableados Par Trenzado/Paralelo Cable Coaxial Fibra Óptica No Guiados o Inalámbricos Microondas Terrestre Satélite Radio Infrarrojos

7 Definición Una onda es una perturbación n de alguna propiedad de un medio, que se propaga a través s del espacio transportando energía. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal o el vacío, y las propiedades que sufren la perturbación n pueden ser también n variadas, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético.

8 Clasificación Onda Mecánica Necesitan de un medio elástico (sólido, líquido l o gaseoso) para propagarse. Onda Gravitacional Es una ondulación n del espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. Onda Electromagnética. tica. Se propagan por el espacio sin necesidad de un medio pudiendo, por tanto, propagarse en el vacío.

9 Onda Mecánica

10 Onda Electromagnética tica Campo Eléctrico E r Campo Magnético H r

11 Propagación Velocidad de Propagación km/s (en el vacío Símbolo c) Velocidad no alcanzable por ningún n otro movimiento en la naturaleza. Cuando atraviesa otros medios la velocidad es menor.

12 Velocidad de Propagación Sustancia Aire Agua Hielo Vidrio Diamante Velocidad de la Luz km/s km/s km/s km/s km/s

13 Frecuencia Es una medida para indicar el número n de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo. Su unidad de medida es el Hertz (ciclos/seg seg). Un Hertz es aquel suceso o fenómeno repetido una vez por segundo. Símbolo f.

14 Amplitud Es la distancia desde el punto más m s alto de la onda (desde el pico) hasta la base de la onda (el eje horizontal de equilibrio). Sus unidades dependen del tipo de onda: Metros (mecánicas) Pascales o en decibelios (acústicas) Voltios/metros (electromagnéticas) ticas)

15 Longitud de Onda Es la distancia entre dos crestas consecutivas. En otras palabras describe lo larga que es la onda. Se representa por el símbolo s griego λ.

16 Parámetros

17 Desplazamiento de una Onda

18 Espectro Electromagnético tico Las ondas electromagnéticas ticas se clasifican según n su frecuencia formando el Espectro Electromagnético. tico. Es un conjunto de ondas desde las ondas de radio hasta los rayos Gamma.

19 Espectro Electromagnético tico

20 Radiofrecuencia Espectro de radiofrecuencia o RF. Segmento: 3 Hz ~ 300 GHz. Las ondas electromagnéticas ticas de esta región del espectro se pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un generador a una antena. Características: Se difracta Se reflejan Viajan a la velocidad de la luz

21 Clasificación n de Bandas

22 Aplicación n de la RF La radiofrecuencia RF es el medio de transporte de la audiofrecuencia AF. A esta acción n se le llama Modulación.

23 Sistema de Transmisión n BásicoB

24 Capitulo II Antenas

25 Definición Es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas ticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, ticas, y una receptora realiza la función n inversa.

26 Definición

27 Parámetros de una Antena Diagrama de Radiación n (Patrón n de Radiación) Es la representación n gráfica de las características de radiación n de una antena en las distintas direcciones del espacio. Vertical Horizontal

28 Parámetros de una Antena

29 Parámetros de una Antena Ancho de Banda Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Directividad Es la relación n entre la densidad de potencia radiada en la dirección n de máxima m radiación, a una cierta distancia r y la potencia total radiada dividida por el área de la esfera de radio r.

30 Parámetros de una Antena Ganancia Es el aumento de la potencia radiada y/o recibida por una antena en una dirección n determinada comparada con la potencia radiada en la misma dirección n por una antena estándar. Se mide en decibel (db( db). dbi dbd G(dBb) ) = G(dBi) - 2,14 0 db = Sin ganancia. +3 db = doble de ganancia. +10 db = 10 veces la ganancia.

31 Parámetros de una Antena Impedancia de Entrada Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación n entre la tensión n y la corriente de entrada. Impedancia = Resistencia + Reactancia (C+L) Antena Resonante: Reactancia = 0 Máxima Transferencia de Potencia.

32 Parámetros de una Antena Anchura del Haz Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación.

33 Parámetros de una Antena

34 Parámetros de una Antena Polarización Es la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. Lineal Horizontal Vertical Circular y Elíptica Derecha Izquierda

35 Relación n de Onda Estacionaria Es una medida de la energía a enviada por el transmisor que es reflejada por el sistema de transmisión n y vuelve al transmisor. No es lineal. Se considera que un ROE máximo m de 1,5 es un límite l de seguridad aceptable. Un ROE 1,5 equivale a un 4% de reflexión.

36 ERP Potencia Radiada Efectiva Es la potencia suministrada a la antena por el transmisor, aumentada por la ganancia de la antena en una dirección n dada y disminuida por las pérdidas p en el camino de TX. Usualmente se hace referencia a la antena dipolo (dbd( dbd).

37 ERP Ejemplo: Potencia a la salida Transmisor: 44 dbm (25 W) Pérdidas Conectores: -1 db Pérdida Línea de TX: -3 db Ganancia de la Antena: 10 dbd ERP: 50 dbm(100 W)

38 Antena Dipolo Longitud Física F = Media Onda (λ/2)( Impedancia 73 Ω

39 Antena Dipolo Radiación Bidireccional Polarización Horizontal Omnidireccional Ganancia Unitaria

40 Antena Dipolo

41 Antena Dipolo

42 Antena Dipolo Multibanda Múltiples Dipolos de Media Onda (λ/2)( Alimentación n Común

43 Antenas de Hilo Largo Longitud Física F = n x Media Onda (λ/2)(

44 Antenas Verticales Radiación: Omnidireccional Polarización: Vertical Ganancia: 3 ~ 12 dbi

45 Monopolo Simple Longitud Física: F λ/4 Radiación: Omnidireccional Polarización: Vertical

46 Antena Discono D θ L λ (m) = 300/F L (MHz) D = 0,175 λ L = 0,250 λ θ 30 º

47 Antenas con Elementos Parásitos

48 Antenas Yagi Radiación: Direccional Polarización: Vertical/Horizontal Ganancia: 3 ~ 18 db

49 Antenas Yagi

50 Antenas Colineales

51 Antenas Parabólicas Se trata de un Reflector Parabólico en cuyo foco se instala el elemento radiante. Lóbulo de Radicación n Estrecho (H/V). Alta Ganancia. Se utiliza en bandas de UHF y SHF principalmente para seguimiento de Satélites.

52 Antenas Parabólicas

53 Antena Panel Radiación: Direccional Polarización: V/H Alta Ganancia

54 Antenas Sectoriales Radiación: Sectorial Polarización: H Alta Ganancia

55 Capitulo III Líneas de Transmisión

56 Líneas de Transmisión Medio de Transmisión n Guiado Transportan la señal desde el Transmisor a la Antena y viceversa. Se dividen en 3 Grupos: Bifilares Coaxiales Guía a de Ondas

57 Bifilares Consiste en dos hilos conductores paralelos separados por un material dieléctrico. La impedancia depende de la separación n y radio de los conductores.

58 Bifilares Ventajas Bajo nivel de perdidas. Cualquier impedancia. Desventajas Existe radiación n a lo largo de la línea. l (Campos) Captan ruidos eléctricos.

59 Coaxial Coaxial Consiste en dos conductores concéntricos. ntricos. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable.

60 Coaxial

61 Coaxial Ventajas Se utiliza para Alta Frecuencia Gran Ancho de Banda. No percibe interferencias electromagnéticas. ticas. Pocas perdidas. Desventaja Alto costo.

62 Guía a de Ondas Guía a de Ondas Es cualquier estructura física f que guía a ondas electromagnéticas. ticas. Se utiliza en conducción n de Microondas.

63 Parámetros de una Línea L de TX

64 Conectores

65 Capitulo IV Propagación n de RF

66 Propagación n en el Vacío

67 Conceptos Previos Refracción Es el cambio de dirección n que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro.

68 Conceptos Previos Reflexión Es el cambio de dirección n de una onda que ocurre en la superficie de separación n entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.

69 Conceptos Previos Dispersión Efecto que ocurre cuando una Onda atraviesa una masa de electrones o gotas de agua en un área suficientemente grande. Depende de la comparación n Longitud de Onda Diámetro de la Gota de Lluvia. Si el diámetro es menor que λ la atenuación n es menor. Este fenómeno afecta principalmente Ondas de Alta Frecuencia.

70 Definición n de Propagación Conjunto de fenómenos físicos f que conducen a las ondas de radio con el mensaje del transmisor al receptor. Modos de Propagación: Propagación n Ionosférica. Propagación n Troposférica. rica. Propagación n por Onda de Superficie.

71 Capas de la Atmosfera

72 Ionosfera Se extiende de los 85 a 700 Km. de altura. Contribuye esencialmente en la reflexión n de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre posibilitando que éstas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra, gracias a las partículas de iones (cargadas de electricidad) presentes en esta capa.

73 Sub Capas de la Ionosfera Dependiendo del grado de ionización n de cada nivel de altura pueden encontrarse picos de ionización n en capas denominadas "D," "E," "F1," y "F2. El grado de ionización n es producido directamente por la acción n solar. Una actividad anómala del Sol puede alterar las propiedades de la ionosfera y su capacidad de reflejar las ondas de radio terrestre

74 Sub Capas de la Ionosfera

75 Sub Capas de la Ionosfera Capa D: Capa de Absorción. Situada entre 50 y 80 Km. de altura. Sólo aparece durante el día d a y es sumamente absorbente para frecuencias por debajo de unos 10 MHz., protegiendo la superficie terrestre de gran parte de la radiación n espacial. Sus características varían an según n el número n de manchas solares o las variaciones del campo magnético terrestre.

76 Sub Capas de la Ionosfera Capa E: Capa de Gas Ionizado. Situada entre 90 y 150 Km. de altura. Refleja ondas de radio de frecuencia media (MF). Varia según n las horas del día: d Día: Mas cercana a la tierra. Noche: Mas lejana a la tierra Consecuencia: Distancia de Propagación.

77 Sub Capas de la Ionosfera Capa F: Caracterizada por su capacidad de reflectar las ondas electromagnéticas ticas de una determinada frecuencia que la atraviesan. Situada entre 300 y 500 Km. de altura. Las ondas deben tener: Una frecuencia inferior a 10 MHz. Una frecuencia superior a 3 MHz. Se pueden conseguir propagaciones de hasta 4000 Km. por cada salto.

78 Sub Capas de la Ionosfera

79 Modos de Propagación

80 Propagación n por Onda Directa Línea vista entre TX y RX. Se utiliza en frecuencias sobre 50 MHz. Son menos afectadas por fenómenos atmosféricos. Dimensión n de antenas.

81 Propagación n por Onda Directa

82 Propagación n por Onda Terrestre Se produce gracias a la Dispersión. La Onda de RF sigue la curvatura de la Tierra. Puede alcanzar grandes distancias. Se utiliza en frecuencias bajas (LF MF - HF).

83 Propagación n por Onda Terrestre

84 Propagación n por Onda Refractada Propagación n Ionosférica. La Ionosfera actúa a como un gran Reflector. Se utiliza en frecuencias de HF. La onda es reflejada y regresa a la Tierra. Puede alcanzar 4000 Km. No se requiere que TX y RX tengan Línea L Vista. La Onda puede reflejarse varias veces.

85 Propagación n por Onda Refractada Depende: Frecuencia de uso. Nivel de Iotización n de la Atmósfera.

86 Propagación n por Onda Refractada

87 Propagación n por Onda Difractada Se produce para frecuencias sobre 30 MHz. Las ondas no son reflejadas por la Ionosfera. La Onda es Difractada. Solo una pequeña a parte de la señal regresa a la Tierra. Receptor de alta sensibilidad. Es poco utilizada debido a la baja eficiencia.

88 Propagación n por Onda Difractada

89 Propagación n Troposférica rica Cuando se produce la inversión n del gradiente de Temperatura, se generan los denominados Canales de Ionización. n. Condiciones ideales para propagación n de Ondas de Radio. Se produce para las bandas de VHF y UHF.

90 Propagación Troposférica rica

91 Propagación n Espacial La Onda es reflejada en objetos localizados al exterior de la Atmosfera. Existen dos tipos: Reflexión n en la Luna. Reflexión n en Satélites Artificiales. Satélites Artificiales: Pasivos: Reflejan la onda a la Tierra. Activos: Reciben la señal y la Amplifican.

92 Propagación n Espacial

93 Zonas de Silencio También n conocida como Zona de Skip. Es un área alrededor del transmisor que no es alcanzada por la Onda Ionosférica, la Espacial o la Terrestre, por lo tanto en ella no se reciben las señales del trasmisor.

94 Zonas de Silencio

95 Desvanecimiento También n conocido como Fading. Es la variación n de la intensidad de una Onda de Radio. Posible Causa: Que varíen las condiciones físicas f del medio por el cual viajan las señales. Que lleguen al receptor distintas "copias" de la señal recorriendo múltiples caminos (multipath( multipath). Que se produzcan reflexiones en objetos que están n en movimiento. Que el trasmisor y o el receptor estén n en movimiento y los caminos de la señal estén n variando con el tiempo. Que se atenúen algunas frecuencias mientras que otras inmediatamente cercanas no deformando las señales (desvanecimiento selectivo).

96 MUF Frecuencia Máxima M Utilizable. Es la máxima m frecuencia que puede utilizarse para establecer una comunicación n entre dos puntos, utilizando la Propagación n por Reflexión n Ionosférica.

97 LUF Frecuencia Mínima M Utilizable. Es la mínima m frecuencia que puede utilizarse para establecer una comunicación n entre dos puntos, utilizando la Propagación n por Reflexión n Ionosférica.

98 FOT Frecuencia Optima de Transmisión. n. Es una frecuencia situada aproximadamente un 15 % por debajo de la MUF. Provee una señal intensa y estable.

99 Capitulo V Radio Enlace

100 Elementos de un Radio Enlace

101 Radio Enlace Práctico

102 Curso de Operadores de Emergencia FUNDAMENTOS DE PROPAGACIÓN N Y ANTENAS Esteban Andrés s Asenjo Castruccio XQ7UP Santiago, 01 y 08 de Agosto de 2009 xq7up@psk.cl