Ing. Adrián Darío Rosa

Transcripción

1 1 Tecnología de las Comunicaciones Antenas Se define como antena a todo aquél dispositivo que permite adaptar o acoplar el transmisor o el receptor al espacio libre. Radiador isotrópico Es una antena ideal que radia igualmente en todas direcciones de una esfera en cuyo centro se encuentra dicha antena. También se la denomina fuente puntual. Radiador omnidireccional Es el caso típico de un cable extendido (antena vertical). Radia en el plano transversal en todas direcciones. Ing. Adrián Darío Rosa El esquema de una antena vertical (conductor rectilíneo) en un sistema de coordenadas es el sig., donde la radiación es igual en todas las direcciones del plano horizontal. 1

2 Intensidad de la radiación Se define como la potencia transmitida por unidad de área, según el gráfico sig. También se la denomina intensidad de potencia. P Matemáticamente se define: I = = S r. El flujo de energía electromagnética, se puede representar mediante un S vector en la dirección del movimiento de la energía y cuyo módulo es la intensidad de la radiación o también llamada densidad de potencia. El vector en cuestión se denomina vector de Poynting. Ganancia de una antena Un radiador isotrópico radia igualmente en todas las direcciones, (el vector de Poyting es uniforme), es decir con igual módulo en todas las direcciones. Mientras que las antenas reales, en cambio, radian en forma desigual, es decir que el valor del vector de Poynting, depende de la dirección de la radiación. Dependerá del ángulo de acimut y de elevación (colatitud).por lo tanto es necesario definir un parámetro que tenga en cuenta cómo cambia la intensidad de la radiación según la dirección. La definición matemática es: Sr (,, θ ϕ) G(, θϕ) = S r Ing. Adrián Darío Rosa is( ) Diagrama de radiación Se trata de un gráfico en coordenadas polares, en el cual se lleva el módulo del vector de Poynting en un determinado plano. En general se lo realiza en un plano transversal a la antena, pero también suele hacérselo en el plano que contiene a la antena. Por ejemplo para la antena omnidireccional que comentamos antes, tendré un diagrama en forma de circunferencia en el plano transversal a la antena, mientras que si tomáramos el plano que contiene a la antena, deberá ser nula en los extremos y tener un máximo en los 90, es decir en dirección perpendicular a la antena. Analicemos el caso de un dipolo.

3 3 Veamos como queda el diagrama de radiación en el plano x y. Si analizamos según el plano z y, queda lo sig.: Máximo del diagrama S( r,0,ϕ ) Se trata en ambos casos del típico diagrama en forma de 8 del dipolo (antena más común). En realidad interesa el valor máximo de la ganancia, por lo que se define la ganancia máxima o también llamada ganancia a secas. Es decir que cuando se habla de ganancia, en general nos referimos a la ganancia máxima. Por lo tanto el valor máximo del vector de poynting, será: Smá x= S( r, 0, ϕ ). También definimos lo que llamamos puntos de potencia mitad. Son los puntos para los cuales el valor del vector de Poynting cae a la mitad, es decir 3dB. Ing. Adrián Darío Rosa 3

4 4 S(r;θ 1/; ϕ)=1/s(r;0;ϕ)=1/s máx En general cuánto más angosto es el diagrama (menor ángulo de potencia mitad), se dice que la antena es más directiva, con lo cual tiene más ganancia, pero a su vez es más filosa. Es decir, los ángulos de potencia mitad son más reducidos. Por ejemplo, las antenas del tipo yagi son muy directivas, además radian casi en un único sentido, por lo que para evaluarlas, también de define la relación frente espalda, para tener en cuenta la relación entre lo que radia hacia delante, respecto de lo que radia hacia atrás. A modo de ejemplo graficamos a continuación algunos de los diagramas típicos. La antena Yagi, que recién mencionamos, es una antena de varios elementos, un diagrama típico pictórico de ella es: Reflector Irradiante Director Vale la pena aclarar que la antena isotrópica tiene una ganancia de 0dB, es decir que no gana nada. Un dipolo gana 3dB. A continuación, se ve algunos diagramas con las ganancias correspondientes según la longitud de onda. Cálculo del vector de Poynting P El vector de Poynting para un radiador isotrópico es S = 4 π r, donde 4 πr es el área de la esfera. Por lo tanto se observa que la densidad de potencia, se reduce con el cuadrado de la distancia. Esto es lógico, ya que idealmente, el flujo de potencia debe ser uniforme, mientras que el área aumenta, de manera que el vector de Poynting debe disminuir. De esta manera: S 1 r =.Esta es la llamada ley de la inversa de los cuadrados Ing. Adrián Darío Rosa S r1 4

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6 6 S Vector de Poynting y ganancia De la definición de ganancia de una antena que vimos anteriormente, se observa que puede escribirse Sr (, 0, ϕ) = Gr (, 0, ϕ) Sis( r), es decir que el vector de Poynting se ve amplificado por la ganacia de la antena. Todo ocurre como si se radiara una mayor potencia. Por supuesto, intervienen las ganancias tanto del sistema irradiante como de la anterna receptora. Por lo tanto, el PGG i t r valor de la densidad de potencia en la antena receptora será: Sr = 4, donde A representa la atenuación πra producida por efectos diversos. El vector de Poynting se atenúa por la expansión de las ondas, es decir por el aumento de la distancia por el efecto de la propagación. El módulo del vector de Poynting expresado en dbm, resulta: Sr( dbm) = Pi( dbm) + Gt( db) + Gr( db) 10log( 4π ) 10log r A( db), de manera que operando resulta: Sr( dbm) = Pi( dbm) + Gt( db) + Gr( db) 11dB 0 log r A( db) Radioenlace Se denomina radioenlace a todo sistema de comunicaciones que permite conectar dos puntos determinados por aire. Otra forma más conveniente de expresar la ganancia de la antena receptora es a través de la llamada área efctiva de la antena. Este parámetro tiene que ver con la potencia que colecta la antena y viene tabulada para cada tipo de antena. No siempre tiene que ver con el área geométrica de la antena. Por ejemplo, un dipolo no tiene área geométrica, pero sí área efectiva, de manera que P r = SrAef ( ). Podrá expresarse entonces la potencia recibida del sig. modo: Pr = P t r GA t ef. Usualmente se la expresa en dbm, 4π por lo que transformaremos a la anteriror de modo que quede: Aef Ing. Adrián Darío Rosa P( r dbm) = Pt( dbm) + Gt( db) + ( db) 4πr P r( dbm) = Pt( dbm) + Gt( db) + 10log Aef 10log( 4πr ) P r( dbm) = Pt( dbm) + Gt( db) + 10log Aef+ 10log( 4π) + 0log r 6

7 7 Donde suele hacerse Ls = 10log( 4π ) + 0log r, llamándola atenuación del espacio libre. Sin embargo para obtener la atenuación total habría que considerar la introducida por el medio. Adoptamos entonces como expresión general completa para el cálculo dl radioenlace a: P r( dbm) = Pt( dbm) + Gt( db) Ls( db) A( db). Fenómenos que influyen en la propagación Necesariamente, como las ondas se propagan en un medio, éste influirá en la propagación de ellas. Ademá, cuando se trata de ondas de frecuencias muy altas, VHF hacia arriba, el comportamiento derá de tipo cuasi óptico, de modo que se producirán los mismos fenómenos que ocurren en öptica. Refracción del haz. Como el índice de refracción de la atmósfera cambia con la altura, es de esperar que el haz se curve. Los casos que pueden darse son los graficados en la fig. sig.: Los casos más comunes son los indicados como 4 y 3. En el caso, se podrían obtener distancias de comunicación mucho mayores que el horizonte, ya que el haz se adecua a la curvatura terrestre. Para cada tipo de refracción se puede trazar el perfil terrestre correspondiente. También influye la difracción. Siempre alturas más elevadas de antenas favorecen la propagación. En general se traza el perfil topográfico del lugar donde ae emplazará el radioenlace. Debido a este fenómeno ae pueden producir regiones de sombras, de manera que la radiación electromagnética no llega a esos lugares, de modo que si se emplaza la antena receptora allí, no habrá recepción. También tiene influencia la reflexión que puede producirse del haz, especialmente sobre superficies lisas como los espejos de agua. Esta situación puede producir interferencia destructiva entre el haz directo y el reflejado. Tipos de refracción La refracción, es el fenómeno por el cual un rayo de luz se desvía de su trayectoria (se curva). Conocemos la ley de Snell de la refracción: N >n 1 sen θ sen θ 1 = n n, donde n 1 y n, son los índices de refracción de los dos medios que atraviesa el rayo de luz. 1 7

8 8 Refracción subnormal o sobrerrefracción Se cumple cuando el índice de refracción aumenta con la altura, es decir que dn > 0. La densidad de la atmósfera dz aumenta con la altura. Este fenómeno se da cuando una capa de aire frío, se ubica por encima de una ca de aire cálido; es el caso típico de las zonas tropicales o costeras o húmedas donde se forman capas de niebla que son desplazadas por capas de aire cálido. En este caso el haz se curva hacia arriba, de forma tal que al ir hacia las altas capas de la atmósfera se puede producir propagación trposférica, donde pueden alcansarzarse grandes distancias. Refracción supernormal o superrefracción Se produce por la elevación de temperatura con la altura (capa de inversión) o una pronunciada disminución de la humedad con la altura. Produce disminución de la densidad de la atmósfera La evaporación de del agua produce un aumento de la humedad y baja de la temperatura próxima a la superficie, produciendo disminución de la densidad atmosférica en las capas bajas, de forma tal que el haz se curva hacia abajo, pudiendo seguir la curvatura de la tierra. Se cumple en este caso que dn < 0. De este modo pueden lograrse alcances mucho mayores que los dz normales. Ocurre por ejemplo en el verano sobre regiones costeras. Si el índice de refracción del medio permanece constante, entonces el rayo se propaga en forma rectilínea de modo que el alcance es del tipo óptico, es decir que la comunicación se dará cuando las antenas se vean, de manera que se verá influida fundamentalmente por la altura. Si se tiene en cuenta cada uno de estos efectos según la circunstancias, se puede determinar el diámetro equivalente de la Tierra y en consecuencia se define la altura efectiva de la antena, que es la altura que deberían tener las antenas para hacer posible la comunicación. Atenuación por absorción Mencionamos anteriormente que la ecuación del radioenlace aparece un término de atenuación. Este efecto se produce por la absorción introducida por el medio a través del cual se propaga la onda. Por ejemplo si tratamos de frecuencias de microondas, en general por lluvia o nieve, puede despreciarse a frecuencias menores de 10GHz, a frecuencias superiores, dicha atenuación disminuye bastante la longitud del radioenlace. También hay que tener en cuenta que las moléculas de los gases de la atmósfera, también absorben energía electromagnética. En frecuencias comprendidas entre 1y 100GHz, el vapor de agua y el oxígeno tienen varia líneas de absorción. El Nitrógeno y el dióxido de carbono no influyen por debajo de los 100GHz. La atenuación de los gases es proporcional a la densidad de ellos, de manera que, en general disminuye con la altura. Por su parte la densidad de los gases en la atmósfera, por ejemplo el vapor de agua, depende de la temperatura, pero también de la humedad relativa, de manera que en general, la atenuación depende del estado meteorológico. Ing. Adrián Darío Rosa En las figuras sigs., se observan las atenuaciones por lluvia según la intensidad de la precipitación. También observamos la atenuación por absorción de los gases según la frecuencia. Balance de ganancias y perdidas de potencia. Nos proponemos en este apartado determinar el valor de la potencia de la onda portadora en la entrada del receptor, teniendo en cuenta que se desea obtener una dada relación señal a ruido. Si Sabemos que el factor de ruido lo podemos escribir del sig. modo: F Ni =, de forma tal que S i So N F S o = Entonces i No. No o o S NF S N ktb S i= i =. La temperatura deberá ser la de la antena y tomarse la máxima posible a la que pueda estar o No sometida ella. Por ejemplo en condiciones normales podemos tomar la temperatura ambiente, es decir T=300K. S0 Si tomamos el índice de ruido y todo lo expresamos en db, resulta: Si( dbm) = log B+ F( db) + ( N db ) 0 Finalmente éste es el valor que deberemos asegurar bajo toda circunstancia para tener un radioenlace confiable.. 8

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11 Cuadro de las áreas efectivas de las antenas