Conceptos Básicos de Antenas

Transcripción

1 Pietrosemoli, Antenas -1 Conceptos Básicos de Antenas Ermanno Pietrosemoli Escuela Latinoamericana de Redes

2 Pietrosemoli Pietrosemoli 2 Pietrosemoli, Antenas -2 Características de las Antenas Ganancia de la antena: es el cociente entre la potencia emitida por la antena en su dirección de máxima emisión respecto a una antena isotrópica. Se expresa en dbi Ancho del haz: (beamwidth) es el ángulo subtendido por la radiación emitida entre los puntos en que disminuye a la mitad (3 db) Reciprocidad: el comportamiento de la antena en transmisión es similar al de recepción

3 Pietrosemoli Pietrosemoli 3 Pietrosemoli, Antenas -3 Características de las Antenas Diagrama de radiación o patrón de radiación de una antena, es una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión. El ángulo entre los los dos puntos en los que la potencia se ha reducido a la mitad (3 db) se denomina ancho del haz

4 Pietrosemoli Pietrosemoli 4 Pietrosemoli, Antenas -4 Características de las Antenas Impedancia de entrada: cociente entre el voltaje aplicado a los terminales de entrada y la corriente resultante. En general tiene una parte resistiva y una parte reactiva Para máxima transferencia de potencia la impedancia de la antena debe estar acoplada a la de la línea de transmisión que la alimenta La calidad del acoplamiento se mide en términos de la relación de onda estacionaria, VSWR

5 Características de las Antenas Lóbulo Trasero Diagrama de Radiación Área de Cobertura Ancho del haz Lóbulos Laterales Puntos de media potencia Pietrosemoli Pietrosemoli 5 Pietrosemoli, Antenas -5

6 Pietrosemoli Pietrosemoli 6 Pietrosemoli, Antenas -6 Diagrama o patrón de radiación plano elevación plano acimutal Ejemplo de diagrama de radiación de un dipolo de media onda

7 0-5 :TX=H RX=H EC 2.6 GHz...sgh Diagrama de Radiación File # /25/99 ref = dbi 3 db bw = 11 deg 10 db bw = 22 deg Ganancia: 22.2 db Beamwidth: 11 Gain db Primer cero Lóbulo Trasero Primer Lóbulo Lateral -35 Ave sll = Pietrosemoli Azimuth Pietrosemoli 7 Pietrosemoli, Antenas -7

8 Pietrosemoli Pietrosemoli 8 Pietrosemoli, Antenas -8 Características de las Antenas El front to back ratio, o cociente entre la ganancia del lóbulo principal y el lóbulo trasero. Generalmente se expresa en db La eficiencia de la antena es el cociente entre la ganancia y la directividad La apertura de una antena es la superficie que tendría una antena plana que ofrezca la misma ganancia El ancho de banda de una antena es la gama de frecuencias sobre la cual la antena cumple con ciertas prestaciones

9 Pietrosemoli Pietrosemoli 9 Pietrosemoli, Antenas -9 Apertura de un dipolo de media onda, Distribución de corriente y voltaje Apertura Corriente Voltaje G= 2,1 dbi, R = 68 ohmios alimentado en el centro

10 Diagrama de radiación 3-D de un dipolo de media onda Ancho del haz Dipolo Desde A Pietrosemoli Pietrosemoli 10 Pietrosemoli, Antenas -10

11 Pietrosemoli Pietrosemoli 11 Pietrosemoli, Antenas -11 Monopolo o Antena Marconi 8vertical λ/4 8Se requiere un buen plano de tierra 8omnidireccional en el plano horizontal 8La apertura es la mitad de la de un dipolo 8impedancia: ~ 36Ω Tierra: Imagen de la Antena

12 Pietrosemoli Pietrosemoli 12 Pietrosemoli, Antenas -12 Monopolo o Antena Marconi 8Elemento vertical λ/4 8El plano de tierra se puede realizar con 4 radiales, c/u λ/4 de largo 8Los radiales se inclinan hacia abajo para bajar el ángulo de elevación

13 Polarización: Corresponde a la dirección del campo eléctrico emitido por una antena. Puede ser: Vertical Horizontal Elíptica (RH o LH) Circular La desadaptación de polarización puede introducir una pérdida mayor de 20 db Pietrosemoli Pietrosemoli 13 Pietrosemoli, Antenas -13

14 La antena helicoidal, ejemplo de polarización circular Pietrosemoli Pietrosemoli 14 Pietrosemoli, Antenas -14

15 Pietrosemoli Pietrosemoli 15 Pietrosemoli, Antenas -15 Características de las Antenas Polarización: Corresponde a la dirección del campo eléctrico emitido por una antena. Vertical: Campo Eléctrico Campo Magnético Señal TX Señal RX

16 Pietrosemoli Pietrosemoli 16 Pietrosemoli, Antenas -16 Características de las Antenas Polarización: Horizontal

17 Pietrosemoli Pietrosemoli 17 Pietrosemoli, Antenas -17 Cuando las antenas transmisora y receptora están polarizadas linealmente, una desalineación física entre ellas resulta en una pérdida por desadaptación de polarización, que puede ser determinada utilizando la siguiente fórmula: Pérdida (db) = 20 log 10 (cos θ) donde θ es la diferencia en el ángulo de alineación entre las dos antenas. Para 15 la pérdida es de aproximadamente 0.3dB, para 30 perdemos 1.25dB, para 45 perdemos 3 db y parar 90 tenemos una pérdida infinita.

18 Pietrosemoli Pietrosemoli 18 Pietrosemoli, Antenas -18 Antena Yagi-Uda Directores Reflector Elemento activo de 1/4 λ Conector 1 Reflector Directores 1 director = 8dBi 15 directores = 14 dbi A veces se encierra en un Radome

19 Pietrosemoli Pietrosemoli 19 Pietrosemoli, Antenas -19 Elemento Activo Directores Reflector Antena Yagi-Uda fabricada en circuito impreso con su Radome

20 Yagi-Uda: Diagrama de radiación Lóbulo Lateral Lóbulo Trasero Lóbulo Principal Elemento Activo Pietrosemoli Pietrosemoli 20 Pietrosemoli, Antenas -20

21 Antena de Patch o plana Patch Plano de tierra Substrato Patch Conductor o reflector de 1/4 λ 6dBi Elemento activo 1/4 λ X 1/4 λ Pietrosemoli Pietrosemoli 21 Pietrosemoli, Antenas -21

22 Reflector Parabólico 4Bocina en el foco del reflector 4Ancho del haz, θ, y ganancia, G, dados por: θ = 70λ ; G D 2 ηπ D = 2 λ 2 Reflector Parabólico Guía onda λ = longitud de onda m, D = díametro del R. en m η = eficiencia de la antena Bocina Pietrosemoli Pietrosemoli 22 Pietrosemoli, Antenas -22

23 Pietrosemoli Pietrosemoli 23 Pietrosemoli, Antenas -23 Ejemplo de reciclaje de reflector Transceptor colocado en el foco de la parábola Alcance de 10 km Económico y fácil de construir Puede ser utilizado en el interior

24 Soporte ajustable Con tres grados de libertad Pietrosemoli Pietrosemoli 24 Pietrosemoli, Antenas -24

25 La propiedad del paraboloide es que los caminos que parten del foco f y se reflejan en el paraboloide, llegan a una superficie S con recorridos de igual longitud. Pietrosemoli Pietrosemoli 25 Pietrosemoli, Antenas -25

26 Alimentando un reflector parabólico con dispositivo USB Pietrosemoli Pietrosemoli 26 Pietrosemoli, Antenas -26

27 Teoría de los Reflectores La propiedad básica de un reflector parabólico perfecto es que convierte una onda esférica irradiada desde un punto ubicado en el foco, en una onda plana. Recíprocamente, toda la energía recibida en el plato desde una fuente distante se refleja en un punto único en el foco del plato. La posición del foco, o distancia focal, está dada por: f = D 2 /(16 c) donde D es el diámetro del plato y c es la profundidad de la parábola en su centro. Pietrosemoli Pietrosemoli 27 Pietrosemoli, Antenas -27

28 Pietrosemoli Pietrosemoli 28 Pietrosemoli, Antenas -28 Ganancia = η (π D/ λ) 2 donde η es la eficiencia, típicamente > 0,5 y D es el diámetro Ancho del haz = 70 λ/d

29 El coeficiente f / D (longitud focal/diámetro del plato) es el factor fundamental que define el diseño del alimentador para un plato. El coeficiente está directamente relacionado al ancho del haz del alimentador necesario para iluminar el plato de forma efectiva. Dos platos del mismo diámetro pero con diferentes longitudes focales requieren diferentes diseños del alimentador si ambos van a ser iluminados eficientemente. El valor de 0,25 corresponde al plato común de plano focal en el cual el foco está en el mismo plano que el aro del plato. Pietrosemoli Pietrosemoli 29 Pietrosemoli, Antenas -29

30 Pietrosemoli Pietrosemoli 30 Pietrosemoli, Antenas -30

31 Pietrosemoli Pietrosemoli 31 Pietrosemoli, Antenas -31

32 Distribución de corriente en un reflector parabólico Pietrosemoli Pietrosemoli 32 Pietrosemoli, Antenas -32

33 Pietrosemoli Pietrosemoli 33 Pietrosemoli, Antenas -33 Las antenas de grandes dimensiones y altas ganancias, suelen tener ángulos sólidos tales que los valores de θ y φ son muy pequeños: 0,3º y menos aún. La estructura y su resistencia al viento debe ser tal que no permita alteraciones en la posición de la antena y por consiguiente del diagrama de radiación.

34 Pietrosemoli Pietrosemoli 34 Pietrosemoli, Antenas -34 Algunas antenas son construidas con la pantalla reflectora perforada, a fin de disminuir su resistencia al viento. Las perforaciones deben tener un diámetro no mayor que 1/10 a 1/20 de la longitud de onda λ, a fin de evitar pérdidas y no afectar su rendimiento. De igual manera, los errores de construcción del reflector están vinculados con λ. La diferencia entre el reflector parabólico ideal y el real debe ser tal que el error e sea: e λ /10

35 Trayectoria de los rayos en una antena Cassegrain Pietrosemoli Pietrosemoli 35 Pietrosemoli, Antenas -35

36 Geometría de Antenas CASSEGRAIN Pietrosemoli Pietrosemoli 36 Pietrosemoli, Antenas -36

37 Pietrosemoli Pietrosemoli 37 Pietrosemoli, Antenas -37 Geometría de Antenas Foco Central

38 Pietrosemoli Pietrosemoli 38 Pietrosemoli, Antenas -38 Geometría de Antenas OFFSET

39 Angulo de Elevación Pietrosemoli Pietrosemoli 39 Pietrosemoli, Antenas -39

40 Patch Panel de elementos múltiples 4 elementos - 12 dbi 12 elementos - 17 db Pietrosemoli Pietrosemoli 40 Pietrosemoli, Antenas -40

41 Antena Sectorial de Arreglo de Dipolos Múltiples dipolos conectados para lograr una gran cobertura horizontal 12 dbi dbi - 90 Elementos activos: Mútiples dipolos de 1/4 λ Pietrosemoli Pietrosemoli 41 Pietrosemoli, Antenas -41

42 Pietrosemoli Pietrosemoli 42 Pietrosemoli, Antenas -42 Dipolo Doblado Mayor ancho de banda y 4 veces la resistencia de entrada de un dipolo abierto.

43 Pietrosemoli Pietrosemoli 43 Pietrosemoli, Antenas -43 Antena loop o de lazo Pequeñas dimensiones 4 Mayor radiación en el plano del lazo 4Gran ancho de banda 4Eficiente como antena RX Línea de Alimentación

44 Log-Periódica (LPDA) Dirección del lóbulo principal Línea de alimentación Dipolos Pietrosemoli Pietrosemoli 44 Pietrosemoli, Antenas -44

45 Pietrosemoli Pietrosemoli 45 Pietrosemoli, Antenas -45 Log-Periódica (LPDA) La impedancia es una función periódica de la frecuencia de operación Unidireccionalidad y gran ancho de banda El elemento más corto es < λ/2 de la frecuencia más alta, mientras que el elemento más largo es > λ/2 de la frecuencia más baja Ganancia inferior a una Yagi con el mismo número de elementos Parámetro de diseño: τ = L 1 /L 2 = D 1 /D 2 = L 2 /L 3 =.

46 Pietrosemoli Pietrosemoli 46 Pietrosemoli, Antenas -46 Reflectores planos y de esquina Funcionan como reflectores y se ubican a λ/4 de la antena No requiere que sea sólido. Pueden ser varillas o tubos. Los reflectores de esquina producen un diagrama más agudo. Amenudos se combinan con Yagis en UHF

47 Yagi con reflector de esquina Pietrosemoli Pietrosemoli 47 Pietrosemoli, Antenas -47

48 Diagrama de Radiación y distribución de corrientes en una Antena de bocina h l Pietrosemoli Pietrosemoli 48 Pietrosemoli, Antenas -48

49 Antena colapsada por efecto del hielo Pietrosemoli Pietrosemoli 49 Pietrosemoli, Antenas -49

50 Antenas de reflectores parabólicos grillados Pietrosemoli Pietrosemoli 50 Pietrosemoli, Antenas -50

51 Antena con segmentos de cable coaxial Pietrosemoli Pietrosemoli 51 Pietrosemoli, Antenas -51

52 Antena Colineal De 6 elementos Omnidireccional Ganancia 8 dbi Recubierta con Tubo de PVC Pietrosemoli Pietrosemoli 52 Pietrosemoli, Antenas -52

53 Pietrosemoli, Antenas -53 Antena de ranuras Las ranuras son de 1/4 lamda Con ranuras de un sólo lado el Patrón de radiación es de 180 grados Con ranuras en ambos lados es una omni Difundida por Trevor Marshall

54 Antena parabólica grillada 30 dbi de ganancia con 1,5m de diámetro para 2,4 GHz. Para funcionar a 5,8 GHz hay que cambiar el alimentador y reducir losvacíosen el reflector Pietrosemoli, Antenas -54

55 Antena parabólica grillada Se muestran los cambios indicados El alimentador es una antena de guíaonda diseñada para la frecuencia de 5,8 GHz Pietrosemoli, Antenas -55

56 Antena de bocina en cámara anecoica Pietrosemoli Pietrosemoli 56 Pietrosemoli, Antenas -56

57 Antena de guía-onda cilíndrica, Long. 58 cm, Diámetro 12 cm Conexión a 10 km Pietrosemoli Pietrosemoli 57 Pietrosemoli, Antenas -57

58 Pietrosemoli Pietrosemoli 58 Pietrosemoli, Antenas -58 La Antena guía-onda o cantenna Tubo metálico tapado en un extremo dotado de un elemento activo de ¼ λ (λ = 12 2,4 GHz) El diámetro debe ser tal que se pueda propagar el modo fundamental pero se atenúen los modos superiores En 2,4 GHz esto significa que el diámetro debe ser mayor que 73 mm y preferiblemente menor que 95 mm. La longitud no es crítica, idealmente > 2 λ

59 La Antena guía-onda o cantenna Dentro de la guía se forma una onda estacionaria, que tiene un nulo en el fondo del tubo El elemento activo debe posicionarse en un máximo de la onda estacionaria, el cual ocurre a ¼ λg, donde λg es la longitud de onda de la onda estacionaria dentro de la guía. λg Onda estacionaria Elemento activo Cable de ante. Pietrosemoli Pietrosemoli 59 Pietrosemoli, Antenas -59

60 La Antena guía-onda o cantenna La longitud de onda de corte depende del diámetro de la guía: λc= 1,706 D La longitud de onda en el vacío es λ= c/f, con c = km/s (1/ λ) 2 = (1/ λc) 2 + (1/ λg) 2. De donde: λg = ( (1/ λ) 2 -(1/ λc) 2 ) -2 Elemento Activo λ/4 λg Onda estacionaria D Cable de ante. Pietrosemoli Pietrosemoli 60 Pietrosemoli, Antenas -60

61 Pietrosemoli Pietrosemoli 61 Pietrosemoli, Antenas -61 La Antena guía-onda o cantenna Para la frecuencia de 2,4 GHz, λ/4 = 31 mm λg/4 Elemento Activo de altura λ/4 D Cable de antena

62 Diagrama de radiación de la antena guía-onda o de lata Pietrosemoli Pietrosemoli 62 Pietrosemoli, Antenas -62

63 09/11/2008 Pietrosemoli Pietrosemoli 63 Pietrosemoli, Antenas -63 Ejemplo de cálculo de radioenalace Ermanno Pietrosemoli (Fundación EsLaRed) ULA Mérida Venezuela

64 Gt Potencia Vs Distancia Gr Tx At Ar Rx Pt L= 92,4 +20 log(d/km)+20 log(f/ghz) dbm Pérdida en el espacio libre Pr Margen Umbral km 09/11/2008 Pietrosemoli Pietrosemoli 64 Pietrosemoli, Antenas -64

65 09/11/2008 Pietrosemoli Pietrosemoli 65 Pietrosemoli, Antenas -65 Ejercicio a) Calcule la intensidad de la señal recibida a 10 grados del eje de una antena Hyperlink HG2424 de 24 dbi, alimentada por un Linksys WRT54 a través de 12 m de cable LMR400. La antena receptora es omnidireccional, ubicada a 13 km de distancia y con una ganancia de 8dBi a la frecuencia de operación de 2,4 GHz. Está unida al radio mediante 7 m de cable LMR200. Ambos extremos del enlace están protegidos por desviadores de rayos (Lightning Arrestor) que introducen 0,5 db de pérdida c/u. b) Construya un diagrama de Potencia Vs distancia para este enlace c) determine la velocidad nominal máxima de operación del enlace si ambos extremos utilizan Linksys WRT54G

66 Pietrosemoli Pietrosemoli 66 Pietrosemoli, Antenas -66 Precauciones ANSI 10mW/cm^2 6min USSR 0.01mW/cm^2 24 hrs 0.1mW/cm^2 2 hrs 1.0 mw/cm^2 20 min Nunca mire hacia una antena o guía de onda activa Pt*Gt*(λ/4*π R)^ mW/cm^2 =20Gt 9ft