SEMINARIO: ANTENAS PARA SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES. Ing MARTÍN LEMA Organiza:UTN FRBA

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1 SEMINARIO: ANTENAS PARA SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES Ing MARTÍN LEMA Organiza:UTN FRBA 1 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

2 Objetivo de la presentación Profundizar en los aspectos conceptuales y de fondo respecto de antenas en general tomando como ejemplo las típicamente usadas en celular y microondas. De esta manera brindar al asistente las herramientas para posteriormente interpretar mas fácilmente la abundante información que se encuentra en Internet, publicaciones, etc. Presentado por: Ing Martín Lema martin.lema@multiradio.com.ar 2 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

3 Integración de la antena en los modelos de propagación Análisis del significado de la atenuación en espacio libre, la eficiencia y ganancia de antenas con su integración a los modelos Principales parámetros a tener en cuenta de una antena Ganancia Ancho de haz Lóbulos - Relación frente espalda Tilt Análisis particular de los distintos tipos de antena Parabólicas Antenas Panel para estaciones base (celular) dual pol, quad pol, RET, etc Indoor (omnis y paneles) Criterios y mediciones de aceptación de sistemas irradiantes (antenas + cable o guía) ROE PIM (Passive Inter Modulation) Antenas eléctricamente cortas Breve introducción a la geometría fractal Antenas Fractales Breve introducción a los metamateriales Antenas chip Antenas patch 3 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

4 Mi objetivo de la charla.el 2% 4 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

5 Principio siglo XX Principio siglo XX Principio siglo XXI Torre de Calatrava Fin Siglo XX 5 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

6 Integración de la antena con los modelos de propagación 6 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

7 CONCEPTO DE MODELO DE PROPAGACIÓN (aplicable a outdoor e indoor) Es una manera simplificada de estimar el campo recibido haciendo analogía con mecanismos hipotéticos NO SIEMPRE CON FUNDAMENTO EN LA FÍSICA pero muy útil para cálculos reales 7 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

8 Modelo de Friis TRANSMISOR RECEPTOR 8 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

9 DISCREPANCIAS CON LA REALIDAD FÍSICA En la teoría de los circuitos no existen los generadores de potencia Las antenas no tienen ganancia de potencia El espacio libre no atenúa (atenuar es un concepto disipativo que involucra conversión de un tipo de energía en otra y esto lo puede hacer solo una máquina) En el espacio libre la energía se dispersa (baja su densidad de flujo)..no puede pasar algo en la nada.. La - mal llamada- atenuación de espacio libre parece dependiente de la frecuencia (20 logf) pero no lo es, se compensa con la mal llamada- ganancia de antenas dando un valor real de campo recibido MUY UTIL EN LA PRÁCTICA Las obstrucciones no son todas disipativas, aunque algunas si la son Los cables son disipativos casi en un 100% (en este caso son atenuadores reales) 9 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

10 ATENUACIÓN EN ESPACIO LIBRE Lfs = 20 LOG (F) + 20 LOG (D) Lfs= Pérdidas en el espacio libre en db F = Frecuencia en MHZ D = Distancia entre antenas en Km 10 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

11 Consideremos un punto que emite Pt watts de RF encerrado en una esfera de radio R La potencia que atraviesa la superficie A es: Pr = Pt A 4. π. R Observar que la densidad de potencia a una distancia R es independiente de la frecuencia y por lo tanto la potencia colectada en un área A también lo es 2 El área A podrá representar una antena dipolo, una yagi, una parábola una fractal una antena hecha con metamateriales, o lo que sea. Sea cual fuese la antena nunca podrá recolectar mas potencia que la que pasa por el área A (Pr). 11 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

12 Teniendo en cuenta que la ganancia de una antena se define como 4πA G = η 2 λ Donde A = Área efectiva de la antena η=rendimiento de la antena (típicamente 0.65 para una parábola) Para un desarrollo teórico y por simplicidad para esta charla se asume η =1 12 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

13 Queda 2 Gλ A = 4π Reemplazando A en la fórmula anterior Pr = Pt 1 4. π. R 2 2 λ G 4. π = 2 λ G Pt 2 16π R Expresando la frecuencia en MHz y las distancias en Km λ [ ] 0. 3 Km = F [ MHz] 2 13 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

14 Llegamos a Pr = π 1 2 F R 2 Pt = F R 2 Pt Pasandolo a db o sea aplicando 10 Log (Pr/Pt) Pr/ Pt [ db] = 20log R 20log F log 5.7 x 10-4 = de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

15 Comparación de dos antenas del mismo tipo y diámetro en 12 GHz y 1.7 GHz 15 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

16 Campo recibido con valores calculados y reales (del manual) Frecuencia de càlculo 12.2 GHz 1.7 GHz Diàmetro de antena 0.6 mts 0.6 mts Area m m2 Ganacia (por manual) 35.1 dbi 18.2 dbi Ganacia (Calculo con n=65%) 3847 (veces) (veces) Ganancia Calculo en db db 18.7 db Potencia de salida 30 dbm 30 dbm Atenuacion en espacio libre 5 Km db db Ganancia de antena RX (de manual) 35.1 dbi 18.2 dbi Ptencia recibida dbm dbm La atenuación por espacio libre es 17 db peor en 12.2 que en 1.7 GHz, y la ganancia es 17 db mayor en 12.2 GHz se compensan! 16 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

17 Si el campo recibido es el mismo a igual diámetro de antena y es independiente de la frecuencia.. Por qué se usan frecuencias mas bajas en los enlaces largos? Porque este cálculo se hizo para espacio libre, y en la atmósfera real los enlaces largos se ven MUY afectados por los factores climáticos (lluvia principalmente) y la atenuación que presenta la lluvia AUMENTA MUCHO AL AUMENTAR LA FRECUENCIA 17 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

18 Principales parámetros a tener en cuenta de una antena Ganancia Ancho de haz Lóbulos Relación frente espalda Polarización Tilt 18 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

19 Queda claro que la ganancia es directamente proporcional al área (Apertura) en una parábola al diámetro El doble de área (1.4 veces Ø), 3 db mas de ganacia. En una colineal a la longitud El doble de longitud, 3 db mas de ganacia en una panel a la superficie del rectángulo En una Yagi al número de elementos En una formación a la cantidad de dipolos 19 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

20 Yagi Cant elementos Ganancia (dbi) Formación de dipolos Cant dipolos Ganancia (dbi) Config OMNI El doble de longitud, 3 db mas de ganacia G(aprox)= N [dbi] Es independiente de la frecuencia 20 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

21 Conclusiones La ganancia de la antena es en realidad un índice de cuan grande es la antena y en dos antenas de igual tamaño representa cuan direccional es cada una En recepción puede visualizarse asociada con el área en la cual se puede colectar potencia Cuanto mas grande, mas potencia puede colectar. En transmisión puede visualizarse asociada con la capacidad de irradiar toda la potencia hacia adelante. Una antena de ganancia 30 dbd (1000 veces) pone el mismo campo remoto que una dipolo alimentada con 1000 veces mas potencia 21 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

22 Es cierto esto? Ganancia 33 db (2000 veces) +27 dbm (1/2 W) = ERP=+27+33=+60dBm (1 Kw) 22 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

23 La antena no puede generar potencia, la ganancia simplemente es un parámetro que mide cuan direccional es la antena. Si se le aplica ½ watt, nunca puede irradiar mas de ½ watt 23 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

24 Ancho de haz-rpe El ancho de haz se define como el ángulo en el cual lóbulo principal cae 3 db (mitad de potencia) respecto del máximo Envolventes del patrón de radiación RPE (radiation Pattern Envelope) Es una gráfica de la directividad de la antena en función del ángulo respecto del máximo del lóbulo principal. Generalmente se grafica la respuesta en el plano vertical y el horizontal, y dependiendo de si la antena es o no simétrica se grafican 180 o 360 Aún no hay coordinación entre los fabricantes para establecer un formato electrónico único y común. 24 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

25 Patrón de radiación Patron horizontal Patron vertical 25 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

26 26 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

27 Análisis particular de los distintos tipos de antenas 27 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

28 PARABÓLICAS Shielded (Blindada) Standard Grillada 28 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

29 Antena parabólica Es el conjunto de una antena en si misma (el iluminador) y un reflector (a veces llamado el plato ) La geometría del reflector es tal que provee una zona de fase constante si es iluminada desde su foco. Existen muchas geometrías posibles del conjunto iluminador/reflector. La mas sencilla para antenas de microondas terrestres es el paraboloide de revolución 29 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

30 Análisis geométrico de una parábola Una parábola es el lugar geométrico de los puntos de un plano equidistantes a una recta dada, llamada directriz, y a un punto exterior a ella, que se denomina foco. 30 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

31 Principales parámetros de una antena parabólica Diámetro: (generalmente expresado o en pies o en metros) Hay una intima relación entre ganacia y diámetro. De hecho los fabricantes de antenas las clasifican en primer término por diámetro Ganancia: generalmente es el PRINCIPAL parámetro a tener en cuenta al seleccionar una antena. Se define como ganancia a la máxima intensidad de radiación en una dada dirección respecto a la radiación producida por una antena de referencia, alimentada con la misma potencia de entrada Se mide en dbd (db referidos al dipolo) o en dbi (db referidos a la antena isotrópica) 1 dbd=2.15 dbi **OJO los decibeles se suman, una antena de 10 dbd tiene dbi** 31 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

32 Parabólica para Satelital de estación terrena, gran ganancia, bajo ruido, patrón de radiación muy conocido, alta potencia en TX Satelital doméstica (TV satelital) Barata, alta relación ganancia/tamaño Radioenlace urbano, buen rechazo a lóbulos secundarios (típicamente blindada) Radioenlace larga distancia, gran ganancia 32 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

33 Ejemplo de RPE 33 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

34 Clases de antena, según ETSI hay cuatro clases C1, C2, C3 y C4 En radioenlaces en general se usaba hasta ahora C2 (RPE rojo) y C3 (RPE azul) La tendencia actual es USAR ANTENAS CLASE 4 Con Clase 4 Se obtiene mucho Mejor rechazo a interferencias CLASE 4 RPE EN VERDE 34 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

35 Por qué se necesitan mas directivas las antenas? Porque en enlaces cortos y urbanos sobre todo, el problema de la interferencia es el principal aspecto a tener en cuenta. Los enlaces están limitados por interferencia mas que por la señal recibida. Por lo tanto una antena de clase 4 chica (ejemplo 30 cm), puede reemplazar a una de clase 3 grande (60 o 90 cm). Y el impacto visual y el costo de utilización de mástil hoy es el principal factor. Teorema de Shannon-Hartley 35 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

36 BSA Base Station Antenna (Antenas para radiobase celular) Dual pol Quad pol Concealment Multibeam 36 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

37 Antenas para estaciones base (BSA) Tipos Sectorial (5x 20, 2 x 33, 60, 45, 33 ) De ports múltiples y bandas múltiples Omnidireccional 37 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

38 Null Filling Que es? El null filling es una técnica de optimización de los arrays internos de la antena de manera de suprimir los ceros en el lóbulo inferior Para que sirve? Para antenas con un haz estrecho(<12 ) El null filling mejora mucho la calidad de La pisada en las zonas de cobertura. Ordenes de magnitud: La mayoría de las antenas tiene sin optimización entre db Las antenas del tipo MaxFill, tiene típicamente db! 38 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

39 Null Fill Importante en antenas de haz muy estrecho Potencia recibida (dbm) Cero rellenado a 16 db debajo Del pico Distancia(km) Potencia de TX = 1 W Alltura de antena de BS = 40 m Ganancia de la antena = 16 dbd Ancho de haz (vertical) = de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

40 Tilt Es la inclinación con la que se instala una antena. El tilt es hacia abajo prácticamente en todas las aplicaciones. Tiene como objetivo LIMITAR la cobertura en modo controlado y lo mas abruptamente posible. 40 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

41 Downtilt Mecánico El tilt mecánico hace que: El lóbulo principal esté antes del horizonte El lóbulo posterior apunta hacia arriba A ± 90 no hay tilt Analogia: es como si el patrón de radiación apoyara en un disco 41 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

42 Downtilt eléctrico El Tilt eléctrico sirve para: Que el lóbulo principal apunte debajo del horizonte Que el lóbulo opuesto también apunte debajo del horizonte A ± 90 También el tilt está abajo del horizonte Cono Del lóbulo principal Analogia: es como si el patrón de radiación apoyara en un cono 42 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

43 43 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

44 El downtilt variable se logra rotando la fase de las señales que alimentan cada uno de los dipolitos 44 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

45 ANTENAS PARA RADIOBASES CELULARES EN REDES DE ALTO TRÁFICO 45 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

46 La imagen lo dice todo, datos, datos y mas datos..nadie se le ocurre llamar en ese momento, pero todos suben la foto/video 46 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

47 Gran diferencia entre 2G y 3G-4G Redes 2G (GSM) Si se necesita aumentar la capacidad de tráfico se aumenta el número de canales instalados en la radiobase (los canales operan en frecuencias distintas)-en 2G un terminal se comunica siempre con UNA sola BTS a la vez. El desempeño de las antenas tiene poco impacto en el crecimiento de la red Redes 3G y 4G Son redes isofrecuenciales (o sea hay UN SOLO CANAL de banda ancha para toda la red) eso significa que para reusarlo necesita de muy buena aislación entre sectores para no se auto-interfiera la red.se re-usa por diversidad de código de scrambling-en 3G un terminal puede comunicarse con mas de una BS a la vez (SHO, soft Handover) El desempeño de las antenas tiene GRAN impacto en el crecimiento de la red 47 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

48 TEOREMA DE SHANNON-HARTLEY S C = B log N Donde B es el ancho de banda del canal (5 Mhz en 3G). C es la capacidad del canal (tasa de bits de información bit/s) S es la potencia de la señal útil N es la potencia del ruido presente en el canal Otra forma de verlo Dado un cierto ancho de canal disponible (5 Mhz en el caso de 3G) la única manera de lograr mas capacidad es mejorando la relación señal a ruido, la señal no se puede subir (3G está limitada en ruido de UPLINK y necesitaría teléfonos de mas potencia que encima serían perjudiciales), por lo que no nos queda mas remedio que REDUCIR EL RUIDO 48 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

49 Migración a 6 sectores Partición de sectores Sitio de 6 sectores Cluster de 6 sectores 49 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

50 SITIOS DE 6 SECTORES Patrón tradicional 65 Antena de 65 Vs Twin beam Wider Coverage Ventajas de las Twin Beam 2 beams ocupan el mismo espacio físico que una antena Despliegue mas fácil sin modificar el Nro de antenas Mejor rechazo a interferencia entre antenas Si se ponen dos antenas, es MUY dificil ajustarlas para el mínimo solapamiento con un footprint conocido. Se mejora la pisada de la antena (footprint) Mejor Roll-Off Patrón twin beam 50 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

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53 RET (antenas controlables remotamente) Remote Electrical Tilt 53 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

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55 AJUSTAR REMOTAMENTE LA ANTENA O.. Conseguir la llave del sitio (típicamente 100 Km) Ir al sitio (mínimo dos personas) Manejar (típicamente cientos de Km) Consumir combustible Rogar al Dios de la lluvia que haya buen tiempo Subir a la torre Ajustar el tilt Chequear que no queden alarmas en el sitio Depende la distancia, comer, dormir Volver (manejar, combustible, etc) Devolver la llave (otra vez 100Km) Actualizar documentación 55 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

56 Y si no quedó como queríamos? Sin RET: Con RET 56 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

57 Antenas In-door Básicamente no tiene diferencias con una antena diseñada para outdoor, solamente que el radomo mas función estética que técnica y normalmente no son herméticas con lo que se abarata el costo de fabricación. También son de baja ganancia ya que no tiene ninguna utilidad la ganancia en una apliacación indoor (ganancia=directividad) Típicamente las hay Omni y panel siendo las tipo omni para poner en el medio de un recinto y las panel contra una pared. 57 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

58 Especificación típica de antena indoor 58 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

59 QUE TAL SI HACEMOS UN CORTE? 59 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

60 Criterios y mediciones de aceptación de la instalación de antenas ROE PIM 60 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

61 ROE-VSWR Voltage Standing Wave Ratio (Relación de onda estacionaria ROE) Matemáticamente es la relación numérica entre el máximo voltaje y el mínimo voltaje que puede existir en una línea de transmisión uniforme. La explicación mas simple y en palabras" de este fenómeno es la siguiente: 61 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

62 Explicación de VSWR (ROE) En un sistema TX-Cable-Antena. El TX aplica una cierta potencia al cable, en éste, parte se disipa (en calor) y parte se transmite a la antena. Si la antena estuviese perfectamente adaptada al cable, TODA la potencia que recibe la aceptaría (la mayoría la irradia y parte la disipa en calor. En la práctica siempre existe una cierta desadaptación, y esa energía que no puede ni transmitirse, ni disiparse ni acumularse vuelve a la fuente (TX) conformando la potencia reflejada (las irregularidades o desadaptaciones no son fenómenos disipativos) 62 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

63 Definiciones DE LA MISMA COSA: ROE : Relación de Ondas Estacionarias VSWR: Es relación entre el voltaje máximo y el mínimo en una línea de transmisión resultantes de la combinación en fase o en contrafase de los voltajes incidentes y reflejados Pérdida de retorno: Es la relación entre potencia incidente y reflejada expresada en db Coeficiente de reflexión: es la relación entre el voltaje incidente y el reflejado 63 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

64 Fórmulas 64 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

65 Como las reflexiones ocurren en distintos puntos del sistema y con fases aleatorias, el valor máximo esperado es impredecible. Estadísticamente puede demostrarse que el máximo valor probable puede calcularse como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada uno de los componentes. Otro método (Empírico, mas simple y recomendado por Andrew) es sumar todos las potencias reflejadas y multiplicarlas por de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

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67 EL VALOR ESPERADO DE ROE SE CALCULA! 67 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

68 Explicación de PIM Todos los elementos activos (como ser transistores, diodos, etc) o pasivos (como ser inductores, capacitores, resistores CABLES Y CONECTORES) son alineales en mayor o menor medida. En particular cables y conectores siempre se los consideró lineales ya que el grado de alinealidad no presentaba hasta ahora- fenómenos perceptibles. En los sistemas de portadoras múltiples de potencias altas y anchos de banda grandes, los fenómenos producto de alinealidades empiezan a tener efectos notorios y en algunos casos con degradación grave del desempeño del sistema. 68 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

69 SISTEMA LINEAL INTERMODULACIÓN F1 F2 Lineal F1 con otra amplitud y fase F2 con otra amplitud y fase SISTEMA ALINEAL F1 F2 Alineal F1 con otra amplitud y fase F2 con otra amplitud y fase 2F1, 2F2, 2F1+/- F2, 2F2+/-F1, etc 69 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

70 Un dispositivo lineal PERFECTO 70 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

71 Un dispositivo alineal REAL La curva de salida en frecuencias distintas típicamente tiene una pendiente 3 veces mas grande que la de frecuencia fundamental, de ahí sale lo de Pin=3 P port- 2 IP3 71 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

72 Ahora visto en el dominio de la frecuencia Le aplico dos portadoras Aparecen las dos portadoras + otras no deseadas 72 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

73 La PIM Es un problema de diseño? Es un problema de fabricación? Es un problema de instalación? Respuesta LOS TRES 73 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

74 Sobre diseño y fabricación lo único que podemos hacer es comprar productos BUENOS Sobre instalación es MUCHO lo que se puede hacer 74 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

75 Origenes de las alinealidades Materiales magnéticos (ejemplo Cromo, níquel, etc) Óxidos con propiedades semiconductoras en los circuitos ej oxido de cobre (el óxido de plata es excelente conductor) Pequeños arcos producidos en discontinuidades CONTACTOS TODOS LOS CONTACTOS PRODUCEN PIM- 75 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

76 Frecuencia de los productos indeseados Asumiendo un sistema donde coexisten las portadoras de frecuencias F1, F2,F3, etc. Se producen fenómenos de productos indeseados en las siguientes frecuencias Productos de Segundo orden: 2F1, 2F2, 2F3, F1+F2, F1-F2 etc 76 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

77 Productos de tercer orden: 3F1, 3F2, 3F3, 2F1+F2, 2F1-F2 etc Observar que si F1 y F2 son del mismo orden de magnitud (ejemplo ambas de 1.9 GHz), los productos de tercer orden están muy cerca de las bandas de trabajo y en general son los producen problemas A LOS SISTEMAS QUE LO GENERAN 77 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

78 Un ejemplo numérico real: Es el caso de dos operadores, uno trabajando en la banda A y otro en la banda B F interf=2f1-f2 F interf= 2 x = de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

79 Ya sabemos en que frecuencia aparecen, pero con que potencia? Calcular la potencia de productos indeseados que generará cualquier dispositivo activo o pasivo- es virtualmente imposible, lo que se puede hacer es ACOTAR basado en mediciones hechas sobre dispositivos reales. Esto se debe a que las causas (pequeñas deformaciones, óxidos, impurezas) son factores no controlados. Pueden acotarse con adecuados procesos de manufactura e instalación 79 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

80 En general para establecer las potencias máximas que genera un dispositivo se usa: Asumir un valor absoluto máximo generado independiente de las potencias en juego Potencia generada relativa a las portadoras en juego IP3 (en general para activos) Pin=3 P port- 2 IP3 80 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

81 Significado de los valores de PIM expresado en dbc -160 dbc para 2 portadoras de +43 dbm significa que EL PICO MÁXIMO de productos indeseados está 160 db por debajo de los +43 dbm que se están aplicando por portadora (o sea -117 dbm en valor absoluto) 81 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

82 Un conector DIN :3rd Order IMD MHz 3rd Order IMD Test Method Two +43 dbm carriers Valor típicamente aceptable en un sistema -97 dbm medida con dos portadoras de +43 dbm en la banda pasante del sistema Recordemos que -116 dbm x 4= -110 dbm Una antena buena tiene -150 dbc 82 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

83 Cuánto es -150 dbc? 83 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

84 ANTENAS ELECTRICAMENTE CORTAS DESDE LA ÉPOCA DE MARCONI HASTA HOY EL PROBLEMA ES EL MISMO Antena de tenerife (Titanic) Antena Poldhu (Marconi) F= 2.4 GHz λ = 12.5 cm λ / 10 = 1.25 cm F= 500 KHz λ = 600 m λ / 10 = 60 m (Altura de las torres=75 m) 84 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

85 ANTENAS ELECTRICAMENTE CORTAS Formalmente una antena se considera eléctricamente corta cuando sus dimensiones son inferiores a λ / 2 π (Criterio de Wheeler y radio mínimo de Chu). En la práctica suelen usarse ESA (Electrically Small Antenna) con dimensión máxima < λ / 10 El estado de la tecnología actual tiende a resolver el desafío de las antenas eléctricamente cortas con ESTRUCTURAS CON GEOMETRIA FRACTAL MATERIALES CON CARACTERISTICAS ELECTROMAGNÈTICAS ÚNICAS (METAMATERIALES) 85 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

86 ANTENAS PARA CELULARES Características necesarias (o deseables) Multibanda/ancho de banda grande Desempeño predecible en entornos impredecibles Baratas Livianas y pequeñas Fáciles de reproducir en serie Pocas juntas Desempeño independiente de la mecánica del terminal (o sea que se independice de la placa y otros componentes como plano de tierra) BAJO SAR 86 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

87 Antenas fractales Triangulo de Sierpinski Carpeta de Sierpinski 87 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

88 Un poco de geometría fractal La geometría fractal tiene formas que se parecen mucho mas a las encontradas en la naturaleza que las figuras de la geometría euclidiana Las figuras fractales tienen propiedades únicas y distintas de las de la geometría euclidiana, por ejemplo áreas finitas encerradas por un polígono de perímetro infinito, área cero, etc. 88 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

89 El término fractal fue acuñado por B. B. Mandelbrot en 1977 (en su obra The Fractal Geometry of Nature) para designar ciertos objetos geométricos de estructura irregular. Aunque Mandelbrot no dio una definición precisa, caracterizó a los fractales mediante las tres propiedades siguientes: a) Figuras que se repiten en sí mismas infinitas veces a distintas escalas (conjuntos autosemejantes). b) Figuras con dimensión no entera (dimensión fractal). c) Conjuntos que aparecen tras procesos iterativos infinitos. 89 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

90 Repostería Que parámetros hacen rico a un churro? Cual es el churro perfecto? 90 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

91 Podría hacerse un churro de superficie infinita manteniendo un volumen finito? Digamos 23 cm3 de volumen (churro típico) y 1 hectárea de superficie (una hectárea=10000 m 2 ) 91 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

92 Como hacer el churro perfecto empezando por un churro triangular 92 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

93 Bueno no es un churro, es un COPO DE KOCH, y en solo 50 iteraciones se llega a la superficie deseada, 1 Ha manteniendo siempre el volumen de 23 cm3 Iteracion Cant triangulos en los lados Cant segmentos por cara Log de cada Log total de Perimetro Volumen Superficie segmento la cara del churro Area churro churro del churro cm cm cm cm2 cm3 m E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E En 84 iteraciones el churro tiene la superficie de la ciudad de Buenos Aires aprox 200 Km2! 93 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

94 Y la cosa no queda ahí.. El churro se digiere en el intestino que tiene 200 m2 de superficie Y se usa el oxígeno que llega a la sangre gracias a los 70 m2 de alvéolos Y montones de ejemplos mas de los FRACTALES en la naturaleza 94 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

95 Nociones bàsicas de diseño de antenas Fractales Aquí se desarrolla la mas básica de las antenas fractales, un monopolo con forma de triàngulo de Sierpinski Dimensiones del elemento excitado 95 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

96 El alto máximo es funcion de la mínima frecuencia utilizable El alto del triángulo mínimo es función de la máxima frecuencia utilizable Acordarse del proceso Imaginar-modelizar-simular-corregir NO PENSAR QUE HAYA UNA FÓRMULA QUE LO RESUELVA DE UNA 96 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

97 f n = k c h θ n cos δ 2 Donde k= constante que depende de los materiales, para empezar típicamente δ = es el factor de similitud (si es 2 se puede resolver con fractales muy simples con escala 2) θ=es el ángulo de apertura del triangulo (60 para equilátero) c=velocidad de la luz f=frecuencia que resuena en la iteración n Ejemplo Asumimos 60 grados, k=0.152 Si Fmin=2.4 GHz max=12.5 cm /2= 6.1 cm Asumimos h=6.1 cm fn = cos n Frec (Mhz) n ( 30) 97 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

98 Metamateriales Los metamateriales son materiales compuestos artificiales diseñados especialmente para tener características electromagnéticas no encontradas en la naturaleza Los metamateriales obtienen sus propiedades de su estructura y no de su composición NO SON NUEVOS MATERIALES 98 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

99 ES MAS LA FORMA QUE EL MATERIAL EN SI Otra definición: Se trata de una estuctura periódica cuya dimensión máxima es menor que la longitud de onda a la que vaya a trabajar 99 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

100 En microondas y frecuencias de celulares las longitudes de onda tienen cm, por lo tanto el tamaño de cada una de las estructuras repetitivas pueden tener milímetros o a veces centímetros Estructura de Pendry (permeabilidad electrica negativa) Resonador de anillos cortados (permeabilidad magnética negativa) Primer medio zurdo (año 2000) Esfera de Pendry 100 de 117 Distintos Seminario arrays de Antenas de mateamariales Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

101 Material diestro (convencional) Que pasaria en un material zurdo (imagen de photoshop, no real) 101 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

102 Ahora entendemos que una antena de metamateriales no es una antena de materiales raros, sino una de FORMA RARA hecha con materiales estandar (FR4, flexible etc) Una antena de metamarial tipica Una antena de metamarial real 102 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

103 Observar que esta antena concentra todas las corrientes en si misma y no utilza al teléfono ni al usuario como plano de tierra, o sea que reduce el SAR 103 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

104 Aplicaciones Teléfonos celulares / Ipods Notebooks Antenas indoor 104 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

105 ANTENAS CHIP Características Monobanda o multibanda Baratas MUY PEQUEÑAS Se montan como un componente mas TOTALMENTE INTEGRABLES CON LA ELECTRÓNICA 105 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

106 El chip está compuesto (típicamente) por un conductor formando antenas del tipo fractal por ser las mas eficientes respecto de las dimensiones que ocupan, inmerso en un dieléctrico que le da resistencia mecánica, estabilidad y a su vez con constantes dieléctricas que hacen a la antena aún mas pequeña Como característica de la antena en si misma, mas que la ganancia se habla de la eficiencia de radiación, que típicamente es del orden del 50% o mejor. La mitad de la energía que se le aplica, efectivamente se irradia 106 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

107 Antenna Part Number: FR05-S1-N de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

108 Aplicaciones Dispositivos Bluetooth WiFi 108 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

109 ANTENAS PATCH Caracteristicas Reducido ancho de banda Baratas Livianas y pequeñas Fáciles de reproducir Pocas juntas TOTALMENTE INTEGRABLES CON LA ELECTRÓNICA 109 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

110 Antenas patch 110 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

111 Aplicaciones Radioenlaces punto a punto Receptores de GPS de automóviles Antenas indoor 111 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

112 Nociones básicas de funcionamiento de antenas Patch Aquí se desarrolla la mas básica de las antenas Patch (un elemento rectangular separado un poco sobre un plano de tierra mayor que el elemento) Se comporta como un tramo de línea de transmisión con dos fuertes discontinuidades, una en cada punta del patch. 112 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

113 Borde radiante 1 Borde radiante 2 Adaptación de impedancias 113 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

114 Al excitar la antena por la línea de transmisión (micro strip line) la primer discontinuidad que encuentra es el borde 1 en este borde la discontinuidad es abrupta y se presenta un efecto de bordes considerable. El efecto en este borde hace que se produzca radiación en esta zona. La onda avanza por la línea de transmisión plana formada por el patch y el plano de tierra hasta que llega al final del patch borde 2 donde se encuentra la nueva discontinuidad. El largo del patch se ajusta de manera que la rotación de fase sea 180 y para esto la longitud recorrida debe ser ½ λ (corrigiendo λ con las constantes del dieléctrico y el efecto de bordes). 114 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

115 Los efectos de bordes que ocurren en los extremos del patch junto con la rotación de fase de 180 se comportan como una formación de dos irradiantes, con lo cual se logra una directividad de aproximadamente 3 db Considerando que debido al plano de tierra se ganan 3 db mas (Si fuera infinito, nada se irradiaria hacia atrás) y como el plano NO es infinito sino ligeramente mayor, puede considerarse una mejora no de 3 sino de 2 db en la directividad ganada. Por lo tanto la directividad de una antena patch de ½ λ puede aproximarse a =7.15 dbi, lo cual es muy consistente con valores reales medidos. Es de observar también que la polarización de la antena es lineal y alineada con los bordes radiantes. 115 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

116 Preguntas 116 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013

117 Muchas Gracias 117 de 117 Seminario de Antenas Ing. Martín Lema 2-Sep-2013