Introducción. Radiación electromagnética:
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- Francisco José Domínguez Saavedra
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1 Introducción Radiación electromagnética: Dos componentes: campo eléctrico (E) y campo magnético (B). Oscilan perpendicularmente entre sí y perpendicular a la dirección de propagación Modelo de onda: v l f l longitud de onda v velocidad de propagación (v=c en el vacío) página 2 Propagación: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
2 Espectro Electromagnético Qué hay a distintas frecuencias y cuál parte usan las redes página 3 Propagación: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
3 Espectro Electromagnético Asignación de frecuencias: caro y escaso página 4 Propagación: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
4 Espectro Electromagnético página 5 Propagación: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
5 LOGO TECNÓLOGO? Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas Federico Larroca
6 Introducción Una antena es un transductor que convierte las ondas electromagnéticas en corriente eléctrica (y viceversa) En resumen: es la interfaz entre el equipo radio y el ambiente Es quizás la parte más crítica y menos comprendida del sistema Muchos sistemas que no funcionan correctamente son debido a antenas mal ubicadas o instaladas página 2 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
7 Introducción: Dipolo Ejemplo de antena: Dipolo L/2 L/2 Fue inventada por Heinrich Hertz en 1886 cuando comenzaban los primeros experimentos con radiación electromagnética Es todavía una de las antenas más comúnmente utilizadas Es la más sencilla de estudiar desde un punto de vista teórico página 3 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
8 Introducción: Dipolo El campo electromagnético en la vecindad de la antena se transforma en corriente Suponiendo una onda sinusoidal (y L>l) I (A) l/2 L/2 L/2 Cuál es el mejor valor de L? L=l/2 resulta en el dipolo de media onda Campo radiado: E ji 0 2 cr 0 cos 2cos j( tkr ) sin e página 4 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
9 Introducción: Dipolo Corriente máxima en el dipolo E ji 0 2 cr 0 cos 2cos j( tkr ) sin e Permitividad del aire Distancia al punto w=2f k=2/l El patrón de radiación resulta página 5 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
10 Introducción: Dipolo Conclusiones: No toda la energía es radiada de igual maneras en todas las direcciones Las antenas tienen una cierta directividad Cada tipo de antena es más eficaz para operar en ciertas frecuencias IMPORTANTE: Recordar que el comportamiento de una antena transmitiendo es exactamente el mismo que recibiendo La elección de la mejor antena para cada situación depende de varios valores que la caracterizan y repasamos (algunos) a continuación página 6 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
11 Parámetros de una Antena Patrón de radiación Es una representación gráfica de la intensidad relativa del campo radiado por la antena Generalmente se dan los cortes horizontal y vertical Ej: Dipolo vertical Ej: Una antena direccional arbitraria horizontal página 7 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
12 Parámetros de una Antena Ganancia Mide la directividad de la antena Generalmente definido como la división entre la intensidad (W por m2) radiada por una antena en una dirección dada (casi siempre la de máxima intensidad) y a una distancia arbitraria con respecto a una antena isotrópica (Unidad: dbi) A veces se expresa con respecto al dipolo (Unidad: dbd; 0dBd=2.15dBi) Ancho de haz (beamwidth) El ángulo entre los puntos en que la potencia cae a la mitad (3dB) con respecto al máximo del lóbulo principal Front-to-Back ratio Cociente entre la ganancia del lóbulo principal y el lóbulo opuesto página 8 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
13 página 6 Propagación: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas Fuente puntual en el vacío (ignorar la torre) Antena transmisora de ganancia G t y antena receptora a distancia d con área efectiva A eff 2 4 d A d Pérdidas en el vacío d G G G d G A d G P P r t r t t t r l l
14 Pérdidas en el vacío En función de la frecuencia: Pr P t G G t r 1 4d Dos conclusiones importantes: Caída cuadratica en la distancia (por dispersión de la energía) Caída cuadrática en la frecuencia (por el área efectiva de la antena receptora) La ecuación de pérdida en vacío es muy usada para calcular las pérdidas de cada rayo (ver ray-tracing más adelante) c f 2 página 7 Propagación: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
15 Parámetros de una Antena Eficiencia de Radiación No toda la potencia inyectada a la antena es radiada (e.g. pérdidas por calor) La eficiencia de radiación es la división entre la potencia inyectada y la efectivamente radiada Ancho de Banda El rango de frecuencias para el cual la performance de la antena (con el criterio que corresponda) es suficiente página 9 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
16 Parámetros de una Antena Polarización La orientación del campo eléctrico (E) con respecto a la superficie de la tierra (e.g. circular, horizontal, vertical) Si hay LOS entre el receptor y el transmisor, es conveniente que Rx y Tx tengan la misma polarización Impedancia Cociente entre el voltaje aplicado y la corriente resultante Es importante que la impedancia del cable y de la antena sean lo más iguales posibles (sino, parte de la señal será reflejada y perderemos potencia) página 10 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
17 Antenas Veamos algunas de las antenas más típicas página 11 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
18 Dipolo Dijimos que el largo ideal para un dipolo era l/2 f=1mhz => L=150m Poco razonable? La Torre de Radio de Varsovia era un dipolo de media onda que operaba a 225kHz (l=1333.3m) y medía m página 12 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
19 Dipolo Dijimos que el largo ideal para un dipolo era l/2 f=1mhz => L=150m Se busca acortar el largo de la antena Ej: Monopolo Se usa una de las mitades del dipolo, y la otra mitad la genera el reflejo en una superficie conductora página 13 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
20 Dipolo Dijimos que el largo ideal para un dipolo era l/2 f=1ghz => L=15cm Se puede usar para casos donde la direccionalidad no sea importante (ej: una red WiFi) página 14 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
21 Yagi-Uda Si se necesita direccionalidad, existen varias opciones Yagi-Uda En su formato más simple consta de tres dipolos de Radiador distintos largos 0.55l 0.5l 0.45l Reflector 0.1l 0.1l Director El campo generado por el Reflector está a contrafase del Radiador hacia atrás, y en fase hacia adelante (idem entre el Director y el Radiador) página 15 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
22 Yagi-Uda Yagi-Uda (continuación) Tiene una gran direccionalidad, y es una de las antenas más usadas Yagi-Uda de 2.4GHz Fuente: página 16 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
23 Antena Log-Periódica Un problemas de las antenas Yagi-Uda es su bajo ancho de banda Las antenas log-periódicas tienen un ancho de banda mucho mayor, pero al precio de una ganancia menor para el mismo tamaño En su forma más sencilla son varios dipolos de distinto largo, a distintas distancias, y fase alternativa. La idea es que distintas partes de la antena estén activas (i.e. no estén a contrafase) para distintas frecuencias Log-Periodic de 290 a 7000 MHz Fuente: Log-Periodic de 250 a 2400 MHz Fuente: página 17 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
24 Antenas Sectoriales Una antena sectorial es una antena direccional que permite radiar hacia una zona en particular (y no una dirección, como antes) Generalmente se fabrica poniendo un array de dipolos delante de un elemento reflector Muy usada para servir grandes áreas con alta densidad de usuarios El ancho del haz va entre 30º y 120º Patrón de radiación de Antena Kathrein modelo Xpol página 18 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
25 Antenas Sectoriales Si la ganancia es muy alta (como en la figura anterior) es muy importante ajustar correctamente el ángulo de inclinación (o tilt) El tilt puede ser ajustado eléctrica o mecánicamente Pasarse de tilt puede resultar en zonas no cubiertas No poner tilt puede ocasionar interferencias entre las celdas página 19 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
26 Antenas Parabólicas No es otra cosa que un reflector de forma parabólica con la antena propiamente dicha en el foco de la parábola Existen tres variantes: página 20 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
27 Antenas Parabólicas El reflector puede estar perforado Si las perforaciones son menores a l/10, la onda lo verá como sólida Antena parabólica tipo grilla para 2.4GHz Fuente: El elemento activo es generalmente un dipolo Notar que la frecuencia de operación depende únicamente del alimentador El reflector de una antena puede ser re-usada con otro alimentador de frecuencia menor página 21 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
28 Antenas parabólicas Es probablemente una de las maneras más baratas de hacer una antena direccional Antenas parabólicas caseras. Fuente: página 22 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
29 Antenas Patch En su versión más simple es un rectángulo conductor separado de un plano de tierra por un material dieléctrico Se puede construir de la misma forma que un integrado, lo que justifica (entre otros factores) su popularidad página 23 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
30 Antenas Patch l/ l/2 Los campos oblicuos son los que generan la radiación La diferencia de l/2 entre los componentes a la derecha e izquierda se superpongan constructivamente Los bordes del patch se pueden ver como dos dipolos El plano de tierra conductor minimiza la propagación hacia atrás página 24 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
31 Antenas Patch El patrón de radiación es igual en ambos planos Existen varias variantes, destacándose el arreglo de patches página 25 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
32 Antenas Guía de Onda Son un tubo de un material conductor Junto con las antenas parabólicas, las más baratas de hacer Ej: Cantennas (una lata con un dipolo como excitador) página 26 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
33 Conclusiones Cada tipo de antena tiene ciertas características que la hacen más apropiadas a cada situación Algunas de estas características puede ser: Direccionalidad (o no) Frecuencia de operación Ancho de banda Aspectos mecánicos como resistencia al frío/calor o al agua IMPORTANTE: verificar que los cables, el conector y la antena tengan la misma impedancia evita grande pérdidas innecesarias página 27 Antenas: Conceptos Básicos Taller de Redes Inalámbricas
34 Cables Los dos parámetros más importantes en un cable son: Impedancia Para realizar el matcheo con la antena y no tener pérdidas de retorno (no depende del largo del cable) Pérdidas Generalmente se especifican en db/m para varias frecuencias El tipo de cable más usado para radiofrecuencias es el Cable Coaxial página 4 Cálculo de Radioenlace Taller de Redes Inalámbricas
35 Cable Coaxial A. Cubierta protectora de plástico B. Malla de cobre C. Aislante D. Núcleo de cobre La idea básica es que la malla exterior evita que el cable radie (y funcione entonces como una antena) En teoría todo el campo magnético está dentro del aislante (con lo cual también se logra minimizar la interferencia de afuera) Para lograr esto se necesita una separación constante entre la malla exterior y el núcleo, por lo que no es aconsejable doblar excesivamente el cable página 5 Cálculo de Radioenlace Taller de Redes Inalámbricas
36 Pérdida en los cables Desde el equipo radio hasta la antena la señal va a la frecuencia de la portadora El cable hay que analizarlo como una línea de transmisión porque l es relativamente corto Las pérdidas en el cable pueden ser importantes y dependen de varios factores: Frecuencia Largo del cable Calidad del cable Hay otros elementos que también generan pérdidas Ej. Conectores página 3 Cálculo de Radioenlace Taller de Redes Inalámbricas
37 Cable Coaxial Algunos ejemplos de cables Cable Heliax de ½ 50 de impedancia Fuente: f (MHz) Atenuación (db/100m) Cable Speedflex de impedancia Fuente: f (MHz) Atenuación (db/100m) página 6 Cálculo de Radioenlace Taller de Redes Inalámbricas
38 Conectores Muchos tipos de conectores, que varían según: Tipo (es decir, su forma) Género (macho o hembra) Polaridad Rosca Pérdidas (de 0.1dB a varios db) Impedancia Etc. página 7 Cálculo de Radioenlace Taller de Redes Inalámbricas
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