características y parámetros de antenas en enlaces de radiocomunicaciones
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En este informe analizaremos los principales parámetros que rodean a las antenas en enlaces de radiocomunicacionesTRANSCRIPT
INGENIERÍA ENTELECOMUNICACI
ONES
Características y Parámetros de Antenas en Enlaces de Radiocomunicaciones
NOMBRE: Jefferson PobleteCARRERA: Ingeniería en TelecomunicacionesASIGNATURA: Física Aplicada a TelecomunicacionesPROFESOR: Manuel Pérez FECHA: 15/10/2015
Características y Parámetros de Antenas en Enlaces de Radiocomunicaciones
Jefferson Poblete
Ingeniería en Telecomunicaciones Conectividad y Redes, INACAP, Temuco
Abstrac – En este informe analizaremos los principales parámetros que rodean a las antenas en enlaces de
radiocomunicaciones. Estos parámetros se comprobaran mediante ejemplos con valores reales.
El principal parámetros en el que nos concentraremos es en el patrón de radiación de una antena, ya que este grafico nos puede entregar muchos datos y valores de los principales parámetros que rodean a una antena, como su ganancia, directividad, ancho de haz, relación frente/atrás, etc.
I. Introducción
En este informe se analizaran, estudiaran y calcularan los principales parámetros en enlaces de radiocomunicaciones asociados a antenas utilizadas en aplicaciones terrestres y satelitales.
Esto se hará mediante ejemplos que contengan valores reales de parámetros de antenas frecuentemente utilizadas en las aplicaciones ya descritas.
II. Desarrollo de Contenidos
A. Objetivos
- Analizar y calcular los diferentes parámetros relevantes asociados a antenas en un enlace de radiocomunicaciones.
- Analizar las características de los diferentes tipos de
antenas.
- Interpretar de forma correcta el “Diagrama de radiación”
B. Desarrollo
Conceptos teóricos:
1) Radiocomunicación: hace referencia al envió de datos o voz a través de ondas electromagnéticas en el rango de las radiofrecuencias. Pero solo se ocupa una porción del espectro de radiofrecuencia, esto es desde los 500 MHz hasta los 300 GHz o aún más, las ondas que están en este rango de frecuencia también se denominan “microondas”.
2) Bandas de frecuencia:
Son intervalos de frecuencias en el que el espectro de radiofrecuencia está dividido y regulado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones.
Las principales bandas de frecuencias en que los servicios de telecomunicaciones trabajan son:
VHF: Muy alta frecuencia
Rango de frecuencias: 30–300 MHz
Rango de longitudes de onda 10 m – 1 m
Usos: FM, Televisión, Comunicaciones con aviones a la vista entre tierra-avión y avión-avión, Telefonía móvil marítima y terrestre, Radioaficionados, Radio meteorológica
UHF: Ultra alta frecuencia
Rango de frecuencias: 300–3000 MHz
Rango de longitudes de onda: 1 m – 100 mm
Usos: Televisión, Hornos microondas, Comunicaciones por microondas, Radioastronomía, Telefonía móvil, Redes inalámbricas, Bluetooth, ZigBee, GPS, Comunicaciones uno a uno como FRS y GMRS, Radio afición
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SHF: Súper alta frecuencia
Rango de frecuencias: 3–30 GHz
Rango de longitudes de onda: 100 mm – 10 mm
Usos: Radioastronomía, Comunicaciones por microondas, Redes inalámbricas, radares modernos, Comunicaciones por satélite, Televisión por satélite, DBS, Radio afición
3) Elementos de un sistema de radiocomunicación:
- Transmisor: Es el encargado de generar una potencia
- Línea de transmisión: es el encargado de comunicar el transmisor con la antena.
- Antena transmisora: Radia la potencia que le llega desde transmisor. Dependiendo de sus características, esta potencia se radiara más o menos eficiencia.
- Onda en el espacio: La onda esférica radiada se visualiza como plana cuando llega a la antena receptora que se encuentra en campo lejano
- Antena receptora: Es la encargada de absorber la potencia que llega desde la antena transmisora. Sus características determinan la eficiencia con la que absorbe la señal.
- Receptor: Recibe la potencia que absorbe la antena receptora.
Figura 1. Diagrama esquemático y de flujo de un sistema de radiocomunicación.
4) Tipos de antenas:
Existen tres tipos básicos de antenas:
4.1) Antenas de hilo:
La que está constituida por un conductor de hilo,
generalmente en posición vertical. Este tipo de antenas se utilizan mucho en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. También existen arreglos (agrupaciones) de antenas con hilos.
Algunos ejemplos de estas antenas son:
- El monopolo vertical
- El dipolo
- Antena Yagi (variación del dipolo)
- La antena espira
- La antena helicoidal
Figura 2. Antena Yagi.
4.2) Antenas de apertura
Estas antenas utilizan aperturas o superficies para direccionar la señal de radiofrecuencia de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección.
Se utilizan tanto en enlaces terrestres como satelitales, por lo que pueden trabajar en diferentes bandas de radiofrecuencias.
Ejemplos de este tipo de antenas:
- Antena de bocina
- Antena parabólica
- Antena parabólica del Radar Doppler
- Superficies reflectoras en general.
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Figura 3. Antena Parabólica.
4.3) Antenas planas:
También son llamadas antenas microstrip (microtira). Estas antenas son impresas en un circuito. Sus dimensiones se eligen de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiación.
Su impacto visual es menor al de otro tipo de antes.
Figura 4. Antena Plana.
Por otra parte el conjunto de antenas (array) también suele considerarse otro tipo de antenas.
Este tipo de antenas están formadas por un conjunto de dos o más antenas ordenadas de tal manera que en su conjunto se comporten como una única antena con un único diagrama de radiación.
Su característica principal es que estas antenas pueden modificar su diagrama de radiación, pudiendo adaptarlo a diferentes necesidades. Esto se consigue controlando diferentes parámetros de cada uno de los elementos del sistema, tales como inclinación de la antena, potencia de transmisión, adaptación al ruido del ambiente, etc.
Su principal uso es en la telefonía móvil.
Figura 5. Antenas Array.
5) Principales parámetros asociados a antenas utilizadas en enlaces de radiocomunicaciones:
Acotación: siguiendo el principio de reciprocidad, no importa si la antena se utiliza para
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transmitir o recibir, los parámetros de la antena serán en ambos casos los mismos.
Estos parámetros se clasifican en dos grandes categorías:
Parámetros Circuitales:
5.1) Impedancia de entrada: La antena posee una resistencia compleja (Za)
Esta resistencia compleja está compuesta por:
Resistencia de radiación (Rr): Al conectar el transmisor a la antena, la relación de diferencia de potencial (V) e intensidad de corriente (I) que se genera en los terminales de la antena permite a esta modelarla como una resistencia que varía en su valor con las distintas frecuencias que se utilicen.
Resistencia de pérdidas (R): Representa la potencia disipada en la superficie de los conductores de la antena.
Reactancia de la antena (jXa): Representa la inductancia de los conductores de la antena (energía magnética) y su capacitancia (energía eléctrica) respecto a tierra. Estas reactancias son responsables en los circuitos AC de pérdidas de potencia en forma de "pérdidas reactivas de potencia", que no disipan calor, pero que están ahí.
La fórmula para calcular esta resistencia compleja es:
𝑍a= 𝑉/𝐼 = 𝑅𝑟 + 𝑅Ω + 𝑗Xa
5.2) Temperatura de la antena: Es el ruido irradiado por los cuerpos que están en la trayectoria de la señal, tales como el suelo de la tierra o incluso el sol en caso de transmisiones satelitales.
Parámetros Espaciales:
5.3) Diagrama de radiación: Es el grafico en 3D en donde se presentan distintos parámetros de la antena. Los principales valores que nos entrega este grafico son:
- La potencia de radiación
- Ganancia
- Campo magnético
- Campo eléctrico
- Ancho de haz
- Directividad.
- Entre otros.
El patrón de radiación es la forma característica en que una antena radia energía. Una antena se diseña de modo que radie más potencia en una dirección que en otras, dependiendo de la utilización que se le quiera dar a la antena. Según la forma que tenga este patrón, se dice que existen antenas omnidireccionales y directivas.
Antenas omnidireccionales: Aunque la palabra “omni” nos diga que irradia energía en todas las direcciones, su radiación tiene forma similar a una dona sin agujero, por lo que no radia energía hacia arriba o abajo.
Figura 6. Diagrama radiación antena dipolo
Antenas directivas: Tiene un patrón de radiación similar al haz de luz de un proyector.
Figura 7. Diagrama radiación antena yagi
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Figura 8. Diagrama radiación antena bocina cónica
5.4) Ganancia: es una indicación de la capacidad de la antena para conducir la potencia radiada en una determinada dirección.
No se puede hablar de ganancia sino tenemos algo con que comparar nuestra antena, por eso se creó el radiador isotrópico. El radiador isotrópico es una antena omnidireccional imaginaria que radia la misma potencia en todas las direcciones (posee una forma esférica).
La ganancia de una antena transmisora se calcula comparando la potencia radiada en la dirección de máxima radiación (a una distancia dada) con la que radiaría a esta misma distancia un radiador isotrópico que radiase la misma potencia.
Densidad de potencia isotrópica:
𝑆𝑖 = 𝑃𝑇 / 4π 𝑟2
Si= densidad de potencia isotrópica, en W/m2.
PT = potencia radiada o transmitida, en W.
r= distancia radial desde el radiador, en m.
Figura 9. Ganancia de antena dipolo
5.5) Área equivalente: Es el área del cual la antena
receptora absorbe potencia de la onda de radiofrecuencia
que pasa por ella, para entregarla al receptor.
La antena es más eficiente para absorber potencia desde una dirección que desde otras. Por tanto, la antena receptora tiene ganancia, y la potencia que absorbe depende de su tamaño físico y de su ganancia.
Según el principio de reciprocidad, la ganancia de la antena es la misma si se utiliza para transmitir o recibir una señal.
Área equivalente de absorción.
𝐴𝑒𝑞 = 𝑃𝑅 / S
Aeq = área equivalente de absorción, en m2.
PR = potencia absorbida o recibida, en W.
S = densidad de potencia transmisora, en W/m2.
𝐴𝑒𝑞 = 𝜆2*𝐺𝑅 /4π
Aeq = área equivalente de absorción, en m2.
λ = longitud de onda de la onda, en m.
GR = ganancia de la antena receptora
Figura 10. Área equivalente de absorción.
5.6) Polarización: Se le llama polarización de la antena a la polarización del campo eléctrico respecto a un plano de tierra dado.
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Figura 11. Ejemplos de polarización horizontal
(izquierda) y vertical (derecha).
III. Conclusiones
- Analizamos y comparamos las características de algunos tipos de anten.as.
- Mediante ejemplos con valores reales se comprobó el comportamiento de los principales parámetros que rodean a las antenas en enlaces de radiocomunicaciones.
- Se logró realizar una mejor interpretación del patrón de radiación de una antena.
Referencias
[1] https://es.wikipedia.org/wiki/Antena
[2]https://unexpocom.files.wordpress.com/2013/02/
radiocomunicaciones.pdf
[3] https://sites.google.com/site/equiposdeimagengmfp/1-
transmision-de-television/2-antenas-de-television/
parmetros-de-una-antena.
[4] http://ocw.upm.es/teoria-de-la-senal-y-comunicaciones-
1/radiacion-y-propagacion/contenidos/apuntes/
tema2_2004.pdf
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ANEXOS
PAUTA CORRECCION INFORME TELECOMUNICACIONES
Nota: El informe debe ser desarrollado en un máximo de 6 hojas tamaño carta en formato IEEE.
Esta pauta debe ser anexada al informe.
ITEM ASPECTO A EVALAUAR OMITIDO
REGULAR BUENO MUY BUENO TOTAL
1 Portada, introducción y/o objetivos 0 3 5 72 Capacidad de análisis y selección de
información.0 5 10 15
3 Capacidad de síntesis y elaboración de la información.
0 5 10 15
4 Capacidad de compromiso con el trabajo encomendado.
0 5 10 15
5 Capacidad de relacionar conceptos principales a abordar de acuerdo al tema asignado.
0 10 15 20
6 Capacidad de relacionar aspectos teóricos relevantes respecto al tema asignado
0 10 15 20
7 Capacidad de asignar ejemplos relacionando el tema al área de las telecomunicaciones.
0 10 15 20
8 Conclusiones con aspectos relevantes y conocimientos adquiridos
0 5 10 15
9 Bibliografía 0 5 10 15
8
10 Formato IEEE 0 3 5 7
Rubrica para Evaluar informe técnico abordado por los estudiantes Proyecto: Escala de Calificación
Muy Bueno Bueno regular Omitido o Insuficiente
Dimensiones o Aspectos a Evaluar.Entrega del trabajo
La entrega fue realizada en el plazo acordado7 Pts.
La entrega se realizó fuera de plazo, pero con justificación oportuna.5 Pts.
La entrega se realiza fuera de plazo, pero con justificación inoportuna. 3 Pts.
El trabajo se entrega fuera de plazo.0 Pt.
Portada e IntroducciónÍtem : 1
Plantea clara y ordenadamente el tema del trabajo y su importancia. 7 Pts.
Plantea en forma clara y ordenada, pero muy breve el tema del trabajo y su importancia. 5 Pts.
Plantea en forma confusa el tema del trabajo y su importancia. 3 Pts.
No se plantea la introducción0 Pt.
Organización del tema.Ítem: 2, 3 y 4
La información está muy bien organizada con párrafos bien redactados y con subtítulos. 45 Pts.
La información está organizada con párrafos bien redactados.30 Pts.
La información está organizada, pero los párrafos no están bien redactados.15Pts.
La información proporcionada no parece estar organizada.5 Pts.
Calidad de la información Ítem: 5, 6 y 7
La información está claramente relacionada con el
La información da respuesta a las los objetivos planteados
La información da respuesta a las ideas principales,
La información tiene poco o nada que ver con los
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tema principal del informe y proporciona varias ideas secundarias y/o ejemplos 60 Pts.
el ideas principales y secundariasy/o ejemplos.45 Pts.
pero no da detalles y/o ejemplos.30 Pts.
objetivos planteados.10 Pts.
Diagramas y esquemas Ítem: 5, 6 y 7
Los diagramas y esquemas son ordenados, precisos y añaden al entendimiento del tema. 15 Pts.
Los diagramas y esquemas aportan al entendimiento del tema.10 Pts.
Los diagramas y esquemas no aportan al entendimiento del tema. 5 Pts.
No existen diagramas ni esquemas en el informe.0 Pt.
Conclusiones Ítem: 8
La conclusión incluye los aspectos relevantes del tema abordado y lo que se aprendió con el informe realizado. 15 Pts.
La conclusión incluye solo lo que fue aprendido del trabajo.10 Pts.
La conclusión incluye solo los aspectos relevantes del informe.5 Pts.
No hay conclusión incluida en el informe.0 Pt.
Bibliografía Ítem 9
Todas las fuentes de información están documentadas.15 Pts.
La mayoría de las fuentes de información están documentadas.10 Pts.
Alguna de las fuentes de información está documentadas.
Ninguna fuente de información está documentada. 0 Pt.
Formato IEEEItem:10
El informe se ajusta al formato IEEE con un máximo de 6 hojas7 Pts.
El informe se ajusta al formato IEEE. Con más de 6 Hojas.5 Pts.
El informe se ajusta parcialmente al formato IEEE. Con un máximo de 6 hojas.3 Pts.
El Informe no se ajusta al formato IEEE.0 Pt.
Puntaje ideal 171 Puntos Puntaje Total NotaObservaciones:
Pauta de Evaluación de Disertación (20 min. Máximos)Introducción: Existe una presentación clara de los
objetivos y estructura de la disertación. Se explica el tema a abordar. 3 puntos.
Sólo se presenta parte de los elementos esenciales, pero en algo contribuye a la comprensión del tema. 2 puntos.
No se percibe una introducción clara. Cumple con lo mínimo (presentación de objetivos)
1 punto.
Desarrollo de los contenidos:
Desarrolla los contenidos en forma adecuada, con la complejidad y profundidad requerida por el tema.
3 puntos.
Su desarrollo del tema es correcto, pero no se profundiza en algunos contenidos de importancia. 2 puntos.
Los contenidos presentados son muy pobres, no están desarrollados en la profundidad requerida.1 punto.
Claridad y Se expresa con fluidez, coherencia y Su exposición no es fluida, lo La exposición no es clara ni
10
coherencia de la exposición :
claridad.
3 puntos.
que afecta la coherencia y claridad 2 puntos.
coherente.
1 punto.Dominio del tema:
Demuestra dominio del tema y explica sin necesidad de leer.
6 puntos.
Domina el tema, pero se apoya en la lectura durante algunos pasajes de su exposición.5 puntos.
Presenta problemas conceptuales que demuestran que no domina el tema por Completo. Lee parte de la exposición. 4 puntos.
Conclusión: Se produce un cierre adecuado, en el que se sintetiza el trabajo expuesto y se ofrece la palabra al público a través de preguntas o presentación de inquietudes. 3 puntos
Sólo se produce un cierre en el que se ofrece la palabra al público.
2 puntos.
No hay claridad en el término de la actividad. No hay acción sintetizadora.
1 punto.Material de Apoyo:
Existe un material de apoyo que motiva la atención del público. Es ordenado y completo. No presenta faltas de ortografía y es pertinente al tema.
6 puntos.
El material de apoyo es pertinente, sin embargo, es presentado de manera poco didáctica (amontonado). Presenta leves faltas ortográficas. Aporta a lo señalado en la disertación. 5 puntos
El material de apoyo es mínimo. Presenta serias fallas en cuanto a vocabulario y ortografía. Poco claro.
4 puntosPresentación personal:
Presentación de los alumnos es formal.
6 puntos.
Presentación de los alumnos es semi- formal.5 puntos.
Presentación de los alumnos no es formal.1 Punto.
Tiempo: La exposición se adecua al tiempo indicado.3 Puntos
La exposición se excede al tiempo asignado.2 Puntos
La exposición es demasiado breve o no expone.1 Punto.
Puntaje ideal
33 Puntos Puntaje Total Nota
Observaciones:
11