clase 1 - antenas 2012
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1
Medios de acceso
inalámbricos
Maestría en TelecomunicacionesFacultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires - Argentina
Ing. Fernando Bonelli
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2
Introducción
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3
Introducción
• Propagación de las ondas de radio:
– Antenas
– Estudio de la propagación y sus anomalías.
– Propagación en espacio libre.
– Propagación real en presencia de la Tierra y
la atmósfera.
– Fenómenos que producen desvanecimiento.
Cálculos de enlaces
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Introducción
• Propagación de radio en el contexto móvil
– Modelos de Propagación
– Trayectos múltiples.
– Desplazamiento de frecuencia o efecto Doppler.
– Propagación en ambientes interiores o en medio urbano denso.
– Modelos de predicción. Fórmula empírica de Okumura-Hata. Modelo empírico de Walfish-
Ikegami/COST231.
– Propagación en el interior de edificios. Modelo
empírico de Motley.
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Bibliografía
• Microwave Radio Links from Theory to Design
– Carlos Salema – Ed: John Wiley & Son
• Antenas y Propagación Volumen I y II.
– Francisco Tropeano – Editorial Alsina.
• Satellite Communications
– Timothy Pratt, Charles W. Bostian y jeremy Allnut -Ed: John Wiley & Son
• RF and Microwave Wireless Systems
– Kai Chang - Ed: John Wiley & Son
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Conceptos
Generales
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7
Ondas de Radio
Características de propagación
Onda de tierra: Frecuencias inferiores a 3 MHz. Alcances largos.
Onda ionosférica: Entre 3 y 30 MHz. Grandes alcances.
Onda espacial: Frecuencias superiores a 30 MHz:
• Onda directa: alcanza el receptor de manera directa
• Onda reflejada: conecta transmisor y receptor a través de una
reflexión
• Ondas por reflexión multitrayecto
Onda dispersión troposférica: Reflexiones en turbulencias de
capas de la troposfera
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8
Ondas de Radio
Características de propagación
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9
Bandas de Frecuencias
30 a 300 GHzEHF (Extra High Frequency)Frec. Extremadamente
altas
3 a 30 GHzSHF (Super High Frequency)Frecuencias super altas
300 a 3000 MHzUHF (Ultra High Frequency)Frecuencias ultra altas
30 a 300 MHzVHF (Very High Frequency)Frecuencias muy altas
3 a 30 MHzHF (High Frequency)Frecuencias altas
300 a 3000 KHzMF (Medium Frequency)Frecuencias medias
30 a 300 KHzLF (Low Frequency)Frecuencias bajas
3 a 30 KHzVLF (Very Low Frequency)Frecuencias muy bajas
Rango de
Frec.
AbreviaturaDescripción
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10
Bandas de Frecuencias
Microondas
26 – 40 GHzKa
18 –26GHzK
12 – 18 GHzKu
8 – 12 GHzX
4 – 8 GHzC
2 – 4 GHzS
1 – 2 GHzL
Rango de
Frecuencias
Banda
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Esquema de un enlace
Pérdidas en el trayecto “Path Loss”: At. de Espacio Libre
Difracción
Reflexión
Dispersión
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Antenas
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Definición
• Una antena es un trasductor de corrientes
eléctricas en ondas electromagnéticas y viceversa.
• Son las interfaces entre los cables de alimentación
(o guías de onda) y el espacio libre. Permiten
acoplar el transmisor (o receptor) al medio de
propagación (espacio)
• Son bidireccionales (transmiten y reciben)
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Radiador Isotrópico
Coordenas esféricas
• Elemento de corriente
• Campo Lejano
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Radiador Isotrópico
• Vector de “Pointing”:
• Densidad de Potencia:
• Intensidad de radiación: Potencia Irradiada por
ángulo sólido:
Para un radiador Isotrópico:
( )*Re2
1HEP ×=
24 r
P
dS
dP Rad
iso ⋅=
π
( )Ω
=d
dPU φθ,
π4RadRad
iso
P
Esfera
P
d
dPU ==
Ω=
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Parámetros de una antena
• Directividad
• Ganancia - Eficiencia
• Diagrama de Radiación
• Ancho de Banda
• Polarización
• Impedancia
• ROE
• Area Efectiva
• Relación Frente-Espalda
• Temperatura de Ruido
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Directividad - Ganancia
Directividad o Ganancia: relación entre el máximo valor de potencia irradiada por la antena en una dirección por unidad de ángulo sólido respecto a la potencia media por unidad de ángulo sólido. Indica la capacidad de la antena de concentrar y dirigir la energía en una dirección determinada.
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Directividad
• Mide la capacidad de la antena de dirigir su
potencia hacia una determinada dirección
• Ganancia directiva:
• Directividad :
( ) ( )Ω
==d
dP
PU
UD
Radiso
πφθφθ
4,,
iso
MaxMax
U
UD =
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Directividad
• Densidad de potencia en función de la Ganancia Directiva
• Comparando con Radiador Isotrópico:
• En la dirección de máxima directividad es :
( )φθπ
,4 22
Dr
P
dr
dP
dS
dP Rad
⋅=
Ω=
( )22 4
,4 r
PIRED
r
PRad
⋅=
⋅ πφθ
π
MaxRAD DPPIRE ⋅=
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Ganancia - Eficiencia
• Ganancia:
• Eficiencia
( ) ( )Ω
==d
dP
PP
UG
TT
π
π
φθφθ
4
4
,,
( )( )φθ
φθ
,
,
D
G
P
Pe
T
Rad ==
MaxTMaxRAD GPDPPIRE ⋅=⋅=
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Ganancia
• La Directividad es un valor teórico que no incluye
pérdidas
• La ganancia incluye las pérdidas.
• Generalmente la ganancia es dato del fabricante
• En realidad una antena no “gana” potencia, sino
que se direcciona la energía en un sentido.
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Ganancia
• Se la suele relacionar con el Radiador Isotropico
(dBi), aunque también se lo puede referir al dipolo
de media onda (dBd).
• Conversión de dBi a dBd:
G[dBi]=2,14 dB + G[dBd]
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Diagramas de Radiación
• Es una representación gráfica de las propiedades
direccionales de una antena en el espacio.
• Se gráfica la potencia radiada, también puede ser del
campo eléctrico.
• Absolutos - Relativos
• Tridimensionales
• Bidimensionales: • Vertical
• Horizontal
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Diagramas de Radiación
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25
Diagramas Bidimensionales
Potencia
Intensidad de
campo En()
2
n nP (θ)=E (θ)
θ = 0θ = 0
Pn
En
1.0
1.0
0.707
0.5
HPBW
HPBW
FNBW = 74°
FNBW = 74°
= 40°
= 40°
(a) (b)
Diagrama de Campo
Diagrama de Potencia
• HPBW (Half Power Beam Width): Ancho de haz angular a un nivel de
media potencia (-3dB).
• FNBW (First Null Beam Width): Ancho del haz entre los primeros nulos.
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Nivel del 1er lóbulo lateral
Nivel del 2do
lóbulo lateral
- 9 dB
- 13 dB
Lóbulo posterior 180°
HPBW =
40°
FNBW = 74°
-180° -120° -60° 0° 60° 120° 180°
0
-3dB
-10
-20
-30
-40
(c)
dBs
Diagramas Bidimensionales
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Diagrama Tridimensional
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28
ONMIDIRECIONAL
360º
SECTORIAL
90º - 120º
BAJA DIRECTIVIDAD
YAGIS
ALTA DIRECTIVIDAD
PARABOLICAS
Tipos
Diagramas de Radiación
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29
0°
90°
180°
270°
LAS ANTENAS REDISTRIBUYEN LA ENERGIA EN EL ESPACIO
Ganancia de una antena directiva
GANANCIA
EN dBi
Referencia ( 0 dBi )
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Ancho de Banda
• El rango de frecuencia donde la antena mantiene sus características.
• La potencia radiada (o recibida) cae a la mitad (3 dB)
• No sobrepasa el ROE especificado.
• Para antenas de banda estrecha se suele referir como un porcentaje de la frecuencia de resonancia
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Polarización
Es la figura geométrica determinada por
el extremo del vector que representa al
campo eléctrico cuando se observa en el
sentido de propagación de la onda.
Polarización Elipse o Circular
Polarización Lineal: • Vertical
• Horizontal
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32
Polarización
• Polarización Lineal:
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Polarización
• Polarización Circular
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Impedancia
• Relación entre Tensión y Corriente en los terminales de la antena.
• La antena presenta una impedancia compleja Zi a la línea de Transmisión.
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La parte reactiva se debe a la energía almacenada en los campos cercanos a la antena.
La parte real es la suma de la resistencia ohmica y de radiación
• Resistencia Radiación: asociada a la energía
radiada
• Resistencia Ohmica: asociada a las pérdidas por
disipación de calor
Impedancia
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36
Impedancia
2
eficaz
RadRad
I
PR =
2
eficaz
T
I
PR =Ω
Ω+==
RR
R
P
Pe
Rad
Rad
T
Rad
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Relación de Onda Estacionaria
ROE
oi
oi
IC
REF
ZZ
ZZ
E
E
+
−==ρ
||1
||1
ρ
ρ
−
+=ROE
• Coeficiente de reflexión (ρ): Relación entre la onda
Incidente y reflejada en una carga ( Antena).
• ROE: Relación entre la amplitud máxima y mínima de onda
estacionaria
• ρ =0,13 => ROE: 1,3
• ρ =0,091 => ROE: 1,2• ρ =0 => ROE: 1
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Area Efectiva
• Es la relación entre la densidad de potencia
incidente y la potencia entregada en sus
terminales
• El campo eléctrico incidente genera una
corriente que irradia otro campo.
• Para reflector parabólico:
• Pot en los terminales:
π
λ
4
2GA ef =
efefc Ar
PIREA
dS
dPP ⋅
⋅=⋅=
2Re4π
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39
Reflector Parabólico
Donde:
– Diámetro de la parábola: d
– Eficiencia de apertura :
4
.
4
22 dGAef
ηπ
π
λ==
dAHaz
λº70=
2.
=
λ
πη
dG
6,05,0 ≤≤ η
Ancho del haz principal:
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40
Relación Frente - Espalda
• Relación entre el nivel de la señal del pico del haz
delantero con la señal detrás de la antena
• Se lo considera en sistemas de varios saltos para el
cálculo de interferencia.
• Se expresa en dB
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41
Ejemplos
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42
Ejemplos
![Page 43: Clase 1 - Antenas 2012](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051109/5498e37fac79590e2e8b57a6/html5/thumbnails/43.jpg)
43
Ejemplos
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44
Ejemplos
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45
Ejemplos
Antenas usadas en sistemas móviles
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46
Ejemplos
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47
Ejemplos
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48
Ejemplos
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49
Ejemplos
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50
Ejemplos
![Page 51: Clase 1 - Antenas 2012](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051109/5498e37fac79590e2e8b57a6/html5/thumbnails/51.jpg)
51
Ejemplos
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52
Ejemplos
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53
Ejemplos