conceptos basicos sobre antenas

8/9/2019 Conceptos Basicos Sobre Antenas

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Conceptos bsicos sobre antenas


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ndiceConceptos bsicos sobre antenas ...................................................................................1ndice..............................................................................................................................2Agradecimientos ............................................................................................................3Introduccin...................................................................................................................4Generalidades sobre antenas..........................................................................................5

Antenas para emitir o para recibir? ..........................................................................5Atenuacin de la seal ...............................................................................................5

Tipos de antenas.............................................................................................................6Antenas Omnidireccionales .......................................................................................6

Definicin ..............................................................................................................6Antena isotrpica ...................................................................................................6Antenas omnidireccionales reales..........................................................................7

Antenas direccionales ................................................................................................8Definicin ..............................................................................................................8Antena direccional normal .....................................................................................8Antena Direccional parablica...............................................................................9

Frecuencias ..................................................................................................................11Frecuencias utilizadas..............................................................................................11

Porqu 24GHz?.................................................................................................11Nueva banda a 5GHz ...........................................................................................11

Ocupacin de frecuencias ........................................................................................12Conclusiones ................................................................................................................13Comentarios del autor..................................................................................................14


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AgradecimientosDeseo agradecer a la comunidad de Wireless-Station del Prat de Llobregat(www.wireless-station.com) el foro donde empec a involucrarme en el tema.

Tambin deseo agradecer muchsimo a mis fabulosos ex compaeros de GTD suestupendo regalo de despedida que me ha permitido poner en prctica todos estos

conocimientos y colaborar con toda aquella gente que desea un futuro WiFi ;-). Ysobretodo a OLO, ya que sin sus incansables respuestas a mis constantes dudastcnicas nada de esto habra sido posible.

Tambin, como no, a mi ex novia por dejarme siempre en el momento msinoportuno, dndome as ms tiempo libre para destinar a esas cosas que a mi megusta llamarI+D.
http://www.wireless-station.com/http://www.wireless-station.com/


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IntroduccinEste documento ha sido preparado para todos aquellos que no estn muyfamiliarizados con los trminos que normalmente se usan en el mundo de las antenas.

Adems este documento est especialmente dirigido a las aplicaciones para antenasWireless y para el mundo de las redes inalmbricas en general: nodos, access points,

backbones...

Es muy importante para dimensionar cualquier sistema de telecomunicacionesconocer las ventajas e inconvenientes de cada tipo de antena para evitar problemastanto en el momento de la instalacin como otros problemas ms difciles de arreglaren un futuro (saturacin de frecuencias, interferencias, ecos,...).


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Generalidades sobre antenasAntes de empezar hay algunas cosas interesantes sobre las antenas. Cuanto msconozcamos las herramientas que vamos a usar mejor podremos determinar quantena necesitamos.

Antenas para emitir o para recibir?

Cuando hablamos de antenas nos referimos por igual de antenas para emitir que pararecibir. La antena propiamente tiene las mismas caractersticas para ambas tareas. Asque la misma precisin que tiene para enviar en una determinada direccin es la quetiene para recibir en esa direccin.

Atenuacin de la seal

Tenemos dos factores que atenan la seal a medida que avanza por el aire.

La atenuacin del aire no es muy importante, ya que el aire es bastante transparentepara frecuencias de microondas como las que usamos para Wireless.

La atenuacin que s es realmente importante es la dispersin de la seal debido a laforma de transmisin. La intensidad de seal se calcula en intensidad de campoelctrico por metro cuadrado. Como la seal sale de forma radial desde la antenahacia todas las direcciones, as si enviamos un vatio de potencia sta se reparte en laesfera alrededor de la antena, a medida que la seal se va alejando de la antena laesfera crece y la misma potencia se reparte en esta esfera mayor, as la intensidad dela seal por metro cuadrado ha bajado. Para hacernos una idea la intensidad de laseal disminuye a razn del cuadrado de la distancia (1/r donde r es la distancia a laantena).


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Tipos de antenasEn este primer apartado vamos a definir los dos tipos bsicos de antenas:Omnidireccionales y Direccionales. Tambin explicaremos el funcionamiento bsicode la antena Parablica, que a pesar de ser un caso particular de antena direccionaltiene suficiente inters para ser explicada aparte.

Antenas Omnidireccionales

DefinicinDefinimos una antena direccional como aquella que es capaz de radiar energa

prcticamente en todas direcciones.

Antena isotrpicaPara explicar mejor de qu se trata he hecho este esquema que intenta ser un diagramade radiacin de la antena. Un diagrama de radiacin sirve para determinar la energaradiada en cada direccin del espacio. Si analizamos esta antena veremos que en los

planos verticales (x, z) e (y, z) la cantidad de energa radiada es exactamente la mismaen todas las direcciones. Tenemos lo mismo para el plano horizontal (x, y). Esto nosindica que esta antena podr enviar o recibir seal con las mismas condiciones est enla posicin que est. Esta antena recibe el nombre de antena isotrpica.

x

y

Puntos que tienen nivel de seal = 1

y

z

x

z

Antena Isotrpica


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Antenas omnidireccionales realesEl uso habitual hace que una antena omnidireccional no emita exactamente en todasdirecciones, sino que tiene una zona donde irradia energa por igual (por ejemplo el

plano horizontal). Por ejemplo no nos puede interesar emitir o recibir seal de la parteque est exactamente encima de la antena, imaginmonos la antena de radio delcoche: difcilmente tendremos la fuente de seal exactamente encima de la antena, asque favorecemos la emisin o recepcin en otras direcciones (como puede ser el plano

horizontal) en detrimento de otras (el plano vertical). Nos puede parecer unafrivolidad despreciar un rango tan grande de direcciones, pero si tenemos en cuenta ladistancia entre la antena emisora y nuestra antena receptora nos daremos cuenta que elngulo respecto al plano horizontal de la antena es muy pequeo. Debemos tener encuenta tambin que en el plano horizontal s que el comportamiento es totalmenteomnidireccional. En el siguiente esquema podemos observar este comportamiento,fijmonos que la cantidad de seal enviada en direccin zes 0, en cambio la que seenva en las direccionesx ey es mxima, y entre los dos lmites hay una graduacin.

x

y


y

z

x

z

Antena Omnidireccional real

Podramos determinar la cantidad de energa en un ngulo de 45 sobre la verticaltrazando una lnea en el grfico y determinando la longitud del vector respecto del

mximo (si el grfico est normalizado el mximo siempre ser 1). Lo vemos en laprxima figura.


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z

x

45

30

0025

105625

Antenas direccionales

DefinicinLas antenas direccionales son aquellas que han sido concebidas y construidas parafavorecer que la mayor parte de la energa sea radiada en una direccin en concreto.Puede darse el caso en que se desee emitir en varias direcciones, pero siempreestaremos hablando de un nmero de direcciones determinado donde se encontrarnel lbulo principal y los secundarios.

Antena direccional normalCon las antenas direccionales descubrimos el trmino de lbulo principal, se trata dela direccin donde se proyectar la mayor parte de la energa. Como es imposible

hacer una antena que radie en una sola direccin nos interesar saber qu rango dedirecciones (o abertura) recibir el mayor porcentaje de energa. Nos interesar que ellbulo principal sea lo ms estrecho posible, as ganamos en direccionalidad, peroesto repercute directamente en el coste econmico de la antena.

Tambin tendremos, por el simple hecho de trabajar en un medio fsico no ideal, unnmero determinado de lbulos secundarios. Estos lbulos proyectarn energa endirecciones que no son la deseada, o en caso de recepcin nos captarn seales que no

provienen directamente de nuestra fuente, captando ecos y reflexiones o interferenciasde otras fuentes. Normalmente nos interesar una relacin entre el lbulo principal ylos secundarios lo ms grande posible.

Para entender como puede afectar eso usaremos el ejemplo de antena direccional quems hemos visto: la antena de recepcin de televisin del tejado de nuestra casa. Estaantena se compone de una barra con unas espinas horizontales y detrs de todo tieneotras dos barras con espinas en una disposicin de V. La disposicin horizontal deesas espinas se debe a la polarizacin de la seal, en Inglaterra por ejemplo serianverticales, esto depende de cmo se emite la seal. La barra central se encarga derecibir la seal, esta barra apunta directamente al repetidor de televisin ms prximo,cuanto ms alineada est la antena con el repetidor mejor es la calidad de la seal querecibimos, entonces tenemos el lbulo principal apuntando directamente al repetidor.

Las dos barras de la parte de atrs de la antena puestas en forma de Vson reflectores,y se encargan de aprovechar mejor la seal que nos llega, es una manera de utilizar laforma de la antena a nuestro favor. La antena tambin puede recibir seal desde la

parte de atrs, imaginemos, por ejemplo en medio de una ciudad donde nuestra antena


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apunta al repetidor pero detrs tenemos un edificio que nos refleja la seal y nos ladevuelve a la antena, como esta seal habr recorrido una distancia mayor que elseal que nos llega directamente por la parte de delante de la antena, el nuevo sealno coincidir del todo con el original, as se nos formar el molesto efecto de imagendoble. Una buena manera de solucionar este problema es haciendo que la sealreflejada sea muy dbil respecto a la original, y esto se consigue consiguiendo unarelacin muy alta entre el lbulo principal (delante) y el lbulo secundario (detrs),claro que para esto deberemos gastarnos ms dinero en una antena de ms calidad.


y

z

x

z

x

y

Antena Direccional real

Otra de las finalidades de las antenas direccionales es la confidencialidad. Sidifundimos nuestra informacin en todas direcciones cuando realmente slo queremosllegar a un punto corremos ms peligro de que nuestros datos confidenciales puedanser captados por alguien que no nos interesa.

Otra aplicacin importante es para evitar la saturacin de frecuencias, ya que siusamos una frecuencia en un camino muy recto entre dos antenas direccionales lo queconseguimos es dejar el resto de espacio disponible para usar esa misma frecuencia.

Antena Direccional parablicaUn caso especial dentro de las antenas direccionales son las antenas parablicas. Sutopologa las hace muy adecuadas para una gran direccionalidad y para evitar ladebilitacin de la seal en la distancia.


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Usando un reflector con forma parablica conseguimos que la seal que se radia deforma radial pase a ser una onda plana, as desaparece la dispersin de la energa en ladistancia. Recordemos que para cualquier antena la atenuacin de la seal es de 1/radems de la atenuacin propia del aire. Con una onda plana la energa slo tiene laatenuacin del aire que es muy leve.

El esquema nos muestra como se consigue este efecto:

Foco de la parbola

Onda planaReflectorparablico


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Frecuencias

Frecuencias utilizadas

Segn los estndares 802.11 las frecuencias que podemos utilizar paracomunicaciones Wireless son aquellas destinadas a libre uso a 24GHz y 5GHz.

La ley en Espaa nos restringe todava ms el uso de estas frecuencias ya que la bandade 5GHz est destinada a usos militares. Estamos a la espera de que se destine a usocivil esta frecuencia en breve (aunque las cosas de palacio...). La segunda restriccinimportante que tenemos es la potencia con la que podemos transmitir. Por ahora ellmite est en 100mW sin amplificacin, a la espera tambin de que se ample a 1W(alguien dice que ya est aprobado... falta ver el BOE para confirmarlo ;-) )

Porqu 24GHz?La primera frecuencia que se homolog para poder ser utilizada para comunicacionesdigitales inalmbricas es la de 24GHz. Se escogi esta frecuencia porque es una

banda destinada a uso libre de radioaficionados, con las limitaciones que hemoscomentado anteriormente, y que dependiendo de los pases dispone de ms o menoscanales, ya que no todos los pases siguen al pie de la letra las recomendaciones de laUIT.

La banda de 24GHz est dentro de la zona de lo que se llaman microondas. Estabanda tiene la peculiaridad que a estas frecuencias existe muy poco ruido. Adems altratarse de frecuencias prximas a las de la luz visible tienen un comportamiento

bastante similar a sta, con la pequea ventaja de que al ser longitudes de onda mslargas objetos pequeos como vegetacin o tabiques son bastante transparentes a laseal, esto nos permite que no siempre tengamos que tener visin directa entre emisor

y receptor. Con otros elementos tambin existen reflexiones especulares, esto haceque queden iluminadas zonas que a simple vista no tendran porque tener seal.

Los principales enemigos de las ondas electromagnticas en las que viajan nuestrasseales son los metales. Los metales son totalmente opacos, esto hace que un edificiode hormign armado nos pueda bloquear la seal si se encuentra entre nuestro emisory nuestro receptor. Algo parecido pasa con los coches (por esto llevan la antena de laradio y del mvil fuera), aunque si los cristales no llevan plomo nos permitan teneralgo de cobertura en el habitculo. Otra pared importante para nuestra seal es la torredel ordenador, ya que es una gran pantalla electromagntica para evitar que sealesexternas afecten al funcionamiento del ordenador, de este modo siempre ser mucho

ms efectiva una antena que podamos colocar encima de la torre que no una que estjusto detrs (como la mayora de tarjetas PCI Wireless).

Nueva banda a 5GHzA medida que las tecnologas Wireless fueron avanzando se vio la necesidad de tenerms ancho de banda. As fue como se homolog la banda de 5GHz. La eleccin deesta frecuencia no es gratuita, ya que es aproximadamente el doble de la de 24GHz.

Por su forma una antena est destinada a una frecuencia en concreto: su longitud esproporcional a la longitud de onda de la frecuencia que deseamos transmitir o recibir.De este modo la antena ya ser el primer filtro que nos facilitar la entrada de sealesde las frecuencias que queremos y atenuar otras frecuencias no deseadas. Losmnimos de atenuacin se encuentran en mltiples de la frecuencia principal. Asnuestra antena de 24GHz ser muy buena a esta frecuencia y bastante buena a 5GHzque es el doble de la frecuencia principal.


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Existe un precedente muy conocido de esto que os acabo de explicar. Seguramentetodos recordaris que hace unos cinco aos aparecieron los telfonos mvilesduales. Estos telfonos permitan utilizar la frecuencia hasta entonces utilizada paraGSM de 950MHz y adems la nueva frecuencia de GSM-1800: 1800MHz, casi eldoble, como en el caso del Wireless.

Esta estrategia permite crear una nueva tecnologa totalmente compatible con unatecnologa anterior, aprovechando as el ancho de banda de ambas tecnologas. En supoca una estacin base de GSM permita 600 llamadas simultneas, y GSM-1800

permita 3000, de este modo las nuevas instalaciones se hacan con GSM-1800 perodejaban totalmente funcionales las instalaciones antiguas de GSM.

Ocupacin de frecuencias

Cuando utilizamos un canal para conectar dos ordenadores (o un ordenador y unAccess Point) este canal queda inutilizable para ninguna otra conexin. El nmero decanales que tenemos en la banda de Wireless es limitado, as nadie podr utilizar elcanal que estamos usando en cualquier parte donde llegue nuestra seal.

Esto nos tiene que hacer reflexionar sobre como dimensionar nuestras instalaciones.Ya que si utilizo una antena de 14dbi que puede alcanzar unos 600 metros paraconectar dos ordenadores que estn a escasos 15 metros no permitir a nadie reutilizarla frecuencia de mi canal en este radio de 600 metros. Si en nuestra zona nadie msutiliza Wireless no pasar nada, pero cada da son ms las personas que utilizan estatecnologa, sobretodo en las grandes ciudades.

Hay otro aspecto que nos tiene que hacer desistir de comprar la mayor antena delmercado: la seguridad. Como todos sabemos en las comunicaciones telemticas laseguridad nunca es absoluta, as que un modo bastante eficaz de evitar que otros

puedan acceder a nuestras comunicaciones es hacer que el seal se difunda de laforma ms restringida posible. As nos puede ser til usar antenas de la potencia justa

para llegar donde queremos llegar, o si tenemos que interconectar dos edificios ynuestra seal tiene que salir al espacio pblico quiz la mejor opcin ser usar antenasdireccionales apuntadas entre ellas. Esta ser una buena solucin para la interconexindeAccess Points de distintas redes: backbones.


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ConclusionesDespus de observar detenidamente el mundo de las antenas nos damos cuenta deque, aparte de ser una parte vital de nuestro sistema, tenemos muchas cosas acontemplar respecto a cmo utilizarlas de forma responsable y ordenada.

Es muy importante para evitar problemas en nuestras redes, tanto ahora en cuanto a

seguridad como en un futuro con la saturacin de frecuencias, tener en cuenta todo loexpuesto en este documento.


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Comentarios del autorEste documento ha sido redactado por Ferm Tany, ingeniero tcnico de sistemas detelecomunicaciones, para colaborar con las emergentes comunidades Wireless.

Espero vuestros comentarios, crticas y aportaciones sobre este documento. Lospodis mandar a [email protected].
mailto:[email protected]:[email protected]

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