PROPAGACIÓN Y ANTENAS

INDICE

INTRODUCCIÓN 01

CAPÍTULO 1CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES 02

1.1 Concepto de propagación 02

1.2 Ondas electromagnéticas 03

1.3 Propagación en el espacio libre 05

CAPITULO 2PROPAGACION DE ONDAS DE RADIO 14

2.1 Propagación de ondas de radio 14

2.2. Propagación en de ondas superficiales 15

2.3 Propagación por línea de vista 16

2.4 Propagación ionosférica 19

2.5 Propagación en ambiente móvil 20

CAPITULO 3ANTENAS 22

3.1 Concepto de antenas 22

3.2 Clasificación de antenas 23

3.3 Parámetros de antenas 26

CAPITULO 4ARREGLOS DE ANTENAS 32 4.1 Introducción 32

4 .2 Principios fundamentales de arreglos de antenas 32

4. 3 Parámetros de arreglos de antenas 33

4.3.1 Patrón de Radiación 33

4.3.2 Factor de Arreglo 35

4.3.3 Ancho de Haz 36

4.3.4 Directividad 37

4.3.5 Red de lóbulos 38

REFERENCIAS 44

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INTRODUCCION

Breve Historia

Aun cuando fueron necesarios muchos descubrimientos en el campo de la electricidad hasta llegar a la radio, fue en el año de 1873 en el que el físico británico James Clerk Maxwell publicó su teoría sobre las ondas electromagnéticas. Dicha teoría se refería sobre todo a las ondas de luz, pero quince años más tarde; en 1888 el físico alemán Heinrich Hertz logró generar eléctricamente tales ondas, para ello suministró una carga eléctrica a un condensador y a continuación le hizo un cortocircuito mediante un arco eléctrico. En la descarga resultante, la corriente saltó desde el punto neutro, creando una carga de signo contrario en el condensador y después continuó saltando de un polo a otro, creando una descarga eléctrica oscilante en forma de chispa. El arco eléctrico radiaba parte de la energía de la chispa en forma de ondas electromagnéticas.Hertz consiguió medir alguna de las propiedades de estas ondas “hertzianas” incluyendo su longitud y su velocidad y fue el primero en demostrar la existencia de la radiación electromagnética construyendo un aparato para producir ondas de radio.

En 1879 Hughes demostró la recepción de señales de radio procedentes de un emisor de chispas alejado un centenar de metros, haciendo circular corriente de una célula voltaica a través de una válvula rellena de limaduras de zinc y plata, las cuales se aglomeraban al ser bombardeadas con ondas de radio. Este Principio lo usó el físico británico Oliver J.Lodge en un dispositivo llamado cohesor para detectar las ondas de radio. El cohesor una vez convertido en un conductor se podía volver a aislante golpeándolo, haciendo que las partículas se separen.

Fue el ingeniero italiano Guglielmo Marconi quien a partir de 1895 fue desarrollando y perfeccionando el cohesor, conectándolo a una forma primitiva de antena con un extremo conectado a tierra. En 1896 consigue transmitir señales desde una distancia de 1.6 km, registrando así su primera patente inglesa.

En 1897 transmitió señales desde la costa hasta un barco a 29 km en alta mar, dos años más tarde logró, establecer una comunicación comercial entre Inglaterra y Francia capaz de funcionar con independencia del estado del tiempo y a principios de 1901 consiguió enviar señales a más de 322 km, así mismo a finales de ese año consigue transmitir una carta entera de un lado a otro del Océano Atlántico.[1]

A lo largo de estos años se introdujeron mejoras técnicas, por ejemplo para la sintonía se utilizaron circuitos resonantes dotados de inductancia y capacitancia; se descubrieron las propiedades direccionales de las antenas, se utilizaron transformadores para aumentar el voltaje enviado a la antena, se desarrollaron otros detectores para complementar al rudimentario cohesor y descohesor. De esta forma casi sin darnos cuenta y a lo largo de todo el siglo que acaba de pasar el mundo se inició en la era de la las Telecomunicaciones.

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CAPITULO 1

CONCEPTOS GENERALES Y DEFINICIONES

1.1 Concepto de Propagación

En los sistemas de comunicaciones basados en frecuencias no es práctico el uso de hilos para interconectar dos equipos en forma física debido a las grandes distancias que se deben recorrer para alcanzarse mutuamente.La propagación de ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar: propagación de radiofrecuencia (RF); las ondas electromagnéticas en el espacio libre pueden viajar a la velocidad de la luz. Sin embargo, en la atmósfera se producen perdidas en la señal que en el vacío no se encuentran

Las ondas electromagnéticas de radio que viajan dentro de la atmósfera terrestre se llaman ondas terrestres y las comunicaciones entre dos o más puntos de la tierra se llaman radiocomunicaciones terrestres. Las ondas terrestres, éstas se ven influenciadas por la atmósfera y por la tierra misma. En radiocomunicaciones terrestres las ondas se pueden propagar de varias formas, las cuales dependen de la clase del sistema de propagación y del ambiente.

Las ondas electromagnéticas transversales se pueden propagar a través de cualquier material dieléctrica incluyendo el aire. No obstante, las ondas no se propagan bien a través de conductores con pérdidas como ejemplo: el agua de mar debido a que los campos eléctricos en este tipo de materiales hacen que fluya corrientes que disipan con rapidez la energía de las ondas.Las ondas de radio se propagan por la atmósfera terrestre con energía transmitida por la fuente, posteriormente la energía se recibe del lado de la antena receptora. La radiación y la captura de esta energía son funciones de las antenas y de la distancia entre ellas.

Por último, no se podría hablar de comunicación por medio de ondas de radio a grandes distancias si no se toman en cuenta ciertos fenómenos como lo son la refracción, reflexión, dispersión y difracción; los cuales hacen posible la comunicación entre dos puntos más allá del horizonte.

1.1.1 Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética es un fenómeno complejo que podemos entender como diminutos paquetes de energía que se propagan en el aire y que podemos clasificar según su origen:

1. Radiación electromagnética de origen natural: se produce y pertenece a nuestro medio natural, las más importantes son:

• La luz solar (120 W/m2), que posibilita funciones como la fotosíntesis, indispensables para la vida, y que aunque también podría ser causa de radiaciones no-ionizantes, la atmosfera, ionosfera y magnetosfera nos protegen de esos efectos adversos

• El campo magnético terrestre, que es causa de los polos magnéticos Norte y Sur y que sirven a pájaros, peces, incluso a humanos, para su orientación

• Las tormentas eléctricas, que aunque tienen aspectos peligrosos, contribuyen a equilibrar la carga eléctrica de la tierra

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2. Radiación electromagnética de origen artificial: producida por el ser humano en las últimas décadas y en crecimiento exponencial, sometiendo a nuestro organismo a unos Campos Electromagnéticos a los que no está habituado de forma natural.

• Transmisión y distribución de corriente eléctrica• Electrodomésticos• Nuevas Tecnologías de la comunicación

La figura 1.1 nos permite conocer el Espectro Electromagnético asociada a la radiación electromagnética.

Fig. 1.1 Espectro Electromagnético.

1.2 Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son en esencia, la composición de la radiación electromagnética, es la combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. Además estas ondas son transversales entre sí, es decir son perpendiculares entre sí tal como se puede apreciar en la figura 1.2 Estas ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (300.000 Km/s), y se clasifican en función del número de ciclos u oscilaciones que hacen en un segundo (es decir, al recorrer 300.000 Km), lo cual quiere decir:

• Si hacen pocas oscilaciones decimos que son de baja frecuencia (por ejemplo, una onda que hace una sola oscilación en un segundo, decimos que tiene una frecuencia = 1 Hz y recorre con una sola oscilación 300.000 Km)

•• S hace muchas oscilaciones decimos que son de alta frecuencia (por ejemplo,

si una onda hace 1.000.000.000 oscilaciones en un segundo, decimos que tiene 1.000.000.000 Hz = 1 GHz, y recorre 0,0003 Km o 30 cm en cada oscilación de onda

El número de oscilaciones de las ondas es importante porque es un criterio que nos permiten clasificarlas en lo que denominamos espectro electromagnético.

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Fig. 1.2 Representación de una onda electromagnética

Analizando esta señal en el plano bidimensional podemos hallar la relación de sus parámetros, dado que es una señal periódica de período igual a T. La figura 1.3 nos muestra la comparación de dos señales periódicas de distintas frecuencias en un tiempo de 1s, Se observa que mientras la onda A realiza una vuelta, la onda B ha dado 10 vueltas en el mismo tiempo; esto implica que la longitud de onda de la primera onda es más grande que la de la segunda.

Fig. 1.3 Ondas armónicas temporales

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1.3 Propagación en el Espacio libre

Aunque el espacio libre realmente implica el vacío, es común decir espacio libre a la atmósfera terrestre, en consecuencia la propagación en el espacio libre es en realidad la propagación por la atmósfera terrestre. Para la propagación el espacio libre es un medio ideal, concebido como un medio homogéneo sin corrientes o cargas conductoras presentes y sin objetos que absoban o reflejen energía radioeléctrica. Pero en la práctica la atmósfera de la tierra introduce pérdidas de la señal que no se encuentran en el vacío.

Las ondas electromagnéticas se propagan a través de cualquier material dieléctrico incluyendo el aire, pero no se propagan bien a través de conductores con pérdidas como el agua de mar ya que los campos eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material disipando la energía de las ondas.

Otro aspecto que hay que resaltar es que en la propagación de las ondas a través del espacio libre existe un elemento fundamental que hace posible la propagación, sin la cual simplemente no existiría la propagación. La propagación en el espacio libre implica además conocer algunos aspectos relacionados a ella, tales como:

Pérdida básica de transmisión en el espacio libre. Densidad de potencia. Intensidad de campo. Ecuación de la densidad de Potencia Impedancia característica del espacio libre Rayos y frentes de ondas Atenuación y absorción de ondas Propiedades ópticas de las ondas de radio

Brevemente describiremos cada una de ellas:

1.3.1 Pérdida básica de transmisión en el espacio libre

Cuando se trata de un enlace punto a punto, es preferible calcular la atenuación en el espacio libre entre antenas isótropas, denominada también pérdida básica de transmisión en el espacio libre (símbolos: Lbf o A0) de la manera siguiente:

Lbf = 20log( 4 πdλ ) db (3)

Donde:

Lbf: : pérdida básica de transmisión en el espacio libre (dB)d: distanciaλ: longitud de ondad y λ se expresan en las mismas unidades.La ecuación (3) puede expresarse en función de la frecuencia, en vez de la longitud de onda:

Lbf = 32,4 + 20log f + 20log d (dB) (4)

Donde:f: frecuencia (MHz)d: distancia(Km)

1.3.2 Densidad de potencia

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La proporción en la cual la energía de la onda electromagnética, atraviesa por una superficie dada, en el espacio libre, se llama densidad espectral de potencia. Además dichas ondas representan el flujo de energía en la dirección de propagación.

En consecuencia la densidad de potencia es energía por unidad de tiempo y por unidad de área, la cual normalmente se da en watts por metro cuadrado. Para ondas electromagnéticas transversales (TEM) los campos y el flujo de potencia son mutuamente perpendiculares. La figura 1.4 muestra como viajan las ondas electromagnéticas en el espacio libre, desde un punto a otro.

Figura 1.4 Ondas electromagnéticas y su dirección de propagación.

1.3.3 Intensidad de campo

La intensidad de campo es la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética propagándose en el espacio libre.

Las unidades de la intensidad de campo eléctrico están dadas en Voltios por metro

1.3.4 Ecuación de la densidad de PotenciaLa densidad de potencia se puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos:

 

 Luego el módulo de la expresión anterior se puede expresar como:

P=E∗H W/m2

Donde:P: densidad de potencia W/m2

E: intensidad de campo eléctrico (valor eficaz) V/mH: intensidad de campo magnético (valor eficaz) A/m

1.3.5 Impedancia característica del espacio libre

La relación entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del campo magnético es la impedancia característica del medio: 

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Para el espacio libre esta relación viene dada por:

Z0=√ μ0

ε 0 ≈ 120 π ≈ 377 Ω

Donde:Z0: impedancia característica del espacio libre (ohms)μ0: permeabilidad magnética del espacio libre (1.26x10-6 H/m)ε0: permitividad eléctrica del espacio libre (8.85x10-12 F/m)

.3.6 Rayos y frentes de ondas

Mediante este concepto se busca analizar, relacionar e ilustrar los efectos de la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio vacío. El rayo es una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de una onda electromagnética. Los rayos se usan para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética; sin embargo, no necesariamente representan la propagación de una sola onda electromagnética.[3]

En cambio un frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante, las cuales se forman cuando se unen puntos de igual fase en rayos que se propagan en la misma fuente. En la figura 1.5 se aprecia  un frente de onda con una superficie que es perpendicular a la dirección de propagación, el cual es rectángulo ABCD. Cuando la superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación. Cuanto más cerca está de su fuente, el frente de onda se vuelve más complicado

Figura 1.5 Rayos atravesando un frente de onda rectangular

La forma geométrica del frente de onda depende de la forma de la fuente de ondas y del medio en el cual se propaga. Si el foco es puntual y el medio es isótropo (posee propiedades idénticas en todas las direcciones), los sucesivos frentes de onda son esferas concéntricas, cuyo centro común es la fuente; si el medio es bidimensional, resulta circunferencias concéntricas. Si el foco emisor posee forma lineal se obtiene una onda cilíndrica, que se propaga a lo largo de los radios a partir del eje del cilindro.

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La figura 1.6 ilustra un frente de ondas plano y un frente de ondas esférico.

Figura 1.6 Frente de ondas Plano y frente de ondas esférico

1.3.7 Atenuación y absorción de ondas

1.3.7.1 Atenuación

Aunque en el espacio libre o vacío se considera que no hay pérdida de energía, numerosos estudios pudieron comprobar que la onda sufre disminuciones en la densidad de potencia a medida que la onda electromagnética se aleja de la fuente que lo generó, debido a que al propagarse las ondas se separan entre sí y en consecuencia la cantidad de ondas por unidad de área es cada vez menor, lo que se traduce en una menor densidad de potencia. A este fenómeno se llama atenuación. Como la atenuación se debe a la dispersión esférica de la onda a veces se le denomina Atenuación Espacial de la Onda, esta atenuación se expresa en función del logaritmo de la relación entre densidades de potencia. Sus unidades son los decibelios (dB)Matemáticamente se expresa como:

γa=10 log( p1

p2) dB

1.3.7.2 Absorción

La atmósfera terrestre no es enteramente vacía, está formada por átomos y moléculas de sustancias gaseosas, líquidas y sólidas. Cuando la onda electromagnética se propaga por la atmósfera se produce una transferencia de energía hacia dichas sustancias presentes en la atmósfera, dicha transferencia de energía se traduce en una menor densidad de potencia y una disminución de las intensidades de voltaje y campo magnético, es decir las ondas EM pierden parte de su energía.[1]

La absorción de las ondas e una atmósfera normal depende de su frecuencia y es relativamente insignificante a menos de 10 GHz. La figura 1.7 muestra la absorción producida por el oxígeno y vapor de agua para frecuencias mayores a 10 GHz.

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Figura 1.7 Absorción atmosférica de las ondas electromagnéticas.

1.3.8 Propiedades ópticas de las ondas de radio

1.3.8.1 ReflexiónLa reflexión de una onda es el rebote que experimenta cuando llega a un obstáculo grande, como una pared. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía recibida (incluso vibrando si entra en resonancia) se produce también reflexión en la que se transmite de nuevo parte de la energía a las partículas del medio incidente.

Fig. 1.8 Frente de ondas rebotando en una superficie horizontal

La figura 1.8 representa un frente de ondas plano llegando a una superficie horizontal con cierto ángulo de incidencia i. De acuerdo con el principio de Huygens, cuando el frente de ondas empieza a "tocar" la superficie, el punto A se convierte en un nuevo foco que emite ondas secundarias y según transcurre el tiempo y el frente AB va incidiendo, repiten este comportamiento todos los puntos de la superficie.Existen dos tipos de reflexión:

a) Reflexión difusa: cuando la reflexión se produce en una superficie áspera y los rayos reflejados se dispersan al azar en muchas direcciones.

b) Reflexión Especular: cuando la reflexión se produce en una superficie lisa y los rayos incidentes y reflejados tienen ángulos iguales.

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Figura 1.9 Reflexión difusa

Criterio de Rayleigh

Una superficie mixta o semiáspera refleja como si fuese una superficie lisa siempre que cumpla la siguiente condición:

cosθ i=λ

8d ,

Donde: d es la profundidad de la superficie λ es la longitud de onda incidente Debido a que todas las ondas reflejadas permanecen en el medio 1, las velocidades de las ondas reflejadas e incidentes son iguales. En consecuencia, el ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales:

θi = θr

Además, la intensidad del campo de voltaje reflejado es menor que la intensidad de campo de voltaje incidente. La relación de intensidades de voltaje reflejado a incidente se llama Coeficiente de Reflexión Г. Siendo:

Г : Coeficiente de reflexión (sin unidades) Ei: intensidad de voltaje incidente (v) Er: intensidad de voltaje reflejado (v) θi: fase incidente (grados) θr: fase reflejada (grados)

1.3.8.2 Refracción

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Γ=Er e

jθr

E iejθi

=Er

Eie

j (θr−θi )

Las ondas de radio están expuestas a sufrir una desviación en su trayectoria cuando atraviesan medios con distinta densidad. En comunicaciones este efecto sucede cuando las ondas electromagnéticas atraviesan las distintas capas de la atmósfera variando el ángulo de su trayectoria ya que su velocidad varía en medios diferentes al del vacío, esta variación es proporcional al índice de refracción. El índice de refracción se expresa mediante:

η = c υ

siendo:η: índice de refracciónυ: velocidad de la onda EM en un medio dado (m/s)c: velocidad de la onda EM en el vacío o espacio libre (3x108 m/s).

Fig. 1.10 Refracción de una onda

En la figura 1.10 se representa la refracción de una onda plana desde un medio 1 a otro medio 2, suponiendo que la velocidad de propagación es menor en el segundo medio que en el primero. A medida que el frente de ondas AB va incidiendo en la superficie de separación, los puntos AC de esa superficie se convierten en focos secundarios y transmiten la vibración hacia el segundo medio. Debido a que la velocidad en el segundo medio es menor, la envolvente de las ondas secundarias transmitidas conforma un frente de ondas EC, en el que el punto E está más próximo a la superficie de separación que el B. En consecuencia, al pasar al segundo medio los rayos se desvían acercándose a la dirección normal N.En esta parte del análisis es importante mencionar la Ley de Snell para la refracción, que establece que:

n1 = índice de refracción del material 1,n2 = índice de refracción del material 2θ1 = ángulo de incidencia (grados),θ2 = ángulo de refracción (grados)

También se puede expresar en función de las constantes dieléctricas de los medios:

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r1 = constante dieléctrica del medio 1r2 = constante dieléctrica del medio 2

1.3.8.3 Dispersión

Se define como la redistribución de energía, dentro de un frente de onda, cuando pasa cerca del extremo de un objeto opaco. La difracción es el fenómeno que permite que las ondas de luz o de radio se propaguen (se asomen) a la vuelta de las esquinas tal como se pueden apreciar en las figuras 1.11(a) y 1.11 (b)

Figura 1.11 (a) y (b) Fenómeno de Dispersión

El principio de Huygens

El principio de Huygens indica que cada punto de un frente de onda esférica determinado se puede considerar como una fuente secundaria de puntos de ondas electromagnéticas, desde donde se irradian hacia afuera otras ondas secundarias (ondas pequeñas).

En la segunda mitad del Siglo XVII el científico holandés Cristian Huygens (1629 - 1695) elaboró un método geométrico para explicar la propagación de ondas utilizando el concepto de que cada punto del medio alcanzado por la onda se comporta como un nuevo foco emisor o foco secundario.

Huygens planteó que cuando la energía del movimiento ondulatorio alcanza (al mismo tiempo) los puntos de un frente de ondas, cada uno de estos se pone a vibrar generando ondas secundarias. La infinidad de estas ondas secundarias no se percibe y sí se observa en cambio su envolvente. Cuando ha transcurrido un tiempo igual al período los movimientos ondulatorios generados en los focos secundarios se han transmitido en el sentido de propagación de la onda hasta una distancia igual a una longitud de onda. En ese instante, la línea tangente a los frentes de onda secundarios representa al siguiente frente de ondas y así sucesivamente.Cuando el extremo del frente de ondas llega a la separación de dos medios, la partícula del medio 2 sobre la que incide se pone a emitir radialmente, pero propagándose con distintas velocidades en cada medio por lo que se originan dos frentes representados por semicírculos desiguales, tal como se puede ver en la figura 1.12 (a).La figura 1.12 (a), (b) y (c) muestra algunos ejemplos que ilustran este Principio físico:

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(a)

Figura 1.12 Difracción de ondas:

(b) Frente de onda finita a través de una ranura

(c) Frente de onda a través de un extremo (esquina)

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CAPITULO 2

PROPAGACION DE ONDAS DE RADIO

2.1 Propagación de ondas de radio

Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que poseen una componente eléctrica y una componente magnética, como tales están expuestas a ciertos fenómenos los cuales son capaces de modificar el patrón de propagación de las ondas. En condiciones especiales y con una atmósfera uniforme; las ondas de radio tienden a desplazarse en línea recta, esto quiere decir que siempre que haya una línea de vista entre el emisor y el receptor la comunicación será eficiente, pero si los puntos entre el emisor y receptor se encuentran más allá del horizonte, se deberá tomar en cuenta las distintas condiciones de propagación y las adecuadas frecuencias para su correcta comunicación.

Para realizar comunicaciones seguras entre dos puntos lejanos y sin salir de la atmósfera se utilizan las frecuencias altas HF (High Frecuency) que abarcan desde los 3 MHz hasta los 30MHz aproximadamente porque estas frecuencias se pueden reflejar en la atmósfera y regresar a tierra. Las frecuencias del orden de los VHF, UHF y SHF no se reflejan en la atmósfera salvo en ciertas circunstancias y es por esto que solo se utilizan en comunicaciones punto a punto satelitales.

Existen tres formas de propagación de ondas electromagnéticas dentro de la atmósfera: Ondas terrestres Onda Directa o Línea de Vista Ondas espaciales Ondas celestes o ionosféricas

Estos tipos de propagación están graficadas en forma aproximada en la figura 2.1

Figura 2.1 Tipos de Propagación de ondas de Radio

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2.2 Propagación en de ondas superficiales

Esta es una de las mejores formas de transmitir una señal de RF de baja frecuencia a largas distancias siendo comúnmente usadas por los radiodifusores de media onda y onda larga. Este tipo de propagación es posible gracias al fenómeno de Difracción, en virtud a ello las ondas de radio siguen la curvatura terrestre y también pueden sortear edificios y montañas. Se puede mencionar sus características:

1. La propagación por onda terrestre se da para frecuencias inferiores, entre los 3KHz a los 2MHz aproximadamente.

2. Deben estar polarizadas verticalmente.3. Debido a que la tierra es un conductor imperfecto, las ondas de radio penetran algo en

su superficie, su intensidad de campo disminuye rápidamente con la profundidad y se propagan más lentamente que en el aire.

4. Esto origina un efecto de onda superficial que provoca que, justo por encima de la superficie, la onda siga la curvatura de la tierra. Este proceso es inherentemente disipativo, y es de utilidad solo para frecuencias relativamente bajas y para comunicación transhorizonte a distancias relativamente cortas del orden de 200 Km para sistemas de HF y de 2000 Km para LF y VLF.

Esta forma de propagación tiene ventajas y desventajas, las cuales se pueden mencionar:

Ventajas:

1. Dan suficiente potencia de transmisión, las ondas de tierra se pueden utilizar para comunicarse entre dos ubicaciones cualesquiera en el mundo.

2. Las ondas de tierra no se ven relativamente afectadas por los cambios en las condiciones atmosféricas.

Desventajas:

1. Las ondas de tierra requieren de una potencia relativamente alta para transmisión.2. Las ondas de tierra están limitadas a frecuencias, muy bajas, bajas y medias (VLF, LF y

MF) que requieren de antenas grandes, según los criterios de fabricación de antenas.3. Las pérdidas por tierra varían considerablemente con el material de la superficie.

Las figuras 2.2(a) y (b) muestran esta forma de propagación.

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Figura 2.2 (a) Propagación del Frente de onda superficial.

Figura 2.2 (b) Influencia de la conductividad del suelo en la Propagación por onda superficial.

2.3 Propagación por línea de vista

Para este tipo de propagación es necesario que exista una línea de vista entre las antenas transmisora y receptora. Las características de este tipo de propagación de ondas son mencionadas como sigue:

1. La frecuencia de utilización en este tipo de propagación es por encima de los 50 MHz.2. Las frecuencias altas son menos susceptibles a los fenómenos atmosféricos3. No requiere de antenas grandes para una trasmisión efectiva de gran Directividad.4. Se usa para la transmisión de Tv y radio FM.

La figura 2.3 nos muestra esta forma de propagación

Figura 2.3 Propagación por línea de vista

Las ondas viajan en línea recta de la antena transmisora a la receptora, pero tienen una limitación: la curvatura de la tierra, que es la causa de que se presente el llamado Horizonte de Radio. Este horizonte se encuentra más lejano que el horizonte óptico para la atmósfera estándar común. En forma práctica este Horizonte de Radio se encuentra a cuatro tercios del horizonte óptico. La figura 2.4 nos muestra este enlace teniendo en cuenta la curvatura terrestre.

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Figura 2.4 Propagación por línea de vista: Horizonte de Radio

Cálculo de la distancia máxima:

Considerando el horizonte óptico

r1=3,57 √h1

Considerando el horizonte de Radio

r1=3,57 √Kh1

Donde:r1 es la distancia del transmisor al horizonte (Km)h1 es la altura de la antena transmisora (m)K ≈ 4/3, factor de corrección

2.3.1 Modelo de Propagación en el espacio libre

El modelo de propagación en el espacio libre es usado para predecir la señal directa recibida cuando el transmisor (Tx) y el receptor (Rx) tienen Línea de Vista entre ellos. Los Sistemas de Comunicación vía Satélite y los enlaces Microondas con líneas de vista son un ejemplo típico de propagación en el espacio libre.Las ecuaciones de este modelo son las siguientes:

PRx=PTx GTxGRx λ2

(4 π )2 d2 L Ecuación de Transmisión de Friis (1)

Donde:PTx: Potencia transmitida (W)

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PRx: Potencia recibida (W)GTx: Ganancia de la antena transmisora (dB)GRx: Ganancia de la antena receptora (dB)d: distancia de separación entre el transmisor y receptor (m)L: Factor de pérdida del sistema no relacionado con la propagación (L≥1)λ: longitud de onda (m)

Es común expresar la ecuación de Friis en términos de la Pérdida en el espacio libre o pérdida de trayectoria (Lf ):

Lf =10 logPTx

PRxdB (2)

También se puede expresar (2) como una ecuación que depende de la frecuencia:

Lf =92,4+20logd +20 logf−GTx−GRx (dB) (3)

Donde:d = distancia de separación entre el transmisor y receptor (Km)f = frecuencia de operación (GHz)

Zona de Fresnel

En la propagación por línea de vista hay un parámetro importante que aparece, es la llamada Zona de Fresnel, Según Huygens, los puntos que no están en el eje directo entre A y B también radian potencia hacia B, es decir las ondas viajan en una zona en forma de elipsoide de revolución. La zona de Fresnel es una zona de despegue adicional que hay tener en consideración en un enlace punto a punto. La expansión de esta zona resulta en reflexiones y cambios de fase al pasar por un obstáculo, como resultado se produce un aumento o disminución en el nivel de intensidad de la señal por la obstrucción parcial de cualquier objeto fijo. La difracción causa que aparezca una segunda onda en el receptor, y las ondas (principal y secundaria) dependiendo de sus fases relativas, podrían cancelarse entre sí hasta cierto grado, produciendo el desvanecimiento (fadding) de la onda. Los efectos de la difracción se reducen si el trayecto directo de la onda evita obstáculos en por lo menos 60% del radio de la primera zona de Fresnel. Por otro lado la obstrucción máxima permisible es el 40 % del radio de la primera zona de Fresnel, pero la obstrucción máxima recomendada es el 20%. En el trayecto se deben evitar obstáculos, como montañas, peor aún; se debe evitar la difracción, causada por la obstrucción parcial de cualquier objeto fijo .La figura 2.5 (a) y (b) muestra como está dispuesta la Zona de Fresnel en un enlace entre dos puntos A y B.

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Figura 2.5 (a) y (b) Zona de Fresnel y radio de Fresnel

Cálculo de las Zonas de Fresnel:

rn=547,723√ n d1d2

fdDonde:

rn = radio de la enésima zona de Fresnel (m)d1=distancia desde el transmisor al objeto (Km)d2=distancia desde el objeto al receptor (Km)d = distancia total del enlace (Km)f = frecuencia (MHz)

Cuando: d1 = d2

rn=547,723√ nd4 f

2.4 Propagación ionosférica

La ionósfera es la región de la alta atmósfera, entre 60 y 400 Km de altura; tal como señala su nombre está compuesta de iones y de plasma ionosférica. Su importancia radica en que permite reflejar o refractar ondas radioeléctricas por debajo de una frecuencia crítica llamada comúnmente MUF (Máxima Frecuencia Utilizable).

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La ionósfera está compuesta de tres capas:

2.4.1 Capa DEs la capa más cercana a la Tierra, se encuentra a unos 60 Km de altura. Se caracteriza

por: Es la capa más lejana del sol, hay muy poca ionización, por ello tiene poco efecto en la

dirección de propagación de las ondas de radio. Durante la noche desaparece, pues la cantidad de ionización depende de la altitud del

sol sobre el horizonte. Refleja ondas VLF y LF, mientras absorbe ondas MF y HF En esta región la ionización provocada por el viento solar aumenta la densidad de

electrones, razón por la cual las ondas radioeléctricas son fuertemente absorbidas2.4.2 Capa E

La capa E es una capa que refleja las ondas de radio, sus características son: Se localiza entre 100 140 Km arriba de la superficie terrestre. Tiene mayor densidad a mediodía, cuando el sol está en su punto máximo. Es causada por la actividad de las manchas y estallidos solares La parte superior de esta capa se llama capa E esporádica porque es fluctuante. Desaparece totalmente en las noches

2.4.3 Capa F

Es la capa más externa de la atmósfera. Sus características son: Presenta dos subcapas: F1 y F2 Durante el día, la capa F1 se localiza entre los 140 y 250 Km arriba de la superficie

terrestre. La capa F2 está ubicada:

En invierno, entre los 140 a 300 Km En verano, entre los 155 a 220 Km

La capa F1 absorbe y atenúa algunas ondas HF, aunque la mayoría de las ondas pasan a través de la capa F2 cuando se refractan a la tierra.

F2 es más importante para la propagación de HF ya que está presente las 24 h.

2.5 Propagación en ambiente móvil

La telefonía móvil desde su primera incursión en la década de los ’80 ha sufrido variadas modificaciones. A partir de esto, ha sido clasificada en distintas generaciones con el fin de poder diferenciar los grandes cambios que ha experimentado. Una forma gráfica de poder apreciar estas modificaciones, es presentada en la siguiente tabla:

Tabla 2.1: Evolución Tecnologías Telefonía Móvil

Generación 1G 2G 3G

Funcionalidades Telefonía Análoga

Telefonía Digital Transmisión Datos a Baja Tasa (<384kbps)

Servicios Multimedia (<2Mbps) Servicios 2G

Estándares NMT, AMPS, TACS

GSM, PDC, IS-95, IS-136 (D-AMPS)

UMTS/IMT-2000

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Actualmente la telefonía móvil de tercera generación 3G representa la mayor evolución de los últimos tiempos en este ámbito, la cual a través del estándar UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) es el avance natural de la tecnología de segunda generación 2G, dominada principalmente por el estándar GSM (Global System for Mobile communications). En conjunto con los servicios de voz presentes durante toda la evolución de la telefonía móvil, esta nueva tecnología posee la característica de ofrecer una gran variedad de aplicaciones multimedia, mediante la incorporación de la tecnología HSPA (High Speed Packet Access) que permite una gran velocidad de transferencia de datos.[3]Debido a que las comunicaciones móviles se realizan en distintos tipos de ambientes, se hace presente la necesidad de clasificarlos de manera adecuada con el fin de elaborar un modelo que permita englobar las diversas condiciones que entrega cada uno de ellos. Una manera habitual de dividir el espacio corresponde a tres etapas fundamentales: • Ambiente Outdoor• Penetración de Estructura (Building Penetration) • Ambiente Indoor

En la figura 2.6 se aprecia un diagrama esquemático de estos espacios por donde se propaga la señal

Figura 2.6 Esquema de una onda pasando por un ambiente outdoor, penetración de edificio y ambiente indoor.

A partir de estas tres divisiones del ambiente global, se desarrolla un modelo conjunto el cual cubrirá el espacio de manera completa.Solo se mencionará los tipos de propagación móvil, ya que el tema detallado es motivo de un capítulo aparte:

a) Propagación en Banda Anchab) Modelo de Propagación en Espacio Outdoorc) Propagación en Building Penetrationd) Modelo de Propagación en Espacio Indoor

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CAPITULO 3

ANTENAS

3.1 Concepto de antenas

Una antena es un dispositivo metálico capaz de radiar y recibir ondas electromagnéticas del espacio. En los circuitos transmisores y receptores de radio, se producen corrientes y tensiones eléctricas de altas frecuencias y asociadas a ellas se encuentran las ondas electromagnéticas. Para viajar por el espacio esas señales eléctricas deben acoplarse primero al mismo. Esta es la función de la antena: adaptar campos electromagnéticos entre distintos medios de conducción. Por ello concebimos una antena, como un dispositivo encargado de convertir ondas electromagnéticas "conducidas" por una línea de transmisión o guía de ondas, en ondas que pueden propagarse libremente en el espacio. [4]

3.1.1 Funcionamiento de una antena

Para entender el funcionamiento de una antena, es necesario conocer primero el comportamiento de una línea de transmisión que sirve para transportar o guiar los campos eléctricos y magnéticos que varían de manera temporal en relación a su frecuencia, desde la fuente generadora hasta una carga o sumidero que puede estar a una distancia mucho mayor que la longitud de la onda y que se propagan por la línea a una velocidad vp. Tal como se puede apreciar en la figura 3.1(a) y (b)

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Figura 3.1 (a) - Línea de transmisión abierta (sin carga) alimentada con un generador deRF y la formación de las ondas estacionarias de tensión y de corriente.

(b) Vista desde un plano perpendicular a la línea de transmisión donde observamos la formación en un instante determinado de los campos eléctricos y magnéticos alrededor de ambos conductores.

Una onda electromagnética en el espacio libre o vacío lo hace a una velocidad de propagación constante de aproximadamente 300.000 Km/segundo, es decir 3 x 108 m/s. Su longitud de onda y su frecuencia están relacionadas por la siguiente expresión:

c= λf =3 x108m /s

Donde: λ: longitud de onda (m)f: frecuencia (Hz)

Para que una antena sea eficiente, es decir, para que radie la mayor parte de la energía que se le suministre, o que transmita al receptor la mayor parte de la energía que capture, sus dimensiones deben ser del orden de una longitud de onda, λ. En la práctica la dimensiones de la antenas se sitúan entre alrededor de (1/89 λ y alrededor de una λ. Si sus dimensiones son mucho menores su eficiencia se reduce considerablemente.La transferencia de energía debe realizarse con la mayor eficiencia posible, de modo que debe buscarse el acoplamiento óptimo entre las impedancias de los diversos elementos del sistema. De no ser así, una parte importante de la energía recibida o transmitida será reflejada en la línea de transmisión dando lugar a ondas estacionarias que no contribuyen a la energía útil y que, además, son causa de distorsiones en la señal transportada por la onda electromagnética y de pérdidas por calentamiento en los diversos componentes del sistema línea-antena. [4]

3.2 Clasificación de antenas

Las antenas se clasifican según:a) Según su geometríab) Según su comportamiento

3.2.1 Según su geometría

1. Antenas de hilo: monopolos, dipolos, espiras, helicoides. Aplicación doméstica: las antenas de TV están formadas por un conjunto de dipolos.

2.

24

Figura 3.2 Algunas antenas de hilo: Antena Helicoidal, Dipolo de media onda, antena circular (figura izquierda).

Aplicación: Antena Yagui usada para TV (Arreglo de Dipolos)

3. Antenas de apertura: aquellas que usan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentra la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección formando ángulos sólidos. Son especiales para microondas.

Figura 3.3 Aplicaciones de antenas de abertura: Antenas de Bocina y Parabólica

4. Reflectores: formadas por un reflector, generalmente con perfil parabólico y la antena situada en el foco del reflector, Las grandes antenas de observación del espacio son un ejemplo de ellas.

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Figura 3.4 Antena de Observatorio

5. Antenas de Lentes: formadas tal y como su nombre lo indica por una lente que tiene como objetivo conformar la radiación de una determinada señal.Dependiendo de la forma de las lentes y su composición se pueden convertir varias formas de energía divergente en ondas planas. Se pueden usar en prácticamente las mismas aplicaciones que las antenas de reflector parabólico sobre todo a altas frecuencias ya que conforme la frecuencia es pequeña los tamaños y pesos de las lentes pueden llegar a ser demasiado altos.

Figura 3.5 Antenas tipo Lente

6. Agrupaciones de antenas: agrupaciones de más de una antena para conseguir determinadas características de radiación. Se denomina comúnmente Array.

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Figura 3.6 Aplicación de un arreglo de antenas usado en telefonía móvil.

3.2.1 Según su comportamiento

1. Antenas de banda Ancha: cuando trabajan en un margen amplio de frecuencias. Por ejemplo, las antenas de bocina cubren un rango de frecuencias desde 800 MHz hasta 5GHz aproximadamente.

2. Antenas de miniatura: cuando la antena presenta unas dimensiones mucho más pequeñas que la longitud de onda. Veremos que la dimensión de una antena está directamente relacionada con su comportamiento electromagnético. Las antenas de terminales móviles son un modelo.

3. Antenas Multifrecuencia: antenas que pueden operar con unas características muy similares para diferentes sistemas de telecomunicación. Las antenas de estación base y terminales móviles que operan a GSM900 y GSM1800 son casos de antenas Multifrecuencia.

3.3 Parámetros de antenas

Los parámetros de una antena son parámetros susceptibles de ser medidos. Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como un dipolo. Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional. La mayoría de estos parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción. Los principales parámetros de las antenas son:

1. Directividad y Ganancia 2. Diagrama de radiación o patrón de radiación 3. Ancho del haz 4. Impedancia de entrada 5. Eficiencia de la antena 6. Polarización 7. Campos de Inducción de Radiación 8. Longitud eléctrica y longitud física 9. Ancho de Banda 10. Relación frente detrás

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3.3.1 Directividad y Ganancia

La Directividad es la propiedad que tiene una antena de transmitir o recibir la energía irradiada en una dirección particular. Para un enlace inalámbrico que utiliza antenas fijas en ambos extremos, se puede utilizar esta Directividad para concentrar la radiación en la dirección deseada. La Directividad es una magnitud que describe sólo propiedades de direccionalidad de la antena, y depende únicamente del patrón de radiación, la figura 3.7 nos muestra este parámetro.

Figura 3.7 Angulo sólido que muestra un lóbulo directivo.

En cambio, para una estación móvil y otra fija o ambas móviles, donde no se puede predecir donde va a estar una de ellas, la antena deberá radiar en todas las direcciones del plano horizontal y para ello se utiliza una antena omnidireccional. La ganancia es una relación o cociente entre dos magnitudes físicas iguales (energías, potencias, tensiones, etc.), es decir un número adimensional que puede ser mayor, menor o igual a la unidad. La ganancia de una antena se expresa tomando como referencia la energía radiada de una antena estándar. Las dos referencias más comunes son la antena isotrópica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda. La ganancia suele expresarse en decibeles si nos referimos a potencias tomando como referencia el radiador isotrópico como:

GdB (iso )=10 logPA

Piso dBi

Si nos referimos a las intensidades de campo eléctrico:

GdB (iso)=20 logEA

Eiso dBi

Antena isotrópica

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D= 4πΩ

≅ 4 πα E (rad ) α H (rad )

¿ 41253α E ( grados) α H (grados ) dB

Se define como una antena hipotética puntual en el espacio libre que irradia energía de manera uniforme en todas las direcciones. El flujo de energía radiada por unidad de tiempo y de área conocida como Vector de Poynting o Densidad de potencia [W/m2], está dado por:

P = E x H (w/m2)

E es la intensidad del vector campo eléctrico [V/m] y H la intensidad del vector campo magnético [A/m] y solo tiene componente radial para una fuente puntual.

3.3.2 Diagrama o Patrón de Radiación

Es la representación gráfica de la forma en que la energía electromagnética se distribuye en el espacio. El diagrama puede ser obtenido por la colocación de una antena fija de prueba en relación a un entorno donde se está midiendo el diagrama, también por la rotación de la antena en torno a sus ejes, donde las señales enviadas son recibidas en un receptor capaz de discriminar con precisión la frecuencia y la potencia recibidas. Se puede representar esta medición en forma cartesiana o polar. Ver figura 3.8

Figura 3.8 Patrón de Radiación3.3.3 Ancho del Haz

El ancho del haz de una antena se entiende como ancho del haz a mitad de potencia. Se encuentra en el pico de intensidad de radiación, luego se localizan los puntos de ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de mitad de potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3dB, por lo tanto algunas veces el ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3dB.

Lóbulos laterales

Ninguna antena es capaz de radiar toda la energía en una dirección preferida. Inevitablemente una parte de ella es radiada en otras direcciones. Esos picos más pequeños son denominados lóbulos laterales, especificados comúnmente en dB por debajo del lóbulo principal.

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Nulos

En los diagramas de radiación de una antena, una zona nula es aquella en la cual la potencia efectivamente radiada está en un mínimo. Un nulo a menudo tiene un ángulo de Directividad estrecho en comparación al haz principal. Los nulos son útiles para varios propósitos tales como la supresión de señales interferentes en una dirección dada.

Figura 3.9 Ancho de Haz

3.3.4 Impedancia de Entrada (ZA)

Es el cociente entre el voltaje aplicado a los terminales de entrada de la antena y la corriente resultante. En general tiene una componente resistiva y una reactiva; sin embargo, si el punto de alimentación de la antena está en un máximo de corriente, la componente reactiva resulta despreciable, por tanto la impedancia de entrada es igual a la suma de la resistencia de radiación más la resistencia de pérdida.Si la impedancia no presenta una parte reactiva (puramente resistiva) a una frecuencia determinada se dice que es una antena resonante.

Resistencia de radiación (Rr)

La resistencia de radiación es un valor asignado a una resistencia ficticia cuyo valor es el que tendría una resistencia que disipara la misma potencia eléctrica entregada por la antena con la misma potencia radiada por la antena. En la práctica no toda la potencia entregada por la antena es radiada totalmente al espacio que la rodea. Una parte se disipa bajo la forma de calor a causa de las pérdidas resistivas provocada por los conductores, aisladores de soporte, la torre y los cables de anclaje. Las pérdidas óhmicas están determinadas por la frecuencia de trabajo. En bajas frecuencias, estas pérdidas son pequeñas comparadas con la resistencia de radiación y la antena es un radiador muy eficiente. En altas frecuencias, donde la antena es relativamente corta en relación a su longitud, el suelo es un componente esencial que forma parte del sistema irradiante. La altura de la antena respecto al suelo conductor es un factor importante que afecta la resistencia de radiación. Algunas ondas son reflejadas por el suelo, y al regresar a la antena, inducen corriente cuya magnitud y fase dependen de la distancia entre la antena y el suelo.

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Figura 3.10

3.3.5 Eficiencia (η)

Es la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia total entregada a la antena para una frecuencia dada de operación. Se puede considerar que la resistencia total de carga está formada por dos resistencias en serie, una de valor de Rr (resistencia de radiación) y otra de valor Rp que representa la disipación óhmica de la antena. En consecuencia, se puede expresar la eficiencia de la antena en valores porcentuales como:

η= RrRr+Rp

x100

η=P r

Pent

3.3.6 Polarización

La polarización se define como la orientación del campo eléctrico de una onda electromagnética. En general la polarización se describe por una elipse y hay dos casos de polarización elíptica:

a) Polarización Lineal: cuando el vector del campo eléctrico E se mantiene en el mismo plano del eje de la antena todo el tiempo. El campo eléctrico puede posicionar a la antena en una orientación vertical, horizontal o en algún ángulo intermedio entre los dos. Se distinguen dos tipos: polarización vertical y polarización horizontal.a.1) Polarización Vertical: Usada siempre en antenas omnidireccionales, las antenas con esta polarización se ven menos afectadas por las reflexiones.a.2) Polarización Horizontal: Las antenas polarizadas horizontalmente tienen menos probabilidades de captar interferencias generadas por el hombre que las normalmente polarizadas verticalmente. En estas antenas las reflexiones causan variación en la intensidad de la señal recibida.

b) Polarización Circular: En esta polarización el vector del campo eléctrico aparece rotando con movimiento circular en la dirección de propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda.

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La elección de la polarización es una de las elecciones de diseño disponibles para el sistema irradiante de RF

3.3.7 Campos de Inducción

De la energía de los campos electromagnéticos que se generan alrededor de la antena, una zona cercana a la misma forma parte de los campos de inducción donde la intensidad de los campos es una función inversa del cuadrado de la distancia. El dispositivo se comporta como un circuito resonante donde hay intercambio de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético y no hay radiación. Uno de los campos es máximo cuando el otro pasa por cero y a su vez se encuentran desfasados 90° en el tiempo. Otra zona situada a unas pocas longitudes de onda de la antena la constituyen los campos de radiación donde se manifiesta la energía de radiación de la antena. La intensidad de los campos radiados es una función inversa de la distancia. Estos campos obedecen al hecho de que se requiere un cierto tiempo para que los campos se transfieran de un medio físico (antena) al espacio libre. Parte del campo original permanece en la antena y la otra parte se propaga como una onda electromagnética por el espacio libre. La fórmula aceptada para esta distancia es:

rmin=2 d2

λ

Siendo:rmin : distancia mínima desde la antenad:longitud de la antenaλ:longitud de ondaEn la figura 3.11 podemos apreciar los campos de inducción alrededor de una antena.

Figura 3.12 Radiación electromagnética desde una antena dipolo.3.3.8 Longitud eléctrica y longitud Física

La longitud de onda en una línea de transmisión es menor que la longitud de onda en espacio libre por el cambio de la velocidad de propagación de la onda respecto al espacio libre o vacío. De manera similar, una antena tendrá su propia longitud de onda física que será menor a la longitud de onda eléctrica que opera en el espacio libre, provocada por su cercanía con suelo y otros medios conductores, también los soportes y la torre de contención que introducen capacitancias que afectan la velocidad de la onda en la antena. También si el área transversal del conductor de la antena aumenta, también lo hace su permeabilidad relativa μr y por tanto la velocidad de la onda disminuye. Solamente si el espesor es despreciable y el conductor se encuentra aislado en el espacio libre, las velocidades tienden a igualarse.

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La longitud física es la longitud real que debe tener la antena y es menor que la longitud eléctrica en el espacio libre. Este acortamiento se conoce en la práctica como efecto de borde (end effect). Para: λ0 = 150/2 f en el espacio libre, la longitud física de una antena dipolo de media onda puede expresarse como: L = k (150/f) siendo: L = longitud física del dipolo de media onda [metros] f = frecuencia en [MHz] k = factor de velocidad [velocidad de la onda en la antena/velocidad de la onda en el espacio libre] Para frecuencias inferiores a los 30 MHz, el factor k para fines prácticos es de 0.95 (aproximadamente un 5% más corta que en el espacio libre). Para frecuencias superiores, hay que tener en cuenta el diámetro del conductor de la antena.

3.3.9 Ancho de Banda (BW)

Es el intervalo de frecuencias en la cual debe funcionar satisfactoriamente la antena, dentro de las normas técnicas vigentes a su aplicación. Puede ser descripto en términos de porcentaje respecto a la frecuencia central de la banda:

BW=f H−f L

f Cx100

Donde:BW: Ancho de BandafL: frecuencia más bajafH : frecuencia más alta de la banda, fC : frecuencia central. De esta forma, el ancho de banda porcentual es constante respecto a la frecuencia central. Los diferentes tipos de antenas tienen variadas limitaciones de ancho de banda.

3.3.10 Relación Frente Detrás (F/B)

Es la relación de ganancia entre el lóbulo principal y posterior. Está dada por la siguiente ecuación:

R / F=10 logPm

Pop dB

Pm: Energía máxima en la dirección de propagación.Pop: Energía irradiada hacia atrás de la antena.

CAPITULO 4

ARREGLOS DE ANTENAS

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4.1 Introducción

Un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples unidas bajo ciertas condiciones, generalmente iguales y orientadas en la misma dirección, las cuales son acomodadas en una disposición física determinada, relativamente cercanas unas respecto de otras y además cada antena es manejada por un mismo sistema de separación ( o combinador) de señal. Además son capaces de concentrar la radiación en direcciones deseadas.

Hay diferentes tipos de arreglos o arrays. Los arrays lineales tienen los elementos dispuestos sobre una línea. Los arrays planos son agrupaciones bidimensionales cuyos elementos están sobre un plano.

Figura 4.1 Arreglos de antenas

Los arrays conformados tienen las antenas sobre una superficie curva, como por ejemplo el fuselaje de un avión.Los arrays tienen la ventaja de que se puede controlar la amplitud de las corrientes y la fase de cada elemento, modificando la forma del diagrama de radiación. Además se puede conseguir que los parámetros de antena dependan de la señal recibida a través de circuitos asociados a los elementos radiantes, como en el caso de las agrupaciones adaptivas.[5]Dentro de los arreglos más relevantes que están siendo usados en nuestro simulador está el arreglo Broadside y el arreglo Endfire. Si las antenas que conforman el arreglo producen la misma intensidad de radiación en un punto determinado y desfasamiento nulo, se trata de una estructura Broadside. En cambio si las corrientes dan igual amplitudes de campo y sus fases son diferentes pero con saltos progresivos, estamos hablando de una estructura Endfire.

4.2 Principios fundamentales de arreglos de antenas [6]

En muchas aplicaciones para el diseño de antenas con un Patrón Directivo determinado es necesario aumentar el tamaño eléctrico de la antena o la formación de una nueva configuración de múltiples elementos de características idénticas separadas por una distancia fija llamada arreglo. El campo total del arreglo está determinado por la suma vectorial de los campos radiados de los elementos individuales. La figura 4.2 muestra el diagrama de radiación de un solo elemento y de un arreglo de tres elementos idénticos. Hay cinco parámetros de control que se utiliza para dar forma al patrón de radiación global del arreglo de antenas:

1. Configuración geométrica, lineal, circular o plana2. Distancia de separación entre los elementos3. Amplitud de excitación de cada elemento4. Fase de excitación de cada elemento5. Patrón relativo de cada elemento

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4.3 Parámetros de arreglos de antenas

4.3.1 Patrón de Radiación: Es la representación de la radiación o recepción por la antena de los campos eléctricos en el espacio. Es el margen visible correspondiente a los valores que toma la variable angular θ, teniendo en cuenta la relación:

ψ=kdCosθ+αSe obtiene el margen visible:

ψ ϵ [α−kd ,α+kd ]

Si los coeficientes del polinomio de array son reales y positivos, el máximo del factor de array se produce para ψ=0°, que corresponde con aquella dirección del espacio real que cumple la condición:

kdCos θm+α=0

θm=cos−1( αkd )

Si la fase progresiva es cero, el máximo del diagrama de radiación es perpendicular al eje de la agrupación (dirección Broadside).Si la fase es progresiva es α = -kd, el máximo está en la dirección del eje de la agrupación (dirección Endfire).En general, variando el valor de α se puede controlar la dirección del máximo de radiación. Gráficamente se puede estudiar la variación del margen visible y su relación con la posición de los máximos y nulos del diagrama de radiación. Relación entre el Factor de la agrupación y el diagrama:La figura 4.3 muestra la representación gráfica de los diagramas de radiación para una agrupación de 4 antenas. El espaciado es λ/2 y los desfases son π/2, 0 y –π/4

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Figura 4.3 Representación gráfica de los diagramas de radiación para una agrupación de 4 antenas

36

4.3.2 Factor de Arreglo: Es el Patrón de Radiación del arreglo asumiendo que los elementos usados son antenas isotrópicas.

Figura 4.3 Arreglo de antenas elementales [7]

4.3.2 .1 Ecuaciones para un arreglo de antenas:

Una antena ubicada en el origen produce (región de campo lejano):

Una antena ubicada en una posición arbitraria:

Un arreglo de N elementos:

Principio de multiplicación de patrones:

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Factor de arreglo:

Siendo:

Entonces:

Para una configuración física dada, un factor de arreglo puede ser ajustado por medio de la selección de las magnitudes y fases de excitación.

4.3.3 Ancho de Haz: Es la apertura angular del lóbulo principal medido en un determinado nivel de potencia constante.

Figura 4.4 Patrones de Radiación normalizados para arreglos Yagui resonantes con 5, 7 y 15 elementos. Se muestran los anchos de haz para cada arreglo.

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4.3.4 Directividad: Es la medida del contraste del arreglo y es el radio de la potencia radiada por el arreglo en la dirección deseada a la potencia media radiada por el arreglo en todas las direcciones.Para un espaciado constante, un aumento del número de elementos de la agrupación supone unas mayores dimensiones y por lo tanto un aumento de la Directividad o disminución de los respectivos anchos de haz.

Figura 4.5 Arreglos de radiadores, la mayoría de las antenas de uso actual se basan en ellas. En la figura se muestra la Directividad de los arreglos en función de sus longitudes de onda.

Las antenas individuales generan diagramas de radiación que no siempre satisfacen las necesidades. Es posible modificar el diagrama de radiación usando múltiples radiadores, causando interferencia entre los campos emitidos por cada uno. Para ello es necesario que los radiadores emitan en forma coherente, es decir, que haya una correlación de fase entre los campos, lo que se logra habitualmente estableciendo una correlación de fase entre las corrientes alimentadoras de los radiadores.

Efecto del desfase:La figura 4.6 muestra la Directividad de los arreglos en función de los ángulos de desfasaje.

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Figura 4.6 Directividad de los arreglos teniendo en cuenta los ángulos de desfase.

4.3.5 Red de Lóbulos: Son los lóbulos laterales que tienen una intensidad igual a la del lóbulo principal.Una adaptación para el uso con muchas ventajas es la utilización de las antenas inteligentes para telefonía móvil.

4.3.5.1 Funcionamiento de Antenas Inteligentes

El principio básico de funcionamiento de las antenas inteligentes es que cada antena recibe una señal separada y definida. Dependiendo de cómo está configurado el sistema inalámbrico, el receptor puede usar una señal para mejorar la calidad de otra señal, o podría combinar los datos de señales múltiples para ampliar el ancho de banda.

La señal que reciben las antenas es una señal de radiofrecuencia (RF) sin procesar. Esta RF se encamina inicialmente a circuitos que la manejan como una señal analógica, tal como un radio. Algunos dispositivos con antenas inteligentes aplican sus conceptos inteligentes en esta etapa analógica. Después del procesamiento inicial, la RF se convierte en una señal digital que luego se envía al dispositivo host como una cadena de datos. La mayoría de los dispositivos que usan las antenas inteligentes aplican sus conceptos inteligentes en éstas en conjunto con circuitos digitales.

En cuanto a los cambios debidos a la introducción de las antenas inteligentes en un sistema de telefonía móvil, por ejemplo, se supondrá una reducción en el número de estaciones base

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necesaria para dar cobertura a una zona de servicio y un aumento en el número de usuarios que puede atenderse. Por otro lado, es necesario definir y cuantificar un conjunto de parámetros que caractericen las prestaciones de la antena inteligente en diferentes entornos para poder seleccionar el esquema de conformación más apropiado en cada caso.

Las Smart Antenas, como suelen ser llamadas también, se diferencian de las antenas convencionales ya que pueden trabajar de dos modos distintos los que se describen brevemente a continuación:

1)   Modo omnidireccional. La antena en este modo funciona exactamente igual que las antenas convencionales es decir, emite señal con la misma intensidad hacia todas direcciones.

2)   Modo direccional. En este modo, la antena emite señal en una sola dirección y con un cierto ángulo de apertura. La consecuencia de transmitir en este modo se traduce en un mayor alcance hacia la dirección donde emite la antena debido a que ésta concentra todo su espectro de potencia en un rango de obertura mucho menor.

Tipos de Alcances

Según en el modo en que trabaje la antena, su alcance será uno u otro. Si la antena trabaja en modo direccional su alcance será mucho mayor que si lo hace en modo omnidireccional ya que, en este caso, concentra toda su potencia en un rango menor. Definimos zona, como la región donde se encuentran todos los usuarios. Esta zona se divide en dos subzonas.

1)   Subzona Broadcast. Esta zona se corresponde con el rango de alcance de la antena en modo omnidireccional.

2)   Subzona Beamforming. Esta zona está dividida en n beams. Un beam se define como el rango de alcance de la antena en modo direccional para un cierto ángulo de apertura. Según el ángulo de apertura que se utilice habrá más o menos beams.

Figura 4.7 Subzonas de acuerdo a la configuración de Antenas

Cabe comentar que pese a que en el dibujo la cobertura direccional (beams) es de forma triangular, en realidad la cobertura es un lóbulo redondeado donde existe una distancia máxima.

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Figura 4.8 Lóbulo de radiación de una Antena Inteligente

La característica principal de este tipo de antenas es que pueden orientar la señal que emiten hacia una cierta dirección donde se encuentra el usuario con el que se realiza la comunicación. Para esto, cada usuario debe tener, además de su propio identificador, una firma espacial que indique las coordenadas de la posición dentro de la zona.

Tipos de antenas Inteligentes

Los sistemas de Antenas inteligentes de clasifican en tres tipos:

1)   Haz Conmutado. (Switched Beam)

2)   Haz de Seguimiento. (Scaninig)

3)   Haz Adaptativo.

Haz Conmutado

Es la configuración más simple de Antenas Inteligentes. El sistema genera varios haces a ángulos prefijados que se van conmutando secuencialmente dando como resultando un barrido discreto de la zona de cobertura en posiciones angulares fijas.

En cada posición discreta del haz se activa el sistema de recepción para detectar la posible existencia de señales. En caso de recibir señal, el sistema guarda información correspondiente a la posición del haz (ángulo + identificación de usuario) y se establece la comunicación con el usuario en un intervalo de tiempo. Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la zona de cobertura. Este proceso se repite permanentemente en el tiempo.

Haz de Seguimiento

Este sistema es un poco más complejo que el anterior. Está conformado por un arreglo de antenas con una red de excitación que permite controlar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los elementos del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente y establecer comunicación con el usuario respectivo.

A diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema haz de seguimiento ejecuta algoritmos DoA (Direction of Arrival) para identificar la dirección de arribo de las señales de los usuarios.

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Otra diferencia es que los cambios de fase para en el sistema conmutado se realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijado en el sistema y en el sistema de Haz de seguimiento el posicionamiento del haz tiene mayor resolución angular.

 Haz Adaptativo

La técnica de haz adaptativo constituye el máximo nivel de inteligencia que se podría dar a un sistema de antenas. En este sistema, las salidas de cada elemento del arreglo de antenas se ponderan con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un diagrama de radiación que presente el haz principal hacia la posición del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes de multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.Esta técnica requiere el uso de algoritmos (DoA) tanto para la detección de las señales de arribo e interferentes como para la optimización de los pesos que conforman el haz.

Filtrado espacial en los receptores

El proceso de Filtrado Espacial de frecuencias se lleva a cabo en un array de antenas o sistema de antenas, que reciben señales las que están acompañadas con otras señales o interferencias y ciertas componentes de ruido.

Cada señal se caracteriza por un ángulo de llegada y por una banda de frecuencias. Es decir, tenemos algo así como una caja negra con N entradas y M salidas. El objetivo que tendrá el sistema es obtener en cada salida una y sólo una de las señales deseadas, atenuando las interferencias, ruido y resto de las señales deseadas.

Supongamos que se tiene un arreglo lineal de sensores receptores o antenas ubicadas espacialmente sobre un sistema de ejes coordenadas y numerados positivamente; las señales (deseadas y ruido) inciden sobre cada sensor con un ángulo y frecuencia específico. Es decir, cierta señal si tiene un contenido frecuencial diferente a las otras señales. Luego, la separación de ésta con otras señales se realiza mediante el filtrado y así se logra extraer del resto de las señales recibidas. En caso de que dos o más señales vengan con un contenido frecuencial igual o muy similar, el sistema conformador de haz o beamformer será capaz de discriminarlas en función del ángulo de incidencia, o sea, en función de una variable espacial; así el sistema estará filtrando cada señal espacialmente.

Figura 4.9 Discriminación de señales semejantes

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El beamformer o conformador procesa las señales recibidas en cada sensor y obtiene a partir de ellas una señal resultante. Como resultado se obtiene una antena con un diagrama de radiación que presenta un haz hacia la dirección de interés.

Figura 4.10 Lóbulo de radiación hacia la señal de interés

Conformación de Haz Adaptativo

Este sería el máximo nivel de inteligencia con que se podría dotar al sistema. En este caso, la salida de cada elemento del array se pondera con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente, de modo que se conforma el diagrama de radiación para maximizar algún parámetro de la señal (por ejemplo, la SINR). De este modo, el diagrama sintetizado habitualmente presentará un lóbulo principal en la dirección del usuario deseado, lóbulos secundarios en las direcciones de las componentes multitrayecto (si se quieren procesar con un receptor Rake) y mínimos (e incluso nulos) de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.

Figura 4.11 Situación real de comunicación con terminal móvil

No siempre será posible eliminar toda la interferencia, ya que el número de fuentes interferentes que se pueden suprimir está directamente relacionado con el número de elementos de la antena.

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Esta técnica requiere el uso de complicados algoritmos, tanto para la detección de las señales deseada e interferente como para la optimización de los pesos que conforman el haz. Estos algoritmos suelen conllevar una gran carga computacional, mientras que deben procesarse en tiempo real, por lo que suponen una seria limitación.

Figura 4.12 Patrón de radiación en arreglo de siete elementos

BENEFICIOS DE LA TECNOLOGÍA DE ANTENAS INTELIGENTES

Reducción de Potencia de Transmisión

El sistema de Antenas Inteligentes puede radiar una potencia menor por lo cual se pueden reducir o simplificar las especificaciones de los amplificadores de potencia asociadas al sistema de antenas, generando una reducción de costos en las etapas de amplificación.Además, la mayor ganancia de la antena permitirá incrementar la sensibilidad de la estación base, por lo que los móviles podrán transmitir con menor potencia, ahorrando batería.

 Reducción de Propagación Multitrayecto

Debido a la menor dispersión angular de la radiación desde el sistema de Antenas Inteligentes, se reducen significativamente los trayectos múltiples de la información que llegaría al equipo móvil. Esto permite simplificar el sistema de ecualización del terminal móvil.

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REFERENCIAS

[1] Estudio e Instalación de enlaces de microonda en Banda Libre entre Quito y Latacunga para transmisión de datos e internet para la empresa Ecuaonline S.A.Autor: Chulde Chulde Klever Javier – Quito 2010

[2] RECOMENDACIÓN UIT-R P.525-2

[3] Modelo de Propagación Electromagnética en una red UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)Autor: Gabriel Ignacio Cuevas Rodríguez – Universidad de Chile – Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas – Departamento de Ingeniería Eléctrica.

[4] http://www.edutecne.utn.edu.ar[5] http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas[6] http://www.dspace.ups.edu.ec[7] http://exa.unne.edu.ar

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