Antenas

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Antenas

Las antenas son el elemento de enlace que conecta las señales RF a un circuito eléctrico, como ocurre entre una placa de circuito impreso y la onda electromagnética que se propaga en el medio de transmisión entre el transmisor y el receptor del enlace inalámbrico

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Thomas Edison usóAntenas en 1885 !

Conceptos básicos

� En el transmisor, la antena transforma la señal eléctrica en una onda electromagnética mediante la excitación de campos eléctricos o magnéticos en su medio circundante inmediato, el campo cercano.

� En el receptor, la antena captura energía del campo electromagnético y la transforma en corriente y voltaje en el circuito eléctrico

� Las antenas que excitan un campo eléctrico se denominan antenas

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� Las antenas que excitan un campo eléctrico se denominan antenas eléctricas y las que excitan un campo magnético se denominan antenas magnéticas.

� El campo eléctrico o magnético oscilatorio genera una onda electromagnética que se propaga con la velocidad de la luz c. La velocidad de la luz en el espacio vacío c0 es 299.792.458 m/s. Si la onda viaja en un medio dieléctrico con una constante dieléctrica relativa εr, la velocidad de la luz se reduce a

Radiador Puntual

� Consideremos una fuente puntual de radiación electromagnética que radia en todas las direcciones de igual manera.

� Esta fuente es llamada radiador isotrópico.

� Sea PT la potencia total radiada por esta fuente.

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� Consideremos la fuente rodeada por una esfera de radio d. Si no hay objetos dentro de la esfera para absorber la radiación, toda la potencia de la fuente cruzará a través de la esfera.

� La superficie de la esfera está dada por 4 π d 2

� La densidad de potencia en d está dada por:

Radiador Isotrópico

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Concentración de la potencia

� Si a la fuente puntual se le agregara un reflector, la mayor parte de la energía sería radiada en una dirección en lugar de las otras.

� Este aumento de potencia (sobre la isotrópica) se expresa como

ganacia de potencia GT de la antena.

� Debido a que la antena es un elemento pasivo realmente no puede aumentar la potencia total radiada.

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aumentar la potencia total radiada.

� Mientras mayor sea la ganancia de la antena, más focalizada es la potencia hacia una dirección.

� La ganancia sólo se aplica en la dirección máxima radiación

Patrón de Rdiación de Antena

7Direccional

Ganancia de antena

� La ganancia de potencia de una antena se define como:

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� Debido a que la antena es un dispositivo pasivo, si no hay ferritas no lineales involucradas, se tiene la misma ganancia tanto para transmisión como recepción.

Potencia radiada isotrópica efectiva EIRP

� Se define al medir la densidad de potencia a una cierta distancia de un dispositivo bajo prueba.

� EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) es la potencia de entrada que sería necesaria en un radiador isotrópico para tener la misma densidad de potencia a la distancia considerada, en la dirección de máxima radiación de la antena real.

� La EIRP es la potencia transmitida multiplicada por la ganancia de la

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� La EIRP es la potencia transmitida multiplicada por la ganancia de la antena transmisora.

� El EIRP describe la capacidad de radiación de potencia de un dispositivo (incluyendo su antena)

EIRP

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Área efectiva

� Si la antena receptora está colocada d metros de la antena

transmisora interceptará la potencia en un área efectiva de Ae (m2)

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Ganancia de antena y área efectiva

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� La ganancia isotrópica de una antena Giso indica cuántasveces la densidad de potencia de la antena descrita en la dirección depropagación principal es mayor que la densidad de potencia de unradiador isotrópico ubicado a la misma distancia.

Fórmula para área efectiva

� La ganancia y el área efectiva de la antena se relacionan por:

� Donde:

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Potencia recibida

� La potencia recibida es proporcional a:

� La potencia transmitida

� La ganancia de las antenas

� La apertura efectiva (isotrópica)

� La potencia recibida es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia

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distancia

� El término central se denomina Ganancia de Espacio Libre (1.0 / Pérdida) del sistema.

Fórmula de Transmisión de Friis

Cálculo de enlaces

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PRX = PTX – LcTX + GTX – Ls + GRX– Lc RX

Cálculo de enlace para WLAN (1)� Potencia

� La potencia es expresada en Watts o dBm).

� Conversión de mW a dBm :

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� Conversión de dBm a mW:

� Ej: tarjetas Orinoco tienen una potencia de salida de 32 mW � Ej: tarjetas Linksys WPC-54G tienen una potencia de salida o de emisión de 63 mW

Potencias de emisión equipos

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Cálculo de enlace para WLAN (2)

� Pérdida en cable coaxial en 2.45 GHz

Algunos valores de pérdida para cables coaxiales comunes:

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� Ej: Para una cable RG 213 de 5 metros se tiene Pérdida en dB = -2,1

Cálculo de enlace para WLAN (3)

� Antena

� La ganancia de antena está normalmente dada en decibeles isotrópicos [dBi].

� Algunas antenas tienen su ganancia expresada en [dBd], es la ganancia comparada con una antena dipolo. En este caso se debe sumar 2.14 para obtener la ganancia correspondiente en [dBi].

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para obtener la ganancia correspondiente en [dBi].

� Cuanto más ganancia tenga la antena mayor es la directiva (energía enviada en una dirección preferida).

� Las antenas que vienen con kits WLAN generalmente no tienen mucha ganancia (2.14 dBi ).

� La ganancia de antena es la misma para recibir y transmitir

Cálculo de enlace para WLAN (4)

� Potencia irradiada

� La potencia irradiada puede ser calculada (en dBm):

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� El límite legal de energía irradiada (EIRP) para WLAN es generalmente puesto a 100mW (= +20dBm) pero depende de las regulaciones del país.

Cálculo de enlace para WLAN (5)� Pérdida en Trayectoria por Espacio Libre

� O Pérdida de Espacio Libre: Es la pérdida que ocurre cuando una onda electromagnética es transmitida en el vacío. En realidad es una pérdida sino dispersión de la señal al alejarse del transmisor. Se llama tambiénPérdidas por Dispersión.

� Para el cálculo de la Pérdida de Espacio Libre se usa la fórmula :

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Ls = 32.44 + 20.log(F [Mhz]) + 20log(D [km])

� Que es derivada de la fórmula de transmisión de Friis, considerando la Frecuencia en MHz y la distancia en Km.

� Ej: Para transmisión en 2.45 GHz y antenas separadas 1.5 Km se tiene una pérdida de -105 dB

Pérdida en Trayectoria por Espacio Libre

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Cálculo de enlace para WLAN (6)

� Sensitividad de receptor

� El receptor tiene un threshold mínimo de potencia recibida (en el conector de la tarjeta) para una velocidad de transmisión dada. Si la potencia de la señal recibida es menor automáticamente disminuye la velocidad de transmisión (y con ello el desempeño).

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� Ejemplos de valores típicos de sensitividad de receptor:

(valores dados por fabricante)

Cálculo de enlace para WLAN (7)

� Signal to Noise Ratio (S/N) (Relación Señal a Ruido)

� La sensitividad del receptor no es el único parámetro para el receptor, también tenemos que tener en cuenta la relación entre la potencia de la señal y la potencia de ruido. Es la mínima diferencia de potencia a alcanzar entre la señal recibida deseada y el ruido (ruido termal, ruido industrial debido por ejemplo a hornos a microondas, ruido de interferencia debido a otra WLAN en la misma banda de frecuencia). Está definida como:

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definida como:

Proporción Señal/Ruido [dB] = 10 * Log10 (Potencia de Señal [W] / Potencia de ruido [W])

� Si la señal es más poderosa que el ruido, la proporción señal/ruido S/N será positiva. Si la señal está oculta en el ruido, la proporción será negativa. Para poder trabajar a una cierta velocidad de transmisión de datos el sistema necesita una mínima proporción S/N.

Cálculo de enlace para WLAN (8)� Signal to Noise Ratio (Cont.)

� Ej Requerimientos S/N para algunas tarjetas: tarjeta Orinoco PCMCIA Silver/Gold: 11Mbps @ 16 dB ; 5.5 Mbps @ 11 dB ; 2 Mbps @ 7 dB ; 1 Mbps @ 4 dB.

� Si el nivel de ruido es muy bajo entonces el sistema estará más limitado por la sensitividad del receptor que por la proporción S/N.

� Si el nivel de ruido es alto entonces será la proporción Señal/Ruido que contará para

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� Si el nivel de ruido es alto entonces será la proporción Señal/Ruido que contará para alcanzar una proporción de datos dada. Si el nivel de ruido es alto necesitaremos más potencia recibida. En condiciones normales sin ninguna otra WLAN en la frecuencia y sin ruido industrial el nivel de ruido será de alrededor de -100dBm.

� Ej: para alcanzar una proporción de datos de 11 Mbps con una tarjeta Orinoco 802.11b podríamos necesitar una potencia se señal recibida 16dB más alta que el nivel de ruido (relación S/N) por lo que una señal de -100+16=-84 dBm bastaría. Si la sensitividad mínima del receptor es -82 dBm (más alto que -84), la sensitividad mínima del receptor es el factor limitante para el sistema.

Cálculo de enlace para WLAN (9)

� Calculo de Enlace ( Link Budget )

� Link budget es el cálculo de toda la cadena de transmisión. Las magnitudes a considerar para el caso de transmisión en espacio libre son:

� Potencia radiada [dBm] = Potencia de transmisor [dBm] -Pérdida de cable [dB]+ Ganancia de antena [dBi]

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� Pérdida de Propagación [dB]= Pérdida de Espacio Libre [dB].

� Potencia en Receptor [dBm] = Ganancia de antena [dBi]- Pérdida de cable [dB]- Sensitividad de Receptor [dBm]

� La condición de funcionamiento del enlace es:

Potencia Radiada + Pérdida de Propagación + Potencia en Receptor > 0.

Ejemplo de cálculo de enlace

� Dado:

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Dipolo de media onda (λ/2)

� Es la antena “práctica” más simple

Puede ser:

� Dipolo simple

� Dipolo doblado

� Un dipolo media onda es 5% más corto que la longitud de onda en espacio libre, de bido a que la

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espacio libre, de bido a que la velocidad de propagación en cada brazo del dipolo es 5% menor que “c”.

� Ej: longitud de dipolo λ/2 para 28 MHz: 300/28*0,95*0.5 = 5,09 m

Distribución de corriente y voltaje en dipolo λ/2

� Cuando la onda deja la línea de transmisión y entra al dipolo λ/2 se crea radiación electromagnética.

(cualquier antena cuya longitud es múltiple de λ/4 es una antena resonante)

� A lo largo de la antena dipolo aparecen corrientes y voltajes. Nos interesa la relación entre V e I (i.e. impedancia) en distintos

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interesa la relación entre V e I (i.e. impedancia) en distintos puntos de la antena, no los valores particulares.

� En un dipolo λ/2 se encuentra la siguiente distribución de V e I:

Distribución de corriente y voltaje en dipolo λ/2

� En el centro de la antena se tiene una gran corriente para un muy pequeño voltaje. Por lo tanto, se trata de una zona de muy baja impedancia (cero ohms en teoría, unos 72 ohms en la práctica).

� En los extremos del dipolo el voltaje tiene su máximo valor mientras que la corriente es muy baja. En consecuencia, se tiene una la zona de mayor impedancia de la antena (infinita en teoría, 2000-3000 ohms en la práctica).

� Se dice que la antena λ/2 es resonante al tener la longitud apropiada para

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� Se dice que la antena λ/2 es resonante al tener la longitud apropiada para acomodar una distribución de media longitud de onda de voltaje y corriente. En los extremos y en el centro de la antena la impedancia es predecible y resistiva.

� Para que una cargue disipe (o radie en el caso de la antena) máxima potencia, la carga debe ser resistiva y coincidir con la resistencia de la fuente. Para la antena dipolo, en que la impedancia al centro, para la alimentación, es 72 ohms, se debería llegar hasta la antena con una línea de transmisión de 72 ohms o alimentar a través de transformador de impedancia (balun)

Antena Dipolo de λ/2

� El patrón de radiación horizontal es omnidireccional, como una dona o rosquilla circundando un alambre

31Omnidireccional

Patrón de Radiación Dipolo

� Cuando la longitud del dipolo excede la longitud de onda el patrón de radiación toma una nueva forma, dividiéndose el lóbulo principal en múltiples lóbulos

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Resistencia de Radiación y Eficiencia de la Antena

� La señal radiada al espacio “aparece” como pérdida desde la antena

� Eléctricamente esto se traduce en una “resistencia”

� Para un dipolo de λ/2 alimentado en su centro la resistencia de radicación es aproximadamente 72 ohmios

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radicación es aproximadamente 72 ohmios

� Antenas también tienen resistencia real debido a sus conductores metálicos.

Especificaciones de Ganancia de Antena

� dBi significa decibeles con respecto a un radiador isotrópico (usada por los Ingenieros de microondas)

� dBd significa decibeles con respecto a un dipolo ideal de media onda en su dirección de máxima radiación (usada por los Ingenieros de celulares)

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� ERP (Effective Radiated Power) Potencia Efectiva Radiada� Igual a la cantidad de potencia que tendría que ser aplicada a un

dipolo de media onda, orientado en dirección de máxima ganancia, para tener la misma densidad de potencia en un determinado punto.

ERP = PT GT

� Realmente, es difícil determinar con exactitud GT, pero el producto PTGT es fácil de medir utilizando un medidor de intensidad de campo.

Polarización del dipolo

La polarización es la misma que la de como esta montado el dipolo:

� Dipolo Vertical está polarizado verticalmente

� Dipolo Horizontal está polarizado horizontalmente polarizado.

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Arreglo o agrupación de antenas

� Antenas simple pueden ser combinada para obtener determinados efectos direccionales

� Antenas individuales son llamadas elementos y la combinación es un

arreglo (array).

� Arreglos de antenas (arrays)

Es una forma de conformar el patrón de radiación

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� Es una forma de conformar el patrón de radiación

� Básicamente es el resultado de la interacción de patrones radiados por varias antenas

� Antenas de varios elementos tales como las yagis, log periódicas, etc. son esencialmente arreglos de antenas simples (dipolos)

Agrupación de antenas

� Para la ganancia de una antena se usan múltiples elementos especialmente posicionados para enfocar la potencia en una determinada dirección.

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� Se pueden espaciar las antenas cuidadosamente para tener el deseado patrón resultante

� Pueden usarse retardos de fases eléctricos para explorar o dirigir el haz, no requiriéndose posicionamiento mecánico

Arreglos de dipolos verticales

� Alimentación común: Cada elemento es alimentado con igual potencia y fase.

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Tipos de Arreglos

• Broadside: máxima radiación en ángulo recto del eje principal de la antena• End-fire: máxima radiación a lo largo del eje principal de la antena• En Fase: todos los elementos conectados a la fuente• Parasíticas: algunos elementos no están conectados a la fuente. Ellos re-

irradian la potencia de otros elementos

Arreglo de Dipolos Log-Periódica

� Varios elementos activos (dipolos) de diferentes longitudes

� Arreglo en fase

� Unidireccional end-fire

� Tiene gran ancho de banda pero poca ganancia

� A menudo usado para antenas de TV

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Log-Periódica

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Antena Hélice

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Arreglo Colineal

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� Todos los elemento están a través del mismo eje

� Usada para proveer un patrón omnidireccional horizontal con una antena vertical

� Concentra la radiación en el plano horizontal

Arreglo End-Fire

� Similar al arreglo broadside excepto que los dipolos son alimentados 180º fuera de fase

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Arreglo Yagi-Uda

� Comúnmente llamada: Antena Yagi ó Yagi

� Parasítica, end-fire, unidireccional

� Un elemento activo: dipolo o dipolo doblado

� Un reflector detrás del elemento activo y ligeramente más largo

� Uno o más directores en frente del elemento activo y ligeramente más cortos

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Antena Tipo Panel Reflector

� Antena montada a λ/4 de la superficie metálica plana (reflector)

� La onda directa y reflejada están en fase

� Se incrementa la radiación en esa dirección.

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Apilamiento de Yagis

� Apilamiento en-fase Yagis con media longitud de onda de espaciamiento vertical

� Reduce radiación sobre y debajo del horizonte

� Incrementa la ganancia en el plano de la antena

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Apilamiento de otras antenas

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Reflector de Esquina. Corner Reflector

� Radiación más enfocada que en el caso del reflector plano.

� A menudo usado en antenas de TV UHF

Antena UHF-TV : Yagi con reflector de esquina

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Reflector Parabólico� Toda la radiación emitida hacia el foco emerge en un haz paralelo al eje

� Se obtiene un haz muy estrecho

� Adecuado principalmente en frecuencias de microondas porque es muy grande comparada con su longitud de onda

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Antena parabólica “sólida”para microondas

Recepción Satelital de TV

Reflectores Combinados

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Otros Tipos de Antenas� Apertura/Corneta (horn)

� Las ondas son radiadas desde un hueco en la guía de onda

� Es bueno para altas frecuencias (microondas)

� Conexión (Patch)

� Pueden fabricarse tipo “circuito impreso”

� Helicoidales

� Radian con polarización circular

� Broadband (de gran ancho de banda)

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� Diseños novedosos que lucen “raros”

Mediciones de antenas

� Analizador de Redes (Network Analyzer)

� Impedancia de Entrada

� Parámetros S

� Medidas de Transmisión

� Antenna Range

� Patrón de Radiación

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� Patrón de Radiación

� Ganancia

� Polarización

Antena Diversidad

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Otros Tipos de Antenas

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Otros Tipos de Antenas

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Otros Tipos de Antenas

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Otros Tipos de Antenas

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Otros Tipos de Antenas

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Ficha Técnica (1)

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Ficha Técnica (2)

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Ficha Técnica (3)

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