clase 1 - antenas 2012

1

Medios de acceso

inalámbricos

Maestría en TelecomunicacionesFacultad de Ingeniería

Universidad de Buenos Aires - Argentina

Ing. Fernando Bonelli

2

Introducción

3

Introducción

• Propagación de las ondas de radio:

– Antenas

– Estudio de la propagación y sus anomalías.

– Propagación en espacio libre.

– Propagación real en presencia de la Tierra y

la atmósfera.

– Fenómenos que producen desvanecimiento.

Cálculos de enlaces

4

Introducción

• Propagación de radio en el contexto móvil

– Modelos de Propagación

– Trayectos múltiples.

– Desplazamiento de frecuencia o efecto Doppler.

– Propagación en ambientes interiores o en medio urbano denso.

– Modelos de predicción. Fórmula empírica de Okumura-Hata. Modelo empírico de Walfish-

Ikegami/COST231.

– Propagación en el interior de edificios. Modelo

empírico de Motley.

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Bibliografía

• Microwave Radio Links from Theory to Design

– Carlos Salema – Ed: John Wiley & Son

• Antenas y Propagación Volumen I y II.

– Francisco Tropeano – Editorial Alsina.

• Satellite Communications

– Timothy Pratt, Charles W. Bostian y jeremy Allnut -Ed: John Wiley & Son

• RF and Microwave Wireless Systems

– Kai Chang - Ed: John Wiley & Son

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Conceptos

Generales

7

Ondas de Radio

Características de propagación

Onda de tierra: Frecuencias inferiores a 3 MHz. Alcances largos.

Onda ionosférica: Entre 3 y 30 MHz. Grandes alcances.

Onda espacial: Frecuencias superiores a 30 MHz:

• Onda directa: alcanza el receptor de manera directa

• Onda reflejada: conecta transmisor y receptor a través de una

reflexión

• Ondas por reflexión multitrayecto

Onda dispersión troposférica: Reflexiones en turbulencias de

capas de la troposfera

8

Ondas de Radio

Características de propagación

9

Bandas de Frecuencias

30 a 300 GHzEHF (Extra High Frequency)Frec. Extremadamente

altas

3 a 30 GHzSHF (Super High Frequency)Frecuencias super altas

300 a 3000 MHzUHF (Ultra High Frequency)Frecuencias ultra altas

30 a 300 MHzVHF (Very High Frequency)Frecuencias muy altas

3 a 30 MHzHF (High Frequency)Frecuencias altas

300 a 3000 KHzMF (Medium Frequency)Frecuencias medias

30 a 300 KHzLF (Low Frequency)Frecuencias bajas

3 a 30 KHzVLF (Very Low Frequency)Frecuencias muy bajas

Rango de

Frec.

AbreviaturaDescripción

10

Bandas de Frecuencias

Microondas

26 – 40 GHzKa

18 –26GHzK

12 – 18 GHzKu

8 – 12 GHzX

4 – 8 GHzC

2 – 4 GHzS

1 – 2 GHzL

Rango de

Frecuencias

Banda

11

Esquema de un enlace

Pérdidas en el trayecto “Path Loss”: At. de Espacio Libre

Difracción

Reflexión

Dispersión

12

Antenas

13

Definición

• Una antena es un trasductor de corrientes

eléctricas en ondas electromagnéticas y viceversa.

• Son las interfaces entre los cables de alimentación

(o guías de onda) y el espacio libre. Permiten

acoplar el transmisor (o receptor) al medio de

propagación (espacio)

• Son bidireccionales (transmiten y reciben)

14

Radiador Isotrópico

Coordenas esféricas

• Elemento de corriente

• Campo Lejano

15

Radiador Isotrópico

• Vector de “Pointing”:

• Densidad de Potencia:

• Intensidad de radiación: Potencia Irradiada por

ángulo sólido:

Para un radiador Isotrópico:

( )*Re2

1HEP ×=

24 r

P

dS

dP Rad

iso ⋅=

π

( )Ω

=d

dPU φθ,

π4RadRad

iso

P

Esfera

P

d

dPU ==

Ω=

16

Parámetros de una antena

• Directividad

• Ganancia - Eficiencia

• Diagrama de Radiación

• Ancho de Banda

• Polarización

• Impedancia

• ROE

• Area Efectiva

• Relación Frente-Espalda

• Temperatura de Ruido

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Directividad - Ganancia

Directividad o Ganancia: relación entre el máximo valor de potencia irradiada por la antena en una dirección por unidad de ángulo sólido respecto a la potencia media por unidad de ángulo sólido. Indica la capacidad de la antena de concentrar y dirigir la energía en una dirección determinada.

18

Directividad

• Mide la capacidad de la antena de dirigir su

potencia hacia una determinada dirección

• Ganancia directiva:

• Directividad :

( ) ( )Ω

==d

dP

PU

UD

Radiso

πφθφθ

4,,

iso

MaxMax

U

UD =

19

Directividad

• Densidad de potencia en función de la Ganancia Directiva

• Comparando con Radiador Isotrópico:

• En la dirección de máxima directividad es :

( )φθπ

,4 22

Dr

P

dr

dP

dS

dP Rad

⋅=

Ω=

( )22 4

,4 r

PIRED

r

PRad

⋅=

⋅ πφθ

π

MaxRAD DPPIRE ⋅=

20

Ganancia - Eficiencia

• Ganancia:

• Eficiencia

( ) ( )Ω

==d

dP

PP

UG

TT

π

π

φθφθ

4

4

,,

( )( )φθ

φθ

,

,

D

G

P

Pe

T

Rad ==

MaxTMaxRAD GPDPPIRE ⋅=⋅=

21

Ganancia

• La Directividad es un valor teórico que no incluye

pérdidas

• La ganancia incluye las pérdidas.

• Generalmente la ganancia es dato del fabricante

• En realidad una antena no “gana” potencia, sino

que se direcciona la energía en un sentido.

22

Ganancia

• Se la suele relacionar con el Radiador Isotropico

(dBi), aunque también se lo puede referir al dipolo

de media onda (dBd).

• Conversión de dBi a dBd:

G[dBi]=2,14 dB + G[dBd]

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Diagramas de Radiación

• Es una representación gráfica de las propiedades

direccionales de una antena en el espacio.

• Se gráfica la potencia radiada, también puede ser del

campo eléctrico.

• Absolutos - Relativos

• Tridimensionales

• Bidimensionales: • Vertical

• Horizontal

24

Diagramas de Radiación

25

Diagramas Bidimensionales

Potencia

Intensidad de

campo En()

2

n nP (θ)=E (θ)

θ = 0θ = 0

Pn

En

1.0

1.0

0.707

0.5

HPBW

HPBW

FNBW = 74°

FNBW = 74°

= 40°

= 40°

(a) (b)

Diagrama de Campo

Diagrama de Potencia

• HPBW (Half Power Beam Width): Ancho de haz angular a un nivel de

media potencia (-3dB).

• FNBW (First Null Beam Width): Ancho del haz entre los primeros nulos.

26

Nivel del 1er lóbulo lateral

Nivel del 2do

lóbulo lateral

- 9 dB

- 13 dB

Lóbulo posterior 180°

HPBW =

40°

FNBW = 74°

-180° -120° -60° 0° 60° 120° 180°

0

-3dB

-10

-20

-30

-40

(c)

dBs

Diagramas Bidimensionales

27

Diagrama Tridimensional

28

ONMIDIRECIONAL

360º

SECTORIAL

90º - 120º

BAJA DIRECTIVIDAD

YAGIS

ALTA DIRECTIVIDAD

PARABOLICAS

Tipos

Diagramas de Radiación

29

0°

90°

180°

270°

LAS ANTENAS REDISTRIBUYEN LA ENERGIA EN EL ESPACIO

Ganancia de una antena directiva

GANANCIA

EN dBi

Referencia ( 0 dBi )

30

Ancho de Banda

• El rango de frecuencia donde la antena mantiene sus características.

• La potencia radiada (o recibida) cae a la mitad (3 dB)

• No sobrepasa el ROE especificado.

• Para antenas de banda estrecha se suele referir como un porcentaje de la frecuencia de resonancia

31

Polarización

Es la figura geométrica determinada por

el extremo del vector que representa al

campo eléctrico cuando se observa en el

sentido de propagación de la onda.

Polarización Elipse o Circular

Polarización Lineal: • Vertical

• Horizontal

32

Polarización

• Polarización Lineal:

33

Polarización

• Polarización Circular

34

Impedancia

• Relación entre Tensión y Corriente en los terminales de la antena.

• La antena presenta una impedancia compleja Zi a la línea de Transmisión.

35

La parte reactiva se debe a la energía almacenada en los campos cercanos a la antena.

La parte real es la suma de la resistencia ohmica y de radiación

• Resistencia Radiación: asociada a la energía

radiada

• Resistencia Ohmica: asociada a las pérdidas por

disipación de calor

Impedancia

36

Impedancia

2

eficaz

RadRad

I

PR =

2

eficaz

T

I

PR =Ω

Ω+==

RR

R

P

Pe

Rad

Rad

T

Rad

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Relación de Onda Estacionaria

ROE

oi

oi

IC

REF

ZZ

ZZ

E

E

+

−==ρ

||1

||1

ρ

ρ

−

+=ROE

• Coeficiente de reflexión (ρ): Relación entre la onda

Incidente y reflejada en una carga ( Antena).

• ROE: Relación entre la amplitud máxima y mínima de onda

estacionaria

• ρ =0,13 => ROE: 1,3

• ρ =0,091 => ROE: 1,2• ρ =0 => ROE: 1

38

Area Efectiva

• Es la relación entre la densidad de potencia

incidente y la potencia entregada en sus

terminales

• El campo eléctrico incidente genera una

corriente que irradia otro campo.

• Para reflector parabólico:

• Pot en los terminales:

π

λ

4

2GA ef =

efefc Ar

PIREA

dS

dPP ⋅

⋅=⋅=

2Re4π

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Reflector Parabólico

Donde:

– Diámetro de la parábola: d

– Eficiencia de apertura :

4

.

4

22 dGAef

ηπ

π

λ==

dAHaz

λº70=

2.

=

λ

πη

dG

6,05,0 ≤≤ η

Ancho del haz principal:

40

Relación Frente - Espalda

• Relación entre el nivel de la señal del pico del haz

delantero con la señal detrás de la antena

• Se lo considera en sistemas de varios saltos para el

cálculo de interferencia.

• Se expresa en dB

41

Ejemplos

42

Ejemplos

43

Ejemplos

44

Ejemplos

45

Ejemplos

Antenas usadas en sistemas móviles

46

Ejemplos

47

Ejemplos

48

Ejemplos

49

Ejemplos

50

Ejemplos

51

Ejemplos

52

Ejemplos

53

Ejemplos