Deber semana 3
Antenas/Líneas de Transmisión
Cables
Guías de onda
Conectores y adaptadores
Glosario de antenas: impedancia de entrada, pérdida de retorno, ancho de banda, directividad, ganancia, patrón de radiación, ancho del haz, lóbulos laterales, polarización, discordancia de polarización, relación de ganancia adelante/atrás, apertura de la antena.
Tipos de antena
Amplificadores
DEBER SEMANA 3 - RONNY RAMIREZ
El transmisor que genera la energía de radiofrecuencia, para entregar a
la antena generalmente está ubicado a cierta distancia de los terminales de la
misma.
El enlace entre ambos es la línea de transmisión de RF. Su propósito
es transportar la energía de RF desde un lugar hacia el otro de la forma más
efciente posible.
Del lado del receptor, la antena es responsable de captar las
señales de radio desde el aire y pasarlas al receptor con la mínima cantidad
de distorsión, para que el radio pueda descodifcar la señal.
Por estas razones
el cable de RF tiene un rol muy importante en los sistemas de radio: debe
mantener la integridad de las señales en ambas direcciones.
Antenas / Líneas de transmisión
La línea de transmisión más simple que podamos imaginar es la biflar o de
dos hilos, que consiste en dos conductores separados por un dieléctrico o
aislante. El dieléctrico puede ser aire o un plástico como el que se usa para
líneas de transmisión planas en antenas de TV.
Una línea de transmisión biflar abierta en un extremo no va a irradiar
porque la corriente en cada cable tiene el mismo valor pero una dirección
opuesta, de manera que los campos creados en un punto dado a alguna
distancia de la línea se cancelan.
Si doblamos los extremos abiertos de la línea de transmisión en sentidos
opuestos, la corriente va a generar campos eléctricos que están en fase y se
refuerzan mutuamente, y, por lo tanto, irradiarán y se propagarán a
distancia. Ahora tenemos una antena en un extremo de la línea de
transmisión.
El largo de la porción doblada de la línea de transmisión va a determinar la
característica de la antena. Si el largo corresponde a un cuarto de la longitud
de onda, vamos a tener una antena dipolo de media onda con una ganancia
de 2,15 dBi.La presencia de metales en las cercanías va a afectar
profundamente el funcionamiento de la línea de transmisión biflar descrita,
así que la mejor solución es confnar los campos eléctricos por medio de un
conductor externo que proteja el interno
Esto constituye un cable coaxial. Alternativamente, un tubo metálico hueco
de dimensiones apropiadas también va a transportar efcazmente energía RF
en lo que se llama guía de onda.
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CABLES
Los cables coaxiales tienen un conductor
central recubierto por un material no conductor denominado dieléctrico, o
simplemente aislante. El dieléctrico se recubre con una pantalla conductora
envolvente a menudo en forma de malla. El dieléctrico evita una conexión
eléctrica entre el conductor central y la pantalla. Finalmente, el coaxial está
protegido por un recubrimiento generalmente de PVC.
A pesar de que la construcción del cable coaxial es muy buena para contener
la señal en el cable, presenta algo de resistencia al fujo eléctrico: a medida
que la señal viaja a través del cable disminuye su intensidad.
El conductor
interior transporta la señal de RF, y la pantalla evita que la señal de RF sea
radiada a la atmósfera, así como impide que posibles señales externas
interferan con la que está siendo transmitida por el cable. Otro hecho
interesante es que las señales eléctricas de alta frecuencia siempre viajan a lo
largo de la capa exterior del conductor central: cuanto más grande el
conductor central, mejor va a ser el fujo de la señal.
Este debilitamiento es conocido como atenuación, y para las líneas de
transmisión se mide en decibeles por metro (dB/m). El coefciente de
atenuación es una función de la frecuencia de la señal y la construcción
física del cable.
Si se incrementa la frecuencia de la señal, también lo hace su
atenuación. Obviamente se necesita minimizar la atenuación del cable
cuanto más nos sea posible, esto puede hacerse mediante la utilización de
cables muy cortos y/o de buena calidad
GUIAS DE ONDA
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Arriba de los 2 GHz, la longitud de onda es lo sufcientemente corta como
para permitir una transferencia de energía práctica y efciente por diferentes
medios. Una guía de onda es un tubo conductor a través del cual se
transmite la energía en la forma de ondas electromagnéticas. El tubo actúa
como un contenedor que confna las ondas en un espacio cerrado. El efecto
de Faraday atrapa cualquier campo electromagnético fuera de la guía. Los
campos electromagnéticos son propagados a través de la guía de onda por
medio de refexiones en sus paredes internas, que son consideradas
perfectamente conductoras. La intensidad de los campos es máxima en el
centro a lo largo de la dimensión X, y debe disminuir a cero al llegar a las
paredes, porque la existencia de cualquier campo paralelo a las mismas en su
superfcie causaría una corriente infnita en un conductor perfecto.
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CONECTORES Y ADAPATADORES
Los conectores BNC fueron desarrollados a fnes de los 40. La sigla BNC
signifca Bayoneta, Neill-Concelman, por los apellidos de quienes los
inventaron: Paul Neill y Carl Concelman.
El tipo BNC es un conector miniatura de conexión y desconexión rápida.
Tiene dos postes de bayoneta en el conector hembra, y el apareamiento se
logra con sólo un cuarto de vuelta de la tuerca de acoplamiento. Los
conectores BNC son ideales para la terminación de cables coaxiales
miniatura o subminiatura (RG-58 a RG-179, RG-316, etc.). Tienen un
desempeño aceptable hasta unos pocos cientos de MHz. Son los que se
encuentran más comúnmente en los equipos de prueba y en los cables
coaxiales Ethernet 10base2.
Los conectores TNC también fueron inventados por Neill y Concelman, y
son una versión roscada de los BNC. Debido a que proveen una mejor
interconexión por su conector de rosca, funcionan bien hasta unos 12 GHz.
Su sigla TNC se debe al inglés (Neill-Concelman con Rosca, por Treaded
Neill-Concelman)
Los conectores Tipo N (también por Neill, aunque algunas veces atribuidos
a “Navy”) fueron desarrollados originalmente durante la Segunda Guerra
Mundial. Se pueden utilizar hasta a 18 GHz y se utilizan comúnmente en
aplicaciones de microondas. Se fabrican para la mayoría de tipos de cable.
Las uniones del cable al conector macho o hembra son supuestamente
impermeables, lo que da un agarre efectivo. Sin embargo, para uso en
exteriores deberían envolverse en cinta autoaglomerante para evitar que el
agua penetre.
SMA es un acrónimo de Sub Miniatura versión A, y fue desarrollado en los
60. Los conectores SMA son unidades subminiatura de precisión que
proveen excelentes prestaciones eléctricas hasta más de 18 GHz. Estos
conectores de alto desempeño son de tamaño compacto y tienen una
extraordinaria durabilidad.
Los SMB cuyo nombre deriva de Sub Miniatura B, son el segundo diseño
subminiatura. Constituyen una versión más pequeña de los SMA con un
acoplamiento a presión. Son adecuados hasta 4 GHz con un diseño de
conector de presión.
Los conectores MCX se introdujeron en los 80.
Aunque utilizan contactos internos y aislantes idénticos a los SMB, el
diámetro exterior de la clavija es 30% más pequeño que la del SMB. Esta
serie proporciona opciones a los diseñadores cuando el peso y el espacio
físico son limitados. MCX tiene una capacidad de banda ancha de 6 GHz
con un diseño de conector a presión.
Además de estos conectores estándar, la mayoría de los dispositivos WiFi
utilizan una variedad de conectores patentados. A menudo son simplemente
conectores de microondas estándar con las partes centrales del conductor
invertidas o con roscas a contramano.
Estos conectores especiales a menudo se acoplan a los otros elementos del
sistema de microondas utilizando un cable delgado y corto llamado
latiguillo, (en inglés pigtail: cola de cerdo) que convierte el conector que no
es estándar en uno más robusto y disponible comúnmente.
Entre estos conectores especiales tenemos:
RP-TNC. Es un conector TNC con el género invertido.
U.FL (también conocido como MHF). Probablemente es el conector de
microondas más pequeño utilizado ampliamente en la actualidad. El U.FL /5. ANTENAS / LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 65
MHF se utiliza para conectar una tarjeta de radio mini-PCI a una antena o
a un conector más grande (como un N, o un TNC) usando un cable
delgado en lo que se conoce como pigtail.
La serie MMCX, también denominada MicroMate, es una de las líneas de
conectores de RF más pequeñas desarrolladas en los 90. MMCX es una
serie de conectores micro-miniatura con un mecanismo de bloqueo a
presión que permite una rotación de 360 grados otorgándole gran
fexibilidad.
Los conectores MC-Card son más pequeños y más frágiles que los MMCX.
Tiene un conector externo con ranuras que se quiebra fácilmente luego de
unas pocas interconexiones.
Los adaptadores coaxiales (o simplemente adaptadores), son conectores
cortos usados para unir dos cables, o dos componentes que no se pueden
conectar directamente. Los adaptadores pueden ser utilizados para
interconectar dispositivos o cables de diferentes tipos. Por ejemplo, un
adaptador puede ser utilizado para conectar un conector SMA a un BNC.
También pueden servir para unir dos conectores del mismo tipo pero de
género diferente
La energía puede introducirse o extraerse de una guía de onda por medio de
un campo eléctrico o magnético. Generalmente la transferencia de energía
se da a través de una línea coaxial. Dos métodos posibles para acoplar una
línea coaxial son utilizar el conductor interno de la línea, o a través de una
espira.
Si una guía de onda se deja abierta en uno de sus lados, puede radiar energía
(es decir, puede ser usada como una antena en lugar de línea de
transmisión). Esta radiación puede ser aumentada acampanando la guía de
onda para formar una antena de bocina piramidal (horn).
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Glosario de antenas
Impedancia de entrada
Para una transferencia de energía efciente, la impedancia del radio, la
antena, y el cable de transmisión que las conecta debe ser la misma.
Las antenas y sus líneas de transmisión generalmente están diseñadas para
una impedancia de 50Ω. Si la antena tiene una impedancia diferente a
50Ω, hay una desadaptación y se va a producir refexión a menos que se
añada un circuito de acoplamiento de impedancia. Cuando alguno de estos
componentes no tiene la misma impedancia, la efciencia de transmisión se
ve afectada
Pérdida de retorno
La pérdida de retorno es otra forma de expresar la desadaptación. Es una
medida logarítmica expresada en dB, que compara la potencia refejada por
la antena con la potencia con la cual la alimentamos desde la línea de
transmisión Pi.
Return Loss (in dB) = 10 log10 Pi/Pr
Aunque siempre existe cierta cantidad de energía que va a ser refejada hacia
el sistema, una pérdida de retorno elevada implica un funcionamiento
inaceptable de la antena.
La interacción entre la onda que viaja desde el transmisor a la antena y la
onda refejada por la antena hacia el transmisor crea lo que se llama onda
estacionaria, así que una forma alternativa de medir la desadaptación de
impedancia es por medio de la Razón del Voltaje de la Onda Estacionaria
(Voltage Standing Wave Ratio (VSWR):
Return Loss (in dB) = 20 log10 (VSWR+1 / VSWR-1)
En una línea de transmisión perfectamente acoplada, VSWR = 1.
En la práctica, tratamos de mantener una VSWR menor a 2
Ancho de banda
El ancho de banda de una antena se refere al rango de frecuencias FH - FL
en el cual puede operar de forma correcta. Este ancho de banda es el
número de hercios (Hz) para los cuales la antena va a cumplir ciertos
requisitos como presentar una ganancia dentro de los 3 dB de la ganancia
máxima, o un VSWR menor que 1.5.
El ancho de banda también puede ser descrito en términos de porcentaje de
la frecuencia central de la banda:
Bandwidth = 100 (FH – FL )/FC
donde FH es la frecuencia más alta en la banda, FL es la frecuencia más baja,
y FC es la frecuencia central. De esta forma, el ancho de banda es constante
respecto a la frecuencia. Si el ancho de banda fuera expresado en unidades
absolutas de frecuencia, variaría dependiendo de la frecuencia central. Los
diferentes tipos de antenas tienen diversas limitaciones de ancho de banda.
Directividad y Ganancia
La directividad es la habilidad de una antena de transmitir enfocando la
energía en una dirección particular, o de recibirla de una dirección
particular. Si un enlace inalámbrico utiliza ubicaciones fjas para ambos
extremos, es posible utilizar la directividad de la antena para concentrar la
transmisión de la radiación en la dirección deseada. En una aplicación
móvil, donde el transceptor no está fjado a un punto, es imposible predecir
dónde va a estar, y por lo tanto la antena debería radiar en todas las
direcciones del plano horizontal. En estas aplicaciones se utiliza una antena
omnidireccional. La ganancia no es una cantidad que pueda ser defnida en
términos de una cantidad física como vatios u ohmios: es un cociente sin
dimensión. La ganancia se expresa con referencia a una antena estándar. Las
dos referencias más comunes son la antena isotrópica y la antena dipolo
resonante de media longitud de onda. La antena isotrópica irradia en todas
direcciones con la misma intensidad. En la realidad esta antena no existe,
pero provee un patrón teórico útil y sencillo con el que comparar las
antenas reales. Cualquier antena real va a irradiar más energía en algunas
direcciones que en otras. Puesto que las antenas no crean energía, la
potencia total irradiada es la misma que una antena isotrópica. Toda energía
adicional radiada en las direcciones favorecidas es compensada por menos
energía radiada en las otras direcciones.
Patrón de Radiación
El patrón de radiación o patrón de antena describe la intensidad relativa del
campo radiado en varias direcciones desde la antena a una distancia
constante. El patrón de radiación es también de recepción, porque describe
las propiedades de recepción de la antena.
El patrón de radiación es tridimensional, pero generalmente lo que se
publica de este es una porción bidimensional del patrón tridimensional, en
el plano horizontal o vertical.
Estas mediciones son presentadas en coordenadas rectangulares, o en
coordenadas polares. La siguiente fgura muestra el diagrama de radiación
en coordenadas rectangulares de una antena Yagi de diez elementos. El
detalle es bueno, pero se hace difícil visualizar el comportamiento de la
antena en diferentes direcciones
ancho del haz es la mitad de potencia. Se encuentra el pico de intensidad de radiación, luego
se localizan los puntos de ambos lados de pico que representan la mitad de
la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de
mitad potencia se defne 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.
Generalmente se consideran tanto el anchos de haz vertical como
horizontal.
Suponiendo que la mayoría de la potencia radiada no se dispersa en lóbulos
laterales, la directiva, y por lo tanto la ganancia, es inversamente
proporcional al ancho del haz: cuando el ancho del haz decrece, la ganancia
se incrementa. Una antena de alta ganancia puede tener un ancho de haz de
pocos grados y tendrá que ser apuntada muy cuidadosamente para no fallar
el blanco. El ancho del haz se defne por los puntos de la mitad de la
potencia y a su vez determina el área de cobertura.
El área de cobertura se refere al espacio geográfco “iluminado” por la
antena y se defne aproximadamente por la instersección del ancho del haz
con la superfcie terrestre. En una estación base es muy deseable maximizar
el área de cobertura, pero a veces se debe recurrir al basculamiento de la
antena sea mecánica o eléctricamente para poder darle al usuario un
rendimiento semejante a la estación base, es decir, por debajo del ancho del
haz de una antena no-basculada. Este basculamiento puede lograrse
inclinando mecánicamente la antena, pero a menudo el haz puede ser
dirigido cambiando la fase de la señal aplicada a los diferentes elementos de
la antena en lo que se conoce como basculamiento eléctrico.
La ganancia de una antena en una
dirección dada es la cantidad de energía radiada en esa dirección comparada
con la energía que podría radiar una antena isotrópica en la misma
dirección alimentada con la misma potencia. Generalmente estamos
interesados en la ganancia máxima, que es aquella en la dirección hacia la
cual la antena está radiando la mayor potencia. Una ganancia de antena de
3dB comparada con una isotrópica debería ser escrita como 3dBi. El dipolo
de media longitud de onda es un estándar útil a la hora de compararlo con
otras antenas a una frecuencia, o sobre una banda estrecha de frecuencias. A
diferencia de la isotrópica, es muy fácil de construir y a veces los fabricantes
expresan la ganancia en referencia a la dipolo de media longitud de onda en
lugar de la isotrópica. Una ganancia de antena de 3 dB comparada con una
dipolo debería escribirse como 3 dBd. Puesto que la dipolo de media
longitud de onda tiene una ganancia de 2,15 dBi, podemos calcular la
ganancia dBi de cualquier antena sumando 2,15 a su ganancia dBd.
El método para medir la ganancia mediante la comparación de la antena
bajo prueba con una antena estándar conocida, de ganancia calibrada, es
conocido como técnica de transferencia de ganancia.
Lóbulos laterales (sidelobes)
Ninguna antena es capaz de irradiar toda la energía en una dirección
preferida. Alguna energía se irá en otras direcciones. Estos pequeños picos se
conocen como lóbulos laterales y se especifcan en dB por debajo del lóbulo
principal.
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.
Polarización
La polarización se defne como la orientación del campo eléctrico de una
onda electromagnética. La polarización inicial de una onda de radio es
determinada por la antena. La mayor parte de las antenas está polarizada
vertical u horizontalmente
El campo eléctrico puede dejar la antena en una orientación vertical,
horizontal o en algún ángulo entre los dos. La radiación polarizada
verticalmente se ve ligeramente menos afectada por las refexiones en el
trayecto de la transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen
una polarización vertical. Las antenas horizontales tienen menos
probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre,
normalmente polarizadas verticalmente.
En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con
un movimiento circular en la dirección de la propagación, haciendo una
vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la
derecha o hacia la izquierda. La elección de la polarización es una de las
elecciones de diseño disponibles para el diseñador del sistema de RF.