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Carlos Andrés Vargas Luque FIBRA ÓPTICA Y ANTENAS Profesor: Fabián Herrera Bogotá Junio 3 de 2011 1


ÍNDICE

1. Fibra Óptica

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1.1.

Transmisión a través de la fibra

5

1.2.

Estructura de la fibra

5

1.3.

Tipos de fibra óptica

5

1.3.1. Fibra Multimodo

6

1.3.2. Fibra Monomodo

6

1.4.

Tipos de fibra según el diseño

7

1.5.

Aplicaciones

8

1.5.1. Comunicaciones

8

1.5.2. Sensores

8

1.5.3. Iluminación

8

1.5.4. Otros

9

1.6.

Funcionamiento

9

1.6.1. Ley de Snell y fenómeno de reflexion interna total

9

1.6.2. Leyes de Maxwell para una fibra óptica

11

1.7.

Ventajas y desventajas de la fibra óptica

13

1.8.

Equipos utilizados con la fibra óptica

14

1.8.1. Transmisor de energía óptica

14

1.8.2. Detector de energía óptica

14

1.8.3. Emisores del haz de luz

14

1.8.4. Conversores luz-corriente eléctrica

14

1.9.

Otros datos de la fibra óptica

15

1.10. Las funciones del cable

16

1.11. Elementos y diseño del cable

16

1.12. Pérdidas en los cables de fibra óptica

17

1.12.1.

Pérdidas por absorción

17

1.12.2.

Pérdida de Rayleigh

17

1.12.3.

Dispersión cromática

17

1.12.4.

Pérdidas por radiación

18 2


1.12.5.

Pérdidas por acoplamiento

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1.13. Conectores

18

1.14. Tipos de dispersión

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2. Antenas 2.1.

Características de las antenas

19 20

2.1.1. Directividad

20

2.1.2. Ganancia de la antena

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2.1.3. Patrón de radiación

22

2.2.

Impedancia de entrada

25

2.3.

Polarización de la antena

26

2.4.

Desadaptación de polarización

27

2.5.

Pérdida de retorno

28

2.6.

Ancho de banda

28

2.7.

Resistencia de radiación

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2.8.

Tipos de antenas

29

2.8.1. Antenas de hilo

30

2.8.2. Antenas de apertura

33

2.8.3. Antenas planas

34

2.8.4. Antenas de array

34

2.8.5. Antenas con reflector

35

2.8.6. Antenas sectoriales

36

2.9.

Conectores

36

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1. FIBRA ÓPTICA

La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos ya que permite enviar cantidades grandes de información a grandes distancias

con

pocas

pérdidas

y

además

es

inmune

a

interferencias

electromagnéticas. Compuesta por un hilo muy fino de material transparente por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir, los cuales quedan completamente confinados en el interior de la fibra y se propagan con un ángulo determinado. Los haces de luz son generados normalmente por un láser o un LED. La invención de la fibra óptica se debió principalmente a que, una vez inventado el láser, no existía un conducto capaz de transmitir los fotones originados por este que generara pocas pérdidas. Pero estudios hechos por los científicos D. Hondoros y Peter Debye en 1910, basándose en estudios previos de AugustinJean Fresnel para la propagación de un rayo de luz en medio de placas lisas, proporcionaron las bases suficientes para su posterior invención por el científico Narinder Singh Kapany en 1950. Las primeras fibras, que se empezaron a emplear alrededor del año de 1956, fueron utilizadas para la transmisión de datos a cortas distancias ya que estas presentaban pérdidas muy significativas; los haces de luz perdían hasta el 99% de su intensidad en tan solo 9 metros de fibra. En 1970 se produjo el mejor avance en este tema cuando los investigadores Maurer, Keck, Schultz y Zimar fabricaron la primera fibra óptica con impurezas de titanio y sílice cuyas pérdidas eran de aproximadamente 17dB/km. Más adelante esta misma década los avances fueron tantos que redujeron las perdidas hasta 0.5 dB/km. En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240 kilómetros de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable.

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1.1 Transmisión a través de la Fibra El componente activo de este proceso es un transmisor que se encarga de convertir las ondas electromagnéticas en energía óptica o luminosa. Una vez transmitida esta señal por la fibra se llega al receptor o detector óptico el cual transforma la señal luminosa en una electromagnética similar a la señal original. En el recorrido entre estos dos componentes podemos encontrar amplificadores ópticos los cuales son los responsables de regenerar la señal luminosa en caso de pérdidas significativas.

1.2 Estructura de la Fibra El núcleo de la hebra (diámetro aproximado de 50 micrómetros) está hecho de un material

que

posee

un

índice

de

refracción

alto

ya

que

las

ondas

electromagnéticas que conforman la luz tienden a viajar a través de una región con dicha característica. Algunos de estos núcleos tienen un índice de refracción gradual ya que los materiales con esta característica cuentan con un mayor ancho de banda que los que tienen un índice de refracción constante. Para obtener las reflexiones necesarias dentro del núcleo, se utiliza un material con un índice de refracción menor llamado cubierta y normalmente hecho de silicona. Por último y con el fin de proteger la fibra y hacerla más robusta, se forma una envoltura sobre la cubierta que generalmente es de algún tipo de plástico (poliuretano).

1.3 Tipos de fibra óptica Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Debido a esto y dependiendo del tipo de propagación tenemos dos tipos de fibra: 5


1.3.1 Fibra multimodo Es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un camino. Son más simples y económicas de diseñar y se utilizan para la transmisión de información en distancias cortas (menores a 1 km). Debido a que los ángulos con los que inciden las señales de entrada son diferentes, estas no llegan a su destino al mismo tiempo. El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo; la de índice escalonado, en la cual el núcleo tiene un índice de refracción constante y la de índice gradual en la cual el índice de refracción no es constante y está hecha de diferentes materiales.

1.3.2 Fibra monomodo En este tipo de fibra solo se propaga un modo de luz de forma paralela al eje de la fibra, lo cual se logra reduciendo el diámetro del núcleo hasta aproximadamente 10 micrómetros. Con este tipo de fibras se pueden alcanzar distancias hasta de 400 km con un laser de alta intensidad y transmitir decenas de GB. Este tipo de fibra utiliza un haz de luz más intenso y por consiguiente con mayor ancho de banda. Las pérdidas en este modo de propagación son mínimas por lo cual no se necesita colocar amplificadores a distancias cortas que ayuden recuperar la intensidad de la señal. Su fabricación se hace con un montaje de una barra de vidrio y un tubo concéntricamente, el cual se calienta para luego estirar el cable y obtener el diámetro deseado. Una barra de vidrio de 1 m de largo y diámetro 6 cm alcanza para fabricar aproximadamente 150 km de fibra óptica monomodo.

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1.4 Tipos de fibra según el diseño Tenemos dos tipos de fibra óptica que dependen de su diseño los cuales explicaremos a continuación. -

Cable de estructura holgada: usado muy comúnmente tanto en interiores como en exteriores. Se compone de varios tubos de fibra que rodean un filamento central. Cada uno de estos tubos consta de varias fibras ópticas que tienen espacio suficiente en su interior. Los tubos tienen un gel en su interior para protegerlos de la humedad pero estos también pueden ser totalmente huecos. La razón de esta estructura es que libera a las fibras de posibles fuerzas mecánicas que se puedan ejercer sobre estas.

-

Cable de estructura ajustada: más comúnmente utilizada en interiores. Tiene un radio de curvatura más pequeño lo que le da más flexibilidad. Se compone de varias fibras que rodean un miembro central de tracción y todo esto se encuentra cubierto por una protección exterior.

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1.5 Aplicaciones La fibra óptica tiene un amplio rango de aplicaciones debido a su versatilidad, puede ser utilizada tanto en comunicaciones y alto flujo de datos como en algo tan sencillo como la iluminación. A continuación explicaremos algunos de sus usos más frecuentes.

1.5.1 Comunicaciones Debido a su flexibilidad y a que se pueden agrupar formando cables, los cables de fibra óptica son muy utilizados en telecomunicaciones. Para usos entre urbanizaciones se utilizan los cables de vidrio debido a sus bajas pérdidas. Son utilizados en internet, telefonía, televisión, radio digital entro otros. El FTP o par trenzado de fibra óptica es la combinación de la confiabilidad del par con la ventaja de la velocidad de la fibra óptica, empleado únicamente en instalaciones militares y posee una velocidad de transmisión de hasta 10 Gb/s. Su única desventaja es su costo, 3 veces mayor al de la fibra óptica convencional. En comunicaciones las fibras multimodo se utilizan para distancias cortas de hasta 5 km y las fibras monomodo para distancias mucho más grandes ya que presentan menos pérdidas

1.5.2 Sensores Los cables de fibra óptica tienen la ventaja sobre los sensores eléctricos debido a que por estos no circula corriente. Estos pueden ser utilizados para medir tensión, temperatura, presión, intensidad de sismos y otros parámetros. Se fabrican sensores acústicos, de rotación, de presión, de temperatura, de aceleración entre otros.

1.5.3 Iluminación

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Entre las ventajas de la iluminación por fibra óptica se encuentra la ausencia de electricidad y de calor, el poder cambiar de color sin necesidad de cambiar la fuente de luz y la capacidad de obtener una iluminación más amplia. En la medicina es muy utilizada para proveer iluminación a lugares que no están en la línea directa de visión y para la transmisión de imágenes como en los endoscopios.

1.5.4 Otros -

Guía de onda en medicina o aplicaciones industriales en las cuales se necesita hacer llegar un haz de luz a lugares que no están en línea directa de visión.

-

Sensor para medir temperatura, tensión, presión etc.

-

Fabricación de endoscopios.

-

Fabricación de hormigón translucido, el cual presenta la alta resistencia del hormigón y a la vez deja pasar la luz.

1.6 Funcionamiento 1.6.1 Ley de Snell y fenómeno de relexión interna total

Los principios básicos se estudian aplicando las leyes de la óptica geométrica, como la ley de refracción o ley de Snell,

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y la ley de reflexión interna total, el cual es un fenómeno que se presenta cuando un rayo de luz que intenta pasar de un medio con un índice de refracción dado a otro con uno menor se refracta de tal forma que se ve reflejado completamente. Este comportamiento se da únicamente para ángulos de incidencia superiores a cierto valor determinado ángulo crítico. La ecuación que describe este fenómeno es:

donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios con n2 menor que n1. Se hace incidir un rayo de luz al interior de la fibra a determinado ángulo, cuando la luz llega a la frontera con la cubierta, la cual tiene un índice de refracción menor, esta es reflejada casi totalmente. Cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total.

En el núcleo de un cable de fibra óptica, la luz va rebotando contra las paredes en ángulos muy abiertos. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.

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1.6.2 Leyes de Maxwell para una fibra óptica La geometría cilíndrica de la fibra nos hace trabajar con las leyes de Maxwell en coordenadas cilíndricas para simplificar el procedimiento. Una de las ventajas de trabajar con estas coordenadas es que las soluciones de las ecuaciones son separables para cada región de la fibra (núcleo y revestimiento) y tendrían la siguiente forma:

Donde Ai es cada uno de los campos a encontrar. Tenemos las ecuaciones de Maxwell en coordenadas cilíndricas:

de las cuales obtenemos aquellas que relacionan las componentes de la siguiente manera:

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donde

ahora con las ecuaciones 7-10 introduciendolas en 3 y 6 obtenemos

las cuales se pueden resolver por separaci贸n de variables con soluciones de la siguiente forma:

donde v es una constante entera para que se cumpla la periodicidad. Ahora, introduciendo estas dos 煤ltimas ecuaciones en 11 y 12, las ecuaciones diferenciales que quedan para resolver son:

es decir

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1.7 Ventajas y Desventajas de la fibra óptica Ventajas: - Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados. - Pequeño tamaño. - Gran flexibilidad (el radio de curvatura alcanza a ser menor a 1 cm). - Gran ligereza (unos pocos gramos por km) - Inmunidad a las perturbaciones electromagnéticas. - No presenta radiación. - No produce interferencias. - Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia. - Gran resistencia mecánica. - Resistencia al calor, frío, corrosión. - Facilidad para localizar los daños por telemetría lo cual simplifica el mantenimiento.

Desventajas: - La alta fragilidad de las fibras. - Necesidad de usar transmisores y receptores costosos. - Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable. - No puede transmitir electricidad. - La necesidad de efectuar procesos de conversión eléctrica-óptica. - Alto costo. - Al no ser capaz de transmitir energía eléctrica, el terminal de recepción debe ser alimentado por conductores separados. 13


- En las instalaciones submarinas el agua corroe fácilmente la fibra y acelera su envejecimiento.

1.8 Equipos utilizados con la fibra óptica 1.8.1 Transmisor de energía óptica: convierte las señales eléctricas compuestas por electrones en señales ópticas compuestas por fotones.

1.8.2 Detector de energía óptica: compuesto normalmente por un fotodiodo de silicio que convierte la señal óptica recibida en una señal eléctrica seguido por un amplificador que genera esta señal.

1.8.3 Emisores del haz de luz Como los transmisores de energía óptica se encargan de convertir señales eléctricas en ópticas. Pueden estar compuestos por dos elementos: - Diodos Emisores de luz (LEDs): Sólo utilizdos en fibras multimodo, baja velocidad de conmutación, bajo costo y larga vida útil. Lasers: utilizados en ambos tipos de fibra, muy rápidos, alto costo y tiempo de vida menor que el de los LEDs. . 1.8.4 Conversores luz-corriente eléctrica Generan una corriente a partir de la luz incidente, la cual es proporcional a la potencia recibida y por consiguiente a la forma de la señal original. Lo que ocurre en estos conversores es el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, la generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde a una unión semiconductora PN.

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Estos fotodetectores deben cumplir ciertas condiciones para poder ser utilizados en el campo de las comunicaciones: - La corriente inversa debe ser muy pequeña lo cual permite la detección de señales ópticas pequeñas. - Ancho de banda grande. - El ruido generado por el mismo debe ser mínimo. Existen dos tipos de detectores; los detectores PIN y los APD. Estos últimos son fotodiodos que presentan el efecto avalancha cuando sobre estos es aplicado un voltaje inverso alto. Su ganancia de corriente bajo estas condiciones es de aproximadamente 100. Estos se pueden clasificar en tres tipos: - De silicio: requieren una alta alimentación (200 – 300 voltios). - De germanio: apropiados para trabajar con longitudes de onda de entre 1000 y 1300 nm. - De compuestos de los grupos III y V.

1.9 Otros datos de la fibra óptica Un solo cable de fibra óptica está compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se transmiten señales luminosas. Los cables de fibra óptica tienen una ventaja sobre los coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones ya que un solo cable de 8 fibras es mucho más pequeño que los coaxiales utilizados normalmente y puede soportar las mismas comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos. Además su peso es significativamente menor que el de un cable coaxial. El cable en las fibras ópticas es indispensable ya que la sección de la fibra como tal es extremadamente pequeña por lo que puede quebrarse fácilmente.

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1.10 Las funciones del cable Principalmente actúa como elemento de protección para evitar la ruptura de la fibra. Proporciona también resistencia mecánica para que esta pueda ser operada bajo duras condiciones de tracción, torsión y compresión. También se implementan elementos de aislamiento para evitar que los fenómenos ambientales afecten la fibra.

1.11 Elementos y diseño del cable

Existen elementos comunes a todos los cables de fibra óptica pero algunos de estos varían dependiendo de la función que este vaya a desempeñar. Entre los elementos en común encontramos el revestimiento secundario del cual tenemos tres tipos: - ―Revestimiento ceñido‖: hecho de un material plástico como el poliéster o el nylon y hace contacto directo con el revestimiento primario haciendo que el diámetro final oscile entre 0.5 y 1 mm. - ―Revestimiento holgado hueco‖: deja un espacio entre la fibra y su revestimiento. Aísla a la fibra de vibraciones y variaciones mecánicas y de temperatura externas. - ―Revestimiento holgado con relleno‖: igual al anterior pero el espacio se rellena con un material resistente a la humedad para prevenir el envejecimiento de la fibra

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por el agua. Es estable para temperaturas entre los - 55 y los 85 °. Frecuentemete utilizado en el manejo de derivados del petróleo.

1.12 Pérdidas en los cables de Fibra Óptica La atenuación es la pérdida de potencia de una señal cuando se propaga por un medio. Esta se puede ver representada en una disminución de la amplitud o de la intensidad de dicha señal y es medida en decibeles. Las causas más importantes de pérdidas en una fibra óptica son: - Pérdidas por absorción - Pérdida de Rayleigh - Dispersión cromática - Pérdidas por radiación - Dispersión modal - Pérdidas por acoplamiento

1.12.1 Pérdidas por absorción: Ocurre cuando las impurezas en la fibra absorben la luz convirtiéndola en calor. Van de 1 a 1000 dB/Km.

1.12.2 Pérdida de Rayleigh: provocada por las irregularidades en la fibra debidas al proceso de manufacturación las cuales aparecen durante el enfriamiento de la fibra. Estas irregularidades hacen que los rayos de difracten en direcciones diferentes.

1.12.3 Dispersión cromática: se presenta únicamente en las fibras monomodo y ocurre cuando los rayos de luz emitidos por la fuente no llegan al mismo tiempo al receptor. Este problema se puede solucionar cambiando el emisor.

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1.12.4 Pérdidas por radiación: Se presentan cuando hay discontinuidad en el medio y cuando la fibra sufre de dobleces.

1.12.5 Pérdidas por acoplamiento: se dan cuando existen uniones de fibra debido a problemas de alineamiento.

1.13 Conectores Los más utilizados en la fibra óptica son los SC y ST. El conector ST (Set and Twist) es similar a los conectores coaxiales o pigtails, mientras que los SC (Set and Connect) son de inserción directa.

1.14 Tipos de dispersión Inherente a las fibras ópticas, esta propiedad define el ancho de banda y la interferencia ínter simbólica (ISI) de las mismas. - Dispersión modal o intermodal: es causada por la diferencia en los tiempos de propagación de los haces de luz que van por diferentes trayectorias en las fibras multimodo. - Dispersión intramodal del material: resultado de las diferentes longitudes de onda de los diferentes rayos de luz que se propagan por la fibra. - Dispersión intramodal de la guía de onda: función de las propiedades de la guía y del ancho de banda de la señal de información. Normalmente es tan pequeña que se puede despreciar.

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2. ANTENAS

Una antena es un dispositivo que sirve de interfaz entre las señales transmitidas por un cable o guía de onda y el espacio libre. Es utilizada para transformar señales

de

radiofrecuencia,

que

viajan

en

un

conductor,

en

ondas

electromagnéticas que viajan por el espacio libre. Las antenas se consideran dispositivos recíprocos ya que mantienen las mismas características sin importar si esta se encuentra recibiendo o transmitiendo. Son también dispositivos resonantes ya que operan con mucha eficiencia en una banda de frecuencia relativamente baja y debe estar sintonizada en la misma banda que el sistema de radio al que se encuentra conectada para no afectar la transmisión y recepción. La transferencia de energía se puede conseguir de muchas maneras por lo cual existen diferentes tipos de antenas para lograr este propósito. Las más comunes se componen de elementos metálicos y su forma o geometría es diseñada especialmente en función de la frecuencia de operación.

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2.1 Características de las antenas Existen diversos parámetros que nos permiten clasificar las antenas en diferentes clases. A continuación se explicaran algunos de estos.

2.1.1 Directividad Este parámetro es la habilidad de la antena de transmitir enfocando la mayoría de la energía en una sola dirección, o de recibir energía de una dirección particular. La directividad de una antena se puede utilizar para concentrar la radiación en la dirección deseada. Dependiendo de este parámetro las antenas pueden ser omnidireccionales (irradian en todas las direcciónes), isotrópica, unidireccional, bidireccional etc.

2.1.2 Ganancia de la antena Para lograr entender el concepto de ganancia de una antena se define primero el de antena isotrópica, el cual es muy importante ya que casi todas las medidas se hacen en referencia a esta o a la antena de dipolo resonante de media longitud de onda. Una antena isotrópica es una antena ideal (físicamente imposible de realizar), la cual irradia o recibe energía desde todas las direcciones con la misma intensidad, es decir, su patrón de radiación, el cual se explicará más adelante, es una esfera. Ninguna antena real tiene un patrón de radiación esférico, es decir, siempre habrá una dirección en la cual se irradiará más energía que en otra. Debido a que las antenas no crean energía, la potencia total irradiada por estas es la misma que la de una antena isotrópica. Una cantidad grande de energía radiada en una sola dirección es compensada por una radiación menor en otras direcciones.

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Una vez explicado este concepto se puede definir el de ganancia de la antena, el cual es la cantidad de energía radiada en la dirección preferencial comparada con la energía que radiaría una antena isotrópica en la misma dirección y alimentada con la misma potencia. La ganancia máxima de una antena es la cual se mide en la dirección hacia la cual la antena esta radiando la mayor potencia. Si estamos comparándola con una antena isotrópica y decimos que la ganancia es de 3 dB esta debería ser escrita como 3 dBi. La ganancia de una antena comparada con la antena de dipolo resonante de media longitud de onda se expresa en dBd. La ganancia es una manera de medir que tan directiva es una antena en relación con una antena isotrópica generalmente. Si la ganancia es muy alta se dice que la antena es más directiva y el radio del haz es mucho menor mientras que si es pequeña se dice que la antena es poco directiva y el radio de su haz es grande. Cabe destacar que las antenas son elementos que no representan amplificación alguna en las señales, sólo son las encargadas de concentrar la mayor cantidad de potencia recibida o viceversa, enviar la mayor cantidad de potencia a un punto determinado. La ganancia de una antena también se puede expresar como el producto de la directividad, que está determinada por su geometría, y su eficiencia, que depende del material. La eficiencia de una antena se encuentra normalmente entre el 40% y el 60%. La relación entre las dos unidades de ganancia en las antenas es la siguiente.

Otro método conocido para medir la ganancia de una antena es el de transferencia de ganancia, en el cual la antena a prueba se compara con otra antena de ganancia conocida.

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2.1.3 Patrón de radiación Es una representación gráfica de las características de radiación de potencia de las antenas, aunque también se pueden encontrar diagramas de fase o de polarización.

Estos diagramas describen la intensidad del campo radiado desde la antena a una distancia constante. Los diagramas de radiación también son de recepción ya que describe las propiedades de radiación y recepción de una antena. Las mediciones son representadas generalmente en coordenadas rectangulares o polares.

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La figura anterior muestra el patrón de radiación de una antena Yagi de diez elementos en coordenadas cilíndricas. A partir de estos diagramas se puede determinar si la antena es directiva, isotrópica, bidireccional, omnidireccional etc. Existen dos clases de diagramas de radiación; los absolutos, los cuales se presentan en unidades absolutas de potencia o intensidad de campo, y los relativos, los cuales se presentan en unidades relativas de los mismos parámetros y normalmente se hacen en referencia a la ya mencionada antena isotrópica y se utiliza el método de transferencia de ganancia para determinar la ganancia absoluta. El patrón de radiación de una antena cambia dependiendo de la distancia, es decir, no es el mismo cerca a la antena que a una distancia más grande. Para el patrón del campo que existe en las proximidades de la antena se emplea el término Campo Cercano, mientras que para los diagramas de campo a distancias relativamente elevadas utilizamos el concepto de Campo Lejano. Normalmente el punto de interés al analizar un diagrama de radiación es la potencia radiada, para el cual debe escogerse una distancia lo suficientemente grande para así asegurarnos de encontrarnos en campo lejano. Esta distancia depende de parámetros como la longitud de onda y las dimensiones de la antena de la siguiente manera: 23


Los parámetros más importantes de estos diagramas son los siguientes: - Dirección de apuntamiento: dirección de máxima radiación. - Lóbulo principal: es el lóbulo de mayor tamaño. Apunta en la dirección a la que se radia la mayor cantidad de potencia. - Lóbulos secundarios: como no hay antenas que puedan radiar toda la energía en una sola dirección se conforman otros picos en las direcciones en las cuales se radia una cantidad de energía mucho menor que la del lóbulo principal, a estos picos relativos se les denomina lóbulos secundarios o laterales. - Relación de lóbulo principal a secundario: es la relación en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario. - Relación delante—atrás: es la relación entre la directividad máxima de una antena y la directividad opuesta, es decir, la diferencia en dB entre la radiación en la dirección de máxima radiación y el nivel de radiación a 180°. Para una antena isotrópica la relación delante atrás es 1. - Ancho del haz: son los puntos a ambos lados del lóbulo principal para los cuales la intensidad potencia radiada ha caído a la mitad. Como bien sabemos, la mitad de la potencia al expresarla en decibeles vendría siendo de -3 dB, debido a esto es que nos referimos al ancho del haz a mitad de potencia como el ancho del haz a 3 dB. Como podemos deducir, la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz, entre mas grande sea este la ganancia va a ser menor. - Nulos: un punto nulo en un diagrama de radiación es aquel en el cual la intensidad de potencia radiada esta en un mínimo. Estos se utilizan para la supresión de señales de interferencia en una dirección dada.

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2.2 Impedancia de entrada La impedancia de entrada de una antena está dada por un número complejo resultado de la relación entre el voltaje aplicado a la entrada y la corriente resultante. Para una transferencia de energía eficiente, la antena y la línea que conecta sus componentes como el sistema de radio y demás deben tener la misma impedancia. Las antenas y las líneas de transmisión están diseñadas normalmente con una impedancia de 50 ohms. Si la antena presenta una impedancia diferente se necesita un circuito de acoplamiento de impedancia para que la transmisión y recepción no se vea afectada. Esta impedancia de entrada se puede descomponer en dos resistencias; la resistencia de radiación, la cual se define como una resistencia que disiparía en forma de calor la misma potencia que radiaría la antena, y la resistencia de pérdidas que es la compuesta por los conductores en los cuales se genera disipación. Para obtener máxima transferencia de potencia la impedancia de entrada de la antena debe estar acoplada con la impedancia de la línea como se menciono anteriormente.

La calidad de este acoplamiento se mide en términos de la relación de onda estacionaria (voltage standing wave ratio), el cual idealmente debe ser la unidad,

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pero al ser mayor a uno el transmisor puede que sufra daños y se estaría desperdiciando mucha potencia. La expresión que describe este acoplamiento es:

donde Pi es la potencia incidente y Pr la reflejada.

2.3 Polarización de la antena Definimos polarización de una antena como la orientación del campo eléctrico de una onda EM. La polarización inicial de las ondas de RF son determinadas por la antena. Tenemos varios tipos de polarización: - Vertical: el campo eléctrico permanece vertical a la trayectoria de la onda. Cuando una antena está polarizada verticalmente la transmisión se ve menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen polarización vertical.

- Horizontal: las reflexiones en el camino de transmisión causan variaciones en la intensidad de la señal. Tienen menos posibilidades de verse afectadas por interferencias producidas por el hombre. 26


- Elíptica: cuando el campo eléctrico gira continuamente perpendicular a la dirección de la onda. Producida por antenas helicoidales. Dos tipos de polarización elíptica son la polarización lineal y la polarización circular. - Cruzada: cuando un extremo del enlace tiene polarización diferente a la del otro extremo. Representa pérdidas hasta de 20 dB. Puede hacer que dos señales con la misma frecuencia compartan el mismo espacio geográfico porque se diferencian en la polarización.

2.4 Desadaptación de polarización Para que exista transferencia máxima de potencia entre dos antenas se deben cumplir ciertos requisitos. Ambas antenas deben tener la misma orientación, deben estar polarizadas de la misma manera y deben tener el mismo coeficiente axial. Si alguno de estos parámetros no se cumple la transferencia de potencia entre ambas antenas disminuirá. Si dos antenas están polarizadas linealmente y existe una desalineación entre ambas esto se va a ver reflejado en pérdidas por desadaptación de polarización, la cual se expresa como:

siendo teta el ángulo de desalineación entre las antenas.

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Ángulo de desalineación

Pérdida Aproximada

15°

0.3 dB

30°

1.25 dB

45°

3 dB

90°

Infinita

2.5 Pérdida de retorno Esta es una forma de expresar la desadaptación. Se expresa en dB ya que es una medida logarítmica y representa la comparación entre la potencia reflejada por la antena con la potencia con la cual la alimentamos desde la línea de transmisión. La relación entre el SWR y la pérdida de retorno viene dada por:

Es normal que siempre existan pérdidas de retorno pero un valor muy elevado de estas implica que la antena no esté funcionando correctamente.

2.6 Ancho de banda Es el rango de frecuencias a las cuales la antena logra operar bajo ciertos parámetros de forma correcta. Este parámetro es el rango en Hz para el cual la antena va a tener un SWR menor que 2:1. Este también puede ser expresado en términos de porcentaje de la frecuencia central de la siguiente manera:

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donde Fh es la frecuencia de corte alta, Fl la frecuencia de corte baja y Fc la frecuencia central de la banda de paso. El ancho de banda de una antena depende también del tipo de antena y de los parámetros que esta maneje.

2.7 Resistencia de radiación Parte de la potencia suministrada a una antena se irradia y parte se disipa en forma de calor. Al reemplazar una antena por su resistencia de radiación, esta disiparía la misma cantidad de potencia que la que irradiaría la antena.

donde Rr es el valor de la resistencia de radiación, P es la potencia radiada por la antena e i es la corriente de la antena en el punto de alimentación.

2.8 Tipos de antenas Para clasificar las antenas hay que basarse principalmente en los siguientes parámetros:

Frecuencia y tamaño: Debido al cambio en la longitud de onda dependiendo de las frecuencias a las que estamos trabajando el tamaño de las antenas también varía. Las antenas para microondas son diferentes de las utilizadas para HF (High Frecuency) y estas a la vez difieren de las utilizadas en UHF (Ultra High Frecuency). La variación en el tamaño es debido a que estas deben radiar señales con la longitud de onda correcta.

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Directividad: Las antenas pueden ser omnidireccionales, sectoriales o directivas. Las antenas omnidireccionales irradian energía casi como una antena isotrópica, es decir, en los 360°. Las antenas sectoriales irradian solo en un área específica que puede varía desde los 60° hasta los 180°. Las antenas direccionales o directivas tienen un haz mucho más angosto y presentan ganancia más alta por lo cual se utilizan para largas distacias.

Construcción Fisica: La construcción de las antenas puede variar desde platos parabólicos hasta simples mallas.

Aplicaciones: Dependiendo del tipo de enlace (punto a punto, punto a multipunto) necesitamos una antena diferente. Las antenas omnidireccionales normalmente se utilizan para enlaces multipunto ya que irradian en todas las direcciones, mientras que las antenas direccionales se utilizan en accesos punto a punto. A continuación se describirán algunos de los tipos más comunes de antenas. 2.8.1 Antenas de hilo: sus elementos radiantes son conductores muy pequeños con relación a la longitud de onda. Se utilizan en las bandas de MF (medium frecuency), HF (high frecuency), VHF (very high frecuency) y UHF (ultra high frecuency). Algunos ejemplos de estas antenas son: -

Monopolo vertical: constituida por un solo brazo irradiante en posición vertical.

-

Dipolo.

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o Dipolo corto: tiene una longitud mucho menor a la longitud de onda de la señal.

o Dipolo de media onda: su longitud es la mitad de la longitud de onda de la señal. o Dipolo doblado: dos dipolos paralelos conectados en sus extremos.

-

Antena Yagi: igual a una antena dipolo pero con elementos parásitos para hacerla direccional. Consiste en cierta cantidad de varillas rectas de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la señal paralelas a su elemento activo, el cual es una antena dipolo de media onda, a una distancia de entre 0.2 y 0.5 longitudes de onda. Detrás del elemento activo se pone un reflector de más de media longitud de onda y al frente de este mismo elemento un director de menos de media longitud de onda. La energía es propagada desde el elemento activo hacia los directores (pueden ser más de uno). La ganancia en este tipo de antenas es proporcional al número de directores.

-

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-

Antena espira: compuesta por al menos una espira conductora. Este tipo de antena es muy direccional en el plano de la espira pero su recepción es muy pequeña.

-

Antena log periódica: la más común es la agrupación logoperiódica de dipolos. Sus parámetros de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación.

-

Antena helicoidal: genera una onda polarizada circularmente que no cambia al ser reflejada.

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2.8.2 Antenas de apertura: compuestas por superficies cóncavas que concentran la energía en una sola dirección. La más conocida es la antena parabólica. El alimentador esta normalmente ubicado en el foco de la parábola. Para calcular la directividad de estas antenas se utiliza

donde D0 es la directividad de la antea, A el área y lambda la longitud de onda. Algunas clases de antenas de apertura son: -

Antena de bocina: su estructura es en forma de campana bien sea circular, cuadrada, rectangular o cónica. El eje de la campana es el que determina la dirección de máxima radiación. Su alimentación puede ser con una guía de onda o un cable coaxial. Son comúnmente el elemento activo en una antena de plato.

-

Antena parabólica: se caracteriza por llevar un reflector parabólico. En la transmisión el elemento reflector refleja la onda EM generada por el elemento radiante ubicado en el foco de la parábola mientras que en la recepción este refleja toda la señal y la dirige hacia el foco donde también hay un detector. Son utilizadas para altas frecuencias y su ganancia es elevada.

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-

Radar Doppler: una señal de microonda generada por el radar se refleja en el objetivo hacia el mismo y este compara las frecuencias para así determinar la velocidad del blanco.

2.8.3 Antenas planas: - De bucle magnético: poseen una elevada direccionalidad en las cuales la mayor recepción se encuentra en el plano de la antena y la menor en la parte perpendicular al plano de la antena. Su ancho de banda es muy bajo (pocos kHz) - Antenas microstrip: muy utilizadas en las antenas array. Tienen baja eficiencia, baja potencia, ancho de banda pequeño. Entre sus ventajas encontramos el costo, combinable con circuitos integrados de microondas y se dejan manejar muy fácilmente en términos de frecuencia de resonancia o polarización. La más común de estas antenas de microstrip es la antena parche. Entre sus aplicaciones encontramos la generación de modelos digitales de terreno, controles del hielo en el mar, clasificación de uso de tierra y monitorización de bosques, identificación de depósitos materiales e inundaciones.

2.8.4 Antenas de array: formadas por dos o más antenas idénticas que en conjunto forman una sola con su propio diagrama de radiación.

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Podemos encontrar arrays lineales, planos y conformados. Las antenas array son muy utilizadas en construcción de antenas inteligentes las cuales poseen ventajas como el incremento de la zona de cobertura, la reducción de la potencia de transmisión (incrementa su sensibilidad), la reducción del nivel de interferencia, la reducción de la propagación multitrayecto (menor dispersión angular) y la reducción de la posibilidad de interferencia.

2.8.5 Antenas con reflector: se basan en el principio de reflexión de las OEM las cuales rebotan en un punto de la antena y van a parar al foco de la parábola de la antena. Encontramos antenas con reflector de diferentes tipos: -

Foco primario: las ondas inciden de manera paralela y al rebotar en la antena todas se dirigen al foco.

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Offset: la forma de la antena es elíptica y el punto focal ya no se encuentra en el centro sino a un lado.

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Cassegrain: es la más directiva de todas, tiene una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Las bocinas utilizadas en este tipo de antena pueden ser piramidal, adecuadas para arrays lineales; cónica (de modo dominante TE11, miltimodo TE11 y TM11 y corrugadas o híbridas HE11)

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2.8.6 Antenas sectoriales: son un híbrido entre las antenas direccionales y omnidireccionales. Su haz es más ancho que el de una antena direccional pero más angosto que el de una omnidireccional. Su alcance también se encuentra entre los alcances de las dos antenas mencionadas anteriormente.

2.9 Conectores Existen muchos tipos de conectores para cables coaxiales, varían en tipo, género (macho o hembra), polaridad (normal o invertida) y tipo de rosca (normal o invertida).

-

El conector más utilizado es el de tipo N macho. 36


-

Las ANTENAS tienen normalmente conectores N.

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