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INADEH INSTITUTO NACIONAL DE FORMACIÓN PROFESIONAL Y CAPACITACION PARA EL DESARROLLO HUMANO

ANTENAS Y SISTEMAS DE TRANSMISION DIGITAL

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

INTRODUCCIÓN •

La antena es un elemento pasivo que puede realizar dos funciones:

 En modo de recepción convierte la energía electromagnética en voltaje.

 En modo de transmisión transforma una variación de voltaje en energía electromagnética 2


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

INTRODUCCIÓN Una antena es un elemento pasivo que convierte la energía eléctrica de alta frecuencia, entregada por el transmisor, en

ondas electromagnéticas que pueden viajar por el espacio, llevando la información hacia uno o varios receptores.

Una antena está constituida por un conjunto de conductores diseñados para radiar

(transmitir)

un

campo

electromagnético cuando se le aplica una fuerza electromotriz alterna.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF En una antena existen un campo eléctrico y un campo magnético simultáneos que siguen las variaciones de la señal entregada a ella, y que son perpendiculares entre sí.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF

Espectro de Frecuencias 5


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF Propagaciones • Ondas de Tierra

 Onda directa  Onda reflejada  Onda de superficie •

Onda Espacial

La Onda Directa y la Reflejada: • Las ondas difieren considerablemente cuando llegan a la antena receptora. •La diferencia está en las fases de las dos ondas; ambas están en fase cuando se separan de la antena transmisora, pero al llegar a la antena receptora están desfasadas 180 grados.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF La Onda de Superficie •La onda de superficie se propaga sobre el suelo al desplazarse hacia la antena receptora.

•El debilitamiento o atenuación de la onda depende del tipo de terreno sobre el cual pasa la onda. • Sobre el agua la atenuación es mínima, pero muy marcada

en los terrenos montañosos, boscosos o densamente poblados. • El grado de atenuación depende de la frecuencia.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF La Onda Espacial •La onda espacial o una parte de ella puede transmitir señales a largas distancias porque es

refractada o doblada hacia la tierra por la ionosfera. • La ionosfera es la capa de aire ionizado que comienza, aproximadamente, a 40 kilómetros de altura y se extiende hasta 560 km. •Su carga eléctrica repele a las ondas de radio y las

refracta.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF La Ionosfera •Está compuesta o formada

por las capas D, E y F •El

ángulo

de

refracción

depende de la frecuencia de la onda y del ángulo al que pasa a través de la ionósfera. •A mayor frecuencia, el ángulo de refracción es menor. •El ángulo crítico es el ángulo a que

la

refracción.

onda

no

sufre 9


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de la Señal de RF

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Frecuencia y Longitud de Onda En el espectro electromagnético la longitud de onda está directamente relacionada con la velocidad de la luz y la frecuencia. λ= v/f

Donde v= c= 3 x 10 8 m / seg y f es la frecuencia de la onda.

Sí, λ está en metros (m) Y f está en MHz Podemos obtener:

Longitud de Onda [m]= 300/frecuencia [MHz]

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Frecuencia y Longitud de Onda Si dos alambres puestos en paralelo se encuentran muy cercano del otro, y fluye

corriente

en

direcciones

opuestas, el campo electromagnético

desaparece.

Cuando

estos

dos

alambres

se

extienden verticalmente al límite, ellos pueden ser usados como una antena, porque la onda electromagnética se radia desde ellos y no se cancela.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Frecuencia y Longitud de Onda Si la antena es muy larga con respecto a su longitud de onda, las corrientes en fases opuestas estarán presentes en la antena,

causando

que

el

campo

electromagnético radiado se cancele.

Una

antena

eficientemente

no a

puede menos

que

servir sus

dimensiones se acoplen a la frecuencia

utilizada y este a sus propósitos de uso. 13


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo El dipolo en sí, es un conductor

lineal

corto

mediante

el

cual

podemos

estudiar

conductores

lineales

mas largos tal y como los que se emplean en la práctica.

Emisión de Onda de una Antena dipolo observadas en una vista de sección horizontal

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo Los valores correspondientes a los campos eléctricos (E) y magnéticos (H) en un punto distante (r>>λ) en el espacio libre

pueden ser obtenidos mediante la ecuación:

 LI  H    Sen  2 r 

 60LI Eθ    r

  Sen 

Donde el campo magnético se expresa como Hφ (A/m). Y el campo eléctrico como Eθ (V/m) 15


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo

• Para Eθ, sin θ indica que la intensidad del campo eléctrico a una distancia r varia con respecto a θ. • Este campo depende del ángulo y a ésta propiedad se le llama Directividad. • Como θ está en el plano vertical, su directividad será llamada directividad vertical. 16


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo

• El ángulo en el plano horizontal está dado por Φ; la intensidad del campo eléctrico no depende de Φ • Esto significa que la antena no tiene “directividad” en el plano horizontal para el caso de una antena polarizada verticalmente.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2 Transductor

cuya

longitud

es

equivalente a la mitad de la longitud de onda y alimentada en su centro. En el caso que sus elementos sean de diámetros

muy

pequeños

la

distribución de la corriente es de tipo sinusoidal. La corriente es máxima en el punto de alimentación, decrece a lo largo de la línea y desaparece en los extremos.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2  Si asumimos un flujo de corriente

En este caso, el valor de L, lo

constante a lo largo de la antena,

llamaremos longitud efectiva de la

los cálculos para la intensidad del

antena; en el caso de una antena

campo eléctrico Eθ se simplifican

vertical, es llamada altura efectiva

de tal forma, que la longitud

(h), quedando definida una radiación

efectiva de una antena dipolo de

de

λ/2, caracterizada por una curva de

perpendicular al dipolo en el espacio

distribución de corriente sinusoidal

libre como:

es dada por:

L 

 

(m)

la

intensidad

de

campo

60LI 60 I E  (V / m) r r 19


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2 Recordemos que una antena puede ser tratada como un circuito de corriente constante distribuido. Tiene impedancia (Resistencia y reactancia). Cuando se le suministra potencia ésta radia energía, se presenta entonces una

resistencia ligada a la potencia de radiación llamada “resistencia de radiación” Rr. Existen otras resistencias que no contribuyen a la radiación y solamente causan pérdidas térmicas, tales como: − Resistencia del conductor de la antena. −La resistencia a tierra (en el caso de antenas aterrizadas) −Resistencias por pérdidas dieléctricas (si hay aisladores acoplados a la antena) 20


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2

La resistencia de radiación se obtiene, dividiendo la potencia total radiada desde la antena por el cuadrado de la corriente máxima que fluye por ella, asumiendo que la misma está dada en amperios (A) la potencia en vatios (W), podemos expresarla como:

Rr 

Ptr I

2

() 21


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2 •En el caso de un dipolo hecho de conductores perfectos y donde no existan pérdidas en el espacio exterior de las

antenas, la resistencia de radiación es considerada igual a la impedancia de entrada del circuito. •La impedancia de entrada de una antena es aquella vista

desde el punto de alimentación. •Se expresa mediante la relación de voltaje y corriente al punto de alimentación. 22


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2 • La impedancia característica de un dipolo de media longitud de onda es: Z= (73,13 + j 42,55) Ω

• Y su potencia de radiación puede ser obtenida considerando las componentes resistivas de su impedancia en la siguiente ecuación: Pr= 73,13 I 2

(W)

Para obtener la intensidad de campo de radiación de una antena dipolo de λ/2 en el espacio libre tenemos:

7 Pr Eo  (V / m) r 23


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Principales Parámetros de una Antena

1.

Directividad

2.

Patrón de Radiación

3.

Ganancia de una Antena

4.

La Relación Frente / Atrás (Front Back Ratio)

5.

La Eficiencia de una Antena

6.

Ancho de Banda

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena

1.Directividad Es una medida de las propiedades direccionales o de la capacidad de concentrar la potencia radiada en distintas direcciones. En el proceso de diseño definimos como será la

misma.

El Patrón de directividad de cualquier antena, de acuerdo

con el teorema de reciprocidad, es válido para las siguientes

condiciones

de

uso:

- Cuando recibe ondas como antena receptora ET Rx - Cuando transmite ondas como antena transmisora ET Tx 25


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena

La radiación que se genera en una antena o elemento radiador no es uniforme,

pero si es directiva a cierto grado dependiendo de la forma en que fluye la corriente

en

él.

La cantidad de directividad de una antena puede ser alterada o mejorada a través

del uso de elementos radiantes externos, paneles reflexivos o superficies planas.

El patrón directivo de una

antena puede también ser modificado por ondas

reflejadas desde el suelo o desde objetos cercanos.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena

Los

cambios

de

directividad

pueden

ser

causados

principalmente por la capacidad de los conductores en las

cercanías a la estructura de reradiar energía emitida por la antena. Esta reradiación puede reforzar o cancelar la radiación directa de energía desde la antena, produciéndose así una

distorsión del patrón en el espacio libre.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena Los patrones de directividad de las antenas en función de su ganancia determinarán

la

directividad

horizontal y vertical, mismos que pueden

ser

expresados

en

una

gráfica que muestre la intensidad de campo

relativa

en

términos

del

ángulo azimut y del ángulo de

elevación respectivamente.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena Las propiedades esenciales de una antena no dependen de si mismas, cuando

ellas

son

usadas

como

dispositivos

transmisores

o

receptores.

Los patrones direccionales, igualmente no dependen del modo en ser utilizadas, transmisor o receptor. 2.

Patrón de radiación. Representa el cambio de la intensidad del campo eléctrico sobre la superficie de una gran esfera de radio r centrada con respecto a la antena radiante. Los diagramas de radiación son gráficos tridimensionales que

expresan la radiación de una antena en función de una dirección específica a una distancia constante.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena Todos los diagramas de radiación contienen un lóbulo principal (máximo) y lóbulos menores en otras direcciones (laterales o atrás).

Entre los lóbulos principales estarán los llamados nulos, ubicados en dirección de mínima radiación

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de de la Señal de RF Parámetros la Antena Para distancias mayores al tamaño de la antena y a su longitud de onda, la forma del diagrama de radiación es independiente de la distancia. Esto nos permite

efectuar

un

proceso

de

normalización.

Para normalizar dividiremos los componentes que forman parte del campo eléctrico por su valor máximo, lo que nos dará un número sin dimensión con valor

máximo

en

la

unidad.

El comportamiento de una onda horizontalmente y verticalmente polarizada puede ser considerada solamente dentro de un patrón de radiación. 31


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Naturaleza de de la Señal de RF Parámetros la Antena Para poder especificar de forma completa un patrón de radiación con respecto a la

intensidad de campo requerimos de tres elementos que forman parte del campo eléctrico en función de sus ángulos. - Eθ, Eφ, expresados en V/m - δ, expresados en radianes o grados

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena 3. Ganancia

de

una

Antena

Es la relación que existe entre

su intensidad máxima de radiación y la intensidad máxima de radiación desde

una

siendo

antena

de

alimentadas

referencia por

igual

potencia. La ganancia de una antena depende

básicamente

de

su

directividad y su eficiencia.  G (dB) ant  20 log  Vant  VAnt  Ref 

   

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena

Cualquier tipo de antena puede ser tomada como referencia, en el caso

de las antenas VHF y UHF, la antena estándar es la antena lineal de λ/2 La Antena Isotrópica: En muchas situaciones es conveniente asumir como antena de referencia una antena ideal denominada antena isotrópica. Aquella que radia un campo electromagnético desde un punto en cualquier dirección sin pérdidas y una eficiencia del 100%. La ganancia, utilizando como antena de referencia la antena isotrópica, la llamaremos Ganancia Absoluta (dBi) 34


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena

En una antena dipolo λ/2, utilizada como referencia en sistemas de VHF y

UHF

su

ganancia

será

llamada

ganancia

relativa

[dBd].

La relación que existe entre ambas ganancias estará dada en función en que ambas antenas en referencia sean alimentadas por igual potencia. La ganancia absoluta (dBi) de una antena dipolo de λ/2 es 1.64 veces o sea 2.15 dB mayor.

dBi  dBd  2.15dB 35


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parรกmetros de la Antena

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena 3.1 Relación Entre Apertura y Ganancia La apertura se define como el ángulo para el que el diagrama de radiación muestra una reducción de ganancia de 3dB. Esto indica que la antena radia la mitad de potencia en esa dirección en comparación con el máximo tomado como referencia.

Si planteamos un modelo ideal en que la antena se comporta por igual en todas las

direcciones comprendidas dentro de los limites englobados por la apertura vertical y horizontal, y que no radia en absoluto en cualquier otra dirección podemos ver la relación entre apertura y ganancia como lo expresa la siguiente ecuación:

 360 180  G max dBi  10. log   Ah Av   G max dBi  48.1  10 log  Ah  Av  37


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena 4.

La Relación Frente / Atrás (Front Back Ratio) Este parámetro permite comparar el comportamiento de una

antena en la dirección de máxima ganancia con el comportamiento en la dirección completamente opuesta. Y pudiéramos describirla con la siguiente ecuación:

FBRdB  G

front

dB  Gback dB 38


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena 5.

La eficiencia en una antena (ƞ)

Hace referencias a pérdidas resistivas en si, pero que en transmisión, éstas pérdidas envuelven a la potencia que alimenta a la antena que no es radiada, y por lo tanto se traduce en calor disipado en la

estructura de la antena. Si consideramos Ia la corriente en el punto de alimentación, la potencia de entrada Pa estará dada por: Pa  I a 2 ( Rr  Rl )Watts Rr es la resistencia de radiación (Ω) visto desde el punto de alimentación de la antena y Rl su pérdida resistiva (Ω) 39


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parámetros de la Antena La potencia de radiación Pr está dada por:

Pr  I a Rr Watts 2

De tal forma que la eficiencia de una antena estará representada por:

Pr η Pa

o

Rr η Rr  Rl

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

Parรกmetros de la Antena 6.

Ancho de banda (BW)

Describe el intervalo de frecuencias sobre el cual una antena funcionarรก satisfactoriamente. No obstante, el rendimiento dependerรก de la aplicaciรณn de la antena.

De igual forma, el ancho de banda de una antena depende de las condiciones de los puntos de potencia media.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Polarización Plano de Polarización Plano en el cual el campo eléctrico (E) oscila y es tomado como un aspecto referencial. La polarización de una onda de radio está determinada por la dirección del componente del

campo eléctrico, y esta a su vez depende de la posición de la antena. La polarización lineal de una antena puede ser vertical u horizontal.

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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Polarización La

polarización

de

una

onda

electromagnética es una propiedad que

describe

la

orientación

del

campo

eléctrico E. La polarización puede ser de tres tipos:

Lineal Circular  Elíptica 43


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Polarización Polarización Lineal

Polarización Elíptica

Polarización Circular

y

y

y

E2

E2

E2

E

E x z

z

AR =

(a)

x

x E1

z

AR = 1.8

AR = 1

(b)

(c)

E1

Polarizaciones (a) Lineal (b) Elíptica y (c) Circular para una onda polarizada en circularizquierda. La relación del eje mayor al menor de la elipse de polarización se denomina razón axial (RA). Si E1 = E2 y δ = 90º, la onda esta polarizada circularmente. Cuando δ = +90º, la onda esta polarizada circularmente hacia la izquierda, y cuando δ = -90º, la onda esta polarizada circularmente hacia la derecha. 44


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MODULO 1: FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS TERRENAS

La Antena Dipolo λ/2 Actividades Módulo 1 • Manejo de Pinza empalmadora de coaxial

•Configuración de Analizador de espectro •Recomendaciones para la construcción de antena dipolo •Diseño y construcción de Antena Dipolo abierta λ/2 • Establecer diagrama de radiación de antena

•Observar diferencia de lecturas entre la polarización vertical y horizontal.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda

• Es una antena dipolo que incluye elementos Parásitos ( Directores y reflectores) dispuestos de tal forma que permiten hacer arreglos direccionales con la ayuda de las corrientes inducidas por los campos generados en los elementos que la componen. • Diseñada por: Shintaro Uda y Hidetsugu Yagi en 1926. 46


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda • En un arreglo alimentado con igual corriente pero en fases opuestas de N elementos, la ganancia es proporcional a N. • En la práctica, la ganancia máxima de una YagiUda es limitada a un valor aproximado a la ganancia de un dipolo (1.66) por el número total de elementos (N).

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda

EJEMPLOS: • Un elemento simple tiene una ganancia máxima de 1.66 = 2.2 dBi. • Un elemento conductor más un elemento reflector tiene una ganancia máxima de 3.3 o 5.2 dBi. • 3 elementos conformados por un director simple, un elemento conductor, y un reflector tiene una ganancia máxima de 5 o 7 dBi. • 15 elementos tendrá una ganancia máxima de 25 o 14 dBi. 48


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda Optimización de Antena Yagi: • Altas ganancias se obtienen con un reflector cuya longitud sea 10 % mayor a λ/2 y espaciada λ/4 desde el elemento conductor; mientras que la mejor longitud para los elementos directores era del 10% menor a λ /2 con un espaciamiento óptimo de λ/3, mejoraban considerablemente su directividad. •

La magnitud de la corriente en un elemento parásito y su relación de fase con la corriente en el elemento conductor dependen de su sintonización.

En un dipolo de λ / 2: Sí el elemento parásito es más largo que la longitud del resonador (inductivo), este actúa como un reflector. Sí es más corto que la longitud del resonador (capacitivo), este actúa como un director. 49


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda • Para el diseño de antenas debemos tener en cuenta cálculos como la relación frente/atrás, impedancia en el punto de alimentación, ancho de banda, tal que la ganancia puede ser algunas veces menor que los cálculos de ganancia mencionados anteriormente. • Sin embargo, es importante anotar en su construcción que la longitud y espaciamiento del reflector tiene una fuerte influencia sobre la radiación residual trasera de la Yagi-Uda.

• Típicamente el reflector deberá estar espaciado entre 1/8 a 1/4 de longitud de onda (λ) y los directores alrededor de 1/3 de longitud de onda cada uno. 50


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda • Aplicaciones. En modo de Recepción: Sus propiedades no son muy críticas. El ancho de banda y la ROE son características de menor importancia que la ganancia de la antena y su directividad. Su estructura es simple y liviana.

Reciben baja carga al viento.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Yagi-Uda • Aplicaciones. En modo de Transmisión: Las potencias aceptadas dependen críticamente de lo bien que estén hechos los acoplamientos en la alimentación. Esto varía considerablemente en toda la banda y es susceptible a variaciones en el medio local y a distorsiones geométricas.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica Composición de la Antena: •

Región Activa: Es la porción de la antena que radia o recibe energía eficientemente, ajustado por la frecuencia.

Elementos: Todos actúan como dipolos λ/2.

 Mayor longitud: Los elementos más largos estarán activos a bajas frecuencias.

 Menor Longitud: Si la frecuencia se incrementa, la región activa igualmente se ajustará hacia adelante, limitando las frecuencias altas en función de los elementos más cortos del arreglo. 53


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica • Es una antena de banda ancha, multi - elemento, unidireccional de apertura del haz estrecha, que tiene características de impedancia y radiación regularmente repetitivas en función logarítmica de la frecuencia de excitación. Construcción básica de un arreglo Dipolo Log- Periódica donde

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica • Físicamente, la longitud y espaciamiento de los elementos que componen la antena logarítmica periódica se incrementa logarítmicamente desde un extremo al otro.

Una vista en detalle de una antena LP. Note que los elementos adyacentes están alimentados fuera de fase. 55


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica • Tau (Ƭ) es la relación de longitud de un elemento al siguiente más largo y próximo. • Sigma (σ) se conoce como la constante de espaciamiento relativo. • Juntos determinan el ángulo del ápice de la antena, mediante la ecuación: Arc-tang. a = 4 s / (1 - t) 56


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica Construcción: • Cada elemento es más corto que el elemento inmediato a su izquierda. • La relación de cada elemento y su elemento adyacente es constante y está dada por un valor conocido como “tau” (Ƭ).

• El espaciamiento entre los elementos está designado como “sigma” (σ) y se indica como “d” en la figura 57


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica

• La distancia d1,2, es la distancia entre el elemento más a la izquierda y su vecino más cercano. Por lo tanto, la distancia entre los elementos adyacentes será: d1,2 = ½ (l1 – l2) arc-tang. α 58


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antena Logarítmica Periódica • Tau y sigma pueden seleccionarse utilizando el grafico mostrado. • Los diseñadores de antenas prefieren por lo general antenas lo más compacta posible, de tal forma que se selecciona un tau bajo. • Para mantener una ganancia un poco baja y evitar un ancho del haz muy estrecho, es importante seleccionar una sigma 0.06 s  0.22.

Los parámetros tau y sigma pueden ser seleccionados desde ésta gráfica. La línea para una optima sigma es para aquellos diseñadores que desean máxima ganancia. 59


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Panel de Dipolos • Formado por elementos conductores ubicados a cierta distancia de un reflector plano el cuál modifica ampliamente el patrón de radiación del elemento radiante. • Los paneles reflectores convierten los patrones de radiación de una antena de media longitud de onda en un sistema unidireccional. • La ganancia en este tipo de antenas depende fundamentalmente de la distancia (S) que separa el dipolo de λ/2 de la hoja reflectora; - Para un valor de S pequeño, el ancho de banda se estrecha. - Para grandes espaciamientos la ganancia disminuye. 60


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Panel de Dipolos • En el campo industrial hablaremos de sistemas de paneles de banda ancha para el rango de frecuencia de UHF, sistemas que son muy populares como antenas transmisoras.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Panel de Dipolos • El sistema de alimentación provee igual amplitud y fase a cada dipolo integrado en la estructura mecánica del panel. • Finalmente un radomo o protección ambiental es utilizado para proteger la estructura de los elementos de radiación.

Panel Dipolo de Banda Ancha UHF con sistema de alimentación integrado paralelo 62 (líneas segmentadas)


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Panel de Dipolos

Respuesta a la frecuencia para un panel único. • Con el incremento de la frecuencia, el patrón azimutal se estrechará. Debido a los cambios en la longitud de onda versus el tamaño de los dipolos y el espaciamiento entre el reflector. • Según la forma de los radomos y el material con el que están construidos se compensa la estrechez del patrón de radiación y lograremos un ancho del haz en su azimut constante en toda la banda.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Agrupamiento de Antenas • Agrupamiento de antenas significa que dos o más antenas simples de cualquier tipo forman un arreglo en igual amplitud y fase, permitiendo que éstas puedan ser agrupadas horizontalmente y verticalmente para proveer un incremento en la ganancia y directividad. • El sentido u orientación del agrupamiento nos da un adelgazamiento del lóbulo en el plano de orientación. - Agrupamiento vertical estrecha el lóbulo en el plano vertical y el agrupamiento horizontal estrecha el lóbulo en el plano horizontal. 64


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Agrupamiento de Antenas

• Dependiendo de la forma en que son agrupadas las antenas sobre el plano horizontal podemos obtener formas diversas en los patrones azimutales para conformar figuras que se ajustan mejor a las necesidades de cobertura deseadas.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Los Distribuidores de Antenas • Los distribuidores de antena o de potencia son elementos o dispositivos que nos permiten alimentar y derivar la potencia de forma simétrica o asimétrica a cada uno de los elementos que componen un arreglo de antenas.

• Característica importante es mantener un equilibrio de impedancias en toda su estructura, así las entradas y salidas deben tener un acoplamiento de impedancia que genere un VSWR de 1.01:1. 66


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Los Distribuidores de Antenas

• Esta condición reduce las pérdidas de energía, las que se traducirían en calor y en un incremento en las ondas estacionarias provocando distorsiones en el patrón de radiación del arreglo del sistema de antenas. • Ver Ejemplos de hojas técnicas de elementos comerciales de distribuidores simétricos para Banda III y IV.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Tilt • En cualquier agrupamiento de antenas, el haz de radiación principal podrá ser dirigido en ángulo recto a la dirección del arreglo de antenas, siendo estas excitadas o alimentadas por corrientes de igual amplitud y en fase.

• Inclinación del Haz o Beam-Tilt. -Método que permite hacer que el haz principal se incline a cierto ángulo por debajo de la dirección horizontal. 68


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

El Tilt El Método de Beam-Tilt consiste en: • La mitad más baja de las antenas agrupadas es excitada por corrientes que están retrazadas en fase comparadas con la corriente que excita la mitad superior. • Asumiendo que la diferencia de fase entre las corrientes que excitan la mitad superior e inferior de 2xN-pisos de antenas será δ, el ángulo de tilt deseado será Φ0, δ = ( 2N π S / λ) sin Φ0 donde, S determina la separación entre elementos. 69


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Los Máximos y Mínimos

• Los niveles de radiación o recepción máximos y mínimos de todo sistema de antenas está básicamente definido en su gráfico o patrón de radiación producido por los elementos que lo componen. • En un gráfico polar, la dirección de máxima radiación define el lóbulo principal en la dirección de propagación (θ = 0 ). • Existen lóbulos de menor magnitud ubicados en otras direcciones. 70


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Los Máximos y Mínimos

• Entre los lóbulos producidos por el sistema de antenas existen regiones donde hay un mínimo de radiación los que llamaremos nulos. • Es necesario considerar su posición al momento de ubicar los sistemas para no perjudicar regiones importantes donde deseamos tener cobertura.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Rellenos de Nulos • En toda composición o agrupamientos de múltiples antenas se generan nulos. • Estos son mayormente vistos en la radiación del campo eléctrico en el plano vertical. • Podemos determinar la dirección del nulo mediante la siguiente ecuación: Φ = arc sin ( K λ / N S) donde,

N = Número de antenas agrupadas S = Espaciamiento entre los elementos K = Orden de nulos (1,2,3......) 72


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Rellenos de Nulos • Los puntos nulos, representan pérdidas significativas de intensidad de campo. Métodos para compensar la intensidad de campo en los puntos nulos: • Primero: Cambiar la relación de potencia suministrada a la parte superior e inferior del arreglo de antenas • Segundo: Cambiar las diferencias de fase, método usualmente más empleado.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Rellenos de Nulos

• El primer método compensa la intensidad en el punto nulo, pero sacrifica un poco la ganancia del patrón de radiación. • Cuando el número de antenas es par, solamente los puntos nulos impares tales como el primero o el tercero contado a partir del punto nulo más distante de la antena puede ser compensado cambiando la relación de potencia.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Rellenos de Nulos

• En el segundo método, aquellos puntos nulos que están en orden par, como el segundo, etc., son compensados excitando algunos elementos con corrientes de fase opuestas. Estas formas de compensación de puntos nulos es lo que llamamos relleno de nulos.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Rellenos de Nulos

Precauciones: • El ajuste de Tilt o Beam tilt y el relleno de nulos son factores de compensación de la intensidad de campo que disminuyen la ganancia de cualquier agrupamiento o arreglo de antenas. • Es de especial cuidado no exceder estos métodos ya que ambos tienen relación estrecha con la directividad del patrón de radiación y la ganancia total del sistema. 76


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias Cuando las ondas electromagnéticas viajan a través del espacio, existe un balance entre los campos eléctricos y magnéticos con una distribución equitativa de la energía en cada campo. Si ésta onda entra a un nuevo medio o encuentra una discontinuidad en él, provocará una nueva redistribución de la energía.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Este nuevo medio puede ser de un material Conductor. Semiconductor. No conductivo. Nueva energía no puede ser sumada a la onda principal cuando esta pasa a través de los límites de la superficie de discontinuidad. La única forma que exista un nuevo balance energético, es lograr que parte de la energía sea reflejada, constituyéndose así una onda reflejada.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

La onda electromagnética sin impedimento puede viajar indefinidamente en el espacio libre. En el caso hipotético de un medio conductor infinitamente largo, el desplazamiento de la onda podría viajar sobre él por siempre. Si el medio es interrumpido en un punto y una carga o dispositivo absorbente (una discontinuidad) de correcta magnitud reemplaza al resto del medio, la energía es completamente absorbida y convertida en calor, en la carga.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Si el medio es terminado por una discontinuidad que tenga propiedades reflectivas, la discontinuidad reflejará energía de vuelta a través del medio hacia la fuente. La energía reflejada se combinará con la energía incidente produciendo así un patrón en el medio llamado Onda Estacionaria. Una fracción de la onda incidente que es reflejada, expresada como una relación de la onda original es lo que conocemos como coeficiente de reflexión.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Un coeficiente de reflexión bajo (discontinuidad del medio que posee pobre cualidades reflectivas): Hay muy poca energía reflejada y el campo total se verá ligeramente afectado por el desplazamiento de la onda. Un coeficiente de reflexión cerca de la unidad (discontinuidad con buenas propiedades reflectivas): La máxima intensidad de campo variará en función de la distancia desde la superficie.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Si el medio es terminado por una carga de apropiada magnitud, sin discontinuidad o reflexión existente en el medio, podemos entonces considerar que el medio está acoplado (matched). El grado de desacople entre el medio y la carga puede definirse en términos de la amplitud de la onda reflejada o en términos de la Relación de Onda Estacionaria (ROE).


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Líneas de transmisión mayor a λ/4, donde ZL≠ Zo no toda la potencia incidente es absorbida por la carga.

• Parte de la potencia es reflejada de regreso. • La sumas y restas de fase de la onda incidente y onda reflejada crean un patrón de voltaje de onda estacionaria sobre la línea de transmisión.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

El máximo voltaje a lo largo de la línea es llamado “anti-nodo”. El mínimo de voltaje a lo largo de la línea es llamado “nodo”.

Ésta relación es conocida como Relación de Voltaje de Onda Estacionaria o sus siglas en inglés VSWR. Sucesivos máximos y mínimos son espaciados en 180°( λ/2).


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Relación de Onda Estacionaria en una línea de transmisión:

Donde: Emax = máximo voltaje sobre la onda estacionaria Emin = mínimo voltaje sobre la onda estacionaria Ei = Amplitud del voltaje de la onda incidente Er = Amplitud del voltaje de la onda reflejada


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias El coeficiente de reflexión (Γ) está definido como la relación entre Er / Ei.

En términos de valores absolutos, tenemos una relación de onda estacionaria igual a:

• Reagrupando tendremos que el coeficiente de reflexión será igual a:


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

En términos de potencia se expresa como:


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias Pérdidas de Retorno o Return Loss. Es una medida en dB de la relación de potencia de la onda incidente y la onda reflejada, definida siempre en valores positivos.

Si una carga tiene una pérdida de retorno de 10 dB, entonces 1/10 de la potencia incidente es reflejada. Un alto valor de pérdida de retorno implica poca potencia perdida.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

La pérdida de retorno está relacionada a través de la siguiente ecuación:


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

Pérdidas por desacoplamiento. Es una medida que indica cuanto de la potencia transmitida es atenuada debido a la reflexión y estará dada por la siguiente ecuación: Pérdida por desacoplamiento = -10 log ( 1 - ρ 2)


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias Ejemplo: Si aplicamos 1000 watts (60 dBm = 30 dBw) a una antena cuya ROE es de 2:1, Calcule:

La pérdida de retorno. Exprese cuanta potencia es reflejada y transmitida. La pérdida por desacoplamiento.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias

La pérdida de retorno será de 9.54 dB. Esto implica que : 111.1 watts serán reflejados y 888.9 watts (59.488 dBm/29.488 dBw) serán transmitidos. La pérdida por desacoplamiento será de 0.512 dB.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ondas Estacionarias Efectos en la medida de la ROE.

La atenuación en una línea de transmisión mejora la ROE de una carga o antena. Si estamos interesados en determinar las condiciones y características de una antena, la ROE siempre deberá ser medida en el conector de la antena misma, más que a la salida del transmisor. Los cables de transmisión cargarán la línea y crean la ilusión de tener una mejor ROE en la antena.


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Compensación de ROE • La acumulación de pérdidas de acoplamiento en todos los componentes que forman un arreglo de antenas en banda ancha, puede llevar niveles de ROE no deseados e igualmente afectar el patrón de radiación de dicho arreglo.

• Este nivel de ROE puede reducirse desplazando la antena en ¼ λ (90°) y a la vez alimentarla 90° fuera de fase.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Compensación de ROE

• Los 90° de ajuste de fase crean una reflexión que estará fuera de fase con respecto a la señal original, lo cual resultará en la cancelación de la energía reflejada en el sistema alimentador y así producir un bajo nivel de ROE. • El desplazar en ¼ λ y un ajuste de fase de 90° resultará en una señal en el campo lejano o campo de Franzhoufer sumada y en fase.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Compensación de ROE

• Problemas de ROE en arreglos de antena - En un sistema de patrón omni-direccional cuando la frecuencia de operación se incrementa y la distribución y posición del arreglo de antenas se mantiene igual, el patrón azimutal incrementa su rizado debido a que la profundidad de los mínimos se incrementa. - Este rizado puede ser compensado sobre pequeños anchos de banda, manipulando la configuración y fases de los paneles individualmente.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Compensación de ROE • La velocidad de propagación en el espacio libre es diferente a la velocidad de propagación en un medio físico. (Constante dieléctrica ɛ en la línea de transmisión) • Factor de velocidad (f.v.) Es la relación de la velocidad entre la línea de transmisión y el espacio libre.

Su valor básicamente dependerá de la calidad y diseño de las líneas de transmisión entre cero y la unidad. 97


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Importancia de la Fase y El Corte de Cables • Relación de Acortamiento (λ/λ0). A una frecuencia determinada, es la relación de acortamiento de la longitud de onda en el espacio libre, debido a la influencia provocada por el factor de velocidad en una línea de transmisión. La relación de acortamiento es 0.67 a 0.96 para líneas de transmisión coaxial y de 0.9 a 0.95 para las antenas.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Importancia de la Fase y El Corte de Cables La importancia de la Fase y el Corte de cables. Ejemplo: ¿Cuánto medirá un cable de /2 para una frecuencia de 500 MHz, si la vp = 0.82? Solución:

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Importancia de la Fase y El Corte de Cables • Si el frente de ondas esta a 45 y tomando en cuenta el factor de velocidad y de acortamiento, considerando v = c, la línea en fase estará paralela al frente de incidencia. • Si la v < c, las longitudes l2 y l3 se alargan en orden de que todas las fases puedan ser las mismas en la condición de una línea común en fase.

Línea en fase con v = c

45

l1

l1

l2

l3

Dipolos /2

l2

l3

Línea en fase con v < c

Punto de alimentación común

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Importancia de la Fase y El Corte de Cables

• Consideremos el siguiente caso: (l1=l2=l3)

l2

Frente de onda incidente

l

l1

Punto de alimentación común

Dipolos /2

l1

3

l2

l3

Línea en fase

Al Receptor o Transmisor Líneas de Transmisión o cables

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Importancia de la Fase y El Corte de Cables

Conclusión: Si deseamos controlar el haz de propagación de los elementos que conforman el arreglo de antenas, un ajuste de fase puede ser hecho a cada elemento insertando secciones de cable o líneas de retrazo, de tal forma que líneas de λ /4, λ/2, 3λ/4, proveen incrementos de 90°.

Para ajustes de fase más precisos, cables con incrementos de diferencia son utilizados.

pequeños

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Potencia Aparente Radiada Por definición diremos que: Es el producto de la potencia suministrada a una antena y la ganancia relativa de un dipolo de media onda en una dirección dada Si la dirección no es especificada, se asume la dirección de máxima ganancia. P.A.R. = PT x GT Donde, PT, es igual a la potencia suministrada por el transmisor y GT es igual a la ganancia total del sistema de antena. Sus unidades pueden ser expresadas en vatios, mili vatios, dBw o dBm. 103


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Pérdidas del Sistema • Aquellas producidas por: - La línea de alimentación - Distribuidores de potencia - Cables de unión ó latiguillos - Conectores - Pérdidas por inserción - Pérdidas por acoplamientos Representan un valor importante al momento de establecer los niveles de máxima radiación.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Pérdidas del Sistema • Todos estos datos por lo general son proporcionados por los fabricantes de estos productos mediante tablas o gráficos. • Es importante recordar la estrecha relación que estas pérdidas mantienen con la frecuencia de operación de nuestro sistema y la calidad de los materiales con la cual están construidos. • Finalmente, para obtener el PAR máximo radiado debemos adicionar todas las pérdidas generadas en la configuración del sistema a la ganancia del arreglo de antena estudiada.

ERP dB = Pt dB + Gt dB - Ps dB

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Pérdidas de Propagación • Las pérdidas de propagación sugieren un nivel de atenuación en las intensidad de campo generado por un sistema o arreglo de antena utilizado. • En todo sistema primeramente fijamos nuestro nivel de intensidad de radiación, básicamente mediante factores como: - Potencia de transmisión - Ganancia de antena utilizada - Las pérdidas en la línea de alimentación.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Pérdidas de Propagación • Los factores que inciden en las pérdidas de propagación estarán dadas fundamentalmente por: - La frecuencia de operación de nuestro sistema. - Distancia de separación entre los puntos de Tx y Rx. - Alturas donde estarán ubicados los sitios de Tx y Rx. - Gran variedad de circunstancias geográficas y naturales tales como montañas, el mar, la lluvia, la vegetación y en las ciudades obstáculos como edificios, estructuras, niveles de ruido artificiales. 107


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Pérdidas de Propagación Desvanecimientos (Fading). • Es el efecto refractario de la trayectoria de la onda que está cambiando por variaciones en la distribución de la refractividad atmosférica y la diferencia de fase entre la onda directa y la reflejada desde la tierra en función del tiempo. • También es conocido como el Desvanecimiento tipo K ó el cambio en el coeficiente del radio efectivo de la tierra (K). • Su magnitud y duración son irregulares en la mayoría de los casos.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura • Su análisis es muy complejo en virtud de las condiciones de pérdidas en la propagación de la señal radiada a través de un arreglo de antena cualquiera. Conceptos importantes a considerar: • Frecuencia de operación. • Línea de vista. • Más allá de la línea de vista. - Curvatura de la tierra. • Las posibles obstrucciones debidas a cerros y montañas. • Los valores de la constante dieléctrica, conductividad de la superficie del terreno, temperatura. • Puntos de reflexión de la onda. • Niveles de absorción de la energía debido a la vegetación, etc. 109


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura

Cálculo para la estimación de cobertura. Caso más simple.

Existe línea visual entre los puntos de transmisión y recepción sobre un segmento de la tierra plano cuya geología es uniforme y se omiten las obstrucciones por árboles, edificios, etc.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura • Podemos obtener la intensidad de campo mediante la expresión: Donde: E está dado en (V/m). Eo, es la intensidad de campo en el espacio libre dado en (V/m). PAR, es la Potencia Aparente Radiada en (w). λ, es la longitud de onda en (m). d, es la distancia entre Tx-Rx (m) h1 y h2 son las alturas de las antenas de Tx y Rx por encima del nivel del mar. 111


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura

• En el camino de propagación dentro de la distancia óptica, cuando la onda electromagnética se refleja sobre la tierra, la intensidad de campo será la suma vectorial de la onda reflejada y la onda directa, tal y como podemos observar en la siguiente gráfica.

T (PAR,  )

R ( Eo, E )

h1

h2

d

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura

• En la mayoría de los casos los valores de intensidad de campo varían dependiendo de la posición de la antena receptora. • La intensidad de campo de la fuente emisora no siempre se difunde igual, depende del lugar y el tiempo. • Cuando consideramos esta condición, la intensidad de campo se expresa como E (L.T.). 113


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura L% está en relación a la posición. T% está en relación al tiempo. • Esto significa que en cierta área de L% en la superficie, la intensidad es mayor a este valor y T% de cierto intervalo de tiempo, la intensidad de campo es superior a este valor. •

Así, un campo E(50,50) significa que su intensidad es un valor promedio tanto en relación al lugar y el tiempo. 114


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura El manejo de las Curvas de la F.C.C. en la estimación de la intensidad de campo.

La Agencia Federal de Comunicaciones de los EUA ha recopilado una gran cantidad de datos medidos en campo y comparados con sus valores teóricos los que nos permiten tener una relación de campo estadístico establecido dentro de márgenes estimativos en 50% con respecto a la posición y un 50% con respecto al tiempo.

Ésta se basa en una predicción en la distancia a la que corresponden los contornos o valores establecidos para definir las distancias de cobertura o de intensidad de campo. 115


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura

Referencias.

Las curvas de la F.C.C. nos dan valores de intensidad de campo en dB por encima de 1 mV/m; éstas curvas están basadas sobre una potencia aparente radiada de 1 Kw desde un dipolo de media onda en el espacio libre, la cuál produce una intensidad de campo no atenuada a 1.61 Km (1 milla) de alrededor de 103 dB arriba de 1 mV/m en una antena receptora de 10 metros de altura.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura

• Para el uso de las curvas debemos conocer: - La distancia entre los puntos de transmisión y recepción. - La altura promedio sobre el nivel del mar en el punto de transmisión.

- El PAR máximo de radiación de nuestra fuente emisora. 117


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estimación de Cobertura Procedimiento: a. b. c.

d.

e.

Convertir la potencia aparente radiada (kilovatios) para un determinado azimut en dB referenciado a 1 Kw (dBk). Ubicar la distancia conocida en el extremo derecho de la gráfica. Proyectar una línea vertical desde el valor de la altura promedio conocida en la parte inferior de la gráfica que intercepte la curva de la distancia. Interpolar el punto de intersección obtenido con una línea horizontal hacia el extremo izquierdo de la gráfica donde se indica el nivel de intensidad de campo para una potencia radiada de 1 Kw. Para obtener el valor estimado de intensidad de campo conociendo el valor del PAR, adicionamos la potencia del PAR en dBk al valor obtenido. Ver Curvas F.C.C. E (50, 50) Canales 2-6, Canales 7-13, Canales 14-69 en el Anexo D.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas

• Una buena calidad de imagen y sonido implica una buena recepción. • Dicho de otra forma, se requiere que en nuestro sistema receptor logremos un nivel de intensidad de campo aceptable.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas

• Área de servicio: Es un parámetro de cobertura que estará definido por valores de intensidad de campo mínimos, dados en el caso de TV, por una relación entre la calidad de la imagen y el valor en la relación de señal a ruido (S/N) del terminal de entrada del receptor de TV, que en última instancia será una estimación subjetiva de la imagen.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas Ponderación subjetiva de la imagen en un receptor de TV. NIVEL DE

NOTA DE

NORMA DE

S/N

CALIDAD

EVALUACIÓN

TASACIÓN

(V P-P /RUIDO RMS)

No se puede 5

4

3

Excelente

Bueno

Aceptable

reconocer la

Más de 38 dB

interferencia

Limite de

Interferencia

percepción

pero sin

Más de 30 dB

importancia

Límite de

Interferencia que

tolerancia

molesta, pero no

Más de 22 dB

es un Límite de

impedimento 2

No Aceptable

perturba 1

resistencia

Interferencia que Más de 15 dB

Inapropiado para la recepción

Menos de 15 dB

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas

• En el diseño de sistemas, la mínima intensidad de campo en la franja de un área de servicio está determinada por el voltaje de entrada de los receptores para obtener un límite tolerable de 30 dB de S/N de salida de video. • Para este valor, podemos observar en la tabla un nivel de calidad de imagen entre 3 y 4.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas • En la República de Panamá, mediante el Decreto Ejecutivo N°189 del 13 de agosto de 1999, que reglamenta la Ley N°24 del 30 de junio de 1999, estable el valor de intensidad de campo mínimo que rige en el país y para lo cuál citamos a continuación: • Ver anexos

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas Ahora podemos establecer la intensidad de campo mínima necesaria para una cobertura determinada y obtener el valor en el terminal de entrada de un receptor, considerando: • Las características eléctricas de la antena receptora a utilizar. • El alimentador empleado y la posición de la antena; es decir, se puede obtener este valor por medio de la expresión:

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas

• Donde, E = Intensidad de campo (V/m). λ = Longitud de onda (m). R = Impedancia de entrada del receptor (ohm). Ga = Ganancia relativa de la antena del receptor. Lf = Pérdida del alimentador. 125


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas

• Si indicamos ésta expresión en decibelios obtendremos que: Vin (dB) = 20 log E + 20 log (λ/π) + 10 log R / 73.13 + 10 log Ga - 10 log Lf

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas Ejemplo: • Si deseamos obtener la ganancia de una antena requerida en la entrada en un receptor, donde la impedancia del elemento de antena utilizado es de 300 ohmios, el voltaje de entrada en esa región corresponde a un Grado B igual a 56 dB a una frecuencia de 200 Mhz y la intensidad de campo medida es de 48 dB, la ganancia de antena a utilizar será de: (Considerar Lf la atenuación del alimentador incluyendo las pérdidas de reflexión por desacoplamiento igual a 3 dB ) Ga (dB) = 56-48+6.4-6.2+3 Ga (dB) = 11.2 • Lo que equivaldría a utilizar una antena Yagi con un mínimo de 5 elementos para garantizar una recepción de calidad tolerable en la entrada del receptor. 127


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Antenas Receptoras Terrenas Resumen • Existe una gran variedad de diseños relacionados con una aplicación específica o su banda de frecuencia de operación. • Es importante tener en cuenta todos los factores o características eléctricas de una antena receptora al momento de seleccionarlas en una aplicación determinada. • Dos de los principales tipos de antena más utilizados en nuestro medio son la Antena Yagi-Uda y la Logarítmica Periódica. Ver anexos

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación

Los ecos o comúnmente llamados en televisión “fantasmas” es el más popular entre los problemas de recepción en televisión, causado por lo siguiente: 1. Por ondas reflejadas de edificios o similares. 2. Por desacoplamiento entre la impedancia de entrada de la antena receptora y el alimentador. 3. Por ondas directas que inciden sobre el receptor.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación

Técnicas de cancelación. • La aparición de ecos, puede ser contra-restada manteniendo una relación entre la señal deseada y la no deseada (D/U) en más del 25 dB para una evaluación inicial. • Instalando antenas receptoras con una Directividad muy fina y un nivel de lóbulos laterales bajo.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación

• Combinar dos antenas para obtener un incremento en su ganancia alguna área o franja donde la intensidad de campo es pequeña. • O agruparlas de tal forma que la dirección de la onda reflejada corresponda a la dirección del nulo en el arreglo.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación

• Apiladas y separadas a intervalos de media longitud de onda (λ/2) horizontalmente, hará que la directividad sea más aguda y así minimizar el efecto de ondas perturbadoras. • Dos antenas están arregladas a un intervalo de una longitud de onda, el ángulo de nulos es de 30, de tal forma que la onda perturbadora que venga en la dirección de 30° su efecto será eliminada.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación

• Si la polaridad o fase de la señal reflejada es igual a la señal directa que llega a la antena, ocurrirá una sobre intensidad de campo en la señal resultante. •

En el caso que la onda reflejada este en fase opuesta a la señal directa, habrá una cancelación o debilitamiento de la señal resultante.

• Esto se traduce como efecto de agitación de la señal, observándose como cambios alternativos de imagen claras a oscuras, o bien una variación de la intensidad de campo en el punto de recepción de alrededor de 20 dB.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación • La agitación de la imagen puede ser minimizada mediante la aplicación de los circuitos de AGC en los receptores de TV o mejorando la directividad vertical de la antena receptora. • En una antena Yagi, adicionamos un elemento reflector en la parte superior del elemento activo, permitiendo estrechar el lóbulo vertical de la antena. • Cuando efectuamos instalaciones en lugares donde existe una gran superficie de reflexión, es mejor tratar de mover la antena algunos metros o pies en todas direcciones para obtener la mejor posición donde recibamos el mejor nivel de intensidad de campo. 134


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Ecos y Técnicas para su Cancelación

• Cuando hablamos de interferencias lo hacemos en función de la relación de las señales deseadas y no deseadas en el punto de recepción. Estas pueden ocurrir debido a: • Canales Isofrecuentes. • Canales Adyacentes. • Otras fuentes generadoras de RF.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite • Los satélites son básicamente un repetidor. • Su órbita puede ser: – Polar – Geoestacionaria.

• La órbita Polar describe una trayectoria de polo a polo. Su aplicación fundamentalmente es para comunicaciones de baja altura, atmosféricos, investigación y uso militar. • Los geoestacionarios tienen mayor uso en las telecomunicaciones en general y televisión. 136


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite Los sistemas de satélites se pueden dividir en base a sus servicios: • Comunicaciones: Telefonía, video/TV, datos. • Gobierno: comunicaciones, militares, espionaje, posicionamiento. • Científicos: Percepción remota, meteorológicos, nuevas tecnologías.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite Los sistemas de satélites pueden dividirse en base a su tamaño y peso en:

Minisatélites (entre 250 y 500 Kg) Microsatélites (<250 Kg)

Satélite (> 500 Kg hasta 3 ton.) 138


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite

• Los satélites geoestacionarios sólo pueden cubrir la tercera parte del planeta de tal forma, que los satélites se distribuyen en regiones las que la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) ha dividido en:

• • •

Región I (Europa) Región II (América) Región III (Asia).

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite

Ubicación de los satélites geoestacionarios.

Los satélites definen su posición orbital como el ángulo obtenido entre la proyección de una línea desde el centro de la tierra hacia el satélite y un punto de referencia. Esta se mide como la diferencia de longitud entre el Meridiano de Greenwich y el punto donde la línea recta que une el centro de la tierra y el satélite corta el ecuador.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite Funcionamiento de los satélites. • Desde la tierra se transmiten señales al satélite (uplink), el satélite amplifica y traslada la señal (cambia de frecuencia), generalmente a baja frecuencia y la retransmite (downlink) a la estación terrena receptora.

• La traslación de frecuencia evita que la pobre señal recibida por el satélite se viera inundada por la potente señal generada por la frecuencia de transmisión. • El dispositivo que realiza esta función de amplificación y traslación es conocido como transponder. 141


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite Un sistema de comunicaciones por satélite consta de tres segmentos: • Estación terrena transmisora. • Satélite de comunicaciones. • Estación terrena receptora.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estación Terrena Transmisora ETx

• • •

Antena de mediano a gran tamaño. Amplificador de Alta Potencia (HPA). Modulador.

TWTA: Traveling wave tube amplifier

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Diagrama Básico de un Satélite de Comunicaciones

*TT&C: sistema de telemetría y comando

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Diagrama de un Transpondedor de Satélite Diagrama básico Básico de un transpondedor de satélite

• • •

Recibe la señales transmitidas desde la Estación Terrena Tx. Amplifica las señales débiles en recepción (Rx). Cambia la frecuencia de operación para su transmisión en el descenso (Convertidor de frecuencia. Transmite las señales de nuevo a las estaciones terrenas receptoras

(Tx). 145


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

La Estación Terrena Receptora La Estación Terrena receptora (ET Rx) ET Rx

•Antena de pequeño a mediano tamaño. •Amplificador de Bajo Ruido (LNA) y convertidor de frecuencia. •Demodulador. 146


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite Bandas de operación.

• En los Estados Unidos y Europa las frecuencias de operación de los satélites fueron segmentadas para operar en bandas de súper alta frecuencia (SHF) para los servicios fijos de transmisión de televisión, utilizándose el siguiente rango para el uso de emisiones Espacio-Tierra (Down Link) y Tierra-Espacio (Up link) en sistemas comerciales de televisión:

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite

Los tipos de polarización utilizados son: Polarización Lineal:

a- Horizontal b- Vertical

Polarización Circular:

a- Derecha b- Izquierda

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite • La potencia emitida por el satélite siempre se da en términos de la Potencia Isotrópica Radiada Efectiva (PIRE ó en sus siglas en inglés EIRP). • Representa la potencia que debería radiar una antena isotrópica para obtener en un punto determinado del espacio, la misma excitación que obtenemos con la antena del satélite. • Viene dada por el producto de la potencia transmitida por la ganancia de la antena, PIRE = Pt · Gt [w] ó PIRE dBw= Pt dBw + G dBw [dBw] (sin pérdidas)

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Comunicaciones por Satélite • Las pérdidas más importantes de la señal será debido al espacio libre y se calcula en función de la distancia y la frecuencia: Pérdidas en el espacio libre = 20 log (4πd f / c) [dB] donde,

d, es igual a la distancia entre la estación receptora y el satélite (m). f, es igual a la frecuencia de operación (Ghz). c, es igual a la velocidad de la luz en el espacio.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite •

Las antenas en términos generales tienen la función principal de un amplificador pasivo (transmitir o recibir).

Su ganancia será calculada como una función relativa al tamaño (apertura) y la longitud de onda de la señal a ser amplificada y es expresada en dBi.

Muchos factores gobiernan la calidad de una antena, entre ellos están la exactitud y rigidez del reflector principal y la ubicación del alimentador.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite • •

Los tipos de antenas más frecuentemente utilizados en sistemas satelitales son: Reflectores parabólicos de eje simétrico o de compensación.

• • • •

Cassegrain. Gregorian. Prime focus. Offset.

Cassegrain y Gregorian están hechos para utilizar un sistema de reflector dual alimentado por un radiador primario localizado en su foco. 152


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite

Prime Focus

Gregorian

Offset

Cassegrain

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite

G. Teórica = 4πA/λ 2 = (πD/λ) 2 Ganancia real = Ganancia Teórica

η

Algunas veces la ganancia real es calculada, conociendo su apertura efectiva. • La apertura efectiva de una antena es su apertura física η, esto es: Ae = A η 154


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite Ejemplo: • Una antena parabólica tiene una apertura (diámetro), D = 2m. Operará a 12 GHz ¿Cuanto es su ganancia en veces y en dB? Respuesta: Hallamos primero la λ Velocidad de la onda de radio = frecuencia longitud de onda,

Ganancia teórica

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite Ejemplo de Calculo de Ganancia Real: • La ganancia calculada de una antena es 50 dB. La eficiencia de la antena es 75%. ¿Cuál es la ganancia real de la antena? Respuesta: • Primero: • Segundo: • Tercero:

cambiar 50 dB a números ⇒ 100,000 Multiplicarlo por 0.75 ⇒ G de 75,000 convertir de vuelta a dB ⇒ 48.8 dB

Ganancia real 156


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite (Composición)

Composición de las antenas de satélite: a.

El sistema mecánico, el cual lo forman el reflector, la estructura soporte y la base o pedestal.

b.

La fuente primaria, compuesta por el alimentador, los reflectores asociados sub ensamblados y todos aquellos componentes no radiadores (polarizador, amplificador, convertidor de microondas, etc.)

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite (Composición) c.

Otro de los elementos que forman las antenas receptoras de satélite, es la llamada unidad exterior, término que une varios elementos como lo son el alimentador, el polarizador y el convertidor de microondas (downconverter).

d.

El alimentador está ubicado en el foco de la parábola y es el encargado de recibir y concentrar la radiación electromagnética toda vez que es reflejada en la superficie de la parábola.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite (Composición)

El polarizador es la parte encargada de rechazar la polarización no deseada, este está ubicado entre el alimentador y el convertidor, aunque en la actualidad muchos fabricantes los incorporan dentro de el mismo.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite (Composición)

• El conversor de microondas o downconverter.

Su misión es recibir la débil señal proveniente de la antena, amplificarla y convertirla a una señal de frecuencia más baja para su transmisión a través de cable coaxial hacia las unidades interiores. Comúnmente conoceremos este dispositivo como Convertidor bloque de bajo ruido o LNB (Low Noise Block Downconverter).

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas de Satélite (Composición) Las características claves que debemos observar en un LNB son: • Ganancia. • Temperatura de ruido. • Estabilidad. • La señal es mezclada con un oscilador local a 5.150 Ghz para la banda C. • 10, 10.9, 11.3 y 11.475 Ghz para Ku y luego amplificada dando una salida con un ancho de banda de 950 a 2150 Mhz.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenaspara para Microondas Terrestres Las antenas microondas Terrestres.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres

Ganancias típicas de antenas parabólicas en dBi 163


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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres Tipos de Antenas:

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres Antena tipo grilla o rejilla • Reflector grillado • Baja resistencia al viento • Polarización simple • Abajo de 2.7GHz • Fácil de empacar para facilitar traslado

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres

Antena Parabólica Estándar

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres Antena de Plano Focal

• • • •

Reflector Profundo Geometría de bordes Mejora en la relación F/B Ligero decremento de la ganancia

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres Cobertores (Radomos) • • •

Reduce resistencia al viento Protección contra Hielo, Nieve y Polvo

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenas para Microondas Terrestres

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Las Antenaspara para Microondas Terrestres Las antenas microondas Terrestres.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Enlaces por Microondas • Zona de Fresnel El radio de la sección transversal de la primera zona de Fresnel tiene su Máximo en el centro del enlace.

r = radio en metros (m). d = distancia en kilómetros (km). f = frecuencia transmitida en megahercios (MHz).

1.

Ecuación genérica:

rn = radio de la enésima zona de Fresnel. d1 = distancia desde el transmisor al objeto en km. d2 = distancia desde el objeto al receptor en km. d = distancia total del enlace en km. f = frecuencia en MHz.

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MODULO 2: TIPOS DE ANTENAS

Enlaces por Microondas Actividades del Módulo 2 •

Diseñar y Construir una Antena Yagi.

Realizar medidas para determinar el Patrón de Radiación de la antena construida.

Medir ganancia de una antena

Ajustar antena parabólica para captar señales de un satélite.

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antenas