Antenas y Propagación
Maestría en Ingeniería de Sistemas
Pontificia Universidad Javeriana
Ing. M.Sc. Juan Pablo Garzón Ruiz
Introducción
Una antena es un conductor eléctrico o un
conjunto de conductores.
Transmisión – Propaga energía
electromagnética en el espacio.
Recepción – Recoge energía electromagnética
el espacio.
En una comunicación bidireccional la
misma antena puede ser usada para
transmitir y recibir.
Patrones de emisión
Patrones de emisión
Representación gráfica de las propiedades de emisión
de un antena.
Representado con secciones transversales de dos
dimensiones.
Patrones de recepción
El modelo de recepción equivale a un patron de
emisión.
Tipos de antenas
Antenas isotrópicas (idealizada)
Emite energía por igual en todas las
direcciones.
Antenas dipolo
Antena dipolo de onda media (antena Hertz)
Tipos de antenas
Antena vertical de cuarto de onda (Antena
Marconi)
Antena reflectiva parabólica
Ganancia de una antena
Ganancia de una antena
Energía que se emite en una dirección en
particular, comparado con la producida en
cualquier dirección por una antena perfecta
omnidireccional (antena isotrópica).
Area efectiva
Relacionado con el tamaño físico y la forma
de la antena.
Ganancia de una antena
Relación entre la ganancia de una antena y el área
efectiva, isotrópica:
4Ae 4f Ae 2
G
2 c2
G = Ganancia de la antena
Ae = Área efectiva
f = Frecuencia de la portadora
c = Velocidad de la luz (» 3 ´ 108 m/s)
= Longitud de onda de la portadora
Modos de Propagación
Propagación terrestre
Propagación en el cielo
Propagación de linea de vista (LOS)
Propagación Terrestre
Propagación Terrestre
Sigue el contorno de la tierra
Puede propagarse en distancias
considerables
Frecuencias hasta de 2 MHz
Ejemplo
AM radio
Propagación en el cielo
Propagación en el cielo
Señal se refleja en la ionósfera de la atmosfera y
vuele y rebota en la tierra.
Señales pueden viajar por gran número de saltos,
recorren y rebotan entre la superficie de la
ionósfera y la tierra
Entre 2 -30 MHz
Efecto del rebote es causado por la refracción
Ejemplo
Radio Aficionado
Propagación de linea de
vista(LOS)
Propagación de linea de vista
Las antenas que envian y reciben deben ser
visibles.
Comunicaciones Satelitales – Señales desde 30 MHz no
se reflejan en la ionósfera
Comunicaciones terrestres – Antenas con línea de vista
la comunicación se ve afectada por obstáculos.
Refracción – recorrido de las ondas en la
atmósfera
Velocidad de las ondas electromagnéticas esta en
función del medio.
Cuando las ondas cambian de medios, cambian de
velocidades
El recorrido de las ondas es limitada entre los medios.
Ecuaciones LOS
Sin obstáculos el LOS se expresa:
d 3.57 h
La efectividad, o radio se expresa:
d 3.57 h
d = distancia entre la antena y el horizonte (km)
h = altura de la antena (m)
K = factor ajustado que tiene encuenta la
refracción, la regla K=4/3
Ecuaciones LOS
Máxima distancia entre dos antenas para
propagación LOS
d 3.57 h1 h2
h1 = altura de una antena
h2 = altura de la otra antena
Efectos negativos de las
transmisiones inalámbricas LOS
Atenuación y distorsión en la
atenuación(frecuencia)
Perdida en transmisiones al aire libre
Ruido
Absorción atmosférica
Multicaminos
Refracción
Ruido Térmico
Atenuación
Fuerza de la señal cae a media que se recorre una
distancia sobre cualquer medio físico.
Factores de la Atenuación para medios no
guiados:
La señal recibida debe ser lo suficientemente fuerte
para que los circuitos en el receptor puedan interpretar
adecuadamente la señal.
Señal debe mantener el suficiente superior al ruido para
interpretar adecuadamente la señal.
Atenuación es mayor a frecuencias más altas, causando
distorsión.
Perdida en el espacio libre
Perdida en el espacio libre, antena isotrópica:
Pt 4d 4fd
2 2
Pr 2
c 2
Pt = energía de la señal transmitida (antena)
Pr = energia recibida(antena)
= longitud de onda de la portadora
d = distancia de propagación entre las antenas
c = velocidad de la luz (» 3 ´ 10 8 m/s)
donde d y estan en las mismas unidades (ej..metros)
Perdida en el espacio libre
Perdida en el espacio libre puede ser
reformulado asi:
Pt 4d
LdB 10 log 20 log
Pr
20 log 20 log d 21 .98 dB
4fd
20 log 20 log f 20 log d 147 .56 dB
c
Perdida en el espacio libre
Perdida en el e.l. teniendo en cuenta la ganancia de
las antenas
Pt 4 d d cd
2 2 2 2
2
Pr Gr Gt 2
Ar At f Ar At
Gt = ganancia de la antena transmisora
Gr = ganancia de la antena receptora
At = área efectiva de la antena trasmisora
Ar = área efectiva de la antena receptora
Perdida en el espacio libre
Perdida en el e.l. teniendo en cuenta la
ganancia de las antenas
LdB 20 log 20 log d 10 log At Ar
20 log f 20 log d 10 log At Ar 169 .54 dB
Categorías de ruido
Ruido térmico
Ruido intermodal
Diafonía
Ruido de impulso
Ruido térmico
Ruido térmico se debe a la agitación de
electrones
Presente en todos los dispositivos eléctricos
y medios de transmisión
No puede ser eliminado
Función de la temperatura
Particularmente significativo en
comunicaciones satelitales
Ruido térmico
Ruido térmico encontrado en un ancho de
banda de 1 Hz en cualquier dispositivo
conductor es:
N 0 kT W/Hz
N0 = dendidad de la energía del ruido en watts por 1
Hz de ancho de banda
k = constante de Boltzmann= 1.3803 ´ 10-23 J/K
T = temperatura, en kelvins (temperatura absoluta)
Ruido térmico
Ruido se asume para ser independiente de la
frecuencia
Ruido térmico encontrado en un ancho de banda
de B Hertz (in watts):
N kTB
O, en decibel-watts
N 10 log k 10 log T 10 log B
228.6 dBW 10 log T 10 log B
Terminología del ruido
Ruido intermodal– ocurre cuando señales de
diferentes frecuencias comparten el mismo medio
Inerferencia causada porque la señal producidad en una frecuencia
es la suma de diferentes frecuencias originales.
Diafonía– Acomplamiento no deseado entre las
rutas de las señales
Ruido de impulso – ruido irregular o ruido
eventual
Corta duración y de relativo gran amplitud
Causado por disturbios electromagnéticos, o fallas y
defectos en los sistemas de comunicación
Expression Eb/N0
Relación de la energia de una señal por bit con
respecto a la densidad de la energía del ruido por
Hertz(BER) E S/R S
b
N0 N0 kTR
S=energía de la señal, R = promedio de bit’s, T =
tiempo requerido para enviar un bit.
El promedio de error por bit para señales digitales
de datos esta en función de Eb/N0
Dado un valor para Eb/N0 para lograr un promedio de error
deseado, parámetros de esta formula son seleccionados
Con un promedio de error por bit R, la señal transmistida debe
incrementar su energía para mantener el Eb/N0 requerido
Otros efectos negativos
Absorción atmosférica – Vapor de agua y
aira más denso contribuyen a la atenuación
Multiples rutas – obstáculos reflejan la
señales y pueden generar múltiples copias
con variedad de demoras que se reciben
Refracción – distorsión de los ondas de
radio al propagarse en la atmósfera
Multipath Propagation
Propagación de múltiples rutas
Reflexión (R) –Ocurre cuando una señal encuentra
una superficie que es relativamente más grande
que la longitud de onda de la señal.
Dispersión (S)– ocurre cuando una señal de
entrada pasa por un objeto con tamaño similar o
menor a la longitud de onda de la señal.
Difracción –(D) ocurre cuando en el filo de un
inpenetrable cuerpo que es más grande que la
longitud de onda de la señal.
Efectos de la propagacion de
múltiplecamino
Múltiples copias de una señal pueden llegar
en diferentes fases.
Si la fases que se adicionan son destructivas, el
nivel de la señal relativo la ruido declina,
haciendo la detección más dificil.
Interferencia intersímbolo (ISI)
Uno o más retrasos en las copias de un pulso
pueden arrivar al mismo tiempo que le pulso
primario para un subsecuente bit.
Tipos de Desvanecimiento
Variaciones rápidas que ocurren en
dispositivos en movimiento.
Desvanecimiento rápida
Desvanecimiento lenta
Desvanecimiento plana
Desvanecimiento selectiva
Desvanecimiento“Rayleigh”
Desvanecimiento“Rician”
Mecanismos de compensación de
los errores
Reenvío de corrección de error
Ecualización adaptativa
Diversidad de técnicas
Reenvío de la corrección de error
Transmisiones adicionan un codigo de corrección
de error para el bloque de datos
Código es en función de los datos
Receptores calculan el código de corrección de
error cuando llegan los datos
Si el cálculo coincide con el código que llega, no ocurre
error
Si no coincide , el receptor intenta determinar el bit
donde ocurre el error para corregirlo.
Ecualización adaptativa
Puede ser aplicada para transmisiones que llevan
información análoga o digital
Usado para combatir la interferencia intersímbolo
Involucra recolección de energía de símbolos
dispersos de nuevo en intervalo de tiempo original
Técnicas
Sofisticados algorítmos procesan señales digitales
Diversidad de técnicas
Se basan en el hecho que los canales individuales
experimental independientemente eventos de
desvanecimiento
Diversidad de espacio – Técnicas involucran rutas
de transmisión físicas.
Diversidad de frecuencias: Técnicas donde la
señal es extendida sobre un ancho de banda más
grande o llevada por múltiples frecuencias
portadoras.
Diversidad de tiempo: Técnicas ayudan a
dispersión de datos sobre el tiempo.
Bibliografía
http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.dipolerfid.es/productos/lectores_RFID/antenas_RFID/img/A
ntenas_RFID_patrones_radiacion.gif&imgrefurl=http://www.dipolerfid.es/productos/lectores_RFID/antenas_RFID/De
fault.aspx&usg=__QpgcH2tRVf8JHjyg6piRur3FjE8=&h=159&w=450&sz=13&hl=es&start=17&um=1&itbs=1&tbnid=
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