Cosecha de energía por medio de señales de radiofrecuencia

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

“

COSECHA DE ENERGÍA POR MEDIO DE SEÑALES

DE RADIOFRECUENCIA

”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Christopher Emmanuel Moreno Vera

Edgar Mauricio Ortiz Almaraz

Rubén Ismael Rojas Vigueras

ASESORES:

Ing. José Antonio López Hernández

Ing. Eric Gómez Gómez

M. en C. Pedro Gustavo Magaña del Río

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COSECHA DE ENERGÍA

POR MEDIO DE

SEÑALES DE

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I | Página

OBJETIVO

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Instituto Politécnico Nacional E S I M E

II | Página

INDICE

INTRODUCCIÓN ... VI

ANTECEDENTES ... IX

CAPÍTULO 1 APLICACIONES DE LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

ENERGY HARVE“TING ... 2

1.1 Cosecha de energía... 2

1.2 Cosecha de energía basada en la energía cinética ... 3

1.3 Cosecha de energía basada en la energía solar ... 6

1.3.1 Energía Fotovoltaica ... 6

1.3.2 Energía Termosolar ... 7

1.4 Cosecha de energía basada en la radio frecuencia ... 9

1.4.1 Aplicaciones de cosecha de energía basada en RF ... 10

CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE LOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ... 13

2.1 Campo Eléctrico ... 13

2.2 Campo Magnético ... 14

2.2.1Fuerza de Lorentz ... 14

2.2.2 Campo magnético creado por una carga puntual ... 17

2.3 Ondas electromagnéticas ... 19

2.3.1 Espectro electromagnético ... 19

2.3.2 Modelos de propagación ... 20

2.3.2.1 Propagación de ondas terrestres ... 21

2.3.2.2 Propagación de Ondas espaciales ... 22

2.4 Espectro Radioeléctrico ... 23

2.4.1 ELF, SLF, ULF y VLF (Extremely low frequency, Super low frequency, Ultra low frequency y Very high frequency) ... 26

2.4.2 LF (Low Frequency) ... 26

2.4.3 MF (Medium frequency) ... 27

2.4.4 HF (High Frequency) ... 27

2.4.5 VHF y UHF (Very High Frequency y Ultra-high frequency) ... 28

2.4.6 SHF (Super-high frequency) ... 29

2.4.7 EHF y THF (Extra-high frequency y Tremendously high frequency) ... 31

CAPÍTULO 3 ANTENAS ... 33

3.1 Definición de antena ... 33

3.2 Parámetros de Antenas en Transmisión ... 34

3.2.1 Impedancia ... 35

3.2.2 Intensidad de radiación ... 37

3.2.3 Diagrama de radiación ... 38

3.2.4 Directividad ... 41

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3.2.6 Patrón de radiación ... 44

3.3 Antenas comerciales ... 47

3.3.1 Antena Parabólica ... 47

3.3.1.1 Antena parabólica de foco primario ... 48

3.3.1.2 Antena parabólica offset ... 48

3.3.1.3 Antena parabólica cassegrain ... 49

3.4 Antenas Yagi ... 50

3.5 Paneles ... 51

3.6 Antenas tipo parche ó microstrip ... 52

3.7 Antenas Wi-fi ... 53

3.7.1 Antenas Direccionales ... 54

3.7.2 Antenas Omnidireccionales ... 54

3.7.3 Antenas Sectoriales ... 55

CAPÍTULO 4 SISTEMA DE COSECHA DE ENERGÍA ... 57

4.1 Captación de energía ... 59

4.1.1 El sistema de antena de Thomas Henry Moray ... 60

4.1.2 El sistema de antena de Nikola Tesla ... 62

4.1.3 Capacitores ... 65

4.1.3.1 Clasificación de capacitores de película ... 66

4.1.3.2 Capacitores MKP, MKT o MKC... 67

4.1.3.3 Construcción del capacitor de cubierta metalizada ... 68

4.1.3.4 Capacidad ... 69

4.1.3.5 Coeficiente de temperatura ... 69

4.1.3.6 Dieléctrico ... 70

4.1.3.7 Absorción Dieléctrica ... 71

4.1.3.8 Factor de disipación y factor de potencia ... 72

4.1.3.9 Factor de Calidad ... 76

4.1.3.10 Capacitor con bajo ESR ... 77

4.1.3.11 Circuito equivalente general de un capacitor ... 79

4.1.4 Diodos (germanio y silicio) ... 83

4.1.5 Rectificador AC/DC ... 84

4.1.6 Tierra Física ... 85

4.2.5.1 Impedancia de Propagación ... 86

4.2 Acondicionamiento ... 87

4.2.1 Dobladores de voltaje ... 87

4.2.2 Convertidor DC/DC ... 92

4.3 Almacenamiento y regulación de tensión ... 93

4.4 Aplicación... 96

CAPÍTULO 5 DISEÑO, PRUEBAS Y RESULTADOS ... 98

5.1 Captación ... 98

5.1.1 Características de la Antena ... 99

5.1.2 Cálculos para comprobar la eficiencia de los capacitores ... 103

5.1.2.1 Capacitor de cubierta metalizada con bajo ESR de 150 µF. ... 103

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5.1.3 Captación del Diseño ... 106

5.2 Almacenamiento ... 117

5.3 Acondicionamiento ... 119

5.4 Aplicación... 120

5.5 Diseño del PCB ... 124

CONCLUSIONES ... 131

RECOMENDACIONES ... 132

GLOSARIO ... 134

ACRÓNIMOS ... 138

ANEXOS ... 141

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INTRODUCCIÓN

A lo largo del tiempo el conocimiento que se ha obtenido de la energía eléctrica ha sido de gran importancia para el bienestar y el desarrollo de las sociedades contemporáneas, la gran mayoría de máquinas y dispositivos que se conocen actualmente basan su funcionamiento gracias a este tipo de energía. Esto ha llamado la atención de los científicos e investigadores que han buscado alternativas para el mejoramiento de las nuevas herramientas que ayuden a las personas de manera cotidiana.

Ahora las formas inalámbricas parecen ser el común denominador de las grandes innovaciones de un futuro no muy lejano, por lo que se han desarrollado transmisores y receptores inalámbricos para toda clase de dispositivos, utilizando tecnologías que puedan transmitir cada vez a mayores distancias y con mayor eficiencia, estas son frecuencias con la que la mayoría de las personas interactúan a diario y que representa una gran herramienta al momento de comunicarse, además de que las bandas de frecuencias definidas por las normas de las diferentes tecnologías que conforman a los sistemas inalámbricos se ubican alrededor en el orden de muy altas frecuencias, lo que ha propiciado que el número de equipos que utilizan las ondas para conectarse a través de redes inalámbricas haya crecido notablemente.

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ANTECEDENTES

Actualmente, los dispositivos electrónicos necesitan estar directamente conectados a las tomas de corriente alterna para cargarse, limitando la movilidad de los usuarios. Hoy en día se ha observado que la generación de energía eléctrica no se aprovecha al máximo pudiendo reciclar la energía radiada por tecnologías inalámbricas

La primera vez que se escuchó sobre los efectos eléctricos fue en la época de Tales de Mileto quien observó las manifestaciones de la estática al notar que un trozo de ámbar se adhiere a los pastos secos al ser frotados entre sí. Miles de años después con estudios de diversos científicos comandados por Bohr, Benjamín Franklin o William Gilbert entre otros. Se conoció por primera vez la palabra electrón el cual dio inicio al gran avance de los conocimientos que se tienen sobre la energía eléctrica.

Posteriormente, los estudios tomaron una vertiente no solamente a la generación de estos fenómenos eléctricos sino también a cómo en ciertos materiales esta energía podría fluir conduciendo la electricidad de un punto a otro, las aplicaciones que tendría en un principio la llamada revolución energética seria para iluminar los hogares y realizar funciones muy limitadas, aunque hoy se sabe que gran parte de la tecnología que se conoce actualmente basan su funcionamientos en este tipo de energía.

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Ampere, Gauss y por supuesto Maxwell quienes por primera vez hablaron sobre las ondas electromagnéticas y la propagación que estas tendrían en un medio.

La energía eléctrica también tuvo sus complicaciones en los años de 1890 los científicos Nicola Tesla y Thomas Alba Edison disputaban la mejor forma de cómo se debía generar la energía eléctrica, mientras que Edison tenía su teoría, la llamada corriente directa (C.D) para transportar energía eléctrica hasta todos los hogares. Tesla decía que la mejor forma de transportar dicha energía era con su teoría de la corriente alterna (C.A). Hoy en día se puede ver que la corriente alterna ganó frente a la corriente directa, sin embargo, esta última se sigue utilizando en otro tipo de aplicaciones y no para transportar electricidad a grandes distancias. Sin embargo, a pesar de que se sabe que para transportar energía se utiliza corriente alterna sobre conductores los estudios de Tesla también abrieron la posibilidad de transmitir energía eléctrica de manera inalámbrica conociendo el efecto que tienen el campo eléctrico y magnético sobre los dispositivos electrónicos.

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C

APÍTULO 1

APLICACIONES DE LA

CAPTACIÓN DE ENERGÍA DEL

MEDIO AMBIENTE “ENERGY

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CAPÍTULO 1 APLICACIONES DE LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA

DEL MEDIO AMBIENTE

_{“ENERGY HARVEST}

I

_NG”

En la actualidad se siguen utilizando los combustibles fósiles como fuente de energía para la vida cotidiana, siendo que estos son recursos finitos, contaminantes y costosos, como consecuencia de esto, desde hace tiempo se ha pensado y se ha venido trabajando en nuevas fuentes que sean sustentables, en pocas palabras que se pueda generar energía a través de fuentes naturales infinitas y de bajo costo, como son, la energía del sol, el aire, la lluvia, el oleaje de los mares y océanos e incluso de los campos radiados en el espacio libre.

1.1 Cosecha de energía

La cosecha de energía o también llamado captación o recolección de energía, es un proceso que tiene como función principal captar pequeñas cantidades de energía que de otro modo se perderían en forma de calor, luz, sonido o vibraciones.

Uno de los objetivos de la cosecha de energía es mejorar la eficiencia de los dispositivos que se utilizan actualmente, aprovechando la mayor cantidad posible de energía, por ejemplo, en el caso de las computadoras, los costos se reducirían significativamente si el calor residual se captará y se utilizará para ayudar a encender al propio equipo de cómputo. La captación de energía tiene el potencial de poder reemplazar las baterías para dispositivos electrónicos pequeños, de baja potencia, con esto se podrían obtener dos grandes beneficios, uno de ellos es que no habría la necesidad de cambiar las baterías de los dispositivos y la otra no menos importante, es la reducción de contaminación al ambiente, ya que las baterías que usualmente se emplean contienen productos químicos y metales que son perjudiciales para el medio ambiente y peligrosos para la salud humana.

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se ha comenzado a reutilizar la energía generada por el hombre, como la energía emitida en forma de radio frecuencia (figura 1.1).

1.2 Cosecha de energía basada en la energía cinética

[image:16.612.148.462.167.433.2]

Desde hace mucho tiempo se ha utilizado la energía del viento en aplicaciones como el transporte con velas, los molinos de viento, el bombeo de agua, etc. Pero no fue hasta hace no muchos años que se desarrolló la tecnología para transformar la fuerza del viento en electricidad a gran escala. El proceso para transformar esta energía en electricidad recibe el nombre de energía eólica, la cual consiste en aprovechar la energía cinética asociada al viento y transformarla en energía

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mecánica o eléctrica. En la actualidad este tipo de energía es considerada una importante fuente de energía porque es una fuente de energía limpia que no genera contaminación y no daña al ambiente. Las grandes turbinas o aerogeneradores, se colocan en áreas abiertas donde se puede obtener una buena cantidad de viento, las gigantes turbinas de viento generan energía cuando el viento hace girar sus enormes hélices, que están conectadas a un generador que produce electricidad (figura 1.2).

En la actualidad, sólo el 1% de la energía generada en el mundo proviene de este tipo de fuente de energía eólica. Sin embargo, el potencial de explotación es grande, siendo que hoy en día China, Estados Unidos, Alemania, España, India, Francia, Italia, Reino Unido, Canadá y Portugal son los países que generan más energía eólica.

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Otro tipo de energía que utiliza como fuente la energía cinética de una fuente natural es la energía hidroeléctrica, ésta es electricidad que se genera aprovechando la energía del agua en movimiento, ya sea la lluvia, el oleaje de los océanos, la fuerza de un rio en movimiento, etc. Este tipo de energía lleva años explotándose, a finales del siglo XIX, la energía hidroeléctrica se convirtió en una fuente para generar electricidad.

Una central hidroeléctrica clásica es un sistema que consta de tres partes: una central eléctrica en la que se produce la electricidad; una presa que puede abrirse y cerrarse para controlar el paso del agua; y un deposito en el que se puede almacenar agua (figura 1.3). El agua detrás de la presa fluye a través de una entrada y hace presión contra las hélices de una turbina, lo que hace que éstas se muevan. La turbina hace girar un generador para producir la electricidad. La cantidad de electricidad que se puede generar depende de hasta dónde llegue el agua y de la cantidad de ésta que se mueve a través del sistema. La electricidad puede transportarse mediante cables eléctricos de gran longitud hasta casas, fábricas y negocios.

La energía hidroeléctrica es la que genera electricidad de forma más barata en la actualidad, aproximadamente el 20% de la electricidad mundial proviene de esta fuente, además de que es energía limpia y se renueva cada año a través del deshielo y las precipitaciones.

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1.3 Cosecha de energía basada en la energía solar

Se trata de la tecnología más utilizada en los sistemas de cosecha de energía, ya que considerando la capacidad energética del sol, este tipo de energía perdurará millones de años siendo que cada año el sol arroja 4 mil veces más energía que la que se consume, por lo que su potencial es prácticamente ilimitado.

Este tipo de energía se utiliza principalmente para dos cosas, la primera es para calentar cosas como comida o agua siendo los calentadores de agua y las estufas solares claros ejemplos de esto y la segunda es para generar electricidad siendo las celdas solares el alma de lo que se conoce como paneles solares, los cuales son los encargados de transformar la energía del sol en electricidad.

Estas dos formas de utilizar la energía solar, reciben sus nombres caracterizados por la tecnología en que basan el aprovechamiento de la radiación del sol, por lo que se habla de la energía fotovoltaica y la termosolar.

1.3.1 Energía Fotovoltaica

Este tipo de energía consiste en la transformación de la radiación solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico a través de paneles, celdas, conductores o módulos, fotovoltaicos, hechos principalmente de silicio y formados por dispositivos semiconductores. La capacidad de las celdas para convertir la radiación solar en electricidad, depende del material del que estén hechas. Este tipo de captación ofrece 15,_{000 μW/cm}3_{de densidad de potencia por volumen,}

considerando un rendimiento de la celda fotovoltaica de 15 % de eficiencia y una irradiación incidente de 100 mW/cm2

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1.3.2 Energía Termosolar

Este tipo de energía consiste en transformar la radiación solar en energía térmica, puede aprovecharse para cocinar alimentos, la calefacción o para la producción de agua caliente destinada al consumo doméstico, o bien para la producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica.

Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente son placas planas usadas para calentar agua. Los colectores de temperatura media también usualmente son placas planas usadas para calentar agua o aire para usos residenciales o comerciales. Los colectores de alta temperatura concentran la luz solar usando espejos o lentes y generalmente son usados para la producción de

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energía eléctrica. La energía solar térmica es diferente y mucho más eficiente que la energía solar fotovoltaica.

La eficiencia de los sistemas solares actuales se encuentra entre el 10 % y el 20 %. Los valores típicos estándar de producción de energía suelen ser de 100 mW/cm2

con luz directa y de _{unos 100 μW en una oficina con}iluminación típica. Con estos valores, en una casa provista de placas solares se pueden conseguir varios kilowatts en días soleados, o hasta 2 W con cargadores provistos de pequeñas placas solares capaces de recargar, por ejemplo, un teléfono móvil.

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1.4 Cosecha de energía basada en la radio frecuencia

La energía propagada en forma de radiofrecuencia actualmente se emite por miles de millones de radio transmisores alrededor de mundo, incluyendo teléfonos móviles, radios portátiles, emisoras de radio y televisión, etc. La idea de captar la energía emitida en forma de RF es poder aprovecharla al máximo, no solo para enviar o recibir información sino que se pueda captar esa energía y con esto permitir cargar inalámbricamente dispositivos de baja potencia, por lo tanto estos dispositivos estarían libres de conectores, cables y baterías, permitiéndoles con esto una movilidad durante la carga y el uso.

Uno de los atractivos de este tipo de cosecha de energía es que la fuente para generar electricidad es energía libre y si a esto se le suma que el número de radio-transmisores sigue en aumento, entonces se puede ver a este tipo de captación como una muy buena opción para generar electricidad.

Actualmente se estima que el número de suscriptores de telefonía móvil ha superado los cinco mil millones de usuarios y la ITU estima que hay más de mil millones de suscriptores de banda ancha móvil, por lo tanto los teléfonos móviles representan una gran fuente de transmisores para la cosecha de energía por RF, además de considerar el número de routers Wi-Fi y dispositivos inalámbricos finales como las laptops, tabletas electrónicas, etc.

A corta distancia, como por ejemplo dentro de una habitación, es posible cosechar una pequeña cantidad de energía de un transmisor tipo router o modem Wi-Fi con una potencia de 50 a 100 mW. Ahora si se quiere un rango de operación mayor, se necesitan antenas más grandes con una ganancia mayor para la cosecha de energía por medio de RF para poder captar la energía de las estaciones de telefonía móvil y de las torres de radio difusión.

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La idea principal de la cosecha de energía por RF es convertir ésta energía en corriente directa y que ésta pueda ser utilizada para dispositivos de baja potencia como se muestra en la figura 1.6.

1.4.1 Aplicaciones de cosecha de energía basada en RF

La energía emitida en forma de RF se puede utilizar para cargar una amplia gama de dispositivos de baja potencia, para un corto alcance se puede utilizar la potencia de RF para cargar lentamente una serie de dispositivos como GPS, sensores médicos portátiles y electrónica de consumo como las tabletas electrónicas, etc. A mayor alcance puede ser utilizado para los sensores remotos basados en baterías o de baterías libres para el control de climatización y automatización de edificios, monitorización estructural y control industrial. Dependiendo de los requisitos de la potencia y los sistemas de operación, la potencia puede ser enviada de forma continua, de forma programada o en baja demanda, por ejemplo para los sensores de grandes despliegues el utilizar una fuente alterna significa reducir los costos de trabajo ya que los esfuerzos disminuirían para darles mantenimiento y para reemplazar las baterías.

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Normalmente, los dispositivos que operan durante semanas, meses o años con un solo conjunto de baterías son buenos candidatos para ser recargados con la energía de RF. Los teléfonos móviles pueden ser utilizados como fuentes de energía portátiles para un número de dispositivos inalámbricos sin baterías. Se puede pensar que un teléfono móvil alimente una batería de menor potencia, un sensor localizado en el cuerpo que a su vez envía datos a un teléfono utilizando protocolos como Wi-Fi, Bluetooth o ZigBee.

Las ondas de radio ambientales están universalmente presentes ampliando cada vez más la gama de frecuencias con mayores niveles de potencia, especialmente en zonas urbanas densamente pobladas. Estas ondas de radio representan una fuente de energía única y ampliamente disponible, para emplearse en una cosecha de energía eficaz y eficiente.

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C

APÍTULO 2

GENERALIDADES SOBRE LOS

CAMPOS

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CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE LOS CAMPOS

ELECTROMAGNÉTICOS

2.1 Campo Eléctrico

Una carga eléctrica puntual q (carga de prueba) sufre en presencia de otra carga q1 (carga fuente) una fuerza electrostática. Si se elimina la carga de prueba, se

puede pensar que el espacio que rodea a la carga fuente ha sufrido algún tipo de perturbación, ya que una carga de prueba situada en ese espacio sufrirá una fuerza. La perturbación que crea en torno a ella la carga fuente se representa mediante un vector denominado campo eléctrico. La dirección y sentido del vector campo eléctrico en un punto vienen dados por la dirección y sentido de la fuerza que experimentaría una carga positiva colocada en ese punto: si la carga fuente es positiva, el campo eléctrico generado será un vector dirigido hacia afuera (a) y si es negativa, el campo estará dirigido hacia la carga (b). El campo eléctrico depende únicamente de la carga fuente (carga creadora del campo) y en el Sistema Internacional se mide en N/C o V/m.

Figura 2.1 Campo eléctrico creado en el punto P por una carga de fuente q1 positiva (a) y por una

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2.2 Campo Magnético

El campo magnético ⃗ es una cantidad vectorial. Puede estar producido por una carga puntual en movimiento o por un conjunto de cargas en movimiento, es decir, por una corriente eléctrica. El campo magnético ⃗ se define en función de la fuerza ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del campo magnético con las cargas, conduce a numerosas aplicaciones prácticas. La unidad de campo magnético en el Sistema Internacional es el Tesla (T). Un Tesla se define como el campo magnético que ejerce una fuerza de 1 Newton (N) sobre una carga de 1 Coulomb (C) que se mueve a velocidad de 1 m/s dentro del campo y perpendicularmente a las líneas de campo.

El Tesla es una unidad muy grande, por lo que a veces se emplea como unidad de campo magnético, el Gauss (G) aunque no pertenece al Sistema Internacional sino al sistema CGS, tiene un valor más acorde con el orden de magnitud de los campos magnéticos que habitualmente se manejan.

1 T = 10,000 Gauss

2.2.1 Fuerza de Lorentz

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Si una carga eléctrica se mueve en una región del espacio en la que coexisten un campo eléctrico de intensidad ⃗ y un campo magnético ⃗ , actuarán sobre la carga una fuerza eléctrica ⃗ y una fuerza ( × ⃗ ) debida al campo magnético; la fuerza total sobre la carga será la suma de ambas y se llama fuerza de Lorentz:

= ⃗ + × ⃗

Trayectoria bajo la fuerza de Lorentz de una partícula cargada en un campo magnético constante, según el signo de la carga eléctrica.

= � ⃗

(2.1)

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Figura 2.2 Trayectoria bajo la fuerza de una partícula cargada en un campo magnético constante, según el signo de la carga eléctrica.

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2.2.2 Campo magnético creado por una carga puntual

Cuando una carga se mueve con una cierta velocidad, como se muestra en la siguiente figura, crea un campo magnético en todo el espacio.

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Dicho campo viene dado por la expresión:

⃗ =

_�

× ⃗⃗⃗⃗

Donde:

 q es la carga creadora del campo  v es la velocidad de dicha carga

 r es la distancia desde el punto donde se encuentra la carga hasta el punto P

donde se está calculando el campo

 ur es un vector unitario que va desde el punto donde se encuentra la carga

hacia el punto donde se calcula el campo

 μ0 es una constante denominada permeabilidad del espacio libre. Su valor en

el Sistema Internacional es _{= �} − _{T m/A}

La dirección y el sentido del campo ⃗ vienen dados por la regla de la mano derecha (figura 2.6), y su módulo es el módulo del producto vectorial (ecuación 2.3).

Figura 2.6 Regla de la mano derecha

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Cuando la carga q es negativa, el sentido de ⃗ es opuesto al que se muestra en

la figura. El campo magnético en la dirección del movimiento es nulo, ya que en este caso los vectores v y ur son paralelos y su producto vectorial es cero.

2.3 Ondas electromagnéticas

Fue Heinrich Hertz quien en 1887 demostró experimentalmente la existencia de estas ondas. Las telecomunicaciones tal y como se conoce hoy en día se basan en la existencia de las ondas electromagnéticas, siendo un campo electromagnético una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética puede propagarse en el vacío.

2.3.1 Espectro electromagnético

Existen multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética, la ordenación de los diversos tipos de radiación electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético. Las ondas electromagnéticas pueden manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma.

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Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la frecuencia. Existen varias formas de modelar estas perturbaciones. A continuación se introducirán los principales modelos de propagación existentes en la actualidad.

2.3.2 Modelos de propagación

Las ondas terrestres son todas las ondas electromagnéticas que viajan dentro de la atmósfera terrestre, así también, las comunicaciones entre dos o más puntos de la tierra son llamadas radiocomunicaciones. Las ondas terrestres se ven influidas por la atmósfera y por la tierra misma.

Las radiocomunicaciones terrestres se pueden propagar de distintas formas y estas formas dependen de la clase del sistema y del ambiente, las ondas terrestres tienden a viajar en línea recta, pero tanto la tierra como la atmósfera pueden alterar su trayectoria.

Existen tres formas de propagación de ondas electromagnéticas dentro de la atmósfera que corresponde a las ondas terrestres, ondas espaciales y ondas celestes o ionósfericas mostradas en la figura 2.8. Cuando las ondas viajan directamente del transmisor al emisor se le llama transmisión de línea de vista (LOS

– Line Of Sight)

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2.3.2.1 Propagación de ondas terrestres

Las ondas terrestres son las ondas que viajan por la superficie de la tierra, estas deben estar polarizadas verticalmente debido a que el campo eléctrico de una onda polarizada horizontalmente seria paralelo a la superficie de la tierra y se pondría en corto por la conductividad del suelo.

En las ondas terrestres el campo eléctrico variable induce voltajes en la superficie terrestre que hacen circular corrientes muy parecidas a las de una línea de transmisión.

La superficie terrestre también tiene perdidas por resistencia y por dieléctrico. Por consiguiente, las ondas terrestres, se atenúan a medida que se propagan haciéndolo mejor sobre una buena superficie conductora como el agua salada y son mal propagadas en superficies como desiertos. La atmósfera terrestre tiene un gradiente de densidad, es decir, la densidad disminuye en forma gradual conforme aumenta la distancia a la superficie terrestre, esto hace que el frente de onda se incline en forma progresiva hacia adelante. Así, la onda terrestre se propaga en torno a la tierra y queda cerca de su superficie pudiéndose propagar más allá del horizonte o incluso por toda la circunferencia de la tierra como se muestra en la figura 2.9.

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2.3.2.2 Propagación de Ondas espaciales

Esta clase de propagación corresponde a la energía irradiada que viaja en los kilómetros inferiores de la atmósfera terrestre. Las ondas espaciales son todas las ondas directas y reflejadas en el suelo como se muestra en la figura 2.10.

Figura 2.10 Propagación de ondas espaciales

Las ondas directas viajan esencialmente en línea recta de la antena transmisora a la receptora. Esta transmisión de llama transmisión de línea de vista, el cual se encuentra limitada principalmente por la curvatura de la tierra presentando un horizonte en la propagación de las ondas espaciales que tiende a llamarse como horizonte de radio. Este horizonte se encuentra más lejano que el horizonte óptico para la atmósfera estándar común.

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Figura 2.11 Ondas espaciales y horizonte de radio

2.4 Espectro Radioeléctrico

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Tabla 2.1. División del espectro de frecuencias.

Distribución de bandas de frecuencias

Banda

ITU Nombre en inglés Símbolos (en inglés)

Gama de frecuencias (Longitud de onda) Uso 1 Frecuencia tremendamente baja Tremendously low frequency

TLF < 3 Hz

Ruido natural provocado por el

hombre 2 Frecuencia extremadamente baja Extremely low frequency

ELF _{000- 10 000 km}3 - 30 Hz 100 Comunicación con _submarinos

3 _{Super low frequency}Súper baja frecuencia SLF 3 - 30 Hz 10 _{000- 1000 km} Radar y enlaces de _radio.

4 _{Ultra low frequency}Ultra baja frecuencia ULF 0.3 - 3KHz 1000 _–_{100 km}

Enlaces de radio, ayuda a navegación aérea, comunicaciones en minas a través de la

tierra.

5 _{Very low frequency}Muy baja frecuencia VLF 3 – 30 KHz 100 _–_{10 km}

Radio ayuda, Señales de tiempo, comunicaciones submarina, pulsos inalámbricos, geofísica

6 Baja frecuencia _frequency Low LF 30 10 – 300 KHz – 1 Km Radio AM (Onda larga), RFID y

radioafición

7 Media frecuencia _{Medium frequency} MF 300 ₁₀₀₀– 3000 KHz _–_{100 m} _{media), radioafición}Radio AM (Onda

8 Alta frecuencia _frequencyHigh HF 3 – 30 MHz 100 _–_{10 m}

RFID, radar ,comunicaciones ALE,

telefonía móvil y marina

9 _{Very high frequency}Muy alta frecuencia VHF 30 – 300 MHz 10 _–_{1 m}

FM, comunicaciones con aviones a la vista

entre tierra – avión,

avión – avión,

televisión, telefonía marítima y terrestre

10 _{Ultra-high frequency}Ultra alta frecuencia UHF 300- 3000 MHz _1m_–_{10 cm}

Comunicaciones por microondas, radioastronomía, redes

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Esta división del espectro de frecuencias fue establecida por el consejo consultivo internacional de las comunicaciones de radio (CCIR) en el año 1953. Debido a que la radiodifusión nació en los Estados Unidos de América las denominaciones de las divisiones se encuentran en inglés y de allí las abreviaturas, tal cual se conocen, adoptadas en la Convención de Radio celebrada en Atlantic City en 1947.

A su vez la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-ITU) dividió al planeta en tres regiones, en las cuales la distribución de las frecuencias para los distintos usos y servicios son similares para los países que integran una región determinada. La Región 1, está compuesta por Europa, África, el Medio Oriente, Mongolia y las Repúblicas de la ex-Unión Soviética. La Región 2 son los países de América. La Región 3 es el resto del mundo, principalmente Asia y Oceanía. Además, también existen diversas legislaciones sobre la potencia máxima en la que se puede emitir para cada una de las bandas.

11 Súper alta frecuencia Super-high

frequency SHF

3 -30 GHz 10 - 1 cm

Comunicaciones por satélite, televisión por

satélite, DBS

12 extremadamente alta Frecuencia

Extra-high frequency EHF

30 – 300 GHz 10

– 1mm

Radioastronomía, transmisión por microondas de alta

frecuencia, teledetección

13

Tera Hertz o frecuencia tremendamente alta

Tera Hertz or tremendously high

frequency

THz o THF <300 GHz <1 _mm

(39)

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Figura 2.10 División del planeta en regiones frecuenciales según la ITU-T.

2.4.1 ELF, SLF, ULF y VLF (Extremely low frequency, Super low

frequency, Ultra low frequency y Very high frequency)

Permitían enviar muy poca información y, al tener longitudes de ondas muy grandes, se necesitaban enormes antenas, por lo que este tipo de transmisiones están en desuso. Componen el espectro de la AF (audiofrecuencia) que se encuentra entre 20 y 20,000 Hz aproximadamente. Sin embargo estas se tratan de ondas de presión, como el sonido, por lo que se desplazan a la velocidad del sonido sobre un medio material. Mientas que las ondas de radiofrecuencia, al ser ondas electromagnéticas, se desplazan a la velocidad de la luz y sin necesidad de un medio material

2.4.2 LF (Low Frequency)

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a su gran longitud de onda. A pesar de ello, se intentan captar con una antena no adecuada, y los niveles registrados no son significativos. No se encuentra ninguna señal con un nivel destacable.

2.4.3 MF (Medium frequency)

En este margen frecuencial se encuentran las emisiones de radio en AM, En el primer escalón de los 300 a los 530 KHz se continua con los radio faros. En 500 KHz se encuentra la vieja frecuencia internacional de socorro para uso marítimo. En 518 KHz es la frecuencia de transmisión de boletines en teletipo marítimo, conocido como NAVTEX, éste es un método estandarizado internacionalmente de enviar información marítima a los barcos dotados con un equipamiento digital de bajo costo. Luego se tiene la conocida Banda de onda media o Broadcasting (Radiodifusión), que en la Región 2 va de los 540 a los 1600 KHz, con estaciones espaciadas (o canales) cada 10 KHz. En Europa la Banda de Broadcasting va de los 520 a los 1,620KHz, con separación entre emisoras de 9 KHz.

2.4.4 HF (High Frequency)

En esta banda se encuentra la radiotransmisión en la banda entre 3 MHz y 30 MHz es llamada radio de alta frecuencia (HF) u ondas cortas. Las bandas de frecuencia dentro del espectro de HF son asignadas por tratados internacionales para servicios específicos como móviles (aeronáutico, marítimo y terrestre), radiodifusión, radio amateur, comunicaciones espaciales y radio astronomía. La radio de HF permite comunicaciones a grandes distancias con pequeñas cantidades de potencia radiada.

(41)

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de la ionósfera terrestre. La onda aérea propaga señales a distancias de hasta 4,000 millas con una confiabilidad en la trayectoria de 90%.

2.4.5 VHF y UHF (Very High Frequency y Ultra-high frequency)

La gama de VHF es de 30MHz - 300MHz, una longitud de onda de 10m UHF" 1m, a menudo referido como Banda UHF, la gama de frecuencias es 300 MHz –

3,000MHz, una longitud de onda de 1m - 0.1m, a menudo referido como "UHF". Las dos bandas de radio se utilizan ampliamente en TV, radio FM, buscapersonas, sistema de información bursátil, las comunicaciones de microondas, radar, comunicaciones móviles (Walkie-Talkies, bomberos, ambulancias, policía, camioneros y taxis), enlaces de radio a corta distancia.

La banda de VHF para el intervalo 169MHz - 230MHz, la frecuencia 61MHz estaba ocupada. En la gama de frecuencias 61MHz se subdivide en A, B, C tres secciones, a saber: VHF (A) a 169MHz - 185MHz, VHF (B) para la 185MHz - 200MHz, VHF (C) para 200MHz.

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La banda de UHF para el intervalo 690MHz - 960MHz, la frecuencia 270MHz estaba ocupada, se puede establecer cientos de canales de micrófonos inalámbricos. Rango de frecuencia requerido se puede extender hasta para establecer el canal más radiación inalámbrica.

2.4.6 SHF (Super-high frequency)

Exclusivamente para propagación directa, la posibilidad de enlaces por reflexión o a través de satélites por medio de microondas, radares, radioenlaces terrestres de larga distancia. Tanto en UHF como SHF es dónde se encuentra la mayor diversidad de señales. Son de destacar las bandas de frecuencia reservadas para las emisiones de televisión. Mientras una señal de radio tiene una única frecuencia (audio), una señal de TV se asocia a un grupo de frecuencias, ya que se compone de varias señales: vídeo, audio, color, sincronismos, etc. Así un canal ocupa diversas frecuencias, por ejemplo el canal 2 ocupa desde 47 hasta 54 MHz. Las bandas asignadas para servicio de radiodifusión de TV son las siguientes:

VHF Banda l 47 - 68 MHz Tv Terrena

Banda ll FM 87 - 110 MHz Radio

Banda III 174 - 230 MHz Tv Terrena

UHF Banda IV 470 - 606 MHz Tv Terrena

Banda V 606 - 862 MHz Tv Terrena

Ku FSS Interior 10.7 - 11.7 GHz Tv Satélite

DBS 11.7 - 12.5 GHz Tv Satélite

FSS Superior 12.5 – 12.7 GHz Tv Satélite

Cada una de estas bandas se divide a su vez en canales que incluyen las distintas señales que forman la señal de televisión. La localización de estos canales y sus sub-portadoras es la relatada en la tabla siguiente.

(43)

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2.4.7 EHF y THF (Extra-high frequency y Tremendously high frequency)

Son frecuencias extremadamente altas, casi no se usan para radiocomunicaciones a excepción de aplicaciones muy complicadas, costosas y especializadas.

(45)

C

APÍTULO 3

(46)

33 | Página

CAPÍTULO 3 ANTENAS

3.1 Definición de antena

El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define una antena como

“aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para

radiar o recibir ondas electromagnéticas” (IEEE Std. 145-1983). Dicho de otro modo, la antena es la transición entre un medio guiado y el espacio libre.

La misión de la antena transmisora es radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas a la aplicación. Por ejemplo, en radiodifusión o comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en radiocomunicaciones fijas interesará que las antenas sean direccionales. En general, cada aplicación impondrá unos requisitos sobre la zona del espacio en la que se desee concentrar la energía. Asimismo, para poder extraer información se ha de ser capaz de captar en algún punto del espacio la onda radiada, absorber energía de esa onda y entregarla al receptor. Existen dos misiones básicas de una antena: transmitir y recibir, imponiendo cada aplicación condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar, frecuencia de trabajo y otros parámetros que se definirán posteriormente. Esta diversidad de situaciones da origen a un gran número de tipos de antenas. Toda onda se caracteriza por su frecuencia y su longitud de onda , ambas relacionadas por la velocidad de propagación en el medio.

Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda

(47)

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Donde es la velocidad de propagación de la luz en el medio ( � m/s en el espacio libre).

El conjunto de todas las frecuencias (espectro de frecuencias) se divide en bandas, cada una de las cuales presenta características peculiares que dan origen a tipologías de antenas muy diversas.

A frecuencias de microondas existe una subdivisión desde los primeros tiempos del radar, mostrada en la tabla 3.1, que es ampliamente utilizada en la actualidad.

Tabla 3.1 Denominación habitual de las bandas de frecuencias en microondas

Banda Frecuencia Longitud de Onda

L 1 – 2 GHz 30 – 15 cm

S 2 – 4 GHz 15 – 7.5 cm

C 4 – 8 GHz 7.5 – 3.75 cm

X 8 – 12.4 GHz 3.75 – 2.42 cm

Ku 12.4 – 18 GHz 2.42 – 1.66 cm

K 18 – 26.5 GHz 1.66 – 1.11 cm

Ka 26.5 – 40 GHz 11.1 – 7.5 mm

mm 40 – 300 GHz 7.5 – 1 mm

3.2 Parámetros de Antenas en Transmisión

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3.2.1 Impedancia

Habitualmente el transmisor se encuentra alejado de la antena y la conexión se hace mediante una línea de transmisión o guía de onda, que participa también en esa adaptación, debiéndose considerar su impedancia característica, su atenuación y su longitud. Tomando en cuenta que una antena es un dispositivo de un puerto y, por lo tanto, presenta una impedancia de entrada que no es más que la relación entre el voltaje y la corriente presente en el puerto de entrada. La impedancia de una antena tiene una parte real y otra imaginaria, y ambas dependen de la frecuencia. Se dice que la antena es resonante a una frecuencia si la parte imaginaria de la impedancia de entrada en es cero. Una antena presenta generalmente muchas resonancias, que se denominan “modos”.

�� = � + � �

�� = � + Ω � + � �

La impedancia de entrada tiene una parte real _� y una parte imaginaría _{� �} ; ambas dependientes de la frecuencia. Este parámetro también se ve afectado por otras antenas u objetos cercanos, pero de momento se asume que la antena se encuentra aislada.

(Resistencia de radiación): Representa la potencia o energía que la antena radia hacia el espacio libre. Se define como el valor de la resistencia que disiparía la misma potencia que la radiada por la antena.

= �

Ω : es la resistencia de pérdidas, es decir, representa las pérdidas que se producen

en la antena, en los conductores y/o dieléctricos. En la mayoría de antenas _Ω << . Sin embargo, _Ω es significativa en antenas eléctricamente pequeñas, donde las dimensiones son mucho más pequeñas que una longitud de onda.

(3.2)

(3.3)

(49)

36 | Página

Ω = �

La potencia entregada a la antena será la suma de las dos anteriores:

� = + Ω= � + Ω

��: es la parte reactiva de la impedancia de entrada. Se dice que la antena es

resonante a una frecuencia si la parte imaginaria es nula (_�_�₌ ). Una antena presenta muchas resonancias. La parte real de la impedancia de entrada ( ) representa la densidad de potencia activa que la antena radia en zonas del espacio alejadas de ésta (campo lejano). En este sentido _Ω representa la parte de potencia disipada en forma de calor. La parte imaginaria de la impedancia de entrada (_�_�) representa la densidad de potencia reactiva que se encuentra almacenada en zonas alrededor de la antena (campo cercano). La distancia a la antena para la cual las densidades de potencia activa y reactiva son iguales, para el caso de un dipolo ideal es de / �. La impedancia de entrada es un parámetro de gran trascendencia ya que condiciona el valor de voltaje que debe suministrar el generador para obtener una corriente determinada en la antena y, en consecuencia, una potencia radiada concreta:

 Si _�_� aumenta, implica el aumento de voltaje del generador para obtener una corriente apreciable.

 Si disminuye, la corriente tiene que ser muy grande para obtener una potencia radiada apreciable.

La existencia de pérdidas en la antena hace que no toda la potencia entregada por el transmisor sea radiada, por lo que se puede definir un rendimiento o eficiencia de la antena .

(3.5)

(50)

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= � ��

�� = + Ω

3.2.2 Intensidad de radiación

Una de las características fundamentales de una antena es su capacidad para radiar con una cierta direccionalidad, es decir, para concentrar la energía radiada en ciertas direcciones del espacio. Por lo tanto, será conveniente cuantificar este comportamiento con algún parámetro que permita establecer una comparación entre diferentes antenas: intensidad de radiación.

El sistema de coordenadas utilizado habitualmente en antenas es el esférico. Para

especificar una dirección del espacio se utilizan los dos ángulos θ, φ. En este

sistema de coordenadas (Fig. 3.1) se definen los vectores unitarios que forman una base ortogonal. La orientación de los vectores se determina mediante la intersección

de una esfera de radio r, un cono de ángulo θ y un semiplano que pasa por el eje z.

La onda electromagnética radiada se compone de un campo eléctrico y uno magnético; ambos son magnitudes vectoriales y están ligados por las ecuaciones de Maxwell.

Figura 3.1 Sistema de coordenadas esférico

(51)

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La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección; sus unidades son watts por estereorradián y a grandes distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se encuentre la antena. La relación entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada es:

, � = � , �

Y la potencia total radiada también se puede calcular integrando la intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio

= ∬ _� , � Ω

Al ser el diferencial de ángulo sólido en coordenadas esféricas

Ω = = sin �

3.2.3 Diagrama de radiación

Un diagrama de radiación es una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena en función de las diferentes direcciones del espacio (sistema de coordenadas esférico) a una distancia fija.

Como el campo magnético se deriva directamente del campo eléctrico, la representación podría realizarse a partir de cualquiera de los dos, siendo norma habitual que los diagramas se refieran al campo eléctrico.

(3.8)

(3.9)

(52)

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Figura 3.2 Diagrama de Radiación 3D, plano E

En antenas linealmente polarizadas se definen los planos E y H:

 Plano E: formado por la dirección de máxima radiación y el campo eléctrico en esta dirección.

 Plano H: formado por la dirección de máxima radiación y el campo magnético en esta dirección.

El diagrama de radiación de una antena suele representarse mediante cortes

extraídos del diagrama tridimensional para una φ constante y/o una θ constante

(53)

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Figura 3.4 Diagrama de radiación en coordenadas cartesianas y polares.

Una antena direccional tiene la propiedad de radiar o recibir ondas electromagnéticas de manera más eficiente en unas direcciones que en otras. Si un diagrama de radiación presenta simetría de revolución en torno a un eje, se dice que la antena es omnidireccional: toda la información contenida en el diagrama tridimensional puede representarse en un único corte que contenga el eje.

(54)

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3.2.4 Directividad

En la versión de 1983 de IEEE definiciones de estándares de antenas, tuvo un

cambio sustancial en la definición de directividad comparada con la versión de 1973. Acordando los autores las nuevas normas en 1983, "este cambio trae esta norma de acuerdo con el uso común entre los ingenieros de antenas y con otras normas internacionales, en particular los de la Comisión Elect_{rotécnica Internacional (IEC)”.} Por lo tanto la directividad de una antena se define como "la relación de la intensidad de la radiación en una dirección dada de la antena, a la intensidad de la radiación media de todas las direcciones. La intensidad media de radiación es igual a la potencia total radiada por la antena dividida por 4π. Si la dirección no se especifica, la dirección de máxima intensidad de radiación está implícita”. Dicho más simplemente, la directividad de una fuente no isotrópica es igual a la relación de su intensidad de radiación en una dirección dada sobre la de una fuente isotrópica, usando la forma matemática se puede escribir como:

= = �

�

Si la dirección no es especificada, implica que la dirección de máxima intensidad de radiación se expresa como:

�� = = �� = � ��

�

Donde:

= Directividad _�� = Intensidad de radiación máxima = Directividad máxima = Intensidad de radiación de la fuente isotrópica

= Intensidad de radiación _� = Potencia radiada total

(3.11)

(55)

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Figura 3.6 Directividad

3.2.5 Polarización

La polarización de una onda radiada es definida como la propiedad de una onda electromagnética que describe la dirección respecto a una variación de tiempo y la magnitud relativa del vector del campo eléctrico; específicamente, la figura trazada como una función de tiempo por la extremidad del vector en una localización fija en el espacio, y en el sentido en el que se traza, como se observa a lo largo de la dirección de propagación. Polarización en otras palabras, es la curva trazada por el punto final del vector representando el campo eléctrico instantáneo, es importante tomar en cuenta que el campo se debe observar a lo largo de la dirección de propagación. Para ilustrarlo de mejor manera en la figura 3.7 se muestra un trazo típico de una onda en función del tiempo.

(56)

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

Figura 3.7 Rotación de la onda

La polarización de una onda puede estar definida en términos de una onda radiada (transmitida) o recibida por una antena en una dirección dada. La polarización de una onda radiada por una antena en una específica dirección en un punto en el campo lejano es definida como la polarización de la onda plana (local) que se utiliza para representar la onda radiada en ese punto.

La polarización puede estar clasificada como lineal, circular o elíptica. Si el vector que describe el campo eléctrico en un punto en el espacio como una función de tiempo siempre se direcciona a lo largo de una línea, el campo se dice que esta

(57)

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polarizado linealmente. En general, sin embargo, la figura que traza el campo eléctrico en un elipse, el campo se dice que esta polarizado elípticamente (figura 3.8). La polarización lineal y circular son casos especiales del elíptico y pueden ser obtenidos cuando la elipse se convierte en una línea recta o un círculo, respectivamente.

El sentido de giro del campo eléctrico, tanto en las ondas circularmente polarizadas como en las elípticas, se dice que es a la derecha si sigue el convenio de avance en la dirección de propagación, o bien si al alejarse la onda de un observador, éste ve rotar el campo en el sentido de las agujas de un reloj, y a la izquierda si es el sentido contrario.

En general, las características de polarización de una antena puede estar representada por el patrón de radiación quien es definida a continuación.

3.2.6 Patrón de radiación

Un patrón de radiación en una antena es definida como una función matemática o una representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena como una función de coordenadas en el espacio, en muchos casos, el patrón de radiación es determinado en la región del campo lejano y es representado como una función de las coordenadas direccionales. Las propiedades de radiación incluyen la densidad de flujo de potencia, intensidad de radiación, intensidad de campo, directividad y fase o polarización. Un conjunto de coordenadas se muestra en la Figura 3.9, un rastro de campo eléctrico recibido (magnético) a un radio constante se llama el patrón de campo de amplitud.

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a) Patrón de campo (en escala lineal) representa típicamente una gráfica de magnitud de campo eléctrico o magnético como una función del espacio angular.

b) Patrón de energía (en escala lineal) representa típicamente una gráfica del cuadrado de la magnitud del campo eléctrico o magnético como una función del espacio angular.

c) Patrón de potencia (en dB) representa la magnitud del campo eléctrico o magnético, en decibeles como una función del espacio angular.

(59)

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Figura 3.10 patrón de campo en escala lineal Figura3.11 Patrón de energía en escala lineal

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3.3 Antenas comerciales

3.3.1 Antena Parabólica

La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico. Su nombre proviene de la similitud a la parábola generada al cortar un cono recto con un plano paralelo a la directriz. Las antenas parabólicas pueden ser usadas como antenas transmisoras o como antenas receptoras.

En las antenas parabólicas transmisoras el reflector parabólico refleja la onda electromagnética generada por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del reflector parabólico, y los frentes de ondas que genera salen de este reflector en forma más coherente que otro tipo de antenas, mientras que en las antenas receptoras el reflector parabólico concentra la onda incidente en su foco donde también se encuentra un detector. Normalmente estas antenas en redes de microondas operan en forma full-dúplex, es decir, trasmiten y reciben simultáneamente.

Las antenas basadas en reflectores parabólicos son el tipo más común de antenas directivas cuando se requiere una gran ganancia. La ventaja principal es que pueden construirse para tener una ganancia y una directividad tan grande como sea requerido. La desventaja principal es que los platos grandes son difíciles de montar y están predispuestos a sufrir los efectos del viento.

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3.3.1.1 Antena parabólica de foco primario

La superficie de la antena es un paraboloide de revolución, y el fabricante la calcula y fabrica para tener un rendimiento alto, el mayor posible. Su forma aparece en la figura 3.12.

Todas las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar al foco. El foco está centrado en el paraboloide. Este tipo de antena tiene un rendimiento máximo del 60%. Suelen ser de tamaño grande, (1.5m de diámetro).

Figura 3.12 Antena parabólica de foco primario

3.3.1.2 Antena parabólica offset

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proporcionando un mayor rendimiento en donde llega a ser de un 70% más eficiente que otras antenas.

Las ondas que llegan a la antena, se reflejan, algunas se dirigen al foco, y el resto se pierde.

Figura 3.13 Antena parabólica tipo offset

3.3.1.3 Antena parabólica cassegrain

Es similar a la de foco primario, tiene dos reflectores; el mayor apunta al lugar de recepción, y las ondas al chocar, se reflejan y van al foco donde está el reflector menor; al chocar las ondas van al foco último, donde estará colocado el detector.

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3.4 Antenas Yagi

Aunque utilizadas habitualmente como antenas receptoras, las antenas Yagi son también una opción muy válida para radiodifusión. En tal caso, se escogen con diagramas de radiación de gran ancho de haz y se colocan en configuraciones en array para configurar la zona de cobertura. El elemento excitado o activo de una Yagi es el equivalente a una antena dipolo de media onda con alimentación central. En paralelo al elemento activo, y a una distancia que va de 0.2 a 0.5 longitudes de onda en cada lado, hay varillas rectas o alambres llamados reflectores y directores, o simplemente elementos pasivos. La antena propaga la energía del campo electromagnético en la dirección que va desde el elemento activo hacia los directores, y es más sensible a la energía electromagnética entrante en esta misma dirección. Sus ganancias son más elevadas, pudiendo llegar a los 15 dB o

superiores, especialmente si se utilizan reflectores. Su ganancia depende fundamentalmente del número de elementos (dipolos). Se emplean habitualmente con polarización vertical u horizontal, aunque también existe la posibilidad de emplear configuraciones de Yagis cruzadas con el fin de conseguir polarización circular, en este último caso con aplicación en emisiones de radio FM.

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3.5 Paneles

Se trata de una antena utilizada habitualmente para la radiodifusión de señales de TV, tanto VHF como UHF, colocándose en configuraciones en array. Se caracterizan por tener ganancias superiores a los 10 dB y su polarización puede ser horizontal o vertical.

Admiten potencias elevadas de unos 2.5 kW. Su construcción se basa en un plano metálico sobre el que se disponen diversos dipolos que conforman finalmente el diagrama de radiación deseado. Todo ello se oculta en el interior de un radomo de protección, fabricado en fibra de vidrio, y que es lo que se observa desde el exterior. Su diagrama de radiación no es omnidireccional, aunque colocando varios de ellos en torno a un mástil se puede obtener un diagrama de radiación relativamente omnidireccional (por ejemplo, agrupando cuatro paneles de 90º de ancho de haz).

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3.6 Antenas tipo parche ó microstrip

Las antenas tipo parche tambien son conocidas como microstrip ya que se basan en dicha tecnologia. Su uso tiene un gran auge para aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante, por ejemplo: aeronautica, aviación, satelites, aplicaciones en misiles, dispositivos moviles, comunicaciones inalambricas en general, y para frecuencias elevadas generalmente en los rangos de microondas y ondas milimetricas

Algunas ventajas que este tipo de antenas pueden ofrecer son: tendencia a la miniaturizacion al lograr dispositivos cada vez mas pequeños y con componentes livianos, faciles de integrar tanto a superficies planas como no planas, sencillas, de facil producción en masa (por los que los costos pueden ser muy reducidos), faciles de adaptar en circuitos integrados en microondas, versatiles en terminos de impedancia, patron, polarización y frecuencia de resonancia.

Entre las principales desventajas de este tipo de antenas se puede nombrar: baja potencia de radiación ( por su estructura no se pueden soportar altas potencias en los componentes de una antena microstrip), baja eficiencia, ancho de banda angosto, considerables perdidas y son facilmente afectadas por el factor termico.

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3.7 Antenas Wi-fi

La norma IEEE 802.11 (ISO/CEI 8802-11) es un estándar internacional que describe las características de una red de área local inalámbrica (WLAN). Wi-Fi (contracción de Wireless Fidelity, en español Fidelidad inalámbrica) es el nombre dado inicialmente a esta certificación por la WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), el organismo encargado de certificar que los equipos cumplan la norma 802.11.

Gracias aWi-Fies posible crear redes de área local inalámbricas de banda ancha. De este modo Wi-Fi permite que se comuniquen PC portátiles, equipos de escritorio, asistentes personales (PDA) e incluso periféricos con una conexión de banda ancha (11 Mbit/s) dentro de un radio de varias decenas de metros al interior (generalmente entre 20 y 50 metros). Al aire libre el alcance puede ser de varias centenas de metros y en condiciones óptimas varias decenas de kilómetros, a continuación se mencionaran antenas Wireless más comunes y se agruparan en tres grupos.

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3.7.1 Antenas Direccionales

Orientan la señal en una dirección muy determinada con un haz estrecho pero de largo alcance, actúa de forma parecida a un foco de luz que emite un haz concreto y estrecho pero de forma intensa (más alcance). Generalmente el haz o apertura y el alcance son inversamente proporcionales, es decir, a mayor apertura menos alcance y a menor apertura más alcance. Dentro de las antenas direccionales se pueden distinguir varios tipos. De menor a mayor apertura serían: Parabólicas (disco

o rejilla), yagis (pronunciese “yaguis”) y planares o paneles.

El alcance de una antena direccional viene determinado por una combinación de los dBi de ganancia de la antena, la potencia de emisión del punto de acceso emisor y la sensibilidad de recepción del punto de acceso receptor.

Figura 3.19 Antena Direccional Wireless.

3.7.2 Antenas Omnidireccionales

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Las antenas Omnidireccionales “envían” la información teóricamente a los 360

grados por lo que es posible establecer comunicación independientemente del punto en el que se esté. Una de las desventajas es el alcance de estas antenas, ya que es menor que el de las antenas direccionales.

Figura 3.20 Antena omnidireccional Wireless.

3.7.3 Antenas Sectoriales

Son la mezcla de las antenas direccionales y las omnidireccionales. Las antenas sectoriales emiten un haz más amplio que una direccional pero no tan amplio como una omnidireccional. De igual modo, su alcance es mayor que una omnidireccional y menor que una direccional. Para tener una cobertura de 360º (como una antena omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) se deben instalar, tres antenas sectoriales de 120º o 4 antenas sectoriales de 80º. Este sistema de

360º con sectoriales se denomina “Array”. Las antenas sectoriales suelen ser más

costosas que las antenas direccionales u omnidireccionales.

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C

APÍTULO 4

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CAPÍTULO 4 SISTEMA DE COSECHA DE ENERGÍA

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Se sabe que en la naturaleza se encuentra una gran diversidad de formas de energía como lo es la solar, eólica, térmica, cinética e incluso las ondas de radio que se propagan en el espacio como se aprecia en la figura 4.1 Sin embargo, la energía de esas fuentes se encuentra en cantidades muy pequeñas que no son capaces de suministrar la potencia adecuada para los diferentes propósitos. Hasta hace poco no era posible almacenar esa energía para poder desarrollar un trabajo útil.

Figura 4.1 Tipos de energía que se pueden utilizar para la cosecha de energía