LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

IPET Nº 49 Telecomunicaciones I Unidad 3 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Introducción

En las comunicaciones, las líneas de transmisión llevan señales telefónicas, datos de

computadoras en LAN, señales de televisión en sistemas de Televisión por cable y señales de un transmisor a una antena o de una antena a un receptor. Las líneas de transmisión son enlaces importantes en cualquier sistema. Son más que tramos de alambre o cable. Sus características eléctricas son sobresalientes, y se deben igualar a las del equipo para obtener comunicaciones adecuadas.

Las líneas de transmisión también son circuitos. En frecuencias muy altas donde las longitudes de onda son cortas, las líneas de transmisión actúan como circuitos resonantes y aun como componentes reactivos en VHF, UHF y frecuencias de microondas, la mayor parte de los circuitos sintonizados y filtros se realizan con líneas de transmisión.

Fundamentos de las Líneas de Transmisión

Hay dos requerimientos principales en una línea de transmisión: 1) la líneas deberá introducir la mínima atenuación y distorsión a la señal y 2) la línea no deberá radiar señal alguna como energía radiada. Todas las líneas de transmisión y sus conectores se diseñan con estos requerimientos.

TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Líneas de transmisión Bifilares

Líneas de transmisión de conductores paralelos. Es una línea de transmisión de cable abierto y se muestra en la figura.

Consiste simplemente de dos cables paralelos, espaciados muy cerca y solo separados por aire. Los espaciadores no conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y mantener se a la distancia, entre la constante de los conductores. La distancia entre los dos conductores generalmente está entre 5 y 15 cm.

El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededor de los dos conductores en donde se propaga la onda electro magnética. La única ventaja real de este tipo de línea de transmisión es su construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las pérdidas por radiación son altas y es susceptible a recoger ruido.

Estas son las desventajas principales de una línea de transmisión de cable abierto. Por lo tanto, las líneas de transmisión de cable abierto normalmente operan en el modo balanceado.

Cable Cinta. Los cables de cinta son otra forma de línea de transmisión para un conductor paralelo de dos cables, separados por una cinta de polietileno y se muestra en la figura. Los cables de cintas frecuentemente son utilizados en TV.

Los cables de cinta esencialmente son igual que una línea de transmisión de cable abierto, excepto que los espaciadores que están entre los dos conductores se

reemplazan con un dieléctrico sólido

continuo. Esto asegura los espacios uniformes a lo largo de todo el cable, que es una

característica deseable. Típicamente, la distancia entre los dos conductores es de 8 mm, para el cable de transmisión de televisión. Los materiales dieléctricos más comunes son el teflón y el polietileno.

Líneas de par trenzado. Una línea de par trenzado consiste en cables formados por hilos de cobre recubiertos de plata y rodeados por un aislador. Los cables se trenzan de a

Cable UTP Cable STP

pares para disminuir la interferencia, y cada par forma un circuito que puede transmitir datos.

La línea consiste en un grupo de uno o más pares.

Esta línea se conoce como UTP (unshielded twisted pair) y es el tipo más común de línea usada en redes de computadoras. Para un mayor rechazo a interferencia (en particular el rechazo a modo común y la diafonía entre líneas) se rodean los pares con una pantalla metálica, esta línea se conoce como STP (shielded twisted pair). Tanto UTPs como STPs se usan en instrumentación electrónica, aviones y otras aplicaciones críticas de transmisión de datos.

De acuerdo a las características y calidad constructivas las líneas de par trenzado la ANSI/EIA (American National Standards Institute/Electronic Industries Association) las clasifica en las siguientes categorías:

Categoría Máxima velocidad de datos

Aplicación usual CAT 1 Hasta 1 Mbps Voz análoga (telefonía

tradicional) Portero eléctrico

CAT 2 Hasta 4 Mbps Sistema de cableado de IBM para redes Token Ring CAT 3 Hasta 16 Mbps Transmisión de voz y datos sobre Ethernet 10BASE-T

Es el tipo de cable más común en instalaciones corporativas antiguas

y contiene cuatro pares de cables CAT 4 Hasta 20 Mbps Solamente en Token Ring de 16

Mbps. Cuatro pares de cables

CAT 5 Hasta 100 Mbps Transmisión de voz y datos sobre Ethernet 10BASE-T, 100BASE-T4 y 100BASE-TX.

Es el tipo de cable más común en instalaciones nuevas y contiene cuatro pares de cables

Está en proceso de testeo para la especificación Gigabit Ethernet para distancias cortas (para distancias largas debe usarse fibra óptica).

Par de cables protegido con armadura.

Para reducir las pérdidas por radiación e interferencia,

frecuentemente se encierran las líneas de transmisión de dos cables paralelos en una malla metálica conductiva. La malla se conecta a tierra y actúa como una protección. La malla

también evita que las señales se difundan más allá de sus límites y evita que la interferencia electromagnética llegue a los conductores de señales.

En la figura Se muestra un par de cables paralelos protegido. Consiste de dos conductores de cable paralelos separados por un material dieléctrico sólido. Toda la estructura está encerrada en un tubo trenzado conductivo y luego cubierto con una capa protectora de plástico.

Líneas de transmisión coaxial o concéntrica

Las líneas de transmisión de conductores paralelos son apropiadas para las aplicaciones de baja frecuencia. Sin embargo, en las frecuencias altas, sus pérdidas por radiación y pérdidas dieléctricas, así como su susceptibilidad a la interferencia externa son excesivas. Por lo tanto, los conductores coaxiales se utilizan extensamente, para aplicaciones de alta frecuencia, para reducir las pérdidas y para aislar las trayectorias de transmisión.

El cable coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un conductor exterior concéntrico (distancia uniforme del centro). A frecuencias de operación

relativamente altas, el conductor coaxial externo proporciona una excelente protección contra la interferencia externa. Además, el conductor externo de un cable coaxial

generalmente está unido a tierra, lo que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas.

Esencialmente, hay dos tipos de cables coaxiales: líneas rígidas llenas de aire y líneas sólidas flexibles, en el que el material aislante es un material de polietileno sólido no conductivo que proporciona soporte, así como aislamiento eléctrico entre el conductor interno y el externo. El conductor interno es un cable de cobre flexible que puede ser sólido o hueco.

Los cables coaxiales rígidos llenos de aire son relativamente caros de fabricar, y el aislante de aire tiene que estar relativamente libre de humedad para minimizar las pérdidas.

Los cables coaxiales sólidos tienen pérdidas mayores pero, son más fáciles de construir, de instalar, y de dar mantenimiento. Ambos tipos de cables coaxiales son relativamente inmunes a la radiación externa, ellos en si irradian muy poco, y pueden operar a

frecuencias más altas que sus contrapartes de cables paralelos. Las desventajas básicas de las líneas de transmisión coaxial es que son caras y tienen que utilizarse en el modo desbalanceado.

Balunes.

Un dispositivo que se utiliza para conectar una línea de transmisión balanceada a una carga desbalanceada se llama balun (balanceado a desbalanceado), o más comúnmente, una línea de transmisión

desbalanceada, como un cable coaxial, se pueda conectar a una carga balanceada, como una antena, utilizando un transformador especial con un primario desbalanceado y un bobinado secundario con conexión central.

El conductor externo (protector) de una línea de transmisión coaxial desbalanceada generalmente se conecta a tierra.

DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN

•

• Son circuitos que en frecuencias muy altas donde las longitudes de onda son cortas, estas actúan como circuitos resonantes y aun como componentes reactivos en VHF, UHF y frecuencias de microondas.

Definición de los parámetros del circuito

L R

i i v v

C G

z

R.- Resistencia total en Serie de la línea por unidad de longitud, incluyendo ambos conductores. Unidades: Ohms/metro.

L.- Inductancia total en Serie de la línea por unidad de longitud, incluyendo la inductancia debida al flujo magnético interno y externo a los conductores de la línea. Henrios/metro. G.- Conductancia en paralelo de la línea por unidad de longitud. Es una representación de las pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la tensión entre los conductores o al cuadrado del campo eléctrico en el medio. Generalmente G representa una pérdida interna molecular de los materiales aislantes dieléctricos. Siemens/metro.

C.- Capacidad en paralelo de la línea por unidad de longitud. Faradios/metro.

Nota.- Los símbolos definidos tienen diferentes significados y dimensiones que los empleados en el análisis de circuitos eléctricos. En el caso de las líneas de transmisión, tratadas como redes de dos puertos con longitudes no despreciables, dichos símbolos representan

resistencia, inductancia, etc, por unidad de longitud.

Las corrientes en la línea están acompañadas de un campo magnético. La inductancia

distribuida de la línea es una medida de la energía almacenada en este campo magnético en una unidad de longitud de línea y por unidad de corriente.

resistencia distribuida de la línea es una medida de la pérdida de potencia en la unidad de longitud de la línea y por unidad de corriente.

La diferencia de potencial de la línea está asociada a un campo eléctrico. La capacitancia distribuida es una medida de la energía almacenada en este campo, en la unidad de longitud de la línea por unidad de diferencia de potencial.

Existe pérdida de potencia en el espacio entre los conductores. La conductancia distribuida de la línea es una medida de esta pérdida, en la unidad de longitud de la línea por unidad de tensión.

La existencia de coeficientes de circuito distribuido en paralelo sugiere la posibilidad de que las corrientes del conductor pueden ser diferentes en distintas secciones transversales de la línea. Corrientes de conducción o corrientes de desplazamiento fluirán entre los conductores en función de la tensión entre ellos o de su tasa de cambio con el tiempo, respectivamente. Las corrientes en la línea en dos secciones transversales separadas, difieren en una cantidad de corriente transversal en la parte de línea tratada.

Características de las Líneas de Transmisión

Las características de una línea de transmisión se llaman constantes secundarias y se

determinan con las cuatro constantes primarias. Las constantes secundarias son impedancia característica y constante de propagación.

Impedancia característica.

Para una máxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea, sin energía reflejada), una línea de transmisión debe terminarse en una carga puramente resistiva igual a la impedancia característica de la línea.

La impedancia característica (Z0) de una línea de transmisión es una cantidad compleja que se expresa en ohms, que idealmente es independiente de la longitud de la línea, y que no puede medirse. La impedancia característica (que es igual a la resistencia de la carga) se define como la impedancia que se ve desde una línea infinitamente larga o la impedancia que se ve desde el largo finito de una línea que se termina en una carga totalmente resistiva igual a la

impedancia característica de la línea. Una línea de transmisión almacena energía en su inductancia y capacitancia distribuida. Si la línea es infinitamente larga, puede almacenar energía indefinidamente; está entrando energía a la línea desde la fuente y ninguna regresa. Por lo tanto, la línea actúa como un resistor que disipa toda la energía.

Se puede simular línea infinita si se termina una línea finita, con una carga puramente resistiva igual a Zo toda la energía que entra a la línea desde la fuente se disipa en la carga (esto

supone una línea totalmente sin pérdidas). Cálculo de la Impedancia Característica (Z0)

Nota. Las formulas siguientes llevan todo un proceso que no describiré, me limitare solo a su forma general y simplificación. Solo manejare fórmulas para altas frecuencias, ya que lo considero más práctico y comprensible.

Para frecuencias extremadamente altas, la inductancia y la capacitancia dominan

Puede verse de la ecuación anterior que para frecuencias altas, la impedancia característica en una línea de transmisión se acerca a una constante, que es independiente de la frecuencia y

longitud, y se determina solo por la inductancia y capacitancia. También puede verse que el ángulo de fase es 0°. Por lo tanto, Z0, es totalmente resistiva y toda la energía incidente se absorberá en la línea.

Desde un enfoque puramente resistivo, puede deducirse fácilmente que la impedancia vista desde la línea de transmisión, hecha de un número infinito de secciones se acerca a la impedancia característica.

Formulas Prácticas

Para calcular la Zo de una línea de transmisión de conductores paralelos utilizamos la formula: Zo= 276 * Log 2s

√ εr d

Donde:

s = Separación de los conductores d = Diámetro de los conductores εr = constante dieléctrica

Para calcular la Zo de una línea de transmisión coaxil utilizamos la siguiente formula: Zo = 138 * Log (D / d)

√ εr

Donde: d = Diámetro del conductor central D = Diámetro de la malla externa

εr = constante dieléctrica

Para calcular la Zo de un solo conductor cerca de tierra utilizamos la siguiente formula: Zo = 138 * Log (4h/d)

√ εr

Donde: d = Diámetro del conductor central

h = Distancia del conductor a tierra εr = constante dieléctrica

Constante de Propagación.

La constante de propagación (a veces llamada el coeficiente de propagación) se utiliza para expresar la atenuación (pérdida de la señal) y el desplazamiento de fase por unidad de longitud de una línea de transmisión. Conforme se propaga una onda, a lo largo de la línea de transmisión, su amplitud se reduce con la distancia viajada. La constante de propagación se utiliza para determinar la reducción en voltaje o corriente en la distancia conforme una onda electromagnética se propaga a lo largo de la línea de transmisión.

Para una línea infinitamente larga, toda la potencia incidente se disipa en la resistencia del cable, conforme la onda se propague a lo largo de la línea. Por lo tanto, con una línea

infinitamente larga o una línea que se ve como infinitamente larga, como lo es una línea finita que termina en un carga acoplada (Z = ZL), no se refleja ni regresa energía nuevamente a la fuente. Matemáticamente, la constante de propagación es:

γ = α + jβ

Coeficiente de Atenuación Coeficiente de desplazamiento de fase

(nepers por metro) (radianes por metro)

(Neper = dB, pero con log neperianos – base e)

La constante de propagación es una cantidad compleja definida por

Donde:

jωL = XL ; jωC = 1/XC ; G = 1/R

Ya que un desplazamiento de fase de 2 radianes ocurre sobre una distancia de una longitud de onda

A frecuencias de radio e intermedias ωL > R y ωC > G por lo tanto

Factor de velocidad

Una consideración importante en aplicaciones de líneas de transmisión es que la velocidad de la señal en la línea de transmisión es más lenta que la velocidad de una señal en el espacio libre. La velocidad de propagación de una señal en un cable es menor que la velocidad de propagación de la luz en el espacio libre, por una fracción llamada factor de velocidad.

La velocidad a la que viaja una onda electromagnética, en una línea de transmisión, depende de la constante dieléctrica del material aislante que separa los dos conductores. El factor de velocidad se puede obtener, aproximadamente, con la formula

en donde: Er es la constante dieléctrica de un material determinado (permeabilidad del material relativo a la permeabilidad del vacío, la relación ε/εr).

La constante dieléctrica es simplemente la permeabilidad relativa del material. La constante dieléctrica relativa del aire es 1.06. Sin embargo, la constante dieléctrica de los materiales comúnmente utilizados en las líneas de transmisión varían de 1.2 a 2.8, dando factores de velocidad desde 0.6 a 0.9. Los factores de velocidad de varios materiales comunes para líneas de transmisión se indican en la tabla siguiente.

Factores de velocidad y constantes dieléctricas para diversos materiales Material Vf en % εr Aire 0,95- 0,975 1,06 Hule 0,56- 0,65 2,77 Polietileno 0,66 2,29 Espuma de Polietileno 0,80 1,56 Teflón 0,70 2,04 Espuma de Teflón 0,82 1,48 Pins de Teflón 0,81 1,52 Espiral de Teflón 0,81 1,52

La constante dieléctrica depende del tipo de material que se utilice. Los inductores almacenan energía magnética y los capacitores almacenan energía eléctrica. Se necesita una cantidad finita de tiempo para que un inductor o capacitor tome o dé energía. Por lo tanto, la velocidad a la cual una onda electromagnética se propaga a lo largo de una línea de transmisión varia con la inductancia y la capacitancia del cable. Por lo tanto, la inductancia, la capacitancia, y la velocidad de propagación están relacionadas matemáticamente por la formula.

Velocidad * tiempo = distancia Donde:

Substituyendo el tiempo da

Si la distancia se normaliza a 1m, la velocidad de propagación para una línea sin perdidas es:

Longitud Eléctrica de una Línea de Transmisión

La longitud de una línea de transmisión relativa a la longitud de onda que se propaga hacia abajo es una consideración importante, cuando se analiza el comportamiento de una línea de transmisión. A frecuencias bajas (longitudes de onda grandes), el voltaje a lo largo de la línea

permanece relativamente constante. Sin embargo, para frecuencias altas varias longitudes de onda de la señal pueden estar presentes en la línea al mismo tiempo Por lo tanto, el voltaje a lo largo de la línea puede variar de manera apreciable. En consecuencia, la longitud de una línea de transmisión frecuentemente se da en longitudes de onda, en lugar de dimensiones lineales. Los fenómenos de las líneas de transmisión se aplican a las líneas largas. Generalmente, una línea de transmisión se define como larga si su longitud excede una dieciseisava parte de una longitud de onda; de no ser así, se considera corta. Una longitud determinada, de línea de transmisión, puede aparecer corta en una frecuencia y larga en otra frecuencia.

Por ejemplo, un tramo de 10 m de línea de transmisión a 1000 Hz es corta = 300,000 m; 10 m es solamente una pequeña fracción de una longitud de onda). Sin embargo, la misma línea en 6 GHz es larga (A = 5cm; la línea es de 200 longitudes de onda de longitud).

Pérdidas en la Línea de Transmisión

Para propósitos de análisis se consideran las líneas sin perdidas o ideales, como todo en la electrónica se considera ideal, pero no lo son. En las líneas existen ciertos tipos de pérdidas a continuación haré una breve descripción de ellas.

Pérdida del Conductor: Como todos los materiales conductores tienen cierta resistencia finita, hay una pérdida de potencia inherente e inevitable en esta resistencia.

Pérdida por Radiación: Si la separación, entre los conductores en una línea de transmisión, es una fracción apreciable de una longitud de onda, los campos electrostáticos y

electromagnéticos que rodean al conductor hacen que la línea actúe como antena y transfiera energía a cualquier material conductor cercano.

Pérdida por Calentamiento Dieléctrico: Una diferencia de potencial, entre dos conductores de una línea de transmisión causa la pérdida por calentamiento del dieléctrico. El calor es una forma de energía y tiene que tomarse de la energía que se propaga a lo largo de la línea. Para líneas dieléctricas de aire, la pérdida de calor es despreciable. Sin embargo, para líneas sólidas, se incrementa la pérdida por calentamiento del dieléctrico con la frecuencia.

Pérdida por Acoplamiento: La pérdida por acoplamiento ocurre cada vez que una conexión se hace de o hacia una línea de transmisión o cuando se conectan dos partes separadas de una línea de transmisión. Las conexiones mecánicas son discontinuas (lugares donde se

encuentran materiales diferentes). Las discontinuidades tienden a calentarse, a radiar energía, y a disipar potencia.

Pérdida por efecto Corona: La corona es una descarga luminosa que ocurre entre los dos conductores de una línea de transmisión, cuando la diferencia de potencial, entre ellos, excede el voltaje de ruptura del aislante dieléctrico. Generalmente, una vez que ocurre una chispa, se puede destruir la línea de transmisión.

ideal

v(z)

real

Ondas Incidentes y Reflejadas

Una línea de transmisión ordinaria es bidireccional; la potencia puede propagarse, igualmente bien, en ambas direcciones. El voltaje que se propaga, desde la fuente hacia la carga, se llama voltaje incidente, y el voltaje que se propaga, desde la carga hacia la fuente se llama voltaje

reflejado. En forma similar, hay corrientes incidentes y reflejadas. En consecuencia, la potencia incidente se propaga hacia la carga y la potencia reflejada se propaga hacia la fuente.

El voltaje y la corriente incidentes, siempre están en fase para una impedancia

característica resistiva. Para una línea

infinitamente larga, toda la potencia incidente se almacena por la línea y no hay potencia reflejada. Además, si la línea se termina en una carga totalmente resistiva, igual a la impedancia característica de la línea, la carga absorbe toda la potencia incidente (esto supone una línea sin pérdidas). Para una definición más práctica, la potencia reflejada es la porción de la potencia incidente que no fue absorbida por la carga. Por lo tanto, la potencia reflejada nunca puede exceder la potencia incidente.

Líneas resonantes y no resonantes

Una línea sin potencia reflejada se llama línea no resonante o plana. En una línea plana, el voltaje y la corriente son constantes, a través de su longitud, suponiendo que no hay pérdidas. Cuando la carga es un cortocircuito o circuito abierto, toda la potencia incidente se refleja nuevamente hacia la fuente.

Si la fuente se reemplazara con un circuito abierto o cortocircuito y la línea no tuviera pérdidas, la energía que está presente en la línea se reflejaría de un lado a otro (oscilaría), entre las terminaciones de la carga y la fuente, en forma similar a la potencia en un circuito tanque. Esto se llama línea resonante. En una línea resonante, la energía se transfiere en forma alternada entre los campos magnéticos y eléctricos de la inductancia y la capacitancia distribuidas. La figura 14 muestra una fuente, una línea de transmisión, y una carga con sus ondas incidentes y reflejadas correspondientes.

Coeficiente de Reflexión

El coeficiente de reflexión, es una cantidad vectorial que representa a la relación del voltaje reflejado al voltaje incidente o corriente reflejada a la corriente incidente. Matemáticamente, el coeficiente de reflexión es Г, (gamma), definido por:

o también:

La relación de onda estacionaria (ROE), se define como la relación del voltaje máximo con el voltaje mínimo, o de la corriente máxima con la corriente mínima de una onda. A ello también se llama relación de voltajes de onda estacionaria. (SWR).

En esencia es una medida de la falta de adaptación entre la impedancia de carga y la impedancia característica de la línea de transmisión.

La ecuación correspondiente es:

1

1

SWR

SWR

−

Γ =

+

max

min

V

SWR

V

=

Los máximos de voltaje (Vmax) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas están en fase (es decir, sus máximos pasan por el mismo punto de la línea, con la misma polaridad) y los mínimos de voltaje(Vmin) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas están desfasadas 180º. La ecuación queda:

ROE=

Ondas estacionarias en una línea abierta

Cuando las ondas incidentes de voltaje y corriente alcanzan una terminación abierta, nada de la potencia se absorbe; toda se refleja nuevamente a la fuente. La onda de voltaje incidente se refleja exactamente, de la misma manera, como si fuera a continuar a lo largo de una línea infinitamente larga. Sin embargo. La corriente incidente se refleja 180° invertida de como habría continuado si

la línea no estuviera abierta. Conforme pasen las ondas incidentes y

reflejadas, las ondas estacionarias se producen en la línea. La figura muestra las

max

min

E

E

V

SWR

V

E

E

+

=

=

−

ondas estacionarias de voltaje y de corriente, en una línea de transmisión que está terminada en un circuito abierto.

Puede verse que la onda estacionaria de voltaje tiene un valor máximo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor mínimo en el circuito abierto. La onda estacionaria de corriente tiene un valor mínimo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor máximo en el circuito abierto. Es lógico suponer que del voltaje máximo ocurre a través de un circuito abierto y hay una corriente mínima.

Las características de una línea de transmisión terminada en un circuito abierto pueden resumirse como sigue:

La onda incidente de voltaje se refleja de nuevo exactamente como si fuera a continuar (o sea, sin inversión de fase).

La onda incidente de la corriente se refleja nuevamente 180ª de como habría continuado. La suma de las formas de ondas de corriente reflejada e incidente es mínima a circuito abierto. La suma de las formas de ondas de tensión reflejada e incidente es máxima a circuito abierto.

Ondas estacionarias en una línea en cortocircuito

Así como en una línea de circuito abierto nada de la potencia incidente será adsorbida por la carga, cuando una línea de transmisión se termina en un cortocircuito. Sin embargo, con una línea en corto, el voltaje incidente y las ondas de corriente se reflejan, nuevamente de la manera opuesta, la onda de voltaje se refleja 180º invertidos de como habría continuado, a lo largo de una línea infinitamente larga, y la onda de corriente se refleja exactamente de la misma manera como si no hubiera corto.

Las características de una línea de transmisión terminada en corto se puede resumir como sigue: La onda estacionaria de voltaje se refleja hacia atrás 180º invertidos de cómo habría continuado. La onda estacionaria de corriente Se refleja, hacia atrás, como si hubiera continuado.

La suma de las formas de ondas de corriente incidentes y reflejadas es máxima en el corto. La suma de las formas de ondas de tensión incidentes y reflejadas es cero en el corto.

Para una línea de transmisión terminada en un cortocircuito o circuito abierto, el coeficiente de reflexión es 1 (el peor caso) y la ROE es infinita (también la condición de peor caso).

Transformador de λ/4

Una aplicación frecuente de las líneas de transmisión es como transformadores o acopladores de impedancia. Supónganse que es necesario conectar

entre sí dos impedancias diferentes Z1 y Z2 de modo que no haya reflexión y se tenga la máxima transferencia de potencia. En lugar de utilizar un acoplador convencional con parámetros concentrados, el acoplamiento es posible mediante una línea de transmisión de un cuarto de longitud de onda de impedancia Z0.

Transformador de λ/4. Con lo que, para cumplir la condición de acoplamiento, la impedancia característica de la línea de λ/4 debe ser:

Antenas

Lo primero que debemos tener claro es como funciona una antena y porque funciona. Un sistema radiante se compone básicamente de 4 elementos, emisor, receptor, línea de transmisión y antenas.

El emisor es el encargado de convertir la información analógica o digital en ondas electromagnéticas que, posteriormente, a través de la línea de transmisión, llegarán a la antena, que es el

elemento que se encargará de lanzarlas al aire. El receptor es el encargado de convertir las ondas

electromagnéticas que reciba nuestra antena en información útil. Pero, en definitiva, ¿que es una antena?

¿Qué es y cómo funciona una Antena?

Podríamos decir de una forma simple que una antena es un conductor eléctrico que recibe o radia energía en forma de radiofrecuencia al circular por él una corriente alterna.

Todo campo, ya sea eléctrico o magnético supone la existencia de una cantidad de energía en el espacio que rodea al

conductor. Este, para nosotros, es una antena, y ya hemos dicho que a ella se aplica, proveniente del transmisor, una tensión alterna de radiofrecuencia. De acuerdo a las

variaciones de valor y signo de esta tensión, el campo eléctrico se desarrollará y desaparecerá instantánea y periódicamente. Otro tanto ocurrirá con el campo magnético, que seguirá las variaciones de la corriente que circula por la antena. Esto significa que la antena tomará y devolverá energía al generador periódicamente. Sin embargo no toda la energía es devuelta, sino que, parte de ella, en forma de campo electromagnético no vuelve al generador, sino que es radiada a través del éter.

Las ondas electromagnéticas que se radian al espacio constituyen, pues, una cantidad de energía que se sustrae al circuito de la antena. Podemos pues suponer que en el conductor se ha intercalado una resistencia que consume esa cantidad de energía radiada. El valor de esa resistencia sería el de la resistencia de radiación que lógicamente es muy superior a la

resistencia propia del conductor. Podemos decir, pues, en términos generales, que una antena es tanto más eficiente cuanto mayor es la relación entre la resistencia de radiación y la de perdidas.

Los factores prácticos más importantes en la elección de una antena son: Ganancia, Ancho de Banda, Impedancia y Patrón de Radiación.

Longitud de Onda

Se entiende por longitud de onda, la longitud en metros que correspondería a un ciclo de la corriente considerada, sabiendo que las ondas hertzianas viajan en el espacio con la velocidad de la luz, o sea, 300.000 Km/segundo. Es decir, que, suponiendo una onda electromagnética cuya frecuencia fuese de 1 ciclo, esta recorrería en 1 segundo 300.000 Km y esa sería su Longitud de Onda (λ). Así pues, si hablamos de una frecuencia de 2.400.000.000 c/s (2,4 Ghz), nuestra Longitud de onda sería:

No hace falta decir que si tuviéramos que diseñar una antena para esta frecuencia, la antena estaría en resonancia con la misma cuando tuviera esa misma longitud, es decir, 12,5 cm. Esto, sin embargo, no es del todo cierto, ya que como veremos más adelante hay una serie de factores como el tipo de material utilizado para construir la antena o el efecto "puntas" que harán que esa longitud física de la hipotética antena sea algo menor.

A este tipo de antenas se les denomina de onda completa, pero no suelen usarse por los problemas de impedancias que presentan a la hora de ser alimentadas (600 ohmios).

Fijémonos de todas formas en el comportamiento de la tensión y la intensidad en una antena de onda completa (A-B).

Antenas Básicas

Como hemos dicho anteriormente no suelen utilizarse antenas de onda completa por los

problemas que comporta su adaptación (600 ohmios) a las impedancias típicas de las líneas de alimentación.

Las antenas "basicas" usadas son las llamadas antena de Hertz y la denominada Marconi, que respectivamente son antenas de media onda y de cuarto de onda.

Para nuestras anteriores explicaciones hemos dado por hecho siempre que conectábamos directamente nuestra antena desde un generador de radiofrecuencia, pero en la práctica, eso no se produce normalmente, sino que la energía generada llega a nuestra antena a través de una línea de alimentación o transmisión, que es la encargada de llevar la radiofrecuencia generada desde el emisor a la antena.

Los puntos de conexión o excitación convenientes en las antenas en general son los extremos, el centro o su tercio. La excitación en los extremos se hace con líneas abiertas y resonantes utilizando un cuarto de onda o número impar de ellas, y esto es importante tenerlo en cuenta como veremos más adelante observando la imagen anterior.

Antena de media onda (Dipolo)

La siguiente imagen nos representa una antena de media onda a la que suministramos alimentación de radiofrecuencia por medio de una línea de alimentación paralela que describiremos posteriormente cuando hablemos de IMPEDANCIAS. Esta antena tendría una longitud:

L = λ / 2

Tal y como hemos dicho antes, al aplicar una corriente alterna a nuestra antena, se generará una tensión y una intensidad. Estas estarán desfasadas 90º, de tal forma que, si pudiéramos visualizar la radiofrecuencia aplicada a nuestra antena veríamos que, en la onda generada, en

el centro de la misma la tensión seria "0" y en los extremos de la antena seria la máxima generada por la fuente de RF (menos pérdidas, evidentemente), mientras que si pudiéramos ver la intensidad, observaríamos que es justo a la inversa, es decir en el centro de la antena la intensidad sería la máxima eficaz mientras que en los extremos sería "0". Veámoslo de forma gráfica:

En cualquier tipo de antena la relación entre el valor de la tensión y de la intensidad en un punto cualquiera de la antena determina el valor de la impedancia de ese punto. Como la tensión y la intensidad (corriente) son variables es lógico que el valor de la impedancia (Z) también lo sea.

En un extremo de una antena de media onda el valor de la tensión es máximo, mientras que el de corriente es mínimo, por tanto también será máximo el valor de la impedancia, mientras que si observamos el centro de la antena de media onda comprobamos que es a la inversa por lo que el valor de la impedancia será mínimo.

Por lo común, en este tipo de antenas el valor de la impedancia en el centro de la antena es de 73 ohmios mientras que en los extremos ronda los 2.500 ohmios. Estos valores, que

corresponden a vientres y nodos de tensión, se consideran como valores de resistencia pura solamente en esos puntos. El conocimiento del valor de la impedancia de una antena en un punto es muy importante desde el punto de vista del aprovechamiento de la energía que se envía a la antena puesto que representa la resistencia de carga aplicada al transmisor. La dirección de máxima radiación en el dipolo del ejemplo está en el plano perpendicular al eje de la antena.

Antena de 1/4 de onda

Si echamos un vistazo al diagrama de tensión/intensidad de la antena de media onda deduciremos fácilmente el comportamiento de una antena de 1/4 de onda y comprobaremos que podemos utilizarla perfectamente en nuestras aplicaciones, eso sí, con solo la mitad de "rendimiento" que la antena de media onda,

alimentándola por un extremo y referenciando la misma con la "masa" conectada a un plano de tierra isotrópico. Si extraemos del gráfico del ejemplo anterior una de las mitades tendremos lo siguiente:

Efectivamente podemos ver que, en el punto de alimentación la tensión sigue siendo "0", la intensidad presenta su máximo valor, y la impedancia de alimentación es de 36 ohmios, así que nos sigue siendo útil, aunque en las frecuencias en las que vamos a trabajar el tamaño no será importante y habitualmente trabajaremos a partir de antenas de media onda.

La dirección de máxima radiación en el dipolo del ejemplo está en el plano perpendicular al eje de la antena.

Longitud Eléctrica y Longitud Física.

En el estudio de las líneas de transmisión se observó que la longitud de onda en la línea (λ) era menor que la longitud de onda correspondiente a una señal de la misma frecuencia, pero viajando en el espacio libre. A esta última la denominamos en clase como λ0 para diferenciarla, y esta diferencia era provocada por las distintas velocidades de propagación.

En la antena sucede una situación similar, provocada por la presencia misma de la antena en la vecindad del suelo y otros conductores, contribuyendo también los soportes de aislamiento, con lo cual se introducen capacitancias que afectan la velocidad de la onda en la antena. Se denomina longitud eléctrica a la calculada utilizando la longitud de onda en el espacio libre, λ0. La longitud física es la longitud real que debe tener la antena, de acuerdo a la explicación anterior. Obviamente ésta es más corta que la longitud eléctrica. Este acortamiento es a menudo referido como efecto del borde (end effect).

Ahora: si el área transversal del conductor que conforma la antena aumenta, también lo hace su permeabilidad (μ), y por lo tanto la velocidad de la onda disminuye, y con esto también la longitud física. Solo en el caso ideal de un conductor aislado en el espacio libre y con un grosor despreciable, las dos longitudes tenderían a igualarse.

Como λ0 / 2 = 150 / f, si f se expresa en MHz, la longitud física de una antena dipolo de media onda se puede expresar mediante:

L = K 150 / f donde:

L = Longitud física del dipolo de media onda [metros]. f = frecuencia empleada [MegaHertz].

K = Factor de velocidad (velocidad de la onda en la antena / velocidad en el espacio libre; 3 x 108 _m/seg).

Para frecuencias inferiores a 30 MHz, el factor de velocidad (o de acortamiento) se considera para propósitos prácticos, de 0.95 (un 5 % más corta). Realmente se debe tomar en cuenta el diámetro del conductor con el que se fabrica la antena, sobre todo a frecuencias mayores.

La figura nos da una idea de dicho factor en función de la relación:

longitud eléctrica del dipolo / diámetro del conductor.

Efecto del diámetro de la antena sobre la longitud física. El coeficiente k multiplica a la longitud eléctrica.

Unidades de Referencia (en cuanto a Ganancia)

Tal es la importancia que tuvieron (y aun tienen) estos dos tipos de antena que acabamos de ver, que, cualquier referencia a ganancia de cualquier otro tipo de antena tiene como punto de referencia el dipolo de media onda. Es decir, se atribuye al dipolo un valor intrínseco de 0db (decibelio) y a la antena de 1/4 de onda 1 dbi (decibelio isotropico), así pues,

deduciendo, nuestra antena de media onda tendría una ganancia de 2 dbi respecto a una antena isotrópica.

Antena Isotrópica

Es una antena ficticia, por lo tanto no es realizable físicamente, y cuya principal condición teórica es la de radiar con idéntica intensidad en todas las direcciones. Esto supone que no tiene polarización. La ganancia de una antena isotropica es de 0dBi, y la relación con la ganancia de un dipolo de media onda es:

dB= dBi + 2,14.

Por lo tanto si nos dicen que una antena tiene una ganancia de 6dBi, su ganancia real con respecto a un dipolo de media onda será menor, en este caso es de 3,86dB.

Características de las antenas Los parametros más importante de las antenas son:

Impedancia de entrada

Para una transferencia de energía eficiente, la impedancia del transmisor, la antena, y el cable de transmisión que las conecta debe ser la misma. Las antenas y sus líneas de

transmisión generalmente están diseñadas para una impedancia de 50 Ω. Si la antena tiene una impedancia diferente a 50 Ω, hay una desadaptación, y se necesita un circuito de acoplamiento de impedancia.

Cuando alguno de estos componentes no tiene la misma impedancia, la eficiencia de transmisión se ve afectada.

Pérdida de retorno

La pérdida de retorno es otra forma de expresar la desadaptación. Es una medida

logarítmica expresada en dB, que compara la potencia reflejada por la antena con la potencia con la cual la alimentamos desde la línea de transmisión. La relación entre ROE (Relación de Ondas Estacionarias)(SWR) y la pérdida de retorno es la siguiente:

Pérdida de Retorno (en dB) = 20 log10 ROE ROE-1

Aunque siempre existe cierta cantidad de energía que va a ser reflejada hacia el sistema, una pérdida de retorno elevada implica un funcionamiento inaceptable de la antena.

Ancho de banda

El ancho de banda de una antena se refiere al rango de frecuencias en el cual puede operar de forma correcta. Este ancho de banda es el número de hercios (Hz) para los cuales la antena va a tener una Relación de Onda Estacionaria (SWR) menor que 2:1.

El ancho de banda también puede ser descrito en términos de porcentaje de la frecuencia central de la banda.

Ancho de Banda = 100 FH - FL FC Donde:

FH es la frecuencia más alta en la banda, FL es la frecuencia más baja, y

FC es la frecuencia central.

De esta forma, el ancho de banda porcentual es constante respecto a la frecuencia.

Si fuera expresado en unidades absolutas, variaría dependiendo de la frecuencia central. Los diferentes tipos de antenas tienen variadas limitaciones de ancho de banda.

Directividad y Ganancia

La directividad es la habilidad de una antena de transmitir enfocando la energía en una dirección particular, o de recibirla de una dirección particular.

Si un enlace inalámbrico utiliza locaciones fijas para ambos extremos, es posible utilizar la directividad de la antena para concentrar la transmisión de la radiación en la dirección deseada. En una aplicación móvil donde la antena no está fijada a un punto, es imposible predecir dónde va a estar, y por lo tanto la antena debería radiar en todas las direcciones del plano horizontal. En estas aplicaciones se utiliza una antena omnidireccional.

La ganancia no es una cantidad que pueda ser definida en términos de una cantidad física como vatios u ohmios, es un cociente sin dimensión. La ganancia se expresa en referencia a una antena estándar. Las dos referencias más comunes son la antena isotrópica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda. Todas las antenas reales van a irradiar más energía en algunas direcciones que en otras. Puesto que las antenas no crean energía, la potencia total irradiada es la misma que una antena isotrópica. Toda energía adicional radiada en las direcciones favorecidas es compensada por menos energía radiada en las otras

direcciones.

La ganancia de una antena en una dirección dada es la cantidad de energía radiada en esa dirección comparada con la energía que podría radiar una antena isotrópica en la misma dirección alimentada con la misma potencia.

Generalmente estamos interesados en la ganancia máxima, que es aquella en la dirección hacia la cual la antena está radiando la mayor potencia. Una ganancia de antena de 3dB comparada con una isotrópica debería ser escrita como 3dBi. El dipolo resonante de media longitud de onda puede ser un estándar útil a la hora de compararlo con otras antenas a una frecuencia, o sobre una banda estrecha de frecuencias. Para comparar el dipolo con una antena sobre un rango de frecuencias se requiere de un número de dipolos de diferentes longitudes. La ganancia de una antena comparada con un dipolo debería ser escrita como 3dBd.

El método para medir la ganancia mediante la comparación de la antena bajo prueba con una antena estándar conocida, de ganancia calibrada, es conocido como técnica de transferencia de ganancia.

no en transmisión local inductiva)

TIPO DE ANTENA SOBRE UN DECIBELIOS DE GANANCIA DIPOLO DE ½ ONDA dB

DECIBELIOS DE GANANCIA SOBRE UN RADIADOR ISOTRÓPICO dBi Radiador Isotrópico -2,14 0 1/4 de onda con plano de tierra -1,14 1 Dipolo de 1/2 onda 0 2,14 Vertical 5/8 de onda 1,2 3,3 Cuadro de un elemento (Loop) 2 4,1 Yagui 2 elementos 5 7,1 Yagui 3 elementos 8 10,1 Yagui 4 elementos 10 12,1 Cuadro de 2 elementos 7 9,1 Cuadro de 3 elementos 10,0 12,1 Yagui 5 elementos 12,0 14,1

Diagramas de Radiación

Cuando se alimenta la antena con una señal, emitirá radiación distribuida en el espacio de cierta forma. La representación gráfica de la distribución relativa de la potencia radiada en el espacio se llama diagrama o patrón de radiación.

Los diagramas de radiación describen la intensidad relativa del campo radiado en varias direcciones desde la antena a una distancia constante.

El patrón de radiación es también de

recepción, porque describe las propiedades de recepción de la antena. El patrón de radiación es tridimensional, pero generalmente las mediciones de los mismos son una porción bidimensional del patrón, en el plano horizontal o vertical.

Diagrama 3d de un Dipolo vertical Estas mediciones son

presentadas en coordenadas rectangulares o en

coordenadas polares. La siguiente figura muestra el diagrama de radiación en coordenadas rectangulares de una antena Yagi de diez elementos. El detalle es bueno pero se hace difícil visualizar el comportamiento de la antena en diferentes direcciones.

En los sistemas de coordenadas polares, los puntos se obtienen por una proyección a lo largo de un eje que rota (radio) en la intersección con uno de varios círculos concéntricos. El siguiente es un diagrama de radiación en coordenadas polares de la misma antena Yagi de diez elementos.

Los sistemas de coordenadas polares pueden dividirse en dos clases: lineales y logarítmicos. En el sistema de coordenadas polares lineal, los círculos concéntricos están uniformemente espaciados y graduados. La retícula resultante puede ser utilizada para preparar un diagrama lineal de la potencia contenida en la señal. Para facilitar la comparación, los círculos

concéntricos equiespaciados pueden reemplazarse por círculos ubicados adecuadamente, representando la respuesta en decibeles, con 0 dB correspondiendo al círculo más externo. En este tipo de gráficas los lóbulos menores se suprimen. Los lóbulos con picos menores de 15 dB debajo del lóbulo principal desaparecen por su pequeño tamaño. Esta retícula mejora la

presentación de las características de antenas con alta directividad y lóbulos menores pequeños. En un sistema de coordenadas lineales, se puede trazar el voltaje de la señal en lugar de la potencia, En este caso también, se enfatiza la directividad y desenfatizan los

lóbulos menores, pero no en el mismo grado que en la retícula lineal de potencia. En el sistema de coordenadas polares logarítmico, las líneas concéntricas de la retícula son espaciadas periódicamente de acuerdo con el logaritmo de voltaje de la señal. Se pueden usar diferentes valores para la constante logarítmica de periodicidad, y esta elección va a tener un efecto en la apariencia de los diagramas trazados. Generalmente se utiliza la referencia 0 dB para el extremo externo de la gráfica. Con este tipo de retícula, los lóbulos que están 30 o 40 dB por debajo del lóbulo principal aún pueden distinguirse.

El espacio entre los puntos a 0 dB y a -3 dB es mayor que el espacio entre -20 dB y -23 dB, el cual es mayor que el espacio entre -50 dB y -53 dB.

Por lo tanto el espacio corresponde a la significancia relativa de dichos cambios en el desempeño de la antena.

Una escala logarítmica modificada enfatiza la forma del haz mayor mientras comprime los lóbulos laterales de muy bajo nivel (<30 dB) hacia el centro del patrón.

Hay dos tipos de diagramas de radiación: los absolutos y los relativos. Los diagramas de radiación absolutos se presentan en unidades absolutas de potencia o intensidad de campo. Los diagramas de radiación relativos se referencian a unidades relativas de potencia o

intensidad de campo. La mayoría de las mediciones de los diagramas de radiación son relativas a la antena isotrópica, y el método de transferencia de ganancia es utilizado para establecer la ganancia absoluta de la antena.

El patrón de radiación en la región cercana a la antena no es el mismo que el patrón a largas distancias. El término campo cercano se refiere al patrón del campo que existe cerca de la antena, mientras que el término campo lejano refiere a los diagramas del campo a largas distancias. El campo alejado también es denominado campo de radiación, y generalmente es el que más interesa. Normalmente el punto de interés es la potencia radiada, y por lo tanto los diagramas de la antena son medidos en la región del campo alejado.

Para las medidas necesarias para confeccionar los diagramas es importante elegir una

distancia suficientemente grande para estar en el campo lejano, más allá del campo cercano. La distancia mínima depende de las dimensiones de la antena con relación a la longitud de onda. La fórmula aceptada para esta distancia es:

Distancia min = 2 d 2 λ Donde:

Distancia min es la distancia mínima desde la antena, d es la dimensión más grande de la antena, y

λ es la longitud de onda.

Ancho del haz

El ancho del haz de una antena usualmente se entiende como ancho del haz a mitad de potencia. Se encuentra el pico de intensidad de radiación, luego se localizan los puntos de ambos lados de pico que representan la mitad de la potencia de intensidad del pico. La distancia angular entre los puntos de la mitad de la potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3dB, por lo tanto algunas veces el ancho

del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3dB. Generalmente se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal.

Suponiendo que la mayor parte de la potencia radiada no se dispersa en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz: cuando el ancho del haz decrece, la ganancia directiva se incrementa.

Lóbulos laterales

Ninguna antena es capaz de radiar toda la energía en una dirección preferida. Inevitablemente, una parte de ella es radiada en otras direcciones.

Esos picos más pequeños son denominados lóbulos laterales, especificados comúnmente en dB por debajo del lóbulo principal.

Nulos

En los diagramas de radiación de una antena, una zona nula es aquella en la cual la potencia efectivamente radiada está en un mínimo. Un nulo a menudo tiene un ángulo de directividad estrecho en comparación al haz principal. Los nulos son útiles para varios propósitos tales como la supresión de señales interferentes en una dirección dada.

Polarización

Se ha acordado utilizar el eje de variación del Campo Eléctrico para definir el concepto denominado polarización. En la figura se transmite con

polarización vertical. La polarización horizontal se obtiene acostando nuestro dipolo. Si el eje de variación del Campo Eléctrico girara mientras éste se propaga (como los hilos en la cuerda de un tornillo), la polarización se denomina circular; si además existen cambios en el tiempo de las componentes del campo, la polarización se define como elíptica. La polarización inicial de una onda de radio es determinada por la antena. Con la polarización lineal, el vector del campo eléctrico se mantiene en el mismo plano todo el tiempo. El campo eléctrico puede dejar la antena en una orientación vertical, horizontal, o en algún ángulo entre los dos. La radiación polarizada verticalmente se ve ligeramente menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen una polarización vertical. Con la polarización horizontal, tales reflexiones causan variaciones en la intensidad de la señal recibida. Las antenas horizontales tienen menos probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre, normalmente polarizadas verticalmente.

La onda senoidal eléctrica se mueve perpendicular a la onda magnética en la dirección de la propagación.

En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con un movimiento circular en la dirección de la propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. La elección de la polarización es una de las elecciones de diseño disponibles para el diseñador del sistema de RF.

Desadaptación de polarización.

Para transferir la máxima potencia entre una antena transmisora y una receptora, ambas antenas deben tener la misma orientación espacial, el mismo sentido de polarización y el mismo coeficiente axial.

Cuando las antenas no están alineadas o no tienen la misma polarización, habrá una reducción en la transferencia de potencia entre ambas antenas. Esto va a reducir la eficiencia global y las prestaciones del sistema.

Cuando las antenas transmisora y receptora están polarizadas linealmente, una desalineación física entre ellas va a resultar en una pérdida por desadaptación de polarización, que puede ser determinada utilizando la siguiente fórmula:

Pérdida (dB) = 20 log10 (cos Ө)

Donde Ө es la diferencia en el ángulo de alineación entre las dos antenas.

Para 15° la pérdida es de aproximadamente 0.3dB, para 30° perdemos 1.25dB, para 45° perdemos 3dB y para 90° tenemos una pérdida infinita.

Resumiendo, cuanto más grande la desadaptación de polarización entre una antena

transmisora y una receptora, más grande la pérdida aparente. En el mundo real, la pérdida debida a una desadaptación en polarización de 90° es bastante grande (más de 20dB) pero no infinita. Algunas antenas como las Yagis, o las antenas de lata, pueden rotarse 90° de forma sencilla para corresponder con la polarización del otro extremo del enlace. La polarización puede aprovecharse en un enlace punto a punto. Use una herramienta de monitoreo para observar la interferencia desde redes adyacentes, y rote una antena hasta que se minimice la señal recibida. Luego instale su enlace utilizando la polarización en la que había medido interferencia mínima en ambos extremos.

Esta técnica puede ser utilizada a veces para construir enlaces estables, aún en medio ambientes con mucho ruido RF.

Relación de ganancia adelante/atrás

A menudo es útil comparar la Relación de ganancia adelante/atrás de las antenas

direccionales. Este es el cociente de la directividad máxima de una antena con relación a su directividad en la dirección opuesta. Por ejemplo, cuando se traza el patrón de radiación en una escala relativa en dB, la relación de ganancia adelante/atrás es la diferencia en dB entre el nivel de radiación máxima en la dirección delantera y el nivel de radiación a 180 grados.

Este número no tiene sentido para un antena omnidireccional, pero brinda una idea de la cantidad de potencia dirigida hacia adelante en una antena muy direccional.

Tipos de Antenas

Una clasificación de las antenas puede basarse en: • Frecuencia y tamaño.

Las antenas utilizadas para HF son diferentes de las antenas utilizadas para VHF, las cuales son diferentes de las antenas para microondas. La longitud de onda es diferente a diferentes

frecuencias, por lo tanto las antenas deben ser diferentes en tamaño para radiar señales a la correcta longitud de onda. En este caso estamos particularmente interesados en las antenas que trabajan en el rango de microondas, especialmente en las frecuencias de los 2,4 GHz y 5 GHz. A los 2400 MHz la longitud de onda es 12,5cm, mientras que a los 5000 MHz es de 6cm.

• Directividad.

Las antenas pueden ser omnidireccionales, sectoriales o directivas. Las antenas omnidireccionales irradian aproximadamente con la misma intensidad en todas las direcciones del plano horizontal, es decir en los 360°. Los tipos más populares de antenas omnidireccionales son los dipolos y las de plano de tierra. Las antenas sectoriales irradian principalmente en un área específica. El haz puede ser tan amplio como 180 grados, o tan angosto como 60 grados. Las direccionales o directivas son antenas en las cuales el ancho del haz es mucho más angosto que en las antenas sectoriales. Tienen la ganancia más alta y por lo tanto se utilizan para enlaces a larga distancia. Tipos de antenas directivas son las Yagi, las biquad, las de bocina, las helicoidales, las antenas patch, los platos parabólicos, y muchas otras.

• Construcción física.

Las antenas pueden construirse de muchas formas diferentes, desde simples mallas, platos parabólicos, o latas de café.

Cuando consideramos antenas adecuadas para el uso en WLAN de 2,4GHz, se pueden utilizar otras clasificaciones:

• Aplicaciones.

Los puntos de acceso tienden a hacer redes punto a multipunto, mientras que los enlaces remotos son punto a punto. Esto implica diferentes tipos de antenas para el propósito. Los nodos utilizados para accesos multipunto pueden utilizar tanto antenas omni, las cuales

irradian igualmente en todas direcciones, como antenas sectoriales que se enfocan en un área limitada. En el caso de los enlaces punto a punto, las antenas se usan para conectar dos lugares. Las antenas directivas son la elección principal para esta aplicación.

Ahora le presentamos una breve lista de tipos comunes de antenas para la frecuencia de 2,4GHz, con una corta descripción de la información básica acerca de sus características.

Ejemplos de Algunos tipos de antenas

Antena de 1/4 de longitud con plano de tierra Esta antena es muy simple en su construcción y es útil para las comunicaciones cuando el tamaño, el costo y la facilidad de construcción son

importantes.

Esta antena se diseñó para transmitir una señal polarizada verticalmente.

Consiste en un elemento de 1⁄4 de longitud onda como medio dipolo, y tres o cuatro elementos de un 1⁄4 de longitud de onda inclinados de 30 a 45 grados hacia abajo.

Este conjunto de elementos, denominados radiales, constituyen el plano de tierra. Esta es una antena simple y efectiva que puede capturar una señal con igual facilidad en todas las

direcciones. Para incrementar la ganancia, la señal puede hacerse más achatada para

concentrar la radiación en el plano horizontal. El ancho del haz vertical representa el grado de achatamiento en el foco. Esto es útil en una situación de punto a multipunto, si todas las otras antenas se encuentran a la misma altura. La ganancia de esta antena está en el orden de 1 a 3 dBi.

Antena Yagi

La antena Yagi básica consiste en un cierto número de elementos rectos que miden cada uno aproximadamente la mitad de la longitud de onda. 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. Un reflector se ubica detrás del elemento activo y es ligeramente más largo que media

longitud de onda; un director se coloca en frente del elemento activo y es ligeramente más corto que media longitud de onda. Una Yagi típica tiene un reflector y uno o más directores. 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. Cuantos más directores tiene una Yagi, mayor la ganancia. Cuantos más directores se agreguen a una Yagi, la misma va a ser más larga. La siguiente es una foto de una antena Yagi con 6 directores y 1 reflector.

Antena Yagi.

Las antenas Yagi son utilizadas principalmente por los enlaces Punto a Punto; tienen una ganancia desde 7 a 20 dBi y un ancho de haz horizontal de 10 a 20 grados.

Bocina

El nombre de la antena bocina deriva de su apariencia característica acampanada o de cuerno. La porción acampanada puede ser cuadrada, rectangular, cilíndrica o cónica. La dirección de máxima radiación se corresponde con el eje de la

campana. Se puede alimentar sencillamente con una guía de onda, pero también puede hacerse con un cable coaxial y la transición apropiada. Las antenas bocina se utilizan comúnmente como el elemento activo en una antena parabólica. La antena bocina se coloca hacia el centro del reflector parabólico. El uso de una bocina, en lugar de una antena dipolo o cualquier otro tipo de antena en el punto focal del reflector, minimiza la pérdida de energía alrededor de los bordes del reflector parabólico. A 2,4GHz, una antena bocina simple hecha con una lata tiene una ganancia del orden de 7 a 15 dBi.

Reflector Parabólico

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 las parábolas grandes son difíciles de montar y están predispuestos a sufrir los efectos del viento.

Las parábolas generalmente están hechas de material sólido. Frecuentemente se utiliza el aluminio por una ventaja de peso, su durabilidad y sus buenas características eléctricas. El efecto del viento se incrementa rápidamente con el tamaño del plato y se convierte en un problema severo. A menudo en las parábolas de más de un metro se utilizan platos que tienen una superficie reflectora constituida por una malla abierta. Éstos tienen una relación de

ganancia adelante/atrás más pobre pero son seguras de utilizar y sencillos de construir. Materiales como el cobre, aluminio, bronce (latón), acero galvanizado y hierro son apropiados para una malla.

La ganancia una antena parabólica pude ser muy grande (más de 40 dbi) dependiendo del tamaño del reflector y de la frecuencia.

Software para Antenas

Existen muchos tipos de antenas cada una con su fundamento y teoría, espesíficamente diseñada para una aplicación, todos estos modelos se pueden simular con programas

especializados, como mmana-gal, nec2, nec4 y otros. Los programas mencionados son de distribución gratuita.

Intensidad de Campo.

La magnitud de la energía en la componente eléctrica y en la magnética es exactamente la misma. La variación de una componente resulta en la formación de la otra. Si ambas

componentes tienen la misma energía, la determinación de una componente dará el valor de la otra. Se ha acordado expresar la intensidad de campo en términos de su componente eléctrica, es decir, en unidades de Volts/metro.

La intensidad de campo esperada en el espacio libre a una distancia d de una antena transmisora está dada por:

Donde:

d = distancia. [metros]

D t = Ganancia de la antena transmisora respecto a una antena isotrópica. P t = Potencia radiada de la antena transmisora. [Watts]

NOTAS:

1.- El producto de estos dos últimos términos es la Potencia Isotrópica Efectiva Radiada: PIRE (eirp). PIRE = D t . P t

2.- Las unidades parecen no ser congruentes pero la ecuación es correcta. La explicación es que proviene de utilizar un concepto denominado Área Efectiva, el cual definiremos más adelante.

El campo recibido también se puede expresar en términos de la densidad de potencia, lo cual es muy común, sobre todo a frecuencias por arriba de 300 MHz (λ < 1 metro). La conversión se puede efectuar mediante:

ρ = E2 _{/ 120 π} Donde:

E = Intensidad de Campo. [ Volts / metro] ρ = Densidad de Potencia. [ Watts / metro2_].

NOTAS:

120

π

µ

ε

La intensidad de campo en microVolts / m2_{, requerida para una buena recepción depende del} tipo de servicio y de los niveles de ruido en área donde se localiza el receptor. En área urbana (mucho ruido y grandes construcciones), se pueden requerir 1000μV (0dBm) para FM, y de 1000μV (0dBm) a 5000μV (13dBm) para Televisión, en VHF y UHF respectivamente. En áreas rurales pueden ser suficientes 500μV (-6dBm) para Televisión en VHF y UHF.

Para medir la intensidad de campo eléctrico se utiliza un instrumento llamado “Medidor de Intensidad de Campo”, este instrumento está calibrado para América en mV y en dBm y para Europa en μV y en dBμ.

Tres modelos de Medidores de Intensidad de Campo, Protek 3201N, Promax MC-160B, Sadelco Displaymax 800.

PROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES

Las descargas de origen atmosférico son fenómenos meteorológicos y eléctricos. Disponer de una adecuada instalación eléctrica y de una buena toma de tierra, es fundamental para evitar lesiones por electrocución y averías considerables en instalaciones y equipos electrónicos. Además, la toma de tierra es indispensable para que algunos dispositivos de protección sean efectivos.

•LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS

Casi todas las descargas naturales de rayos se inician en el interior de las nubes y progresan en forma de árbol de diferentes ramas a tierra. En su trayectoria transportan corrientes

eléctricas que pueden llegar como término medio de 30.000 amperios a valores superiores a 300.000 amperios durante millonésimas de segundo, con potenciales que sobrepasan los 15 millones de voltios y desprendiendo una energía térmica

superior a los 8.000 grados.

El rayo es la reacción eléctrica causada por la saturación de cargas electrostáticas que han sido generadas y acumuladas

progresivamente en la nube durante la activación del fenómeno eléctrico de una tormenta.

Durante unas fracciones de segundo, la energía electrostática acumulada en la nube, se convierte en una descarga de energía electromagnética (el relámpago visible y la interferencia de ruido), energía acústica (trueno) y calor.

El rayo se presenta aleatoriamente entre nube-nube, nube-tierra o tierra-nube a partir de un potencial eléctrico (10/45kV), entre dos puntos de diferente polaridad e igual potencial. La densidad de carga del rayo es proporcional al tiempo de exposición de la saturación de carga electroestática de la zona expuesta por la nube, a mayor densidad de carga de la nube, mayor inducción electroestática en tierra. A esta zona se le denomina sombra eléctrica. La sombra eléctrica es la zona donde los impactos de rayos se pueden presentar. En ella aparece siempre el efecto punta, que puede ser estático, en movimiento en el mismo punto, o viajar por el suelo y estructuras en función de la dirección y velocidad de la nube.

El efecto del movimiento, causa la sensación de ver una corona o múltiples efectos puntas, denominado “efecto corona”, que son diminutas chispas eléctricas que aparecen en la parte superior de los materiales, que normalmente son de color verde-azul, produciendo la ionización del aire y con olor a ozono. El efecto punta puede aparecer pero no transformarse en una descarga de rayo, pero avisa de la presencia de un campo eléctrico de alta tensión y si persiste en tiempo e intensidad, creará un Líder o trazador.

El líder o trazador, es la formación de una guía escalonada descendente que guiará la descarga del rayo desde la nube cerca de la zona en tierra, donde por inducción del campo eléctrico de alta tensión, se creará otro líder ascendente desde tierra para buscar la interconexión de ambos.

La intensidad de la descarga del rayo, es variable y dependerá del momento crítico de la ruptura dieléctrica del aire entre los dos puntos de transferencia de la carga así como la facilidad de transporte de la energía del medio y de la capacidad de absorción o disipación de la zona de impacto en tierra.