Las antenas son muy
importantes para el desempeño global del sistema y hay muchos tipos. Es crucial
entender el efecto de sus características para optimizar el funcionamiento del
sistema inalámbrico.
Las líneas de transmisión
deben acoplar el radio a la antena introduciendo la mínima atenuación posible.
Una línea de transmisión es el dispositivo
utilizado para guiar la energía de radiofrecuencia (RF) desde un punto a otro
(ejemplo de línea de RF es el cable coaxial).
Una antena es la estructura asociada con
la región de transición entre una onda guiada a una onda que se desplaza en el
espacio libre, por la irradiación de energía de RF. Considere la antena como
una interfaz entre la onda guiada dentro de la línea de transmisión y la onda
no guiada en el espacio.
Las antenas son
dispositivos pasivos. No pueden añadirle potencia a la señal, sino sólo
enfocarla en un área en particular.
CONEXIÓN DE UN SISTEMA INALÁMBRICO
Un sistema inalámbrico
consiste de un radio que funciona como transmisor, receptor o como ambas
funcionalidades, en cuyo caso se le suele denominar transceptor.
El radio se conecta a
la antena por medio de un cable coaxial con conectores. Hay una variedad de
conectores en uso, con diferentes tamaños y diferentes propiedades eléctricas y
mecánicas.
Los conectores deben
ser apropiados para el cable y el radio, a veces se requiere adaptadores o
“transiciones” para realizar la interfaz entre diferentes tipos de conectores.
Un cable coaxial
transporta la señal desde el radio a la antena y viceversa. La antena acopla la
señal del cable coaxial al espacio libre para transmisión y al revés para
recepción.
Para minimizar la
atenuación se debe utilizar la línea de transmisión más corta posible,
construido con el cable de mejor calidad que se pueda obtener.
En la figura observamos
la conexión de una radio con una antena que se realiza a través de un cable
coaxial en una estación base.
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIALES
Los cables coaxiales
tienen un conector central rodeado por un material aislante llamado
dieléctrico. El dieléctrico se cubre con una pantalla o blindaje hecho de malla
o un tubo conductor.
La pantalla se protege
con un recubrimiento resistente, usualmente fabricado con PVC (cloruro de
poluinil).
Los cables no son
conductores perfectos, parte de la señal será siempre perdida durante la
transmisión (convertida en calor o irradiada directamente por el cable). Esta
disminución de la señal se llama atenuación y se mide en decibelios por metro
(dbm/m) la tasa de atenuación es función de la frecuencia de la señal, de la
geometría del cable y de los materiales con los que se construyó. A mayor
frecuencia mayor atenuación en el cable.
Mientras más grueso sea
el cable, menor será la atenuación (un tubo grueso tiene menos perdidas).
La atenuación es
afectada por el tipo de dieléctrico así como por el tipo de pantalla.
IMPEDANCIA
Todos los materiales se
oponen al flujo de una corriente alterna en alguna medida. A esta oposición se
le llama impedancia, y es
análoga a la resistencia de los circuitos en corriente continua.
La mayoría de las
antenas de telecomunicaciones tienen una impedancia de 50 ohmios, mientras que
las antenas y los cables para TV normalmente tienen una impedancia de 75
ohmios.
Asegúrese de que la
impedancia característica del cable entre el radio y la antena es de 50 ohmios.
Cualquier desadaptación de impedancia causará reflexiones indeseables y
pérdidas.
La impedancia se
representa por la letra Z, y en general es una magnitud compleja formada por
una resistencia R y una
reactancia X.
La impedancia es el
cociente entre el voltaje y la corriente en un elemento dado.
Z = V/I
La reflexiones de la
señal en la línea de transmisión o guía de onda produce una onda estacionaria
que se manifiesta por la presencia de picos y valles de la señal a lo largo de
la línea.
Las antenas para
telecomunicaciones tienen una impedancia de 50 ohmios.
REFLEXIONES Y ROE
Las desadaptaciones de
impedancia causan reflexiones y aumentan la ROE (Razón de Onda Estacionaria)
conocida en inglés como VSWR (Voltage Standing Wave Ratio).
La impedancia de
entrada se define como la impedancia que presenta la antena en sus terminales,
es decir el cociente entre el voltaje y la corriente en el conector. Si la
antena está perfectamente acoplada a la línea de transmisión (la impedancia
presentada por la antena es igual a la impedancia característica de la línea de
transmisión), entonces toda la energía que alcanza la antena es radiada. Si las
dos impedancias no están adaptadas, la antena no aceptará la totalidad de la
energía que le entrega la línea de transmisión. La porción que no es aceptada
es reflejada de vuelta hacia el transmisor y la interacción entre la onda
transmitida y la reflejada forman la onda estacionaria, evidenciada por la
presencia de máximos (picos de voltaje) y mínimos (valles de voltaje) en
diferentes puntos a lo largo de la línea de transmisión, caracterizados por la
Razón de onda Estacionaria (ROE).
El valor mínimo de la
ROE es la unidad, obtenido en una línea de transmisión perfectamente adaptada
tanto al radio como a la antena, en cuyo caso las reflexiones son nulas y
tendremos Vmax= Vmin.
En la práctica un buen
sistema tendrá una ROE < 1.5
TIPOS DE ANTENAS
Las antenas
omnidireccionales trasmiten con la misma potencia en todas las direcciones del
plano horizontal, a expensas de una radiación reducida en el plano vertical.
Las antenas direccionales enfocan la mayor parte de la radiación en una
dirección específica, llamada la dirección de máxima ganancia.
Las antenas
direccionales se subdividen en antenas de alta ganancia para aplicaciones punto
a punto y antenas sectoriales, que normalmente tienen ancho de haz de 60°, 90°
y 120° y que pueden ser combinados para proveer cobertura de 360° desde una
estación base.
Las antenas sectoriales
tienen mayor ganancia que las omnidireccionales con los que ofrecen un mayor
alcance. Si cada sector es alimentado por un radio distinto, se puede obtener
también mayor caudal de transmisión respecto al obtenible con una antena
omnidireccional única.
En la imagen podemos observas antenas sectoriales
utilizadas en la telefonía móvil. Una antena por sector cuyo haz de cada antena
es de 120° y los tres completan los 360° de cobertura
CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS
ANCHO DE BANDA
ANCHO DE BANDA
El ancho de banda de
una antena se refiere al rango de frecuencias en el cual la antena opera
satisfactoriamente. El ancho de banda efectivo usualmente se define como la
gama de frecuencias dentro de las cuales la ROE no excede de un determinado
valor, comúnmente 1.5. También se puede definir como la gama de frecuencias
dentro de las cuales factores como la ganancia, valores de los lóbulos
laterales, anchura del haz, etc., están dentro de lo especificado, puesto que
todos estos parámetros son afectados por la frecuencia de operación.
PATRÓN DE RADIACIÓN
El patrón o diagrama de
radiación de
una antena es una representación de la distribución de potencia de la radiación
recibida o irradiada por la antena en diferentes regiones del espacio. Se suele
representar en función de ángulos de dirección centrados en la antena.
Aunque el patrón de
radiación es un volumen, es costumbre representarlo por medio de dos gráficas,
el patrón de radiación vertical y el patrón de radiación horizontal. El
diagrama superior representa el patrón de radiación de una antena
omnidireccional, y el diagrama inferior el de una antena parabólica.
Nótese que cierta
cantidad de energía se irradia en direcciones no deseadas, constituyendo lo que
se conoce como lóbulos laterales y el lóbulo trasero.
ANCHO DEL HAZ
El ancho del haz de
una antena es la medida angular de aquella porción del espacio en donde la
potencia irradiada es mayor o igual que la mitad de su valor máximo.
Mientras más estrecho
sea el ancho del haz, mayor será la ganancia, porque la energía estará enfocada
con más concentración.
A mayor ganancia de la
antena, menor el ancho del haz. Recuerde que el patrón de radiación es un
volumen, por lo que hay un ancho de
haz vertical y un ancho
de haz horizontal, los cuales en general serán diferentes.
Un antena de muy alta
ganancia tendrá un ancho de haz de unos pocos grados y deberá apuntarse muy
cuidadosamente para que pueda cubrir al objetivo.
RELACIÓN ADELANTE ATRÁS
La relación
adelante-atrás (f/b) de una antena directiva es el cociente entre la
directividad máxima a su directividad en sentido opuesto.
La relación adelante-atrás
(front-to-back ratio) es muy
importante en redes dorsales construidas usando repetidores. La radiación hacia
atrás puede causar problemas con el receptor de la etapa precedente por lo que
para este tipo de aplicaciones se deben escoger antenas con una buena relación
f/b.
POLARIZACIÓN
Ø Las ondas electromagnéticas tienen componentes
eléctricos y magnéticos.
Ø La polarización de las antenas transmisoras y
receptoras debe ser la misma para
optimizar la comunicación.
La polarización
corresponde a la dirección del vector del campo eléctrico.
Si imaginamos una
antena dipolo alineada verticalmente (un alambre recto), los electrones sólo se
podrán mover verticalmente, pues no hay espacio para que se muevan
horizontalmente hacia los lados, por consiguiente el campo eléctrico será
siempre vertical, hacia arriba o hacia abajo. La energía que se desprende del
alambre y viaja como una onda tiene una polarización estrictamente lineal, y en
este caso, vertical.
Si, en cambio, apoyamos
la misma antena sobre una mesa de madera horizontalmente, la radiación desprendida
tendrá polarización lineal horizontal.
La polarización de una
antena corresponde a la polarización de los campos irradiados por esta,
evaluados en un campo lejano. Normalmente se clasifican en Polarización lineal
o circular. Es importante hacer esta clasificación ya que por ejemplo una
antena con polarización horizontal no se podrá comunicar con una vertical. Por
reciprocidad las antenas deben transmitir y recibir de la misma manera. Si dos
antenas linealmente polarizadas están rotadas en un cierto ángulo, habrá una
pérdida de potencia dada por la expresión PLF (factor de pérdida por
polarización).
Esto explica cuando uno
llama por teléfono, a veces moviéndolo puede aumentar la recepción. Para el
caso de polarización circular esta es usada más en GPS ya que no existen
pérdidas por acoplamiento al usar dos antenas de polarización circular.
IMPERMEABILIZACIÓN DE LAS ANTENAS
La mayor parte de los
problemas de las antenas son causados por el agua que penetra en los conectores
del cable coaxial que se aflojan debido a la vibración, permitiendo la
penetración de humedad en la interfaz del conector.
Para proteger de la
humedad las conexiones externas hay que aplicar varias capas de cinta de caucho
vulcanizadora sobre la conexión y luego recubrir con cinta eléctrica de buena
calidad (resistente a la baja temperatura y a los rayos UV).
APLICACIÓN
Ø 3 capas de Cinta aislante negra (seguir el sentido
de ajuste del conector).
Ø 3 capas de cinta vulcanizante.
Ø 3 capas de cinta aislante negra.
Ø 2 bridas sobre la cinta aislante.
