ANTENAS Y LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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

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. 

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