Tabla de caracteristicas de los principales cables coaxiales

Tabla de caracteristicas de los principales cables coaxiales
Características de los Cables Coaxiales
Atenuación en decibelios por cada 100 mts
Tensión
Factor Aislan.
pF Por
Coaxial Ohm
Máx
50 100 200 400
Diam.
Veloc Dieléc.
Metro 10
1 Ghz 3 Ghz
RMS
Mhz Mhz mhz Mhz Mhz
en mm
RG
50 0,66 Esp PE -------- 93,50 2,72 6,23 8,85 13,50 19,40 32,15 75,50
8,30
-5
RG
75 0,66 Esp PE -------- 61,60 2,72 6,23 8,85 13,50 19,40 32,15 75,50
8,50
-6
RG
52 0,66 PE
4.000
97 1,80 4,27 6,23 8,86 13,50 26,30 52,50 10,30
-8
RG
51 0,66 PE
4.000
98 2,17 4,92 7,55 10,80 16,40 28,90 59,00 10,70
-9
RG
52 0,66 -------- -------- 100 1,80 4,25 6,25 8,85 13,50 26,30 52,50 12,00
-10
RG
75 0,66 Esp PE
4.000
67 2,18 5,25 7,55 10,80 15,80 25,60 54,00 10,30
-11
RG
75 0,66 PE
4.000
67 2,18 5,25 7,55 10,80 15,80 25,60 54,00 12,00
-12
RG
74 0,66 -------- -------67 2,18 5,25 7,55 10,80 15,80 25,60 54,00 10,70
-13
RG
52 0,66 -------- -------- 98,40 1,35 3,28 4,60 6,55 10,20 18,00 41,00 13,90
-14
RG
52 0,66 PE
11.000
67 0,80 2,05 3,15 4,90 7,85 14,40 31,10 22,10
-17
RG
52 0,66 -------- -------- 100 0,80 2,05 3,15 4,90 7,85 14,40 31,10 24,00
-18
RG
52 0,66 -------- -------- 100 0,55 1,50 2,30 3,70 6,05 11,80 25,30 28,50
-19
RG
52 0,66 -------- -------- 100 0,55 1,50 2,30 3,70 6,05 11,80 25,30 30,40
-20
RG
53 0,66 -------- -------98 14,40 30,50 47,70 59,00 85,30 141,00 279,00
8,50
-21
RG
75 0,66 -------- -------67 1,05 2,79 4,60 6,90 10,80 19,00 52,50 15,90
-34
RG
75 0,66 -------- -------67 0,80 1,90 2,80 4,15 6,40 11,50 28,20 24,00
-35
RG
53,50 0,66 PE
1.900
93 3,94 10,50 15,80 23,00 32,80 54,10 100,00
5,30
-55
RG
50 0,66 PE
1.900
93 4,60 10,80 16,10 24,30 39,40 78,70 177,00
5,00
-58
RG
73 0,66 PE
600
69 3,60 7,85 11,20 16,10 23,00 39,40 87,00
6,20
-59
RG
52 0,66 -------- -------98 1,35 3,28 4,59 6,56 10,70 18,00 41,00 15,70
-74
RG
50 0,66 -------- -------- ------ 5,58 14,80 23,00 36,10 54,10 95,10 187,00
4,10
-122
RG
50 0,70 PTFE
1.900
96 3,60 8,85 12,80 18,50 26,30 44,25 88,60
4,90
-142
RG
50 0,66 PTFE
1.500 101 12,80 21,70 29,20 39,40 57,40 98,40 210,00
2,60
-174
RG
50 0,66 -------- -------- ------ 0,70 2,03 3,12 4,92 7,85 14,40 31,20 22,70
-177
RG
50 0,69 -------- -------- ------ 18,40 34,50 45,90 63,30 91,90 151,00 279,00
1,90
-178
RG
-179
RG
-180
RG
-187
RG
-188
RG
-195
RG
-196
RG
-212
RG
-213
RG
-214
RG
-215
RG
-216
RG
-217
RG
-218
RG
-219
RG
-220
RG
-221
RG
-222
RG
-223
RG
-302
RG
-303
RG
-316
NOTAS
75
0,69 --------
-------- ------ 17,40 27,90 32,80 41,00 52,50 78,70 144,00
2,50
95
0,69 --------
-------- ------ 10,80 15,10 18,70 24,90 35,50 55,80 115,00
3,70
75
0,69 --------
-------- ------ 17,40 27,90 32,80 41,00 52,50 78,70 144,00
2,80
50
0,69 --------
-------- ------ 19,70 31,50 37,40 46,60 54,80 102,00 197,00
2,80
95
0,69 --------
-------- ------ 10,80 15,10 18,70 24,90 35,40 55,80 115,00
3,90
50
0,69 --------
-------- ------ 18,40 34,50 45,20 62,30 91,90 151,00 279,00
2,00
50
0,66 --------
-------- ------ 2,72 6,23 8,86 13,50 19,40 32,20 75,50
8,50
50
0,66
PE
5.000
101 1,80 4,30 6,25 8,85 13,50 26,30 52,50
10,30
50
0,66
PE
5.000
101 2,15 4,95 7,55 10,80 16,40 28,90 59,00
10,80
50
0,66
PE
5.000
101 1,80 4,30 8,20 8,85 13,50 26,30 52,50
10,30
75
0,66
PE
5.000
67 2,15 5,25 7,55 10,80 15,80 25,60 54,10
10,80
50
0,66 --------
-------- ------ 1,35 3,30 4,60 6,55 10,20 18,00 40,50
13,80
50
0,66 --------
--------
96 0,80 2,05 3,10 4,90 7,85 14,40 31,20
22,10
50
0,66 --------
-------- ------ 0,80 2,05 3,10 4,90 7,85 14,40 31,20
24,00
50
0,66 --------
--------
96 0,55 1,50 2,30 3,70 6,10 11,80 25,50
28,50
50
0,66 --------
-------- ------ 0,55 1,50 2,30 3,70 6,10 11,80 25,50
30,40
50
0,66 --------
-------- ------ 14,40 30,50 42,70 59,10 85,30 141,00 279,00
8,50
50
0,66
75
PE
1.900
101 3,95 10,50 15,80 23,00 32,80 54,10 100,00
5,40
0,69 --------
-------- ------ 1,50 4,00 10,80 15,40 22,60 41,90 85,25
5,30
50
0,69 --------
-------- ------ 3,61 8,86 12,80 18,50 26,30 44,30 88,60
4,30
50
0,69 --------
-------- ------ 19,70 31,50 37,40 46,60 54,80 102,00 197,00
2,60
PE = Polietileno
Esp.PE = Espuma de Polietileno
PTFE = Teflón (Politetrafluoroetileno)
RG-214 y RG-223 = Con doble protección (Doble apantallado)
Resonancia Eléctrica
La resonancia eléctrica es un fenómeno que se produce en un circuito en el que existen
elementos reactivos (bobinas y capacitores) cuando es recorrido por una corriente alterna de una
frecuencia tal que hace que las reactancias se anulen, en el caso de estar ambos en serie o se haga
infinita si están en paralelo.
Resonancia en circuito RLC (resistencia, inductor, capacitor) en serie
Cuando se conecta un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en serie, alimentado por
una señal alterna (fuente de tensión de corriente alterna), hay un efecto de ésta en cada uno de los
componentes.
En el condensador aparecerá una reactancia capacitiva, y en la bobina una reactancia inductiva,
dadas por las siguientes fórmulas:
XL = 2 . π . f . L
XL = ω . L
XC = 1 / (2 . π . f . C)
XC = 1 / (ω . C)
VL
Donde:
π = 3.14159
f = frecuencia en Hertz
L = Valor de la bobina en henrios
C = Valor del condensador en faradios
ω = 2.π.f
VR
I
VC
Como se puede ver los valores de estas reactancias depende de la frecuencia de la fuente. A
mayor frecuencia, XL es mayor, pero XC es menor y viceversa.
En un circuito RLC serie, la corriente que recorre el circuito es la misma en los tres elementos,
por lo que la tensión en la resistencia está en fase con la corriente, la tensión en la bobina esta
adelantada 90° con respecto a la corriente y el voltaje en el condensador está atrasado en 90°.
Como todos los elementos de una conexión en serie tienen la misma corriente, se puede
encontrar el voltaje en cada elemento con ayuda de la Ley de Ohm Así:
Vr = I . R
Vl = I . XL
Vc = I . XC
VL
VR
I
I
VC
I
Hay una frecuencia para la cual el valor de la XC y XL son iguales. Esta frecuencia se llama
frecuencia de resonancia y se obtiene de la siguiente fórmula:
En resonancia como los valores de XC y XL son iguales, se cancelan y en un circuito RLC en
serie la impedancia (Z) que ve la fuente es el valor de la resistencia (Generalmente muy baja).
A frecuencias menores a la de resonancia, el valor de la reactancia capacitiva es grande y la
impedancia (Z) es capacitiva.
A frecuencias superiores a la de resonancia, el valor de la reactancia inductiva crece y la
impedancia (Z) es inductiva.
Nota: es importante visualizar que los efectos de la reactancia capacitiva y la inductiva son
opuestos, es por eso que se cancelan y causan la oscilación (resonancia)
El ancho de banda (BW)
Los circuitos resonantes son utilizados para seleccionar bandas de frecuencias y para rechazar
otras.
Cuando se está en la frecuencia de resonancia la corriente por el circuito es máxima.
-3dB
__
=√2
En la figura: A una corriente menor (70.7% de la máxima), la frecuencia F1 se llama frecuencia
baja de corte o frecuencia de corte inferior. La frecuencia alta de corte o frecuencia de corte
superior es F2. El ancho de banda de este circuito está entre estas dos frecuencias y se obtiene
con la siguiente fórmula:
Ancho Banda ( β ) = BW = F2 - F1
El factor de calidad (Q) o factor Q es:
Q = XL / R o XC / R
También relacionándolo con el Ancho Banda:
Q = frecuencia de resonancia / Ancho de banda = FR / BW
Se puede observar que el factor de calidad es mejor cuando disminuye el ancho de banda y el
circuito es más selectivo.
Curvas de decrecimiento de la intensidad por efecto resistivo en un circuito resonante serie.
Resonancia en circuito RLC (resistencia - condensador - bobina) en paralelo
Cuando se conecta un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en paralelo, alimentado
por una señal alterna (fuente de tensión de corriente alterna), hay un efecto de ésta en cada uno
de los componentes.
En el condensador o capacitor aparecerá una reactancia capacitiva, y en la bobina o inductor una
reactancia inductiva, dadas por las siguientes fórmulas:
XL = 2 . π . f . L
XL = ω . L
XC = 1 / (2 . π . f . C)
XC = 1 / (ω . C)
Donde:
π = 3.14159
f = frecuencia en Hertz
L = Valor de la bobina o en henrios
C = Valor del condensador en faradios
ω = 2.π.f
IC
IR
V
IL
Como se puede ver los valores de estas reactancias depende de la frecuencia de la fuente.
A mayor frecuencia XL es mayor, pero XC es menor y viceversa. Hay una frecuencia para la
cual el valor de la XC y XL son iguales. Esta frecuencia se llama: frecuencia de resonancia y se
obtiene de la siguiente fórmula:
En resonancia como los valores de XC y XL son iguales, se cancelan y en un circuito RLC en
paralelo la impedancia (Z) que ve la fuente es el valor de la resistencia (generalmente muy alta).
A frecuencias menores a la de resonancia, el valor de la reactancia capacitiva es alta y la
inductiva es baja.
A frecuencias superiores a la de resonancia, el valor de la reactancia inductiva es alta y la
capacitiva baja.
Como todos los elementos de una conexión en paralelo tienen el mismo voltaje, se puede
encontrar la corriente en cada elemento con ayuda de la Ley de Ohm. Así:
IR = V / R
IL = V / XL
IC = V / XC
IC
IR
V
V
V
IL
La corriente en la resistencia está en fase con la tensión, la corriente en la bobina esta atrasada
90° con respecto al voltaje y la corriente en el condensador está adelantada en 90°.
Nota: Es importante visualizar que los efectos de la reactancia capacitiva y la inductiva son
opuestos, es por eso que se cancelan y causan la oscilación (resonancia)
El ancho de banda (BW)
Los circuitos resonantes son utilizados para seleccionar bandas de frecuencias y para rechazar
otras.
Cuando se está en la frecuencia de resonancia en un circuito resonante paralelo, la tensión en el
circuito es máxima.
__
=√2
-3dB
En la figura: B la frecuencia F1 (tensión igual al 70.7% de la máxima), se la llama frecuencia de
corte inferior. La frecuencia alta de corte o frecuencia de corte superior es F2.
El ancho de banda de este circuito está entre estas dos frecuencias y se obtiene con la siguiente
fórmula:
Ancho Banda ( β ) = BW = F2 - F1
El factor de calidad (Q) o factor Q en un circuito RLC paralelo es:
Q = RP / XC o RP / XL
También la relacionándolo con el Ancho Banda:
Q = frecuencia de resonancia / Ancho de banda = FR / BW
Se puede observar que el factor de calidad es mejor cuando disminuye el ancho de banda y el
circuito es más selectivo.
Resumen
Circuitos acoplados
Para acoplar dos amplificadores normalmente se requiere de una red de acoplamiento, que
seleccione una señal de una frecuencia determinada para ser amplificada.
por otra parte la red de acoplamiento deberá transformar la impedancia de tal manera que la
impedancia de carga sea óptima tanto para la etapa que actúa como generadora como para la entrada
de la etapa receptora.
El circuito mas elemental de acoplamiento es el de resonancia en paralelo, que ofrece una
impedancia alta a la frecuencia de resonancia y baja mas allá de los puntos de potencia media.
Existen dos tipos de acoplamiento entre circuitos sintonizados paralelos, el acoplamiento inductivo
y el capacitivo.
Acoplamiento inductivo
Considérese el esquema de la figura 1, en el que el circuito sintonizado L1-C1 está acoplado
inductivamente con un segundo circuito sintonizado L2-C2. La respuesta en frecuencia de dicho
circuito, evaluado como Vout /Vin al variar la frecuencia, depende de manera considerable del
coeficiente de acoplamiento K entre el primario L1 y el secundario L2.
Fig. 1 Acoplamiento inductivo de
circuitos sintonizados
Fig. 2 respuesta de frecuencia
El coeficiente de acoplamiento K es definido por la razón:
Donde M = inducción mutua.
Al variar K (es decir, M) varía la respuesta en frecuencia del circuito, como se muestra en la fig. 2
como se puede observar a través de las curvas, la respuestas tienen dos picos diferentes (aunque el
circuito primario y el secundario estén sintonizados en la misma frecuencia) si K es superior a un
valor crítico Kc, definido por:
Con Q1 y Q2 coeficientes de calidad (de igual valor) del primario y el secundario. Si K=Kc, la
respuestas toma la forma de campana típica de un solo circuito sintonizado.
El circuito de la fig. 1 se puede utilizar para realizar filtros pasa banda simples; en condiciones de
acoplamiento crítico (K=Kc) la respuesta del circuito es llana con lados suficientemente empinados,
ciertamente mejor que la respuesta de un solo circuito sintonizado y la frecuencia central del filtro
resulta:
y la banda pasante
El ancho de banda puede variarse si el primario y el secundario se sintonizan a frecuencias distintas.
Acoplamiento Capacitivo
Resultados análogos a los del acoplamiento inductivo se pueden obtener acoplando capacitivamente
dos circuitos sintonizados. Si C es pequeña se obtendrá un acoplamiento bajo y un solo pico de la
curva de respuesta, mientras que si C es grande el acoplamiento es alto y se obtendrán dos picos.
Fig.3 Filtro pasa banda con doble
circuito sintonizado
Fig 4
Acoplamiento capacitivo
de circuitos sintonizados
Consideraciones prácticas
Considerando un circuito de doble sintonía sincrónica, es decir, que ambos circuitos están
sintonizados a la misma frecuencia, tendrá una secuencia ordenada de ajuste para obtener el
comportamiento deseado del circuito. las variables de circuito a ajustar son:
1- frecuencia de resonancia del primario.
2- frecuencia de resonancia del secundario
3- acoplamiento entre el primario y el secundario.
4- resistencia de carga del secundario
Para hacer estos ajustes en forma conveniente se deben realizar con un osciloscopio y un generador
de barrido o analizador de espectro con generador de tracking y observando la variación de la curva
que se está ajustando.
Fig. 5
Curvas de respuesta de amplitud de los circuitos de sintonía doble.
Adaptación de impedancias
Otro tema que se debe tener en cuenta es la adaptación de impedancia, para obtener la máxima
transferencia de energía o el mínimo ruido. Esto se consigue eligiendo un punto de salida o entrada
en los devanados, utilizándolos como auto transformador.
Relación de vueltas óptima =
Fig. 6 Ejemplo de adaptación de una baja impedancia de entrada a una alta impedancia de salida.
FILTROS ELÉCTRICOS
El término filtro eléctrico define un cuadripolo que tiene la propiedad de dejar pasar determinadas
frecuencias y eliminar otras. Se definen cuatro categorías de filtros:
Pasa bajos, Pasa altos, pasa banda, y supresor de banda .
Filtro pasa bajo (PB) Sólo permiten el paso a frecuencias inferiores a la de corte fc, y atenúan las
frecuencias mayores que fc . En la figura, se muestra la respuesta de un filtro pasa bajos.
Símbolo
Gráficas de la ganancia en función de la
frecuencia para un filtro pasa bajo
circuito L
circuito PI
circuito T
Filtro pasa alto (PA) El filtro pasa alto se caracteriza por permitir el paso de aquellas frecuencias
superiores a una frecuencia límite fc y atenuar las frecuencias menores que fc. En la figura se
encuentra la respuesta del filtro.
Símbolo
Gráfica de la ganancia en función de la
frecuencia para un filtro pasa alto.
circuito L
circuito PI
circuito T
Filtro pasa banda (PF) Permite el paso de frecuencias que se encuentran en una banda delimitada
por una frecuencia de corte inferior fc1 y otra superior fc2, como es lógico las frecuencias situadas por
fuera de ésta banda quedan atenuadas. En la figura se encuentra la respuesta del filtro.
Símbolo
Gráfica de la ganancia en función de la
frecuencia para un filtro pasa banda
circuito PI
circuito T
Filtro eliminador o supresor de banda (RF)
Permite el paso de las frecuencias no situadas en la banda, delimitada por la frecuencia de corte inferior
fc1 y la frecuencia de corte superior fc2, es decir la frecuencias contenidas en la banda son atenuadas. En
la figura se encuentra la respuesta del filtro.
Gráfica de la ganancia en función de la frecuencia para un filtro eliminador de banda.
Símbolo
circuito PI
circuito T
Parámetros característicos de los filtros
Perdida de inserción: es la razón entre la amplitud de las frecuencias deseadas antes y después de la
conexión del filtro.
Rechazo: es la razón entre la amplitud de las frecuencias indeseadas antes y después de la conexión
del filtro.
Frecuencia de corte: Es la frecuencia a la que le corresponde una atenuación de 3 dB de atenuación y
la frecuencia (o las frecuencias) de atenuación.
Ancho de banda : Es la banda existente entre las frecuencias de corte inferior Fc1 y superior Fc2 de un
filtro pasa banda o supresor de banda.
Factor Q: Es la razón entre la frecuencia central f0 y el ancho de banda B de un filtro pasa banda o
supresor de banda. Q= F0/B
Factor de forma: es la razón entre la banda en -60dB y la banda en -6dB. F=B (-60dB)/ B(-6dB). A
veces se hace referencia a la banda en -3dB, obteniendo: =B (-60dB)/ B(-3dB)
Impedancia: es el valor de las impedancias de entrada y de salida del filtro.
Orden de un filtro: Es frecuente que los filtros tengan que cumplir con especificaciones que una sola
celda no puede cumplir, para ello se puede agregar mas elementos y se dice que son de un orden
superior (filtros de 3er orden, de 4to orden, etc.), cuantos mas elementos use el filtro mas se acercará a
la condición ideal.
Tipos de Filtros
Para cada uno de los filtros vistos hay una formula de calculo diferente con resultados prácticos
diferentes.
A continuación veremos los distintos tipos de filtros según su forma de calculo y sus principales
características. (Por simplificación se muestran únicamente los pasabajos)
Butterworth (maxima respuesta plana):
pendiente = 20n dB/decada.
donde n es el orden del filtro.
Bessel -corrrimiento lineal en fase
Chebyshev: con rizado en la banda de paso
El número de rizos es de n/2.
Inverse Chebyshev: con rizado en la stopband.
(fuera de la banda de paso)
Elliptic: con transición optimizada, mayor pendiente
Calculo de filtros
Los filtros de orden alto son costosos y difíciles de construir, por lo que se utiliza la menor cantidad de
celdas que cumpla con los requisitos de diseño, por lo que común hablar de frecuencia de paso (Apass) o
frecuencia de corte (fc) a -3dB, y de frecuencia de rechazo (Astop) con la atenuación o perdida que
pretendemos (normalmente a -20dB).
El ejemplo anterior corresponde a un filtro Butterworth, con respuesta plana en la banda de paso. Si se
admite algún rizado se puede utilizar el filtro Chesbysev, y donde se requiera un corte más abrupto se
utilizara un filtro Cauer (elíptico).
Como las formulas de calculo son complejas recomiendo utilizar programas especializados como Filter
Design, o el programa de simulación Qucs. Ambos recursos son libres.
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 de conductores paralelos
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 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 Aplicación usual
de datos
CAT 1
Hasta 1 Mbps
Voz análoga (telefonía tradicional)
Portero eléctrico
Hasta 4 Mbps
Sistema de cableado de IBM para redes Token Ring
CAT 2
Hasta 16 Mbps
Transmisión de voz y datos sobre Ethernet 10BASE-T
CAT 3
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
Hasta 100 Mbps
Transmisión de voz y datos sobre Ethernet 10BASE-T, 100BASE-T4
CAT 5
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 mas 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). 0 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
•
Es cualquier sistema de conductores, semiconductores, o la combinación de ambos, que
puede emplearse para transmitir información, en la forma de energía eléctrica o
electromagnética entre dos puntos.
•
Son circuitos 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
R
L
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.
Existe pérdida de potencia a medida que las corrientes de línea fluyen por los conductores. La
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 para altas frecuencias, ya que 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, 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.
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 electromagnetica 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
(nepers por metro)
Coeficiente de desplazamiento de fase
(radianes por metro)
La constante de propagación es una cantidad compleja definida por
Ya que un desplazamiento de fase de 2 rad 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 vació, la relación E/Er,).
La constante dieléctrica es simplemente la permeabilidad relativa del material. La constante
dieléctrica relativa del aire es 1.0006. 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 para varias configuraciones comunes para líneas de
transmisión se indican en la tabla 8-1.
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
Por lo tanto,
Substituyendo el tiempo da
Si la distancia se normaliza a 1 m, 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 = 5 cm; la línea es de 200 longitudes de onda de longitud).
Pérdidad 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 perdidas a
continuación haré una breve descripción de ellas.
ideal
v(z)
real
Pérdidas a lo largo de una Línea ideal y una línea real
Pérdida del Conductor: Como todos los materiales conductores tienen cierta resistencia finita, hay
una perdida 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.
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.
Fig: 14
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 (oscilara), 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 gamma, Г, definido por:
o también:
Relacion de Onda Estacionaria (ROE) (SWR)
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 compensación entre la impedancia de carga y la impedancia
característica de la línea de transmisión.
La ecuación correspondiente es :
Γ =
SWR − 1
SWR + 1
ROE = SWR =
V max
(Adimensional)
V min
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= SWR =
V max Ei + Er
=
V min Ei − Er
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 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:
1. La onda incidente de voltaje se refleja de nuevo exactamente como si fuera a continuar (o
sea, sin inversión de fase).
2. La onda incidente de la corriente se refleja nuevamente 180ª de como habría continuado.
3. La suma de las formas de ondas de corriente reflejada e incidente es mínima a circuito
abierto.
4. La suma de las formas de ondas de corriente 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 1800 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 puede resumir como sigue:
La onda estacionaria de voltaje se refleja hacia atrás 180 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 incidentes y reflejadas es máxima en el corto.
La suma de las formas de ondas 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).
Calculos
Para calcular la Zo de una linea de transmisión de conductores paralelos utilizamos la formula:
Zo= 276 * Log 2s
√ εr
d
s = Separación de los conductores
d = Diámetro de los conductores
εr = constante dieléctrica
Para calcular la Zo de una linea de transmisión coaxil utilizamos la formula:
d = Diámetro del conductor central
D = Diámetro de la malla externa
εr = constante dieléctrica
Zo = 138 * Log (D / d)
√ εr
Antenas
Conocimientos básicos
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:
λ = 300.000 Km./2.400.000.000 c/s= 0,000125 Km, o lo que es lo mismo = 12,5 cm
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.
Impedancia de entrada
Para una transferencia de energía eficiente, la impedancia del radio, 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
Radiador Isotrópico
1/4 de onda con
plano de tierra
Dipolo de 1/2 onda
Vertical 5/8 de onda
Cuadro de un
elemento (Loop)
Yagui 2 elementos
Yagui 3 elementos
Yagui 4 elementos
Cuadro de 2
elementos
Cuadro de 3
elementos
Yagui 5 elementos
DECIBELIOS DE GANANCIA
SOBRE UN DIPOLO DE ½ ONDA
dB
DECIBELIOS DE GANANCIA SOBRE UN
RADIADOR ISOTRÓPICO
dBi
-2,14
0
-1,14
1
0
1,2
2,14
3,3
2
4,1
5
8
10
7,1
10,1
12,1
7
9,1
10,0
12,1
12,0
14,1
Tabla de ganancia de antenas comunes
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.
Diagrama polar lineal
Diagrama polar logarítmico de la misma antena Yagi.
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 d2
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 Agunos 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.
Antena de un cuarto de longitud de onda con plano de tierra.
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.
Antena bocina hecha con una lata de comida.
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 tiene unidades de Ohms y representa la oposición al flujo de energía electromagnética
en el espacio libre. Es la impedancia intrínseca del espacio libre, Z0 aprox. = 377 Ohms.
Z0 también es igual a la raíz cuadrada del producto de µ0 ε0 (Revisar apuntes).
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.