Temas 22.9 y 22.10

TEMA 22
Secciones 9 y 10
TRANSMISIONES Y
COMUNICACIONES
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Tema 22. 9
ANTENAS
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Generalidades de antenas
ANTENA: Dispositivo (conductor o sistema de conductores) diseñado con
el objetivo de emitir o recibir energía electromagnéticas hacia/desde el
espacio libre.
Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y
una receptora realiza la función inversa.
Las antenas de transmisión y recepción tienen idénticas características de
comportamiento, por lo que la misma antena puede hacer de emisora y de
receptora. Esta capacidad para cambiar de uso funcional, se denomina
reciprocidad.
Cuanto mas eficiente es una antena para transmitir, también lo es para
recibir.
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Componentes de antenas
Elemento radiante: es la parte del sistema de antena que transforma una
corriente de radiofrecuencia en ondas electromagnéticas, que se propagan
por el espacio.
Elemento receptor: recíprocamente, en una instalación de recepción, es
la parte del sistema de antena que recoge parte de la energía
electromagnética y la convierte en corriente de radiofrecuencia.
Línea de transmisión: El elemento radiante (o el receptor) está conectado
con el transmisor (o receptor) por una línea de interconexión.
La misión de la línea de transmisión es recoger la energía donde se produce y
llevarla al sitio donde hay que utilizarla, con el mínimo de pérdidas.
La línea de transmisión debe tener una impedancia característica, definida de cara
a transmitir la máxima energía (mínimas pérdidas)
Tipos: Línea de dos hilos, par apantallado, línea coaxial, guía de ondas, etc.
Otros elementos: Adaptadores impedancia (C, L) y conmutadores de antena
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LA RADIACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Los campos eléctrico (E), y magnético
(H ó B), están desfasados 90º en el
espacio y en fase en el tiempo, y por
lo tanto se desplazan formando una
señal, tridimensional, donde la línea
horizontal
corresponde
a
la
componente magnética y la línea
vertical corresponde a la componente
eléctrica.
Longitud de onda
𝐸𝐸 × 𝐵𝐵 nos da
la dirección de
propagación
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COMPONENTES ELÉCTRICO Y MAGNÉTICOS EN LA
ONDA EMITIDA POR UNA ANTENA
• Cuando la señal llega a la antena, en
ésta se crea un campo magnético que
es circular en plano perpendicular a la
antena, siendo más intenso en el centro
y menos intenso en los extremos.
• Además, cuando la señal llega a la
antena, en ésta se crea un campo
eléctrico, que es longitudinal con la
antena, creando en un extremo de la
antena un positivo por donde salen las
líneas de fuerza, y en el otro un
negativo, por donde entran.
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Generalidades de antenas
CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS:
Las antenas se construyen a partir de conductores en forma de cables o
varillas dispuestos para proporcionar la máxima eficacia en la generación o
captación de ondas electromagnéticas.
Las características de las antenas dependen de la relación entre sus
dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia
transmitida o recibida.
Elementales: Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas
que la longitud de onda.
Resonantes: Si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda
Directivas: si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda
Las principales características de las antenas son:
–
–
–
–
Impedancia, Ganancia, Ancho de banda.
Longitud, Directividad, Polarización.
Ángulo/Diagrama de radiación.
Eficiencia.
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Características de las antenas
Impedancia: Es lo que determina la adaptación de la antena al emisor
Ganancia: Número de veces que es mayor el campo eléctrico generado en
dicha antena en la dirección mas favorable respecto al producido por otra
que se toma como referencia. Se mide en decibelios (dBi).
Ancho de Banda: Es el rango de frecuencias dentro de las que funciona
satisfactoriamente
Longitud de la antena: Relacionada con las frecuencias de trabajo. A
frecuencias altas longitud menor
Directividad:
La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la
intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la
intensidad de radiación de una antena isotrópica (radia igual en todas direcciones)
que radiase con la misma potencia total.
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Características de las antenas
POLARIZACIÓN:
La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el
extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo.
Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina linealmente
polarizada (vertical u horizontal), si es un círculo circularmente
polarizada y si, por último la figura trazada es una elipse se denomina
elípticamente polarizada.
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POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS
La polarización del frente de onda de radio, constituye un aspecto
importante para la transmisión y recepción de las señales de radio.
La polarización de las ondas está determinada por la dirección del
campo eléctrico de la onda con respecto a la superficie de la tierra.
La posición de la antena emisora determina el tipo de polarización de la
onda de radio:
𝐸𝐸
𝐵𝐵
𝐵𝐵
𝐸𝐸
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Angulo de radiación: ángulo vertical en el que una antena emite/recibe la
máxima intensidad del campo eléctrico
Diagrama de radiación:
Representación gráfica de la radiación de una antena, en función de la
dirección (coordenadas en azimut y elevación).
Según el diagrama de radiación podemos clasificar las antenas: isotrópicas,
directivas, bidireccionales, omnidireccional).
Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:
• Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación, directividad y
ganancia.
• Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima
radiación.
• Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al
principal.
• Ancho de haz: Es el margen angular en las que el diagrama de radiación
toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, que la potencia
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radiada se reduce a la mitad.
Diagrama de radiación:
Omnidireccional: p.e. emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos
móviles
Direccionales, que canalizan la potencia en una dirección y no interfieren en otros
servicios (p.e. antenas de radio-enlaces entre estaciones).
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Generalidades de antenas
Tierra:
Se comporta como un espejo para cualquier antena y también radia:
Efecto espejo.
Así, una antena de cuarto de onda conectada al suelo se comporta como
una antena de media onda.
Onda incidente: Es la que llega al elemento radiante procedente del
generador de RF
Ondas estacionarias, ROE (Relación de onda estacionaria) Son las ondas
que no se propagan y vuelven al generador. Ocurre cuando las
impedancias de generador y antena no están acopladas…
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Ondas estacionarias de la antena:
A lo largo de la antena excitada, se producen diferentes valores de
corriente en toda su longitud.
Estos valores pueden asemejarse a una señal sinusoidal, de tal modo que
la longitud de la señal, equivale a la longitud de transmisión ideal de la
antena para una frecuencia dada.
FRECUENCIA DE RESONANCIA DE UNA ANTENA:
A cada nodo de intensidad, le corresponde un vientre de tensión, y a cada
vientre de intensidad un nodo de tensión. A este sistema de nodos y vientres
se denomina distribución de ondas estacionarias.
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Transferencia de potencia máxima:
Si se quiere transmitir la máxima potencia, la antena debe estar en
resonancia con el transmisor, generándose de este modo la máxima
corriente en la antena. Impedancia resonante…..
La corriente de antena es una corriente alterna que fluye de un lado a otro
de la antena con la frecuencia de salida del transmisor. La antena actúa
como un circuito resonante serie.
Eficiencia:
Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena.
También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.
Excitación de la antena
Se dice que una antena transmisora está excitada cuando es alimentada
por la salida eléctrica de un transmisor. La excitación de la antena crea una
corriente de antena, que a su vez hace que se radien ondas a la atmósfera.
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TIPOS DE ANTENAS TRANSMISORAS
Las dos categorías principales son la de media onda y la de cuarto de
onda.
En las antenas con un polo a tierra (antenas
Marconi), se produce un sólo nodo de
intensidad (vientre de tensión) en el extremo de
antena. Y viceversa en el plano de referencia
de la puesta a tierra: cuarto de onda.
En antenas verticales u horizontales no unidas
a tierra, la oscilación fundamental se establece
para el semiperíodo, por lo que se llaman
antenas de media onda.
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TIPOS DE ANTENAS TRANSMISORAS
EJECUCIÓN ANTENA DE MEDIA ONDA:
Tiene una longitud igual a la mitad de la longitud de onda de la señal
que se quiere irradiar. También se denomina antena dipolo.
Normalmente, está alimentada en su punto central.
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VARIACIONES en RADIACIÓN DE ANTENA MEDIA ONDA
Cuando tenemos una antena de media onda horizontal, alimentada por el
centro, la radiación resultante es una radiación bidireccional, hacia delante y
hacia detrás de la antena.
Cuando tenemos una antena de media onda vertical, alimentada en el centro,
la radiación resultante es una radiación omnidireccional, alrededor de la
antena.
Cuando una antena de media onda la alimentamos, con el doble de la
frecuencia de resonancia (Armónico), resulta una antena de onda completa. La
alimentación de esta antena equivalente se ha de realizar a 1/4 de la longitud
de la antena desde cualquier extremo.
Si la alimentamos con un tercer armónico, (el triple), se obtiene una antena de
1,5 longitudes de onda. La alimentación de esta antena se realiza por su punto
central.
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SISTEMA DE ANTENAS con ELEMENTOS
Para eliminar o reducir las interferencias se necesita que la dirección y
el ancho de banda de una onda radiada queden dentro de unos límites
mas estrechos. De esta forma la potencia radiada se dirige hacia una
estación receptora especifica, y se pierde muy poca energía.
SISTEMAS PARÁSITOS
Detrás de la antena de media onda se coloca un elemento de las
mismas características que la antena, pero que no lleva ningún tipo de
alimentación, denominado elemento parásito.
Cuando la antena radia energía de forma bidireccional, en el elemento
parásito se induce una tensión que a su vez induce una radiación, que
vuelve a ir en dirección hacia el elemento activo de la antena, de tal
modo que aumenta la radiación de la antena en dirección hacia
delante. El elemento parásito actúa de reflector de la señal que emite
la antena, con lo que se obtiene una gran directividad de la antena y
una mayor radiación hacia delante.
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SISTEMA DE ANTENAS CON ELEMENTOS
ANTENA YAGI
La
antena
Yagi
emplea
elementos parásitos, unos
colocados delante (reflectores)
y otros detrás (directores) del
elemento activo de la antena
Condiciones para el buen funcionamiento de esta antena:
• el elemento activo ha de ser exactamente resonante a media onda
de la radiación
• los elementos reflectores han de ser mayores de media onda
• los elementos directores han de ser más cortos de media onda
• todos los elementos se han de conectar en paralelo.
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SISTEMA DE ANTENAS CON ELEMENTOS
EL DIPOLO PLEGADO
El dipolo plegado es igual que el dipolo simple solamente que éste tiene otro
conductor activo en paralelo de la misma longitud que el dipolo original. El
dipolo plegado se utiliza cuando necesitamos tener en una instalación una
resistencia de radiación de valor elevado, cosa que con la antena Yagi no se
consigue..
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SISTEMA DE ANTENAS CON ELEMENTOS
ANTENA PARABÓLICA
Se trata de una antena de alta
ganancia, utilizada para la
recepción y transmisión de
señales de UHF y microondas.
Consta de un elemento activo u
otra forma de dispositivo de
radiación y un gran receptor
esférico o parabólico.
El elemento activo se coloca en el
punto focal del reflector.
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ANTENAS RECEPTORAS
Antena sintonizada
Es un tipo de antena que ofrece un alto grado de selectividad y cierta
supresión de ruidos, las antenas receptoras sintonizadas más comunes
son de núcleo de ferrita y de cuadro, y ambas se pueden utilizar para
frecuencias desde 10 kHz hasta 30 MHz, con buenos resultados.
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Tema 22. 10
FUENTES DE ALIMENTACIÓN
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Las fuentes de alimentación son las que suministran la energía
necesaria y con los niveles adecuados a cada uno de los elementos
(transmisores/receptores) que componen un sistema de comunicación.
Los circuitos que componen tanto los transmisores como los
receptores, necesitan alimentarse con corriente continua, por lo que,
exceptuando los equipos portátiles, hay que transformar la tensión
alterna y rectificarla para conseguir una tensión adecuada y continua.
Deben tener la capacidad adecuada a los consumos esperados, sin
sobrecargarse.
CLASES DE ALIMENTACIÓN:
– Autónoma
– Externa
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ALIMENTACIÓN AUTÓNOMA
Proporcionada por pilas y baterías/acumuladores para que el equipo
se pueda trasladar a cualquier lugar. Este tipo de alimentación es
inherente a todos los equipos portátiles.
Alimentación mediante pilas:
Las pilas son dispositivos que, mediante la reacción química generada
en su interior, producen una tensión constante y continua.
La descarga se produce de forma paulatina según la demanda de
potencia del equipo, mucho mayor en transmisión que en recepción. La
autonomía de esta alimentación no suele ser muy grande y depende
del consumo.
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Tipos de Pilas:
– Pila de zinc-carbón.
– Pila alcalina de dióxido de manganeso.
– Pila alcalina de óxido de plata.
– Pila de mercurio.
• La alimentación a pilas suele ser muy costosa por lo que se
sustituyen por Baterías recargables…
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Baterías/Acumuladores (pilas recargables):
Dispositivos que almacenan energía eléctrica continua y la ceden cuando
se conectan a un circuito.
La gran ventaja sobre las pilas es que se pueden recargar en multitud de
ocasiones, por lo que a la larga resultan más económicos.
Tipos de acumuladores y densidad de energía :
-
Acumuladores de plomo 45 Ah a 260 Ah : 30 Wh/kg
-
Acumuladores de níquel – cadmio (400mAh tipo AAA) - 50 Wh/kg
- Niquel-hidruro metálico (850 a 1400 mAh tipo AAA) - 80 Wh/kg
- Iones de Litio 3,8 V (1500 mAh tipo móvil) - 115 Wh/kg
- Polímero de Litio (Li-Po) 3,7 V (2200 - 3700 mAh) - 130-200 Wh/kg
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ALIMENTACIÓN EXTERNA
Utiliza una fuente de alimentación que:
• Convierte la corriente alterna de la red en otra alterna de valor inferior,
mediante un transformador (o circuito electrónico)
• Rectifica y filtra para obtener corriente continua
• Estabiliza con un regulador, para evitar fluctuaciones (fuente de ruido)
• Este tipo de alimentación se utiliza para equipos o instalaciones fijas.
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Partes de una fuente de alimentación
Transformador, rectificador, filtro paso bajo (condensador o bobinas),
estabilizador (zener o regulador), protección contra sobretensiones y
sobrecargas. Señalización.
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ALIMENTACIÓN EXTERNA
Reguladores: Se suelen utilizar circuitos integrados
Ventajas:
- Tensión de salida ajustable o fija LM 7805, LM7812 (1,5 A)
- Protegidos sobrecarga térmica y contra cortocircuitos
- Montajes sencillos (pocos componentes)
- LM 317 ajustable de 1,5 a 37 V ; 1,5 A
- LM338
ajustable 1,2 V a 25 V; 5 A
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BATERIAS Y GRUPOS DE MERGENCIA
En una red de comunicaciones es muy importante asegurar el
suministro permanente de energía.
El suministro deber ser ininterrumpible aún con cortes de suministro de
la red.
Se pueden usar baterías de emergencia o grupos electrógenos.
En equipos móviles aprovechan la energía de la batería del vehículo.
El consumo es mayor en transmisión que en recepción. Siempre que
sea posible se usará la menor potencia necesaria que asegure la
comunicación (H, L)
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