Líneas de Transmisión y Antenas

Ing. Juan Borja MurilloIngeniero ElectrónicoSegunda Especialidad en Ingeniería de TelecomunicacionesMaestría en Ingeniería Industrial, mención en Gestión de la ProducciónEstudios de Doctorado en Ingeniería de la Producción. 27 años de experiencia en sistemas de telecomunicaciones y control de sistemas eléctricos de potencia.

Evolución de los Sistemas de Telecomunicaciones

1855: Teléfono Alambico 1876: Teléfono Bell 1887: Ondas Electromagnéticas 1895: Telégrafo sin hilos 1902: Radiotelefonía 1903: Transmisión de imágenes por telégrafo 1904: Válvula Electroiónica 1905: Antena de radio Marconi 1921: Telefotografía 1925: Televisión

1948: Invención del transistor 1957: Satélite Artificial 1958: Televisión a Color 1961: Comunicaciones Digitales 1975: Computadoras personales, 1977: Uso del cable de fibra óptica 1980: Telefonía Móvil 1990: GPS, Internet y World Wide Web 1991: Televisión Digital Interactiva 1999: Inicio de la Telepresencia

Evolución de los Sistemas de Telecomunicaciones

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones

Unidades Lineales

Potencia de 10 Prefijo Símbolo

12 Tera T

9 Giga G

6 Mega M

3 Kilo K

2 Hecto H

1 Deca D

Potencia de 10 Prefijo Símbolo

-1 Deci d

-2 Centi c

-3 Mili m

-6 Micro u

-9 Nano n

-12 Pico p

-15 fento f

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones

Unidades Lineales

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones

Unidades Logarítmicas

Unidades de Comparación:

P entrada Amplificador P salida

BELIO = Log (P salida / P entrada)

DECIBELIO (dB) = 10 Log (P salida / P entrada)

DECIBELIO (dB) = 20 Log (Vsal/Vent) = 20 Log (Isal/Ient)

NEPER (Np) = Ln (V salida / V entrada)

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones

Unidades Logarítmicas

Unidades de Potencia:

P entrada Amplificador P salida

Nº dBm = 10 Log (P salida / 1 mW)

Nº dBw = 10 Log (P salida / 1 W)

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones

Unidades Logarítmicas

Unidades de Tensión:

Nº dBV = 20 Log (V salida / 1 V)

Nº dBmV = 20 Log (V salida / 1 mV)

Nº dBuV = 20 Log (V salida / 1 uV)

Amplificador o

Atenuador

V ent.

V sal.

Modos de Transmision

Simplex (SX)

Half - duplex (HDX)

Full – duplex (FDX)

Full / full – duplex (F/FDX)

Designación de Bandas de CCIR

Nº de banda

Rango de frecuencia

Indicativo Propagación

2 30 – 300 Hz. ELF Onda Terrestre

3 0.3 – 3 KHz. SLF Onda Terrestre

4 3 – 30 KHz. VLF Onda Terrestre

5 30 – 300 KHz. LF Onda Terrestre y Superficial

6 0.3 – 3 MHz. MF Onda Superficial

7 3 – 30 MHz HF Onda Superficial y Ionosférica

Designación de Bandas de CCIR

Nº de banda

Rango de frecuencia

Indicativo Propagación

8 30 – 300 MHz. VHF Onda Ionosférica y Directa

9 0.3 – 3 GHz. UHF Onda Directa

10 3 – 30 GHz. SHF Onda Directa

11 30 – 300 GHz. EHF Onda Directa y Luz Infrarroja

12 0.3 – 3 THz. Luz Infrarroja

13 3 – 30 THz Luz Infrarroja

Designación de Bandas de CCIR

Nº de banda

Rango de frecuencia

Indicativo Propagación

14 30 – 300 THz. Luz Infrarroja

15 0.3 – 3 PHz. Luz Visible

16 3 – 30 PHz. Luz Ultravioleta

17 30 – 300 PHz. Rayos X

18 0.3 – 3 Ehz. Rayos Gamma

19 3 – 30 EHz Rayos Cósmicos

Medios de TransmisiónMedio de

TransmisiónLongitud de

OndaBanda de Frecuenci

as

Aplicación Principal

Par de alambres, cable multipar

10000 – 1000 Km.

30 – 300 Hz(ELF)

Comunicación Submarina

Par de alambres, cable multipar

1000 – 100 Km.

0.3 – 3 KHz(SLF o VF)

Telefonía, Transmisión de datos,Telex, Fax

Par de alambres, cable multipar, Ondas de Tierra

100 – 10 Km. 3 – 30 KHz.(VLF)

Telefonía de Onda Portadora baja capacidad, navegación y Radiotelegrafia

Par de alambres, Ondas de Tierra

10 – 1 Km. 30 – 300 KHz.(LF)

Telefonía de Onda Portadora mediana capacidad, Radiofaro Navegación, Radiodifusión onda larga.

Medios de TransmisiónMedio de

TransmisiónLongitud de Onda

Banda de Frecuencia

s

Aplicación Principal

Cable Coaxial, Ondas de Cielo

1000 – 100 m.

0.3 – 3 MHz(MF)

Radiodifusión AM, radio aficionados, radio móvil.

Cable Coaxial, cable UTP (cat. 3 y 4), Ondas de Cielo.

100 – 10 m. 3 – 30 MHz(HF)

Radio aficionados, comunicaciones militares y marítimas, radio telefonía móvil.

Cable Coaxial, cable UTP (cat. 5), Ondas Directas

10 – 1 m. 30 – 300 MHz.(VHF)

TV, radiodifusión FM, Multiacceso Radial, radio enlaces direccionales.

Ondas Directas 100 – 10 cm.

0.3 – 3 GHz.(UHF)

TV, Telemetría por radar, comunicaciones militares por satélite, telefonía celular, radio de espectro ensanchado

Trayectorias de Propagación

Ondas Terrestres y

Superficiales

Ondas de Cielo (Ionosféricas)

Ondas Directas

Ondas Reflejadas

Medios de TransmisiónMedio de

TransmisiónLongitud de Onda

Banda de Frecuencia

s

Aplicación Principal

Guía de Onda, Línea Visual.

10 – 1 cm. 3 – 30 GHz(SHF)

Comunicaciones vía satélite, radio enlace direccional analógico y digital, operación aérea por radar.

Guía de Onda, Línea Visual.

1 – 0.1 cm. 30 – 300 GHz(EHF)

Comunicación militar por satélite, radio astronomía, aterrizaje por radar.

Fibra Óptica 3 – 0.3 pm. 100 – 1000 THz.

(Infrarrojo, Luz Visible, Ultravioleta)

Telefonia muy alta capacidad, servicios de banda ancha (SONET, SDH y ATM), video conferencia, CATV por F.O.

Espectro Electromagnético

Cálculo de la Longitud de Onda

Longitud de Onda = Velocidad / Frecuenciaλ = v / f

Si el medio de propagación en el aire o el espacio libre v = c (300,000 Km/s)

Ancho de Banda y Capacidad de Información

Las limitaciones mas importantes para el funcionamiento de un sistema de comunicaciones son el ruido y el ancho de banda.

El ancho de banda de un canal de comunicación es la diferencia entre la frecuencia máxima y mínima que puede pasar por el canal.

El ancho de banda de un canal de comunicación debe ser igual o mayor que el ancho de banda de la información.

Capacidad de información

Es la medida de cuanta información se puede transferir a través de un sistema de comunicaciones en un determinado tiempo.

Ley de Hartley: I ≈ B x tI = Capacidad de InformaciónB = Ancho de banda del sistema (Hertz)t = Tiempo de transmisión (segundos)

Ancho de Banda

Se requieren 3 KHz de ancho de banda para transmitir las señales telefónicas con calidad de voz.

Se asignas 200 KHz para transmisión comercial de FM para música, con alta fidelidad.

Se requieren casi 6 MHz de ancho de banda para emitir señales de televisión de alta calidad

Capacidad de Información de un canal digital

C.E. Shannon relacionó la capacidad de información de un canal de comunicaciones, en bits por segundo (bps), con el ancho de banda y la relación señal a ruido:

I = B log2 (1 + s/n)

I = 3.32 B log10 (1 + s/n)

I = Capacidad de información (bps)B = Ancho de banda (Hz)s/n = Relación potencia de señal a ruido

Ruido Eléctrico

Energía eléctrica no deseable presente en la banda útil del circuito de comunicación.

Se puede clasificar el ruido en dos categorías: Correlacionado y No Correlacionado.

El ruido Correlacionado solo existe cuando hay una señal.

El ruido No Correlacionado está presente siempre, haya o no señal.

Ruido Eléctrico Correlacionado

Es aquel que se relaciona mutuamente con la señal, y no puede estar en un circuito a menos que haya una señal de entrada.Se produce por amplificación no lineal, e incluye la distorsión armónica (cuando se producen las armónicas no deseadas de una señal, debido a una amplificación no lineal) y de intermodulación (generación de frecuencias indeseables de suma o diferencia), ya que las dos son formas de distorsión no lineal.

Ruido Eléctrico No Correlacionado

Está presente independientemente si haya una señal o no.El ruido No Correlacionado puede sub dividirse en dos categorías generales: Externo e Interno.

El Ruido Externo es el que se genera fuera del dispositivo o circuito.El Ruido Interno es la interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivo o circuito.

Ruido Externo

Hay tres causas principales de ruido Externo:Ruido atmosférico: Perturbaciones

eléctricas naturales. Electricidad estática (rayos)

Ruido extraterrestre: Señales eléctricas originadas fuera de la atmósfera terrestre (solar y cósmico)

Ruido hecho por el hombre: Su puente principal son mecanismos que producen chispas, ruido industrial (conmutadores, generadores, lámparas florescentes)

Ruido InternoHay tres causas principales de ruido Interno:Ruido Térmico: Asociado con el movimiento

rápido y aleatorio de electrones libre, producido por la agitación térmica.

Ruido de Tiempo de Tránsito: Variación irregular y aleatoria, producida por la modificación de una corriente de portadores, cuando pasa de la entrada a la salida de un dispositivo.

Ruido de Disparo: Se debe a la llegada aleatoria de portadoras al elemento de salida de un dispositivo electrónico (diodo, FET, transistor bipolar).

Ruido Térmico

Es el movimiento aleatorio de los electrones libres dentro de un conductor, causado por la agitación térmica.Llamado también: Movimiento Browniano por su descubridor Robert Brown, Ruido de Johnson en honor a quien lo relacionó con el movimiento de los electrones y Ruido Blanco porque se produce en todas las frecuencias

Ruido Térmico

La potencia de ruido térmico es proporcional al producto del ancho de banda por la temperatura.

N = KTBN = Potencia de ruido (Vatios)K = Constante de Boltzmann 1.38 x 10-23 Joules por grado Kelvin.T = Temperatura absoluta (ºK)B = Ancho de banda (Hz)

T = ºC + 273

Ruido Térmico

La potencia de ruido térmico expresado en dBm.

N (dBm) = 10 Log (KTB/0.001)

N = Potencia de ruido (Vatios)K = Constante de Boltzmann 1.38 x 10-23 Joules por grado Kelvin.T = Temperatura absoluta (ºK)B = Ancho de banda (Hz)

Potencia de ruido térmico a temperatura ambiente

N (dBm) = -174 dBm + 10 Log B

Voltaje de Ruido

N = KTB = (VN/2)2 / R = VN2 / 4R

R1 = Resistencia Interna (Ohmios)VN = Tensión rms de RuidoPara máxima transferencia de Potencia RL = RI

VN2 = 4RKTB

______VN = √ 4RKTB

Relación Señal a Ruido

Es el cociente del valor de la potencia de la señal, entre el valor de la potencia del ruido.

S/R = S/N = Ps/PnPs = Potencia de la señal (Vatios)Pn = Potencia del ruido (Vatios)

S/N (dB) = 10 Log (Ps/Pn)S/N (dB) = 20 Log (Vs/Vn)

Factor de Ruido y Cifra de Ruido

Factor de Ruido es el cociente de relaciones de potencia señal a ruido a la entrada entre la relación de potencia señal a ruido en la salida.Cifra de Ruido es el Factor de Ruido expresado en dB.

Problemas

1. Convertir 17ºC, 0ºC y -20ºC en ºK

2. Convertir 15 W, 0,02W y 10 mW en dBm

3. Convertir 15dBw en W y 4dBm en mW

Problemas

4. Temperatura Ambiente (17ºC)BW = 10 KHzCalcular:

a) Potencia de Ruido Térmico en W y dBm.

b) Voltaje rms del ruido, para una Resistencia Interna de 100 Ω y una Resistencia de Carga de 100 Ω.