SISTEMAS DE COMUNICACIONES I

UNIDAD III INTRODUCCIÓN A LAS ANTENAS

PUNTOS A DESARROLLAR:3.1 Propagación de ondas electromagnéticas.3.2 Antenas.

INTRODUCCIÓN

En los sistemas electrónicos de comunicaciones con frecuencia es impráctico o imposible interconectar dos equipos con una instalación física, como un hilo o cable metálico. Esto es válido en especial cuando los equipos están separados por grandes distancias, o cuando los transmisores o receptores son móviles. En consecuencia, se suele usar el espacio libre o la atmosfera terrestre como medio de transmisión.

La propagación de las ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radiofrecuencia (RF), o simplemente radio propagación. Aunque el espacio libre implica al vacío, con frecuencia la propagación por la atmosfera terrestre se llama propagación por el espacio libre, y se puede considerar casi siempre así.

Las ondas de radio son ondas electromagnéticas y, como la luz, se propagan a través del espacio libre en línea recta y con velocidad de 300, 000, 000m/s. Para propagar las ondas de radio por la atmosfera terrestre se necesita que la energía se irradie de la fuente. A continuación, la energía se debe capturar en el lado de recepción. La irradiación y la captura de energía son funciones de las antenas.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Velocidad de la ondaLas ondas viajan a diversas velocidades que dependen del tipo de onda y de las características del medio de propagación. En el espacio libre (en el vacio), las ondas electromagnéticas viajan a 3x108m/s, mientras que por una línea de transmisión viajan con bastante menor velocidad.

Frecuencia y longitud de ondaLas oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Por consiguiente, se caracterizan por su frecuencia. La rapidez con que se repite la onda periódica es su frecuencia.

La distancia de un ciclo en el espacio se llama longitud de onda, y se calcula con la siguiente ecuación fundamental: Distancia = velocidad x tiempo Si se sustituye el tiempo de un ciclo (un periodo) en la ecuación anterior se obtiene la longitud de un ciclo, que se llama longitud de onda, y cuyo símbolo es la letra griega lambda minúscula (λ). λ = velocidad x tiempoλ = VxT ; y como T=1/fλ = V/f En la propagación por el espacio vacío v=c, y por consiguiente la longitud de un ciclo es:

λ = c/f = [3x108m/s] / [fciclos/s]

Figura 1. Desplazamiento y velocidad de una onda transversal al propagarse por una línea de transmisión.

La figura 1 es una grafica del desplazamiento y la velocidad de una onda transversal cuando se propaga en una línea de transmisión, de una fuente de carga. El eje horizontal (X) es la distancia, y el eje vertical (Y) es el desplazamiento. Una longitud de onda es la distancia que ocupa un ciclo de la onda.

POLARIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Una onda electromagnética contiene un campo eléctrico y uno magnético, que forman 90º entre sí. La polarización de una onda electromagnética plana no es más que la orientación del vector campo eléctrico con respecto a la superficie de la Tierra, es decir, respecto al horizonte. Si la polarización permanece constante se llama polarización lineal. La polarización horizontal y la polarización vertical son dos formas de polarización lineal. Si el campo eléctrico se propaga en dirección paralela a la superficie terrestre, se dice que la onda está polarizada horizontalmente. Si el campo eléctrico se propaga en dirección perpendicular a la superficie terrestre, se dice que la onda está polarizada verticalmente.

PROPAGACIÓN TERRESTRE DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Las ondas electromagnéticas de radio que viajan dentro de la atmósfera terrestre se llaman ondas terrestres, y las comunicaciones entre dos o más puntos de la Tierra se llaman radiocomunicaciones terrestres.

En las radiocomunicaciones terrestres, las ondas se pueden propagar de varias formas, en esencia, hay tres formas de propagación:>>Onda terrestre>>Onda espacial>>Ondas celestes o ionosféricas

Figura 2. Modos normales de propagación de ondas.

Propagación de ondas terrestresUna onda terrestre es una onda electromagnética que viaja por la superficie de la Tierra. Por eso a las ondas terrestres también se les llama ondas superficiales. Las ondas terrestres deben estar polarizadas verticalmente. Esto se debe a que el campo eléctrico, en una onda polarizada horizontalmente, sería paralelo a la superficie de la tierra, y esas ondas se pondrían en corto por la conductividad del suelo. Se propagan mejor sobre una superficie buena conductora, como por ejemplo, agua salada, y se propagan mal sobre superficies desérticas. Las perdidas en las ondas terrestres aumentan rápidamente al aumentar la frecuencia. Por consiguiente, su propagación se limita en general a frecuencias menores que 2MHz. Las desventajas de la propagación de ondas terrestres son las siguientes:>>Requieren una potencia de transmisión relativamente alta.>>Se limitan a frecuencias muy bajas (VLF, LF y MF) y requieren grandes antenas.>>Las pérdidas en el terreno varían mucho de acuerdo con el material superficial y su composición.

Las ventajas de la propagación de ondas terrestres son las siguientes:>>Con la potencia suficiente de transmisión, se pueden usar las ondas terrestres para comunicarse entre dos lugares cualesquiera en el mundo.>>Las ondas terrestres se afectan poco por las condiciones variables de la atmosfera.

Propagación de las ondas espacialesLa propagación de la energía electromagnética en forma de ondas espaciales incluye la energía irradiada que viaja en los kilómetros inferiores de la atmosfera terrestre. Las ondas espaciales incluyen ondas directas y las reflejadas en el suelo.

Figura 3. Propagación de ondas espaciales.

PÉRDIDAS EN TRAYECTORIA POR EL ESPACIO LIBRELa pérdida en trayectoria por el espacio libre se suele definir como la pérdida sufrida por una onda electromagnética al propagarse en línea recta por un vació, sin absorción ni reflexión de energía en objetos cercanos. En consecuencia, un término mas adecuado para definir el fenómeno es perdida por dispersión. La ecuación que define a la pérdida en trayectoria por el espacio libre es:

Lp = (4πD/λ)2 = (4πDf/c)2

Siendo:Lp = pérdida en trayectoria por el espacio libre (adimensional)D = distancia (km)f = frecuencia (Hz)λ = longitud de onda (m)c = velocidad de la luz en el vacio (3x108m/s) Expresada en decibeles:

Lp(dB) = 20log(4πDf/c) = 20log(4π/c) + 20logf + 20logD Cuando la frecuencia se expresa en MHz y la distancia en km:

Lp(dB) = 32.4 + 20logf(MHz) + 20logD(km) Cuando la frecuencia se expresa en GHz y la distancia en km:

Lp(dB) = 92.4 + 20logf(GHz) + 20logD(km)

PÉRDIDAS EN TRAYECTORIA POR EL ESPACIO LIBRELa pérdida en trayectoria por el espacio libre se suele definir como la pérdida sufrida por una onda electromagnética al propagarse en línea recta por un vació, sin absorción ni reflexión de energía en objetos cercanos. En consecuencia, un término mas adecuado para definir el fenómeno es perdida por dispersión. La ecuación que define a la pérdida en trayectoria por el espacio libre es:

Lp = (4πD/λ)2 = (4πDf/c)2

Siendo:Lp = pérdida en trayectoria por el espacio libre (adimensional)D = distancia (km)f = frecuencia (Hz)λ = longitud de onda (m)c = velocidad de la luz en el vacio (3x108m/s) Expresada en decibeles:

Lp(dB) = 20log(4πDf/c) = 20log(4π/c) + 20logf + 20logD Cuando la frecuencia se expresa en MHz y la distancia en km:

Lp(dB) = 32.4 + 20logf(MHz) + 20logD(km) Cuando la frecuencia se expresa en GHz y la distancia en km:

Lp(dB) = 92.4 + 20logf(GHz) + 20logD(km)

ANTENAS Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas. Las antenas son para conectar las líneas de transmisión con el espacio libre, el espacio libre a líneas de transmisión, o ambas cosas. En esencia, una línea de transmisión acopla la energía de un transmisor o de un receptor con una antena, que a su vez acopla la energía con la atmosfera terrestre, y de la atmosfera terrestre a una línea de transmisión. En el extremo transmisor de un sistema de radiocomunicaciones con el espacio libre, una antena convierte la energía eléctrica que viaja por una línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se emiten al espacio. En el extremo receptor, un antena convierte la ondas electromagnéticas en el espacio en energía eléctrica en una línea de transmisión.

ANTENA DIPOLOComo ya se señalo, una antena es cierta forma de conductor eléctrico. Puede ser un trozo de alambre, una varilla metálica o un tubo. La longitud del conductor dependerá de la frecuencia de transmisión. La radiación de las antenas es más efectiva cuando su longitud tiene relación directa con la longitud de onda de la señal transmitida. La mayoría de las antenas tienen una extensión que es una cierta fracción de longitud de onda.

Uno de los tipos de antena más comunes es la antena dipolo de media onda que muestra la figura 4. Esta antena consiste simplemente en un trozo de alambre, varilla o tubo cuya longitud es media longitud de onda a la frecuencia de operación. La antena en realidad consta de dos secciones de un cuarto de longitud de onda. La línea de transmisión se conecta en el centro. La antena dipolo tiene en su centro una impedancia de 73Ω. Para que la transferencia de potencia sea máxima, la impedancia de la línea de transmisión debe estar acoplada con la carga. Para una antena dipolo, un cable coaxial de 73Ω constituye una línea de transmisión adecuada.

Figura 4. Antena dipolo de media onda.

Para que la transferencia de potencia sea máxima, la impedancia de la línea de transmisión debe estar acoplada con la carga. Para una antena dipolo, un cable coaxial de 73Ω constituye una línea de transmisión adecuada.

La longitud de una antena dipolo de media longitud de onda se calcula con la formula:

L = 468/ f (MHz)[pies] L = 150/ f (MHz)[metro]

Por ejemplo, una antena para una frecuencia de 18MHz tendrá una longitud de:

L = 468/18 = 26 pie.

La mayoría de las antenas dipolo de media onda se instalan horizontales respecto de la superficie de la Tierra y, por lo tanto, su polarización será horizontal. El patrón de radiación de una antena dipolo de media onda se ilustra en la figura 5a y 5b.

Figura 5a. Patrón de radiación de una antena dipolo de media onda.

Figura 5b. Patrón de radiación horizontal de una antena dipolo de media onda.

ANTENA DIPOLO DOBLADO

Una variante usual de la antena dipolo de media onda es la antena de dipolo doblado, que ilustra la figura 6, que, como la antena dipolo estándar, tiene media longitud de onda de largo. Sin embargo, consta de dos conductores paralelos conectados en los extremos y con uno de los lados abierto en el centro, para su conexión a la línea de transmisión. La razón del amplio uso de esta antena radica en que su impedancia es de unos 300Ω y, por lo tanto, se consigue un acoplamiento conveniente con la común línea de conductores paralelos de 300Ω.

RECIPROCIDAD DE ANTENAS

Una antena básica es un dispositivo reciproco pasivo; pasivo porque en realidad no puede amplificar una señal. Una antena es un dispositivo recíproco porque las características y el desempeño de transmisión y de recepción son idénticas, como la ganancia, directividad, frecuencia de operación, ancho de banda, etc.