70196021-comunicaciones-microondas
TRANSCRIPT
[MONOGRAFIA ACERCA DE
MICROONDAS TERRESTRE]
[JULIAN ANDRES RUIZ DURANANDRES FELIPE OLIVEROS DIAZ
KELLY JOHANNA ROMERO LOZANOALEXANDER LEGUIZAMO MARTINEZ
TSAMANI FERNANDO ROZO CABRERAMANUEL FERNANDO CELEMIN CONEO
GERMAN ALEXANDER MONTEALEGRE QUIJANO]
[2008]
[29 DE AGOSTO DE 2008]
1
[MONOGRAFIA ACERCA DE
MICROONDAS TERRESTRE]
[PRESENTADO A:ING. RODOLDO GUTIERREZ]
[PRESENTADO EN:[TELECOMUNICACIONES III]
[2008]
[29 DE AGOSTO DE 2008]
RESUMEN
En el presente documento el lector podrá encontrar un compendio de los temas principales a tratar en este
seminario como lo son: 1. Fuentes de señal de microondas, 2. Antenas, torres y enlaces de microondas, 3.
Métodos de diversidad en microondas, 4. Asignación de frecuencias. A lo largo del documento se describen
paso a paso y detalladamente cada uno de estos temas mencionados anteriormente.
2
ABSTRACT
In this document, the reader can find the development about the main topics that we involve on this seminary
such as: 1.Microwave signal sources 2. Antennas, towels, microwave link. 3. Diversity of microwave
methods. 4. Frequency assignments. During of development of this document we are going to give a
description step by step of all topics before mentioned.
3
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………………………………………………..………………13
OBJETIVO GENERAL. …………………………………………………………………………..……………………………………………..…..……………….14
OBJETIVO ESPECIFICO. …………………………………………………………………………………………………………….……………..……………….14
1. MARCO LEGAL COLOMBIANO PARA LAS COMUNICACIONES. ………………………………………………..…………………………….15 1.1 NORMALIZACION Y LEGISLACION. …………………………………………………………………………….………………….………………15
1.2 LEGISLACIÓN MINCOMUNICACIONES………………………………………………………………….……………………..….………..15 1.3
LAS AUTORIZACIONES………………………………………………………………………………………………………………………………_______..17
1.4 PERMISOS…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 18
1.5 ACTIVIDADES DE TELECOMUNICACIONES……………………………………..………………………………………..……………………22
2. MICROONDAS……………………………………………………………………………………………..………………………………………………24
2.1. TUBOS KLYSTRONS……………………………………………………………………….………………………….……………………..25
2.1.1 TUBO KLYSTRON DE DOS CAVIDADES……………………………….……………………………………………25
2.1.2 KLYSTRON DE POTENCIA MULTICAVIDAD………………………………………………………………………27
2.1.3 KLYSTRON REFLEX……………………………………………………………………………………………………….29
2.2 TUBOS DE ONDAS PROGRESIVAS – TRAVELING-WAVE TUBES (TWT) …………………….…..….……………….31
2.3 MAGNETRON………………………………………………………………………………………………………………………………34
2.4 DIODO GUNN……………………………………………………………………………………………………………………………….36
2.4.1 EL EFECTO GUNN…………………………………………………………………………………………………………37
2.5 APLICACIONES DE LAS MICROONDAS……………………………………………………………………………………………..38
2.5.1 FISIOTERAPIA……………………………………………………………………………………………………………….38
2.5.2 RADAR………………………………………………………………………………………………………………………..39
2.5.3 HORNO MICROONDAS…………………………………………………………………………………………………40
3. ENLACES MICROONDAS (ANTENAS, TORRES)……………………………………………………………………………….….…………….41
3.1 ENLACES DE MICROONDAS TERRENALES FIJOS Y MÓVILES …………………………..…………………………….…………41
3.2 MICROONDAS TERRESTRES (RADIO RELAY SYSTEM) ……………………………………………………………….….……..42
3.3 PROPAGACION DE MICROONDAS………………………………………………………………………………..……………..………..42
3.4 MODULACION EN MICROONDAS…………………………………………………………………………………….…….…….……..44
3.5 ANTENAS Y TORRES DE MICROONDAS………………………………………………………………………………….……….….…44
3.5.1 Definiciones de zona de campo………………………………………………………………………………….……….….…45
4
3.6 ALTURA DE LAS ANTENAS…………………………………………………………………………………………………….…………47
3.6.1 Criterio para despejamiento ……………………………………………………………………..…………………………47
3.7 TIPOS DE ANTENAS DE MICROONDAS……………………………………………………………………………………..………….49
3.7.1 ANTENA DE REJILLA…………………………………………………………………………………………………….……….49
3.8 ANTENAS PARABÓLICAS SÓLIDAS…………………………………………………………………………………………………..50
3.8.1 ANTENA PARABÓLICA ESTÁNDAR………………………………………………………………………………..……….50
3.9 ANTENA DE PLANO FOCAL……………………………………………………………………………………………………….………50
3.10 ANTENAS DE ALTO RENDIMIENTO………………………………………………………………………………………………….50
3.11 ANTENAS SLIPFIT……………………………………………………………………………………………………………………………50
3.12 TORRES PARA ANTENAS DE MICROONDAS……………………………………………………………………….……………..50
3.12.1 Ubicación, Altura y Tipo de las Torres……………………………………………………………………………………50
3.12.2 Análisis de Cargas…………………………………………………………………………………………………………………51
3.13 TORRES ARRIOSTRADAS O ATIRANTADAS…………………………………………………………………………..….…………..51
3.13.1 TORRES AUTOSOPORTADAS……………………………………………………………………………………….…………51
3.14 TORRES TIPO MONOPOLO……………………………………………………………………………………………………..……….52
3.15 TOMA DE TIERRA DEL PARARRAYOS……………………………………………………………………………………….………..…52
3.16 TOMA DE TIERRA PARA PARARRAYOS…………………………………………………………………………….……………..53
3.17 TOMA A TIERRA DE TORRES AUTOSOPORTADAS………………………………………………………………….…………….53
3.18 ESTRUCTURA GENERAL DE UN RADIOENLACE POR MICROONDAS…………………………………………………..53
3.18.1 EQUIPOS………………………………………………………………………………………………………………….………53
3.18.2 PLANES DE FRECUENCIA - ANCHO DE BANDA EN UN RADIOENLACE POR MICROONDAS………..53
3.18.3 CALIDAD DE LOS SISTEMAS DE RADIOENLACE…………………………………………………………….……….54
3.19 DISEÑO DE ENLACES TERRESTRES POR MICROONDAS……………………………………………………………….…….55
3.20 Cálculo de la atenuación por lluvia en un radioenlace……………………………………………………………….….……57
3.20.1 Diseño de cobertura de un sistema real………………………………………………………………….……………57
3. 30 EJEMPLO DE ENLACE DE MICROONDAS…………………………………………………………………………………………..58
4. ANOMALÍAS DE PROPAGACION EN MICROONDAS……………………………………………………………………………………….59
4.1 Reducción del Efecto de las Reflexiones en Superficies……………………………………………………………………………..60
4.1.1 Apantallamiento del Punto de Reflexión…………………………………………………………………………………60
5
4.1.2 Diversidad Temporal…………………………………………………………………………………………………………….61
4.1.3 Diversidad Frecuencial…………………………………………………………………………………………………………62
4.1.4 Diversidad Espacial………………………………………………………………………………………………………………….62
4.1.5 Diversidad en Polarización……………………………………………………………………………………………………….62
4.1.6 Diversidad por Conmutación……………………………………………………………………………………………………62
4.2 DIVERSIDAD DE FRECUENCIA……………………………………………………………………….……………………………..62
4.2.1 SEPARACIÓN DE FRECUENCA EN LOS SISTEMAS CON DIVERSIDAD EN FRECUENCIA………………….63
4.3 DIVERSIDAD DE ESPACIO……………………………………………………………………………………………………………………..64
4.3.1 Recepción por Diversidad de Espacio……………………………………………………………………………………….66
4.3.2 Separación de Antenas en Sistemas con Diversidad de Espacio……………………………………………..66
4.3.3 Separación Angular en Sistemas de Diversidad en Angulo y Diversidad de Espacio /Angulo……..68
4.4 DIVERSIDAD DE POLARIZACION……………………………………………………………………………………………….……69
4.5 METODOS DE COMBINACION……………………………………………………………………………………………………………69
4.6.1 Combinación por conmutación o diversidad por conmutación. ……………………………..69
4.6.2 Combinación Por Selección……………………………………………………………………………………71
4.6.3 Combinación De Máxima Ganancia………………………………………………………………………71
4.7 DISPONIBILIDAD EN EL ENLACE ……………………………………………………………………………………………………….72
4.7.1 CAUSAS DE NO DISPONIBILIDAD………………………………………………………………………72
4.7.1.1 PROPAGACIÓN………………………………………………………………………………72
4.7.1.1.1 Perdida Por Difracción …………………………………………………72
4.7.1.1.2 Entubamiento (Ducting) ……………………………………………………………………………..72
4.7.1.1.3 Lluvia……………………………………………………………………………………………………….73
4.7.1.1.4 DE EQUIPO ………………………………………………………………………………………….……73
4.7.1.1.5 OTROS……………………………………………………………………………………………………..73
4.7.2 RELACIÓN CON LA ECUACIÓN DE MARGEN……………………………………………………………………73
CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………………………………………………….75
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………………………………………………………………….76
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Gráfica La Banda De Microondas…………………………………………………………..24
Figura 2. Campo eléctrico y magnético sobre un conductor…………………………………………24
Figura 3. Componentes básicos de un Klystron de dos cavidades…………………………………..25
Figura 4. Klystron de dos cavidades(Diagrama Esquemático) ………………………………………26
Figura 5. Klystron de dos cavidades………………………………………………………………………………….26
Figura 6. Curva característica de un Klystron De Potencia Multicavidad…………………………28
Figura 7. Funcionamiento de un Klystron de tres cavidades………………………………………...28
Figura 8. Klystron Réflex( Diagrama esquemático y físico) …………………………………….……29
Figura 9.Efecto de Repulsión Mutua Sobre los Electrones……………………………….…………...30
Figura10. Construcción física de un TWT Típico……………………………………………………….31
Figura11.Diagrama funcional de un TWT típico………………………………………………….…...32
Figura 12 Magnetón……………………………………………………………………..…………………………...34
Figura 13. Interacción Electrónica. ……………………………………………………………..………………35
Figura 14. Equivalente Eléctrico Cavidad Resonante………………………………..……………..………35
Figura 15. Estructura de Bandas para el GaAs. ………………………………..……………..……………36
Figura 16. Curva Característica Diodo Gunn. ……..…………………..……………..………….………….36
Figura 17 .Oscilador Tipo Cavidad Coaxial. ………………………………..……………..…………………37
Figura 12. Oscilador Tipo Cavidades de Guía de Onda………………………………………………38
Figura 13. Equipo de Fisioterapia con microondas. ………………………………………………….38
Figura 20. Tubo Klystron Usado en Radares Meteorológicos. ………………………………..…………39
Figura 21. Funcionamiento Horno Microondas………………………………..……………..……………...40
Figura 22. Repetidor……………………………………………………………………………………….44
Figura 23 Reflector Pasivo. ………………………………..…………………….………………………………...45
Figura 24. Zonas de Antena Parabólica…………………………………………………………………46
Figura 25 . Curva para la Longitud del Trayecto………………………………..……………..…………...47
Figura 26. Cálculos de las Antenas………………………………..……………..………………………….48
7
Figura 27. Antenas Utilizadas en Microondas………………………………..……………..………………49
Figura 28. Torres Auto-soportadas…………………………………………………………………………52
Figura 29. Plan de Cuatro Frecuencias……………………………..……………..………………..…………54
Figura 30. Plan de Dos Frecuencias……………………………………………………………………….54
Figura 31. Enlace en Microondas……………………………….………………………………………….55
Figura 32. Representación Diagrama Superficial………………………………………………………...55
Figura 33. Representación de Margen……………………………………………………………………...56
Figura 34. Atenuación de Propagación del Sistema para Distancias Disponibles……………………58
Figura 35. Apantallamiento de una Antena contra la Reflexión Especular…………………………….60
Figura 36. Emplazamiento con diversidad………………………………………………………………….62
Figura 37. Diversidad en frecuencia…………………………………………………………………………62
Figura 38. Diagrama de diversidad de frecuencia, dos ondas refractadas viajan……………………63
Figura 39. Diversidad de Espacio……………………………………………………………………………64
Figura 40. Componentes directa y reflejada de la onda de una señal…………………………………….65
Figura 41 Separación vertical de las antenas receptoras………………………………………………….66
Figura 42 Dos antenas dispuestas horizontalmente separadas entre sí de 1 - 3 mts……………………66
Figura 43 Valor de ke excedido aproximadamente durante el 99,9% del mes más desfavorable…….67
Figura 44 Esquema de receptor con diversidad por conmutación……………………………………….70
Figura 45 Efecto en el nivel de potencia a la entrada del receptor con diversidad por conmutación.70
Figura 46 Esquema de receptor con diversidad por selección……………………………………………71
Figura 47 Efecto en el nivel de potencia a la entrada del receptor con diversidad por selección……71
Figura 48 Esquema de receptor con diversidad por combinación de máxima ganancia……………...71
Figura 49 Desvanecimiento de la señal recibida en términos de margen……………………………….73
8
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Frecuencias utilizadas para Microondas……………………..………………………………………41
Tablas 2. Sub-bandas en las que se divide la banda espectral de las microondas………………….……43.
Tabla 3. Características de las zonas y climas…………………………………………………………………48
Tabla 4. Características de las zonas templada y tropical……………………………………………………67
9
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 2 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 3 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 4 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 5 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 6 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 7 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 8 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 9 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 10 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 11 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 12 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 13 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 14 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 15 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 16 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 17 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 18 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 19 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 20 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
Anexo 21 . ……………………..……………………………………………………………….…………………………
10
OBSERVACIONES
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
11
INTRODUCCIÓN
Teniendo en cuenta la gran importancia que han adquirido hoy en día las comunicaciones vía microondas
en todas las actividades vinculadas a las Telecomunicaciones, Industria, educación, salud entre otros, es
que se han desarrollado un sin número de aplicaciones las cuales permiten ofrecer diferentes servicios
relacionados con los campos anteriormente mencionados beneficiando significativamente a poblaciones
que se encuentran a larga distancia. Por tal motivo durante el desarrollo de esta monografía se darán a
conocer aspectos importantes que se deben tener en cuenta a la hora de establecer un enlace de
microondas, partiendo de los conceptos de: fuentes de señal de microondas, Antenas, torres,
características del enlace, métodos de diversidad, asignación de frecuencias y anomalías de propagación
en microondas.
12
OBJETIVO GENERAL
Proporcionar al lector conceptos claros y básicos que se deben tener en cuenta a la hora de desarrollar e implementar un enlace de microondas desde un contexto teórico, práctico y legal.
OBJETIVO ESPECIFICOS
Realizar un análisis bibliográfico a cerca de las comunicaciones vía microondas haciendo énfasis
especialmente en temas como: fuentes de señal, Antenas, torres, características del enlace, métodos
de diversidad, asignación de frecuencias y anomalías de propagación en microondas.
Contemplar la normalización y la reglamentación a cumplir según el Min. Comunicaciones y planeación municipal para el desarrollo de enlaces vía microondas.
13
1. MARCO LEGAL COLOMBIANO PARA LAS COMUNICACIONES
1.1 NORMALIZACION Y LEGISLACION.
El primer aspecto fundamental a la hora de realizar el diseño de un radio enlace de microondas es la selección de la frecuencia de operación, la cual es atribuida y distribuida de acuerdo a las convenciones establecidas por la organización UIT. [1]
COMENTARIO: En la realización de un diseño de microondas se debe considerar la frecuencia de trabajo, según la información o paquete se vaya a transmitir, y esto es asignado por la UIT.
Resolución Nº 1.285/04
Esta es una modificación al artículo 2° de la resolución n° 836/2004 la cual propone un régimen de aranceles por el uso del espectro radioeléctrico.
Para la realización de un estudio más profundo acerca de los planes de frecuencia en los radioenlaces. VER ANEXO 1.
COMENTARIO: Los aranceles que deben pagar cada una de las compañías al estado para la utilización de espectro radioeléctrico. [1]
RESOLUCIÓN NÚMERO 002643 DE 4 NOV. 2005 Diario Oficial No 46.088 10/11/ 2005 REPUBLICA DE COLOMBIA
Esta resolución adopta el Formulario Único de Inscripción para realizar mediciones de campos electromagnéticos, a que se refiere el artículo 13 del Decreto 195 de 2005 y se dictan otras disposiciones.
COMENTARIO: Formulario Único para las mediciones de campos electromagnéticos que se disponen en otra resoluciones mencionadas anteriormente.
RESOLUCIÓN NÚMERO 001671 DE 18 JUL. 2006 REPUBLICA DE COLOMBIA
En esta resolución se atribuyen y canalizan las bandas de frecuencias radioeléctricas dentro del territorio nacional para la operación de los sistemas o estaciones transmisoras móviles del servicio de televisión, y se dictan otras disposiciones. [1]
COMENTARIO: Resolución mediante la cual se le atribuye la frecuencia para las estaciones transmisoras de tv.
Si se desea un mayor conocimiento en el servicio de televisión y la normalización mediante la cual esta regida. VER ANEXO 2
1.2 LEGISLACIÓN MINCOMUNICACIONES
DECRETO 2041 DE 1998 (octubre 8). Diario Oficial No. 43.407, del 15 de octubre de 1998
CONCESIONES PARA LA PRESTACIÓN DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES
14
ARTÍCULO 16. CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS CONTRAPRESTACIONES POR LA CONCESIÓN.
Las contraprestaciones por concepto de la concesión para la prestación de servicios de telecomunicaciones se establecen en función de un porcentaje sobre los ingresos fijados con arreglo a la clase o naturaleza del servicio de telecomunicaciones, concedido, salvo a los servicios especiales y de ayuda según determinación que haga el Ministerio de Comunicaciones.
El Ministerio de Comunicaciones, para determinados servicios de telecomunicaciones que no se encuentren operando a la fecha de expedición del presente decreto, podrá establecer que la contraprestación por concepto de la concesión involucre de más un pago inicial, según las reglas fijadas en cada caso para el efecto en el presente Decreto. [1]
Si se desea un mayor conocimiento acerca de la ley 680 del 2001. VER ANEXO 3
COMENTARIO: El estado toma un porcentaje de las utilidades recaudadas por la compañía que esta prestando los determinados servicios, excepto los servicio especiales proporcionados para interés de la comunidad en general. Determinado bajo las consecuciones de ley por servicio requerido por dichas compañías.
ARTÍCULO 17. AMBITO DE APLICACION.
Las concesiones que se otorguen a partir de la vigencia de este Decreto para la prestación de servicios de telecomunicaciones, tanto en gestión directa como indirecta, estarán sujetas a un mismo tratamiento en cuanto a las contraprestaciones que se causen a favor de la autoridad concedente, ya sea que se confieran por medio de contratos, licencias o autorizaciones. Articulo
A partir del perfeccionamiento del contrato o la expedición del acto que contenga la licencia o autorización, según sea el caso, surge para el operador la obligación de pagar la contraprestación establecida y el correlativo derecho de la autoridad concedente a exigir su pago, conforme a las disposiciones establecidas en este régimen unificado de contraprestaciones.
En ningún caso será posible exigir el pago previo de la contraprestación como condición para la expedición del título habilitante. [1]
COMENTARIO: Todas las concesiones realizadas bajo el amparo de este decreto tendrán el mismo trato sea de forma directa e indirecta, por contrato licencias o autorizaciones para el servicio de telecomunicaciones.
Las entidades que solicitan la asignación para la prestación de un servicio de telecomunicaciones debe hacerse responsable de los pagos estipulados por el decreto sin ningún tipo de excepción.
ARTÍCULO 18. CONTRAPRESTACIÓN POR LA CONCESIÓN PARA LA PRESTACIÓN DE SERVICIOS BÁSICOS DE TELECOMUNICACIONES.
15
Por concepto de la concesión para la prestación de servicios básicos de telecomunicaciones, distintos de los señalados en los artículos 19, 20 y 21 del presente Decreto, habrá lugar al pago de una contraprestación porcentual anual calculada sobre los ingresos netos causados por concepto de la prestación de los servicios concedidos y sin distinción de su área de cubrimiento, equivalente al tres por ciento (3%). [1]
COMENTARIO: Cálculo para el porcentaje de las contraprestaciones porcentual anual sobre el ingreso recibido por la prestación del servicio que es equivalente al 3%.
Si se desea un mayor conocimiento acerca de la decreto 2103 de 2003. VER ANEXO 5
ARTÍCULO 25. INDEPENDENCIA ENTRE LA CONCESIÓN DEL SERVICIO Y EL PERMISO PARA USAR EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO ASIGNADO.
La concesión del servicio es independiente y distinta del permiso para usar el espectro radioeléctrico asignado. En consecuencia, la asignación de frecuencias, el ámbito de operación de las mismas y el pago derivado de estos conceptos se regirán por las normas especiales previstas para el efecto, y darán lugar al pago de las contraprestaciones previstas en el Capítulo 3 de este Título, y las normas que lo sustituyan, modifiquen, o adicionen. [1]
COMENTARIO: La concesión que se otorga para la realización de un enlace de microondas es totlamente independiente a la remuneración que debe pagar por la asignación de frecuencia, y se regiran bajo los artículos conforme con la ley.
1.3 LAS AUTORIZACIONES
ARTÍCULO 28. CRITERIO GENERAL PARA EL ESTABLECIMIENTO DE LA CONTRAPRESTACIÓN POR LAS AUTORIZACIONES.
Las contraprestaciones por concepto de las autorizaciones para modificación, ensanche, renovación, ampliación o expansión que se otorguen respecto de redes y servicios de telecomunicaciones, así como respecto de los títulos habilitantes, se establecen como compensación de los gastos administrativos de expedición del acto correspondiente.
PARÁGRAFO. Estas contraprestaciones se causarán por cada acto administrativo que se expida, así este contenga una o varias autorizaciones concernientes a la red, al servicio o a la concesión. [1]
ARTÍCULO 29. CONTRAPRESTACIÓN POR AUTORIZACIONES RELATIVAS A LAS REDES DE TELECOMUNICACIONES.
Las autorizaciones que se otorguen para la modificación, ensanche, renovación, ampliación o expansión de las redes de telecomunicaciones del Estado, autorizadas tanto a particulares como a entidades estatales, dan lugar al pago de una contraprestación por parte del autorizado de una suma equivalente a tres (3) salarios mínimos legales mensuales vigentes.
16
No obstante lo anterior, las autorizaciones de carácter general inscritas dentro de un plan aprobado por el Ministerio, así como los cambios generados por error de esta entidad o interferencias no imputables al operador, no darán lugar al pago de contraprestaciones adicionales a las fijadas y ya canceladas para la autorización inicialmente conferida. [1]
ARTÍCULO 30. CONTRAPRESTACIÓN POR AUTORIZACIONES RELATIVAS A LOS SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES.
Las autorizaciones que se otorguen para modificación, ensanche, renovación, ampliación o expansión de los servicios de telecomunicaciones concedidos dan lugar al pago de una contraprestación equivalente a tres (3) salarios mínimos legales mensuales vigentes. [1]
ARTÍCULO 31. VALOR DE LAS AUTORIZACIONES RELATIVAS A LOS TÍTULOS HABILITANTES DE LAS CONCESIONES DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES.
Las autorizaciones relativas al otorgamiento de la prórroga y/o la cesión de los títulos habilitantes de servicios de telecomunicaciones dan lugar al pago de una contraprestación equivalente a tres (3) salarios mínimos legales mensuales vigentes. [1]
1.4 PERMISOS
ARTÍCULO 32. RÉGIMEN DE LA CONTRAPRESTACIÓN RELATIVA AL PERMISO PARA USAR EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO ASIGNADO.
La contraprestación por el permiso para usar el espectro radioeléctrico asignado por el Ministerio de Comunicaciones tiene como fin lograr para el Estado una retribución justa, objetiva y permanente, así como propender por el aprovechamiento racional y eficiente del espectro.
El otorgamiento del permiso por parte del Ministerio de Comunicaciones para usar el espectro radioeléctrico y asignado da lugar al pago de una contraprestación anual en función de formulas objetivas según determinación que haga el Ministerio de Comunicaciones, en función de criterios, tales como: pagos únicos o periódicos, fijos o variables, con fundamento en bases porcentuales, unidades de volumen de tráfico, velocidad de transmisión, ancho de banda asignado, unidades de medida radioeléctrica, establecimiento de obligaciones especiales, planes de expansión y cobertura o cualquiera otra medida técnica; así mismo mediante una combinación de los distintos criterios. En desarrollo de tales principios, por el otorgamiento de permisos para usar el espectro radioeléctrico asignado se deberá pagar la contraprestación de que trata el artículo 33.
17
No obstante lo anterior, cuando el Ministerio de Comunicaciones determine que no existe disponibilidad suficiente del espectro radioeléctrico o cuando las características técnicas de uso impliquen una limitación en el número de asignaciones del mismo, podrá en cualquier oportunidad establecer una contraprestación adicional a la prevista en el artículo 33 de este capítulo, previo un procedimiento de selección objetiva. Para tal procedimiento, podrá tener en consideración criterios de escogencia, tales como: el valor que ofrezca el interesado por concepto de la contraprestación por el otorgamiento del permiso para usar el espectro radioeléctrico asignado, menores tarifas al usuario por concepto de los servicios de telecomunicaciones que prestará con dicho recurso, menor cantidad del recurso radioeléctrico requerido para operar, el grado de reutilización del mismo y el aprovechamiento de la más moderna tecnología disponible.
En la determinación de las contraprestaciones por la asignación del espectro se garantizará un tratamiento igual y efectivo para todos los operadores de servicios, con sujeción a reglas económicas equivalentes y considerando las características técnicas particulares de la porción del espectro objeto de la asignación. [1]
ARTÍCULO 33. VALOR DE LA CONTRAPRESTACIÓN RELATIVA A LOS PERMISOS SOBRE EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO.
El otorgamiento de permisos para usar el espectro radioeléctrico asignado, destinado a la prestación de servicios de telecomunicaciones, da lugar al pago por parte del titular del permiso de una contraprestación equivalente al valor que resulte de aplicar, según sea el caso, las siguientes formulas: [1]
Por la asignación de Frecuencias en HF:
Las contraprestaciones por el uso de frecuencias en la banda de HF se liquidarán con base en la siguiente fórmula:
Valor Anual Contraprestación por cada hora asignada = [A*B (KHz)] x [SMLMV] (1)
4(KHz)
Donde:
AB (kHz): Ancho de banda asignado en kHz.
SMLMV: Salarios mínimos legales mensuales vigentes en pesos colombianos.
Como quiera que las asignaciones en esta banda se efectúan para uso compartido en función de horas de operación, para obtener el valor total por el uso de estas frecuencias, el valor de la contraprestación anual por hora asignada se multiplicará por cada hora de operación autorizada.
Las contraprestaciones por el uso de frecuencias de cubrimiento en las bandas de VHF y UHF por debajo de 1 GHz se liquidarán con base en la siguiente fórmula:
18
Valor Anual de la Contraprestación = [A*B (KHz)] x N(SMLMV) x Z (%) (2) 12.5 (KHz)
Donde:
AB (kHz): Ancho de banda asignado en kHz.
N(SMLMV): Número de salarios mínimos legales mensuales vigentes que determine el Ministerio de Comunicaciones según la clasificación de cada banda y sistema.
Z(%): Factor porcentual que determine el Ministerio de Comunicaciones según el mercado potencial definido a partir de la población atendida y el producto interno bruto. En todo caso, el área nacional equivale al ciento por ciento (100%) del factor porcentual establecido, al tiempo que la sumatoria de las distintas áreas no podrá ser superior al factor establecido para el área nacional.
Las contraprestaciones por el uso de frecuencias de enlace punto a punto en las bandas de VHF y UHF por debajo de 1 GHz se liquidarán con base en la siguiente fórmula: [1]
Valor Anual de la Contraprestación = [A*B (KHz)] x M(SMLMV) (3)
12.5 (KHz)
Donde:
AB (kHz): Ancho de banda asignado en kHz.
M(SMLMV): Número de salarios mínimos legales mensuales vigentes que determine el Ministerio de Comunicaciones según la clasificación de cada banda.
Por la asignación de frecuencias en bandas superiores a 1 GHz:
Las contraprestaciones por el uso de frecuencias de cubrimiento y/o enlaces punto - multipunto en bandas iguales o superiores a 1 GHz se liquidarán con base en la siguiente fórmula:
Valor Anual de la Contraprestación = [A*B (KHz)] x M(SMLMV) x (4)
1(MHz)
Donde:
AB (MHz): Ancho de banda asignado en MHz.
N(SMLMV): Número de salarios mínimos legales mensuales vigentes que determine el Ministerio de Comunicaciones según la clasificación de cada banda y sistema.
Z(%): Factor porcentual que determine el Ministerio de Comunicaciones según el mercado potencial definido a partir de la población atendida y el producto interno bruto. En todo caso, el área nacional equivale al ciento por ciento (100%) del factor porcentual establecido, al tiempo que la sumatoria de las distintas áreas no podrá ser superior al factor establecido para el área nacional.
19
Las contraprestaciones por el uso de frecuencias de enlace punto a punto en bandas iguales o superiores a 1 GHz se liquidarán con base en la siguiente fórmula:
Valor Anual de la Contraprestación = [A*B (KHz)] x M(SMLMV) (5)
1(MHz)
Donde:
AB (MHz): Ancho de banda asignado en MHz.
M(SMLMV): Número de salarios mínimos legales mensuales vigentes que determine el Ministerio de Comunicaciones según la clasificación de cada banda.
Sistemas Satelitales:
Por la asignación de espectro radioeléctrico en las rampas ascendentes y descendentes de segmentos espaciales geoestacionarios: El valor de la contraprestación anual por el permiso para usar el espectro radioeléctrico corresponderá a una tercera parte de un salario mínimo legal mensual vigente por cada 25 KHz. De ancho de banda utilizado. Este valor será pagado por el proveedor del segmento espacial. [1]
Sistemas satelitales no geoestacionarios: Las contraprestaciones correspondientes a los sistemas satelitales no geoestacionarios se regirán por las normas especiales que regulen la materia. [1]
Valor de la contraprestación por el uso de espectro radioeléctrico utilizado en sistemas que operan con tecnología de espectro ensanchado. [1]
Las contraprestaciones por el uso del espectro radioeléctrico utilizado en sistemas que operan con tecnología de espectro ensanchado se determinarán con base en la siguiente fórmula:
Valor Anual de la Contraprestación = [A*B (KHz)+ k] x (SMLMV) (6)
10(MHz)
Donde:
AB (MHz): Ancho de banda asignado en MHz
K:
0.1 para uso en edificaciones y zonas conexas
1.0 para uso en enlaces punto a punto
5.0 para uso en enlaces punto multipunto
20
SMLMV: Salario mínimo legal mensual vigente en pesos colombianos.
PARÁGRAFO. El valor de la contraprestación por el uso del espectro radioeléctrico atribuido a título primario, utilizado en sistemas que operan con tecnologías que utilizan sistemas de espectro ensanchado, se determinará conforme a lo establecido en los numerales 33.2.1 y 33.3.1, según sea el caso.
Valor de la contraprestación por el uso de espectro radioeléctrico para sistemas de acceso fijo inalámbrico.
El uso del espectro radioeléctrico para la prestación de los servicios a cargo de operadores del servicio de Telefonía Pública Básica Conmutada para acceso fijo inalámbrico telefónico dará lugar al pago de las contraprestaciones que resulten de la aplicación de las fórmulas establecidas en los números 33.2.1 y 33.3.1, según la banda de frecuencia que haya sido asignada. [1]
Valor de la contraprestación por el uso del espectro radioeléctrico en condiciones especiales.
Previa determinación por parte del Ministerio de Comunicaciones, el uso de frecuencias de cubrimiento destinadas de manera exclusiva a la prestación de servicios de telecomunicaciones en desarrollo de planes de telecomunicación social causará una contraprestación equivalente al diez por ciento (10%) del valor que resulte de aplicar las formulas establecidas en este artículo.
El Ministerio de Comunicaciones determinará las condiciones para la aplicación de este régimen excepcional, y vigilará y controlará su cumplimiento. En el evento de que las redes o servicios que sean beneficiarias de este tratamiento incumplan con sus obligaciones, el Ministerio de Comunicaciones procederá a dar por terminados los beneficios otorgados.
33.8 Valor de la contraprestación por el uso del espectro radioeléctrico en recintos cerrados, en aplicaciones ICM o de otros usos que se autoricen de manera general
El uso del espectro radioeléctrico en recintos cerrados, en aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM) así como para equipos o sistemas cuya instalación y operación sean autorizadas de manera general por el Ministerio de Comunicaciones en las bandas atribuidas internacionalmente para el efecto, son libres. [1]
ARTÍCULO 34. DETERMINACION DE LOS FACTORES.
El Ministerio de Comunicaciones deberá determinar mediante Resolución, los distintos valores de N, M y los porcentajes de Z de que trata el artículo anterior para la aplicación de las fórmulas establecidas en él. El Ministerio expedirá tales valores antes del 1o. de junio de 1999. [1]
1.5 ACTIVIDADES DE TELECOMUNICACIONES
ARTÍCULO 40. REGIMEN GENERAL.
Las concesiones, autorizaciones y permisos que se confieran relacionadas con actividades de telecomunicaciones darán lugar al pago de contraprestaciones establecidas en este Título.
21
No obstante lo anterior, los cambios generados por error de esta entidad o interferencias, no imputables al concesionario, no darán lugar al pago de contraprestaciones adicionales a las fijadas para la autorización inicial que se confiera. [1]
carga y pasajeros no pagará el veinte por ciento (20%) adicional establecido en este artículo.
ARTÍCULO 43. VALOR DE LA CONTRAPRESTACIÓN POR AUTORIZACIONES RELATIVAS A LAS REDES PRIVADAS DE TELECOMUNICACIONES.
La contraprestación por concepto de las autorizaciones que se otorguen para la modificación, ensanche, renovación, ampliación o expansión de las redes privadas de telecomunicaciones da lugar al pago de una suma equivalente a tres (3) salarios mínimos legales mensuales vigentes por cada autorización.
PARÁGRAFO. Estas contraprestaciones se causarán por cada acto administrativo que se expida, así éste contenga una o varias autorizaciones concernientes a la red, al servicio o a la concesión. [1]
ARTÍCULO 44. VALOR DE LA CONTRAPRESTACIÓN POR LA AUTORIZACIÓN RELACIONADA CON EL PERMISO SOBRE EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO.
Toda autorización para modificar el permiso por el Ministerio de Comunicaciones relacionada con el cambio del espectro radioeléctrico asignado a las actividades de telecomunicaciones da lugar al pago de una contraprestación equivalente a tres (3) salarios mínimos legales mensuales vigentes, sin perjuicio de la reliquidación del valor por concepto del uso del mismo a que haya lugar.
Los cambios generados por error del Ministerio de Comunicaciones o por interferencias, no imputable al operador, no darán lugar al pago de contraprestaciones adicionales a las fijadas para la autorización inicial que se confiera.
PARÁGRAFO. La contraprestación de que trata este artículo se causará por cada acto administrativo que se expida, así este contenga una o varias autorizaciones concernientes a la red, al permiso, al servicio o a la concesión. [1]
ARTÍCULO 45. VALOR DE LAS AUTORIZACIONES RELATIVAS A LA CONCESIÓN DE LOS TITULOS HABILITANTES DE LAS CONCESIONES DE ACTIVIDADES DE TELECOMUNICACIONES.
Las autorizaciones relativas a la cesión de los títulos habilitantes de actividades de telecomunicaciones dan lugar al pago de una contraprestación equivalente a tres (3) salarios mínimos legales mensuales vigentes. [1]
Si se desea un mayor conocimiento acerca de las leyes y artículos que rigen las señales por microondas compendio. VER ANEXO 6
EJERCICIO TEORICO DE UN VERDADERO ENLACE DE MICROONDAS CON TODAS LAS ESPECIFICACIONES PERTINENTES REALIZADO A LA POLICIA NACIONAL….VER ANEXO 6
22
2. MICROONDAS
Para entender el concepto de Microondas se partirá de la explicación de la onda electromagnética. Esta onda es generada al hacer oscilar electrones en un conductor, que a su vez oscilan y producen un campo eléctrico oscilante y un campo magnético oscilante figura 2. El análisis matemático de este tipo de onda se hace a través de las ecuaciones de Maxwell.
Como el objetivo es analizar todo el campo de las microondas se comenzara por mencionar las características básicas como son: frecuencia, periodo de oscilación y longitud de onda. Las microondas están en el espectro electromagnético y las frecuencias que cubre están entre 300 MHz y 300 GHz, tienen un periodo de oscilación de aproximadamente 3 ns a 3 ps y una longitud de onda en el rango de 1m a 1mm. Hay otros estándares como el IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz. [2]
Como se puede observar en la Figura.1 la banda de microondas está por debajo del infrarrojo y por encima de las ondas de radio
Figura 1. Grafica La Banda De MicroondasFuente: Tomado de [2]
En la siguiente figura se puede ver que cuando se le aplica una corriente a un conductor, de este salen dos campos el eléctrico y el magnético los cuales los separa 90°
23
Figura 2. Campo eléctrico y magnético sobre un conductor. Se aplica una corriente a un conductor y se puede observar que de este salen dos campos el eléctrico y el magnético separados uno del otro 90° Fuente: Tomado de [2]
Para mayor información acerca de este tema…VER ANEXO 7
2.1. TUBOS KLYSTRONS
Teniendo en cuenta la importancia que tienen los amplificadores de potencia en los sistemas de microondas es que se hace necesario analizar en detalle los tubos Klystron lo cual se hará durante el desarrollo de este capitulo. Una explicación sencilla del funcionamiento de este dispositivo es un tubo electrónico en el que el haz de electrones se modula en velocidad con el objetivo de que los electrones se agrupen en paquetes produciendo de esta manera una corriente espacial RF la cual es empleada para generar o amplificar microondas.
Una característica importante de este tipo de tubos es que pueden manejar potencias pico extraordinariamente elevadas (30 Mw en la banda S) y potencias promedio (de decenas de Kw). De lo cual se puede decir que su rendimiento (potencia de salida en RF / potencia de entrada en DC) es moderado y se sitúa entre el 35 – 45 %[2]
2.1.1. TUBO KLYSTRON DE DOS CAVIDADES
Como se menciono anteriormente estos tubos son de velocidad modulada, cuya principal característica de funcionamiento es que deben de haber fuertes campos electroestáticos. Este tipo de tubo son usados frecuentemente en aplicaciones como: radares, equipos de comunicaciones (osciladores y amplificadores).
Klystron de dos cavidades como oscilador: Partiendo del concepto de que en cualquier clase de tubo Klystron, el haz atraviesa sucesivamente varias cavidades y teniendo en cuenta de que el tubo es un amplificador desacoplado, lo que indica que cada etapa por donde ha atravesado el haz esta aislada, es que se hace necesario incorporar al sistema una etapa de retroalimentación electromagnética con el fin único de obtener un oscilador. Esta etapa se realiza con una estructura llamada iris de acoplamiento ubicado en la pared que separa las cavidades. Como característica principal este tipo de tubos pueden modularse en frecuencia variando la tensión de cátodo y son sumamente empleados cuando se necesita potencia moderada, frecuencia estable y bajo ruido en las bandas laterales.
Los componentes básicos de un Klystron de 2 cavidades se muestran en la siguiente figura 3.
24
Figura 3. Componentes básicos de un Klystron de dos cavidadesFuente: Tomado de [3]
El funcionamiento del Klystron como oscilador comienza energizando el tubo cuya función es que el cátodo comience a emitir electrones los cuales van a formar el haz. Este haz pasa por un voltaje bajo positivo en la grilla de control y posteriormente es acelerado por un potencial positivo DC muy alto el cual se aplica en igual amplitud tanto a las grillas aceleradoras como a las agrupadoras. Estas últimas se conectan a un resonador de cavidad que superpone un potencial AC (producidos por oscilaciones dentro de la cavidad que empieza espontáneamente cuando el tubo se energiza) en el voltaje DC, produciendo de esta manera un campo electrostático oscilante entre las grillas agrupadoras que están en la misma frecuencia (natural) de la cavidad.
Figura 4. Klystron de dos cavidades (Diagrama Esquemático)Fuente: Tomado de [2]
Klystron de dos cavidades como amplificador: Su constitución física y funcionamiento Figura 5 se basa en: un cañón electrónico que emite un haz de electrones, el cual pasa a través del espacio intermedio entre las cavidades de cada uno de los resonadores, donde la primer cavidad sirve para ingresar la señal de microondas (a ser amplificada), mientras que la segunda se usa para extraer la señal ya amplificada. Una explicación más detallada de este proceso es que: la señal de entrada excita a la primera cavidad creando de esta manera un campo eléctrico el cual modula a su vez el haz de electrones, donde la velocidad de los electrones es proporcional al campo resultante en la cavidad. Para finalizar el proceso la ultima cavidad tiene como objetivo generar un campo eléctrico en función de la velocidad de los electrones que se transforman en una corriente de microondas de salida. [3]
25
Figura. 5 Klystron de dos cavidadesFuente: Tomado de [3]
. 2.1.2 KLYSTRON DE POTENCIA MULTICAVIDAD
Los Klystron multicavidad se emplean cuando se requiere una alta potencia, rendimiento de potencia, buena amplificación y eficacia. Este tipo de Klystron se obtienen adicionando cavidades intermedias (sirven para modular en velocidad el haz de electrones y producir un aumento de la energía en la salida.) entre las cavidades de entrada y salida del klystron básico. Cada cavidad es sintonizada a la frecuencia de la señal pero generalmente es necesario re-sintonizar la penúltima cavidad a una frecuencia superior que la de la señal con el fin de mejorar el rendimiento en un 5%. Además es factible obtener una ganancia neta de 60 dB. [3]
CARACTERISITCAS
Focalización: El haz electrónico es largo lo que significa que requiere de fuerzas de focalización para mantenerlo uniformemente estrecho, esto lo hace a través de un campo magnético uniforme paralelo a la dirección del haz. Para potencias de RF inferiores a 5 Kw se utilizan imanes permanentes y para potencias más altas los tubos se insertan en electroimanes con posibilidad de sustituirlos.
Sintonía: Las cavidades se sintonizan mecánicamente de varias formas, según se requiera. A continuación se citan varios ejemplos:
Frecuencia fija: El ajuste de la frecuencia se obtiene por una deformación permanente de la pared de la cavidad.
3% de sintonía: Una de las paredes de la cavidad es un delgado diafragma que puede deformarse hacia dentro o hacia fuera por medio de un mecanismo exterior a la zona de vació.
10% de sintonía: Se usa una pared móvil al interior de la cavidad no forma parte de la pared de la ampolla de vació, pero se puede desplazar.
Estos tres métodos varían la inductancia de la cavidad.
25% de sintonía: Dentro de la cavidad se desplaza una paleta perpendicularmente al haz. 35% de sintonía: (a) Una combinación de los sintonizadores inductivos y capacitivos.
(b) Las cavidades se extienden fuera de la ampolla de vació, a través de ventanas dieléctricas, y tienen paredes móviles con contactos deslizantes.
26
Refrigeración: Hasta potencias de 5 Kw, los klystrons se enfrían con aire o con líquido. La refrigeración en caso de potencias superiores se efectúa con agua en el punto de ebullición o por recirculación de líquido.
Modulación: Es por impulsos, esta se logra aplicando impulsos rectangulares de tensión negativa al cátodo, en vez de una tensión continua. Generalmente la excitación de RF se aplica por impulsos de duración ligeramente proporcional a la raíz quinta de la potencia del haz.
Ancho de banda: Se aumenta por medio de una de sintonía escalonada o utilizando circuitos (tipo filtro de resonancia múltiple) en la cavidad de salida. La siguiente figura muestra la banda característica de un tubo con sintonía escalonada. [3]
Figura 6. Curva característica de un Klystron De Potencia MulticavidadFuente: Tomado de [3]
KLYSTRON DE TRES CAVIDADES
Figura 7. Funcionamiento de un Klystron de tres cavidadesFuente: Tomado de [3]
Este tipo de tubo esta constituido por diferentes partes dentro de las cuales se encuentran: El espacio de "flotación" o espacio libre, las tres cavidades, y el plato colector del klystron (los cuales operan a un potencial de tierra por razones de seguridad), un haz de electrones el cual es formado y acelerado hacia el espacio libre
27
(por un gran pulso negativo aplicado al cátodo), cables de enfoque magnético alrededor del espacio libre para mantener los electrones en un haz estrecho y lejos de las paredes laterales del tubo.
La salida de cualquier klystron sin tener en cuenta el número de cavidades usadas, es desarrollada por modulación de velocidad del haz de electrones, donde los electrones que son acelerados por el pulso del cátodo, actúan con los campos RF desarrollados entre las cavidades de entrada y del medio. Durante el tiempo que los electrones están viajando a través del espacio libre entre las cavidades, los electrones acelerados alcanzan a los electrones desacelerados para formar grupos, dando como resultado que los grupos de electrones lleguen a la cavidad de salida al momento apropiado durante cada ciclo del campo RF y entregan energía a la cavidad de salida. El traslado máximo de energía del haz de electrones a la cavidad de salida ocurre, cuando los grupos de electrones cruzan el hueco de la cavidad de salida cuando el voltaje del hueco está en el pico negativo. [3]
La función de las cavidades intermedias es mejorar el agrupamiento de electrones, proceso en el cual se aumenta la ganancia total del amplificador, lo que quiere decir que agregando más cavidades, se agregan más faces y aumenta la ganancia del amplificador. Otro factor importante es el ancho de banda total, el cual se reduce si todas las fases se ponen a punto a la misma frecuencia. Este método de puesta a punto se llama afinación síncrona. Por otro lado si las cavidades se ponen a punto a frecuencias ligeramente diferentes, la ganancia del amplificador se reducirá pero el ancho de banda se aumentará apreciablemente. Este método de afinación se llama afinación tambaleante. [3]
2.1.3 KLYSTRON REFLEX
Este tipo de tubo es usado para generar energía de microondas a la Izquierda e la figura 8, se encuentra el esquema funcional de un Klystron Réflex, y a la Derecha la estructura física del Klystron Réflex del tipo 2K25).
Figura 8. Klystron Reflex( Diagrama esquemático y físico)Fuente: Tomado de [3]
Los klystrons réflex son utilizados como generadores de señal de prueba, osciladores locales en receptores, generadores de bombeo en amplificadores paramétricos, y transmisores de baja potencia en enlaces de FM de visión directa. Las frecuencias de trabajo de este tipo de tubo cubren toda la gama de microondas, pero su utilización mas corriente es entre 4 y 40 GHz.
El klystron réflex esta constituido por un plato reflector ( llamado repulsor), en lugar de la cavidad de salida usada en otros tipos de klystrons, un haz de electrones modulado como en los otros tipos de klystrons
28
mencionados anteriormente, un sistema de retroalimentación (para mantener las oscilaciones dentro de la cavidad). [4]
FUNCIONAMIENTO
Este tipo de tubo utiliza un sistema de retroalimentación para mantener oscilaciones dentro de la cavidad (invirtiendo el haz y enviándolo de vuelta hacia atrás a través de la cavidad), los electrones del haz se modulan en velocidad antes de que pase a través de la cavidad por segunda vez, entonces entregaran la energía necesaria para mantener las oscilaciones. El haz de electrones es devuelto por un electrodo cargado negativamente (este elemento negativo es el repulsor) que repele al haz. La frecuencia puede modularse variando la tensión del reflector.
La mayor parte de los tubos réflex poseen dos rejillas que concentran el campo eléctrico de la cavidad en el espacio libre por el que pasa el haz. Algunos se sintonizan deformando la ampolla de la cavidad, con lo que varia la separación entre las rejillas y la capacidad de carga. [3]
CARACTERISTICAS
Se requieren tres fuentes para el funcionamiento del klystron réflex:
Potencia en el filamento. Tensión resonante positiva o a menudo llamada tensión del haz usado para acelerar los electrones a
través del hueco de la grilla en la cavidad resonante. Tensión repulsiva negativa usada para repeler el haz de electrones.
Modos de operación del klystron réflex: Este opera en un modo diferente durante cada ciclo adicional que los electrones permanecen en el campo del repulsor figura 9.
Modo 1: se obtiene cuando el voltaje del repulsor produce un tiempo de tránsito de los electrones de 3/4 ciclo.
Modo 2: tiene un tiempo de tránsito de electrón de 1 3/4 ciclo. Modo 3: tiene un tiempo de tránsito de electrón de 2 3/4 ciclos; etc.
En modos más altos de funcionamiento los grupos de electrones se forman más despacio. Estos son más propensos a ser afectados por la des agrupación debido a la repulsión mutua entre los electrones. La repulsión mutua cambia la velocidad relativa entre los electrones en los grupos y causa que los grupos se separen
El diseño físico del tubo limita el número de modos posible en aplicaciones prácticas. Un rango de cuatro modos de funcionamiento es normal en los klystrons más comunes. El rango de modos de un klystron depende del uso práctico que se le otorgue. [3]
Potencia de salida: la variación en la potencia de salida para los diferentes modos de funcionamiento depende de la amplitud de las oscilaciones, y estas son causadas por la desagrupacion de los electrones en el espacio de repulsión, entonces cuando hay una concentración baja en los grupos de electrones, estos van a entregar menos potencia a la cavidad que oscila de esta manera se reducen tanto la amplitud de las oscilaciones de la cavidad y la potencia de salida.
29
Figura 9. Efecto de repulsión mutua sobre los electronesFuente: Tomado de [3]
La frecuencia central de la cavidad puede ser cambiada por dos métodos.
Ajuste del hueco de la grilla: Consiste en variar la frecuencia de la cavidad, alterando la distancia entre las grillas.
Paletas: este método cambia la inductancia de la cavidad.
Ruido en los klystrons: Los klystrons no se utilizan como amplificadores de recepción por tal motivo el factor de ruido no es importante. En un amplificador de potencia la contribución al ruido propia de un klystron bien diseñado es en general despreciable. [3]
Para mayor información acerca de este tema…VER ANEXO 8
2.2 TUBOS DE ONDAS PROGRESIVAS – TRAVELING-WAVE TUBES (TWT)
El tubo de ondas progresiva (TWT) es un amplificador de microondas de alta ganancia, bajo ruido y largo ancho de banda. Fue inventado por Rudolf Kompfner en la última parte de la Segunda Guerra Mundial y desarrollado en un dispositivo practico por J. R. Pierce y L. M. Field en los laboratorios de la Bell Telephone en 1945[2]. Hoy en día el TWT tiene varias aplicaciones en comunicaciones tales como: radar, proyectiles teledirigidos, etc. El TWT es capaz de ganar más de 40 dB con anchos de banda dos veces superior a la frecuencia mas baja de trabajo. Se han diseñado tubos de ondas progresivas para frecuencias tan bajas como 300 MHz y tan alto como 50 GHz. [3]
El TWT es principalmente un amplificador de voltaje. Las características de ancho de banda y bajo ruido hacen a los TWT ideales para el uso como un amplificador de RF en un equipo de microondas.
La construcción física de un TWT típico se muestra en al figura 10.
30
Figura 10. Construcción física de un TWT típicoFuente: Tomado de [3]
El TWT contiene: un cañón electrónico que acelera un haz de electrones a lo largo del eje del tubo, un imán que proporciona un campo magnético a lo largo del eje del tubo para que los electrones salgan enfocados en un haz delgado. En el centro del tubo se encuentra un alambre enrollado (dentro del tubo a este alambre se le conoce como hélice) el cual es una línea de transmisión de baja impedancia para la energía RF y un atenuador cuya función es prevenir que cualquier onda reflejada viaje hacia atrás por la hélice. [3]
FUNCIONAMIENTO
Las ondas electromagnéticas que viajan en la línea producen un campo eléctrico que interactúa recíprocamente con los electrones del haz, cuando estos se aceleran más rápido que las ondas que viajan por el cable aparece el efecto de modulación de velocidad, originándose de esta manera agrupamiento de electrones. [3]
Como sabemos que las ondas del cable viajan a la velocidad de la luz, y en la actualidad no se conoce ninguna manera para acelerar el haz de electrones a la velocidad de la luz, esto nos dice que no abría agrupamiento puesto que necesitamos que el haz viaje más rápido que la onda en el cable y por ende el tubo no trabajaría. Lo que se debe de hacer es crearle un retraso a la onda que va por el cable, y lo que se hace es hacer una hélice en el tubo con el alambre como se puede ver en la siguiente figura.
Figura 11.Diagrama funcional de un TWT típicoFuente: Tomado de [3]
En el tubo TWT, el haz se dirige al centro de la hélice, al mismo tiempo una señal RF se acopla hacia la hélice. Los electrones del haz son modulados en velocidad por los campos eléctricos producidos por la señal RF.
31
El proceso de amplificación empieza cuando un grupo de electrones absorbe y entrega energía a la señal en la hélice y estas señales amplificadas ligeramente causan un agrupamiento más denso que, a su vez, amplifica la señal aun más. Si una parte de la señal de salida del tubo se llegara a reflejar en la entrada causaría oscilaciones y habría disminución en la amplificación, por esto se colocan unos atenuadores que evita que se refleje la señal en la entrada. [3]
El cañón electrónico: los electrones son emitidos desde un cátodo esférico y convergen para que el diámetro del haz sea el requerido por los electrodos de enfoque. El diámetro final del haz convergido se mantiene a través de la estructura de interacción por un imán permanente o bien por un campo electromagnético de enfoque.
La modulación de conmutación del tipo trabajo-reposo del haz electrónico se realiza aplicando un impulso a uno de los cuatro electrodos siguientes: 1) cátodo, 2) Ánodo, 3) electrodo de enfoque o 4) rejilla.
Cátodo y ánodo pulsantes: aquí el cátodo es un pulso negativo con respecto al ánodo que esta conectado a tierra el cual requiere que la tensión del haz y la corriente conmuten.
Pulsación del electrodo de enfoque: El electrodo de enfoque, puede ser polarizado negativamente con respecto al cátodo para suprimir el haz. Como el electrodo de enfoque no absorbe corriente, la potencia necesaria se reduce significativamente.
Pulsación de la rejilla: Los requisitos de conmutación de potencia se minimizan con modulación de rejilla. Una estructura de rejilla a la cual se aplica la tensión de modulación esta situada inmediatamente enfrente de la superficie del cátodo. La excursión de tensión necesaria es típicamente solo la décima parte o menos de la tensión total del haz
Focalización magnética del haz: Las fuerzas de repulsión mutua que ejercen las partículas con carga del mismo signo hacen que el haz trate de dispersarse. El sistema que se utiliza para focalizar el haz es el magnético y se realiza de tres formas: 1) electromagnética, 2) con imán permanente o 3) con imán permanente periódico.
Enfoque electromagnético: El enfoque electromagnético se utiliza principalmente en tubos de muy alta potencia acoplados por cavidad. En estos tubos se requiere un enfoque preciso del haz, porque a estos niveles de potencia el haz debe ser muy focalizado. Los inconvenientes de esta clase de enfoque son el tamaño, el peso y el consumo de energía.
Enfoque por imán permanente: El enfoque por imán permanente es posible donde la estructura de interacción es pequeña, por ejemplo en los tubos de onda milimétrica de poca ganancia
Enfoque periódico por imán permanente (PPM): El enfoque periódico por imán permanente se utiliza en casi todos los TWT de hélice y la mayoría de tubos acoplados por cavidad. Estos imanes tienen polaridad alternada es decir que hay espacio en el imán que no es magnético. En los TWT acoplados por cavidad las paredes de la cavidad son las propias piezas polares.
Esta clase de enfoque proporciona una mayor reducción del tamaño del tubo y del peso al mismo tiempo que la eliminación del requisito de fuente de alimentación
El colector: El colector como su nombre lo dice colecta el haz de electrones después de su paso a través del tubo, disipando la energía del haz. Durante la interacción los electrones ceden varias cantidades de energía y algunos de ellos ganan energía. [3]
32
Colectores de una sola fase: El rendimiento total del twt puede ser aumentado haciendo trabajar al colector a una tensión más baja que la tensión total del haz. Esto introduce una diferencia de potencial entre la estructura de interacción y el colector a través de los cuales pasan los electrones. la caída de potencial no puede ser mayor que la cantidad de energía de los electrones mas lentos o bien estos pueden ser retornados y volver a entrar en la estructura de interacción, produciendo oscilaciones.
Colectores multifase: El rendimiento se puede aumentar todavía mas introduciendo etapas múltiples de colector. Este método proporciona la captura de los electrones más lentos en una etapa, mientras permite que los de más energía queden capturados en otras etapas.
Para mayor información acerca de este tema…VER ANEXO 9
2.3 MAGNETRON
El Magnetrón figura 12 fue inventado por Albert Wallace Hull En 1921, cuya función es la generación de microondas. Este es un dispositivo cilíndrico metálico que posee en su interior cavidades de resonancia, las cuales se comunican con una cavidad central, de mayor tamaño, la que consta de un filamento metálico que corresponde al cátodo (-). Este filamento se pone incandescente y emite electrones (é) mediante un efecto termiónico. El Magnetrón se encuentra conectado al polo positivo o ánodo, el cual genera la atracción de los electrones emitidos. La energía es transmitida mediante un cable coaxial hacia un director o radiador, el cual
se encuentra constituida por una antena ubicada en el interior de un reflector. [4]
Figura 12. Magnetron Fuente: Tomado de [4]
FUNCIONAMIENTO
El magnetron se basa principalmente en el Mecanismo de la interacción de campos cruzados.
33
Mecanismo de la interacción de campos cruzados:
Este mecanismo esta constituido por un tubo de microondas o tubos M de campos cruzados lo que quiere decir por un dispositivo que convierte potencia eléctrica continua en potencia de microondas utilizando un proceso de conversión de energía electrónica. Estos dispositivos difieren de los tubos de haz en que son convertidores de engría potencial en vez de ser convertidores de engría cinética. El termino campos cruzados proviene de la ortogonalidad del campo eléctrico continuo suministrado por el generador de potencia eléctrica continua y del campo magnético requerido para enfocar el haz en la región de interacción. En estos tubos el campo magnético viene dado por una estructura de imanes permanentes. [4]
En la figura 13 parte izquierda se muestran las posibles trayectorias que puede seguir un electrón en un diodo plano en presencia de campos electrostáticos y magnetostáticos. En ausencia de campo magnético, viajará en línea recta desde el cátodo hasta el ánodo. A medida que la intensidad del campo magnético se hace mayor, la trayectoria del electrón comienza a curvarse, como lo indica el caso (a); puede llegar el caso en el que el campo sea tan intenso que el electrón tan sólo pueda incidir de forma rasante sobre el ánodo y regresar al cátodo (b); un incremento adicional en la intensidad del campo magnético se traduce en la trayectoria (c), según la cual el electrón nunca llega a alcanzar el ánodo, describiendo una cicloide cuya frecuencia será proporcional a la intensidad del campo. En una configuración cilíndrica figura 13 de parte derecha el electrón se mueve siguiendo trayectorias similares.
Figura 13. Interacción electrónica. [5]Fuente: Tomado de [4]
Equivalente eléctrico:
Podemos observar que la cavidad de un magnetrón consiste en un agujero cilíndrico en el ánodo de cobre y una ranura que conectan la cavidad al espacio de interacción. El circuito eléctrico equivalente del hueco y la ranura se muestra en la figura 14. Los lados paralelos de la ranura actúan como las placas de un condensador mientras que las paredes del hueco actúan como un inductor. Por esto el agujero y la ranura forman así un circuito resonante LC de alto Q. [5]
34
Figura 14. Equivalente electrico (cavidades resonantes) Tomado fuente [5]
2.4 DIODO GUNN
Este tipo de diodo surge en 1963 por J. B. Gunn, como descubrimiento de que los microondas podrían ser generados aplicando un voltaje fijo por una pastilla de cristal de arseniuro de galio del tipo n (GaAs). Este dispositivo es operado levantando los electrones en el cristal hasta los niveles de energía de la banda de conducción que son más altos que el nivel que ellos ocupan normalmente. El efecto global se llama el efecto de transferencia electrónica. [6]
La resistencia negativa que provoca la oscilación en esta clase de dispositivos es consecuencia de la estructura de bandas de ciertos semiconductores figura 15. Debe existir una banda superior de conducción en que los portadores tengan menor movilidad que en la banda inferior inicialmente ocupada, además en la figura 15. podemos observar claramente que la banda superior posee 2 valles y que la separación entre los dos valles corresponde a 0.36eV. Cuando la tensión aumenta, los electrones pasan del valle inferior al superior, representando esto en términos de tensión versus corriente tenemos figura 16 [7]
35
Figura 15. Estructura de bandas para el GaAs Fuente: Tomado de [6]
Figura 16. Curva caracteristica diodo GunnFuente: Tomado de [7]
2.4.1 EL EFECTO GUNN
En un semiconductor de arseniuro de galio, las bandas de conducción vacías del electrón existen a un nivel de energía más alto que las bandas de conducción ocupadas por la mayoría de los electrones. Cualquier electrón que ocupe la banda de conducción más alta, esencialmente no tiene movilidad. Si un campo eléctrico de suficiente intensidad se aplica a los electrones del semiconductor, ellos se moverán de la banda de conducción de baja energía a la banda de conducción de alta energía y se harán esencialmente inmóviles. Los electrones inmóviles ya no contribuyen progresivamente al flujo de corriente y el voltaje aplicado progresivamente aumenta la proporción a la que los electrones se mueven de la banda baja a la banda alta.
La máxima proporción de corriente se alcanza y empieza a disminuir aunque el voltaje aplicado continúa aumentando. El punto al que la corriente en la curva empieza a disminuir se llama UMBRAL. Este punto es el principio de la región de resistencia negativa, explicado anteriormente. [8]
Configuraciones diodo Gunn - cavidades resonantes:
En general existen 2 tipos de diseños de osciladores Gunn, a los que comúnmente se les aplica un campo:
36
Coaxial Guía de Onda
La elección de cualquiera de estos tipos de osciladores dependerá de potencia, frecuencia, estabilidad de frecuencia, estabilidad de potencia, material de la cavidad, etc.
Cavidades Coaxiales Este tipo de diseños cubren un rango de frecuencias entre 5 a 65 GHz. Este tipo de osciladores tienen un bajo Q lo que produce baja estabilidad y altos desvíos de frecuencia, por ejemplo un valor típico de un oscilador de este tipo son los que funcionan a 15 GHz y ofrecen un desvió de 1MHz/ºC. . [8].
Figura 17. Oscilador tipo Cavidad Coaxial Fuente: Tomado de [8]
Cavidades De Guía de Onda Este tipo de osciladores tienen la particularidad de que se encuentran acopladas con un iris, este tipo de cavidades son las mas comunes para generar microondas, debido a que ofrecen un elevado Q y una excelente estabilidad de frecuencia, además ofrecen la ventaja de que pueden ser estabilizadas [8].
Figura 18. Oscilador tipo Cavidades De Guía de Onda Fuente: Tomado de [8]
Valores típicos para este tipo de osciladores pueden ser por ejemplo aquellos que operan en 35 GHz y poseen una estabilidad de 1 MHz/ºC en una cavidad no estabilizada, cuando se lo hace en una cavidad estabilizada pueden obtener como por ejemplo operar a 35 GHz con una estabilidad de 200kHz/ºC. [9]
2.5 APLICACIONES DE LAS MICROONDAS
37
Este recurso natural se encuentra en manos de organismos internacionales, los cuales han acordado que sólo se emplearán cuatro frecuencias, cuyos fines serán sólo científicos, médicos e industriales; 915±25, 2450±13, 5800±75 y 22125±125 MHz. [10]
2.5.1 FISIOTERAPIA
En los últimos años, se ha producido una gran proliferación de equipos de diatermia (calor profundo) basados en el efecto que producen las microondas sobre el cuerpo humano. La frecuencia más empleada en la práctica médica es la de 2.450 MHz. Otra modalidad de termoterapia profunda o endógena con microondas, donde se induce calor en los tejidos mediante la penetración de varias formas de energía, como la energía electromagnética.
La diatermia por microondas, se dirige un haz de energía al área de aplicación, siendo dicha energía absorbida por los tejidos con un alto contenido en agua. Esta energía de microondas se refleja entre los límites de tejidos deferentes o interfaces (músculo/hueso). A diferencia de otros métodos de termoterapia profunda, como la onda corta, la energía electromagnética de las microondas puede ser dirigida directamente sobre el tejido que se desea tratar minimizando de este modo los riesgos de sobrecalentamiento de los tejidos limítrofes.
El uso más común es el magnetrón. Este es usado comúnmente por su pequeño tamaño y bajo precio. [11]
Figura 19 . equipo de fisioterapia con microondas Fuente: Tomado de [11]
2.5.2 RADAR
El radar opera en una gran variedad de frecuencias desde 40 MHZ hasta los 100GHz, este rango de frecuencias comprende las bandas HF-, VHF-, UHF-, L-, S-, C-, X-, Ku-, K-, Ka-, V-, y WLa frecuencia mas usada en aeronáutica esta situada en 8-12.5 GHz . [12]
Los transmisores de radar puedes usar los diferentes tubos de microondas pero se usa el magnetrón por las siguientes características [12]:
Bajo costo, peso y volumen comparado con los otros tubos Maneja altas potencias de cresta Buenos niveles de eficiencia. Estabilidad Salida acoplada.
Otra aplicación de los radares esta en los radares meteorológicos cuya principal función esta en observar la lluvia de forma en grandes extensiones.
Tipos de radares meteorológicos [12]:
38
1. Banda s Frecuencia 2-4 Ghz Distancias de 0-240 Km
2. Banda C Frecuencia 4-8 Ghz Distancias de 0-120 Km
3. Banda x Frecuencia 8-12 Ghz Distancias de 0-60 Km
Figura 20. Tubo klistrón usado en radares meteorológico Fuente: Tomado de [12]
2.5.3 HORNO DE MICROONDAS
Los microondas domésticos utilizan una frecuencia de 2.450 MHz , un sistema multimodos y una potencia eléctrica máxima de 900 W. En el caso de las microondas, según el tipo de cavidad y la guía de ondas que se utilice figura 21, esta transferencia puede ser: a) directa, es decir que no hay reflexión de la microonda sino que la onda va directa al producto (en este caso se habla de un horno microondas monomodo), o b ) indirecta, lo que indica que antes de llegar al producto la microonda habrá rebotado varias veces (puede llegar a más de mil veces en un horno doméstico) generando cada vez un modo de reflexión (en este caso se habla de un horno microondas multimodos). [12]
39
Figura 21. funcionamiento horno microondas Fuente: Tomado de [12]
40
3. ENLACES MICROONDAS (ANTENAS, TORRES )
3.1 ENLACES DE MICROONDAS TERRENALES FIJOS Y MÓVILES
Un sistema de comunicaciones muy general consta principalmente de: Un transmisor, un medio de propagación y un receptor. Para los sistemas de comunicaciones por microondas es idéntico.
Para conocer algunas especificaciones típicas de estos enlaces de microondas encontramos que los niveles de potencia de transmisión estándares para los sistemas de microondas se encuentra entre el margen de 0,1 W a 15 W. Por otra parte tanto para las antenas de recepción como para las de transmisión, son utilizadas antenas parabólicas, las cuales se pueden encontrar desde un tamaño de 0,5 m a 4 m y con unos niveles de ganancia entre los 30dB a 50 dB.
Sin olvidar que estos dos parámetros dependen totalmente de la banda de frecuencia a la cual se desea realizar la transmisión. [13]
La siguiente es una lista de frecuencias utilizadas por los sistemas de microondas:
Tabla 1. Frecuencias utilizadas para Microondas
COMMON CARRIER OPERATIONAL FIXED
2.110 2.130 GHz
1.850 1.990 GHz
2.160 2.180 GHz
2.130 2.150 GHz
3.700 4.200 GHz
2.180 2.200 GHz
5.925 6.425 GHz
2.500 2.690 GHz
10.7 11.700 GHz
6.575 6.875 GHz
12.2 12.700 GHzFuente: Tomado de [13]
En el manejo de frecuencias de microondas podemos recalcar algunas ventajas, para estos niveles de frecuencia tales como:
Antenas de tamaño relativamente pequeñas y de gran practicidad. Debido al comportamiento de las ondas de radios que poseen un comportamiento similar a las ondas de luz, es que puedes ser enfocadas directamente a antenas parabólicas, antenas de embudo y en todos los
tipos de reflectores (pasivos o activos). Un espectro de frecuencia grande para estas comunicaciones que se encuentra entre 2 a 24 GHz.
Pero se presentan también algunas desventajas tales como:
Para estos niveles de frecuencia se presenta un fenómeno llamado: Disminución de Multicamino (Multipath Fanding), el cual se ve reflejado en pérdida de potencia de la señal.
Los factores ambientales constituyen un factor muy importante, la lluvia se convierte en uno de los principales, ya que a estos niveles de frecuencia y entre mas altas sea, una insignificante gota de lluvia es interferencia considerable para la comunicación. [14]
41
Otros factores que pueden alterar el funcionamiento de un enlace de microondas son:
El clima El Terreno
CLIMA
No es recomendable la realización de un enlace de microondas en zonas climáticas, donde el factor de lluvia sea alto, ya que, como se conoce de conceptos antes adquiridos a frecuencias elevadas, cada una de estas gotas de lluvia se convierten en factores de interferencias en la recepción de la señal. Para este inconveniente se recomienda utilización de radios de mas baja frecuencia bajas (es decir menores a 10 GHz).
TERRENO
Otro factor importante a considerar es el terreno, debido a la ausencia de zonas montañas o presencia de grandes cuerpos de agua, puede ocasionar una gran reflexión de multi-trayectorias. [14]
3.2 MICROONDAS TERRESTRES (RADIO RELAY SYSTEM)
Manejando el concepto de sistema de comunicaciones por microondas, surgen un termino muy importante en la realización de este, como lo es: línea de vista (Line – of Sight LOS). Este término determina la conectividad que existe entre dos estaciones terrenas, en donde una se ve con la otra de forma directa. La señal emitida puede ser de forma análoga o digital, y en la mayoría de estos casos se utilizan equipos de frecuencias superiores a 1Ghz. Entrando más detalladamente en los componentes principales de un sistema de enlace de microondas encontramos:
1. Una antena con una corta y flexible guía de onda.2. Una unidad externa de RF (Radio Frecuencia). 3. Una unidad interna de RF.
Otras especificaciones:
Frecuencias típicas= 12 GHz, 18 y 23 GHz Distancia de conectividad= Entre 1 y 15 millas Equipos(Frecuencia)= 2 y 6 GHz Permisos y Legislación = Gubernamentales o nacionales (Detallada capitulo 1)
Podemos encontrar un sin número de aplicaciones para los sistemas de microondas entre los cuales se encuentran:
Telefonía básica (canales telefónicos) Datos Telégrafo/Telex/Facsímile Canales de Televisión. Vídeo Telefonía Celular(Troncales)
3.3 PROPAGACIÓN DE MICROONDAS
La propagación de las microondas están determinadas en una fracción del espectro de frecuencias entre 1 y 300 GHz, que corresponden en longitudes de onda en el orden de los cm y mm. En la práctica son ondas del orden de 1 GHz a 12 Ghz. [15]
42
La banda espectral de las microondas de divide en sub-bandas tal como se muestra en la tabla 2.
Tablas 2. Sub-bandas en las que se divide la banda espectral de las microondas
FRECUENCIA (GHz) LONGITUD DE ONDA APROXIMADA (cm)
S 1.5 A 8 10X 8 A 12.5 3K 12.5 A 40 1.1Q 40 A 50 0.8
Fuente: Tomado de [15]
Podemos observan varias ventajas de las señales de microondas:
1. Debido a sus niveles de frecuencias tan altas las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera y son usadas también en comunicaciones por satélites.
2. La longitud de onda muy pequeña permite antenas de alta ganancias. 3. Como el radio de Fresnel es relativamente pequeño, la propagación se efectúa como en el espacio
libre. 4. Si hay obstáculos que obstruyan el radio de Fresnel, la atenuación es proporcional al obstáculo.
A continuación observamos el sustento matemático para los cálculos de los diferentes parámetros que se deben tener en cuenta a la hora de la realización de un enlace por microondas:
La atenuación Pr/Pt en este tipo de enlaces es:
Pr/Pt (dB) = Gt (dB) + Gr (dB) +20 log h (m) - 22 - 20 log r (Km) (7)
Donde r es la distancia del enlace, h es la longitud de onda Gt y Gr son las ganancias del transmisor y del receptor receptivamente. [15]
Para cálculos de la atenuación en espacio libre se le agregan algunos valores de atenuación debido a obstáculos:
6 dB: Incidencia restante. 40 dB: Bloqueo total del haz.
La atenuación puede variar de 6 a 20 dB dependiendo del tipo de superficie que provoca la difracción. Así: 6 dB: Para una difracción en filo de cuchilla, con incidencia restante. 20 dB: Difracción con incidencia restante en obstáculo más redondeado como terreno ligeramente ondulado o agua que sigue la curvatura de la tierra.
En condiciones desfavorables las perdidas por reflexión pueden ser de hasta 50 db (propagación sobre mar).
Si la superficie es rugosa se consideran despreciables las pérdidas por reflexión.
La temperatura efectiva de ruido Te del circuito receptor, referida a los terminales de entrada y la cifra de ruido o (factor de ruido) F de un circuito están relacionados de la siguiente forma:
F = 1 + Te/To (8)
43
Donde F es la razón de la potencia de ruido real de salida (al conectar en un generador de temperatura normalizado de To=290^oK) y la potencia de ruido de salida que existiría para la misma entrada, si el circuito no tuviera ruidos propios. Por tanto, se tenemos que:
F = 1 o 0 dB corresponde a Te = 0^K (9) F = 2 o 3 dB corresponde a Te = 290^oK, etc.
3.4 MODULACIÒN EN MICROONDAS
La mayoría de los sistemas de microondas se basan en la modulación QAM y AM con banda lateral única. Del empleo de estos dos tipos de modulación nacen unos inconvenientes a tener en cuenta para dichos sistemas como lo son: Los Generadores y Amplificadores, debido a su crítico estado de tensión y corriente de funcionamiento.
En presencia de estos problemas críticos, se ha pensado en la no interacción directa sobre el generador y los amplificadores, si en la adición de un dispositivo diodo pin directamente en la guía de salida, y así modularía directamente la amplitud de la onda. [16]
Otra posible solución a estos inconvenientes, seria la utilización de un desfasador de ferrita y la modulación de la onda en fase. Para obtener dicha modulación, se deben seguir al pie de la letra los siguientes 4 etapas:
1. En una primera etapa, se modula en FM una portadora de baja frecuencia, por ejemplo 70 MHz 2. En una segunda etapa, esta portadora modulada es mezclada con la portadora principal en frecuencia
de GHz, por ejemplo 10 Jhs. 3. En la tercera etapa, un filtro de frecuencias deja pasar la frecuencia suma, 10070 MHz con sus
bandas laterales de 3 MHz y como resultado la banda pasante será de 10067 a 10073 MHz que es la señal final de microondas.
4. Como cuarta y última etapa, en el receptor se hace la mezcla de esta señal con el oscilador local de 10 GHz seguido de un filtro que aprovecha la frecuencia de diferencia 70 MHz la cual es amplificada y después detectada por las técnicas usuales en FM. [16]
3.5 ANTENAS Y TORRES DE MICROONDAS
Existen gran variedad de antenas y torres tanto para la recepción como para la transmisión de la señal de microondas; Estos tipos de antenas y torres las estaremos tomando más detalladamente en el transcurso del desarrollo de este capítulo.
A continuación mostraremos dos tipos de dispositivos que interactúan con la señal cuando viaja desde el transmisor hacia el receptor, los cuales tiene como principal objetivo la amplificación de la señal o el cambio de dirección de la misma, estos dispositivos son conocidos como : Reflectores Y Repetidores.
La utilización de estos dispositivos nace de la necesidad presentada por la pérdida de información cuando esta es propagada por el espacio libre o en presencia de obstáculos en el trayecto. [17]Estos dispositivos son recreados en las figuras 22 y 23.
Figura 22. Repetidor. Fuente: Tomado de [17]
44
Figura 23. Reflector pasivo. Fuente: Tomado de [17]
3.5.1 Definiciones de zona de campo
Existe diferentes regiones en la zona de campo, para las antenas parabólicas con diámetro D tales como:
Región de campo cercano: En el campo cercano, o región de Fresnel, del haz principal, la densidad de potencia puede alcanzar un máximo antes de que empiece a disminuir con la distancia. El máximo valor de la densidad de potencia de campo cercano en el eje depende únicamente de la potencia entregada a la antena, del diámetro, D, de la antena y de la eficacia de la antena.
Región de transición: La densidad de potencia en la región de transición disminuye de manera inversamente proporcional a la distancia desde la antena.
Región de campo lejano: En el campo lejano, o región de Fraunhofer, la densidad de potencia del diagrama de antena disminuye de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
En la Figura 14 se representan las diversas zonas de una antena parabólica. El siguiente método sólo es válido a lo largo del eje principal de la antena. [18]
45
Figura 24. Zonas de antena parabólica. Fuente: Tomado de [18]
La radiación de una antena parabólica Figura 24 en la zona de campo cercano se produce a lo largo de toda laLongitud de la zona que tiene la forma de un cilindro con diámetro, D. El máximo valor del EMF ySu densidad de potencia es constante a lo largo de toda la zona del campo cercano.
Esta se expresa mediante la ecuación: [18]
(10)
Cabe señalar que la densidad S es máxima a lo largo de la zona de campo cercano.
A partir del punto 1 (comienzo de la zona de transición) la densidad S disminuye linealmente con la distancia r hasta llegar al punto 2, donde empieza la zona de campo lejano. En la zona de campo lejano, S disminuye con el cuadrado de la distancia según la ecuación:
46
(11)
3.6 ALTURA DE LAS ANTENAS
3.6.1 Criterio para despejamiento
Basandonos en los criterio para el despajamiento de la primera zona de fresnel, utilizaremos un mètodo basado en 4 pasos,los cuales son:
Paso 1. Se determinan las alturas de las antenas necesarias para el valor mediano apropiado del factor k en el punto (vease Anexo 6; en ausencia de datos, utilize k=4/3) y un despejamiento de 1,0 F1 por encima del obstaculo mas alto. [19]
Paso 2. Se obtiene el valor k efectivo, rebosado el 99,9% del tiempo para el mes mas desfavorable, ke (0,1%) a partir de las estadisticas de refractividad, si se dispone de ellas, como se indica el apartado anterior. Si se carece de esta informacion puede utilizarse la curva de la figura 25, para la longitud del trayecto en cuestion.
Figura 25. Curva para longitud de trayecto. Fuente: Tomado de [19]
Paso 3. Se calcula de nuevo las alturas de antena necesarias para el valor de ke obtenido en el paso 2 y los siguientes radios:
Tabla 3. Características de las zonas y climas
47
Fuente: Tomado de [19]
Paso 4. Utilícense las mayores alturas de antena obtenidas en los pasos 1 y 3.
(12)
Figura 26. Cálculos de las antenas. Fuente: Tomado de [19]
48
3.7 TIPOS DE ANTENAS DE MICROONDAS
Todos los tipos de antena descritos en este documento, están basados en un reflector parabólico, en donde el terminal alimentador es siempre colocado en el punto focal. [20]
3.7.1 ANTENA DE REJILLA
Este es uno de los tipos de antenas más utilizados en los sistemas de comunicaciones por microondas Figura 27, debido al sin-número de ventajas que esta presenta esta, entre las cuales podemos encontrar:
1. Las antenas de rejilla tiene gran aplicación para frecuencias de microondas inferiores de 2.5 GHz. La ventaja de las antenas rejillas es que tienen significativamente menos carga de viento ( Wind Loading) sobre la torre.
2. Desde un punto de vista eléctrico tienen los mismos parámetros de la antena de plato sólido, y además, se puede usar el mismo terminal alimentador.
3. Forma de escoger la longitud de onda, de manera tal que la abertura entre las rejillas no afecte el comportamiento de la antena.
4. En la práctica, el reflector de rejilla tiene una poco menos razón F/B debido a la difracción alrededor de los elementos de rejillas.
5. La varilla reflectora naturalmente polariza la señal en la dirección que la varilla se sitúa. Debido a esto este tipo de antena brinda una muy buena discriminación de cruce polar.
6. Las antenas de rejillas tienden a ser significativamente más económicas que las antenas sólidas y el terminal alimentador es de simple construcción. Los costos por transporte, son también reducidos debido a que ellos pueden ser distribuidos en partes. [20]
Pero también podemos encontrar algunas desventajas claras para este tipo de antena:
1. Las antenas de rejilla pueden ser usadas en frecuencias de microondas bajas, cerca de 2.5 GHz.2. Una limitación de las rejillas es que no pueden soportar más de una polarización.
Figura 27. Antenas utilizadas en microondas. Fuente: Tomado de [20]
49
3.8 ANTENAS PARABÓLICAS SÓLIDAS
3.8.1 ANTENA PARABÓLICA ESTÁNDAR
Las antenas parabólicas estándar son usualmente construidas de aluminio. Estas antenas son manufacturadas por medio del planchado de una hoja de aluminio alrededor de un plato en forma parabólica. Los reflectores a su vez no son dependientes de la frecuencia, debido a que a mayor frecuencia, mas perfección de la superficie es requerida. En la práctica los reflectores son por tanto, especificados por la banda de frecuencia.
Esta antena tiene parámetros estándares de ganancia, relación F/B, anchos de haz y RL. Si se desea una mejora en estos parámetros, se deben hacer ciertos cambios en la antena, los cuales viene descritos por el fabricante. [20]
3.9 ANTENA DE PLANO FOCAL
Este tipo de antena tiene como mejora significativa la supresión de lados laterales y la razón F/B, por otra parte la entena de plano focal extiende el reflector parabólico hacia el plano del foco. Lo cual significa que el área de apertura es incrementada. En la práctica, la ganancia disminuye debido a la reducción de la eficiencia de iluminación de la antena. Para mejorar la razón F/B adicionalmente, la antena tiene una geometría especial, la cual consiste en que el plato es construido con un borde dentado, lo cual desaparece completamente las corrientes remolino y cancelando los componentes activas de fase, así reduciendo la radiación detrás del plato.Como ventaja importante es que este tipo de disco ofrece una mejora de al menos 10 dB en la razón F/B comparado con una antena estándar.
3.10 ANTENAS DE ALTO RENDIMIENTO
Cuando en un sistema de comunicaciones por microondas, los requerimientos de conectividad son muy estrictos, los ingenieros de campo suele utilizar generalmente antenas de alto rendimiento entre los tipos más comunes encontramos:
High-Performance. Very-High-Performance. Ultra-High-Performance.
Estos requerimientos de antenas de alto rendimiento se traducen en: Muy buena razón F/B, con excelente supresión de lóbulo lateral.
Estas antenas usan una protección alrededor del borde del plato para eliminar radiación desde los lados laterales y posteriores de la antena. [20]
3.11 ANTENAS SLIPFIT
Este tipo de antenas se emplea en sistemas donde la unidad de RF se instala junto a la unidad de radio. Esto elimina la necesidad de una conexión de guía de onda, reduciendo significativamente todas las pérdidas.
3.12 TORRES PARA ANTENAS DE MICROONDAS
3.12.1 Ubicación, Altura y Tipo de las Torres
50
Cuando se desea realizar un enlace de microondas para la prestación de un determinado servicio, la ubicación, las alturas de las antenas y el tipo de torres que se van a emplear, juegan un papel muy importante, para el funcionamiento óptimo de mismo, este concepto se expondrá por medio de un ejemplo práctico:Para la realización de un enlace de comunicaciones celulares, inicialmente se hace un análisis de topología del terreno y se observa las bandas de frecuencias a la cual se va a realizar el enlace, se determinan la localización de estas antenas, y su altura para que funcionen correctamente. Una vez dada esta ubicación, en donde se tiene un radio de aproximación, se procede a visitar el área y encontrar un lugar adecuado para la instalación de la torre. Esta área puede caer sobre una casa, y se procede a hacer un levantamiento del inmueble, y verificar su altura, para así saber la altura de la torre a construir. También se debe de revisar que el inmueble este en condiciones óptimas para recibir a la torre. [21]
Si el área es un terreno, entonces la torre puede ser autosoportada o tipo monopolo.
3.12.2 Análisis de Cargas
Uno de los parámetros importantes a tener en cuenta en el análisis de un enlace de microondas son las cargas, las cuales son consideradas a la hora de la realización para el diseño una torre de telecomunicaciones:
1. Carga Muerta. Antenas celulares, parábolas, feeders, cama guía de onda, escalera, plataforma Triangular y/o descanso.
La carga muerta correspondiente al peso de las antenas se tomará directamente de la información proporcionada por el fabricante.
2. Carga Viva.- El personal para su instalación. Se considera generalmente 300kgs (3 personas de 100kg cada una).
3. Análisis de fuerzas de viento.- Las cargas de viento se calculan generalmente por medio de un análisis dinámico.
En el caso de las cargas de viento sobre la estructura, estas se obtienen por medio de fórmulas estipuladas en los reglamentos correspondientes para cada país, por ejemplo, en Estados Unidos se calcula por medio del reglamento AESC, en México por medio del reglamento de la CFE, en Argentina por medio del reglamento CIRSOC. En dichas fórmulas se calculan las áreas de exposición de los elementos estructurales, las cuales se multiplican generalmente por otros coeficientes.
Para calcular las fuerzas del viento pero ahora sobre las antenas y parábolas, se podrán calcular a partir de las medidas experimentales tomadas por los fabricantes del equipo, como las antenas Andrew que son las más comerciales.[21]
3.13 TORRES ARRIOSTRADAS O ATIRANTADAS
Estas torres cuentan generalmente de tirantes o arriostres a diferentes distancias. El peso que genera la torre sobre la estructura existente no es muy grande, por lo que no le adiciona mucho peso a la edificación, sin embargo, se deben de colocar el apoyo de las torres y sus arriostres sobre columnas y elementos resistentes, porque la descarga de la torre no podría colocarse sobre una losa o algún otro elemento inadecuado, porque este podría fallar. [21]
3.13.1 TORRES AUTOSOPORTADAS
Estas son el otro tipo de antena más utilizada en los enlaces de microondas Figura 28, tanto para servicios de celulares como de microondas, para la instalación de etas torres se construyen sobre terrenos, en áreas urbanas o cerros, y deberán de contar con una cimentación adecuada para poder resistir las fuerzas a las que están sometidas.
51
Presenta un diseño de torre única hasta los 96 metros de altura, cumpliendo con las normas técnicas estipuladas, teniendo siempre en cuenta la accesibilidad, mediante una escala que a su vez puede ser equipada con anillos guarda vida, cable o riel de seguridad y soportes de cables coaxiales.
Se fabrica en módulos de 6 metros totalmente armables en terreno, todos sus elementos son unidos mediante pernos de alta resistencia y cumpliendo unas especificaciones técnicas tales como: [21]
Especificaciones Técnicas:
Sección triangular totalmente galvanizada en caliente. Troncocónica de sección variable, 9.800 a 1.506 mm. Altura máxima, 96 metros en forma estándar. Patas en cañería ISO 65 SL II, ASTM A 53 y A 106. Diagonales y horizontales en ángulos laminados. Unión entre módulos mediante flanches atiesados. Acero A37-24ES. Pernos ASTM A 325 en unión de módulos. Pernos SAE G5 en diagonales y horizontales. Galvanizado según norma ASTM A 123M-97a. Esquema de pintura en base a primer epóxico especial para zinc, terminación en base a esmalte
poliuretano, epóxico o caucho clorado, según sea el requerimiento.
Figura 28. Torres autosoportadas. Fuente: Tomado de [21]
3.14 TORRES TIPO MONOPOLO
Este tipo de antenas son por lo generalmente instaladas en lugares en donde se requiere conservar la Estética, debido a que son las que ocupan menos espacio, y no poseen reglamentos estipulados respecto a su color, por tal razón puede ser pintadas con colores similares a las edificaciones donde se encuentran instaladas y así buscar la forma de camuflarla y se simule la vegetación. Ya que estas estructuras están sobre terrenos, se deberá de construir una cimentación adecuada para resistir los efectos de la misma. [22]
3.15 TOMA DE TIERRA DEL PARARRAYOS
Todo tipo de antena a instalar en una torre deberá estar indefectiblemente debajo del "cono de protección" del pararrayos. Se define así al cono de 30 grados con vértice en el extremo superior del pararrayos. [22]
52
3.16 TOMA DE TIERRA PARA PARARRAYOS
El valor adoptado para esta toma de tierra deberá ser menor a 10 ohm. La toma de tierra estará constituida por fleje de cobre de 30 x 2 mm, dispuesta en forma de pata de ganso, es decir, tres flejes de 5 metros de longitud, enterrados horizontalmente a una profundidad entre 0,60 y 0,80 metros formando un ángulo entre ellos de 60º. Si es posible ésta deberá estar situada a no más de 5 m del pie de la torre ó de la pared del edificio. En el extremo de cada uno de los flejes se hincarán jabalinas (una en cada extremo o punto de conexión).
Se deberá prestar mucha atención a que la toma de tierra del pararrayos esté alejada por lo menos 3 m de cualquier elemento metálico que no penetre en el edificio protegido. [22]
3.17 TOMA A TIERRA DE TORRES AUTOSOPORTADAS: La toma a tierra de una torre auto soportadas, básicamente son estructuras metálicas piramidales de 3 o 4 aristas. Cada pie descansa sobre una fundación de hormigón independiente del resto. En estas estructuras, las descargas sobre elementos de ella, son canalizadas por la bajada del pararrayos y por la propia estructura. Por este motivo, las torres tendrán una toma de tierra específica. Su punto de partida será una placa de cobre con dimensiones entre (220 x 100 x 10 mm) unida mecánica y eléctricamente a la estructura de la torre. Esta barra, será situada en la pata más alejada de la pared más próxima a la torre. Desde ésta partirá un fleje de cobre de 30 x 2 mm que será vinculado con soldadura cuproaluminotérmica a una jabalina de acero-cobre hincada al pie de la torre. El resto de las patas deberán estar conectadas entre sí perimetralmente con un fleje de cobre de 30 x 2 mm soldado a cada pata. Estas vinculaciones equipotenciales serán realizadas bajo tierra a una profundidad no inferior a 0,20 m. En el caso de obras nuevas se agregará la vinculación eléctrica del hormigón armado a las patas de la torre. [22] 3.18 ESTRUCTURA GENERAL DE UN RADIOENLACE POR MICROONDAS
3.19.1 EQUIPOS
Un radioenlace está constituido por equipos terminales y repetidores intermedios. La función de los repetidores es reflejar o amplificar la señal transmitida, en los casos en los cuales no existe línea de vista vista directa hacia el receptor, debido a la curvatura terrestre, conociendo que la distancia que se encuentra entre cada uno de los repetidores se conoce como: VANO
Los repetidores pueden ser:
Activos Pasivos o reflectores
En los repetidores pasivos o reflectores.
No hay ganancia Se limitan a cambiar la dirección del haz radioelectrónico.
3.18.2 PLANES DE FRECUENCIA - ANCHO DE BANDA EN UN RADIOENLACE POR MICROONDAS
En una estación terminal se requieran dos frecuencias por radiocanal, las cuales son:
Frecuencia de emisión Frecuencia de recepción
Es una estación repetidora que tiene como mínimo una antena por cada dirección, es absolutamente necesario que las frecuencias de emisión y recepción estén suficientemente separadas, debido a:
53
1. La gran diferencia entre los niveles de las señales emitida y recibida, que puede ser de 60 a 90 dB. 2. La necesidad de evitar los acoples entre ambos sentidos de transmisión. 3. La directividad insuficiente de las antenas sobre todas las ondas métricas. Debido a estos inconvenientes es recomendable en la gama de ondas métricas (30-300 MHz) y disimétricas (300 MHz-3 GHz) utilizar cuatro frecuencias (plan de 4 frecuencias),como se muestra de en la figura 29. [22] En ondas centimétricas, la directividad es mayor y puede emplearse un plan de 2 frecuencias, como se muestra en la figura 30.
Figura 29. Plan de 4 Frecuencias. Fuente: Tomado de [22]
Figura 30. Plan de 2 Frecuencias. Fuente: Tomado de [22]
3.18.3 CALIDAD DE LOS SISTEMAS DE RADIOENLACE
Partiendo de uno de los conceptos más importantes a tener en cuenta en la prestación de un servicio de microondas como lo es la calidad del sistema. Se representa en el grado para el que ese sistema está en condiciones de proporcionar un servicio óptimo, para el que se ha diseñado. Esta calidad se representa por medio de 2 factores, los cuales son:
Calidad en cuanto a disponibilidad. Calidad en cuanto a fidelidad.
La calidad del servicio en cuanto a disponibilidad se determina por los siguientes parámetros:
Tiempo de disponibilidad e indisponibilidad. Umbral de indisponibilidad. Criterio: sistema indisponible cuando el umbral se supera un tiempo To.
Indisponibilidad total, se calculara por medio de esta formula:
(13)
• Calidad en cuanto a fidelidad: En condiciones de disponibilidad pueden darse interrupciones que degradan el funcionamiento del sistema. Se mide en términos de BER. [22]
DISEÑO DE ENLACES TERRESTRES POR MICROONDAS
54
U=∑T ind
T⋅100 (% )
Se deben considerar básicamente a la hora de la realización de un enlace de microondas, que haya una línea de vista óptima para el mismo, por lo general este tipo de enlaces se hacen en los puntos altos de la topografía.
Cualquiera que sea la magnitud del sistema de microondas, para funcionamiento correcto es necesario que los recorridos entre enlaces tengan una altura libre adecuada para la propagación en toda época del año, tomando en cuenta las variaciones de las condiciones atmosféricas de la región.
Para poder calcular las alturas libres debe conocerse la topografía del terreno, así como la altura y ubicación de los obstáculos que puedan existir en el trayecto como se ilustra en la figura 31.
Figura 31. Enlace en microondas. Fuente: Tomado de [22]
Antes de hacer mediciones en el terreno puede ser necesario estudiar los planos topográficos de la zona. Por lo general el estudio minucioso de los mapas y de los planos facilita las labores, sobre todo en sistemas extensos con gran número de repetidoras y donde existe una gran variedad de rutas posibles. Por proceso de eliminación y de selección ha de llegarse a la escogencia de la ruta más favorable. [22]
Sobre un mapa de la región en escalas del orden de 1:10000, 1: 100000 o 1: 200000, se escogen estaciones separadas de 10 a 50 Km
Figura 32. Representación diagrama superficial. Fuente: Tomado de [22]
55
Una vez escogidos los sitios de ubicación propuestos para las torres de las antenas, y habiéndose determinado la elevación del terreno comprendido entre dichos sitios, se prepara un diagrama de perfiles, como se ilustra en al figura 32.
En la mayoría de los casos solo es necesario los perfiles de los obstáculos y de sus alrededores, donde pueda obstruirse la línea visual.
Puede emplearse un perfil de trayecto dibujado sin mostrar la curvatura de la tierra, y con el haz de microondas en línea recta entre las dos antenas. Dicho perfil representa el caso en el cual la curvatura del haz es igual a la del terreno y el radio de la tierra es infinito. Esta es una de las condiciones extremas que deben investigarse al estudiar el efecto de las condiciones atmosféricas anormales sobre la propagación de las microondas. Sobre el mismo gráfico se dibujan los recorridos del haz para otros posibles valores de K entre ellos el normal que es 4/3. El trazado de las curvas con diversos valores de K se hace con plantillas normalizadas. Traza el elipsoide de Fresnel para verificar si ocurre obturación. [22]
Determinando el perfil del terreno sobre el que se propaga el haz, se estudiará el margen de este con relación al obstáculo más prominente. Dicho margen hay que compararlo con el radio de la n-esima zona abscisa o, esta dado por la ecuación:
Rfn = nhd1d2/d1+d2 (m)(14)
Donde:
Rfn = Radio de la n-esima zona de Fresnel en metros. h = Longitud de onda en metros. d1 = Distancia del transmisor al punto considerado en metros. d2 = Distancia del punto considerado al receptor en metros.
Figura 33. Representación de margen. Fuente: Tomado de [22]
A partir del mapa de la región se traza en un papel 4/3 el perfil del terreno a lo largo de la trayectoria de estación a estación.
Ordinariamente, el margen sobre obstáculos se refiere al radio de la primera zona de Fresnel; si el cociente correspondiente se lleva en abscisas en le gráfico, en coordenadas se obtendrá la influencia sobre la intensidad de campo. Se tiene las condiciones correspondientes a propagación en el espacio libre cuando al margen sobre obstáculos es 0.6 veces el radio de la primera zona de Fresnel. Este es el criterio que se sigue en presencia de obstáculos para determinar la viabilidad de un enlace.
Intervalo -3 <p/ Rf <1 (15)
56
Abscisa: Margen sobre obstáculos/radio primera zona de Fresnel. B. interpretaciones del margen sobre obstáculos
p >0 y p < o (16)
La Figura 33 muestra dos interpretaciones existentes para el margen sobre obstáculos p. La siguiente es una formula empírica para pérdidas por obstáculo.
Po (dB) = 12 P/ Rf – 10 (17)
La ecuación anterior es válida en el intervalo - 3 < P/Rf < 1
Hay momentos en que la distribución de la densidad de la atmósfera cambia y la trayectoria se hace más restante y pasa a sufrir obstrucción, se debe incluir en los cálculos una pérdida adicional de 3 dB.
Poniendo en funcionamiento tal enlace, la transmisión con atmósfera normal no tendrá la perdida de 3 dB, solo surge en momentos desfavorables y ya está incluida en el diseño.
Luego se calcula la atenuación con la ecuación
Pr / Pt = Gt Ar / 4 r² (18)
De la ecuación se tiene
Ar = Gr h² / 4 (19)
Sustituyendo la última ecuación en la anterior se obtiene la ecuación
Pr / Pt = Gt Gr h² / (4 r )² (20)
Donde los parámetros se conocen anteriormente.
Expresado dicha ecuación en dB la ecuación tenemos:
Pr / Pt (dB) = 10 log Pr / Pt = Gt (dB) + Gr (dB) + 20 log h - 20 log r – 22 (21)
Sobre un terreno liso el alcance D de la radiación depende de la altura de la antena h. Entonces:
D (km) = 4 Ö h (m) (22)
El problema de las reflexiones interferentes es prácticamente inexistente ya que, para las ondas centimétricas todo terreno es áspero y no da buena reflexión según el criterio de Rayleigh. [23] El único caso peligroso es cuando existe un espejo de aguas mansas como un lago, bahía o mar.
3.20 CÁLCULO DE LA ATENUACIÓN POR LLUVIA EN UN RADIOENLACE
3.20.1 Diseño de cobertura de un sistema real
Los cálculos de la atenuación por lluvia en un radioenlace se utilizan para realizar el diseño de cobertura o alcance del sistema de radiocomunicaciones dado un cierto valor de disponibilidad o calidad de servicio. Por ejemplo, supongamos un radioenlace funcionando a una frecuencia de 40 GHz con polarización vertical. Las pérdidas de propagación del sistema serán, en una primera aproximación, las pérdidas en espacio libre, las
57
pérdidas por absorción atmosférica y las pérdidas por lluvia. Estas pérdidas totales se representan en la figura 34en función de la distancia de propagación y para distintos valores de disponibilidad.
Figura 34. Atenuación de propagación del sistema para distintas disponibilidades o calidades de servicio.Fuente: Tomado de [23]
Suponiendo una potencia transmitida de +23 dBm, una ganancia de la antena transmisora de 12 dB, una ganancia de la antena receptora de 30 dB y una sensibilidad del receptor de -75 dBm, se tiene un valor máximo para las pérdidas de propagación de 140 dB. Luego fijando este requisito se puede deducir de la figura 4 el alcance o cobertura de nuestro sistema. En este caso, para una disponibilidad del 99,99% por ejemplo, se obtiene una cobertura de 1,4 km. Este es un valor típico de cobertura para sistemas MVDS. [24]
3. 40 EJEMPLO DE ENLACE DE MICROONDAS
Pasos a seguir:
1. Definir si hay línea de vista, a partir de las alturas de las antenas. Para ciertas alturas hay una distancia máxima dada por la siguiente expresión.
d=√17 hreceptor+√17 htransmisor (24)
2. Calcular el radio requerido para que el 60% de la zona de Fresnel se encuentre libre. Para esto se despeja R.
R=10.4 √ h1h2f (h1+h2) (25)
3. Se calcula la potencia que llega al receptor. Para esto se toma en cuenta pérdidas en espacio libre y el SOM (system operating margin) el cual es un valor que incluyen posibles pérdidas como las causadas por los diferentes desvanecimientos y las atenuaciones por lluvia. En este caso este valor por recomendación debe ser mayor a 14db.
PR=PT+GT (dbi )+GR (dbi )−(32 . 44+20 log (d )+20 log ( f )+SOM ) (26)
En el cual la distancia esta en Km y la frecuencia en MHz
Si se quiere la distancia en millas la ecuación es:
PR=PT+GT (dbi)+GR (dbi )−(36 . 6+20 log (d )+20 log( f )+SOM ) (27)
58
A partir de esta ecuación se puede despejar cualquier variable dependiendo del diseño a realizar.4. ANOMALÍAS DE PROPAGACION EN MICROONDAS
Las anomalías de propagación en microondas se presenta cuando la diferencia entre la variación del radio de la curvatura ficticia de la tierra con respeto al radio real terrestre se presenta, a esta relación entre estos dos parámetros se conoce como: El gradiente del índice de refracción o factor K, el cual se expresa mediante la siguiente ecuación:
k=R'⋰ Rt (28)Rt= Radio real terrestre. R’= Radio de la curvatura ficticia de la tierra.
Bajo condiciones atmosféricas normales puedes presentarse unos valores conocidos de K, tales como:
Regiones elevadas y secas= 1.2 zonas costeras húmedas= 2 o 3
Si los valores de K tiene:
K tiende a infinito: La tierra aparece ante el haz como perfectamente plana, ya que su curvatura tiene exactamente el mismo valor que la terrestre.
K disminuye a menos de 1: El haz se curva en forma opuesta a la curvatura terrestre. Este efecto puede obstruir parcialmente al trayecto de transmisión, produciéndose así una difracción.
K es inferior a 1: Aparecen las anomalías de propagación , debido a que el trayecto podría quedar obstruido y por lo tanto seria vulnerable a los fuertes desvanecimientos provocados por el efecto de trayectos múltiples.
K forma un valor negativo: El trayecto podría resultar atrapado entre capas atmosféricas y en consecuencia serias susceptible a sufrir desvanecimiento total. [25]
El desvanecimiento se presenta generalmente por: Cambios Atmosféricos y las reflexiones en el trayecto. Estas se dan debido a la presencia de superficies terrestres y acuáticas.
Uno de los mayores inconvenientes en la realización de un enlace de microondas, son las perdidas por propagación, lo cual dificulta la recepción de una señal óptima en el destino.
La pérdida de propagación, es la suma de las siguientes perdidas:
Atenuación debida a los gases atmosféricos. Desvanecimiento por difracción debido a la obstrucción parcial o total del trayecto. Desvanecimiento debido a la propagación por trayectos múltiples, la dispersión del haz. Atenuación debida a la variación de los ángulos de llegada y de salida, Atenuación debida a las precipitaciones, Atenuación debida a las tormentas de arena y polvo.
Cada una de estas contribuciones a las pérdidas por propagación, son directamente proporcionales as la frecuencia, la distancia del trayecto y la ubicación geográfica del mismo. [25] Detallaremos a continuación algunos de los factores que contribuyen a las perdidas por propagación anteriormente mencionados.
i. Atenuación debida a los gases atmosféricos
59
Para frecuencias superiores a unos 10 GHz siempre está presente una cierta atenuación debida a la absorción del oxígeno y del vapor de agua, por lo que debe incluirse en el cálculo de la pérdida total de propagación. La atenuación a lo largo de un trayecto de longitud d (km) viene dada por:
(29)
ii. Desvanecimiento por difracción
Las variaciones de las condiciones de refracción de la atmósfera pueden modificar el radio efectivo de la Tierra, es decir el factor k, con respecto a su valor mediano que es aproximadamente de 4/3 para una atmósfera normal. Cuando la atmósfera es suficientemente subrefractiva (grandes valores positivos del gradiente del índice de refracción, valores reducidos del factor k), los rayos se curvan de forma que la Tierra obstruye el trayecto directo entre el transmisor y el receptor, lo que da lugar a un tipo de desvanecimiento llamado desvanecimiento por difracción. Este tipo de desvanecimiento es el factor que determina la altura de las antenas. [25]
iii. Desvanecimientos y refuerzos debidos a la propagación por trayectos múltiples y mecanismos conexos
Para planificar enlaces de más de unos pocos kilómetros de longitud deben tenerse en cuenta diversos mecanismos de desvanecimiento en condiciones de cielo despejado originados en las capas extremadamente refractivas de la atmósfera, a saber: dispersión del haz, desalineamiento de antena y propagación por trayectos múltiples en la superficie y en la atmósfera. La mayoría de estos mecanismos pueden aparecer aislados o en combinación unos con otros. Los desvanecimientos causados por centelleo debido a irregularidades de pequeña magnitud producidas por turbulencias atmosféricas siempre están presentes con estos mecanismos, pero a frecuencias inferiores a unos 40 GHz su efecto sobre la distribución de desvanecimiento global no es significativo. [25]
4.1 Reducción del efecto de las reflexiones en superficies
4.1.1 Apantallamiento del punto de reflexión
Una técnica consiste en aprovechar las colinas, montañas o edificios que se encuentran en el trayecto para apantallar las antenas contra las superficies más reflectivas en el trayecto (por ejemplo, masas de agua, superficies planas, cumbres de colinas llanas no cubiertas de árboles, parte superior de un edificio). De manera ideal, las colinas o montañas deben estar cubiertas de vegetación para reducir en mayor grado el nivel del campo difractado sobre ellas. Por supuesto, el apantallamiento de las superficies reflectivas es más sencillo para despejamientos reducidos Figura 35. [26]
60
Figura 35. Apantallamiento de una antena contra la reflexión especularFuente: Tomado de [26]
Se deben efectuar análisis de trayectorias de rayos para una gama de factores k efectivos que varían de ke (99,9%) (O algún otro valor mínimo) a «infinito» para encontrar un obstáculo de apantallamiento apropiado. Se debe asegurar que la reflexión en la superficie esté bloqueada, o al menos parcialmente apantallada, para valores grandes de factor k efectivo, así como para el valor medio.
b. MÉTODOS DE DIVERSIDAD EN MICROONDAS.
La diversidad es otra de las técnicas de ingeniería que se desarrollan para combatir los efectos negativos del canal de comunicaciones. Conociendo de antemano que la señal recibida puede verse afectada por fuertes desvanecimientos.
El concepto general de la diversidad es lograr proporcionar al receptor varias versiones de la señal transmitida que sean estadísticamente independientes, de manera que la combinación de todas ellas en el receptor redunde en una señal en mejores condiciones. En otras palabras, se trata de que si una de ellas se recibe fuertemente degradada se pueda disponer de otras versiones de la señal transmitida que puedan recibirse en buenas condiciones.
Como resultado de esto, queda claro que se mejora la fiabilidad del enlace o, en otras palabras, la diversidad permite reducir la tasa de error del sistema. La diversidad se puede conseguir de varias formas tales como:
Diversidad temporal. Diversidad frecuencial. Diversidad espacial. Diversidad en polarización. Diversidad por conmutación.
A continuación se describirán detalladamente cada una ellas:
4.1.2 Diversidad temporal. Como principal objetivo de funcionamiento se envía la misma señal varias veces, dejando transcurrir al menos el tiempo de coherencia del canal, τc, entre una transmisión y la siguiente, para que el canal haya podido variar significativamente. Este mecanismo de diversidad no se suele emplear en la práctica, ya que supone un coste muy elevado (el tiempo dedicado a las transmisiones de diversidad de un usuario podría emplearse en transmitir la señal de otros usuarios).
4.1.3 Diversidad frecuencial. Como principal objetivo de funcionamiento se envía la misma señal sobre distintas portadoras, separadas entre sí al menos el ancho de banda de coherencia del canal, Bc, para que las condiciones del canal puedan ser diferentes. Este mecanismo de diversidad no se suele emplear en la práctica, ya que supone un coste muy elevado (la frecuencia empleada en la transmisión de diversidad de un usuario podría emplearse para dar servicio a otro usuario).
4.1.4 Diversidad espacial. Como principal objetivo de funcionamiento se sitúan varias antenas receptoras, suficientemente separadas entre sí como para poder garantizar que la señal recibida en cada antena ha viajado en condiciones de propagación estadísticamente independientes de las demás. Este mecanismo se emplea muy frecuentemente en la práctica, ya que conlleva un coste reducido al aprovechar la dimensión espacial en lugar de la temporal o la frecuencial. En la figura 36 se muestra un ejemplo de emplazamiento con dos antenas receptoras. [27]
61
Figura 36. Emplazamiento con diversidadFuente: Tomado de [27]
4.1.5 Diversidad en polarización. Esta constituye una alternativa a la diversidad en espacio, con la ventaja que hace que la antena resulte menos visible. La diversidad de polarización incrementa la ganancia mediante la recepción simultánea de dos señales ortogonales polarizadas desde una sola antena de polarización doble.
4.1.6 Diversidad por conmutación. El principio de recepción del sistema de diversidad por conmutación consiste en recibir y analizar las señales que entregan los receptores del sistema con diversidad y escoger en cada instante la mejor.
4.2 DIVERSIDAD DE FRECUENCIA
L diversidad de frecuencia en los sistemas de comunicaciones es necesario al menos dos receptores y transmisores enviando y recibiendo señales al mismo tiempo, pero a frecuencias distintas.
Para La descripción detallada del funcionamiento haciendo que las salidas de los receptores se conectan en un combinador de diversidad que suma la potencia de las dos señales para formar una sola. En la mayoría de los casos la separación de las frecuencias se sostiene dentro de la banda asignada al servicio. En algunos sistemas de microondas se utilizan frecuencias de dos bandas, obteniéndose así una separación mucho mayor. Este método también se conoce como Diversidad de bandas cruzadas. Como se ilustra en la figura 37
Figura 37. Diversidad en frecuenciaFuente: Tomado de [27]
La eficiencia de la diversidad de frecuencia depende de la diferencia de longitud de onda entre las frecuencias utilizadas. Cuando las señales siguen un mismo trayecto pero tienen diferentes longitudes de onda, es imposible que se produzca un profundo desvanecimiento simultáneo.
Al analizar los trayectos Figura 38 que siguen las dos señales de un sistema de diversidad de frecuencia, es fácil ver por que no se produce interferencia simultánea entre ambas. Cada una puede seguir diversos
62
trayectos pero ninguna toma un camino con exclusión de la otra. Cuando la componente indirecta de una frecuencia llega a perturbar su componente indirecta de la otra frecuencia, en el mismo recorrido, no habrá sufrido suficiente retardo para causar el mismo grado de interferencia en la componente [28]
Figura 38. Diagrama de diversidad de frecuencia, dos ondas refractadas viajan por un mismo trayecto pero no ejerce el mismo grado de interferencia sobre la onda directa.
Fuente: Tomado de [28]
La diversidad de frecuencia constituye una solución fácil y practica para contrarrestar el desvanecimiento de propagación por trayectos múltiples. Las ventajas del método de diversidad de frecuencia son:
Utilizar dos transmisores y dos receptores suministra dos trayectos eléctricos para las señales y protege la continuidad del servicio en caso de averías. Si un equipo falla el otro continua en funcionamiento.
Las pruebas y regulaciones pueden efectuarse sin interrupción del servicio. En todos los sistemas de radiotransmisión por diversidad, ya sea de espacio o frecuencia, debe emplearse un método de combinación para controlar las señales en los puntos de recepción.
4.2.1 SEPARACIÓN DE FRECUENCIAS EN LOS SISTEMAS CON DIVERSIDAD EN FRECUENCIA
La separación de frecuencias entre los canales principales y de protección en los sistemas con diversidad en frecuencia se rige por tres factores:
El plan de frecuencias del sistema disponible (véanse las Recomendaciones UIT-R de la Serie F); La necesidad de obtener un factor de mejora de diversidad en frecuencia específico para trayectos
terrestres. La necesidad de reducir al mínimo la posibilidad de que la señal se desvanezca en una frecuencia al
mismo tiempo que en otras frecuencias se desvanece en trayectos de gran reflexión.
Basándonos en los pasos del procedimiento para determinar la separación de frecuencias son los siguientes:
Pasos 1-4: Aplíquense los Pasos 1-4 de Separación de antenas en sistemas con diversidad de espacio para determinar:
Si hay alguna zona del trayecto en que la reflexión especular interactué con una superficie puede ser importante mencionarla.
Es necesario aplicar diversidad en frecuencia contra el desvanecimiento por trayectos múltiples por superficies.
Pasó 5: Utilizando la misma gama de valores k efectivos, calcúlese la separación de frecuencias óptima mínima de los canales principales y de protección con la siguiente fórmula:
63
(30)Donde h1 y h2 se expresan en metros y d, d1 y d2 en kilómetros. Hay que aplicar esta fórmula a cada posible zona de reflexión especular.
Paso 6: Por ultimo han de calcularse las separaciones de frecuencias óptimas posibles de los canales principales y de protección mediante la siguiente fórmula:
(31)
4.3 DIVERSIDAD DE ESPACIO
Como objetivo fundamental de la diversidad de espacio siempre se transmite una misma señal a dos antenas receptoras instaladas con cierta separación vertical. Las dos salidas de los receptores se combinan en la estación. [29]
El sistema por diversidad de espacio funciona de acuerdo con el principio de que las dos componentes de una misma señal que corren dos caminos distintos no tendrán los mismos puntos de interferencia. Una misma longitud de onda sufre diferentes grados de interferencia en dos puntos espaciados verticalmente por que dicha onda llega a las antenas por dos caminos distintos, como podemos observar en la figura 39.
Figura 39. Diversidad de EspacioFuente: Tomado de [29]
Cuando es difícil obtener suficientes asignaciones de frecuencia, la diversidad de espacio es la mejor protección contra el desvanecimiento por efecto de trayectos múltiples. Generalmente se elige la mayor separación posible entre las antenas, teniendo en cuenta la altura máxima de las torres y otros factores mecánicos o limitaciones de orden económico. Esta solución empírica se basa en la probabilidad de que el rendimiento del sistema aumentará en relación con la separación entre antenas.
En otro método de cálculo se emplean separaciones directas destinadas a contrarrestar la simple interferencia de las componentes reflejadas de señales que recorren dos caminos diferentes, esta relación teórico práctico de interferencia se conoce como Zonas de Fresnel.
Las zonas de Fresnel forman una serie de círculos concéntricos imaginarios entre el transmisor y receptor. La posición de zonas depende de la longitud de onda. Cada zona contiene componentes que viajan por trayectos que no tienen más de media onda de diferencia entre sí, en toda la longitud.
64
Dos trayectos que pasen por puntos correspondientes en zonas vecinas tendrán una diferencia equivalente de onda. Todo trayecto de propagación está rodeado de un número ilimitado de zonas de Fresnel. Las zonas se enumeran desde el centro de trayecto hacia afuera. El trayecto que pasa por la primera zona de Fresnel varía hasta en media longitud de onda respecto al trayecto directo de la señal. La distancia del trayecto por la segunda zona varía entre media onda y una onda completa, y así sucesivamente. Cada número de zona corresponde a un aumento de media longitud de onda en la distancia total del trayecto.
En la figura 40 se muestra la relación entre componentes directa y reflejada de la onda de una señal. La anulación de la componente directa se produce cuando el punto de reflexión queda ubicado dentro de una zona par. Por esta razón se procura evitar que los trayectos pasen por las zonas de Fresnel de número par.
Figura 40. Componentes directa y reflejada de la onda de una señalFuente: Tomado de [29]
De la ecuación siguiente se tiene el radio de los anillos de Fresnel Rf para n entero
(32)
Donde los parámetros n, d1, d2 son los mismos considerados anteriormente.En los receptores A y B se tiene:
(33)
(34)d = RFB – RFA (35)
Como se observa en la figura número 41, con los dos reflectores
Figura 41. Separación vertical de las antenas receptoras
65
Fuente: Tomado de [29]
4.3.1 Recepción por diversidad de espacio
La recepción por diversidad es la forma más eficaz para minimizar el efecto “multipath” Figura 42 (multicaminos), en un sistema de radioenlace donde se produzcan reflexiones difíciles de controlar.
El “multipath” consiste en la disposición de dos antenas en diferente ángulo, y correctamente acopladas, que apuntando hacia la zona donde operará el transmisor y con una correcta disposición mediante ensayos, conseguirá reducir sino eliminar, los nulos que se producen por recepción de la señal con fases invertidas.
Figura 42. Dos antenas dispuestas horizontalmente separadas entre sí de 1 - 3 mts.Fuente: Tomado de [29]
4.3.2 Separación de antenas en sistemas con diversidad de espacio
La separación apropiada de antenas en sistemas con diversidad de espacio está regida por tres factores: La necesidad de mantener el despejamiento de la antena de menor altura lo más bajo posible (Dentro
de las directrices sobre el despejamiento) para reducir al mínimo la aparición de desvanecimientos por trayectos múltiples por superficies.
La necesidad de obtener un factor de mejora de diversidad de espacio especificado para trayectos terrestres
La necesidad de reducir al mínimo la posibilidad de que la señal en una antena en diversidad se desvanezca por trayectos múltiples por superficies cuando la señal en la otra antena se desvanece.
El procedimiento por pasos para determinar la separación entre las antenas es el siguiente:
Paso 1: Calcular las alturas posibles de las antenas transmisora y receptora utilizando la regla de despejamiento para sistemas sin diversidad así:
Paso 2: Se determinan las alturas de antenas necesarias para el valor mediano apropiado del factor k en el punto (en ausencia de datos, utilícese k 4/3) y un despejamiento de 1,0 F1 por encima del obstáculo más alto (en climas templados y tropicales).
66
Paso 3: Se obtiene el valor de ke (99,9%) a partir de la Fig. 43, para la longitud del trayecto en cuestión.
(Clima templado continental)
Figura 43. Valor de ke excedido aproximadamente durante el 99,9% del mes más desfavorableFuente: Tomado de [29]
Paso 4: Se calculan las alturas de antena necesarias para el valor de ke obtenido en el Paso 2 y los siguientes radios de despejamiento de la zona de Fresnel:
Tabla 4. Características de las zonas templada y tropicalTomada Fuente [29]
Paso 4: Utilícense las mayores alturas de antena obtenidas en los Pasos 1 y 3. En los casos de incertidumbre sobre el tipo de clima, debe seguirse la regla de despejamiento más conservadora para climas tropicales o, al menos, una regla basada en el valor medio de despejamiento para climas templados y tropicales. En los Pasos 1 y 3 anteriores puede que sea necesario utilizar las fracciones más pequeñas de F1 para frecuencias inferiores a unos 2 GHz con objeto de evitar antenas de altura excesivamente elevada.
Paso 5: Calcular las alturas de las antenas transmisora y receptora superior por encima de posibles zonas de reflexión especular sobre el perfil del trayecto o cercano al mismo. Zonas tales como masas de agua, planicies, la cumbre lisa de una colina no cubierta de árboles, o la parte superior de edificios, pueden producir reflexiones especulares importantes. Por supuesto, estas áreas pueden ser horizontales o no y puede haber más de una de ellas (véase la Nota 1). Si bien algunas zonas se pueden determinar por medio de mapas, otras pueden requerir una inspección detallada del terreno a lo largo del trayecto y en sus cercanías.
67
Paso 6: Para la misma gama de valores k efectivos, calcúlense las distancias de separación entre los valores máximos y mínimos del nivel de la señal recibida (debido a la interferencia entre la onda directa y la onda de trayectos múltiples reflejada por superficies; ver Figura. 33) mediante la siguiente expresión:
(36)
La distancia de separación ;θ1 en el emplazamiento 1 se puede calcular reemplazando h1 y d1 de la ecuación por h2 y d2, respectivamente.
Repítase este paso para cada zona de posible reflexión especular.
Paso 7: Calcúlense las separaciones óptimas posibles de las antenas en diversidad para la misma gama de valores de k, mediante:
S1 θ1/ 2, 3θ1 / 2, 5θ1 / 2 etc. S2 θ/ 2, 3θ2 / 2, 5θ2 / 2 etc. m
4.3.3 Separación angular en sistemas de diversidad en ángulo y diversidad de espacio/ángulo combinados
La diversidad en ángulo se puede combinar con la diversidad de espacio para mejorar la calidad de funcionamiento si se desea. Las antenas en diversidad de espacio están inclinadas para proporcionar esta mejora adicional de diversidad en ángulo.
El procedimiento para determinar los ángulos de inclinación, sea en un par de diversidad de espacio o en un par de diversidad en ángulo en disposición colateral, son los siguientes:Inclínese la antena principal (más alta) de un par en diversidad de espacio (o una de las antenas de un par en diversidad en ángulo en disposición colateral) y la antena transmisora hacia arriba por ángulos basados en los procedimientos indicados así:
Paso 1: Calcúlense los ángulos entre la señal o señales directa y reflejada por superficies en los emplazamientos 1 y 2 para la gama de valores k efectivos.
(38)Paso 2: Estímese la pérdida en el nivel de la señal o señales reflejadas por superficies, con relación a la señal directa, introducida por discriminación de las antenas, mediante la ecuación siguiente
(38)Donde a1 y a2 son las anchuras de haz de potencia mitad de las antenas.
68
Esto producirá una pérdida del margen contra desvanecimiento plano en la gama aproximada de 2,5 a 6 dB, cuyo valor depende de si la inclinación está optimizada para reducir el desvanecimiento o la distorsión de amplitud al mínimo. Si fuera necesario, utilícese una antena más grande para compensar la pérdida del margen contra desvanecimiento plano ocasionado.
Paso 3: Inclínese la antena (más baja) de diversidad de un par de diversidad de espacio (o la otra antena de un par en diversidad en ángulo en disposición colateral) hacia abajo desde la horizontal local, un ángulo que sea menor que:
El ángulo en la dirección de la reflexión especular dominante a lo largo del trayecto (en condiciones de k );
El ángulo que da un valor de 3 dB de pérdida relativa a la mira de alineamiento.
4.4 DIVERSIDAD DE POLARIZACION
En este método dos señales procedentes del radiotransmisor se envían simultáneamente por dos antenas separadas, una con polarización vertical y la otra horizontal. La diversidad de polarización resulta útil para la transmisión por onda indirecta en la parte baja del espectro de frecuencias. Este método no da resultados en la transmisión de microondas por onda espacial debido a que generalmente ambas señales polarizadas se desvanecen al mismo tiempo. [30]
4.5 METODOS DE COMBINACIÓN
En todos los sistemas de radiotransmisión por diversidad, ya sea de espacio o frecuencia, debe emplearse un método de combinación para controlar las señales en los puntos de recepción. Tres clases de combinación de señales que se emplean en los puntos terminales de recepción de los sistemas de microondas en diversidad se muestran a continuación:
Combinación por conmutación o diversidad por conmutación. Combinación Por Selección Combinación De Máxima Ganancia
4.6.1 Combinación por conmutación o diversidad por conmutación.
La diversidad por conmutación se basa en el esquema de la figura 44. El cual será descrito en detalle a continuación:
La señal de una de las antenas pasa a través del bloque de radiofrecuencia, RF, y a continuación se realiza una medida del nivel de señal y una adaptación de nivel mediante un CAG antes de ser demodulada. Si el nivel de señal está por debajo de un umbral que no nos garantiza la calidad deseada entonces se realiza una conmutación de antena y pasa a demodularse la señal de la otra antena.
Este sistema tiene la ventaja de utilizar un único bloque de RF. Sin embargo, se originan transitorios de amplitud y fase que provocan errores en la demodulación. Además, existe la incertidumbre al conmutar, puesto que únicamente conocemos el nivel de señal de una de las antenas.
69
Figura 44. Esquema de receptor con diversidad por conmutaciónFuente: Tomado de [30]
La figura 44 muestra gráficamente el proceso. En ella se monitoriza la potencia de señal recibida por cada una de las antenas, una representada en trazo continuo y la otra en trazo discontinuo, y se utiliza la técnica de diversidad por conmutación para elegir la señal más conveniente (la resultante se muestra en trazo más grueso).
Puede observarse que cuando la señal que está siendo demodulada cae por debajo del umbral, el sistema conmuta para tomar la señal de la otra antena. De la figura 45. Se desprende que la señal resultante es mejor que si empleásemos una única antena, puesto que la señal combinada está un porcentaje mayor de tiempo por encima del umbral que cualquiera de las dos de forma individual. Puede observarse que la elección de la señal no siempre es la mejor, puesto que la conmutación se produce únicamente cuando el nivel de potencia de señal está por debajo del umbral.
Otro de los puntos a destacar es que en muchos casos cambia de forma brusca el nivel de potencia de la señal cuando se produce la conmutación. Finalmente, cuando las dos señales están por debajo del umbral el conmutador tiene variaciones muy rápidas que acentúan los problemas de transitorios de señal. [30]
Figura 45. Efecto en el nivel de potencia a la entrada del receptor con diversidad por conmutaciónFuente: Tomado de [30]
4.6.2 Combinación Por Selección
En este método de combinación por selección la señal de cada una de las antenas es tratada por su propio bloque de RF y medida su potencia, tal y como se observa en la figura 46. De este modo podemos escoger en cualquier instante la señal con mayor nivel y por tanto asegurar una calidad de recepción mejor. El precio que se debe pagar es la necesidad de tantos bloques de RF como señales deseemos comparar.
70
Figura 46. Esquema de receptor con diversidad por selecciónFuente: Tomado de [30]
Por su parte, la figura 47 muestra el proceso de selección. En este caso puede observarse que la señal que será demodulada es la que tiene el nivel de potencia más alto y, por lo tanto, nos garantizará la mejor relación señal a ruido.
Figura 47. Efecto en el nivel de potencia a la entrada del receptor con diversidad por selecciónFuente: Tomado de [30]
4.6.3 Combinación De Máxima Ganancia
En este método de combinación de máxima ganancia, la señal de cada una de las antenas es demodulada por su propio bloque de RF y el valor de señal es multiplicado por un coeficiente igual al coeficiente de la respuesta impulsional del canal pero conjugado mediante un amplificador de ganancia variable, de forma que la señal de cada una de las ramas queda sumada con la misma fase que el resto, tal y como se aprecia en la figura 48.
Figura 48. Esquema de receptor con diversidad por combinación de máxima gananciaFuente: Tomado de [30]
71
4.7 DISPONIBILIDAD EN EL ENLACE
Se define como la probabilidad de que el sistema se encuentre trabajando en forma satisfactoria y equivale a la proporción del tiempo que el sistema se encuentra funcionando de forma satisfactoria (MTBF) frente al tiempo total (MTTR + MTBF), donde MTTR, es el tiempo en que el sistema se encuentra cortado.La no disponibilidad tiene un especial significado para los estándares de la UIT. De acuerdo a la UIT-R, el periodo de tiempo de no disponibilidad empieza cuando, al menos una dirección de trasmisión, una o ambas de las siguientes condiciones ocurre por 10 segundos consecutivos: o la señal digital es interrumpida (perdida de alineamiento o sincronización) o el BER en cada segundo es peor que 1x10^-3. Estos 10 segundos son considerados parte del tiempo no disponible. [30]
4.7.1 CAUSAS DE NO DISPONIBILIDAD
Las causas de las interrupciones largas pueden ser usualmente consideradas en tres categorías.1. Propagación.2. Falla en el equipo.3. Otros.
4.7.1.1 PROPAGACION
Las interrupciones relacionadas a las propagaciones, mayores a 10 seg. Son debidas a 3 causas:1. Perdida por difracción 2. Entubamiento (Ducting)3. Otros
4.7.1.1.1Perdida Por Difracción
Los efectos de desvanecimientos atmosféricos dominantes, los cuales afectan la disponibilidad, son debidos a la difracción de la señal de radio. Si las antenas son instaladas con altura insuficiente sobre la tierra, bajo ciertas condiciones de propagación adversas las señales de radio viajaran mas cerca de la tierra que lo usual, y ocurrirá perdida de la señal. Esta perdida es llamada perdida por difracción y ocurre cuando una parte del frente de la onda total es obstruida por un obstáculo. En la práctica, las antenas pueden ser instaladas en alturas convenientes para que las pérdidas puedan ser ignoradas.
4.7.1.1.2. Entubamiento (Ducting)
El Ducting es una condición que puede ocurrir si la curvatura del haz de radio excede la curvatura de la tierra. Bajo esta condición ocurren desvanecimientos con interrupciones totales de la señal que pueden durar varias horas. En la práctica, esta condición puede ser usualmente ignorada desde el punto de vista de la interrupción. Las áreas geográficas que presentan un alto grado de falla por “ducting” están bien documentadas. Cuando esta condición existe, puede usarse, la diversidad de espacio con grandes antenas para reducir su efecto.
4.7.1.1.3 Lluvia
La interrupción de la propagación debido a la lluvia es proporcional a la tasa de lluvia de la región. Es importante darse cuenta de que no depende del promedio de lluvia. Es la cantidad instantánea de agua en el trayecto la que es relevante. Las moléculas de agua absorben la energía de las microondas en forma de calor. A mayor tamaño de las gotas de agua, mayor cantidad absorción.
Esta es la razón por la que la niebla causa menos atenuación fuerte lluvia. La nieve también exhibe menor atenuación, aunque las nieves húmedas tienen una mayor atenuación que la llovizna. También necesitamos
72
asegurar que la nieve o el hilo no se depositen sobre las antenas, caso en el cual la atenuación será mayor. La atenuación por lluvia causa desvanecimiento plano porque atenúa la señal recibida. La única forma para mejorar la disponibilidad es incrementar la ganancia del sistema empleado, por ejemplo grandes antenas. Las técnicas de diversidad (espacio y frecuencia) no proporcionan mejoras, a veces ambos canales se atenúan igualmente. La diversidad de polarización proporciona una pequeña pero significativa mejora con la polarización vertical. La razón de esto es que las gotas de lluvia tienden a caer como gotas aplanadas; así la atenuación en la polarización horizontal es mayor que en la polarización vertical. [30]
La atenuación debido a la lluvia se incrementa con el aumento de la frecuencia.
4.7.1.1.4 DE EQUIPO
Las interrupciones largas pueden ocurrir si fallan los equipos de radio. El número de veces que el equipo de radio falla es inversamente proporcional al tiempo medio antes de falla (MTBF, mean time to restore). Esto incluye el tiempo de viaje, el tiempo empleado para reparar la falla y al disponibilidad de refacciones. La disponibilidad (A) de un Terminal esta dada por la formula:
A= (MTBF/MTBF+MTTR) x100 (39)
4.7.1.1.5 OTROS
Esta categoría incluye tales eventos como el apagado para mantenimiento planificado, falla en las fuentes primarias de poder, y fallas “catastróficas” tales como incendios en la sala de equipos o la caída de la torre. La única forma de asegurar que este tipo de fallas no ocasione demasiadas interrupciones es tener alguna forma de diversificar la ruta en la red.
4.7.2 RELACION CON LA ECUACION DE MARGEN
Ecuación de margen normal
(40)
En la mayoría de las situaciones practicas el nivel de la señal recibida esta afectada por desvanecimiento (fanding) en términos de variaciones del margen en el tiempo.
Figura 49. Desvanecimiento de la señal recibida en términos de margenFuente: Tomado de [17]
El desvanecimiento esta caracterizado por tres elementos:
73
a) Profundidad del desvanecimiento (AF)b) Duración del desvanecimiento (dti)c) Frecuencia de recepción del desvanecimiento.
Las variaciones del margen con respecto al tiempo implican que alguno de los parámetros de la ecuación de margen presenta variación en el tiempo. Supongamos que la concentra esta variación descomponiéndola en:
(41)
Donde ΣL representa un conjunto de perdidas invariantes en el tiempo debido a múltiples factores y LF es perdida variable en el tiempo causante del desvanecimiento.
Se define la disponibilidad del servicio δp (%) en porcentaje a
(42)
La indisponibilidad o interrupción del servicio p (%)
(43)
(51)
Pasando AF al miembro de la izquierda, se obtiene
(52)
Como Mo ≥ 0 dB, entonces el margen por desconocimiento MF se define como:
(44)
Y la ecuación de margen queda finalmente:
(45
El enlace radioeléctrico digital diseñado de acuerdo con los lineamientos de (1.91) garantiza la calidad del enlace en un δp (%) del tiempo de operación. Si Top se toma como 365 días (1 año) entonces, la disponibilidad del servicio es una disponibilidad promedio anual. Por ejemplo, un enlace diseñado con 99,9% de disponibilidad promedio anual, implica que la interrupción del servicio promedio anual (no garantiza la calidad del sistema) será de 8 horas, 45 minutos y 36 segundos, repartidos en todo el año. [30]
CONCLUSIONES
74
El desarrollo de esta monografía, cumple con las características básicas en cuanto a conceptos importantes empleados en el diseño e implementación de un enlace de microondas, lo que hace de este documento una herramienta de vital importancia para el lector interesado en esta área de las telecomunicaciones.
Teniendo en cuenta que los enlaces de microondas terrestres se ven afectados por la topografía de los lugares donde se va a establecer el mismo, se hace necesario realizar un análisis y estudio profundo al tema de la zona de Fresnal, porque aun existiendo línea de vista entre los dos puntos interesados del enlace, puede existir algún obstáculo que obstruya mas del 55% de esta zona, como consecuencia a esto se empiezan a tener perdidas considerables en el enlace, porque aunque las ondas de radio viajan en línea recta desde el transmisor al receptor, existen otras ondas viajando dentro del cono de la señal y si estas chocan con algún obstáculo pueden terminar en el receptor fuera de fase y de esta manera causar perdidas, el cual es un tema relevante a la hora de establecer cualquier tipo de comunicación.
En este compendio el lector quedara plenamente informado y en capacidad de realizar un análisis matemático el cual le permita evaluar diferentes problemas a los que se ve sometida una señal al propagarse en un espacio libre, cuando se desea realizar una transmisión, haciendo especial énfasis en las pérdidas de la señal RF, por ser este un factor determinante a la hora de establecer un enlace de óptima calidad.
75
BIBLIOGRAFIA
[1] http://www.mincomunicaciones.gov.co/mincom/src/index.jsp?criteria=3&page=./mods/legislacion/
legislacion_user_list
[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Microondas
[3] Universidad tecnologica nacional.pdf
[4] (16 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://megaunder.com.ar/showthread.php?t=26
Dispositivos para microondas. Medios de enlace
[5] (15 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://www.fisioterapia.cl/files/microondas/mod%20Microondas%201.pdf
Microondas en Fisioterapia
[6] (14 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://www.monografias.com/trabajos20/gunn-oscillator/gunn-oscillator.shtml
Microondas Osciladores Gunn
[7] (14 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://personal.us.es/rboloix/pub_mic/mic3.pdf
Dispositivos de estado sólido en microondas
[8] (14 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://personal.us.es/rboloix/pub_mic/mic5.pdf
Generadores de señal: tubos y osciladores de microondas
[9] (13 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetr%C3%B3n
Magnetrón
[10] (13 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis122.pdf
76
[11] (14 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://www.usc.es/~fagms/Docencia/cem%2007-08/aplicaciones_
%20radiaciones_no_ionizantes.ppt
[12] (14 de Agosto de 2008).[Online].Available:
http://new.scribd.com/doc/2231890/Air-and-Spaceborne-Radar-Systems-An-Introduction-2001-
WilliamAndrewPublishing-RR
[13] RECOMENDACIÓN. UIT-R BS.1698
[14] http://www.eveliux.com/mx/index.php?option=content&task=view&id=137
[15] http://www.gtc.cps.unizar.es/Indice/Investigacion/Inv-Microondas/inv-microondas.shtml
[16] www.itu.int/itudoc/itu-r/archives/rsg/1998-00/rsg3/062r1e-es.html - 10k -
[17] ww.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/usm/cd/documento5.pdf
[18] http://www.construaprende.com/Telecomunicaciones/tipos_torres.html
[19] Rec. UIT-R 838: “Modelo de la atenuación específica debida a la lluvia para los métodos de predicción”, Ginebra, 1998, Rec. UIT-R PN.837-1: “Características de a precipitación para establecer modelos de propagación”, Ginebra, 1998, Rec. UIT-R P.530-7: “Datos de propagación y métodos de predicción necesarios para el diseño de sistemas terrenales con visibilidad directa”, Ginebra, 1998.
[20] JAIRO ALFONSO RUIZ DOCENTE DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS, MICROONDAS.DOC. PUBLICACION DISPONIBLE EN INTERNET EN: http://www.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/usm/ci/microondas.doc pagina visitada el 18 de agosto del 2008
[21] UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID, RADIO ENLACES TERRENALES. PUBLICACION DISPONIBLE EN INTERNET EN: http://www.tsc.uc3m.es/~dani/rcm-2.ppt pagina visitada el 20 de agosto del 2008
[22] Oriol Sallent Roig, José Luis Valenzuela González, Ramon Agustí Comes, Principios deComunicaciones móviles, septiembre 2003, Edición de la Universidad Politécnica de Catalunya, SL
[23] ELECTRÓNICA BARCELONA S.L. CONSEJOS DE INSTALACIÓN DE LOS RADIO ENLACES DE MICRO-ONDAS DISPONIBLE EN: http://www.electronicabcn.com/notas/1103.pdf
[24] RECOMENDACIÓN UIT-R P.530-12, Datos de propagación y métodos de predicción necesarios para el diseño de sistemas terrenales con visibilidad directa disponible en: http://www.uit.com/R-REC-P.530-12-200702-I!!PDF-S.pdf
77
[25] TOMADO DE Recomendación 530 de la UIT-R
[26] TOMADO DEL LIBRO PRINCIPIOS DE COMUNICACIONES MOVILES
[27] TOMADO DEL CAPITULO RADIO ENLACES TERRENALES DE LA PAGINA DE LA UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID.http://www.tsc.uc3m.es/~dani/rcm-2.ppt
[28] TOMADO DE LA PAGINA DE JAIRO ALFONSO RUIZ DOCENTE DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS.http://www.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/usm/ci/microondas.doc
[29] TOMADO DEL CAPITULO RADIO ENLACES TERRENALES DE LA PAGINA DE LA UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID.http://www.tsc.uc3m.es/~dani/rcm-2.ppt
[30] TOMADO DE http://www.electronicabcn.com/notas/1103.pdf
78