tabajo #5 de antena

8/3/2019 Tabajo #5 de antena

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA MADRE Y MAESTRA

PUCMM

RECINTO SANTO TOMAS DE AQUINO

(RSTA)

Antenas y Propagación (SD-ITT-338-T-001)

Prof. Félix Barbosa

Trabajo #5

Presentado por:Edward E. Suárez Bello 2007-6497

Santo Domingo, D. N.

Jueves 13 de Octubre del 2011



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LA ZONA DE FRESNEL

La zona de Fresnel es una zona de despeje adicional que hay que tener enconsideración en un enlace de radiofrecuencia punto a punto, además de lavisibilidad directa entre las dos antenas. Este factor deriva de la teoría de ondas

electromagnéticas, respecto de la expansión de las mismas al viajar en elespacio libre. Esta expansión resulta en reflexiones y cambios de fase al pasarsobre un obstáculo. El resultado es un aumento o disminución en el nivel deintensidad de la señal recibida.

Zona de Fresnel es el volumen de espacio entre el emisor de una ondaelectromagnética y un receptor, de modo que el desfase de las ondas en dichovolumen no supere los 180º. La obstrucción máxima permisible para considerarque no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstrucciónmáxima recomendada es el 20%.

En la figura, D es la distancia entre el emisor y el receptor y r es el radio de lazona Fresnel.

Para establecer las zonas de Fresnel primero debemos determinar la línea devista, que en términos simples es una línea recta entre la antena transmisora y lareceptora. Ahora la zona que rodea el LOS son las zonas de Fresnel.

La constante de Fresnel establece lo siguiente:

Donde:r = radio en metrosD = distancia total del enlace en kilómetrosf = frecuencia del enlace en gigahertz (2.4, 5.8Ghz, etc)



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De esta manera, para un simple enlace de 3km, aplicando la fórmula,necesitaremos un radio de 9.68mts, por lo que el NODO y el CPE se deberíanencontrar al menos a 10mts de altura. En el caso de que la altura del nodo seasignificativamente mayor (40mts por ejemplo) necesitaremos menor altura en elCPE para poder realizar el radioenlace.

En los otros dos ejemplos de la imagen anterior, notamos obstáculos de pormedio, por lo que el radio de 9.68mts calculado será a partir del obstáculo masalto de por medio. Ejemplo: Si en nuestra línea de visión se encuentra un árbolde 5mts de altura, las distancias ideal para nuestro radioenlace será de 5mts +9.68mts = 14.68mts.

LONGITUD DE ONDA

La longitud de onda de una frecuencia es la distancia existente entre dos crestaso valles consecutivos, es el período espacial de la misma, es decir, la distancia ala que se repite la forma de la onda. Normalmente se consideran dos puntosconsecutivos que poseen la misma fase: dos máximos, dos mínimos, dos crucespor cero (en el mismo sentido).

La letra griega "λ" (lambda) seutiliza para representar la longitudde onda en ecuaciones. Lalongitud de onda es inversamente

proporcional a la frecuencia de laonda. Una longitud de onda largacorresponde a una frecuenciabaja, mientras que una longitudde onda corta corresponde unafrecuencia alta.



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La frecuencia y longitud de onda de una onda están relacionadas entre símediante la siguiente ecuación:

λ = c / f

En esta ecuación "λ" es la longitud de onda, "c" es la velocidad de la onda, y "f"es la frecuencia. Para la luz y otras ondas electromagnéticas que viajan en elvacío, c = 299 792.458 km/seg (186,282 millas/seg), la velocidad de la luz.

PERDIDAS EN EL ESPACIO LIBRE - PATHLOSS

La mayoría de la potencia de una señal de radio se perderá en el aire. Aún en elvacío perfecto, las ondas de radio perderán algo de su energía (por el principiode Huygens) debido a que parte de la energía se irradia siempre en direccionesdistintas a la del eje del enlace. Observe que esto no está relacionado con elaire, la niebla, la lluvia o cualquier otro factor que agregue pérdidas adicionales.

La pérdida en el espacio libre (FSL por sus siglas en inglés) mide la pérdida depotencia en el espacio libre sin considerar cualquier tipo de obstáculos. La señalde radio se debilita en el espacio libre debido a la expansión en una superficieesférica.

La FSL es proporcional al cuadrado de la distancia y también proporcional alcuadrado de la frecuencia de radio. En decibelios, esto resulta en la siguienteecuación:

FSLdB = 20log10 (d) + 20log10 (f) + K

Donde d = distancia, f = frecuencia, K = constante que depende de las unidadesusadas para d y f.



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Si d está medido en metros, f en Hz y el enlace usa antenas isotrópicas, laformula es:

FSLdB = 20log10 (d) + 20log10 (f) - 147.5

Aproximaciónlineal en dBdespués de los1.5 Kms

La gráfica muestra la pérdida en dB para 2.4 GHz (violeta) y 5.4GHz (gris). Sepuede ver que más allá de los 1.5 kms, la pérdida puede asumirse "lineal" en dB.Como regla general en una red inalámbrica de 2.4 GHz, se pierden 100 dB en elprimer kilómetro y la señal se reduce por 6 dB cada vez que la distancia seduplica. Esto implica que un enlace de 2 km tiene una pérdida de 106 dB y unode 4 km tiene 112 dB, etc.

Perdida en el espacio libre (FSL)en dB para algunas distancias yfrecuencias.

Estos valores son teóricos y pueden variar respecto a sus mediciones. Eltérmino "espacio libre" nunca es tan "libre", y las pérdidas pueden muchas vecesresultar mayores debido a influencias del terreno y a condiciones climáticas.

DESVANECIMIENTO DE LA ONDAEl desvanecimiento de la onda sucede porque dos o más partes de la ondapueden recorrer diferentes caminos para llegar al mismo punto, es obvio quehabrá una diferencia en la distancia recorrida, en otras palabras, estarán fuerade fase y por lo mismo, llegarán con diferencia de tiempo, lo que se traduce enel desvanecimiento de la señal por diferencias de fase.



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Se dice que dos señales están en fase, cuando alcanzan sus valores positivo ynegativo al mismo tiempo; si dos señales están en fase, se suman, pero si estánfuera de fase en 180 grados, se cancelarán y desaparecerán. A esto se debeel desvanecimiento de las señales de radio por efecto de las condiciones de laionosfera.

Adelante detallamos una serie de técnicas de reducción del desvanecimiento deonda que se utilizan comúnmente en las estaciones de comunicaciones:

Diversidad Polaridad Modelado del diagrama de radiación Seguimiento del nivel máximo Desplazamiento del haz

Los métodos mas utilizados son el de la diversidad y polarización.

Método de Diversidad:Las técnicas de diversidad, ya sea en espacio, polarización o frecuencia, se hanvenido utilizando prácticamente en los sistemas de comunicacionesradioeléctricas sujetos a grandes desvanecimientos. La técnica de diversidad deespacio, necesita dos o más antenas, en tanto que las otras técnicas dediversidad pueden realizarse con una sola antena.

La diversidad en frecuenta permite conseguir un buen efecto de reduccióncuando la diferencia de trayectoria entre las ondas directa y reflejada es mayorque una longitud de onda correspondiente a la diferencia de frecuencia entre lasutilizadas.

Método de Polarización:En el caso de reflexión en la superficie del mar, la onda con polarización linealhorizontal se refleja casi perfectamente, en tanto que la onda con polarizaciónvertical se refleja con una atenuación bastante grande cuando el ángulo deincidencia con respecto al plano horizontal es inferior a diez grados. Además, elángulo de fase de una onda con polarización vertical experimenta una variacióncontinua a medida que aumenta el ángulo de elevación, en tanto que la fase deuna onda con polarización horizontal permanece inalterable para todos losángulos de elevación, excepto los más grandes.

GANANCIA DE ANTENAS

La ganancia de una antena es la relación entre la intensidad de radiación en unadirección determinada y la intensidad de potencia de una antena de referenciaalimentada con la misma potencia. La antena de referencia teórica estáconstituida por la antena isotrópica que radia de forma igual en todasdirecciones.



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Está claro que no existe una antena como esta en la práctica pero existen sinembargo algunas antenas de referencia que si son realizables y cuya gananciasobre la isotrópica es conocida o se puede calcular y medir y nos sirven comoantenas de referencia.

El dipolo de 1/2 onda es una de referencia. Presenta una ganancia de 2.15 dBi,esta anotación dBi, significa que son decibeles sobre isotrópica.

Sin la indicación de la referencia, el valor de la ganancia no tiene ningúnsignificado, por eso cuando se dice que una antena direccional tiene unaganancia de 7.5 dBd sabemos que esa antena tendrá una ganancia de 7.5 +2.15 =9.65 decibeles sobre isotrópico ya que dBd significa ganancia sobre dipoloy el dipolo tiene una ganancia teórica de 2.15 decibeles sobre isotrópica.

La ganancia de una antena siempre esta dada para la dirección de máximaradiación del lóbulo principal. En un dipolo son 2 los lóbulos principales de

radiación a diferencia de los arreglos direccionales que tienen solamente unlóbulo principal.

Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. LaGanancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse lapotencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.

G = 10log [4pi * U (max) / P (in)]

La unidad de Ganancia (G) de una antena es el dBd o dBi, dependiendo si estase define respecto a un dipolo de media onda o a la isotrópica.

LA GANANCIA DEL SISTEMA

La Ganancia del Sistema es definida como la diferencia, en dB, entre la salidade potencia del transmisor y el nivel mínimo de señal en el Receptor requeridopara encontrar un objetivo dado, o nivel de señal requerido en el receptor, paraque el sistema sea funcional.

La ganancia del sistema puede expresarse con la siguiente ecuación:

Gs = Lp + F + Lt +Lm +Lb - Gt - GrDonde:Lp es la pérdidas por espacio libre en dB, F es el margen de desvanecimiento endB, Lt es la pérdidas por línea de transmisión a la antena, Lm son las pérdidasmisceláneas, por desalineamiento de antenas, corrosión en la guía, incrementode la figura de ruido del receptor, por envejecimiento y se expresa en dB.



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Lb son las pérdidas de derivación debida al filtro y circulador (duplexer), Gt es laganancia de la antena transmisora, Gr es la ganancia de la antena receptora.

RADIACION DE ENERGIA DEL SISTEMA TRANSMISOR (EIRP)

EIRP (Potencia Efectiva Irradiada Isotrópicamente) La Potencia EfectivaIrradiada Isotrópicamente (EIRP por sus siglas en inglés) es la potencia aparentetransmitida hacia el receptor, si se asume que la señal se irradia igualmente entodas direcciones, tal como una onda esférica que procede de un punto fuente;en otras palabras, el producto aritmético de la potencia suministrada a unaantena y su ganancia.

La Potencia Efectiva Irradiada Isotropicamente EIRP viene dada por la siguienteecuación:

EIRP = G * P = 10(g/10) * P [W]G: Coeficiente de ganancia de la antenag: Ganancia de la antena [dBi]P: Fuerza de transmisión [W]

NIVEL DE RECEPCION ISOTROPICA

El nivel de recepción isotropita (IRL por sus siglas en ingles) es el nivel de señalideal que esperamos recibir en un punto especifico, usando una antena

isotropita.

NIVEL DE SEÑAL RECIBIDA

El nivel de señal recibida (RSL por sus siglas en ingles) mínimo es expresadosiempre como dBm negativos (- dBm) y es el nivel más bajo de señal que la redinalámbrica puede distinguir.

El RSL mínimo depende de la tasa de transmisión, y como regla general la tasamás baja (1 Mbps) tiene la mayor sensibilidad.

El mínimo va a ser generalmente en el rango de -75 a -95 dBm. Al igual que lapotencia TX, las especificaciones RSL deben ser provistas por el fabricante delequipo.



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EL FACTOR K

El factor K es un valor que describe la cantidad de curvatura en l trayectoria. Elfactor K también es llamado factor de radio efectivo terrestre, su valor esta enfunción del radio terrestre (a 6370Km) y del gradiente de refractividad por

kilómetro con respecto a la altura (dN/dh ), expresado en N-unidades/Km. A suvez, la refractividad esta relacionada con el índice de refracción de la siguientemanera:

La relación entre estos parámetros y el factor k viene dada por la ecuación:

Variación en la Trayectoria paradiferentes factor K.

Así, puede verse que para que el enlace se efectúe con línea de vista es

necesario que no se vea obstruido por los efectos de la protuberancia terrestreen función del factor K, ni por ningún obstáculo en un área cercada a la línea devista. Esta área cercana esta definida como la primera zona de Fresnel.

EL FACTOR DE TERRENO Y SUS PÉRDIDAS

Si el transmisor y el receptor están situados sobre la superficie terrestre y existevisibilidad mutua entre ellos, se modela la propagación mediante un rayo directoy otro reflejado en el suelo.



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Dependiendo de las características del terreno, la frecuencia y la polarización dela onda, se puede tener también una componente de onda de superficie.

Los principales problemas que se presentan en un enlace terrestre real son:

Presencia de irregularidades en el terreno entren las terminales, naturales(montañas, valles, bosques) o no naturales (construcciones) que impiden,hacen sumamente complejo la formulación de modelos adecuados paradeterminar la atenuación de paso.

Variaciones impredecibles a lo largo del camino de condiciones eléctricas queinfluyen en la propagación de OEM (superficies reflectivas, índice derefracción, conductividad del suelo). Esto conduce a que, generalmente, laatenuación de paso no sea una constante sino una función variable en eltiempo que producirá fluctuaciones temporales en la amplitud de la señalrecibida (desvanecimientos).

La expresión general del campo recibido en estas condiciones viene dada por laecuación general de la propagación:

Donde: e es la intensidad de campo en recepción en condiciones reales y e o esla intensidad de campo en condiciones de espacio libre.

El terreno se caracteriza por su constante dieléctrica relativa εr y suconductividad σ (mhos/m). La permitividad compleja del suelo se calcula con lasiguiente ecuación:

A partir de esta característica se calcula el coeficiente de reflexión:



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El coeficiente de reflexión R para polarización vertical y horizontal es:

EL FACTOR DEL CLIMA

La propagación de las ondas de radio se ve afectada por algunos fenómenosclimáticos, los cuales pueden ejercer gran influencia en el funcionamiento de losradio enlaces.

Considerando que el viento, humedad, temperatura del aire, lluvia, neblina,nieve, etc, son factores que se combinan de formas muy distintas, en algunas

ocasiones sus efectos pueden presentar una combinación muy adversa para lapropagación de las ondas de radio, en especial en frecuencias altas. Predecir sucomportamiento y por lo tanto, la atenuación adicional que incorporan, esmateria muy compleja de resolver, no obstante los investigadores han podidodeterminar valores generales que permiten simplificar y generalizar el problema.

Por lo anterior, cuando se calcula un enlace, el factor por condiciones climáticasha de considerarse siempre, en el entendido que la magnitud de la atenuaciónque produzca el fenómeno climático será mayor cuanto mayor sea la frecuenciade operación del sistema que estemos evaluando.

Dentro de los fenómenos climáticos que tienen mayor incidencia en un enlace daradio, podemos mencionar:

Lluvia.- Las gotas de agua que se precipitan de las nubes presentan la mayoratenuación debido a la absorción y dispersión que producen, estimándose quepara una frecuencia de 2,4 Ghz producirá 0,05 dB por kilómetro, asumiendo unalluvia torrencial de 100 mm/Hr y 0,01 dB/Km si la lluvia es de 50 mm/Hr.

Neblina.- Para los efectos de un enlace de radio, la neblina o niebla se considerauna precipitación similar a la lluvia por cuanto constituye una acumulación departículas pequeñas en suspensión, cuyos efectos están relacionados con la

cantidad de agua por volumen y el tamaño de las gotas. En determinadascondiciones la dispersión que provoca a las ondas de radio puede ser mayor quela lluvia.

Si bien, otros tipos de precipitaciones como la nieve y el granizo, aportanatenuaciones, su magnitud es más incierta, detectándose que la atenuación queintroducen es equivalente a 1/5 que la que produce la lluvia.



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AZIMUTH Y BEARING

El azimut es el ángulo horizontal al que hay que girar el eje de la antena, desdeel polo norte geográfico terrestre hasta encontrar la dirección del enlace o delsatélite. A veces se indica este ángulo con relación al polo sur.

Con la brújula se ajusta el valor del azimut, incluyendo la declinación magnéticacorrespondiente. Para el ajuste con la brújula, no se debe acercar mucho asuperficies metálicas, pues podría dar un error al medir.

Termino usado en navegación para describir el ángulo entre una dirección dereferencia (Norte Magnético, Norte Geográfico o Norte de la cuadricula) y unadirección determinada.

FADE MARGIN

Fade Margin es la diferencia, en dB, entre la magnitud de la señal recibida en la

entrada del receptor y el nivel mínimo de la señal determinado para la operaciónconfiable.

Cuanto mas alto sea el fade margin, más confiable el enlace será. La cantidadexacta de fade margin requerido depende de la confiabilidad deseada para elenlace, pero suele estar entre 20 y 30 dB.

THRESHOLD

Valor de una magnitud física a partir del cual empiezan a ser observables sus

efectos. Threshold es el valor especificado como control de la salida de unelemento umbral.

En Radio Comunicaciones, threshold signal (Señal umbral) es la minima señalcapaz de producir una recepción útil en un radio enlace.

LINEA DE VISTA

Debido a que las ondas de radio de alta frecuencia son atenuadas porobstáculos, se requiere una clara línea de vista entre las antenas para un óptimo

desempeño y un alcance máximo. Línea de vista es el espacio libre que existeentre dos puntos.

En términos visuales, el horizonte es el punto en la distancia donde un objetodesaparece de la vista debido a que se junta con la curvatura de la tierra. Si elobjeto es elevado se extiende el horizonte visual para que pueda ser visto a unamayor distancia antes de que la vista no lo alcance.



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El mismo concepto se aplica a las señales de radio: El horizonte de radio o líneade vista es el punto en la distancia donde el camino entre las dos antenas esbloqueado por la curvatura de la tierra. Como el horizonte de visual, el horizontede radio puede ser extendido por medio de elevación de la antena transmisora,la receptora o ambas para extender el alcance de comunicación.

Obstrucciones que pueden interferir la línea de vista de un enlace:

o Características geográficas (montañas)o Curvatura de la tierrao Edificioso Árboles.

BER

Bit Error Ratio (BER) es, en telecomunicaciones, el número de bits o bloquesincorrectamente recibidos, con respecto al total de bits o bloques enviadosdurante un intervalo especificado de tiempo.



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ANALISIS DE RUGOSIDAD DEL TERRENOUSANDO GOOGLE EARTH

Un análisis de rugosidad del terreno permitirá evaluar las condiciones de líneade vista entre dos puntos, en la planificación de viabilidad de un enlace punto a

punto.

Utilizando Google Earth, se puede evaluar la rugosidad del terreno paradeterminar las condiciones de funcionamiento del enlace, al conocer la altura delos obstáculos geográficos entre los dos puntos.

De acuerdo a la rugosidad del terreno para una señal dada, la reflectividad de laseñal será alta sobre superficies rugosas, dispersando la energía en todasdirecciones. Sobre superficies lisas, caso del agua calma, la reflexión esespecular y la señal de retorno nula.

Análisis de rugosidad del terreno entre los siguientes puntos:

Punto de inicio, Loma La Hoz 18° 06’ 46.32” NPolo, Barahona, Altura 3,800 pies 71° 15’ 22.16” O

Punto de destino 18° 18’ 47.40” NProvincia Independencia, Altura 2,100 pies 71° 28’ 20.13” O Altura 2,100 pies

Distancia entre los dos puntos 31.86 Kilómetros, Azimut de 314.27°.



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Punto Distancia desde el Inicio Altura del Punto1 0 Kilómetro 3800 Pies2 1 Kilómetro 3480 Pies3 2 Kilómetros 3308 Pies4 3 Kilómetros 3768 Pies

5 4 Kilómetros 4513 Pies6 5 Kilómetros 4470 Pies7 6 Kilómetros 4246 Pies8 7 Kilómetros 3877 Pies9 8 Kilómetros 3310 Pies

10 9 Kilómetros 2563 Pies1 10 Kilómetros 2200 Pies

12 11 Kilómetros 1847 Pies13 12 Kilómetros 1409 Pies14 13 Kilómetros 938 Pies15 14 Kilómetros 815 Pies16 15Kilómetros 677 Pies17 16 Kilómetros 568 Pies18 17 Kilómetros 496 Pies19 18 Kilómetros 424 Pies20 19 Kilómetros 354 Pies21 20 Kilómetros 389 Pies22 21 Kilómetros 526 Pies23 22 Kilómetros 494 Pies24 23 Kilómetros 425 Pies25 24 Kilómetros 1185 Pies

26 25 Kilómetros 2195 Pies27 26 Kilómetros 2518 Pies28 27 Kilómetros 2389 Pies29 28 Kilómetros 2445 Pies30 29 Kilómetros 2621 Pies31 30 Kilómetros 2507 Pies32 31 Kilómetros 1931 Pies33 32 Kilómetros 2100 Pies



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BIBLIOGRAFIA

Manual para Ingenieros y Técnicos en ElectrónicaDiagramas, Curvas, Tablas y GraficasMilton Kaufman y Arthur H. Seidman

Principios de ComunicacionesSistemas, Modulación y RuidoR. E, Ziemer y W. H. Tranter

Pagina Webhttp://es.wikipedia.org/ La Enciclopedia Libre

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Software WebGoogle Earth

Radiación y Radiocomunicación

Juan José Murillo FuentesATSC. ETSI.Univ [email protected]

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