SEMINARIO: ANTENAS PARA SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES Ing MARTÍN LEMA Organiza: DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA.

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Ing. Martín Lema

Objetivo de la presentación Profundizar en los aspectos conceptuales y de fondo respecto de antenas en general tomando como ejemplo las típicamente usadas en celular y microondas. De esta manera brindar al asistente las herramientas para posteriormente interpretar mas fácilmente la abundante información que se encuentra en Internet, publicaciones, etc. Presentado por:

Ing Martín Lema [email protected]

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Planificación del seminario Total de 6 horas repartidos en 2 dias de 3 horas cada uno • 31 de Agosto de 2012 de 19 a 22:30 • 3 de Septiembre de 19 a 22:30

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DIA 1 Integración de la antena en los modelos de propagación •Análisis del significado de la atenuación en espacio libre, la eficiencia y ganancia de antenas con su integración a los modelos Principales parámetros a tener en cuenta de una antena •Ganancia •Ancho de haz •Lóbulos - Relación frente espalda •Polarización •Tilt Análisis particular de los distintos tipos de antena •Parabólicas •Antenas Panel para estaciones base (celular) dual pol, quad pol, RET, etc •Indoor (honguitos y paneles) •Antenas distribuidas (cable radiante) •Aspectos mecánicos de las antenas •Radomos •Carga de viento •Embalajes •Robustez mecánica 4 de 94

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DIA 2 Criterios y mediciones de aceptación de sistemas irradiantes (antenas + cable o guía) •ROE •PIM (Passive Inter Modulation) Antenas eléctricamente cortas •Breve introducción a la geometría fractal •Antenas Fractales •Breve introducción a los metamateriales •Antenas chip •Antenas patch

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Mi objetivo de la charla….EL 2%

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Desde los primitivos sistemas a los mas modernos incluso los experimentos caseros utilizan antenas distintas

Sonda Spirit Marconi (1901)

“robador” de señales WiFi 7 de 94

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Principio siglo XX

Principio siglo XXI Principio siglo XX

Torre de Calatrava Fin Siglo XX

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Integración de la antena con los modelos de propagación

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CONCEPTO DE MODELO DE PROPAGACIÓN (aplicable a outdoor e indoor) Es una manera simplificada de estimar el campo recibido haciendo analogía con mecanismos hipotéticos NO SIEMPRE CON FUNDAMENTO EN LA FÍSICA pero muy útil para cálculos reales 10 de 94

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Modelo de Friis TRANSMISOR RECEPTOR

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DISCREPANCIAS CON LA REALIDAD FÍSICA • En la teoría de los circuitos no existen los generadores de potencia • Las antenas no tienen ganancia de potencia • El espacio libre no atenúa (atenuar es un concepto disipativo que involucra conversión de un tipo de energía en otra y esto lo puede hacer solo una máquina) En el espacio libre la energía se dispersa (baja su densidad de flujo)..No puede pasar algo en la nada.. • La - mal llamada- atenuación de espacio libre parece dependiente de la frecuencia (20 logF) pero no lo es, se compensa con la – mal llamada- ganancia de antenas dando un valor real de campo recibido MUY UTIL EN LA PRÁCTICA • Las obstrucciones no son todas disipativas, aunque algunas si la son • Los cables son disipativos casi en un 100% (en este caso son atenuadores reales)

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ATENUACIÓN EN ESPACIO LIBRE Lfs = 20 LOG (F) + 20 LOG (D) + 32.44 Lfs= Pérdidas en el espacio libre en dB F = Frecuencia en MHZ D = Distancia entre antenas en Km

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Consideremos un punto que emite Pt watts de RF encerrado en una esfera de radio R La potencia que atraviesa la superficie A es:

A Pr = Pt 4.π .R 2 Observar que la densidad de potencia a una distancia R es independiente de la frecuencia y por lo tanto la potencia colectada en un área A también lo es 14 de 94

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Teniendo en cuenta que la ganancia de una antena se define como

G =η

4πA

λ2

Donde A = Área efectiva de la antena

η = Rendimiento de la antena (típicamente 0.65) Para un desarrollo teórico y por simplicidad para esta charla se asume η =1 (antena perfecta) 15 de 94

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Queda

Gλ A= 4π

2

Reemplazando A en la fórmula anterior

1 Gλ2 Gλ2 Pr = Pt = Pt 2 4.π .R 4.π 16π 2 R 2 Expresando la frecuencia en MHz y las distancias en Km

λ [Km] = 16 de 94

0 .3 F [MHz ]

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Llegamos a 0.32 1 10 −4 Pr = Pt = 5.7 2 2 Pt 2 2 2 16π F R F R

Pasandolo a dB o sea aplicando 10 Log (Pr/Pt)

Pr/ Pt [dB ] = −20 log R − 20 log F − 32.44 10 log 5.7 x 10 -4= -32.44

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Comparación de dos antenas del mismo tipo y diámetro en 12 GHz y 1.7 GHz

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Campo recibido con valores calculados y reales (del manual) Frecuencia de càlculo Diàmetro de antena Area Ganacia (por manual) Ganacia (Calculo con n=65%) Ganancia Calculo en dB

12.2 GHz 0.6 mts 0.2827 m2 35.1 dBi 3847 (veces) 35.85 dB

1.7 GHz 0.6 mts 0.2827 m2 18.2 dBi 74.22 (veces) 18.7 dB

Potencia de salida 30 dBm 30 dBm Atenuacion en espacio libre 5 Km 128.14 dB 111.02 dB Ganancia de antena RX (de manual) 35.1 dBi 18.2 dBi Ptencia recibida -63.09 dBm -62.82 dBm La atenuación por espacio libre es 17 dB peor en 12.2 que en 1.7 GHz, y la ganancia es 17 dB mayor en 12.2 GHz se compensan ! 19 de 94

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Si el campo recibido es el mismo a igual diámetro de antena y es independiente de la frecuencia.. ¿Por qué se usan frecuencias mas bajas en los enlaces largos? Porque este cálculo se hizo para espacio libre, y en la atmósfera real los enlaces largos se ven MUY afectados por los factores climáticos (lluvia principalmente) y la atenuación que presenta la lluvia AUMENTA MUCHO AL AUMENTAR LA FRECUENCIA

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Resumiendo, La potencia que atraviesa el área A será:

A Pr = Pt 4.π .R 2 una r a t n rese na p e r i, u odrá g p a y A a ena a t n e n u r a , á El una polo i l d a t o lo a c , n a s r e f t e l n a a un teria la a a l o m b a pará con met ese u f l t ar a c u a e c h l c o he Sea odrá rec asa . a e ue p que s nunca p q a l e a anten tencia qu . r) po mas área A (P r el o p 21 de 94

Independientemente de la frecuencia y la geometría de la antena que represente al área A o sea si por acá pasa 1 mW la mejor antena del mundo podrá capturar 1 mW y nada mas, sea cual fuese su geometría

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Entonces y en materia de antenas ¿el tamaño importa?

¡ SI ! Las antenas eléctricamente cortas (ESA) podrán ser prácticas pero siempre capturan o transmiten MENOS potencia que las de tamaño completo 22 de 94

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DISEÑO DE ANTENAS DISEÑO ESTILO SIGLO XX : SIGUIENDO PATRONES GEOMÉTRICOS CON FÓRMULAS CONOCIDAS Y TRATANDO DE PREDECIR EL COMPORTAMIENTO EN FORMA ANALÍTICA

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DISEÑO ESTILO SIGLO XXI : IMAGINAR-MODELIZAR EN LA COMPUTADORA-SIMULAR EL RESULTADO-AJUSTAR-SIMULAR DE NUEVO-PROBAR Las partes que forman la antena ya NO TIENEN FORMAS GEOMÉTRICAS DE LA GEOMETRIA EUCLIDIANA

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Principales parámetros a tener en cuenta de una antena •Ganancia •Ancho de haz •Lóbulos •Relación frente espalda •Polarización •Tilt 24 de 94

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Como vimos antes la ganancia de una antena se define como la cantidad de potencia que irradia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación. Se calcula con respecto a una antena de referencia, para la isotrópica tenemos:

G =η Donde

4πA

λ2

A = Área efectiva de la antena

η = Rendimiento de la antena (típicamente 0.65 para parábolas) En este caso el rendimiento tiene en cuenta la eficiencia, la ROE y lo que transmite hacia “otros lados” 25 de 94

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Queda claro que la ganancia es directamente proporcional al área (Apertura) El doble de área (1.4 veces Ø), 3 dB mas de ganacia.

• en una parábola al diámetro El doble de longitud, 3 dB mas de ganacia

• En una colineal a la longitud

• en una panel a la superficie del rectángulo • En una Yagi al número de elementos • En una formación a la cantidad de dipolos 26 de 94

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Formación de dipolos

Yagi Cant elementos

Ganancia (dBi)

3

8

5

11

7

13

9

15

11

16

13

17

20

23

Cant dipolos

Ganancia (dBi) Config OMNI

2

5

4

8

8

11 El doble de longitud, 3 dB mas de ganacia

G(aprox)=7.5+0.75 N [dBi] Es independiente de la frecuencia

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Eficiencia E=Potencia aplicada/potencia radiada Lo que no se irradia (ni se refleja) se pierde en calor La eficiencia de las antenas basadas en dipolos, parábolas, etc está muy cerca del 100% (ojo que el rendimiento puede ser 40 a 80% porque irradian para otros lados, el rendimiento contempla lo que irradia hacia adelante) La eficiencia de una antena de una radio, celular etc es del orden de 20 a 70% y el resto no se irradia en forma útil, se disipa en calor ya sea por pérdidas o absorbido por el usuario (SAR) 28 de 94

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Conclusiones • La “ganancia de la antena” es en realidad un índice de cuan grande es la antena y en dos antenas de igual tamaño representa cuan direccional • En recepción puede visualizarse asociada con el “área en la cual se puede colectar potencia” Cuanto mas grande, mas potencia puede colectar. • En transmisión puede visualizarse asociada con la capacidad de transmitir toda la potencia hacia adelante. Una antena de ganancia 30 dBi (1000 veces) pone el mismo campo remoto que una isotrópica alimentada con 1000 veces mas potencia

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¿ Es cierto esto ? Ganancia 33 dB (2000 veces) +27 dBm

=

(1/2 W) ERP=+27+33=+60dBm (1 Kw)

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• La antena no puede generar potencia, la ganancia simplemente es un parámetro que mide cuan direccional es la antena.

Si se le aplica ½ watt, nunca puede irradiar mas de ½ watt 31 de 94

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Ancho de haz-RPE • El ancho de haz se define como el ángulo en el cual lóbulo principal cae 3 dB (mitad de potencia) respecto del máximo • Envolventes del patrón de radiación RPE (radiation Pattern Envelope) Es una gráfica de la directividad de la antena en función del ángulo respecto del máximo del lóbulo principal. Generalmente se grafica la respuesta en el plano vertical y el horizontal, y dependiendo de si la antena es o no simétrica se grafican 180° o 360° • Aún no hay coordinación entre los fabricantes para establecer un formato electrónico único y común.

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• Patrón de radiación

Patron horizontal 33 de 94

Patron vertical Ing. Martín Lema

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Polarización Polarización: Es la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena). 35 de 94

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Análisis particular de los distintos tipos de antenas

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CADA APLICACIÓN TIENE UN TIPO DE ANTENA ESPECIAL PERO EN EL FONDO SON TODAS IGUALES Y RESPONDEN A LAS MISMAS LEYES FÌSICAS ILS Avión Instrument Landing System)

De submarino

De mouse bluetooth

De submarino Satelital De auto

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De ferrite (antena magnética de radio de AM)

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PARABÓLICAS

Shielded (Blindada)

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Standard

Grillada

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Antena parabólica • Consiste en un elemento conectado al equipo de radio (el iluminador) y un reflector (a veces llamado “el plato”) • La geometría del reflector es tal que provee una zona de fase constante si es iluminada desde su foco. • Existen muchas geometrías posibles del conjunto iluminador/reflector. La mas sencilla para antenas de microondas terrestres es el paraboloide de revolución 39 de 94

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Perfil de una antena parabólica En el plano que pasa por A, todas las señales recorrieron el mismo camino A=sqrt[(F-Z)2+R2] + (A-Z) Y por lo tanto todas tienen la misma fase

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Principales parámetros de una antena parabólica • Diámetro: (generalmente expresado o en pies o en metros) Hay una intima relación entre ganacia y diámetro. De hecho los fabricantes de antenas las clasifican en primer término por diámetro • Ganancia: generalmente es el PRINCIPAL parámetro a tener en cuenta al seleccionar una antena. • Se define como ganancia a la máxima intensidad de radiación en una dada dirección respecto a la radiación producida por una antena de referencia, alimentada con la misma potencia de entrada • Se mide en dBd (dB referidos al dipolo) o en dBi (dB referidos a la antena isotrópica) 1 dBd=2.15 dBi **OJO los decibeles se suman, una antena de 10 dBd tiene 12.15 dBi**

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Parabólica para • Satelital de estación terrena, gran ganancia, bajo ruido, patrón de radiación muy conocido, alta potencia en TX • Satelital doméstica (TV satelital) Barata, alta relación ganancia/tamaño • Radioenlace urbano, buen rechazo a lóbulos secundarios (típicamente blindada) • Radioenlace larga distancia, gran ganancia 42 de 94

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Ejemplo de RPE

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Clases de antena, según ETSI hay cuatro clases C1, C2, C3 y C4 En radioenlaces en general se usaba hasta ahora C2 (RPE rojo) y C3 (RPE azul) La tendencia actual es USAR ANTENAS CLASE 4

e 4 ch o s a l mu a C e zo n Co tien cha ias o b r r e en c e S ejo rfer M nt e i

CLASE 4 RPE EN VERDE

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¿Por qué se necesitan mas directivas las antenas? Porque en enlaces cortos y urbanos sobre todo, el problema de la interferencia es el principal aspecto a tener en cuenta. Los enlaces están limitados por interferencia mas que por la señal recibida. Por lo tanto una antena de clase 4 chica (ejemplo 30 cm), puede reemplazar a una de clase 3 grande (60 o 90 cm) . Y el impacto visual y el costo de utilización de mástil hoy es el principal factor. 45 de 94

Teorema de Shannon-Hartley

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Tendencia actual de sistemas de microondas • Cada vez se necesitan anchos de banda mayores, y frecuencias mas altas. • La tendencia actual es a utilizar equipos partidos (con IDU y ODU) que se vinculan por medio de un cable coaxial (tipo RG8) que es barato e instalable sin mayores cuidados 46 de 94

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Otros componentes

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Comparación de tipos de antenas parabólicas Tipo de antena

Cualidades

Aplicación

Grillada

Liviana Poca resistencia al viento Polarización simple (V o H)

Hasta 4 GHz Se usa en enlaces de baja capacidad

Standard

Económica, es la solución ideal donde no se requiere una fuerte relación frente-espalda o la supresión de lóbulos secundarios no es imprescindible

Su principal aplicación es en enlaces de mediana y alta capacidad o donde se necesita una antena robusta

Shielded

Es la solución ideal donde se requieren características de radiación excelentes, gran supresión de lóbulos secundarios y gran relación frente-espalda

Sistemas de alta capacidad

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¿QUE TAL SI HACEMOS UN CORTE?

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BSA Base Station Antenna (Antenas para radiobase celular)

Dual pol 50 de 94

Quad pol

Concealment

Omnidireccional Ing. Martín Lema

Antenas para estaciones base (BSA) Tipos • Sectorial (60°, 90°, 120°) • De ports múltiples y bandas múltiples • Omnidireccional

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Ancho del haz Horizontal y Vertical

1/2 Power Beamwidth

Que es? Es la apertura angular a mitad de potencia (-3 dB) medida desde el máximo del lóbulo principal de la antena

Para que sirve? Permite obtener la característica deseada de cobertura Vs interferencia

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Null Filling Que es? El null filling es una técnica de optimización de los arrays internos de la antena de manera de suprimir los ceros en el lóbulo inferior

Para que sirve? Para antenas con un haz estrecho(