Teoría de antenas
Fabián Valdés Mena
Antenas
•Es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre.
•Una buena antena transfiere la potencia en forma eficiente. La transferencia eficiente de la potencia depende de la correcta alineación de la antena (polarización)
Y de la concordancia apropiada de la impedancia.
•Para lograr una concordancia de la impedancia se debe hacer concordar en forma eléctrica la línea de transmisión hacia la antena.
•Debido al diseño de baja potencia de las WLANs, todas las antenas usadas son pasivas. Una antena pasiva no tiene amplificadores conectados, y por lo tanto tendrá las mismas carácterísticas sea que esté transmitiendo o recibiendo.
•Las antenas generalmente se dividen en dos tipos:
–Antena Omnidireccional y Antenas
Direccionales
•La cobertura general de las antenas direccionales versus las omnidireccionales y algunas de las aplicaciones típicas.
•Las antenas usadas para las WLANs tienen dos funciones:
–Receptor: Este es el terminador de una señal sobre un medio de transmisión. En comunicaciones, es un dispositivo que recibe información, control, u otras señales desde un origen.
–Transmisor: Este es el origen o generador de una señal sobre un medio de transmisión.
•Las antenas están disponibles con diferentes capacidades de ganancia y alcance, anchos del rayo, y factores de formato. El acoplar la antena correcta con el access point (AP) o bridge correcto permite una cobertura eficiente en cualquier instalación, además de una mejor confiabilidad, a velocidades de datos muy altas.
Diagrama de radiación
•El diagrama de radiación de una antena nos indica la potencia radiada (o recibida) por la antena en función de la dirección.
Directividad
•Relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada. No tiene unidades
Variables
•La distancia máxima de la antena se expresa normalmente en kilómetros o metros. La determinación de la distancia máxima entre las antenas a cada lado de un enlace no es un problema sencillo. La distancia máxima del enlace está determinada por lo siguiente:
–Potencia máxima de transmisión disponible
–Sensibilidad del receptor.
–Disponibilidad de una ruta no obstruida para la señal de radio.
–Máxima ganancia disponible, para la(s) antena(s)
–Pérdidas del sistema (como una pérdida a través del cable coaxial, conectores, etc.).
–Nivel de confiabilidad deseada (disponibilidad) del enlace.
•La mejor forma de saber la distancia funcional, es hacer un buen estudio del sitio. Un estudio del sitio comprende el examen de cada ubicación propuesta del enlace. Un examen del terreno y de las obstrucciones hechas por el hombre ayudará a determinar la factibilidad del sitio. Para estudios del sitio de bridging externo, también ayudará el determinar posibles necesidades de una torre. El resultado de tal examen arrojará la siguiente información:
–La pérdida de la ruta de la radio
–Cualquier problema que pueda comprometer el rendimiento del enlace, como la interferencia potencial
Ancho de banda
•El ancho de banda de una antena es la banda de frecuencias sobre la cual se considera que funciona en forma aceptable. Cuanto más amplio es el rango de frecuencias que abarca una banda, más amplio es el ancho de banda de la antena. La fórmula para el ancho de banda se muestra en la figura. Las antenas se adquieren pre-sintonizadas por el fabricante, para utilizarlas en un segmento de banda específico. El sacrificio en el diseño de una antena para un ancho de banda más amplio es que por lo general no tendrá un rendimiento tan bueno en comparación con una antena similar que está optimizada para un ancho de banda más angosto.
Ancho del rayo
•El ancho del rayo es una medida usada para describir a las antenas direccionales. El ancho del rayo a veces es llamado ancho de banda de la potencia media. Es el ancho total en grados del lóbulo de radiación principal, en el ángulo donde la potencia de radiación ha caído por debajo de la línea central del lóbulo, por 3 dB (potencia media).
Ganancia
•La ganancia de cualquier antena es en esencia una medida de cuán bien la antena enfoca la energía RF irradiada en una dirección en particular.
•Para asegurar una comprensión común, algunas empresas están estandarizando en dBi para especificar las medidas de ganancia. Este método de medición de ganancia utiliza una antena isotrópica teórica como punto de referencia. Algunas antenas están medidas en dBd, que utiliza una antena de tipo bipolar en lugar de una antena isotrópica como el punto de referencia.
•Las antenas de alta ganancia dirigen la energía en forma más restringida y precisa. Las antenas de baja ganancia dirigen la energía en una forma más amplia.
•Con las antenas del tipo plato, por ejemplo, la operación es similar a la operación del reflector en una linterna, el reflector concentra la salida de la lámpara de la linterna en una dirección predominante para maximizar el brillo de la salida de la luz en esa dirección. Muy poca luz va en otras direcciones.
•Este principio también se aplica a cualquier antena de ganancia, ya que siempre hay un equilibrio entre la ganancia, que es comparable al brillo en una dirección en particular, y el ancho del rayo, que es comparable a la angostura del rayo.
•Por lo tanto, la ganancia de una antena y su patrón de radiación están profundamente relacionados. Las antenas de mayor ganancia siempre tienen anchos de rayos o patrones más angostos. Las antenas de menor ganancia siempre tienen anchos de rayo más amplios
Eficiencia
•No toda la potencia inyectada a la antena es radiada (por ejemplo, pérdidas por calor)
•La eficiencia de radiación es la división entre la potencia inyectada y la efectivamente radiada
•Es la relación entre entre ganancia y directividad
•La eficiencia de una antena se refiere la potencia suministrada a la antena y la potencia radiada o disipada dentro de la antena. Una antena de alta eficiencia ha la mayor parte de la energía presente en la entrada de la antena irradia. Una baja eficiencia de antena tiene la mayoría de la potencia absorbida en pérdidas dentro de la antena.
•Las pérdidas asociadas dentro de una antena son normalmente las pérdidas de conducción (debido a la conductividad finita de la antena) y las pérdidas dieléctricas (debido a la conducción dentro un dieléctrico que puede estar presente dentro de una antena). A veces, la eficiencia se define como también incluyen la falta de correspondencia entre una antena y la línea de transmisión.
Polarización
•La polarización es la orientación física del elemento en la antena que emite realmente la energía de RF. La polarización es un fenómeno físico de propagación de la señal de radio. Normalmente, dos antenas cualesquiera que forman un enlace entre sí deben ser configuradas con la misma polarización. La polarización es normalmente ajustable durante o después del momento de la instalación de la antena.
•Ejemplos o tipos, de polarización. Ellas son lineal y circular.
•Recuerde que aunque las dos antenas para un enlace puedan parecer muy diferentes entre sí, deben tener la misma polarización para que el enlace funcione correctamente.
Polarización cruzada
•Es Cuando dos antenas no tienen la misma polarización, la condición se llama polarización cruzada. Por ejemplo, si dos antenas tienen ambas polarización lineal, pero una tiene polarización vertical y la otra tiene polarización horizontal, estarían polarizadas en forma cruzada. El término polarización cruzada también se utiliza para describir dos antenas cualesquiera con polarización opuesta
Patrones de emisión
•El patrón de emisión es la variación de la intensidad del campo de una antena, como una función angular, con respecto al eje.
•Todas las antenas son medidas contra lo que se conoce como una antena isotrópica, que es una antena teórica. Esta es la base para todas las otras antenas.
Patrones de emisión
•Recuerde que cuanto más alta es la ganancia, menor es el ancho del rayo vertical.
•Algunos tipos importantes de antenas son los siguientes:
–Antena isotrópica – Esta es una antena hipotética que emite o recibe energía en forma igual en todas direcciones y no existen físicamente, pero representan a antenas de referencia convenientes para expresar propiedades direccionales de las antenas físicas.
–Antena bipolar – Esta es normalmente una antena recta, de pie central y longitud de onda media.
–Sistema de antenas – Este es un montaje de elementos de antena con dimensiones, espaciado y secuencia de iluminación dispuestos de tal forma que los campos de los elementos individuales se combinan. Esta combinación produce una intensidad máxima en una dirección en particular e intensidades de campo mínimas en otras direcciones
•Recuerde que cuanto más alta es la ganancia, menor es el ancho del rayo vertical.
•Algunos tipos importantes de antenas son los siguientes:
–Antena isotrópica – Esta es una antena hipotética que emite o recibe energía en forma igual en todas direcciones y no existen físicamente, pero representan a antenas de referencia convenientes para expresar propiedades direccionales de las antenas físicas.
–Antena bipolar – Esta es normalmente una antena recta, de pie central y longitud de onda media.
–Sistema de antenas – Este es un montaje de elementos de antena con dimensiones, espaciado y secuencia de iluminación dispuestos de tal forma que los campos de los elementos individuales se combinan. Esta combinación produce una intensidad máxima en una dirección en particular e intensidades de campo mínimas en otras direcciones.
Diversidad
•La diversidad es la operación simultánea de dos o más sistemas o partes de un sistema. También se utiliza para mejorar la confiabilidad del sistema.
•La desaparición de la multiruta puede causar fallas temporales en incluso las rutas mejor diseñadas. La diversidad es una solución posible para este problema.
•Existen dos tipos de diversidad como sigue:
–Diversidad espacial.
–Diversidad de frecuencia
•Diversidad espacial:
El receptor de una radio de microonda acepta señales desde dos o más antenas que están separadas por muchas longitudes de onda.
•La señal de cada antena es recibida y luego conectada en forma simultánea con las demás a un combinador de diversidad. Dependiendo del diseño, la función del combinador es seleccionar la mejor señal de sus entradas o sumar las señales entre ellas.
•Diversidad de frecuencia
Con la diversidad espacial, el receptor de una radio de microonda acepta señales desde dos o más antenas que están separadas por muchas longitudes de onda.
•Si la separación en frecuencias de los dos transmisores es grande, el desvanecimiento selectivo de frecuencias tendrá pocas probabilidades de afectar ambas rutas de la misma forma. Esto mejorará el rendimiento del sistema.
Antenas Omnidireccionales
•La cobertura es más que sólo horizontal. También hay un aspecto vertical. La mayoría de las antenas omnidireccionales resignan cobertura vertical para aumentar el alcance.
•Si se presiona la parte superior e inferior del globo, Esto daría un ancho de rayo vertical muy angosto, pero una cobertura horizontal muy grande. Este tipo de diseño de antena puede atravesar distancias de comunicación muy largas. El diseño tiene una desventaja, que es una cobertura pobre abajo de la antena.