Contidos:
Retomamos a materia analizando máis tipos de antenas que amplían as vistas no tema 4 (monopolo, dipolo, yagi-uda).
Antenas de construción caseira:
Na foto, antenas feitas por Félix Candelero (CIFP Ferrolterra). Á esquerda, unha J-Pole sintonizada a 100MHz. No centro e á dereita, unha Slim-jim:
No tema 8 veremos a construción e axuste de impedancia destas antenas.
Agrupacións ou conxuntos (“arrays”) de antenas:
Na foto, unha antena panel e un array sectorial formado por múltiples paneis:
As antenas sectoriais de radiodifusión se compoñen de seccións ou bloques que se apilan para formar unha gran antena. De esquerda a dereita: panel de dipolos dobres para FM, array triangular de punta de lanza (5 dipolos DAB e 3 FM en cada cara da sección), e sección de antena TDT de 4 sectores:
Outra forma de antena totalmente distinta ás anteriores é a torre radiante. Existe un tipo de torre que en lugar de estar posto a terra, se illa da terra e se conecta á liña de transmisión para que toda a torre faga de antena. As famosas antenas dos nazis en Arneiro usan esa técnica. Veremos máis sobre isto no tema 6 (imaxes Zaneta e Jose.cfr):
Antenas de apertura. As antenas anteriores son “de fío” (usan segmentos de material conductor eléctrico). As antenas de apertura captan OEM directamente no seu cabezal (foco), que é unha pequena guía de ondas (“waveguide”):
Na foto temos: parabólica de foco centrado Ubiquiti Powerbeam M5 e unha torre con parábolas de tambor:
Existe unha fórmula para calcular a ganancia dun reflector parabólico:
$$G= 10\log\frac{4\pi S 𝜂}{\lambda^2}$$Nas parábolas de foco centrado, a sombra do brazo e do LNB provocan un rendemento moi baixo 𝜂=55%. Nas parábolas de offset é un pouco mellor.
As miñas favoritas son as antenas sectoriais e as de tambor, pero están fóra do alcance dos centros educativos.
Consideramos que todas as anteriores son antenas de banda estreita porque están deseñadas para funcionar nun marxe de frecuencias moi pequeno. Agora veremos dous exemplos de antenas de banda ancha, pensadas para traballar nun gran rango de frecuencias (a costa dunha menor ganancia):
MMANA-GAL é un programa de debuxo e simulación de antenas. O procedemento é:
Con todo o anterior o programa traza o diagrama de radiación de plano horizontal, vertical e 3D. Tamén indica a ROE esperada. Descarga aquí MMANA-GAL (versión básica) e, se escolles esta tarefa, realiza o titorial para entregar.
En radiocomunicacións tratamos a propagación en medios non guiados, é dicir, no espazo libre (vacío). Consideramos o aire practicamente como o vacío, pero con perdas por absorción (atenuación). Maxwell, un dos pais das telecomunicacións, demostrou que as OEM se propagan á velocidade da luz no vacío:
$$c=\frac{1}{\sqrt{𝜇_0\cdot 𝜀_0}}$$Con esta ecuación se pode calcular a velocidade de propagación dunha onda en calquera medio. Só hai que saber a súa permisividade eléctrica (𝜇) e permeabilidade magnética (𝜀).
As ondas electromagnéticas (OEM):
A densidade de potencia é a cantidade de enerxía que atravesa unha superficie determinada por cantidade de tempo $(W/m^2)$. Ás veces, tamén verás intensidades de campo. Poden ser de campo eléctrico $(V/m)$ ou magnético $(A/m)$. Sónache “medidor de campo”? É a abreviatura de “medidor de intensidade de campo”. Mira o apartado 4.1.6. da ICT2 para ver niveis de intensidade de campo en dBµV/m.
$$d_{potencia}=E\cdot B = \frac{E^2}{Z_{espazo\ libre}}$$Lembras as impedancias dos medios guiados do tema 3a? O vacío tamén ten unha impedancia característica. Defínese como a oposición do vacío ós campos eléctrico e magnético, función da permeabilidade magnética e da permisividade eléctrica:
$$Z_{espazo\ libre}=\sqrt{\frac{𝜇_0}{𝜀_0}}=377Ω$$As antenas, igual que as liñas de transmisión, teñen unha impedancia característica, que se coñece como impedancia de entrada $Z_{entrada}$.
$$Z_{entrada}=\frac{V_{entrada}}{I_{entrada}}$$Máis adiante (temas 7 e 8) veremos por que é importante que a impedancia da antena e liña de transmisión coincidan. As antenas tamén teñen unhas perdas por efecto Joule, o que da lugar ao concepto de rendemento:
$$𝜂 =\frac{P_{radiada}}{P_{entregada\ polo\ Tx}}=\frac{P_{radiada}}{P_{perdas Joule}+P_{radiada}}$$No tema anterior comentamos que a ganancia dunha antena (dBi) e a directividade son esencialmente o mesmo. A directividade é a relación entre a densidade de potencia radiada na dirección de apuntamento e a densidade de potencia que radiaría unha antena isotrópica.
Os radiadores isotrópicos, a certa distancia da fonte, forman unha esfera onde tódolos puntos posúen a mesma densidade de potencia. A superficie da esfera: $S=4\pi R^2$. Podemos calcular a densidade de potencia facendo 𝑃/𝑆:
$$d_{potencia}=\frac{P_{radiada}}{4\pi R^2}$$Se nos separamos da fonte de radiación, a potencia total permanece constante pero, como aumenta a superficie, a densidade de potencia diminúe co cadrado da distancia. Imaxe de Borb:
Tal e como acabas de ver, as OEM non perden enerxía, a súa potencia é constante. O que sucede é que os raios se dispersan e baixa a densidade de potencia. Por outra parte, a atmosfera ten partículas que provocan perdas por absorción.
MOI IMPORTANTE. Os modos de propagación dependen da frecuencia do sinal. Existen os seguintes (de menor a maior frecuencia):
Imaxe de Savant-fou:
O diagrama de radiación, patrón de radiación ou diagrama de campo afastado é a representación do campo eléctrico $\vec{E}$, campo magnético $\vec{B}$, ou ben a intensidade de potencia: $d_{potencia}=E^2/Z_{espazo\ libre}$. As tres representacións están relacionadas e teñen un aspecto similar. A máis típica é $\vec{E}$.
| O diagrama de radiación só ten validez a partires de certa distancia da antena, é dicir, no campo afastado. |
|---|
Imaxes patrón de antenas directivas (de Timothy Truckle e Daniel M. Dobkin):
Parámetros do diagrama de radiación (máis importantes en negriña):
A “PIRE,” Potencia Isotrópica Radiada Equivalente ou EIRP (Equivalent isotropically radiated Power) é a cantidade de potencia que unha antena isotrópica tería que radiar para poder alcanzar a mesma densidade de potencia observada na dirección de máxima ganancia da antena.
A potencia sae inicialmente do transmisor de radio como sinais eléctricas. Despois pasa por unha liña de transmisión que lle vai producir unhas perdas e por último, a antena realiza a transducción de sinais eléctricas a OEM.
$$PIRE\ [dBm]=P_{Tx}[dBm]-L_{LT}[dB]+G_{antena}[dBi]$$É o estándar que utiliza a IEEE para medir a potencia (en W, dBm, dBW…) que se radia ó espazo libre. Collemos a potencia do radio transmisor, quitámoslle as perdas na liña de transmisión, latiguillos etc, e lle sumamos a ganancia da antena. É, sen dúbida, o concepto máis importante de radicomunicacións no que levamos de curso:
A PIRE nos permite comparar combinacións de antenas e transmisores diferentes:
A “PRA” (potencia radiada aparente) é outra maneira de expresar a PIRE. É o mesmo que a PIRE tomando como referencia a potencia que tería que radiar un dipolo en lugar dunha isotrópica:
$$PIRE = PRA + 2.15dB$$A densidade de potencia é a cantidade de enerxía que atravesa unha superficie determianda por unidade de tempo $(J/(s\cdot m^2) = W/m^2)$. Ás veces, tamén verás o concepto de intensidade de campo. Pode ser intensidade de campo eléctrico $(V/m)$ ou magnético $(A/m)$. Ó analizador de espectro de ICT se lle chama “medidor de campo” porque é un medidor de intensidade de campo. No apartado 4.1.6 da ICT2 aparecen os niveis de intensidade de campo en dBµV/m.
$$d_{potencia}=E\cdot B =\frac{E^2}{Z_{espazo\ libre}} $$sendo $Z_{expazo\ libre} =377Ω$
Para obter o nivel de campo eléctrico podemos utilizar algunha das seguintes fórmulas (non se usan neste curso):
$$E[\frac{dBmV}{m}]=PIRE[dBm]-20\log{d[m]}+42.61$$ $$E[\frac{dBmV}{m}]=P_{R}[dBm]-30+10\log{Z_{in}[Ω]}-AT[dB]+AF[dB/m]$$ $$E[\frac{dBmV}{m}]=N[dBmV]-AT[dB]+AF[dB/m]$$Onde:
AF, que é o factor de antena en dB/m se calcula:
$$AF[dB/m]=20\log{f[MHz]}-10\log{Z_{in}[Ω]}-G[dBi]-12.78$$Os niveis de radiación permitidos (gracias a Joaquín pola información actualizada) se poden atopar nos anexos do Real Decreto 123/2017, de 24 de febrero, por el que se aprueba el Reglamento sobre el uso del dominio público radioeléctrico.
Escolle e realiza unha das seguintes opcións:
Entrega en formato PDF/ZIP na páxina da tarefa. Dúbidas no foro de consultas. Non esquezas facer o cuestionario deste tema.
Creado para G1701016 – “Radiocomunicacións prácticas” e actualizado para G1801013 por Daniel Ríos Suárez
Licenciado baixo a Licenza Creative Commons Recoñecemento Compartir igual 4.0
Este curso virtual elaborouse para ser impartido no plan anual de formación do profesorado de FP da Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria, Xunta de Galicia
Quedan fora desta licenza os textos, imaxes, recursos... que manteñen a súa propia licenza, sinalada en cada caso.
Úsanse imaxes e recursos de producción propia, que se publican no Dominio público ou con licenza CC BY-SA, outras de dominio público, con licenza creative commons, GNU... tomados prefentemente de bancos de recursos educativos abertos. Tamén se empregan ---acolléndose ao "Dereito de cita" --- imaxes, e recursos diversos de diferentes páxinas web, e se enlaza a súa licenza ao pé dos propios recursos ou na páxina coa atribución da propiedade intelectual dos ODE empregados, dereitos reservados que manteñen integramente. Se detecta algunha imaxe, recurso... con dereitos reservados, agradecemos nos informe para retirala.
