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Ingeniería de Telecomunicaciones
TALLER 2
1. Consulte sobre los tipos de antenas utilizadas en comunicaciones móviles Antena dipolo Es la antena más sencilla y popular junto con una línea de transmisión coaxial, este tipo de antena cuenta con una alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia y consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión, estas antenas al estar construidas generalmente en cobre y terminarse en dos puntas que introducen una cierta capacidad que no existe en el conductor continuo, para obtener la resonancia lo apropiado es acortar ligeramente esta longitud debido al mismo efecto que el factor de propagación de las líneas de transmisión, la antena dipolo es un sistema balanceado, en este tipo de transmisión la señal que se propaga es medida como la diferencia de potencial entre los dos conductores, ambos conductores conducen corriente de señal, y las corrientes tienen igual magnitud con respecto a tierra, pero viajan en direcciones opuestas. Tecnologías aplicadas Se utilizan principalmente para transmitir señales de TV, FM y para comunicaciones militares. El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. Características
Estas antenas son las más simples desde el punto de vista teórico. Son las más fáciles de fábrica por su diseño simple. Acceso inmediato a los extremos, lo cual permite ajustar cómodamente la longitud con precisión. Son muy ligeras y de fácil instalación Se utilizan principalmente en radio difusión Las antenas dipolo se pueden utilizar en muchos lugares, de los coches a las televisiones, radios de AM-FM y ranuradores sin hilos.
Funcionamiento Se forma por el choque y el conductor externo, y es igual al infinito, es decir el conductor externo ya no tiene impedancia cero a tierra. La siguiente grafica muestra la implementación de un balun tipo choque a una antena dipolo.
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Tipos de dipolo
Dipolo simple: Este es el tipo más sencillo de antena dipolo, y consiste en dos elementos conductores rectilíneos colineales de igual longitud, alimentados en el centro, y de radio mucho menor que el largo, la antena debe estar de manera horizontal y a un medio de altura de su longitud de onda en espacio libre La longitud real del dipolo a la frecuencia de resonancia dependerá de muchos otros parámetros, como el diámetro del conductor, o bien la presencia de otros conductores a proximidad.
Antena en V invertida: Este tipo de antena Tiene la forma de una V invertida y no es más que un dipolo de media onda en la que el centro constituye la parte más elevada de la misma y del que parten las dos ramas inclinándose hacia el suelo, este tipo de antena tiene propiedades muy parecidas a la antena dipolo de media onda pero con la diferencia que ocupa menos espacio La realización de este tipo de antenas exige algunas precauciones, algunos autores recomiendan que el ángulo de la V no sea inferior a 120 grados, y que los extremos de la V estén lo más lejos posible del suelo; la proximidad de los extremos a la tierra induce capacidades que alteran la frecuencia de resonancia. Sloper: Es una antena dipolo de media longitud de onda instalada de manera que tiene un extremo elevado y que transcurre inclinada hasta la proximidad del suelo. Dipolo doblado: Este dipolo es en esencia una antena única formada por dos elementos. Un elemento se alimenta en forma directa, mientras que el otro tiene acoplamiento inductivo en los extremos. Cada elemento tiene media longitud de onda de largo, no obstante como puede pasar corriente por las esquinas, hay una longitud de onda completa de corriente en la antena, así para la misma potencia de entrada, la corriente de entrada es la mitad de la del dipolo básico de media onda, y la impedancia de entrada es cuatro veces mayor. Dipolo de brazos plegados: Es un dipolo cuyos brazos tienen una pequeña parte del extremo parcialmente plegada. Eso hace que se economice espacio, a costa de sacrificar parcialmente la eficiencia del dipolo.
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Dipolo eléctricamente acortado: Es un dipolo en el cual un segmento de cada brazo (por ejemplo, el tercio central) es reemplazado por un solenoide. Eso hace que el dipolo sea mucho más corto, pero a costa de sacrificar otras cualidades del dipolo original, como la eficiencia, la impedancia y el ancho de banda.
Doblete elemental: Es un dipolo eléctricamente corto y con frecuencia se llama dipolo corto, dipolo elemental o dipolo hertziano, eléctricamente corto quiere decir que es corto en comparación con media longitud de onda, pero no necesariamente onda de corriente uniforme , en general cualquier dipolo menor que un décimo de longitud de onda se considera eléctricamente corto, pues en realidad no se puede obtener un doblete elemental, sin embargo el concepto de dipolo corto es útil para comprender las antenas más prácticas.
Antenas Monopolo Una antena monopolo es una clase de antena de radio que consta de un conductor en forma de barra recta, a menudo montado perpendicularmente sobre algún tipo de superficie conductora, llamado un plano de tierra. Esto contrasta con una antena de dipolo que se compone de dos conductores de varilla idénticos, con la señal desde el transmisor aplicada entre las dos mitades de la antena. Tecnologías Aplicadas
El uso en VHF es principalmente para las aplicaciones de radio móvil en vehículos. En ellas, el cuerpo metálico del vehículo sirve de plano de masa. A causa de la popularidad de la VHF móvil en la banda de 2m, la antena más común es el monopolo vertical. Eso explica a su vez que en la banda de 2m la polarización en la clase de emisión F3E (Frecuencia Modulada o FM) sea la polarización vertical. El vehículo utiliza las cuatro llantas como condensador para conducir la HF de regreso a la antena. El monopolo vertical es muy usado en las expediciones de radioaficionados, sobre todo desde islas o costas. El diagrama de emisión del monopolo vertical muestra emisiones sumamente rasantes, lo que garantiza que la energía esté concentrada a pocos grados por encima del horizonte, favoreciendo así el alcance máximo por reflexión en la ionosfera; las extensiones de agua salada son espejos ideales para las ondas HF, que les sirven de plano de masa.
Características
Una antena monopolo es la mitad de una antena dipolo Polarización Vertical Polarización Omnidireccional
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Funcionamiento El monopolo se alimenta en la base. La alimentación es asimétrica, es decir, cuando uno de los conductores del monopolo está a masa y el otro experimenta las variaciones de tensión, se dice que la alimentación es asimétrica. Y habitualmente se alimenta con cable coaxial.
Tipos de antenas Monopolo
Antenas de bucle magnético:
Las antenas de bucle magnético consisten en un bucle de forma circular, octogonal o rectangular. El perímetro de la antena puede ser del orden de la longitud de onda, o bien bastante menor, estas antenas tienen una elevada direccionalidad, con el máximo de recepción en el plano de la antena, y el mínimo en el plano perpendicular al plano de la antena,
Antenas Microstrip: Las antenas Microstrip son un tipo de antenas planas. Son una extensión de la línea de trasmisión Microstrip Las antenas planas son monomodo. Son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesférica. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elementos de un array. Antenas de apertura sintética (SAR): Este tipo de antenas o radares ilumina una escena a través de una sucesión de pulsos en una frecuencia determinada. Una parte de la energía que se propaga (en todas direcciones) vuelve a la antena (eco). Antena Logarítmica Es una antena direccional en donde cada elemento resuena a una frecuencia distinta y en un rango determinado. La unión de todos estos elementos resonantes a diferentes frecuencias en una disposición logarítmica de antena, hace que se pueda construir un sistema resonante con un gran ancho de banda.
Tecnologías aplicadas:
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En Transmisión y Recepción de banda civil. En comunicaciones militares. Este tipo de antena es recomendado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) para las estaciones de comprobación técnica de las emisiones.
Características:
El arreglo es alimentado en el extremo del dipolo más corto de la estructura, y la máxima radiación se orienta hacia donde apunta este extremo. La razón de la longitud de los dipolos entre distancia relativa, medida A partir del vértice del arreglo, obedece la ley de proporciones que es igual al factor de escala. La máxima radiación ocurre en la dirección en que apunta su vértice.
Funcionamiento La receptora de la señal o su región activa cambia continuamente dependiendo de la frecuencia, donde en la frecuencia más baja de la operación, el elemento más largo es resonante, y el resto de los elementos actúan como directores. Antena Yagi La antena Yagi o antena Yagi-Uda es una antena direccional inventada por el Dr. Shintaro Uda de la Universidad y en menor parte, el Dr. Hidetsugu Yagi (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención de avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinada con elementos parásitos conocidos como reflector y directores, se pudiera construir una antena de muy alto rendimiento. Potencias manejadas Dependiendo entre otras cosas de la cantidad de elementos directores, y de la longitud de la antena (boom, en inglés), es posible llegar a ganancias máximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la señal por 32. Tecnologías Aplicadas En telefonía ip en algunos modelos, Motorola 850,audiovox, teléfonos que tengan opción de cobertura en señal GSM (800 a 19000MHZ).Amplificadores, Repetidores. Características
Una antena Yagi está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador" La antena tiene uno o varios elementos aislados llamados elementos parásitos.
Funcionamiento
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Una antena Yagi-Uda está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador" de manera inapropiada, ya que en la antena Yagi-Uda todos los elementos irradian de manera comparable. Antena Helicoidal La antena helicoidal o antena hélice es una antena con forma de solenoide. Es una evolución del monopolo vertical, en la cual el monopolo ha sido modificado para tomar la forma de un solenoide.
Tecnologías aplicadas Antenas para Walkie-talkies, antenas para recepción satelital (UHF) , antenas halo (VHF).
Características
Es un tipo de antena que presenta un comportamiento de alto ancho de banda. Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son: su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas)
Funcionamiento El modo normal de radiación se presenta cuando el largo de onda es mucho mayor a las dimensiones de la antena y se caracteriza por tener un campo radiado máximo en el plano perpendicular al eje y mínimo en el eje de la antena. Antena Bocina Una antena de bocina es una antena que consiste en una guía de onda en la cual el área de la sección se va incrementando progresivamente hasta un extremo abierto, que se comporta como una apertura. Potencias Manejadas La bocina piramidal se utiliza como extensión de la guía rectangular. Estas bocinas son muy utilizadas debido a la madurez en su diseño, ya que si se conocen las dimensiones de la bocina su directividad puede ser calculada con una precisión de 0.1 dB.
La bocina cónica es la extensión natural de la guía circular y es frecuentemente utilizada. Normalmente trabaja con más de un modo de propagación. Si se
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combinan los modos TE11 y TM11 con valores apropiados de amplitud y fase el diagrama de radiación compuesto puede mejorar los diagramas conseguidos con fibras monomodo. Tecnologías aplicadas Las bocinas se suelen utilizar para iluminar un reflector, formando lo que se denomina una antena parabólica. Características
Las antenas de bocina son unas antenas que realizan la transición desde el medio guiado, guías de onda, al espacio libre.
Funcionamiento Las bocinas se utilizan en los satélites principalmente como alimentadores de los reflectores y en algunas ocasiones se utilizan como antenas simples cuando se requieren grandes anchos de haz. Las antenas de bocina se utilizan frecuentemente para conformar haces que den una cobertura terrestre.
Antenas de Parche (microstrip) Las antenas impresas, de tipo parche también denominadas antenas microstrip (microtira) se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre substrato dieléctrico. Las dimensiones se eligen de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiación. Tecnologías aplicadas Las aplicaciones más importantes son para antenas de los sistemas de teledetección (sistemas de radar a bordo de satélites), sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de calor en tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas. Características Se pueden encontrar radiadores de diversas formas y las geometrías más habituales son circulares y rectangulares. Funcionamiento Las antenas microstrip se pueden analizar de muy diversas formas, desde los modelos más simples, basados en líneas de transmisión o cavidades hasta los más complejos, utilizando métodos numéricos o espectrales.
Antena Cassegrain
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una antena Cassegrain es una antena parabólica en la que la antena de alimentación está montado en o detrás de la superficie principal cóncava del reflector parabólico y el plato está dirigido a una más pequeña convexa reflector secundario suspendido en frente del reflector primario. Potencias manejadas Típicamente, el borde del sub reflector es iluminado con un nivel de potencia de entre 10 y 15 dB por debajo del nivel del centro del mismo. Tecnologías Aplicadas El diseño Cassegrain se usa ampliamente en antenas parabólicas, especialmente en las grandes antenas como los de estaciones de satélite terrestres ,radiotelescopios , y satélites de comunicación . Características
utilizar el diseño Cassegrain es aumentar la distancia focal de la antena, para mejorar el campo de visión. Las antenas de alimentación y guías de onda asociadas y electrónica pueden estar situados sobre o detrás de la placa. La ganancia puede incrementarse aproximadamente 1 dB, relativo al reflector front-fed, mediante el dimensionamiento del sistema de alimentación dual. Pueden conseguirse bajas temperaturas de ruido en las antenas mediante el control del spillover y la utilización de guíaondas más corta o alimentadores de guiado de haz. Dichos alimentadores permiten además disponer los amplificadores de bajo ruido en posiciones más convenientes para reducir la temperatura de ruido resultante.
Funcionamiento
Una antena de guía de ondas de haz es un tipo de complicada antena Cassegrain con un trazado de onda de radio largo para permitir que los componentes electrónicos de alimentación que se encuentran a nivel del suelo. Se utiliza en grandes radiotelescopios orientables y antenas terrestres de satélites, en los que es muy complicado y voluminoso de la electrónica de alimentación, o requiere demasiado mantenimiento y alteraciones, para localizar en el plato; por ejemplo los que utilizan amplificadores criogénicamente enfriados
Tipos de desvanecimiento
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*Desvanecimiento en gran escala. *Desvanecimiento en pequeña escala. *Desvanecimiento multitrayectoria.
DELAY SPREAD *Desvanecimiento Selectivo en frecuencia *Desvanecimiento Plano DOPPLER SPREAD *Desvanecimiento Rápido *Desvanecimiento Lento Existen varias clasificaciones del desvanecimiento que se producen en el canal cuando se transmite/recibe una señal, una de ella la podemos observar en la figura. Donde se muestran las diferentes manifestaciones del desvanecimiento en el canal:
DESVANECIMIENTO EN GRAN ESCALA El desvanecimiento a gran escala representa un promedio de la atenuación de la potencia de la señal en grandes áreas. Los modelos de propagación a gran escala predicen el comportamiento medio para distancias >> λ. Corresponden a cambios del valor medio de la señal cuando la distancia del transmisor al receptor varía significativamente. DESVANECIMIENTO EN PEQUEÑA ESCALA El desvanecimiento a pequeña escala, o simplemente desvanecimiento, es un término para describir la rápida fluctuación de la amplitud y la fase de una señal de radio en un corto periodo o durante el viaje de ésta en una distancia corta en relación a su longitud de onda λ.
DESVANECIMIENTO MULTITRAYECTORIA
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Causado por múltiples Reflexiones, Difracción, Dispersión de la señal transmitida y que llegan al receptor, crea efectos de desvanecimiento a pequeña escala, de los cuales los tres más importantes son: § Rápidos cambios en la intensidad de la señal sobre una corta distancia de viaje o en intervalos. § Modulación de frecuencia aleatoria debido a cambios en la Dispersión Doppler de diferentes señales multitrayectoria. (Movimiento) § Dispersiones en el tiempo (ecos) causadas por retardos en la propagación multitrayectoria.
DELAY SPREAD El delay spread caracteriza los sucesivos ecos de señal recibidos. Estos ecos introducen una dispersión temporal sobre la señal transmitida, de modo que la suma de todos los ecos tiene como efecto un filtrado selectivo en frecuencia, decir, la señal sufre atenuaciones diferentes a frecuencias distintas. DESVANECIMIENTO SELECTIVO EN FRECUENCIAS El canal se distorsiona, no conserva el espectro de la señal transmitida y se le denomina CANAL SELECTIVO EN FRECUENCIA, es causado por la interferencia entre uno o más rayos de la atmósfera.
DESVANECIMIENTO PLANO
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El canal conserva el espectro de la señal transmitida ya que trata todas las frecuencias por igual y se le denomina canal no selectivo en frecuencia o "flat fading". Este se puede presentar bajo condiciones de densas nieblas, o cuando el aire extremadamente frío se mueve sobre un terreno cálido, produciendo una pérdida de trayectoria dentro de una amplia banda de frecuencias. DOPPLER SPREAD
Efecto multicamino es la varianza en el tiempo de propagación del canal de transmisión o Doppler spead consecuencia del desplazamiento del terminal móvil durante la comunicación, lo que produce un desplazamiento en las señales transmitidas (desplazamiento Doppler), que origina desvanecimiento selectivo en el tiempo y que distorsionan la señal recibida. La dispersión de frecuencia se traduce en una alteración del ancho de banda de la señal transmitida produciendo ensanchamiento o estrechamiento de la misma. DESVANECIMIENTO LENTO Se deben a la presencia de algún obstáculo de grandes dimensiones, es decir, son provocados por Zonas de Sombra (Shadowing) que impiden la visión directa entre el emisor y receptor. Esto contribuye con una atenuación adicional que se suma a las pérdidas por distancia.
DESVANECIMIENTO RÁPIDO En un entorno de comunicaciones móviles, la señal recibida en un instante y lugar es la resultante de la suma de todas las trayectorias provocadas por las reflexiones del frente de onda en los objetos cercanos en dirección a la antena receptora. Cada uno de los rebotes incide con una amplitud y fase distinta, que depende del coeficiente de reflectividad, y con un retardo distinto.
Modulación por desviación en fase de cuadratura (QPSK)
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Este tipo de modulación digital angular de amplitud constante, representada por un diagrama de constelación de cuatro puntos, con cuatro fases QPSK, puede codificar dos bits por cada símbolo, esta asignación suele hacerse mediante el código de gray, que consiste en que, entre dos símbolos adyacentes, los símbolos solo se diferencian en 1 bit, con lo que se logra minimizar la tasa de bits erróneos. QAM modulación en amplitud de cuadratura de 16 estados Este tipo de modulación genera un espacio de 16 estados donde se genera la señal digital para ser transmitida Es usado en Transmisión de señales de televisión, microondas, satélite (datos a alta velocidad por canales con ancho de banda restringido).
Este tipo de modulación está diseñado para funcionar con el estándar de comunicaciones móviles 3.5 G
QAM modulación de amplitud en cuadratura de 64 estados Este tipo de modulación, genera un espacio de 64 estados los cuales codifican la señal a transmitir Esta tecnología se diseña para poder transmitir datos digitales.
Este sistema está diseñado para para el estándar de comunicaciones 4G