Lneas de Transmisin y Antenas

Curso: Propagacin de Ondas ElectromagnticasDocente: Mg. Ing. Juan Borja MurilloIngeniero ElectrnicoSegunda Especialidad en Ingeniera de TelecomunicacionesMaestra en Ingeniera Industrial, mencin en Gestin de la ProduccinEstudios de Doctorado en Ingeniera de la Produccin.30 aos de experiencia en sistemas de telecomunicaciones y control de sistemas elctricos de potencia.Ingeniera de TelecomunicacionesEvolucin de los Sistemas de Telecomunicaciones1837: En USA,Samuel Morsepatenta eltelgrafo1855: Telfono Alambico1877: En USA,T. Edisonpatenta elfongrafo1887: Ondas Electromagnticas1895: Telgrafo sin hilos1901:G. Marconitransmite seales de radio desdeCornuallesaTerranova1903: Transmisin de imgenes por telgrafo1904: Vlvula Electroinica1905: Antena de radio Marconi

1921: Telefotografa1925:John Logie Bairdtransmite la primera seal detelevisin1948: Invencin del transistor1957: Satlite Artificial1958: Televisin a Color1961: Comunicaciones Digitales1975: Computadoras personales, 1966:Charles K. Kaoteoriza sobre lafibra pticaEvolucin de los Sistemas de Telecomunicaciones

1969: Se inauguraARPANET, el antecesor deInternet 1973:A. HasegawayF. Tappert,uso de seales digitales para informacin a travs de lafibra ptica.1980: Telefona Mvil1991: Televisin Digital Interactiva1989: En elCERN,T. Berners-LeeyR. Cailliaucrean el prototipo que se convertir en laWorld Wide Web(WWW).1991:A. Olssontransmite porfibra ptica a 4 Gbps.1998: aparece el primerlibro digital1999: Inicio de la Telepresencia

Evolucin de los Sistemas de TelecomunicacionesUnidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de RadiocomunicacionesUnidades Lineales

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de RadiocomunicacionesUnidades LinealesUnidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de RadiocomunicacionesUnidades LogartmicasUnidades de Comparacin:

P entradaAmplificadorP salida

BELIO = Log (P salida / P entrada)

DECIBELIO (dB) = 10 Log (P salida / P entrada)

DECIBELIO (dB) = 20 Log (Vsal/Vent) = 20 Log (Isal/Ient)

NEPER (Np) = Ln (V salida / V entrada)Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de RadiocomunicacionesUnidades LogartmicasUnidades de Potencia:

P entradaAmplificador P salida

N dBm = 10 Log (P salida / 1 mW)

N dBw = 10 Log (P salida / 1 W)

Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de RadiocomunicacionesUnidades LogartmicasUnidades de Tensin:

N dBV = 20 Log (V salida / 1 V)

N dBmV = 20 Log (V salida / 1 mV)

N dBuV = 20 Log (V salida / 1 uV)

Amplificador o AtenuadorV ent.V sal.TIPOS DE ONDASMecnicasRequieren un medio material para propagarse.Causan movimientos oscilatorios en el medio.Pueden ser longitudinales o transversales.La rapidez depende del medio de propagacin.Ej: ondas en cuerdas, ondas sonoras.ElectromagnticasSe propagan en el vaco y en medios materiales.En el vaco tienen rapidez igual a 300 000 km / s.Se originan a partir de campos elctricos y magnticos superpuestos.Ej: luz, radiacionesTIPOS DE ONDAS Longitudinales

.Transversales

:::::::::::::::::::::::::::::La perturbacin de las partculas del medio ocurre en direccin paralela con la direccin de propagacin de la ondaLa perturbacin de las partculas del medio ocurre en direccin perpendicular a la direccin de propagacin de la ondaCARACTERSTICAS FSICAS DE LAS ONDAS SENOIDALESAltura ( A ) : distancia vertical mxima entre la lnea de base y una cresta o un valle.Longitud de onda ( ) distancia entre dos cretas o dos valles sucesivos.Frecuencia ( f ): cantidad de ciclos completos que se propagan en la unidad de tiempo.Perodo ( T ) tiempo que tarda en propagarse un ciclo completo.

MOVIMIENTO ONDULATORIOPerturbacin de una situacin fsica (campo) producida en un punto del espacio, que se propaga a travs del mismo y se recibe en otro punto

TIPOS DE ONDASEn funcin de la magnitud fsica en la que se propagan:Ondas de desplazamientoOndas de presinOndas trmicasEn funcin de la direccin de propagacin de las mismas:Ondas longitudinalesOndas transversalesEn funcin del nmero de dimensiones espaciales en que se propaga la energa:Ondas unidimensionalesOndas bidimensionalesEn funcin de la magnitud fsica en la que se propagan:Ondas de desplazamientoOndas de presinOndas trmicasOndas electromagnticasEn funcin de la direccin de propagacin de las mismas:Ondas longitudinalesOndas transversalesTEORA ELECTROMAGNTICALeyes que rigen el comportamiento de sistemas con carga elctrica, propiedad principal de esta interaccin.INTERACCIN ELECTROSTTICA

INTERACCIN MAGNETOSTTICAINTERACCIN ELECTROSTTICA

LEY DE COULOMB: Da un Modelo de accin a distancia (se limita a describir cuantitativamente la fuerza de interaccin entre dos cargas).FARADAY: Da un Modelo de Campo (E), explica cmo y porqu ocurre la interaccin.ROTACIONAL: Se demuestra que el rotacional de E = 0 E es irrotacional La circulacin a lo largo de cualquier trayectoria cerrada = 0 E es un campo conservativo. DIVERGENCIA: (FLUJO) Gauss nos da la relacin CAUSA (distribucin de carga) EFECTO (Perturbacin).

INTERACCIN MAGNETOSTTICAOESTERD: Fue el primero en experimentar la interaccin entre un circuito y una brjula.Modelo de accin a distancia. Ley de Accin electrodinmica de Ampere.Modelo de campo: Cualquier carga en movimiento perturba el espacio. Si se introduce otra, sta sentir la perturbacin.Ley de BIOT y SAVART: indica el campo magntico creado por corrientes elctricas estacionarias.

INTERACCIN MAGNETOSTTICA

DIVERGENCIA: Es un campo solenoidal (lneas de campos cerradas)

( Corregida llegara a ser la 2 ec de Maxwell)ROTACIONAL: Ley circuital de Ampre:

INDUCCIN ELECTROMAGNTICASe plante el problema inverso de OESTERD Puede un campo magntico originar un campo elctrico? LEY DE FARADAY-HENRY: (Ley experimental) estaba claro que el origen de ambos es comn LA CARGA ELCTRICA. Utilizaron un circuito con una resistencia variable para que con la misma pila (V = cte) pudieran tener distintas intensidades e inducciones magnticas (B).

Sus experiencias se pueden recoger de forma analtica:

Se creaba un c.elctrico cuando variaba el m.ind era proporcional al ritmo de variacin de mEl signo de ind es tal que se opone a la variacin de m LENTZTEORA ELECTROMAGNTICA DE CAMPOSMAXWELL se dio cuenta de que haba ciertas incoherencias.Sabemos que para cualquier campo vectorial la DIVERGENCIA DEL ROTACIONAL ES NULA y vemos que para el caso mas general (no estacionario) esto no se cumple: CONCLUSIONES: Un campo elctrico que vare con el tiempo produce efectos magnticos de la misma manera que lo hace una corriente; por esta razn al relacionar ambos campos hablamos de ELECTROMAGNETISMO; con un nico origen comn: LA CARGA ELCTRICACAUSA (carga elctrica) EFECTO (electromagnetismo)

CORRIENTES DE DESPLAZAMIENTOTEORA ELECTROMAGNTICA DE CAMPOS (II)Estas son las ecuaciones de Maxwell:

Estas ecuaciones son el fundamento de la TEORA ELECTROMAGNTICAS DE CAMPOS, dado que expresan soluciones que han de cumplir los componentes elctricos y magnticos de todos los campos electromagnticos reales. Se demuestra que el PRINCIPIO DE SUPERPOSICIN es aplicable a los campos electromagnticos de manera general. El TEOREMA DE POYNTING expresa la Ley de conservacin de la energa aplicada a campos electromagnticos. Pudindose aadir la ecuacin de continuidad:

Ley de GaussLey de conservacin del flujoLey de FaradayLey de Ampre-MaxwellRAPIDEZ DE UNA ONDALongitudinal:Depende del medio de propagacin.El sonido viaja ms rpidamente en medios slidos, que en lquidos y gaseosos.El sonido viaja en el aire a 340 m/s

Transversal:En el vaco viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/sEn un medio material, viajan a velocidad menor que la de la luz.v = . fQu Son las Ondas Electromagnticas?Conformada por el producto vectorial de un vector de campo elctrico y uno de campo magntico.La onda electromagntica es Transversal, esto es, su direccin de propagacin es perpendicular a las de los campos elctricos y magntico.

Vector de campo electromagnticoEHP = E x HQu Son las Ondas Electromagnticas?Una onda electromagntica es la forma de propagacin de la radiacin electromagntica a travs del vaco o de un medio.Son ondas producidas por la oscilacin o la aceleracin de una carga elctrica. Las ondas electromagnticas tienen componentes elctricos y magnticos.La medida de la longitud de onda suele medirse en nanmetro, o nm, que es una millonsima de milmetro. 10 - 9 m = 1 nmOndas ElectromagnticasLas ondas electromagnticas siguen una trayectoria rectilnea y su velocidad es constante en cada medio especfico. Al pasar de un medio a otro la nica caracterstica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad vara para cada longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda se relacionan segn la siguiente expresin matemtica: longitud de onda = C x T = C f

- C es la velocidad de la luz en el vaco. - T el periodo. - f es la frecuencia.Tipos

TiposRayos gamma: Su longitud de onda (lambda) < 0.1 Ao, donde 1 Ao (Armstrong) es igual a 10-10 m. Se originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiacin gamma. Son muy penetrantes y muy energticas.

Rayos X: Se producen por oscilaciones de los electrones prximos a los ncleos. 0.1Ao < lambda < 30 Ao Son muy energticos y penetrantes, dainos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnsticos mdicos. TiposLuz visible: Es la pequea parte del espectro electromagntico a la que es sensible el ojo humano.

400 nm < lambda < 750 nm

Se producen por saltos electrnicos entre niveles atmicos y moleculares. Las longitudes de onda que corresponden a los colores bsicos son: ROJO De 6200 a 7500 Ao NARANJA De 5900 a 6200 Ao AMARILLO De 5700 a 5900 Ao VERDE De 4900 a 5700 Ao AZUL De 4300 a 4900 Ao VIOLETA De 4000 a 4300 Ao

TiposRadiacin infrarroja Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a vibraciones de los tomos.

10 -3m < lambda < 10-7m Radiacin de microondas Son producidas por vibraciones de molculas.

0.1 mm < lambda < 1 m Ondas de radio: Son ondas electromagnticas producidas por el hombre con un circuito oscilante. 1 cm < lambda < 1 km

La LuzLa luz est formada por ondas, se propaga en todas direcciones y siempre en lnea recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a travs del vaco y se llaman ondas electromagnticas. El hombre slo puede ver algunas de estas ondas, las que forman el espectro luminoso visible. El sol es la fuente luminosa natural de la Tierra. Los objetos que reciben la luz se llaman cuerpos iluminados. Como la luz blanca en realidad est compuesta por siete colores, de acuerdo al tipo de luz que absorben y que reflejan, vemos los objetos de diferentes colores. Designacin de Bandas de CCIR para las Ondas ElectromagnticasN de bandaRango de frecuenciaIndicativoPropagacin230 300 Hz.ELFOnda Terrestre30.3 3 KHz.SLFOnda Terrestre43 30 KHz.VLFOnda Terrestre530 300 KHz.LFOnda Terrestre y Superficial60.3 3 MHz.MFOnda Superficial73 30 MHzHFOnda Superficial y IonosfricaN de bandaRango de frecuenciaIndicativoPropagacin830 300 MHz.VHFOnda Ionosfrica y Directa90.3 3 GHz.UHFOnda Directa103 30 GHz.SHFOnda Directa1130 300 GHz.EHFOnda Directa y Luz Infrarroja120.3 3 THz.Luz Infrarroja133 30 THzLuz InfrarrojaDesignacin de Bandas de CCIR para las Ondas ElectromagnticasN de bandaRango de frecuenciaIndicativoPropagacin1430 300 THz.Luz Infrarroja150.3 3 PHz.Luz Visible163 30 PHz.Luz Ultravioleta1730 300 PHz.Rayos X180.3 3 Ehz.Rayos Gamma193 30 EHzRayos CsmicosDesignacin de Bandas de CCIR para las Ondas ElectromagnticasMedios de TransmisinMedio de TransmisinLongitud de OndaBanda de FrecuenciasAplicacin PrincipalPar de alambres, cable multipar10000 1000 Km.30 300 Hz(ELF)Comunicacin SubmarinaPar de alambres, cable multipar1000 100 Km.0.3 3 KHz(SLF o VF)Telefona, Transmisin de datos,Telex, FaxPar de alambres, cable multipar, Ondas de Tierra100 10 Km.3 30 KHz.(VLF)Telefona de Onda Portadora baja capacidad, navegacin y RadiotelegrafiaPar de alambres, Ondas de Tierra10 1 Km.30 300 KHz.(LF)Telefona de Onda Portadora mediana capacidad, Radiofaro Navegacin, Radiodifusin onda larga.Medios de TransmisinMedio de TransmisinLongitud de OndaBanda de FrecuenciasAplicacin PrincipalCable Coaxial, Ondas de Cielo1000 100 m.0.3 3 MHz(MF)Radiodifusin AM, radio aficionados, radio mvil. Cable Coaxial, cable UTP (cat. 3 y 4), Ondas de Cielo.100 10 m.3 30 MHz(HF)Radio aficionados, comunicaciones militares y martimas, radio telefona mvil.Cable Coaxial, cable UTP (cat. 5), Ondas Directas10 1 m.30 300 MHz.(VHF)TV, radiodifusin FM, Multiacceso Radial, radio enlaces direccionales.Ondas Directas100 10 cm.0.3 3 GHz.(UHF)TV, Telemetra por radar, comunicaciones militares por satlite, telefona celular, radio de espectro ensanchadoMedios de TransmisinMedio de TransmisinLongitud de OndaBanda de FrecuenciasAplicacin PrincipalGua de Onda, Lnea Visual.10 1 cm.3 30 GHz(SHF)Comunicaciones va satlite, radio enlace direccional analgico y digital, operacin area por radar.Gua de Onda, Lnea Visual.1 0.1 cm.30 300 GHz(EHF)Comunicacin militar por satlite, radio astronoma, aterrizaje por radar.Fibra ptica3 0.3 pm.100 1000 THz.(Infrarrojo, Luz Visible, Ultravioleta)Telefonia muy alta capacidad, servicios de banda ancha (SONET, SDH y ATM), video conferencia, CATV por F.O.Trayectorias de PropagacinOndas Terrestres y SuperficialesOndas de Cielo (Ionosfricas)Ondas DirectasOndas Reflejadas

Espectro Electromagntico

Clculo de la Longitud de OndaLongitud de Onda = Velocidad / Frecuencia = v / fSi el medio de propagacin en el aire o el espacio libre v = c (300,000 Km/s)

Ancho de Banda y Capacidad de InformacinLas limitaciones mas importantes para el funcionamiento de un sistema de comunicaciones son el ruido y el ancho de banda.El ancho de banda de un canal de comunicacin es la diferencia entre la frecuencia mxima y mnima que puede pasar por el canal.El ancho de banda de un canal de comunicacin debe ser igual o mayor que el ancho de banda de la informacin.

Capacidad de informacinEs la medida de cuanta informacin se puede transferir a travs de un sistema de comunicaciones en un determinado tiempo.Ley de Hartley: I B x tI = Capacidad de InformacinB = Ancho de banda del sistema (Hertz)t = Tiempo de transmisin (segundos)Ancho de BandaSe requieren 3 KHz de ancho de banda para transmitir las seales telefnicas con calidad de voz.Se asignas 200 KHz para transmisin comercial de FM para msica, con alta fidelidad.Se requieren casi 6 MHz de ancho de banda para emitir seales de televisin de alta calidad

Capacidad de Informacin de un canal digitalC.E. Shannon relacion la capacidad de informacin de un canal de comunicaciones, en bits por segundo (bps), con el ancho de banda y la relacin seal a ruido: I = B log2 (1 + s/n)I = 3.32 B log10 (1 + s/n)I = Capacidad de informacin (bps)B = Ancho de banda (Hz)s/n = Relacin potencia de seal a ruidoRuido ElctricoEnerga elctrica no deseable presente en la banda til del circuito de comunicacin.Se puede clasificar el ruido en dos categoras: Correlacionado y No Correlacionado.El ruido Correlacionado solo existe cuando hay una seal.El ruido No Correlacionado est presente siempre, haya o no seal. Ruido Elctrico CorrelacionadoEs aquel que se relaciona mutuamente con la seal, y no puede estar en un circuito a menos que haya una seal de entrada.Se produce por amplificacin no lineal, e incluye la distorsin armnica (cuando se producen las armnicas no deseadas de una seal, debido a una amplificacin no lineal) y de intermodulacin (generacin de frecuencias indeseables de suma o diferencia), ya que las dos son formas de distorsin no lineal.Ruido Elctrico No CorrelacionadoEst presente independientemente si haya una seal o no.El ruido No Correlacionado puede sub dividirse en dos categoras generales: Externo e Interno.

El Ruido Externo es el que se genera fuera del dispositivo o circuito.El Ruido Interno es la interferencia elctrica generada dentro de un dispositivo o circuito.

Ruido ExternoHay tres causas principales de ruido Externo:Ruido atmosfrico: Perturbaciones elctricas naturales. Electricidad esttica (rayos)Ruido extraterrestre: Seales elctricas originadas fuera de la atmsfera terrestre (solar y csmico)Ruido hecho por el hombre: Su puente principal son mecanismos que producen chispas, ruido industrial (conmutadores, generadores, lmparas florescentes)Ruido InternoHay tres causas principales de ruido Interno:Ruido Trmico: Asociado con el movimiento rpido y aleatorio de electrones libre, producido por la agitacin trmica.Ruido de Tiempo de Trnsito: Variacin irregular y aleatoria, producida por la modificacin de una corriente de portadores, cuando pasa de la entrada a la salida de un dispositivo.Ruido de Disparo: Se debe a la llegada aleatoria de portadoras al elemento de salida de un dispositivo electrnico (diodo, FET, transistor bipolar).Ruido TrmicoEs el movimiento aleatorio de los electrones libres dentro de un conductor, causado por la agitacin trmica.Llamado tambin: Movimiento Browniano por su descubridor Robert Brown, Ruido de Johnson en honor a quien lo relacion con el movimiento de los electrones y Ruido Blanco porque se produce en todas las frecuencias Ruido TrmicoLa potencia de ruido trmico es proporcional al producto del ancho de banda por la temperatura.N = KTBN = Potencia de ruido (Vatios)K = Constante de Boltzmann 1.38 x 10-23 Joules por grado Kelvin.T = Temperatura absoluta (K)B = Ancho de banda (Hz)

T = C + 273Ruido TrmicoLa potencia de ruido trmico expresado en dBm.

N (dBm) = 10 Log (KTB/0.001)

N = Potencia de ruido (Vatios)K = Constante de Boltzmann 1.38 x 10-23 Joules por grado Kelvin.T = Temperatura absoluta (K)B = Ancho de banda (Hz)

Potencia de ruido trmico a temperatura ambiente

N (dBm) = -174 dBm + 10 Log BVoltaje de RuidoN = KTB = (VN/2)2 / R = VN2 / 4R

R1 = Resistencia Interna (Ohmios)VN = Tensin rms de RuidoPara mxima transferencia de Potencia RL = RI

VN2 = 4RKTB ______VN = 4RKTBRelacin Seal a RuidoEs el cociente del valor de la potencia de la seal, entre el valor de la potencia del ruido.S/R = S/N = Ps/PnPs = Potencia de la seal (Vatios)Pn = Potencia del ruido (Vatios)S/N (dB) = 10 Log (Ps/Pn)S/N (dB) = 20 Log (Vs/Vn)Factor de Ruido y Cifra de RuidoFactor de Ruido es el cociente de relaciones de potencia seal a ruido a la entrada entre la relacin de potencia seal a ruido en la salida.Cifra de Ruido es el Factor de Ruido expresado en dB.

ProblemasConvertir 17C, 0C y -20C en K

Convertir 15 W, 0,02W y 10 mW en dBm

Convertir 15dBw en W y 4dBm en mW

ProblemasTemperatura Ambiente (17C)BW = 10 KHzCalcular: Potencia de Ruido Trmico en W y dBm.Voltaje rms del ruido, para una Resistencia Interna de 100 y una Resistencia de Carga de 100 .

Potencia de 10PrefijoSmbolo

12TeraT

9GigaG

6MegaM

3KiloK

2HectoH

1DecaD

Potencia de 10PrefijoSmbolo

-1Decid

-2Centic

-3Milim

-6Microu

-9Nanon

-12Picop

-15fentof