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11 Propagacion de Radio Ondas

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propgacion de ondas 2.4 ghz y 5 ghz

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  • zxyRADIADOR ISOTRPICOr

  • Direccin de mxima radiacinGT [dB]GTmx10468090270DIAGRAMA HORIZONTAL TPICO DE RADIACIN DE UNA ANTENA REAL D

  • dTRSe comprueba que:

  • Prdidas de Transmisin en el espacio libre C es la velocidad de la luz en el vaco 3x108 m/s(C/4)2=5.7x1014 TPRPdB10logGT()10logGR()+14.756+20logd()-20logf()-147.56147.56

  • Onda TEMSolucin de las ecuaciones de onda en el espacio libre y a gran distancia de la antena (slo onda incidente):oEn donde:se denomina constante de faseObserve que los campos elctricos y magnticos son fasores que representan campos armnicos. La expresin de los campos en funcin del tiempo se obtiene de la manera usual:

  • femRelacin general entre campo elctrico y densidad de potencia electromagntica (para onda incidente)Para el espacio libre:

  • Vista lateral del vector E con polarizacin vertical en un instante de referencia t=0 xPolarizacin verticalPolarizacin horizontalPolarizacin elpticaSuperficie terrestreyzzyxxEEE

  • Propagacin por onda de superficieBandas VLF LF - MF (3 kHz 3 MHz)Caractersticas del suelo:r=15 = 10-2 S/mf = 500 kHzOnda directa + onda reflejada= onda de EspacioOnda de espacio + onda de superficie = onda de tierra

  • Onda directaOnda reflejadaPropagacin Troposfrica (LOS)*Bandas VHS-UHF-SHF (30 MHz 10 GHz)Onda directa + Onda reflejada= Onda de Espacio*(LOS): Line-of-SightMultitrayectorias: ndice de refraccin relativo al vaco 12 1 2Fenmeno de la refraccin atmosfrica

  • f>MUFf=MUFf
  • Diseo de un enlace de microondasCurvatura terrestreCurvatura del haz por efecto de la refraccin atmosfricaExpansin del Haz

  • Diseo de un enlace de microondasCurvatura terrestreCurvatura del haz por efecto de la refraccin atmosfricaExpansin del Hazd1, d2: distancias del obstculo de las extremidades del enlace, en km k: factor de correccin por curvatura debida a la refraccin atmosfrica; depende del ndice de refraccin. En primera aproximacin se toma igual a 4/3f: frecuencia de la portadoraEntre parntesis: el radio de la primera zona de Fresnel

  • TRObstculod1Kmd2KmAlturamhCTmhFRm VegetacinmAltura VirtualmfGHz12341435395656353114250180250300615151515325285354375

  • CLCULO DE LA POTENCIA DEL TRANSMISOR

    Punto

    Ubicacin

    Clculo

    Valor

    Salida Receptor

    SOR=N+50 dB

    SOR=-77,75 dBW

    Entrada Receptor

    SER= SOR-GR

    SER=-77,75 dBW

    Entrada Lnea Receptor (RSL)*

    RSL= SER+LL

    RSL=-74,55 dBW

    Entrada Antena Rexeptor (IRL)*

    IRL=RSL-GAR

    IRL=-109,05 dBW

    Salida Antena Transmisor (EIRP)*

    EIRP=IRL+L

    EIRP=32 dBW

    Salida Lnea Transmisor

    SSLT=EIRP-GAT

    SSLT=-2,5 dBW

    Salida Transmisor

    SST= SSLT+LL

    SST=0,7 dBW

    PST=1,17 W

    Denominacin

    Parmetro

    Valor

    Constante de Boltzman

    k

    1,2803x10-23 J/W

    Distancia

    d

    70 km

    Temperatura Receptor

    T

    290 K

    Ganancia Receptor

    GR

    0 dB

    Factor de Ruido Rec.

    FN

    4dB

    Ancho de Banda

    (f

    18 MHz

    Frecuencia Portadora

    fo

    3,85 GHz

    Ganancias Antenas

    GAT, GAR

    34,5 dB

    Prdidas en las lneas

    LT, LR

    3,2 dB

    Prdidas de propagacin

    L=5,7x1014/(d xfo)2

    7,85x10-15

    141,05 dB

    Piso de ruido a la salida del receptor

    N=kxTx(fxGRxF

    N=0,168 pW

    N(dB)=-127,75 dBW

  • Canales telefnicosCanales telefnicos4 GHz12 GHzFDMMUXREPETIDORRXF1RXF2TXF2TXF1F1 = 4 GHz

    F2 = 12 GHzFMMODFDMDMUXFMDMOD

    Una antena isotrpica, o radiador isotrpico, irradia energa electromagntica de manera uniforme en todas las direcciones del espacio. Esto significa que la onda electromagntica se propaga en forma esfrica a partir del radiador, que representa el centro de la esfera. Si la antena emite una potencia total PT, entonces en un punto cualquiera x del espacio, distante r de la antena, esta potencia se encontrar distribuida uniformemente en una esfera (imaginaria) de radio r. La densidad de potencia DPi ser igual a la potencia total transmitida entre la superficie de la citada esfera.Es necesario aclarar una confusin que surge cuando se habla de la ganancia de antena G. En realidad una antena es un elemento pasivo, por lo tanto no puede generar potencia y producir una ganancia de potencia. Cuando se habla de ganancia de antena en realidad se hace una referencia comparativa entre una antena real y el radiador isotrpico. A igualdad de potencia total transmitida, el radiador isotrpico la distribuye igualmente en todas las direcciones, mientras que una antena real irradiar ms potencia en ciertas direcciones a expensas de otras. Finalmente, definimos:La ganancia de antena G como el cociente, a igualdad de potencia de alimentacin, entre la densidad de potencia irradiada por una antena real y la densidad de potencia irradiada por una antena isotrpica, evaluadas ambas densidades para una determinada direccin y a la misma distancia del punto de radiacin.En el punto de recepcin, existe una cierta densidad de potencia dada por la frmula indicada en figura. La potencia absorbida por la antena receptora ser entonces la densidad de potencia, que es potencia por unidad de superficie, multiplicada por el rea de la antena. En realidad, esta rea no es exactamente el rea fsica de la antena, si no es un rea equivalente, que mximiza la potencia recibida apuntando la antena en una cierta direccin, al igual que la ganancia de antena. De hecho, la relacin entre rea efectiva y ganancia, tal como se indica en la figura, usualmente se especifica para la direccin de mxima ganancia.Las prdidas de transmisin en el espacio libre son debidad nicamente a la dispersin de la energa electromagntica en el espacio y no se debe a ningn tipo de atenuacin por consumo de energa, como sucede por ejemplo cuando las ondas electromagnticas se propagan en la atmosfera y no en el espacio libre.A GRAN DISTANCIA DEL RADIADOR, EL FRENTE ESFRICO DE LA ONDA QUE SE PROPAGA PUEDE APROXIMARSE A UN PLANO.En este caso, la solucin de las ecuaciones de onda arroja que las superficies de fase constante son planos e indica que los campos electrco y magntico son constantes en estos planos y perpendiculares entre s. Tamben son perpendiculares al vector normal al plano que constituye el frente de onda y que seala la direccin de propagacin (ondas TEM). Si no hay atenuacin, la amplitud de los campos electrico y magntico no cambia con la distancia, lo nico que vara es su fase de los campos, que aumenta a medida que avanzan en el espacio.Para zonas muy lejanas, la densidad de energa no vara con la distancia, puesto que toda la potencia que fluye est contenida en el plano de fase constante, cuya superficie permanece constante a medida que avanza. En realidad, hemos visto como la energa se propaga con un frente esfrico (en el caso del radiador isotrpico) o en todo caso la superficie de fase constante va aumentando sus dimensiones a medida que avanza. Esto hace que la densidad de energia disminuya con la distancia. El caso de superficie de fase constante planas es el caso limite de la situacin descrita y por ende ideal. Zo es la impedancia de onda (equivalente a la impedancia caracterstica de la lnea) y simplemente es el paramtro que relaciona el campo elctrico con el campo magntico de una onda plana TEM ( en este caso se ha supuesto que solo existe la onda incidente) que se propaga en el espacio libre.leff es la longitud efectiva de la antena, para la cual valen las mismas observaciones realizadas para el rea efectiva o equivalente.Los trminos verticales y horizontales se refieren a la superficie terrestre.Tanto las polarizaciones verticales y horizontales, como la circular, son casos especiales de la polarizacin elptica.La polarizacin de la onda es determinada por la antena transmisora; para mxima ganancia, la antena receptora debe estar polarizada de la misma forma.Las polarizaciones elpticas y circular son muy utilizadas en la transmisin satelitalLa propagacin de las microondas en la atmsfera terrestre difiere de la propagacin en el vaco por la presencia de la atmsfera y de la superficie terrestre.La diferente composicin de la atmsfera terrestre de acuerdo a la altura produce diferentes modos de propagacin:Propagacin troposfricaPropagacin ionosfricaLa propagacin troposfrica es afectada por el fenmeno de la refraccin atmosfrica, la presencia de mltiples rayos reflejados por la superficie terrestre y por otros obstculos, los efectos de la condiciones atmosfricas que atenan la onda de espacio (especialmente lluvia, aunque los efectos de sta empiezan a ser importantes por encima de los 10 GHz). El modo troposfrico de propagacin se produce para un amplio espectro de frecuencias, cubre las bandas VHF, UHF y parte de SHF (30 MHz-10 GHz) La propagacin ionosfrica es un fenmeno complejo, puesto que los estratos altos de las atmsfera se encuentran ionizados y una onda electromagntica que viaja en esta regin interacta con las partculas ionizadas, siendo el resultado de esta interaccin una reflexin casi completa de la onda, dependiendo del ngulo de incidencia y de la frecuencia utilizada. Esto permite la transmisin de seales radio ms all del horizonte, tcnica ampliamente utilizada en la radiodifusin por medio de ondas cortas (MF y HF: 1,6 a 30 MHz) . Puesto que la altura de la ionosfera vara considerablemente entre el da y la noche, la recepcin de las transmisiones en onda corta vara en consecuencia.Por debajo de 2 MHZ toma importancia la onda de superficie, la cual sigue el contorno terrestre por efecto de la difraccin, en este caso la tierra juega el papel de gua de onda. La difraccin permite que una onda se propague alrededor de un obstculo, sin embargo es necesario que la longitud de onda sea comparable con las dimensiones del obstculo. En este caso el propio obstculo es la tierra y por lo tanto solo las ondas LF y VLF (3 a 300 KHZ) presentan el fenmeno de propagacin por medio de la onda de superficie, puesto que a frecuencia muy bajas la onda directa y la onda reflejada se cancelan entre s dejando slo la onda de superficie, en caso de frecuencias ms alta en estas bandas y una altura adecuada de la antena las ondas de superficie y de espacio son comparable, y se pueden sumar fasorialmente dando origen a la onda de tierra (de no confundirse con la sola onda de superficie). La propagacin se produce por onda de superficie hasta alrededor de 1000 km, despus toma importancia la onda de espacio. Es notable que Marconi realiz las primeras transmisiones radio transatlnticas utilizando estas bajas frecuencias.ELF es la banda comprendida entre 30 y 300 Hz y tiene importancia porque es el solo mtodo conocido hasta ahora para comunicarse con los submarino en inmersin profunda. Puesto que las dimensiones de una antena eficiente deben ser del orden de la longitud de onda transmitida, se deja al lector imaginar este tipo de antenas! Sin embargo, puesto que estas comunicaciones son de carcter militar y por lo tanto conciernen la seguridad nacional, no se escatima dinero, pudindose de esta forma utilizar transmisores de gran potencia y antenas pocos eficientes, pero de dimensiones contenidas. La banda transmitir tambin resulta extremadamente pequea: si se considera que el ancho de banda es normalmente el 1% de la frecuencia de la portadora, entonces la seal a transmitir debe tener una banda de alrededor de 3 Hz, es decir slo pueden transmitirse seales morse.

    Se seleccionan dos ubicaciones tentativas para la antena transmisora y la receptora.Hay que procurarse un mapa topogrfico del trayecto con las altura de todos los relieves: estos pueden ser obstculos que interfieran con la propagacin. Se traza una lnea recta entre transmisor y receptor.Primer problema: la curvatura terrestre hace que los obstculos, desde la perspectiva del transmisor, sean ms elevados.Segundo problema: la refraccin atmosfrica hace que el haz de microondas se doble, usualmente hacia la superficie terrestre. Esto hace que el haz sea ms cercano a los obstculos. Se puede tomar en cuenta este factor, en lugar de bajar la trayectoria del haz, elevando la altura de los obstculos.Tercer problema: el haz se expande a medida que se propaga. Nuevamente, la expansin hace que el haz se acerque ms a los obstculos. En lugar de dibujar la expansin del haz y su consecuente acercamiento a los obstculos, se eleva la altura de stos, dejando recta la trayectoria del haz.Al final, una vez corregida las alturas de todos los obstculos, stos han adquirido una altura virtual. Pero, como determinar las correcciones de altura que hay que aportar a los objetos?Se utiliza un mapa topogrfico plano (hay tambin curvos) para trazar el perfil del trayectoSe identifican todos los obstculos (tambin el punto a la mitad del recorrido, donde la influencia de la curvatura terrestre es mxima)Se transcriben en la tabla los valores que pueden leerse en el mapaSe determinan las correcciones que hay que aportar por curvatura terrestre, refraccin atmosfrica, expansin del frente de onda (Radio de Fresnel)Se agregan unos 15 m por vegetacin (de existir)Se suman a las alturas reales las correcciones y se obtiene la altura virtual de los obstculosSe dibujan en el mapa las alturas virtualesSe traza una nueva lnea de vista que une el transmisor al receptor. De las mltiples posibilidades existentes, se escoge aquella que minimiza la altura de las torres. En la situacin descrita anteriormente, una vez aclarados todos los obstculos, se quiere saber la potencia del transmisor a utilizar, fijados todos los dems parmetros, especialmente las caractersticas del receptor en cuanto a ruido y la ganancia de las antenas en ambos extremos del enlace, tal como se indica en la figura. El parmetro de diseo ms importante es el piso de ruido a la salida del receptor, que se calcula en la tabla siguiente: en este caso es de 127.75 dBW. La nivel de seal a la salida del receptor, en el supuesto que este tenga ganancia unitaria, es igual al nivel de entrada, el cual debe ser por lo menos 50 dB por encima del ruido, es decir la relacin seal a ruido debe ser 50 dB. La eleccin de este valor representa un margen de seguridad, aunque debe ser cuidadosamente estudiado dependiendo de las condiciones particulares del enlace, puesto que los mrgenes de seguridad son importantes pero cuestan. Usualmente se toman 40 dB para considerar los posibles efectos de atenuacin de la seal durante el trayecto (atenuacin por mltiples trayectorias, difraccin, condiciones atmosfricas, etc.), 10 dB si se utiliza modulacin de frecuencia, puesto que solamente a partir de 10 dB sobre el piso del ruido se obtiene un salto de 20 dB en el valor del cociente seal a ruido en el canal de voz. Como usualmente la atenuacin es un fenmeno complejo y aleatorio, las especificaciones se dan en trminos estadsticos, con tablas que especifican el porcentaje del tiempo (diario, mensual) durante el cual la atenuacin no debe superar el margen de seguridad prefijado.

    Pag. 540 del Roddy