Teoría y Cálculo de Antenas (parte 1)

Por Martín A. Moretón
martinmoreton@gmail.com

Contenido

Introducción ……………………………………………….…………………….…….…..1
¿Qué son las antenas? …………………………………..………………………………1
¿Qué es el medio de propagación? …………………………..………………….….2
¿Qué es una onda de radio? ……………………………..……………………………2
¿Que es el dbi Decibel isotropito? …………………………………………………..3
Factores que afectan la propagación …………….…………………………………4
Comportamiento de las ondas de radio ………………….………………………..5

Introducción

En general, de lo primero que se habla en un enlace es de la potencia que se necesita para
realizar la conexión. Sin embargo vamos a ver que uno de los factores primordiales en un
enlace es la etapa pasiva, la que irradia y emite la señal al medio ambiente.
Antes de comenzar con los cálculos de antenas voy a explicar algunos conceptos muy
importantes al momento de elaborar un proyecto o calcular un enlace, estos son conceptos
teóricos muy importantes y básicos que debemos tener en cuenta cada vez que tengamos que realizar una instalación.

¿Que son las antenas?

Las antenas son un componente muy importante en una comunicación inalámbrica. La antena es un dispositivo que emite y recepciona una señal de RF (Radio frecuencia) que viaja por un conductor y lo transforma en una onda electromagnética en el espacio abierto. Las antenas no generan potencia, solo pueden direccionarla. La unidad en que se expresa la ganancia es en dBi. Las antenas deben cumplir con la propiedad de reciprocidad. La misma antena debe tener la propiedad de transmitir como de recibir. Son elementos pasivos a diferencia de los equipos que producen una potencia y se denominan elementos activos.
La forma de graficar la distribución de la onda en el espacio es a través del diagrama de
radiación.
El diagrama mas representativo y fácil de ver la representación de la onda es el
Diagrama Polar.


¿Qué es el medio de propagación?

El medio ambiente, el espacio, el aire son todas definiciones del medio de propagación. Las
señales de radio viajan por el medio en forma de ondas electromagnéticas. Al medio de
propagación se lo llama espectro electromagnético.
Las ondas electromagnéticas abarcan un rango de frecuencias muy extenso y estas son
determinadas por la longitud de onda y frecuencia de los ciclos de cada señal.
Para WI-FI nos vamos a concentrar en las Bandas ISM que son las asignadas para el uso de la comunicación inalámbrica.

La Banda ISM significa Industrial, Científica y Médica.
Estas fueron asignadas por la FCC – Federal Communications Comission – con bandas de
frecuencias de 902-928Mhz, 2,4MHz-2,484 y 5150-5850MHz.
Estas bandas fueron designadas para uso comercial y sin licencia por ejemplo hornos de
microondas, teléfonos inalámbricos, etc.

Las frecuencias mas importantes para nosotros ya que son las establecidas en los estándares IEEE 802.11 para la transmisión de información inalámbrica están en los rangos de 2400-2484MHz utilizada en los estándares IEEE 802.11b e IEEE 802.11g, y 5150-5850 Mhz correspondiente al estándar IEEE 802.11a.

¿Que es una onda de radio?

Una onda de radio es una oscilación que se propaga en el espacio.
Ejemplo: cuando una persona habla las cuerdas vocales crean oscilaciones, estas producen
una compresión y descompresión del aire y viajando a la velocidad del sonido y propagándose en el espacio.

Lo mismo pasa en el agua.
Una onda tiene una cierta velocidad, frecuencia y Longitud de onda.
Velocidad = Frecuencia * Longitud de onda

Longitud de onda: Es la distancia medida desde un punto en una onda hasta la parte
equivalente de la siguiente, por ejemplo desde la cima de un pico hasta el otro.
Frecuencia: Es la cantidad de ondas enteras que pasan por un punto fijo en un segundo.
Velocidad, se mide en Metros/segundos, la frecuencia en ciclos por segundos o Hz y la longitud de onda en metros.

Por ejemplo: Si tiramos una piedra en el agua y la onda viaja a un metro por segundo y oscila 5 veces por segundo, tenemos que cada onda tiene 20cm.
1metro/segundo= 5 ciclos/segundos * lambda
L=1/5 metros — L=0,2 metros — 20cm

Para una frecuencia de 2,4Ghz es de 12,5 cm y para 5,8GHz es de 5,1cm.

Las ondas también tienen una propiedad denominada amplitud que es la distancia desde el
medio de la onda hasta su pico.

¿Que es el dbi Decibel isotropito?

La ganancia de una antena no es una unidad de medida fija, es una relación con un modelo
ideal contra el real. Las dos referencias más comunes son la antena Isotropica y la antena
dipolo resonante de media longitud de onda.
La antena isotropica irradia en todas direcciones con la misma intensidad.
La unidad de medida es el dBi.

Decibelio es la unidad relativa empleada para expresar la relación entre dos magnitudes,
acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia.

dB= 10 LOG (Ps/Pe)

Ps potencia de salida del dispositivo
Pe potencia de entrada en el dispositivo

Factores que afectan la propagación

Absorción: Este fenómeno surge cuando una onda atraviesa un material el cual absorbe y hace disminuir la señal. Los dos materiales que más afectan a las comunicaciones inalámbricas son el Metal y el Agua. Los demás materiales dependen de la cantidad de agua que contengan por ejemplo los árboles.
Reflexión: Las ondas al igual que la luz son reflejadas. Los dos materiales que más afectan a las ondas son el metal y los espejos de agua. El Angulo de entrada y el ángulo de salida de
una onda reflejada es el mismo. Para la frecuencia de 2.4Ghz una reja de metal con una
separación de 1cm es igual que una chapa de metal. En una oficina nos encontramos con el
fenómeno llamado efecto multitrayectoria (multipath)
Difracción: Es el comportamiento de las ondas cuando inciden en un objeto y dan la impresión de doblarse. Principio de Huygens y usado por Fresnel. Esto se hace mas evidente cunado vemos las ondas que produce una piedra en el agua. La onda se va desplazando por el agua hasta encontrar un obstáculo, veremos que de inmediato desde ese obstáculo sale una nueva onda.
Interferencia: Existen 2 clases de interferencia la constructiva que “amplifica o suma” y la destructiva que “disminuye o anula” Si tenemos dos señales sinusoidales y estas coinciden sus picos estas se suman pero si un pico coincide con un valle estas se anulan.

Teoría de Fresnel
Teoría de Fresnel: Esta es muy importante al momento de calcular un enlace en exterior. La teoría de Fresnel describe distintas Zonas, la que nos interesa para hacer calculo de enlace es la primera zona que es la inmediata a nuestro enlace.
Esta zona esta comprendida entre A y B, y un radio tanto para arriba como hacia abajo “r” que no debe haber ningún objeto.
Como ya hemos visto cunado una onda golpea a un obstáculo, esta se descompone en varias
ondas y esto produce distintas distorsiones o factores que hacen que la comunicación se vea
afectada. Las señales pueden ser absorbidas, crear multitrayectorias, crear interferencia y así anular las señales.
El cálculo de Fresnel de la primera zona nos da la altura que debe estar colocado nuestro
equipo por encima de cualquier obstáculo. Una de las claves más importantes en esta
tecnología es que la línea visual tiene que estar totalmente despajada.

En Resumen:

Comportamiento de las ondas de radio

Cuanto más larga la longitud de onda, mas lejos llega
A niveles de potencia iguales, las ondas con longitud de onda mas largas viajan mas lejos por lo tanto las comunicaciones en 2,4Ghz son mejores que las de 5,8Mhz.

Cuanto mas larga la longitud de onda, mejor viaja a través y alrededor de
obstáculos.

Por ejemplo una onda en el agua de 5cm va poder atravesar un palito de madera de 5mm, pero si tenemos un barco la onda se detiene contra el obstáculo. De esto surge una relación entre la longitud de onda y el obstáculo a traspasar.

Cuanto mas corta la longitud de onda, puede transportar más datos.

Cuanto más rápida sea la oscilación o ciclo de la onda, mayor cantidad de información puede
transportar. Cada oscilación o ciclo puede ser usado para enviar un bit.

Observación: Para confeccionar este artículo se han tomado fotos, cálculos y conceptos de la Web de distintas publicaciones de física y manuales teóricos y prácticos de instalación de antenas. Este artículo no tiene valor comercial y es utilizado para divulgar conocimientos.

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