ANTENAS PARA SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES Glace Bay, 1902 Campo de antenas utilizado por Marconi

Objetivos de la presentación General: Presentación teórico práctica relativa a sistemas irradiantes para telecomunicaciones Antenas de microondas antenas para radiobases, antenas para WiFi, bluetooth y otras de uso frecuente Objetivos específicos • Asociar conceptos teóricos con los elementos físicos reales. • Comentar las p preguntas g frecuentes de los clientes Presentado por:

I Martín Ing M tí Lema L [email protected]

Contenido detallado • Lineamientos acerca de cálculos de enlace y la influencia de los parámetros de la antena (punto a punto, y cobertura) • influencia de de los parámetros mecánicos de la antena en el desempeño p de sistema • Cables conectores y ROE. Vinculación de los conceptos teóricos con la aplicación práctica (Cables de cobre y de aluminio)) COFEE BREACK • Antenas parabólicas • Antenas panel para radiobase • Antena distribuida o cable radiante (indoor y mineria) • Antenas de aplicaciones especiales (antenas chip, antenas fractales antenas patch, fractales, patch antenas indoor indoor, etc)

Lineamientos acerca de d cálculos l l de enlace y la influencia f de los parámetros de la antena (punto a punto y cobertura) punto,

CONCEPTO DE MODELO DE PROPAGACIÓN (aplicable a outdoor e indoor) Es una manera simplificada de estimar el campo recibido ibid hhaciendo i d analogía l í con mecanismos i hipotéticos NO SIEMPRE CON FUNDAMENTO EN LA FÍSICA pero muy útil para cálculos reales

Modelo de Friis TRANSMISOR RECEPTOR

ATENUACIÓN EN ESPACIO LIBRE Lfs f = 20 LOG OG (F) ( ) + 20 LOG OG (D) ( ) + 32.44 32 44 Lfs= Pérdidas en el espacio libre en dB F = Frecuencia en MHZ D = Distancia a la antena en Km

DISCREPANCIAS CON LA REALIDAD FÍSICA En la teoría de los circuitos no existen los generadores de potencia Las antenas no tienen ganancia de potencia El espacio libre no atenúa (atenuar es un concepto disipativo que involucra conversión de un tipo de energía en otra y esto lo puede hacer solo una máquina) En el espacio libre la energía se dispersa (baja su densidad de flujo) La - mal llamada- atenuación de espacio libre parece dependiente de la frecuencia (20 logF) pero no lo es, se compensa con la – mal llamada- ganancia de antenas dando un valor real de campo recibido MUY UTIL EN LA PRÁCTICA Las obstrucciones obstr cciones no son todas disipati disipativas, as a aunque nq e alg algunas nas si la son Los cables son disipativos casi en un 100% (en este caso son atenuadores reales)

• Consideremos un punto que emite Pt watts de RF encerrado en una esfera de radio R La potencia que atraviesa la superficie A es:

A Pr = Pt 4.π .R 2 Observar que la densidad de potencia a una distancia R es independiente de la frecuencia y por lo tanto la potencia colectada en un área A también lo es

Teniendo en cuenta que la ganancia i de d una antena t se define como

G =η

4πA

λ2

Donde A = Área efectiva de la antena

η

= Rendimiento de la antena (típicamente 0.65)

Para un desarrollo teórico y por simplicidad para esta charla se asume η =1 (antena perfecta)

Queda

Gλ2 A= 4π Reemplazando A en la fórmula anterior

A Gλ2 Gλ2 = Pt Pr = Pt 2 4.π .R 4.π 16π 2 R 2 Expresando la frecuencia en MHz y las distancias en Km

λ [Km] =

0.3 F [MHz ]

Llegamos a

0. 3 2 1 10 −4 Pr = = 5. 7 2 2 2 2 2 16π F R F R Pasandolo a dB o sea aplicando 10 Log (Pr/Pt)

Pr/ Pt [dB ] = −20 log R − 20 log F − 32.44

Comparacion de la misma antena en 12 GHz y 1.7 GHz

• Calculo con valores reales (del manual) Frecuencia de càlculo Diàmetro de antena Area Ganacia (por manual) Ganacia (Calculo con n=65%) Ganancia Calculo en dB

12.2 GHz 0.6 mts 0.2827 m2 35.1 dBi 3847 (veces) 35.85 dB

1.7 GHz 0.6 mts 0.2827 m2 18.2 dBi 74.22 (veces) 18.7 dB

Potencia de salida 30 dBm 30 dBm At Atenuacion i en espacio i lib libre 5 K Km 128 14 dB 128.14 111 02 dB 111.02 Ganancia de antena RX (de manual) 35.1 dBi 18.2 dBi Ptencia recibida -63.09 dBm -62.82 dBm

Conclusiones • La “ganancia de la antena” es en realidad un índice de cuan direccional es la l antena • En recepción puede visualizarse asociada con el “área en la cual se puede colectar potencia” Cuanto mas grande, mas potencia puede colectar. • En transmisión puede visualizarse asociada con la capacidad de transmitir toda la potencia hacia adelante Una antena de ganancia 30 adelante. dB (1000 veces) pone el mismo campo remoto que una isotrópica alimentada con 1000 veces mas potencia

¿ Es cierto esto ? Ganacia 33 dB (2000 veces) +27 dBm

=

(1/2 W) ERP=+27+33=+60dBm (1 Kw)

• L La antena t no puede d generar potencia, t i la l ganancia simplemente es un parámetro que mide ccuan an direccional es la antena. antena Si se le

aplica ½ watt, nunca puede irradiar mas de d ½ watt

• Una antena con el doble de ganacia (3 dB mas) tiene el doble de superficie. Esto en antenas omni implica el doble de largo. largo • La “atenuación del espacio libre” permite calcular con gran aproximación el valor del campo recibido aun en condiciones reales. Debe usarse en conjunto con las ganancias de antena tanto en TX como en RX

influencia de de los parámetros mecánicos de la antena en el desempeño de sistema

Esfuerzo de viento •

La fuerza que ejerce el viento sobre un objeto se puede d calcular l l con la l siguiente i i t fórmula fó l

F = 0.0622(C.D)V A 2

Donde • F resulta en Kg • 0.0622 es una constante que depende de la (para este ejemplo j p se supone p 1.22 densidad del aire (p 3 Kg/m • C es un coeficiente que depende del perfil del objeto • D es un coeficiente que depende de la relacion Largo/ancho • V es la velocidad del viento en metros por segundo p del objeto j • A es el área expuesta

C fi i Coeficientes CyD Perfil del objeto

Coef “C”

Carga de viento • La carga que produce una superficie expuesta al viento varía en forma proporcional con el área expuesta. • Ej: un área de 1 m2 expuesta a un viento de 100 Km/h produce una fuerza del orden de 50 Kgf. • El precio i y complejidad l jid d d de una estructura t t es directamente proporcional a las cargas de viento que debe soportar. • Por lo tanto todo diseño debe apuntar a reducir tanto como se pueda el área expuesta al viento. g vigente g en la Argentina g es el CIRSOC • El reglamento • El diseño y aprobación de planos de estructuras es incumbencia de los ingenieros civiles.

Para resumir el pproceso de cálculo, se ppuede decir qque el problema se divide en 2 etapas. • En la 1ª se calculan los esfuerzos y se procede al proyecto y dimensionado de la estructura de soporte de las antenas. • En la 2ª se calculan sus acciones sobre el mástil, torre, etc. • En nuestro país el análisis cualitativo y cuantitativo de los mismos i estáá reglamentado l d por la l Normativa N i CIRSOC 306 (Estructura de Acero para Antenas). • En el mismo se encuentran tablas donde se indican los diferentes valores de los coeficientes a aplicar en función del tipo de antena y de la orientación de la misma o sea al ángulo j de acimut de la misma y la dirección del viento. entre el eje

Tipo de antena

Fuerza Axial (FA)

Fuerza Lateral (FS)

1.2 mts sin radomo

416 Kg

126 Kg

1.2 mts Con radomo

196 Kg

121 Kg

Condiciones: Viento de 200 Km/Hora en el sentido que mas carga genera Nota: 200 Km/Hora es la velocidad de supervivencia

En particular respecto a los paneles planos si el ángulo del eje de la antena no está sobre la vertical se deberá considerar una nueva carga L denominada Fuerza de Levantamiento cuyo sentido depende de la inclinación del Panel (típicamente el panel mira hacia abajo, por lo que la fuerza L es hacia arriba). En el siguiente esquema se indica el esfuerzo

Momento torsor del mástil • Un punto importante a tener en cuenta en la especificación de estructuras es la desviación a la torsión. (cuanto se desorienta la antena cuando el diento empuja “de costado” la parábola. • Esto se soluciona mediante el agregado de “esptrellas esptrellas anti torsoras” torsoras en un mástil • Una especificación ‘típica es + / - 0.5° • Esta especificación generalmente apunta a la desorientación de la parábola, debiera estar muy mal calculada la estructura para que colapse por torsión del mástil.

Radomos • Son protecciones mecánicas que cubren la antena. Están hechas con materiales muy resistentes a la intemperie y con una mínima absorción de microondas. • Sirven para reducir la carga de viento y a su vez proteger los elementos mas sensibles (iluminador). • Los hayy de dos tipos: p Flexibles(para (p antenas blindadas, parecen un parche de bombo) y rígidos (Moldeados) Se usan en parábolas y antenas a e as de radiobase ad obase

Radomos

Materiales para radomos • Los materiales mas habituales para los flexibles son TEGLAR (es una fibra de vidrio cubierta con polímero) o Hypalon. (es un nylon cubierto de goma) • Los L radomos d rígidos í id son generalmente l t d de fibra de vidrio o ABS (Plástico)

Carga producida por los cables • Es muy importante ya que , sobre todo en el caso de radiobases celulares) la superficie expuesta de los cables suele ser mucho mayor que la de las antenas, antenas siendo los cables el mayor componente de carga de viento. • Esto requiere de un diseño criterioso y aerodinámico de la distribución de los cables en la estructura

• Recomendaciones: • Poner la menor cantidad posible de cables (por ejemplo usar acopladores de banda cruzada para subir dos portadoras de distinta banda por el mismo cable) • Agrupar los cables cerca de los montantes • Ponerlos en forma de paquetes y no todos planos contra la estructura

Cables C bl conectores t y ROE. ROE Vinculación Vi l ió de los conceptos p teóricos con la aplicación práctica Para Cables de cobre y de aluminio

1937 Cables de conductores lisos y dieléctrico de aire

1953 HELIAX Cables corrugados con dielectrico de aire

1965

1971

Cables corrugados con di lé t i dieléctrico de espuma patentados por Andrew

Cable u ultraflexible

EVOLUCIÓN EN EL TIEMPO DE LOS CABLES COAXIALES

1975

1978

Cable Cables corrugado corrugados de aluminio LDF como alternativa al cobre

1999 Cables corrugados VXL flexibles

2000 Micro-Cables

2004 AVA cable

2008 Los cables de aluminio CommScope FXL i t d id en introducidos 1998, se unen al portfolio deAndrew en 2008 como una alternativa de bajo costo al cable de cobre

Parámetros importantes

• ATENUACIÓN – DIÁMETRO • PRECIO • CUAN TENTADOR ES PARA LOS LADRONES • FACILIDAD DE INSTALACIÓN

• Impedancia p de transferencia (Cuan ( bueno es el blindaje) • Potencias admisibles • Estabilidad de fase • Otras

ATENUACIÓN EN ALTA FRECUENCIA ((> 2 MHz)) Para cualquier cable coaxial, la atenuación viene dada por la fórmula

A=α F

Donde A= Atenuación en dB por unidad de longitud

α = Constante qque depende p de características

geométricas y eléctricas

¿ Como se calcula alfa ? ALFA

1 1 ( )+( ) r2 α = 0.0393 r1 r1 ln(( ) r2

0.7 0.6 0.5 0.4 ALFA 0.3 0.2

α → dB / 100m F (mHz )

0.1 0 0

1

r1 y r2 en cm y 0.0393 es una constante que surge de los materiales y de las unidades (este valor es para FOAM y cobre) Observar que Los mejores valores comienzan con r1/r2> 2 tiene un mínimo entre 3 y 4, mas precisamente en 3.59

2

3

4

5

6

7

8

9

r1/r2 1/ 2

Z = 122 log(r1 / r 2) r1 / r 2 = 2.6 → Z = 50Ω

Resistencia de un conductor en RF En RF se presenta un fenómeno llamado efecto pelicular, la corriente tiende a circular por la superficie del conductor, estimando que el 99% de la densidad de corriente se da en una profundidad de algunos micrones cuando la frecuencia es de varios MHz

1 δ= π . f .σ .μ Donde δ= profundidad de penetración (en m) f= Frecuencia (en Hz) Ϭ= resistividad (mhos por metro) µ=permeabilidad magnética (Henry por metro)

Ejemplo Numérico (para cobre y aluminio)

1 δ= π . f .σ .μ δ= 2.08 micrones en cobre y 2.67 micrones en aluminio f= 1 GHz Ϭ= 5.85 10 7 en cobre y 3.54 107 en aluminio (mhos por metro) µ=4 ¶ 10 -7 Henry por metro para ambos

¿ Cuan chico es algo de dos micrones ?

50 micrones (pelo humano fino)

50 micrones (un paramecio) Dos micrones(el ancho del trazo comparado d con ell pelo l o ell paramecio) i )

¿ Con este dato, como calculo la resistencia en RF de un conductor?

Un conductor circular de diámetro D se transforma (A los efectos de cálculo para RF) en una chapa de ancho ¶ x D y espesor δ, por lo tanto su superficie es de S= ¶ ¶. D D. δ

La resistencia por metro queda entonces dada por

ρ

1 1 . R= = S π .D D.δ σ Ejemplo numérico para un conductor de 24.5 mm (como el conductor exterior de un 7/8) en aluminio o cobre D=0.0245 m δ= 2.08 micrones en cobre y 2.67 micrones en aluminio (f= 1 GHz) Ϭ= 5.85 10 7 en cobre y 3.54 107 en aluminio (mhos por metro) R (cobre) = 0.101 ohm por metro R (aluminio)=0.137 ohm por metro

Observar la diferencia entre resistividades en CC y 1 GHz para cobre y aluminio, si bien se mantiene la superioridad del cobre sobre el aluminio, se achica la brecha . 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2

Series1

0.15 0.1 0 05 0.05 0 Cobre CC

Aluminio CC

Cobre 1 GHz

Aluminio 1 GHz

• Valores de α para los cables mas comunes Tipo de cable

Nro parte Andrew

α db cada d 100 m y F en MH MHz

7/8" cobre

AVA5-50

0. 118

7/8” Aluminio

FXL-780

0.123

1 5/8" Cobre 1-5/8

AVA7 50 AVA7-50

0 0711 0.0711

1-5/8” Aluminio

FXL-780

0.0704 superflexibles

1/4" superflexible

FSJ1

0.619

1/2" superflexible

FSJ4

0.373

Asiento del aluminio

C Conector t EZfit • Instalacion mas rápida que versiones anteriores • Diseño de las roscas mejorado • Caracteristicas eléctricas confiables

Tuerca de atrás

Interfase frontal agregada

• Easier handling than previous series • Menor torque de ajuste • 40% mas liviano y 20% mas corto que las versiones anteriores

• Reduce la cantidad de repuestos necesarios

ATENUCAIÓN DE UN CONECTOR

A = 0.05 f (GHz ) A = 0.15 f (GHz GH )

Para conector recto P Para conector t acodado d d

Este valor está en dB y corresponde a una conexión completa (macho-hembra). Es el valor máximo aceptado por normativas Es independiente del tipo de conector ( o sea N, Din, SMA, etc)

Tipo de conector

Potencia máxima

Frec Máx

Notas

300 W

300 MHz

El conector difundido en equipos de radios VHF/UHF/BC/Radioaficionados No tiene impedancia definida

(500 VP)

No tiene impedancia definida.

600 W

11 GHz

(1500 VP)

El conector mas difundido en general sobre todo en equipos y antenas de origen norteamericano o de telefonia celular mas antiguos Practicamente todos son de 50 OHM aunque los hay de 75 ohm

1300 W (2700 VP) Diseñado para sistemas con varias portadoras de hasta 100W cada una- Buena ti d de IM optim

5o7 GHz depende del cable

El conector mas difundido actualmente en antenas para telefonía celular . Muy robusto y de baja intermodulacion. Son de 50 OHM

Conclusiones • La atenuación de un tramo de cable es dependiente de su diámetro • Prácticamente no hay diferencia notable de atenuación ya sea cable de cobre o de aluminio • La L atenuación ió de d cualquier l i cable bl o conector es directamente proporcional a la raíz cuadrada d lla frecuencia, de f i independientemente i d di del d l material del cable o de la interfaz del conector

VSWR • Voltage Standing Wave Ratio (Relación de onda estacionaria ROE) • Matemáticamente es la relación numérica entre el máximo voltaje y el mínimo voltaje que puede d existir i ti en una lí línea d de ttransmisión i ió uniforme. • La L explicación li ió mas simple i l y ““en palabras" l b "d de este fenómeno es la siguiente:

Explicación de VSWR (ROE) • En un sistema TX-Cable-Antena. El TX aplica una cierta potencia al cable, en éste, parte se disipa (en calor) y parte se transmite a la antena. Si la antena estuviese perfectamente adaptada al cable, TODA la potencia que recibe la aceptaría (la mayoría la irradia y parte la disipa en calor. • En la práctica siempre existe una cierta desadaptación, y esa energía que no puede ni transmitirse ni disiparse ni acumularse vuelve a la transmitirse, fuente (TX) conformando la “potencia reflejada” (las irregularidades o desadaptaciones no son fenómenos disipativos)

• Definiciones DE LA MISMA COSA: • ROE : Relación de Ondas Estacionarias j máximo y el • VSWR: Es relación entre el voltaje mínimo en una línea de transmisión resultantes de la combinación en fase o en contrafase de los voltajes incidentes y reflejados • Pérdida de retorno: Es la relación entre potencia incidente c de e y reflejada e ej d expresada e p es d en e dB d • Coeficiente de reflexión: es la relación entre el voltaje incidente y el reflejado

Fórmulas • VSWR = (1+coef de reflex)/(1-coef de reflex) • Pérd Retorno [dB] = -20 x log10 (coef de reflexion)) • Coef de reflexión = (VSWR-1) / (VSWR+1) • Coeficiente de reflexión = 10 (-Perd ( Perd de retorno [dB]/20)

• Como las reflexiones ocurren en distintos puntos del sistema y con fases aleatorias, el p es impredecible. p valor máximo esperado Estadísticamente puede demostrarse que el máximo valor probable puede calcularse como l raíz la í cuadrada d d de d la l suma de d los l cuadrados d d de cada uno de los componentes. Otro método ( Empírico Empírico, mas simple y recomendado por Andrew) es sumar todos las potencias reflejadas y multiplicarlas por 0.7 07

Preguntas g y vamos al break

Antena parabólica • Consiste en un elemento conectado al equipo de radio (el iluminador) y un reflector (a veces llamado “el el plato”) plato ) • La geometría del reflector es tal que provee una zona de fase constante si es iluminada desde su foco. • Existen muchas geometrías posibles del conjunto iluminador/reflector. La mas sencilla para antenas de microondas terrestres es el paraboloide de revolución

Perfil de una antena parabólica En el plano que pasa por A, todas las señales recorrieron el mismo camino

A=

(F − Z )2 + R 2 + ( A − Z )

Y por lo tanto todas tienen la misma fase

Principales parámetros de una antena parabólica •

• •

•

Diámetro: (generalmente expresado o en pies o en metros) Hay una intima relación entre ganacia y diámetro. De hecho los fabricantes de antenas las clasifican en primer término por diámetro Ganancia: generalmente es el PRINCIPAL parámetro a tener en cuenta al seleccionar una antena. Se define como ganancia a la máxima intensidad de radiación en una dada dirección respecto a la radiación producida por una antena de referencia, alimentada con la misma potencia de entrada Se mide en dBd (dB referidos al dipolo) o en dBi (dB referidos a la antena isotrópica) 1 dBd=2.15 dBi **OJO los decibeles se suman,, una antena de 10 dBd tiene 12.15 dBi**

Ancho de haz-RPE • •

•

El ancho de haz se define como el ángulo en el cual lóbulo principal cae 3 dB (mitad de potencia) respecto del máximo Envolventes del patrón de radiación RPE (Radiation Pattern Envelope) Es una gráfica de la directividad de la antena en función del ángulo respecto del máximo del lóbulo principal. Generalmente se grafica la respuesta en el plano vertical y el horizontal, y dependiendo de si la antena es o no simétrica se grafican 180° o 360° Aún no hay coordinación entre los fabricantes para establecer un formato electrónico único y común.

Ejemplo de RPE

Discriminación de polarización cruzada • Discriminación de polarización cruzada: es la capacidad p de una antena de “aceptar” p las ondas q que recibe con su polarización y “rechazar” aquellas que llegan con una polarización ortogonal. • Como C ejemplo j l una antena t con una di discriminación i i ió d de 35 dB, si recibiese dos señales de igual amplitud pero una con polarización vertical y otra horizontal, la componente medida en el conector de antena causada por la señal de igual polaridad que la antena es 35 dB mayor que la otra antena, otra.

Principales componentes t

Embalajes

Comparación de tipos de antenas parabólicas Tipo de antena

Cualidades

Aplicación

Grillada

Liviana P Poca resistencia i t i all viento i t Polarización simple (V o H)

Hasta 4 GHz S usa en enlaces Se l d de baja y mediana capacidad

Standard

Económica, es la solución ideal Económica donde no se requiere una fuerte relación frente-espalda o la supresión de lóbulos secundarios no es imprescindible

Su principal aplicación es en enlaces de mediana y alta capacidad o donde se necesita una antena robusta

Focal plane

Económica, es la solución ideal d d se requiere donde i una ffuerte t relación frente-espalda

Sistemas de alta capacidad id d

Shielded

Es la solución ideal donde se requieren características de radiación excelentes, gran supresión de lóbulos secundarios y gran relación frente-espalda

Sistemas de alta capacidad

Antena con radio integrado

Otros elementos • Jumpers: Tramo de cable mas flexible que el alimentador principal. • Alimentador principal: Cable coaxial de gran diámetro típicamente entre ½” y 15/8” o guia de onda • Herrajes de montaje A° Inox- Plástico • Kit de Puesta a tierra • Pasamuros

Que distingue una antena de otra? • Dos antenas de iguales características (Ganancia diámetro, F/B, etc) pero de sistinto fabricante se distinguen en: • Mantener las características luego de varios años de instalada • Precisión P i ió mecánica á i (f (forma d dell reflector, fl t exactitud tit d d dell foco, estabilidad, etc) • Resistencia a viento/lluvia/nieve/hielo, etc • Facilidad de transporte y armado • Que se armen con POCAS herramientas

Resistencia a la intemperie p • NO HAY QUE OLVIDARSE QUE UNA ANTENA ES UNA PIEZA MECÁNICA MAS QUE UN COMPONENTE ELECTRÓNICO • Por lo tanto su desempeño será función de su resistencia al intemperie (asumiendo que está bien dimensionada) • Los puntos débiles son • Soldaduras-galvanizado-pintado-resistencia a las dilataciones-selección adecuada de los materiales constructivos (evitar pares galvánicos, etc)

Otros accesorios importantes • Escalerita para coaxiales • Protección del tramo horizontal contra caída de hielo o de herramientas • Pasamuros

Tendencia actual de sistemas de microondas • Cada vez se necesitan mas enlaces con anchos de banda mayores mayores, por lo tanto tiende a utilizarse frecuencias mas altas. • Dada las complicaciones antes mencionadas de las guías, la tendencia actual es a utilizar equipos partidos (con IDU y ODU) que se vinculan por medio de un cable coaxial (tipo RG8) que es barato e instalable sin mayores cuidados id d