INFO-MEDIOS by CLAUDIA M. CORREDOR

ABRIL / MAYO 2011—EDICIÓN N° 01.

INFO MEDIOS TX

Elaborado por: Claudia M Corredor Caro 1

Volumen 1, nº 1 25 de abril de 2010

FIBRA OPTICA. PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA Breve historia de la fibra óptica.

E Puntos de interés especial:  En abril de 1977, se realiza la primera transmisión telefónica, a través de fibra óptica.  Daniel Colladon fue el primero en describir la fuente de luz en el articulo que en 1842 tituló “On the Reflections of Array of Light Inside a Parabolic Liquid Stream”.  El uso de la luz para la codificación de señales no es nuevo, los antiguos griegos usaban espejos con luz solar para transmitir información.

l primer intento de utilizar la luz como medio de transmisión fue realizado por Alexander Graham Bell en 1880. Utilizó un haz de luz para llevar información, pero este fue fallido ya que transmitir ondas de luz por la atmosfera de la tierra no es viable debido a que, el vapor de agua, oxigeno y partículas en el aire absorben y atenúan las señales en las frecuencias de las ondas de la luz. En 1956, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se le denomino laser, que fue aplicado a las telecomunicaciones. El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6Mbit/s, en Long

Beach, California. En 1979, la compañía de CORNIG GLASS de USA fabricó la primera fibra óptica de baja perdida con 20 dB/Km, en 1972 aparece la fibra de 7dB/Km, en 1973 fibra de 2.5dB/Km, 1976 fibra de 0.47dB/Km, 1979 fibra de 0.2dB/Km. Dado a este avance para finales de los años 70 y comienzo de los 80, el avance tecnológico en la fabricación de cables ópticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores, abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicación de fibra óptica de alta calidad, alta capacidad y eficiencia. El amplificador que marcó un antes y después en el uso de la fibra óptica en conexiones interurbanas, reduciendo el consto de ellas, fue el amplificador óptico inventado por

David Payne, de la universidad de Southampton y por Emmanuel Desuruire en los laboratorios Bell. El primer enlace transoceánico con fibra óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988; hoy en día, debido a sus mínimas perdidas de señal y a sus optimas propiedades de ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a distancias mas largas que el cable de cobre, además, la fibra por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos donde el cable de cobre seria impracticable.

FIBRA OPTICA. rente con un índice de refracción alto, constituida de material dieléctrico (material que no tiene conductividad), es capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy pocas perdidas, incluso cuando esté curvada.

a fibra óptica es una varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transpa-

La fibra óptica esta formada por dos cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo se construye con una elevadísima pureza con el propósito de obte-

ner una mínima atenuación y el exterior llamado revestimiento que cubre el contorno es construido con un índice de refracción de 0,2 a 0,3% inferior al del núcleo. El diámetro exterior del revestimiento es de 0.1mm y el diámetro del núcleo que transmite la luz es próximo a 10 a 50 µm, adicionalmente incluye una cubierta externa adecuada para cada uso llamada recubrimien-

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TECNOLOGIA DE FIBRA OPTICA.

ENTAJAS:

Baja atenuación: la fibra óptica es el medio físico con menor atenuación, permitiendo establecer enlaces directos sin repetidores, de 100 a 200 Km con el consiguiente aumento de la fiabilidad y economía en los equipamientos. Gran ancho de banda: la capacidad de transmisión es elevada, además pueden propagarse simultáneamente ondas ópticas de varias longitudes de onda que se traduce en un mayor rendimiento de los sistemas. De hecho 2 fibras ópticas serian capaces de transportar, todas las conversaciones telefónicas de un país, con equipos de transmisión capaces manejar tal cantidad de información. Peso y tamaño: el diámetro de una fibra óptica es similar al de un cabello. Un cable de 64 fibras ópticas, tiene un diámetro total de 15 a 20mm y un peso medio de 250 Kg/ Km; facilitando la instalación y el costo de esta misma. Recursos disponibles: los cables de fibra óptica son construidos total-

mente con materiales dieléctricos; la materia prima utilizada es dióxido de silicio que es uno de los recursos mas abundantes en la superficie terrestre. Aislamiento eléctrico entre terminales: al no existir componentes conductores no se producen inducciones de corriente en el cable, por tanto pueden ser instalados en lugares donde existen peligros de cortes eléctricos. Ausencia de radiación emitida: las fibras ópticas transmiten luz y no emiten radiaciones electromagnéticas que puedan inferir con equipos electrónicos, tampoco se ve afectada por radiaciones emitidas por otros medios, por lo tanto constituyen el medio mas seguro para transmitir información de alta calidad sin degradación.

ESVENTAJAS:

Las señales se pueden transmitir a través de zonas eléctricamente ruidosas con muy bajo índice de error y sin interferencias eléctricas. Las características de transmisión son prácticamente inalterables debido a los cambios de temperatura. El costo de la fibra óptica solo se justi-

fica cuando su gran capacidad de ancho de banda y baja atenuación son requeridos. Para bajo ancho de banda puede ser una solución mucho mas costosa que el conductor de cobre. La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción debe energizado desde una línea eléctrica, la energía debe proveerse por conductores separados. Las moléculas de hidrogeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación . El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo mas importante para el envejecimiento de la fibra óptica.

CABLES OPTICOS.

ara poder utilizar fibras ópticas en forma practica, estas deben ser protegidas contra esfuerzos mecánicos, humedad y otros factores que afecten su desempeño. Para ello se les proporciona una estructura protectora, formando así, lo que conocemos como cable óptico. Dicha estructura de cables ópticos variará dependiendo de sí el cable será instalado en ductos subterráneos, enterrando directamente, suspendido en postes, sumergido en agua etc.

facilidad de alineación del cable y la fibra, te de expansión térmica y su cambio de resistencia al fuego, atenuación estable, etc. dimensiones en presencia de agua. Los parámetros para formar un cable espePara cumplir estos requerimientos se obsercial son: van las siguientes recomendaciones: 1.

El propósito básico de la construcción del cable de fibra óptica es el mismo; Mantener estables la transmisión y las propiedades de rigidez mecánica durante el proceso de ma3. nufactura, instalación y operación. Las propiedades esenciales en el diseño del cable 4. son la flexibilidad, identificación de fibras, peso, torsión, vibración, límite de tensión, facilidad de pelado, facilidad de cortado,

Esfuerzo máximo permitido en la fibra 1. durante su fabricación, instalación y servicio; determina la fuerza mínima de ruptura de la fibra y la fuerza requerida 2. para el miembro de tensión.

Evitar cargas o esfuerzos mecánicos sobre las fibras.

Fuerza lateral dinámica y estática máxi- 3. ma ejercida sobre la fibra, para determinar la configuración del cable y el límite de tolerancia de micro curvatu- 4. ras.

Mantener las fibras cerca del eje central y proporcionar espacio a las fibras para su mantenimiento.

Flexibilidad Rango de temperatura y medio ambiente en donde el cable va a operar, paralela elección del tipo de materiales a utilizar tomando en cuenta su coeficien-

Aislar la fibra de los demás componentes del cable.

Escoger los materiales de los elementos del cable con mínimas diferencias en sus coeficientes de expansión térmica.

TIPOS DE FIBRA OPTICA.

C   

able de fibra por su composición hay de tendido durante las ope-raciones de tentres tipos disponibles actualmente: dido del cable, y a los anclajes apropiados que hay en cajas de empal-mes o paneles de conexión. Núcleo de plástico y cubierta plástica

fibra. Debido al diseño ajustado del cable, es más sensible a las cargas de estiramiento o tracción y puede ver incrementadas las pérdidas por microcurvaturas.

Núcleo de vidrio con cubierta de plásti- La cubierta o protección exterior de l cable co (frecuentemente llamada fibra PCS, se puede hacer , entre otros materiales, de El núcleo silicio cubierta de plástico) Núcleo de vidrio y cubierta de vidrio (frecuentemente llamadas SCS, silicio cubierta de silicio)

Las fibras de plástico tienen ventajas sobre las fibras de vidrio por ser más flexibles y más fuertes, fáciles de instalar, pueden resistir mejor la presión, son menos costosas y pesan aproximadamente 60% menos que el vidrio. La desventaja es su característica de atenuación alta: no propagan la luz tan eficientemente como el vidrio. Por tanto las de plástico se limitan a distancias relativamente cor-tas, como puede ser dentro de un solo edificio.

polietileno, de armadura o coraza de acero, goma o hilo de aram ida, y para apli-caciones tanto exteriores como interiores. Con objeto d e localizar los fallos con e l OTDR d e un a manera más fácil y precisa, la cubierta está secuencialmente numerada cada Las fibras con núcleos de vidrio tienen baja metro (o cada pie) por el fabricante. atenuación. Sin embargo, las fibras PCS son un poco mejores que las fibras SCS. Además, las fibras PCS son menos afectadas por la radiación y, por lo tanto, más atractivas a las apli-caciones militares. Desafortunadamente, los cables SCS son menos fuertes, y más sensibles al aumento en atenuación cuando se exponen a la radiación. Los cables de estructura holgada se usan en la mayoría de las instalaciones exte-rioCable de fibra óptica disponible en construc- res, incluyendo aplicaciones aéreas, en ciones básicas: tubos o conductos y en instalaciones direc-tamente enterradas. El cable de estructura holgada no es muy adecuado para ins Cable de estructura holgada talaciones en recorridos muy verticales,  Cable de estructura ajustada. porque existe la posibilidad de que el gel interno fluya o que las fibras se muevan.

Por una parte, un cable de estructura ajustada es más flexible y tiene un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada. En primer lugar. es un cable que se ha diseñado para instalaciones en el interior de los edificios. También se puede instalar en tendidos verticales más elevados que los cables de estruc-tura holgada, debido al soporte individual de que dispone cada fibra.

Cable blindado

Tienen tina coraza protectora o armadura de acero debajo de la cubierta de polietileno. Esto proporciona al cable una resistencia exce-lente al aplastamiento y propiedades de protección frente a roedores. Se usa fre-cuentemente en aplicaciones de enterramiento directo o para instalaciones en entornos de industrias pesadas. El cable se Cable de estructura holgada encuentra disponible generalmente en Consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo, y rodeado de Cable de estructura ajustada estructura hol-gada aunque también una cubierta protectora. El rasgo distintivo Contiene varias fibras con protección secun- hay cables de estructura ajustada. de este tipo de cable son los tubos de fibra. Cada tubo, de dos a tres milímetros de diámetro, lleva varias fibras ópticas que descansan holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o, más comúnmente estar llenos de un gel resistente al agua que impide que ésta entre en la fibra. El tubo holgado aísla la fibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.

El centro del cable contiene un elemento de refuerzo, que puede ser acero, Kevlar o un material similar. Este miembro proporciona al cable refuerzo y soporte durante las operaciones de tendido, así corno en las posiciones de instalación permanente. Debería amarrarse siempre con seguridad a la polea

daria que rodean un miembro central de tracción, y todo ello cubierto dc una protección exterior. La protección secundaria de la fibra consiste en una cubierta plástica de 900 μm de diámetro que rodea a! recubrimiento de 250 μm de la fibra óptica.

La protección secundaria proporciona a cada fibra individual una protección adi-cional frente al entorno así como un soporte físico. Esto permite a la fibra ser conec-tada directamente (conector instalado directamente en el cable de la fibra), sin la protección que ofrece una bandeja de empalmes. Existen también otros cables de fibra Para algunas instalaciones esto puede redu- óptica para las siguientes aplicaciones cir cl coste de la instalación y disminuir el especiales: número de empalmes en un tendido de 4

Cable aéreo autoportante O auto- Actualmente muchos continentes están rutas de las líneas de alta tensión. conectados por cables submarinos de fibra soportado: es un cable de estructura holgada diseña- óptica transoceánicos. do para ser utilizado en estructuras aéreas. No requiere un fijador corno soporte. Para Cable compuesto tierra-óptico asegurar el cable directamente a la estruc- (OPGW): tura del poste se utilizan abrazaderas especiales. El cable se sitúa bajo tensión mecá- Es un cable de tierra que tiene fibras ópticas insertadas dentro de un tubo en el nica a lo largo del tendido. núcleo central del cable. Las fibras ópticas están com-pletamente protegidas y rodeaCable submarino: das por pesados cables a tierra. Es utilizaEs un cable de estructura holgada diseña- do por las compañías eléctricas para sumido para permanecer sumergido en el agua. nistrar comunicaciones a lo largo de las

Cables híbridos

Es un cable que contiene tanto fibras ópticas como pares de cobre.

Cable en abanico Es un cable de estructura ajustada con un número pequeño de fibras y diseñado para una conexión directa y fácil (no se requiere un panel de conexiones).

CLASIFICACIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS. Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el área de las telecomunicaciones se clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo de propagación: Fibras Multimodo y Fibras Monomodo.

dísimo.

la palabra modo significa trayectoria.

Fibras ópticas Multimodo

Fibras ópticas Monomodo Son aquellas que pueden guiar y transmitir varios rayos de luz por sucesivas reflexiones, Son aquellas que por su especial diseño pueden guiar y transmitir un solo rayo de luz (modos de propagación). (un modo de propagación) y tiene la particuLos modos son formas de ondas admisibles, laridad de poseer un ancho de banda eleva-

En estas fibras monomodo cuando se aplica el emisor de luz, el aprovechamiento es mínimo, también el costo es más elevado, la fabricación difícil y los acoples deben ser perfectos.

PROPIEDADES DE LA FIBRA OPTICA. Las propiedades de la fibra óptica se pueden encuadrar en cuatro grandes grupos:

Apertura Numérica (NA).- Es un parámetro que da idea de la cantidad de luz que puede ser guiada por una fibra óptica. Por lo tanto cuanto mayor es la magnitud de la apertura Propiedades ópticas Propiedades de transmisión numérica de una fibra, mayor es la cantidad Propiedades físicas de luz que puede guiar o lo que es lo mismo, En las fibras de índice escalón multimodo la Propiedades geométricas. dispersión del haz de luz ocasionado por mas cantidad de luz es capaz de aceptar en retardo de los distintos caminos de los mo- su núcleo. Propiedades ópticas: Dan lugar a la clasifi- dos de propagación, limita en ancho de bancación según el índice de refracción y la da apertura numérica. Fibras de índice gradual.- El índice de refracción n2 es constante en el revestimiento, pero en el núcleo varía gradualmente (en forma parabólica) y se tiene un máximo en el centro del núcleo. Este tipo de perfil es utilizado en las fibras multimodo pues dismiFibras de índice escalón o también llamadas nuye la dispersión de las señales al variar la salto de índice (SI), son aquellas en las que al movernos sobre el diámetro AB, el índice Angulo critico: de refracción toma un valor constante n2 desde el punto A hasta el punto donde termina el revestimiento y empieza el núcleo. En ese punto se produce un salto con un valor n1 > n2 donde también es constante a velocidad para las distintas longitudes de los lo largo de todo el núcleo. Este tipo de perfil caminos en el centro y próximos a la frontees utilizado en las fibras monomodo. ra. Perfil de índice de refracción Es la variación índice conforme nos movemos en la sección transversal de la fibra óptica, es decir a lo largo del diámetro. Se tiene al índice escalón e índice gradual.

Propiedades de transmisión de la fibra óptica: Las principales características de transmisión de las fibras ópticas son la atenuación, el ancho de banda, el diámetro de campo modal y la longitud de onda de corte.

mente en la unión núcleo- dos en el tiempo. La capacidad viene limitarevestimiento, variaciones geométricas da por una distorsión de la señal que resulta del núcleo en el diámetro por ensanchamiento de los pulsos lumino Impurezas y burbujas en el núcleo sos al transmitirse a lo largo de la fibra. Los (como superficie rugosa a λ pequeños) factores que contribuyen dicho ensanchamiento son:  Impurezas de materiales fluorescentes  Dispersión intermodal  Pérdidas de radiación debido a micro-  Dispersión intramodal curvaturas, cambios repetitivos en el La dispersión es la propiedad física inherenradio de curvatura del eje de la fibra. te de las fibras ópticas, que define el ancho Factores externos.- El principal factor que de banda y la interferencia ínter simbólica afecta son las deformaciones mecánicas. (ISI).

Atenuación: Significa la disminución de potencia de la señal óptica, en proporción inversa a la longitud de fibra. La unidad utilizada para medir la atenuación en una fibra óptica es el decibel (dB). Dentro de estas las más importantes son las A = 10 log P1 / P2 curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión Donde: total y se escapan del núcleo. P1 potencia de la luz a la entrada de la fibra P2 potencia de la luz a la salida de la fibra Las curvas a las que son sometidas las fiLa atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la perdida de luz en un Km. El desarrollo y la tecnología de fabricación de las fibras para conseguir menores coeficientes de atenuación se observa en el siguiente gráfico.

Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos. Factores propios.- Podemos destacar fundamentalmente dos. Las pérdidas por absorción del material de la fibra, son debido a impurezas tales como iónes metálicos, níquel variado (OH)- , etc. ya que absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultrapuro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas por absorción entre 1 y 1000 dB/Km son típicas.

bras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza a lo sumo unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros) OTDR Para obtener una representación visual de las características de atenuación de una fibra óptica alo largo de toda su longitud se utiliza un reflectómetro óptico en el dominio en tiempo (OTDR). El OTDR dibuja esta característica en su pantalla de forma gráfica, mostrando las distancias sobre el eje X y la atenuación sobre el eje Y. A través de esta pantalla se puede determinar información tal como la atenuación de la fibra, las pérdidas en los empalmes, las pérdidas en los conectores y la localización de las anomalías. El ensayo mediante el OTDR es el único método disponible para determinar la localización exacta de las roturas de la fibra óptica en una instalación de cable óptico ya instalado y cuyo recubrimiento externo no presenta anomalías visibles. Es el mejor método para localizar pérdidas motivadas por empalmes individuales, por conectores, o por cualquier anomalía en puntos concretos de la instalación de un sistema. Permite determinar si un empalme está dentro de las especificaciones o si se requiere rehacerla.

Dispersión intermodal ó modal: Es causada por la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por una fibra. Tiene lugar solo en las fibras multimodo, se puede reducir usando fibras de índice gradual y casi se elimina usando fibras monomodo de índice de escalón. Esta dispersión causa que un pulso de luz se recibe en el receptor ensanchado, como en la siguiente figura.

Dispersión intramodal  Del material  De la guía  Producto cruzado La dispersión intramodal del materi o cromática resulta por que a diferentes longitudes de onda de la luz se propagan a distintas velocidades de grupo a travéz de un medio dado (material de la fibra). Como en la práctica las fuentes de luz no son perfectamente monocromáticas, se ocasiona por esta causa un ensanchamiento de pulso recibido. Este efecto aparece en las fibras multimodo y monomodo. Esta dispersión cromática se puede eliminar usando una fuente monocromática tal como un diodo de inyección láser (ILD)

Cuando está operando el OTDR envía un corto impulso de luz a través de la fibra y mide el tiempo requerido para que los impulsos reflejados retornen de nuevo al OTDR. Conociendo el índice de refracción y el tiempo requerido para que lleguen las reflexiones, el OTDR calcula la distancia recorrida del impulso de la luz reflejada:

Dispersión intramodal de la guía de onda. Es función del ancho de banda de la señal de información y la configuración de la guía generalmente es más pequeña que la anterior y se la puede despreciar.

Pérdidas por difusión de Rayleigh (por fluctuaciones térmicas del índice de Ancho de Banda: Determina la capacidad de refracción). transmisión de información, considerando Imperfecciones de la fibra, particular- pulsos luminosos muy estrechos y separa-

Diámetro de campo modal.- Da idea de la extensión de la mancha de luz del modo fundamental a la salida de la fibra. Su valor aumenta conforme la longi-

Las pérdidas por dispersión (esparcimiento) se manifiesta como reflexiones del material, debido a las irregularidades submicroscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se esta propagando choca contra estas impurezas y se dispersa y refleja.

Producto cruzado Es pequeño y se desprecia excepto cuando no se desprecia el de la guía.

Dentro de estas pérdidas tenemos

 

tud de onda de la luz guiada es mayor, es de gran importancia en las características de la fibra monomodo. A partir de él se puede calcular posibles pérdidas en empalmes, pérdidas por microcurvaturas y dispersión cromática de la fibra. Longitud de onda de corte.- La fibra óptica, llamada monomodo no guía un único rayo para todas las longitudes de onda. Solo a partir de una longitud de onda óptica se comporta como monomodo, para longitudes de onda por debajo de ese valor la fibra óptica guía varios rayos de luz y se comporta como multimodo. La longitud de onda en la que se produce la separación entre monomodo y multimodo para una fibra óptica se llama longitud de onda de corte.

Propiedades físicas de la fibra óptica

Coeficiente de dilatación

Las propiedades físicas más importan- Indica el alargamiento que sufre la fibra tes son sus propiedades mecánicas las óptica por cada grado de temperatura. Su valor para la fibra óptica es de 0,5.10E-6 cuales son: Modulo de Young Se define como la fuerza por unidad de área que produce un alargamiento en la fibra óptica, donde su valor se encuentra entre 700 kp/mm2 Carga de Rotura Es la mínima fuerza por unidad de área que es capaz de romper la fibra óptica, donde su valor es de 400 kp/mm2 Alargamiento en el punto de rotura Es de 5 % la carga de tracción aplicada durante 1 seg. a toda la longitud de la fibra óptica es de 5 N.

°C, esto quiere decir que 1000 m. de fibra óptica sufrirán un alargamiento de 25 mm al pasar de 20 °C a 70 °C.

Propiedades geométricas Se suelen distinguir los siguientes parámetros, como los más importantes para caracterizar geométricamente a una fibra óptica: Diámetro del revestimiento, diámetro del núcleo, concentridad núcleo-revestimiento, no circularidad del núcleo y no circularidad del revestimiento.

CONVERSION ELECTRICA OPTICA. Para transmitir información mediante señales luminosas a través de un conductor (fibra óptica) se requiere que en el punto emisor y receptor existan elementos para convertir las señales eléctricas en ópticas y viceversa. En el extremo emisor la intensidad de una fuente luminosa se modula mediante una señal eléctrica y en el extremo receptor, la señal óptica se convierte en una señal eléctrica. Para este proceso de conversión se utilizan las propiedades de los materiales semiconductores los cuales poseen dos bandas de energía, banda de valencia (nivel bajo de energía) y banda de conducción (nivel alto de energía) separadas por una distancia de energía.

E es una característica del material y se sentación de estos procesos se indica en la puede cambiar en función al contaminante figura que se encuentra a continuación. empleado en el semiconductor. Emisores ópticos Cuando se libera un fotón se lo puede hacer Entre los emisores ópticos tenemos a los de dos maneras: espontánea o estimulada. diodos LED y los diodos LASER. En la emisión espontánea no existe ningún Diodos LED medio externo que induzca al electrón pasar Son fuentes de luz con emisión espontánea de la banda de conducción a la banda de o natural (no coherente), son diodos semivalencia. En la emisión estimulada un fotón conductores de unión p-n que para emitir luz Un fotón (quantum de energía) tiene una induce a que el electrón pase a su estado se polarizan directamente. energía de reposo, liberando un fotón, en cuyo caso h = constante de Plank se dice que existe amplificación, si además Bibliografia: http://www.textoscientificos.com/re γ = Frecuencia del fotón existe retroalimentación y un elemento de  λ = longitud de onda des/fibraoptica/ selectividad, se logrará tener emisiones V= velocidad de la luz en el medio http://www.wikipedia/fibraoptica/ coherentes (mediante espejos). Una repre-  En el semiconductor para pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, existe energía absorbida por incidencia de un fotón. Proceso inverso se realiza para liberar fotones. E=EC - EV Donde: EC energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de conducción EV energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de valencia 7

Volumen 1, nº 1 25 de abril de 2010

ANTENAS PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA Aspectos históricos sobre Antenas. Puntos de interés especial:  C. Maxwell dio inicio a la teoría de antenas.  La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901.  Inicialmente se utilizo frecuencias de transmisión entre 50 y a 100kHz.  Una antena es un dispositivo que recibe o emite ondas electromagnéticas.  Las características de las antenas dependen de la relación entres sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida.

as teoría de las antenas surge a partir de los desarrollos matemáticos de James C. Maxwell, en 1854, corroborados por los experimentos de Heinrich R. Hertz, en 1887, y los primeros sistemas de radiocomunicaciones de Guglielmo Marconi en 1897. La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901, desde Cornualles a Terranova. En 1907 ya existían servicios comerciales de comunicaciones. Desde la invención de Marconi, hasta los años 40, la tecnología de las antenas se centró en elementos radiantes de hilo, a frecuencias hasta UHF. Inicialmente se utilizaban frecuencias de transmisión entre 50 y 100 kHz, por lo que las antenas eran pequeñas comparadas con la longitud de onda. Tras el descubrimiento del tríodo por De

ANTENAS.

na antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. Existe una gran diversidad de tipos de antenas, dependiendo del uso a que van a ser destinadas. En unos casos

brimiento del tríodo por De Forest, se puedo empezar a trabajar a frecuencias entre 100 kHz y algunos MHz, con tamaños de antenas comparables a la longitud de onda. A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos elementos radiantes (como guía de ondas, bocinas, reflectores, etc.). Una contribución muy importante fue el desarrollo de los generadores de microondas (como el magnetrón y el klystron) a frecuencias superiores a 1 GHz. En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y tecnología de computadores tuvieron un gran impacto en el desarrollo de la teoría moderna de antenas. Los métodos numéricos se desarrollaron a partir de 1960 y permitieron el análisis de estructuras inabordables por métodos

deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces). También es una antena la que está integrada en la computadora portátil para conectarse a las redes Wi-Fi. Las características de las antenas dependen de la rela-

analíticos. Se desarrollaron métodos asintóticos de baja frecuencia (método de los momentos, diferencias finitas) y de alta frecuencia (teoría geométrica de la difracción GTD, teoría física de la difracción PTD). En el pasado las antenas eran una parte secundaria en el diseño de un sistema, en la actualidad juegan un papel crítico. Asimismo en la primera mitad del siglo XX se utilizaban métodos de prueba y error, mientras que en la actualidad se consigue pasar del diseño teórico al prototipo final sin necesidad de pruebas intermedias.

ción entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda son directivas.

DIAGRAMA DE RADIACIÓN O PATRÓN DE RADIACIÓN.

Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.

s la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección (coordenadas en azimut y elevación). Lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Atendiendo al diagrama de radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena omnidireccional,…). Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contra polar al diagrama de radiación con polaridad contraria a la que ya tenía.

Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad.

iagrama de radiación Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son: Dirección de apuntamiento: Es la máxima radiación. Directividad y ganancia. Lóbulo principal: Es la margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.

Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo . Relación delante—atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.

PARAMETROS DE UNA ANTENA. Ancho de banda: Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros. El parámetro HPBW (Half Power Band-

na en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.

El parámetro e (eficiencia) es adimensional

D = U(max) / U(iso) La Directividad no tiene unidades y se suele expresar en unidades logarítmicas (dBi) como: D = 10 * log(U(max) / U(iso))dBi Ganancia: Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación. G = 10log[4pi * U(max) / P(in)]

width) es el único parámetro que no está directamente relacionado con variaciones en frecuencia sino al rango en grados ( o radianes) del patrón de radiación comprendido entre el máximo y la mitad de su máxima radiación) . Directividad: La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una ante-

La unidad de Ganancia (G) de una antena es el dBd o dBi, dependiendo si esta se define respecto a un dipolo de media onda o a la isotrópica. Eficiencia: Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad. e = P(r) / P(in) = G / D

Impedancia de entrada: Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de la antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada. Anchura de haz: Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mi9

tad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo. Polarización: Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, 45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).

Específicamente la figura trazada como función del tiempo por la extremidad del vector de campo eléctrico en una ubicación fija en el espacio y el sentido en el cual éste es trazado, como se observa a lo largo de la dirección de propagación.

En el marco de antenas se define un coeficiente de desacoplo por polarización. Este mide la cantidad de potencia que es capaz de recibir una antena polarizada de una forma con una longitud efectiva de un campo eléctrico incidente con una determinada polarización . De este modo, el coeficiente de desacoplo por polarización se define como:

Área equivalente de una antena: Es una medida promedio asociada a cualquier antena que permite especificar y describir las características de captura de potencia cuando una onda electromagnética incide sobre ella. El área efectiva tiene unidades [m2] se define como:

De esta manera, obtenemos la fracción de potencia que finalmente la antena es capaz de recibir, multiplicando la potencia incidente en la antena por este coeficiente definido anteriormente, de la forma:

La relación de la potencia disponible en los terminales de recepción de una antena y la densidad de potencia de una onda plana incidente en la antena en una dirección, en la cual se asume que las polarizaciones de la onda y la antena están acopladas. Si la dirección no es específica , la dirección de máxima radiación es implicada.

Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.

CLASIFICACIÓN CLASICA DE LAS ANTENAS.

a clasificación tradicional de las antenas se basa, fundamentalmente, en la forma en que se distribuye el campo electromagnético en la propia antena o en la tecnología utilizada.

ntenas de hilo: Las antenas de hilo son HF, VHF y UHF. antenas cuyos elementos radiantes



La antena helicoidal es un tipo especial de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Un conductor describe una hélice, consiguiendo así una polarización circular.

Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores. Se pueden encontrar agrupaciones de antentenas de apertura: La antenas de nas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo apertura son aquellas que utilizan suson: son conductores de hilo que tienen una secperficies o aperturas para direccionar el haz  El monopolo vertical. ción despreciable respecto a la longitud de El dipolo y su evolución, la antena electromagnético de forma que concentran onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser  Yagi. la emisión y recepción de su sistema radiancomo máximo de una longitud de onda. Se te en una dirección. La más conocida y utiliLa antena espira utilizan extensamente en las bandas de MF,  zada es la antena parabólica, tanto en enla-

ces de radio terrestres como de satélite. La ganancia de dichas antenas está relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor directividad. El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar de forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un subreflector. El alimentador está general-

ntena de Array: Las antenas de array están formadas por un conjunto de dos o más antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una única antena con un diagrama de radiación propio.

A nivel de aplicación los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes.

Una definición básica de un sistema de antenas inteligentes es cualquier configuración adaptativa de múltiples antenas que mejoLa característica principal de los arrays de ran el rendimiento de un sistema de comunicaciones inalámbricas. Las características de las antenas inteligentes con unos haces de radiación con una mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad angular), proporcionan múltiples ventajas: Incremento de la zona de cobertura: Dado que la ganancia es mayor que en el caso de antenas omnidireccionales o sectorizadas. antenas es que su diagrama de radiación es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.

Reducción de la potencia de transmisión: La mayor ganancia de la antena permite incrementar la sensibilidad.

Reducción del nivel de interferencia: La mejor selectividad espacial de la antena permitirá al receptor discriminar las señales de Atendiendo a la distribución de las antenas usuarios interferentes a favor de la señal del que componen un array podemos hacer la usuario deseado. Incluso se pueden utilizar antenas inteligentes con configuración antesiguiente clasificación: na principal y secundarias donde las secunArrays lineales: Los elementos están dis- darias anulan las interferencias. Reducción de la propagación multitrayecto:Debido a la menor dispersión angular de la potencia radiada, se reduce el número de trayectorias que debe seguir la señal antes de llegar al receptor.

mente ubicado en el foco de la parábola. El alimentador, en sí mismo, también es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia. Hay varios tipos de antenas de apertura, como la antena de bocina, la antena parabólica, la antena parabólica del Radar Doppler puestos sobre una línea. y superficies reflectoras en general.

ntenas planas: Un tipo particular de Arrays Planos: Los elementos están dispuesantena plana son las antenas de aper- tos bidimensionalmente sobre un plano. tura sintética, típicas de los radares de apertura sintética (SAR).

Mejora de la seguridad: Gracias a que la transmisión es direccional, hay una probabilidad muy baja de que un equipo ajeno intercepte la comunicación. Introducción de nuevos servicios: Al poder identificar la posición de usuarios se puede aplicar a radiolocalización, tarificación geográfica, publicidad en servicios cercanos.

Arrays conformados: Los elementos están dispuestos sobre una superficie curva.

CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE LAS ANTENAS.

o obstante, también pueden hacerse clasificaciones desde un punto de vista práctico: una catalogación de las antenas desde el punto de vista de sus prestaciones y tecnología, casos de uso concretos y discusiones acerca de los parámetros de ingeniería que ayuden al entendimiento de su funcionamiento.

abandonan el reflector en forma paralela al redonda, sino oval y simétrica (elipse). El eje de la antena. punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset), de Cuando se desea la máxima directividad de tal forma que el foco queda fuera de la suuna antena, la forma del reflector generalperficie de la antena. Debido a esto, el rendimente es parabólica, con la fuente primaria miento es algo mayor que en la de Foco localizada en el foco y dirigida hacia el rePrimario, pudiendo ser de un 70% o algo flector. más.

ntenas con reflector: El origen de la antena con reflector se remonta a 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas que habían sido predichas por James Clerk Maxwell unos quince años antes. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como receptor.

Antena Cassegrain: Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico. Las antenas con reflector parabólico, o simplemente antenas parabólicas se utilizan extensamente en sistemas de comunicaciones en las bandas de UHF a partir de unos 800 MHz y en las de SHF y EHF. Entre sus características principales se encuentran la sencillez de construcción y elevada direccionalidad. La forma más habitual del reflector es la de un paraboloide de revolución, excitado por un alimentador situado en el foco.

Su funcionamiento se basa en la reflexión de las ondas electromagnéticas por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide. En el caso de una antena receptora, en cambio si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y

El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico. El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.

El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el Tipos básicos de antenas con reflector: foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esfériAntena Foco Primario: La superficie de estas antenas es un parabo- ca incidente en el alimentador. loide de revolución. Las ondas electromag- Alimentadores para antenas con reflector néticas inciden paralelamente al eje princi- (bocinas): pal, se reflejan y dirigen al foco. El foco está Las bocinas son utilizadas como alimentador centrado en el paraboloide. en las antenas, es decir, se utilizan para iluminar el reflector formando lo que se coTienen un rendimiento máximo de aproximanoce como antena parabólica. La bocina de damente el 60%, es decir, de toda la energía alimentación se encuentra situada en el foco que llega a la superficie de la antena, el 60% del paraboloide. lo hace al foco y se aprovecha, el resto se pierde debido principalmente a dos efectos, Una única bocina puede utilizarse como una el efecto spillover y el efecto bloqueo. antena de cobertura global en satélites; además se pueden agrupar varias bocinas Su relativa gran superficie implica un menor (alimentándolas con una amplitud y una ángulo de anchura del haz (3 dB), por lo que fase diferentes), para conseguir un determila antena debe montarse con mayor precinado diagrama de radiación y dar cobertura sión que una antena offset normal. La lluvia a un país o continente. La agrupación de y la nieve pueden acumularse en el plato e bocinas sería el alimentador del reflector. interferir en la señal; Además como el LNB va montado centralmente, bloquea muchas En una transmisión la bocina emite energía señales con su propia sombra sobre la su- desde el foco hacia la superficie del reflecperficie de la antena. tor, consiguiendo radiar sobre el rango de cobertura deseado, mientras que en una Antena Offset·: recepción el reflector actúa como un acumuUna antena offset está formada por una lador de energía de la señal, que es concensección de un reflector paraboloide de forma trada hacia la bocina alimentadora. oval. La superficie de la antena ya no es 12

Las bocinas pueden transmitir ó recibir dos res, aunque también pueden utilizar polari- modificando amplitud y fase pudiendo de ondas con polarización distinta, siempre que zación lineal. esta forma ganar directividad en la radiación la polarización sea ortogonal. Esto se consiaumentando la ganancia. gue con un dispositivo llamado acoplador De forma similar a las lentes ópticas, una ortomodo (OMT), que es un sistema de guía lente dieléctrica está formada por dos matede ondas en forma de T, donde por la guía riales de constante dieléctrica diferente principal se propagan dos modos dominancuya forma geométrica describe una curva tes ortogonales y cada guía adosada soporta hiperbólica. De esta manera, podemos conuno de los dos modos anteriores. seguir que una onda esférica se transforme La polarización ha de ser ortogonal para que en una onda plana consiguiendo así aumenno se produzcan interferencias. tar la ganancia. Para ello, es necesario que los caminos eléctricos recorridos sean los De acuerdo con la forma de la apertura, las Bocina Cónica Corrugada (corrugaciones en mismos para cualquier posible trazado de bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y la cara interna) rayos. Una de las principales ventajas de la cónica. utilización de este tipo de dispositivos es Según el modo de propagación transmitido poder modificar la distribución de amplitud, Bocina piramidal se clasifican como: bocinas de modo domihaciéndola más uniforme y aumentando la nante, bocinas de modo dual y bocinas coeficiencia de apertura del sistema. Una aplirrugadas. cación común de las lentes es su utilización Bocinas de modo dominante: se sintoniza al a la salida de las antenas de bocina. Memodo predominante de la guía de onda cir- diante este dispositivo, una fase distorsionada por este tipo de antena se puede corregir cular, el modo TE11. con una lente colocada a la salida de la Bocinas multimodo: se sintoniza al modo de antena Es un tipo de bocina rectangular. Se ensan- propagación TE11 de la onda que se propacha tanto en el plano E como en el H, lo que ga por la guía de onda, junto al modo TM11 Gracias a la utilización de una lente dieléctrica en la boca del alimentador de una antena permite radiar haces estrechos en ambos que es el siguiente modo de propagación. (bocina), se consigue disminuir el error de planos. Este tipo de bocinas son adecuadas Bocinas corrugadas (o híbridas): se ajustan fase. para sistemas de polarización lineal. Su a un modo híbrido (HE11), con lo que se ganancia puede calcularse exactamente a consigue un ancho de haz amplio y simétri- Antenas de Lentes: partir de sus dimensiones físicas por ello se co gracias a lo cual el reflector se alimenta suelen utilizar como patrones de comparauniformemente. Además con este tipo de ción en las medidas de ganancia. El diseño bocinas se consigue una polarización más de una bocina piramidal requiere que su pura. garganta coincida con la guía rectangular de alimentación. Bocina con lente dieléctrica Bocina cónica

Lentes dieléctricas Definición: Una lente dieléctrica es un objeto Se utilizan fundamentalmente en antenas que nos sirve para conseguir que una onda de satélites de haz global. Son las más adeesférica se transforme en una onda plana cuadas para utilizar polarizaciones circula-

OTROS TIPOS DE ANTENAS. Antenas de bucle magnético: Las antenas de bucle magnético consisten en un bucle de forma circular, ortogonal o rectangular. El perímetro de la antena puede ser del orden de la longitud de onda, o bien bastante menor.

capaces de desarrollar esas tensiones. Las configuración planar y fácil integración, este medidas de seguridad también se ven afec- tipo de antenas se suelen usar como eletadas. mentos de un array.

Finalmente, el ancho de banda es de unos pocos kilo Hertz, lo que significa que en caso de cambio de frecuencia requiere un Estas antenas tienen una elevada direccio- nuevo ajuste de la impedancia. nalidad, con el máximo de recepción en el plano de la antena, y el mínimo en el plano Antenas Microstrip: Las antenas Microstrip son un tipo de anteperpendicular al plano de la antena, nas planas. Son una extensión de la línea de Son poco afectadas por la tierra a partir de trasmisión Microstrip Las antenas planas alturas superiores a un metro y medio. En son monomodo. Son unas antenas resonancontrapartida, estas antenas desarrollan tes impresas, para conexiones wireless en tensiones de varios kilo volts en bornes, lo microonda de banda estrecha que requiere que significa que los materiales deben ser una cobertura semiesférica. Debido a su

La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiación Su estructura se basa en: - Parche metálico de dimensiones comparables a la longitud de onda - Sustrato dieléctrico sin pérdidas - Plano de masa 13

Inconvenientes: - Baja eficiencia - Baja po- parte inferior hay un plano conductor pertencia - Alto Q - Pobre pureza de polariza- fecto. ción - Banda estrecha - Radiación espuria Las antenas parche son un tipo popular de de las líneas antena cuyo nombre viene del hecho de Ventajas: - Bajo perfil - Conformable a es- que consisten básicamente en un parche tructuras - Fabricación sencilla y barata - de metal tapado por un soporte plano que Robustas - Combinable con circuitos inte- normalmente es de plástico y lo protege de grados de microondas - Versátiles en la daños. elección de la frecuencia de resonancia o Configuración: polarización La antena parche más simple usa un parExisten varios tipos de antenas microstrip, che con una longitud que es las mitad de la la más común es la antena parche. Esta longitud de onda y un soporte más largo. El antena es de banda estrecha y esta fabrica- flujo de la corriente va en la dirección del da cubriendo los elementos de la antena en cable de alimentación, así el vector de poun metal con sustrato dieléctrico formando tencia y el campo magnético siguen la misuna superficie plana. Las formas más co- ma dirección que la corriente. Una antena munes de los parches son cuadrados, rec- simple de este tipo radia una onda polarizatangulares, circulares y elípticas pero es da linealmente. posible cualquier forma. Ganancia: En una antena microstrip con parche rectangular mientras la longitud del parche sea la misma que la del dipolo resonante podemos tener 2 dB de ganancia de la directividad de la línea vertical del parche. Si el parche es cuadrado pueden ser otros 2 o 3 dB. El soporte plano impide la radiación alrededor de la antena reduciendo la potencia media en todas las direcciones en un factor de 2.lo que hace que la ganancia Estas antenas suelen estar montadas en aumente en 3 dB. Un patrón típico de diaaviones ,naves espaciales o incorporadas a grama de radiación de una antena polarizaradios de comunicaciones móviles. Las da linealmente de 900 Mhz es el dibujado antenas microstrip son baratas de construir en la siguiente gráfica. La gráfica muestra gracias a su simple estructura. Estas anteun corte en el plano horizontal, el plano nas también son utilizadas en UHF ya que vertical es muy similar. el tamaño de la antenas es directamente proporcional al ancho de banda de la freImpedancia del ancho de banda: cuencia de resonancia. Una sola antena La impedancia del ancho de banda de una microstrip puede tener una ganancia de 6antena está influenciado por el espacio que 9dBi. Un array de estas antenas consigue hay entre el parche y el soporte plano, mayores ganancias que una sola antena cuanta menos distancia haya se radiara microstrip. La antena microstrip más utilizamenos energía y más energía se quedara da es la de parche rectangular .Esta antena en la inductancia y capacitancia de la antees aproximadamente la mitad de la sección na con lo que el factor Q aumenta. de la longitud de onda de la línea de transAntenas de apertura sintética (SAR): misión de una microstrip rectangular. Este tipo de antenas o radares ilumina una Una ventaja de estas antenas es la diversi- escena a través de una sucesión de pulsos dad de polarización, pueden ser fácilmente en una frecuencia determinada. Una parte diseñadas para estar polarizadas en verti- de la energía que se propaga (en todas cal, horizontal, circular derecha o circular direcciones) vuelve a la antena (eco). izquierda. Un sensor mide la intensidad y el retardo Este tipo de antenas se diseñan a partir de de las señales emitidas y las que vuelven y líneas de transmisión o resonadores sobre con la interpretación de estos últimos se sustrato dieléctrico. Su estructura consiste forman imágenes en función de la distancia en un parche metálico sobre un sustrato al radar. Este radar es un sensor activo, ya dieléctrico sin pérdidas. El grosor varia en- que lleva su propia fuente de alimentación. tre 0.003 y 0.05 y su constante dieléctrica Opera principalmente en la radiación micropuede tomar valores entre 2 y 12. En la ondas, lo que hace que sea más indepen-

diente de factores externos como lluvia, nubosidad o niebla. Esto permite la observación continua, incluso en horario nocturno. Se trabaja en dominio discreto al hacer muestreo de las señales. Las imágenes radar están compuestas por muchos puntos o elementos, denominados píxeles. Cada píxel representa un eco de vuelta detectado. Un satélite que utiliza este tipo de antena o radar es el European Remote Sensing Satellite (ERS). Aplicaciones: En cuanto a los SAR algunas de sus aplicaciones son: Generación de modelos digitales de terreno. Se reconstruyen las altitudes de terreno a partir del desenrollado de fase de un interferograma. Esto tiene importantes aplicaciones que incluyen la planificación de redes de telecomunicación móvil, explotación geológica y planificación urbana. También es útil para la construcción de modelos topográficos en áreas remotas donde no se dispone de datos. Control del hielo en el mar. La observación casi continua sin la influencia de las condiciones meteorológicas y la larga noche invernal proporciona datos para servicios de navegación en invierno. Con un estudio de este tipo se obtienen datos como localizaciones de masas de hielo, estimaciones del tipo de hielo y su concentración. Clasificación de uso de tierra y monitorización de bosques. Se puede estudiar la respuesta en amplitud o intensidad de la señal o eco de retorno para controlar distintos tipos de cultivos, talas incontroladas, es decir, los diferentes cultivos se pueden identificar según sus efectos sobre la variación de la coherencia o sobre la respuesta espectral. Identificación de depósitos materiales. Se pueden detectar los accidentes y estructuras que indican la presencia de depósitos minerales, bien sea para prospección con fines de explotación como de estudio. Vigilancia de zonas costeras. Se utilizan este tipo de radares para controlar los efectos del crecimiento incontrolado en las zonas costeras. Algunos de estos efectos pueden ser acumulación de contaminantes, erosión, agotamiento rápido de recursos.

Inundaciones. Se pueden emplear estas técnicas para tener mode- Control de glaciares. Es posible medir con estos radares sus dimenlos hidrológicos y de cauces que sirvan como previsión. siones así como controlar sus variaciones a lo largo del tiempo

ANTENAS SECTORIALES. Son la mezcla de las antenas direccionales y las omnidireccionales. Es una solución tecnológica ideal para la planificación de redes móviles celulares. Las antenas sectoriales emiten un haz más amplio que una direccional pero no tan amplio como una omnidireccional. La intensidad (alcance) de la antena sectorial es mayor que la omnidireccional pero algo menor que la direccional. Para tener una cobertura de 360º (como una antena omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) deberemos instalar o tres antenas sectoriales de 120º ó 4 antenas sectoriales de 80º. Las El patrón de radiación para la Figura : antenas sectoriales suelen ser más costo- Antena Omnidireccional : sas que las antenas direccionales u omnidiEs un tipo especial de antena direccional Direccional en plano de Elevación reccionales. que radia o recibe ondas electromagnéticas [g(θ), f = constante]. de forma no direccional en un plano especíAntena Isotrópica : Isotrópico en plano Azimut: fico Hipotéticamente es una antena sin pérdidas [f (f), θ = π/2] que tiene igual radiación o recepción en todas las direcciones. No existe físicamente. Se utiliza como referencia para mediciones. (azimut o elevación) y direccional en el otro plano. El patrón de radiación:

Antena directiva: La antena direccional tiene la propiedad de radiar o recibir ondas electromagnéticas mas eficiente en una dirección que en otras.

ANTENAS DIPOLOS. Un dipolo es una antena con alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son las más simples desde el punto de vista teórico.

El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que las reactancias se compensan y también tiene una mayor impedancia. Antena Yagi Una antena Yagi consiste en una antena de dipolo a la cual se le añaden unos elementos llamados "parásitos" para hacerlo direccional. Estos elementos pueden ser directores o reflectores.

Funcionamiento: La receptora de la señal o su región activa cambia continuamente dependiendo de la frecuencia, donde en la frecuencia más baja de operación, el elemento largo es el resonante y el resto de elementos actúan como directores. En la frecuencia más alta, el elemento más corto resuena y los otros elementos (más largos) actúan como reflectores en el centro de la banda de frecuencia. Antena banda ancha:

Tipos básicos de antenas de dipolo Dipolo corto Un dipolo corto o también llamado dipolo elemental) es un dipolo con una longitud mucho menor que la longitud de onda con polarización lineal (horizontal o vertical a 1 MHz de frecuencia la longitud de onda es de 300 m. Por tanto, la mayoría de las ante- Los elementos directores se colocan delannas se comportan como dipolo corto a fre- te de la antena y refuerzan la señal en el sentido de emisión. cuencias menores de 1 Mhz.

con dipolos resonando en diferentes frecuencias estrechas, en una misma antena, conseguimos abrir el ancho de banda de la antena. Antena multibanda: con dipolos resonando en diferentes bandas, podemos obetener una antena capaz de ser multibanda.

Estas antenas pueden proveer hasta 10 dB más de ganancia que una antena de 1/4 de onda, a la vez que pueden atenuar hasta 30 dB fuentes de interferencia provenientes de otras direcciones. La longitud del Los elementos reflectores se colocan detrás elemento horizontal y el número de elemenDipolo de media onda Es un dipolo muy similar al dipolo corto y bloquean la captación de señales en la tos transversales determinan el ancho de banda y la direccionalidad de la antena. pero en este caso la longitud es igual a la dirección opuesta al emisor. mitad de la longitud de onda. Antena logoperiódica. Se utilizan principalmente para transmitir señales de TV, FM y para comunicaciones Dipolo doblado Una antena de tipo log periódica es una Un dipolo doblado consiste en dos dipolos militares. antena cuyos parámetros de impedancia o paralelos cortocircuitados en su extremo. de radiación son una función periódica del Array Uno de los dipolos es alimentado en el cenlogaritmo de la frecuencia de operación. El Una antena array es un conjunto de eletro por un generador. diseño de estas antenas se realiza a partir mentos radiantes individuales alimentados de unas ciertas dimensiones como las di- desde un mismo terminal mediante redes mensiones de un dipolo o la separación que lineales. Normalmente suelen ser elemense van multiplicando por una constante. tos iguales y con la misma orientación. Se Una de los diseños más conocidos es la pueden encontrar muchos tipos de arrays agrupación logoperiódica de dipolos. diferentes dependiendo de su clasificación. Las agrupaciones se pueden clasificar por Una antena de tipo logarítmica periódica es ejemplo según: una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódi1. Su geometría ca del logaritmo de la frecuencia de opera2. La red ción. Con una construcción similar a la de la antena Yagui, solo que las diferencias de 3. Su aplicación longitudes entre los elementos y sus sepa4. Su Funcionalidad raciones siguen una variación logarítmica en vez de lineal. Bibliografía: La ventaja de la antena logarítmica sobre la  Yagui es que aquélla no tiene un elemento excitado, sino que recibe alimentación en  todos sus elementos. Con esto se consigue un ancho de banda mayor y una impedancia pareja dentro de todas las frecuencias de trabajo de esta antena.

Www.wikipedia.com Introducción a los medios no guiados, Ing. Dora Carolina Rosales.