PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
MEDIOS DE TRANSMISIÓN TERCER PARCIAL FIBRA ÓPTICA Y ANTENAS NOMBRE:
PROFESOR: Fabián Herrera
Juan Pablo Patío Ibarra FECHA DE ENTREGA: 26/04/2011
INTRODUCCIÓN: Este trabajo vale como tercer parcial de Medios de Transmisión en el cual se hace una investigación detallada sobre lo qué es fibra óptica, como es su fabricación y sobre antenas, fabricación, tipos de antenas y sus respectivas aplicaciones. OBJETIVOS:
límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La ley de Snell, es una fórmula simple utilizada
para
de refracción de
calcular la luz al
el
ángulo
atravesar
la
superficie de separación entre dos medios de propagación. La ley afirma que el producto del índice de refracción por el
Obtener una buena calificación en la materia de Medios de Comunicación. Aprender sobre la fabricación de la fibra óptica y sobre su uso. Conocer sobre antenas, su fabricación y sus usos. FIBRA ÓPTICA
La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo
seno del ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luz incidiendo sobre la superficie de separación de dos medios.
Historia de la fibra óptica
permitían la transmisión de la luz con buen rendimiento. Las pérdidas eran grandes.
Los antiguos griegos fueron los primeros en usar la luz como medio para transmitir información a través de espejos.
En 1952, el físico Narinder Singh Kapany, apoyándose Tyndall,
En 1792, Claude Chappe diseñó un sistema de telegrafía óptica, que mediante el uso de un código y torres y espejos distribuidos a lo largo de los 200 km que separan Lille y París, conseguía transmitir un mensaje en tan sólo 16 minutos. Esto aportó en nuestra época la luz fuera “domada”, de modo que sea posible que se propague dentro de un cable tendido por el hombre.
en
los
realizó
estudios
de John
experimentos
que
condujeron a la invención de la fibra óptica. Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión de imágenes, que se usó en el endoscopio médico. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un material de bajo índice de refracción, ya que antes se impregnaban con aceites o ceras. En esta misma época, se empezaron a
El confinamiento de la luz por refracción, el
utilizar filamentos delgados como el pelo
principio de que posibilita la fibra óptica,
que transportaban luz a distancias cortas,
fue
por Daniel
tanto en la industria como en la medicina,
Colladon y Jacques Babinet en París en los
de forma que la luz podía llegar a lugares
comienzos de la década de 1840. El físico
que de otra forma serían inaccesibles. El
irlandés John Tyndall descubrió que la luz
único problema era que esta luz perdía
podía viajar dentro de un material (agua),
hasta el 99% de su intensidad al atravesar
curvándose por reflexión interna, y en 1870
distancias de hasta 9 metros de fibra.
demostrado
presentó sus estudios ante los miembros de la Real Sociedad. A partir de este principio se llevaron a cabo una serie de estudios, en los que demostraron el potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia. Además, se desarrollaron una
Charles K. Kao, en su tesis doctoral de 1956, estimó que las máximas pérdidas que debería tener la fibra óptica, para que resultara
práctica
en
enlaces
de
comunicaciones, eran de 20dB/km.
serie de aplicaciones basadas en dicho
En 1966, en un comunicado dirigido a
principio para iluminar corrientes de agua
la Asociación Británica para el Avance de
en fuentes públicas. Más tarde, J. L.
la Ciencia, los investigadores Charles K.
Baird registró patentes que describían la
Kao y G. A. Hockham, de los laboratorios
utilización de bastones sólidos de vidrio en
de Standard
la transmisión de luz, para su empleo en un
Inglaterra, afirmaron que se podía disponer
primitivo sistema de televisión de colores.
de fibras de una transparencia mayor y
El gran problema, sin embargo, era que las
propusieron el uso de fibras de vidrio y luz,
técnicas
en
y los materiales
usados
no
lugar
Telecommunications,
de electricidad y
en
conductores
metálicos, en la transmisión de mensajes
telefónicos. Mientras tanto, como resultado
El amplificador que marcó un antes y un
de los esfuerzos, se hicieron nuevas fibras
después en el uso de la fibra óptica en
con atenuación de 20 dB por kilómetro y
conexiones interurbanas, reduciendo el
una banda pasante de 1 GHz para un largo
coste
de 1 km, con la perspectiva de sustituir los
óptico inventado
cables coaxiales. La utilización de fibras de
la Universidad
100 µm de diámetro, envueltas en nylon
por Emmanuel
resistente, permitirían la construcción de
los Laboratorios Bell.
de
ellas,
fue
el amplificador
por David de
Payne,
de
Southampton,
y
Desurvire en
hilos tan fuertes que no podían romperse con las manos. Hoy ya existen fibras ópticas con atenuaciones tan pequeñas de hasta 1 dB por kilómetro, lo que es muchísimo menor a las pérdidas de un cable coaxial. Paralelamente, luego de muchos estudios, el 16 de mayo de 1960 se consolidó el primer rayo láser por Theodore Maiman. Poco después,
Panish
y
Hayashi,
de
los
laboratorios Bell, mostraron un láser de semiconductores
que
podía
funcionar
Ejemplo de cable submarino de fibra óptica.
continuamente a temperatura ambiente. En 1978
ya
se
transmitía
a
10
Gb
km/segundos. Además, John MacChesney y sus
colaboradores,
laboratorios
también
Bell,
independientemente preparación
de
de
los
desarrollaron métodos
fibras.
Todas
de estas
actividades marcaron un punto decisivo ya que ahora, existían los medios para llevar las comunicaciones de fibra óptica fuera de los laboratorios, al campo de la ingeniería
El 22 de abril de 1977, General Telephone Electronics envió
la
primera
transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.
cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz,
solamente
se
podía
fabricar
directamente a partir de componentes de vapor,
evitando
contaminación
de que
esta
forma
la
inevitablemente
resultaba del uso convencional de los crisoles de fundición. Pronto, cables similares atravesaron los
habitual.
and
El gran avance se produjo cuando se dieron
océanos del mundo. El primer enlace transoceánico con fibra óptica fue el TAT8 que comenzó a operar en 1988, usando un cristal
tan
transparente
que
los
amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a distancias de
más de 64 kilómetros. Tres años después, otro
cable
transatlántico
duplicó
la
capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado en funcionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces transoceánicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales. Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable
Fibra multimodo: Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz.El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:
de cobre. Además, las fibras por su peso y
tamaño reducido, hace que sea muy útil en
fibra, el núcleo tiene un índice de
entornos donde el cable de cobre sería
refracción constante en toda la sección
impracticable.
cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
Índice escalonado: en este tipo de
Índice
gradual:
el
índice
de
refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales. Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho de banda se incluye el formato OM3 Mapa del mundo interconectado por cable (fibra óptica), de la información. Concepto global de la información y la tecnología de la comunicación. Tipos de fibra óptica
(monomodo sobre láser) a los ya existentes OM1 y OM2 (monomodos sobre LED).
OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta
hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta
hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
Fibra monomodo: Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gb/s).
Cable de estructura ajustada: Es un cable diseñado para instalaciones en el interior de los edificios, es más flexible y con un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada. Contiene varias fibras con protección secundaria que rodean un miembro central de tracción, todo ello cubierto de una protección exterior. Cada fibra tiene una protección plástica extrusionada directamente sobre ella, hasta alcanzar un diámetro de 900 µm rodeando al recubrimiento de 250 µm de la fibra óptica. Esta protección plástica además de servir como protección adicional frente al entorno, también provee un soporte físico que serviría para reducir su coste de instalación al permitir reducir las bandejas de empalmes.
De acuerdo a su diseño, existen dos tipos de
Proceso de fabricación
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit
Ethernet(300
m),
usan
láser
(VCSEL) como emisores.
cable de fibra óptica: Cable de estructura holgada: Es un cable empleado tanto para exteriores como para interiores que consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo y provisto de una cubierta protectora. Cada tubo de fibra, de dos a tres milímetros de diámetro, lleva varias fibras ópticas que descansan holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o estar llenos de un gel hidrófugo que actúa como protector antihumedad impidiendo que el agua entre en la fibra. El tubo holgado aísla la fibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.Su núcleo se complementa con un elemento que le brinda resistencia a la tracción que bien puede ser de varilla flexible metálica o dieléctrica como elemento central o de hilaturas de Aramida o fibra de vidrio situadas periféricamente.
Una
vez
obtenida
mediante
procesos
químicos la materia de la fibra óptica, se pasa a su fabricación. Proceso continuo en el tiempo que básicamente se puede describir a través de tres etapas; la fabricación de la preforma, el estirado de esta y por último las pruebas y mediciones. Para la creación de la preforma existen cuatro procesos que son principalmente utilizados. La etapa de fabricación de la preforma puede ser a través de alguno de los siguientes métodos:
M.C.V.D
Modified
Chemical
Vapor Deposition: Fue desarrollado originalmente
por Corning
Glass y
modificado por los Laboratorios Bell Telephone para su uso industrial.
Utiliza un tubo de cuarzo puro de
and Telegraph (N.T.T), muy utilizado
donde se parte y es depositado en su
en Japón por compañías dedicadas a la
interior la mezcla de dióxido de silicio
fabricación de fibras ópticas.La materia
y aditivos de dopado en forma de capas
prima que utiliza es la misma que el
concéntricas. A continuación en el
metodo M.C.V.D, su diferencia con
proceso industrial se instala el tubo en
este
un torno giratorio. El tubo es calentado
solamente se depositaba el núcleo,
hasta
temperatura
mientras que en este además del núcleo
comprendida entre 1.400 °C y 1.600 °C
de la FO se deposita el revestimiento.
mediante un quemador de hidrógeno y
Por esta razón debe cuidarse que en la
oxígeno.Al girar el torno el quemador
zona de deposición axial o núcleo, se
comienza a desplazarse a lo largo del
deposite más dióxido de germanio que
tubo. Por un extremo del tubo se
en la periferia, lo que se logran a través
introducen los aditivos de dopado, parte
de la introducción de los parámetros de
fundamental del proceso, ya que de la
diseño en el software que sirve de
proporción de estos aditivos dependerá
apoyo en el proceso de fabricación. A
el perfil final del índice de refracción
partir de un cilindro de vidrio auxiliar
del
las
que sirve de soporte para la preforma,
sucesivas capas se obtienen de las
se inicia el proceso de creación de esta,
sucesivas
depositándose
alcanzar
núcleo.La
una
deposición
pasadas
del
de
quemador,
radica,
que
en
este
último
ordenadamente
los
mientras el torno gira; quedando de esta
materiales, a partir del extremo del
forma sintezado el núcleo de la fibra
cilindro quedando así conformada la
óptica. La operación que resta es el
llamada "preforma porosa".Conforme
colapso, se logra igualmente con el
su
continuo desplazamiento del quemador,
desprendiendo del cilindro auxiliar de
solo que ahora a una temperatura
vidrio.El siguiente paso consiste en el
comprendida
y
colapsado, donde se somete la preforma
esta
porosa a una temperatura comprendida
1.800 °C.
entre
1.700 °C
Precisamente
temperatura ablandamiento
la
que
es
garantiza
del
el
cuarzo,
tasa
entre
de
los
crecimiento
1.500 °C
y
se
va
1.700 °C,
lográndose así el reblandamiento del
convirtiéndose así el tubo en el cilindro
cuarzo.Quedando
macizo que constituye la preforma. Las
preforma porosa hueca en su interior en
dimensiones de la preforma suelen ser
el cilindro macizo y transparente,
de un metro de longitud útil y de un
mediante el cual se suele describir la
centímetro de diámetro exterior.
preforma.
V.A.D Vapor Axial Deposition: Su
convertida
la
O.V.D Outside Vapor Deposition:
funcionamiento se basa en la técnica
Desarrollado
por Corning
Glass
desarrollada por la Nippon Telephone
Work.Parte de una varilla de substrato
cerámica y un quemador.En la llama
factores que lo permiten. En este proceso se
del quemador son introducidos los
ha de cuidar que en la atmósfera interior del
cloruros vaporosos y esta caldea la
horno
varilla.A continuación se realiza el
provenientes del exterior para evitar que la
proceso denominado síntesis de la
superficie reblandecida de la FO pueda ser
preforma, que consiste en el secado de
contaminada,
o
se
puedan
la misma mediante cloro gaseoso y el
microfisuras,
con
la
consecuente
correspondiente colapsado de forma
inevitable rotura de la fibra. También es
análoga a los realizados con el método
aquí donde se aplica a la fibra un material
V.A.D, quedando así sintetizados el
sintético,
núcleo y revestimiento de la preforma.
polimerizado viscoso, el cual posibilita las elevadas
P.C.V.D Plasma Chemical Vapor
esté
aislada
que
generalmente
velocidades
comprendidas
de
de
partículas
crear
es
e
un
estirado,
entre 1m / sg y 3m / sg,
Deposition: Es desarrollado por Philips,
conformándose así una capa uniforme sobre
se caracteriza por la obtención de
la fibra totalmente libre de burbujas e
perfiles lisos sin estructura anular
impurezas. Posterioremente se pasa al
reconocible. Su principio se basa en la
endureciemiento de la protección antes
oxidación de los cloruros de silicio y
descrita quedando así la capa definitiva de
germanio, creando en estos un estado
polímero elástico.
de plasma, seguido del proceso de deposición interior.
La etapa de estirado de la preforma: Sea cualquiera que se utilice de las técnicas que permiten la construcción de la preforma es de común a todas el proceso de estirado de esta. Consiste básicamente en la existencia de un horno tubular abierto, en cuyo interior se somete la preforma a una temperatura de 2.000 °C, logrando así el reblandamiento del cuarzo y quedando fijado el diámetro exterior de la FO. Este diámetro se ha de mantener constante mientras se aplica una tensión sobre la preforma, para lograr esto precisamente la constancia y uniformidad en la tensión de tracción y la ausencia de corrientes de convección en el interior del horno, son los
Empalmes y conexión de fibras ópticas Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Los conectores son dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz. Realizan la conexión del emisor y receptor óptico. En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia. Los empalmes son las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra. Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de: Emisor óptico a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector.
Las pérdidas de unión son causadas frecuentemente por una mala alineación lateral, mala alineación de separación, mala alineación angular, acabados de superficie imperfectos y diferencias ya sea entre núcleos o diferencia de índices, como los indicados en la siguiente figura.
•
manguitos metálicos
•
manguitos termoretráctiles
•
manguitos plásticos.
ANTENAS Una 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. Técnicas de empalme
Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y
Existen fundamentalmente 2 técnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre sí fibras ópticas.
la longitud
Empalme por fusión: Se realiza fundiendo el núcleo, siguiendo las etapas de:
Parámetros de una antena
•
preparación y corte de los extremos
•
alineamiento de las fibras
•
soldadura por fusión
•
protección del empalme
Empalme mecánico: Este tipo de empalme se usa en el lugar de la instalación donde el desmontaje es frecuente, es importante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras permanentemente. Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe proteger con:
de
onda de
la
señal
de
radiofrecuencia transmitida o recibida.
Diagrama de radiación o Patrón de radiación: Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección. Lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contrapolar al diagrama de radiación con polaridad contraria a la que ya tenía.
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. Diagr ama de radiación Los
parámetros
más
importantes
del
diagrama de radiación son:
Dirección de apuntamiento: Es la
Directividad: Se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.
de máxima radiación. Directividad y
D = U(max) / U(iso)
Ganancia.
Lóbulo principal: Es el margen
angular en torno a la dirección de
La Directividad no tiene unidades y se suele
máxima radiación.
expresar en unidades logarítmicas (dBi)
Lóbulos secundarios: Son el resto
de máximos relativos, de valor inferior
como: D = 10 * log(U(max) / U(iso))dBi
al principal.
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
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.
mitad.
Relación de lóbulo principal a
G = 10log[4pi * U(max) / P(in)]
secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.
Relación delante-atrás (FBR): Es el
cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.
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
El parámetro e es adimensional.
Impedancia de entrada: Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada.
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. Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas, según el sentido de giro del campo. En
el
marco
de
un coeficiente
antenas
de
se
define
desacoplo
por
polarización. Este mide la cantidad de 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 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 mitad de la potencia máxima. 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.
potencia que es capaz de recibir una antena polarizada de una forma con una longitud efectiva
de
incidente polarización
un
con .
campo una
De
eléctrico determinada
este
modo,
el
coeficiente de desacoplo por polarización 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:
Relación Delante/Atrás: Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta. Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiacción y el nivel de
Antenas de hilo: Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo.1 . Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:
radiacción a 180 grados. Este parámetro es
El monopolo vertical
especialmente útil cuando la interferencia
El dipolo y su evolución, la antena
hacia atrás es crítica en la elección de la
Yagi
antena que vamos a utilizar.
La antena espira
Esta relación, además lo podemos ver desde
La antena helicoidal es un tipo
otro punto de vista, indicando lo buena que
especial
es la antena en el rechazo de las señales
principalmente en VHF y UHF. Un
provenientes de la parte trasera.
conductor
de
antena describe
consiguiendo
así
una
que una
se
usa
hélice,
polarización
circular. P = Potencia radiada por la antena (Watts) i = Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes) Se podría obtener la eficiencia de una antena, dada que es la relación de la potencia radiada y la potencia disipada.
Clasificación clásica de las antenas
Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores. Antenas de apertura: La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces 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
generalmente ubicado en el foco de la
mínimo en el plano perpendicular al plano
parábola. El alimentador, en sí mismo,
de la antena,
también es una antena de apertura que puede utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia. Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, expresión, donde
, con la siguiente
es el área y
es la
longitud de onda:
Son poco afectadas por la tierra a partir de alturas superiores a un metro y medio. En contrapartida, estas antenas desarrollan tensiones de varios kilovolts en bornes, lo que significa que los materiales deben ser capaces de desarrollar esas tensiones. Las medidas de seguridad también se ven afectadas. Finalmente, el ancho de banda es de unos pocos kilohertz, lo que significa que en caso de cambio de frecuencia require un nuevo ajuste de la impedancia.
Antenas Microstrip: Las antenas Microstrip son un tipo de
Reflectores parabólicos
antenas planas. Son una extensión de la
Hay varios tipos de antenas de apertura,
línea de trasmisión Microstrip Las antenas
como
planas son monomodo. Son unas antenas
la antena
de
bocina,
la antena
parabólica, la antena parabólica del Radar
resonantes
Doppler y
wireless en microonda de banda estrecha
superficies
reflectoras
en
general.
impresas,
para
conexiones
que requiere una cobertura semiesférica. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen
Antenas planas:
usar como elmentos de un array. Antenas de bucle magnético:
Existen varios tipos de antenas microstrip,
Las antenas de bucle magnético consisten
la más común es la antena parche.Esta
en un bucle de forma circular, octogonal o
antena es de banda estrecha y esta fabricada
rectangular. El perímetro de la antena puede
cubriendo los elementos de la antena en un
ser del orden de la longitud de onda, o bien
metal con sustrato dieléctrico formando una
bastante menor.
superficie plana. Las formas más comunes
Estas
antenas
direccionalidad,
tienen con
el
una
elevada
máximo
de
recepción en el plano de la antena, y el
de los parches son cuadrados, rectangulares, circulares y elípticas pero es posible cualquier forma.
Estas antenas suelen estar montadas en
cuanta menos distancia haya se radiara
aviones, naves espaciales o incorporadas a
menos energía y más energía se quedara en
radios de comunicaciones móviles. Las
la inductancia y capacitancia de la antena
antenas microstrip son baratas de construir
con lo que el factor Q aumenta. La ecuación
gracias a su simple estructura. Estas antenas
para estimar el ancho de banda de estas
también son utilizadas en UHF ya que el
antenas es:
tamaño de la antena es directamente proporcional al ancho de banda de la frecuencia de resonancia.
Donde d es la altura del parche, W es el
Este tipo de antenas se diseñan a partir de
ancho, Z0 es la impedancia de espacio libre
líneas de transmisión o resonadores sobre
y Rrad es la resistencia de radiación de la
sustrato dieléctrico. Su estructura consiste
antena. Una ecuación reducida podría ser:
en un parche metálico sobre un sustrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor varía entre
0.003 y
0.05 y
su
constante
dieléctrica puede tomar valores entre 2 y 12. En la parte inferior hay un plano conductor perfecto. Las antenas parche son un tipo popular de antena cuyo nombre viene del hecho de que
Polarización circular
consisten básicamente en un parche de metal tapado por un soporte plano que
Polarización circular
normalmente es de plástico y lo protege de
También es posible fabricar antenas con
daños.
ondas polarizadas circularmente. Mirando el dibujo se puede ver como se introduce un retardador de frecuencia que lo que hace es desfasar el vector en 90º y así se consigue que sea una radiación circular. Algunas de las aplicaciones de estas
Antena parche
antenas son para antenas de los sistemas de teledetección, sistemas posicionamiento móviles,
Impedancia del ancho de banda La impedancia del ancho de banda de una antena está influenciado por el espacio que hay entre el parche y el soporte plano,
de
global,
aplicadores
de
antenas
de
calor
de
tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y todos los sistemas a frecuencias de microondas.
Antenas de apertura sintética (SAR): Este tipo de antenas o radares ilumina una
La característica principal de los arrays de
escena a través de una sucesión de pulsos
antenas es que su diagrama de radiación es
en una frecuencia determinada. Una parte
modificable,
de la energía que se propaga (en todas
diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se
direcciones) vuelve a la antena (eco).Un
consigue controlando de manera individual
censor mide la intensidad y el retardo de las
la amplitud y fase de la señal que alimenta a
señales emitidas y las que vuelven y con la
cada uno de los elementos del array.
pudiendo
adaptarlo
a
interpretación de estos últimos se forman imágenes en función de la distancia al
Atendiendo a la distribución de las antenas
radar. Este radar es un censor activo, ya que
que componen un array podemos hacer la
lleva su propia fuente de alimentación.
siguiente clasificación:
Opera principalmente en la radiación microondas, lo que hace que sea más
independiente de factores externos como
están dispuestos sobre una línea.
Arrays lineales: Los elementos
lluvia, nubosidad o niebla. Esto permite la Arrays Planos: Los elementos
observación continua, incluso en horario
nocturno.
están dispuestos bidimensionalmente sobre un plano.
Antenas de Array:
Arrays
conformados:
Los
elementos están dispuestos sobre una superficie curva.
A nivel de aplicación los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes. Una definición básica de un sistema de antenas Antena de Array Las antenas de array están formadas por un
inteligentes
configuración
es
adaptativa
cualquier
de
múltiples
antenas que mejoran el rendimiento de un sistema de comunicaciones inalámbricas.
conjunto de dos o más antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en
Las
su conjunto se comportan como una única
inteligentes con unos haces de radiación
antena con un diagrama de radiación
con una mayor directividad (es decir, mayor
propio.
características
de
las
antenas
ganancia y mayor selectividad angular),
radiolocalización,
tarificación
proporcionan múltiples ventajas:
geográfica, publicidad en servicios cercanos.
Incremento
de
la
zona
de
cobertura: Dado que la ganancia es mayor que en el caso de antenas
Clasificación funcional
omnidireccionales o sectorizadas.
Reducción de la potencia de
transmisión: La mayor ganancia de la
Antenas con reflector:
pueden utilizar antenas inteligentes con
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 se ven reflejadas y abandonan el reflector en forma paralela al eje de la antena.
configuración
Cuando se desea la máxima directividad de
antena
permite
incrementar
la
sensibilidad.
Reducción
del
nivel
de
interferencia: La mejor selectividad espacial de la antena permitirá al receptor discriminar las señales de usuarios interferentes a favor de la señal del usuario deseado. Incluso se
secundarias
antena donde
las
principal
y
secundarias
anulan las interferencias.
una
antena,
la
forma
del
reflector
generalmente es parabólica, con la fuente
Reducción de la propagación
multitrayecto: Debido a la menor
primaria localizada en el foco y dirigida hacia el reflector.
dispersión angular de la potencia
Las antenas con reflector parabólico, o
radiada, se reduce el número de
simplemente antenas parabólicas se utilizan
trayectorias que debe seguir la señal
extensamente
antes de llegar al receptor.
comunicaciones en las bandas de UHF a
en
sistemas
de
partir de unos 800 MHz y en las de SHF y Mejora de la seguridad: Gracias a
EHF. Entre sus características principales
que la transmisión es direccional, hay
se encuentran la sencillez de construcción y
una probabilidad muy baja de que un
elevada direccionalidad. La forma más
equipo
habitual
ajeno
intercepte
la
comunicación.
del
reflector
es
la
de
paraboloide de revolución, excitado por un alimentador situado en el foco.
Introducción de nuevos servicios:
Al poder identificar la posición de usuarios
se
un
puede
aplicar
a
Tipos básicos de antenas con reflector:
Offset
Una antena offset está formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro
Antena Foco Primario
del plato, sino a un lado del mismo (offset), Foco primario
La
superficie
de
un paraboloide de
de tal forma que el foco queda fuera de la estas
antenas
es
revolución. Las ondas
electromagnéticas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y dirigen al foco.
superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de Foco Primario, pudiendo ser de un 70% o algo más.
El foco está centrado en el paraboloide. Tienen
un
rendimiento
máximo
de
Este
Cassegrain tipo
de
antenas
presentan
una
aproximadamente el 60%, es decir, de toda
gran directividad, una elevada potencia en
la energía que llega a la superficie de la
el transmisor y un receptor de bajo ruido.
antena, el 60% lo hace al foco y se
Utilizar una gran antena reflectora implica
aprovecha.
grandes distancias del transmisor al foco (y
Su relativa gran superficie implica un
la imposibilidad de colocar equipos en él)
menor ángulo de anchura del haz (3 dB),
por lo que una solución es emplear un
por lo que la antena debe montarse con
segundo reflector o subreflector. En el caso
mayor precisión que una antena offset
del reflector parabólico Cassegrain el
normal. La lluvia y la nieve pueden
subreflector es hiperbólico.
acumularse en el plato e interferir en la
El reflector principal refleja la radiación
señal; Además como el LNB va montado
incidente hacia el foco primario. El
centralmente, bloquea muchas señales con
reflector secundario posee un foco en
su propia sombra sobre la superficie de la
común con el reflector parabólico.
antena.
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
plana incidente Antena Offset
convierte en
una onda
una esférica dirigida
hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar
una
onda
esférica
incidente
en
el
Bocina Cónica Corrugada (corrugaciones en la cara interna)
alimentador.
Según el modo de propagación transmitido se clasifican como: bocinas de modo
Bocina piramidal:
dominante, bocinas de modo dual y bocinas corrugadas.
Bocinas de modo dominante: se
sintoniza al modo predominante de la guía de onda circular, el modo TE11.
Bocinas multimodo: se sintoniza al
modo de propagación TE11 de la onda
Bocina Piramidal
que se propaga por la guía de onda, Es un tipo de bocina rectangular. Se
junto al modo TM11 que es el siguiente
ensancha tanto en el plano E como en el H,
modo de propagación.
lo que permite radiar haces estrechos en
ambos planos. Este tipo de bocinas son
ajustan a un modo híbrido (HE11), con
adecuadas
sistemas
lo que se consigue un ancho de haz
de polarización lineal. Su ganancia puede
amplio y simétrico gracias a lo cual el
calcularse exactamente a partir de sus
reflector se alimenta uniformemente.
dimensiones físicas por ello se suelen
Además con este tipo de bocinas se
utilizar como patrones de comparación en
consigue una polarización más pura.
para
Bocinas corrugadas (o híbridas): se
las medidas de ganancia. El diseño de una bocina piramidal requiere que su garganta coincida
con
la
guía
rectangular
de
alimentación.
La ganancia se puede calcular como:
Bocina cónica:
G=
Se utilizan fundamentalmente en antenas de satélites de haz global. Son las más adecuadas utilizar polarizaciones circulares,
Ganancia en estas antenas
para aunque
también pueden utilizar polarización lineal.
Diámetro reflector Eficiencia global La eficiencia total es debida a las siguientes eficiencias parciales:
Eficiencia de Iluminación aplicando el modelo de iluminación parabólica sobre pedestal (n=2)
Eficiencia combinada Eficiencia por Contrapolar:
Eficiencia de Iluminación:
Es la medida de la pérdida de energía en la
Son las pérdidas de ganancia relacionadas
que el componente contrapolar radiada.
con la iluminación no uniforme de la
En los sitemas centrados que no introducen
apertura.
componente contrapolar, esta eficiencia
Eficiencia de Spillover:
mide las características del alimentador.
Es la pérdida de ganancia debida a la radiación del alimentador fuera del ángulo
Eficiencia por error en la superficie:
que contiene el reflector.
Esta relacionada con las desviaciones del
A medida que la ilumnación del borde crece
frente de fase en la apertura respecto a
aumenta la eficiencia de iluminación pero
la onda
disminuye la eficiencia de spillover.
distorsiones
El
punto
óptimo
para
la eficiencia
plana ideal, de
la
debidas
a
las
superficie
de
los
reflectores.
Combinada (Iluminación y Spillover), se sitúa típicamente en torno a C=-10dB,12dB.
Eficiencia por Bloqueo: Aparece a causa de la porción de apertura bloqueda por:
Alimentador (ó Subreflector).
Soportes del alimentador ó del
subreflector.
Pérdidas por desplazamientos:
Sistema
doble
con
superficies
conformadas para máxima ganancia: 85 al 90
Desplazamiento lateral: Antenas de dipolos
El desplazamiento lateral del alimentador
Un dipolo es una antena con alimentación
causa un apuntamiento del haz en sentido
central
contrario al movimiento del alimentador.
para transmitir o recibir ondas
Se produce una caída de la Ganancia y el
de radiofrecuencia. Estas antenas son las
Efecto de Coma (incremento asimétrico en
más simples desde el punto de vista teórico.
empleada
el nivel de los lóbulos secundarios hasta juntarse uno de ellos con el lóbulo principal).
Desplazamiento axial:
Dipolo corto: Un dipolo corto (o también llamado dipolo elemental) es un dipolo con una longitud mucho menor que la longitud de onda con
La variación en la posición del alimentador
polarización lineal (horizontal o vertical
a lo largo del eje z produce un error de fase
A 1 MHz de frecuencia la longitud de onda
de orden cuadrático en el campo de apertura
es de 300 m. Por tanto, la mayoría de las
que rellena los nulos del diagrama de
antenas se comportan como dipolo corto a
radiación y disminuye la ganancia.
frecuencias menores de 1 Mhz.
Ganancias típicas La ganancia de una antena reflectora de apertura circular se obtiene como:
G= La eficiencia total que se suele obtener es del orden de:
Reflector simple centrado: 60%
Sistema Cassegrain centrado: 65 al
70%
Sistema Offset: 70 al 75%
Antena de dipolo corto
Dipolo de media onda: Es un dipolo muy similar al dipolo corto pero en este caso la longitud es igual a la mitad de la longitud de onda.
logaritmo de la frecuencia de operación. El Dipolo doblado: Un dipolo doblado consiste en dos dipolos paralelos cortocircuitados en su extremo. Uno de los dipolos es alimentado en el centro por un generador.
diseño de estas antenas se realiza a partir de unas
ciertas
dimensiones
como
dimensiones de un dipolo o la separación que se van multiplicando por una constante. Una de los diseños más conocidos es la agrupación logoperiódica de dipolos.
El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que las reactancias se compensan y también
Antenas en recepción
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. Los elementos directores se colocan delante de la antena y refuerzan la señal en el sentido de emisión. Los elementos reflectores se colocan detrás y bloquean la captación de señales en la dirección opuesta al emisor.
Log periódica:
Antena logoperiódica. Una antena de tipo log periódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del
las
Los diferentes tipos de antenas y su irradiación.
El
campo
eléctrico
de
una
onda
El circuito equivalente y la fórmula son
electromagnética induce una tensión en
válidos para todo tipo de antena: que sea un
cada pequeño segmento del conductor de
dipolo simple, una antena parabólica, una
una antena. La corriente que circula en la
antena Yagi-Uda o una red de antenas.
antena tiene que atravesar la impedancia de
He aquí tres definiciones:
la antena. Utilizando el teorema de reciprocidad se puede
demostrar
que
el circuito
equivalente de Thévenin de una antena en El corolario de estas definiciones es que la
recepción es el siguiente:
potencia máxima que una antena puede extraer de una onda electromagnética depende exclusivamente de la ganancia de la antena y del cuadrado de la longitud de onda (λ).
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido.
es
la
tensión
del
circuito
equivalente de Thevenin.
es la impedancia del circuito
equivalente de Thevenin y es igual a la impedancia de la antena.
es la resistencia en serie de la
impedancia
de la antena.
es la ganancia de la antena (la
misma que en emisión) en la dirección de
donde
vienen
las
ondas
electromagnéticas.
es la longitud de onda. es el campo eléctrico de la onda
electromagnética incidente.
es el ángulo que mide el
desalineado del campo eléctrico con la antena.
CONCLUSIONES
Existen muchas formas de transmitir información a través de grandes distancias, una de estas formas son la fibra óptica y las antenas. La fibra óptica transporta información en forma de rayos de luz por medio de cables muy finos que comunican desde un punto hasta otro más lejano. Existen dos tipos de configuración de fibra óptica, monomodo y multimodo. En la configuración monomodo solo pasa un rayo de luz, mientras que en la multimodo pasan varios rayos de luz. Una antena es un dispositivo capaz de transportar información desde un punto a otro de manera
inalámbrica, transformando voltajes en ondas electromagnéticas o viceversa. Existen diferentes tipos de configuraciones para las antenas y cada una depende de su forma de fabricación y su aplicación.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN