Redes Inalámbricas Cables y antenas · Antenas Re ectores y ampli cadores Introducci on Si bien hablamos de redes inal ambricas existen numerosos componentes f sicos que estar an

IntroduccionLıneas de transmision

AntenasReflectores y amplificadores

Redes InalambricasCables y antenas

Esteban De La Fuente Rubio

SASCO

16 de febrero de 2012

Esteban De La Fuente Rubio Redes Inalambricas — Cables y antenas



Tabla de contenidos

1 Introduccion

2 Lıneas de transmisionCablesGuıas de ondasConectores y adaptadores

3 AntenasGlosarioPatrones de radiacionTipos de antenas

4 Reflectores y amplificadoresReflectoresAmplificadores




Introduccion

Si bien hablamos de redes inalambricas existen numerososcomponentes fısicos que estaran presentes en la red.

Se debe disponer de alimentacion, equipos, cables que llevenlos datos, antenas, torres, etc.

Este capıtulo se preocupa de las antenas y las lıneas detransmision (la conexion entre antena y transmisor).

La energıa debe ser transportada de la forma mas eficienteposible, reduciendo la perdida en el trayecto desde eltransmisor al receptor.




CablesGuıas de ondasConectores y adaptadores

Cables

Cable coaxial utilizado para la transmision de altas frecuencias.

Conductor central, aislante, malla y recubrimiento.

Senales viajan por la capa exterior del conductor central.

Mayor radio del conductor central, mayor flujo de senal.

Cable presenta atenuacion, medida en dB/m, la cual esproporcional a la frecuencia que se utiliza.





Cables (2)

Figura: Cable coaxial





Cables (3)

Mas corto, mejor: perdida de energia no es lineal.

Mas barato, peor: cables economicos estan pensados parafrecuencias menores a las utilizadas en redes inalambricascomputacionales.

No utilizar RG-58, disenado para ethernet o television.

Preferir cables como LMR, fabricados por Times MicrowavesSystems o equivalentes.

Utilizar cables con los conectores incorporados.

No maltratar, no doblar, no tirar, apretar solo con las manos.





Cables (4)

Cable Impedancia [Ω] Perdida [dB/100m] Nucleo [mm]

RG-58 50 105.6 0.9RG-213 50 93.8 7 x 0.75

LMR-195 50 61.061 0.94LMR-400 50 21.703 2.74LMR-600 50 14.19 4.47

Cuadro: Tabla con diferentes cables coaxiales y perdidas a 2.4 [GHz]

http://www.timesmicrowave.com/cgi-bin/calculate.pl


http://www.timesmicrowave.com/cgi-bin/calculate.pl




Cables (5)

(a) 100, 195 y 200 (b) 240, 400 y 600

Figura: Cable LMR de Times Microwaves Systems





Guıas de ondas

En una guıa de ondas se utiliza un tubo (rectangular, circularo elıptico) el cual mediante reflexion en su interior confina yguıa las ondas electromagneticas en su interior.

Ya que el medio conductor es el aire, la atenuacion dentro deltubo es baja comparada con los cables coaxiales.

Esta idea es la que permite que ondas de muy baja frecuenciareboten entre la tierra y la ionosfera (donde dicho espacio secomporta como una gran guıa de ondas).

Si el extremo de la guıa de ondas es abierto, irradiara la senalal medio convirtiendose en una antena.





Conectores y adaptadores

Los conectores permitiran unir los componentes de la cadenade transmision, ya sea al dispositivo transmisor, otros cables,guıas de ondas o antenas.

Conectores introducen perdidas adicionales a la lınea detransmision, evitar tener la lınea seccionada.

Utilizar cables de fabricacion industrial, probados ycertificados.

Rotar el conector sin herramientas, usar solo la mano.

Utilice un ‘pigtail’ para unir elementos con diferentesconectores.





Conectores y adaptadores (2)

Conector Frecuencia Observacion

BNC 3 GHz Comunes en Ethernet 10base2TNC 12 GHz Version roscada de BNC

N 18 GHz Comunes en microondasSMA 18 GHz Conectores pequenosSMB 4 GHz Version mas pequena de los SMA

Cuadro: Tabla con diferentes conectores

Fabricantes pueden usar variaciones de los conectores (por ejemplo,invirtiendo el hilo o el genero).





Conectores y adaptadores (3)

(a) TNC (b) N (c) R-SMA

Figura: Diferentes conectores




GlosarioPatrones de radiacionTipos de antenas

Antenas

Una antena transforma la senal electrica que viaja por la lıneade transmision en una onda electromagnetica que es irradiadaal medio.

Antenas poseen caracterıstica de reciprocidad, mantienen suscaracterısticas ya sea que esten transmitiendo o recibiendo.

Antenas son especıficas para cierta frecuencia.

La forma en que las ondas son irradiadas se llama patron (odiagrama) de radiacion.





Impedancia de entrada

La impedancia en los elementos de la cadena de radiofrecuencia debe ser la misma.

Antenas y lıneas de transmision generalmente utilizan 50Ω.

Menor impedancia, mas eficiencia en la transmision.

Si los componentes poseen diferente impedancia la eficienciade la cadena se vera afectada.





Ancho de banda

Rango de frecuencias en el cual la antena opera de formacorrecta.

Una antena podrıa estar optimizada para funcionar en ciertoscanales de la banda utilizada para 802.11 o bien podrıafuncionar correctamente en toda esa banda.





Directividad

Enfoque de la energıa en una direccion particular.

No siempre sera necesario irradiar en todas las direcciones.

Enlaces punto a punto requeriran antenas lo mas direccionalesposible.

La antena omnidireccional es utilizada cuando no se sabe laubicacion de los clientes que se conectaran al nodo.

Antenas sectoriales son recomendadas cuando clientes estanen cierto rango (angulos) del nodo que irradia.





Ganancia

Es expresada como una comparacion entre la antena a medir yuna antena estandar medida a la misma potencia detransmision.

Antenas estandar: isotropica y antena dipolo de media onda.

Antenas irradian la misma energıa que la antena estandar.

Energıa ‘extra’ irradiada en una direccion, faltara en otra.

La ganancia de una antena en una direccion dada es la cantidad deenergıa radiada en esa direccion comparada con la energıa quepodrıa radiar una antena isotropica en la misma direccionalimentada con la misma potencia.





Ganancia (2)

dBi

Ganancia de la antena comparada con una antena isotropica.

dBd

Ganancia de la antena comparada con una antena dipolo de mediaonda.





Patrones de radiacion

Describen la intensidad del campo radiado en variasdirecciones desde la antena a una distancia constante.

El patron de radiacion se calcula en un plano, y en todos losangulos que la rodea.

Generalmente en el plano horizontal y en el plano vertical.

Diagramas pueden representados en coordenadasrectangulares o polares.





Patrones de radiacion (2)

Figura: Patron de radiacion en coordenadas rectangular antena Yagi 10elementos 2.4 [GHz]






Figura: Patron de radiacion en coordenadas polar antena Yagi 10elementos 2.4 [GHz]






Lobulos laterales

Parte de la energıa irradiada en otras direcciones a la direcciondeseada.

Nulos

Aquellas zonas donde la energıa irradiada se encuentra en unmınimo.






Figura: Patron de radiacion polar 3d antena Yagi 6 elementos 144.1[MHz]






Figura: Patron de radiacion polar 3d antena Yagi 6 elementos 2400 [MHz]






Patron de radiacion cercano a la antena suele ser diferente alpatron a largas distancias.

Se definen los terminos: campo cercano y campo lejano (ocampo de radiacion).

Diagramas de antenas medidos en el campo lejano.

Distancia mınima para encontrarse en campo lejano

rmin = 2d2

λ





Ancho del haz

Corresponde a la distancia angular en la direccion de interesde la potencia irradiada.

Suponiendo que la mayorıa de potencia no se irradia porlobulos laterales, la ganancia directiva es inversamenteproporcional al ancho del haz.

Mientras menor sea el angulo de apertura del haz mayorsera la ganancia de la antena.





Polarizacion

Orientacion del campo electrico de una ondaelectromagnetica.

Se describe por una elipse, casos especiales:

Polarizacion lineal: vector del campo electrico se mantiene enel mismo plano (horizontal, vertical o en un punto intermedio).Polarizacion circular.

Antenas omnidireccionales

Siempre polarizacion vertical, direccion del campo electrico (~E ) dearriba a abajo.





Desadaptacion de la polarizacion

Para transferir la maxima potencia de una antena a otra lasantenas deben poseer la misma polarizacion.

De forma contraria existira una reduccion en la transferenciade energıa entre ambas antenas.

Antena pueden ser rotada en 90 (o el angulo necesario) paracorresponder con la polaridad del otro extremo del enlace.

La polarizacion puede ser utilizada para disminuir interferenciadesde otras ondas electromagneticas del medio.

Perdida por incorrecta alineacion

Perdida = 20 ∗ log10(cosθ)[dB]





Relacion ganancia adelante/atras

Razon entre la ganancia respecto a la directividad maxima dela antena versus la directividad en la direccion opuesta.

En una antena omnidireccional esta relacion sera 1.

ratio = Ganancia maximaGanancia maxima+180





NEC2

Numerical Electromagnetics Code, es un paquete demodelacion de antenas.

Diseno de la antena se describe en un archivo de texto.

Permite visualizar el patron de radiacion electromagnetica en3d.

Software QAntenna permite visualizar los patrones deradiacion.





Clasificacion de las antenas

Frecuencia y tamano: antenas deben ser diferentes entamanos para irradiar de forma correcta en una longitud deonda especıfica.

Directividad: omnidireccionales, sectoriales o directivas.

Construccion fısica: mallas, platos parabolicos, ranuradas,dipolo, etc.

λ2,4[GHz] = 0,125[m] ; λ5[GHz] = 0,06[m]





Ejemplo de antenas

(a) Yagi (b) Biquad

Figura: Tipos de antenas




ReflectoresAmplificadores

Reflectores

Reflector parabolico perfecto refleja todas las ondas recibidasen el plato en un unico punto central, llamado foco.

Al transmitir proceso inverso reflejando en muchas ondas laemitida por el foco.

El diametro del plato sera proporcional a la ganancia delreflector.





Amplificadores

Antenas no crean potencia y el transmisor tiene un lımite alcual operar.

Para transmitir a una mayor potencia se pueden utilizaramplificadores de potencia.

Se conecta entre el transmisor y la antena, y a una fuente deenergıa.

Sin embargo presentan ciertos inconvenientes, por la cualdiversas bibliografıas no recomiendan su uso.





Amplificadores (2)

Alto costo.

Se necesitan en ambos lados del enlace.

No proveen de direccionalidad, solo amplificaran todas lassenales (utiles o de interferencia).

Generan ruido a otras redes inalambricas.

Puede ser ilegal.

Recomendacion

Utilizar antenas de mayor ganancia en vez de amplificadores.


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