Transmisión por Canal Radioeléctrico

Transmisión por Canal

Radioeléctrico

La Onda Electromagnética El Espectro Electromagnético Polarización de las Ondas Electromagnéticas Bandas de Frecuencias Para Operación de Sistemas Frecuencias Utilizadas en Enlaces Radioeléctricos Medios de Transmisión Radiación Diagrama en Bloques de una Red de Microondas Ruido Medidas de Transmisión Transmisión por Canal Radioeléctrico

CONTENIDO

LA ONDA ELECTROMAGNÉTICA

Las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano del tiempo, son perpendiculares a las oscilaciones del campo magnético, y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Una onda electromagnética es una onda transversal compuesta por un campo eléctrico y un campo magnético simultáneamente. Ambos campos oscilan perpendicularmente entre sí.

Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son: Frecuencia (f), Longitud ( ) y Amplitud (A)

La distancia horizontal existente entre dos picos o valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro se denomina “longitud de onda” ( ) .


La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo

La amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o “cero”.


Cresta

valle

Nodo

La polarización electromagnética es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización.

Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Una onda plana uniforme viajando en la dirección Z tendrá vectores E y H en el plano X - Y

La polarización de una onda plana uniforme se refiere al comportamiento en la variación en el tiempo de la intensidad del vector campo eléctrico en algún punto fijo en el espacio.


Sí ambas componentes (Ex y Ey) están presentes, el campo eléctrico resultante tendrá una dirección y magnitud dependiente de la magnitud y fase relativa de Ex y Ey.


LINEAL

La polarización lineal se produce cuando ambas componentes están en fase (cuando ambas componentes del campo eléctrico alcanzan sus máximos y mínimos simultáneamente) o en contrafase (cuando cada una de las componentes alcanza sus máximos a la vez que la otra alcanza sus mínimos).

La relación entre las amplitudes de ambas componentes determina la dirección de la oscilación, que es la dirección de la polarización lineal (Vertical / Horizontal)

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Polarización Lineal

Para Ey=0 y Ex0 Polarización Horizontal.

Para Ex=0 y Ey0 Polarización Vertical.

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Polarización Lineal

En la polarización circular Las dos componentes ortogonales tienen la misma amplitud y están desfasadas 90° (una componente se anula cuando la otra componente alcanza su amplitud máxima o mínima).

La componente X puede estar 90° adelantada o retrasada respecto a la componente Y, lo que determina el sentido de giro del campo eléctrico (horario o antihorario). La trayectoria trazada en el plano por la punta del vector de campo eléctrico tiene la forma de una circunferencia.

CIRCULAR

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Polarización Circular

Polarización CircularPOLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Giro en Sentido Horario

Giro en Sentido Anti-Horario

ELÍPTICA

La polarización elíptica corresponde a cualquier otro caso diferente a los anteriores, es decir, las dos componentes tienen distintas amplitudes y el ángulo de desfase entre ellas es diferente a 0° y a 180° (no están en fase ni en contrafase)

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Polarización Elíptica

POLARIZACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Polarización Elíptica

Ambas componentes están presentes

BANDAS DE FRECUENCIAS PARA OPERACIÓN DE SISTEMAS

KHz MHz GHz THz

SHF (Frecuencia Súper Alta) De 3 GHz a 30 GHz. Banda Centimétrica (1 ≤ ≤ 10 cm).

UHF (Frecuencia Ultra Alta) De 300 MHz a 3 GHz. Propagación Troposférica.

FRECUENCIAS UTILIZADAS EN ENLACES RADIOELÉCTRICOS

EHF (Frecuencia Extremadamente Alta) De 30 a 300 GHz. Banda Milimétrica (1 ≤ ≤ 10 mm).Radioastronomía.

El espectro radioeléctrico o de ondas de radio comprende desde los 3 kHz de frecuencia (100.000 m -100 Km), hasta los 30 GHz de frecuencia ( 0,001 m -1 mm).

FRECUENCIAS UTILIZADAS EN ENLACES RADIOELÉCTRICOS

SUB-BANDA FRECUENCIA (GHz) (cm)S 1,5 a 8 10X 8 a 12,5 3K 12,5 a 40 1,1Q 40 a 50 0,8

Características más relevantes:

Haces muy directivos

Se requiere muy poca potencia de Tx

Gran ancho de banda

Las antenas utilizadas son parabólicas

Se afectan mucho por la atmósfera

CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN EN LA BANDA DE MICROONDAS

MEDIOS DE TRANSMISIÓN

En los sistemas de trasmisión de datos, el medio de transmisión es el camino físico entre el transmisor y el receptor.

Medios de Transmisión

Guiados

No Guiados

Las ondas electromagnéticas se confinan en un medio sólido, como por ejemplo, el par trenzado de cobre, el cable de cobre coaxial o la fibra óptica.

La atmósfera o el espacio exterior son ejemplos de medios no guiados, que proporcionan un medio de transmisión de las señales pero sin confinarlas; esto se denomina transmisión inalámbrica.

Las características y calidad de la transmisión están determinadas tanto por el tipo de señal, como por las características del medio

MEDIOS DE TRANSMISIÓNFactores que determinan el alcance y la velocidad

Atenuación: Limita la distancia de transmisión.En los medios guiados, el par trenzado sufre mayor atenuación

que el cable coaxial, que a su vez, es más vulnerable que la fibra óptica.

Interferencias:Presencia de señales en bandas de frecuencias próximas pueden

distorsionar o destruir completamente la señal. Afectan mayormente en lo medios de transmisión no guiados.

Ancho de Banda:El aumento el ancho de banda de la señal permite el incremento

de la velocidad de transmisión.

Es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas.

Afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNPrincipio de Huygens

La superposición de las ondas esféricas producidas por los focos secundarios conforman un nuevo frente de onda.

El nuevo frente de onda es la superficie que contiene a nuevos focos secundarios y así sucesivamente.

Un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza.



Frente de Onda:

Superficie de onda que se encuentra más alejada del punto de inicio de la vibración, que se forma en cada instante que la onda alcanza puntos de idéntica fase.

Es una superficie compuesta por todos los puntos del medio que son alcanzados por el movimiento ondulatorio al mismo tiempo. Todos los puntos de un frente de onda se desplazan en fase.

Las ondas de radio están sometidas a una serie de efectos: absorción, reflexión, difracción, refracción e interferencia.

Las ondas de radio transfieren energía al medio cuando viajan. Ciertos materiales absorben la radiación y la transforman en calor o energía eléctrica.

Se utiliza el coeficiente de absorción (en dB/m) para describir el impacto del medio en la radiación, que se traduce en una atenuación de la energía de la onda.

De fuerte absorción son los metales y en el rango de microondas, el agua en todas sus formas (lluvia, neblina y la contenida en el cuerpo humano).

De absorción intermedia son las rocas, ladrillos y concreto, al igual que la madera y los árboles, dependiendo de su concentración de agua.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNAbsorción

La reflexión electromagnética ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera de dos medios y algo o todo de la potencia incidente no entra al segundo material. Las ondas que no penetran al segundo medio se reflejan.

ReflexiónMEDIOS DE TRANSMISIÓNReflexión

La reflexión invierte la polaridad de la onda incidente, equivalente a un desplazamiento de 180° o al cambio de dirección del campo E del frente de onda.

La Reflexión especular se produce sobre superficies lisas

La reflexión Difusa se produce sobre superficies irregulares ó ásperas

MEDIOS DE TRANSMISIÓNReflexión

Reflexión Difusa

Reflexión Especular

DISPERSIÓN

La reflexión varía de acuerdo con la superficie:


Las superficies que se encuentran entre superficies lisas e irregulares (semi-ásperas) producen una mezcla de reflexión difusa y especular.

Criterio de Rayleigh: Una superficie semi-áspera produce reflexión especular, cuando se cumple que:

d es la profundidad de la irregularidad de la superficie. es la longitud de la onda incidente


di 8cos

i

d

Rayo ReflejadoRayo Incidente

Debido a que las ondas reflejadas permanecen en el medio 1, la velocidad no varía.

El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia (i = r).

La intensidad del campo de voltaje reflejado es menor que la intensidad del campo de voltaje incidente.

La relación de las intensidades de voltaje reflejado a incidente se llama coeficiente de reflexión ()


Expresión matemática del Coeficiente de Reflexión:

Donde:: coeficiente de reflexión (sin unidades) Ei = Intensidad del voltaje incidente (volts) Er = Intensidad del voltaje reflejado (volts) i = Fase incidente (grados)r = Fase reflejada (grados)

ir

i

rj

i

rj

i

jr e

E

E

eE

eE


La reflexión de ondas ocurre en metales, en agua y en tierra. El principio básico es que la onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta la superficie.

ReflexiónMEDIOS DE TRANSMISIÓNReflexión

Pola

rizac

ión

para

lela

al p

lano

de

inci

denc

ia.

Pola

rizac

ión

perp

endi

cula

r al

pla

no d

e in

cide

ncia

.

En el diseño de antenas son útiles las superficies reflectoras, como el reflector plano y el parabólico.

La onda radiada o recibida se apunta al reflector, el cual la enfoca en un haz angosto y la refleja hacia su destino.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNReflectores de Antenas

Refracción

Es la desviación que sufre un frente de onda cuando pasa de un medio a otro de diferente densidad, cambiando de velocidad y de dirección.

n1 es un medio con una velocidad de propagación mayor que en n2

MEDIOS DE TRANSMISIÓNRefracción

v

cn

n = índice de refracción (sin unidades)c = velocidad de la luz 3 x 108 m/s) v = velocidad de la luz en un material dado (m/s)

1

2

2

1

n

n

sen

sen

1

2

2

1

r

r

sen

sen

n1 = índice de refracción del material 1n2 = índice de refracción del material 2 1 = ángulo de incidencia (grados)2 = ángulo de refracción (grados)

Refracción MEDIOS DE TRANSMISIÓNRefracción

Ley de Snell

r1 = constante dieléctrica del medio 1

r2 = constante dieléctrica del medio 2

Pola

rizac

ión

para

lela

al p

lano

de

inci

denc

ia.

Pola

rizac

ión

perp

endi

cula

r al

pla

no d

e in

cide

ncia

.



Cuando el medio de transmisión presenta gradientes del índice de refracción (atmósfera):

Se define como la redistribución de energía, dentro de un frente de onda, cuando pasa cerca del extremo de un “objeto opaco”.

La difracción es el fenómeno que permite que las ondas de luz o de radio se propaguen alrededor de las aristas.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNDifracción

Frente de Onda IncidenteFrente de Onda Difractado

Huygens: cada punto de un frente de onda esférica se puede considerar como una fuente secundaria de puntos de ondas electromagnéticas, desde donde se irradian hacia afuera otras ondas secundarias (ondas pequeñas).

MEDIOS DE TRANSMISIÓNDifracción

Si la onda de radio encuentra un obstáculo en su trayectoria las fuentes puntuales del frente de onda, en las orillas del obstáculo, desarrollan ondas esféricas adicionales (Principio de Huygens) que rellenan la zona de sombra.

Por esta razón una estación AM que opera a 1000 kHz ( = 300 m) se oye fácilmente aún cuando hayan considerables obstáculos en su trayecto. Mientras que con redes WLAN ( = 12 m) se requiere línea de vista entre transmisor y receptor.

Refracción MEDIOS DE TRANSMISIÓNDifracción

Ocurre cuando dos o más ondas electromagnéticas se combinan de tal forma que el funcionamiento del sistema se degrada.

La interferencia se sujeta al principio de superposición lineal de ondas electromagnéticas y ocurre cada vez que dos o más ondas ocupan, simultáneamente, el mismo punto en el espacio.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNInterferencia

MEDIOS DE TRANSMISIÓNInterferencia

Suma lineal de dos vectores con diferentes ángulos de fase.

El principio de superposición lineal indica que la intensidad total de voltaje, en un punto determinado en el espacio, es la suma de los vectores de ondas individuales.

Interferencia

Dos ondas con una misma frecuencia pueden amplificarse o anularse entre sí, dependiendo de la relación de fase (posición relativa de las ondas) entre ellas.

Para que esto ocurra en su forma más pura (máxima amplificación o anulación completa), las ondas deben tener exactamente la misma y energía y una relación de fase específica y constante.

Refracción MEDIOS DE TRANSMISIÓNInterferencia

Las propiedades de la Tierra y de las distintas capas de la atmósfera afectan el comportamiento de las ondas de radio, en mayor o menor grado dependiendo de la frecuencia de la onda.

Las trayectorias básicas de propagación que una señal puede tomar a través del espacio libre, son:

MEDIOS DE TRANSMISIÓNModos de Propagación de Ondas Electromagnéticas

La onda de superficie o terrestre es una onda polarizada de manera vertical que sigue la superficie de la Tierra y por tanto, sigue su curvatura para propagarse más allá del horizonte.

Aplicación.- La banda de radiodifusión AM estándar (530 a 1.700 kHz) se basa principalmente en la propagación de onda de superficie que es de largo alcance y gran estabilidad, aunque le afecta mucho el tipo de terreno.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNPropagación por Onda de Superficie

La onda se refleja en las capas ionizadas de la atmosfera; allí las moléculas de aire se ionizan por la radiación solar. Estas capas están entre 60 y 400 km de altura.

• Propagación en el día:En el día las capas están fuertemente ionizadas. Las ondas de frecuencias f < 10 MHz son absorbidas por las capas D y E.Las ondas de frecuencias entre 10 MHz < f < 30 MHz, son reflejadas a Tierra por las capas F1 y F2.

• Propagación en la noche:En la noche, desaparecen las capas D y E y la capa F está débilmente ionizada.Las ondas de frecuencias f < 10 MHz son reflejadas a Tierra por las capas F, por lo que, a estas frecuencias, es posible la comunicación. Las ondas de frecuencias entre 10 MHz < f < 30 MHz atraviesan todas las capas y no retornan a Tierra.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNPropagación Ionosférica

Para señales fuertes es posible hasta 20 saltos. La máxima distancia de un salto es 3.200 Km (Es posible rodear la Tierra).

Aplicación.- Tiene uso amplio en comunicaciones de barcos y aviones, comunicación militar y radioaficionados. Además, por supuesto, existe la radiodifusión de onda corta. Esta propagación tiene gran alcance pero con poca estabilidad.

Saltos de frecuencias en propagación ionosférica

MEDIOS DE TRANSMISIÓNPropagación Ionosférica

Región de dispersión

troposférica

Utilizada comercialmente antes de la aparición de los satélites artificiales para enlazar estaciones situadas más allá del alcance óptico y por difracción. Consiste en «iluminar» con equipos de alta potencia y antenas de alta ganancia una zona de la tropósfera «visible» por ambas estaciones.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNDispersión Troposférica

La onda electromagnética se propaga en radiación directa de la antena transmisora a la receptora a través de la tropósfera. Se la conoce también como propagación por línea de vista y troposférica.

En la propagación troposférica por línea de vista, pueden existir reflexiones desde la Tierra, pero es más probable que cause problemas a que incremente la intensidad de la señal.

Aplicación.- Radioenlaces, sistemas de microondas terrestre y satelital, telefonía móvil, difusión de televisión terrestre y satelital.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNPropagación por Línea de Vista

La onda espacial es también la base para la comunicación por satélite.

Aplicación.- Una aplicación importante son los radioenlaces de microondas satelitales que se explotan entre 2 a 50 GHz. Se llaman así porque uno de los terminales, transmisor o receptor, está en un satélite.

MEDIOS DE TRANSMISIÓNPropagación por Onda Espacial

Una corriente de alta frecuencia que recorre un cable da origen a una serie de campos magnéticos y eléctricos sucesivos, cuyos planos son perpendiculares entre sí y que se propagan en el espacio.

Existen 2 regiones de radiación electromagnética:

Campo Cercano

Campo Lejano

RADIACIÓNFormación de la Onda Electromagnética

Sea D es la longitud total de la antena y r la distancia desde el punto de radiación y un punto de medición ubicado arbitrariamente en el espacio de propagación se determina lo siguiente:

Campo Cercano Campo Lejano

a b

c

a

c

b

RADIACIÓNRegiones de Radiación

Elemento radiante o transductor que convierte la energía electromagnética de una línea (cable) en potencia electromagnética radiada en el espacio libre.

Consideraciones de Diseño:Lograr radiar la máxima energía que se le entrega. No debe consumir energía.Concentrar la energía radiada lo más eficazmente posible de la

forma requerida y en una dirección o direcciones preferentes.

RADIACIÓNAntenas

Clasificación según su forma:Antenas de Hilo (Dipolos)De Apertura (Bocinas)Antenas PlanasParabólicas Arreglos de Antenas

Clasificación según su Patrón de Radiación:IsotrópicasOmnidieccionalesDiectivas

RADIACIÓNAntenas

Parámetros EspacialesPatrón o Diagrama de radiación

Dirección de apuntamientoLóbulo PrincipalLóbulo SecundarioAnchura de HazRelación Frente – Espalda

Ancho de banda Densidad de Potencia Directividad (D) Ganancia (G) Eficiencia Impedancia de entrada Polarización

RADIACIÓNParámetros de una Antena

Patrón de Radiación: Representa una grafica tridimensional de la energía radiada por

la antena. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por

la antena vista de perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía radiada vista

directamente desde arriba.


Patrón de Elevación Patrón de Azimuth

RADIACIÓNParámetros de una AntenaPatrón de Radiación


Dirección de apuntamiento: Dirección de máxima radiación de energía Ѳ0


Lóbulo Principal: Margen angular correspondiente a la zona próxima al máximo y comprendido entre éste y los mínimos relativos que lo rodean.


Lóbulo Secundario: (SLL) El mayor de los máximos secundarios medido respecto al máximo principal.


Anchura de Haz: Es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación).


Relación Frente – Espalda (Front-Back): Es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiación y el nivel de radiación a 180 grados.


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.

En términos físicos, la densidad de potencia S en el espacio es la cantidad de potencia que fluye por cada m2 de una superficie perpendicular a la dirección de propagación.

RADIACIÓNDensidad de Potencia

El producto vectorial de los vectores de campo E y H corresponde al módulo del Vector de Poynting, que en condiciones de campo lejano apunta siempre en la dirección de propagación.

¿Qué es el radiador isotrópico?

¿Qué densidad de potencia produce?

Es una antena ideal perfectamente omnidireccional, que radia la señal en forma de esfera perfectamente uniforme, con la misma intensidad en todas las direcciones.

La densidad de potencia (Si), en W/m2, sería la potencia radiada o transmitida (PT) entre el área de la superficie de la esfera (4πr2).

RADIACIÓNDensidad de Potencia

La ganancia GT de una antena transmisora de bajas pérdidas (η ≈ 1) es GT = D. Por tanto, su densidad de potencia se escribe:

RADIACIÓNDensidad de Potencia de una Antena Directiva

RADIACIÓNDirectividad de una Antena

La directividad D es una indicación de la capacidad de la antena para conducir la potencia radiada hacia un “determinado emplazamiento”. Normalmente, se habla de antenas omnidireccionales y directivas.

La ganancia de una antena se define como G = ·D, donde es el rendimiento de radiación que indica la eficacia de la antena. Por tanto, la ganancia comprende una posible pérdida ()

En la mayoría de las antenas la pérdida es tan baja que se puede considerar G = D.

La directividad D se calcula como la razón entre la densidad de potencia en la dirección de máxima radiación (S) y la que radiaría un radiador isotrópico (Si) con la misma potencia radiada (PT)

RADIACIÓNDirectividad y Ganancia de una Antena

Una antena se modela como una impedancia compleja (ZA) que varía con la frecuencia.

R Resistencia de pérdidas:Representa la potencia disipada.

XA Reactancia de la antena: Representa la inductancia de los conductores que forman la antena y su capacitancia respecto al plano de tierra.

Rr Resistencia de radiación:Representa la capacidad de disipación de potencia mediante radiación al espacio.

RADIACIÓNImpedancia de una Antena

Circuito equivalente de la antena en

transmisión

Las antenas se diseñan para resonar a la frecuencia central de la banda de utilización, puesto que así se facilita la adaptación de impedancias a la línea de transmisión que es siempre real. Por tanto XA = 0.

No toda la potencia entregada a la antena se traduce en potencia radiada. El cociente entre la potencia radiada y la entregada corresponde al rendimiento de radiación (η).

RADIACIÓNEficiencia de una Antena

Qué es una Onda Estacionaria?

Onda que se caracteriza por la fijación en el tiempo de la resultante de una onda transmitida y otra reflejada, que oscila desde el valor nulo hasta un máximo en los antinodos.

RADIACIÓNRelación de Onda Estacionaria (ROE ó SWR)

Si la impedancia ZA de la antena no es igual que la impedancia Z0 del cable, la antena refleja parte de la energía incidente a través del cable de alimentación hacia el transmisor.

La suma de la onda incidente y su onda reflejada forman la onda estacionaria.

Lo ideal es un acoplamiento perfecto.

RADIACIÓNRelación de Onda Estacionaria (ROE ó SWR)

Para valores de SWR > 2, el % de energía reflejada es muy elevado y deben tomarse medidas para reducirlo.

Transferencia de Potencia

Si SWR = 1 el % de energía reflejada es 0.

Si SWR = 1.5 se refleja el 4 % de la energía.

Para valores de SWR 2, el % de energía reflejada es <10 %.

Una onda electromagnética que se propaga por el espacio consiste en campos E y H que varían juntos, en tiempo y espacio. La razón entre las intensidades de ambos campos se conoce como impedancia característica del espacio libre y se expresa en .

RADIACIÓNImpedancia del Espacio Libre

Generadores de Microondas

Dispositivos de Estado sólido

FETsBJTs

Diodos GunnDiodos IMPATT

Tubos de VacíoKlistron

TWTGirotón

RADIACIÓNGeneradores de Microondas

Es una válvula de vacío de electrones En la última etapa se genera un campo eléctrico que es función

de la velocidad modulada del haz de electrones y que finalmente genera una corriente de microondas.

Se utiliza como amplificador en la banda de microondas o como oscilador.

GENERADORES DE MICROONDASEl Klystron

Dispositivo electrónico usado para amplificar señales de radio frecuencia (RF).

Puede ser de banda estrecha o de banda ancha.El rango de frecuencias entre los 300 MHz hasta los 50 GHz. La ganancia puede llegar hasta los 70 decibeles.

GENERADORES DE MICROONDASEl Tubo de Onda Progresiva

Fuente de radiación de microondas de alta frecuencia y alta potencia.

Se considera el primer dispositivo generador de rayos de microondas de alta frecuencia de la historia.

Fabricación de osciladores y amplificadores de circuitos de microondas.

Generadores de Microondas (SHF)GENERADORES DE MICROONDASEl Girotrón

Cuando se aplica un voltaje determinado la zona intermedia comienza a conducir en la zona de resistencia negativa.

La frecuencia de la oscilación, está determinada parcialmente por las propiedades de la capa o zona intermedia del diodo, pero también puede ser ajustada exteriormente.

Material de elaboración: Arseniuro de Galio (GaAs ) 20 GHzNitruro de Galio (GaN) 3 THz

Conformado por 3 regiones tipo N, dos de ellas fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente dopado).

GENERADORES DE MICROONDASEl Diodo Gunn

SISTEMAS DE MICROONDASLos radios de microondas emiten señales usando como medio la

atmósfera terrestre, entre transmisores y receptoresPara una mejor emisión y recepción las antenas se ubican en la

cima de torres a distancias de 24 a 64 Km.No requieren instalaciones físicas, tales como los cables coaxiales

o fibras ópticas. Las ondas de radio se adaptan mejor para salvar grandes

extensiones de agua, montañas altas o terrenos muy boscosos que constituyen formidables obstáculos para los sistemas de cable.

SISTEMAS DE MICROONDASEntre las ventajas de radio de microondas están las siguientes:Los sistemas de radio no necesitan adquisiciones de derecho de vía

entre estaciones.Cada estación requiere la compra o alquiler de solo una pequeña

extensión de terreno.Por sus grandes frecuencias de operación, los sistemas de radio de

microondas pueden llevar grandes cantidades de información.Las frecuencias altas equivalen longitudes cortas de onda, que

requieren antenas relativamente pequeñas.

Las señales de radio se propagan con más facilidad en torno a obstáculos físicos (a través del agua o las montañas altas).

Para la amplificación se requieren menos repetidores.Las distancias entre los centros de conmutación son menores.Se reducen al mínimo las instalaciones subterráneas.Se introducen tiempos mínimos de retardos.Entre los canales de voz existe un mínimo de diafonía.Son factores importantes la mayor confiabilidad y menores

tiempos de mantenimiento.

SISTEMAS DE MICROONDAS

Generadores de Microondas (SHF)DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASLa Cadena de Emisión

DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASLa Cadena de Recepción

La banda base es la señal compuesta que modula la portadora de FM y puede incluir uno o más de los siguientes:

Canales de banda de voz con multicanalización por división de frecuencia: FDM.

Canales de banda de voz con multicanalización por división de tiempo: TDM.

Teléfono de imágenes o video compuesto con calidad de radiodifusión.

Datos de banda ancha.

DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASLa Banda Base

Si la distancia entre Tx y Rx es tal que la señal de RF no presenta los niveles adecuados para ser demodulada eficientemente y no es posible incrementar los niveles de potencia, se hace uso de etapas de relevo de la señal ubicados entre los Tx y Rx originales.

Generadores de Microondas (SHF)DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASRepetidores de Microondas

Típicamente, la distancia está entre 15 y 40 millas (24 y 64 Km)

Un repetidor de microondas consiste en un receptor y un transmisor colocados espalda con espalda o en tándem con el sistema.

Generadores de Microondas (SHF)DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASEl Repetidor de Microondas

REPETIDOR DE MICROONDAS

ACTIVOS

BANDA BASE (BB)

FRECUENCIA INTERMEDIA (IF)

PASIVOS

Generadores de Microondas (SHF)DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASClasificación de los Repetidores

La portadora de RF recibida se convierte en forma descendente a una frecuencia de IF, se amplifica y con nueva forma, se convierte ascendentemente a una frecuencia de RF que posteriormente se retransmite.

La señal nunca se demodula por debajo de la Frecuencia Intermedia por lo cual la configuración de la señal original no es afectada por el repetidor.

Generadores de Microondas (SHF)DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASEl Repetidor de Frecuencia Intermedia

DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASRepetidores en Banda Base (BB)

En este caso la portadora de RF recibida se convierte a una frecuencia de IF, se amplifica, se filtra y se demodula a banda base.

La señal de banda base es demodulada permitiendo su regeneración.

DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASRepetidores en Banda Base (BB)

La señal demodulada a banda base se vuelve a configurar para cumplir con las necesidades de ruteo de la red general de comunicaciones (se “sube y baja” tráfico).

En los repetidores pasivos o reflectores no hay ganancia Se limitan a cambiar la dirección de la señal.

Sitio 1

Sitio 2

Obstáculo

Generadores de Microondas (SHF)DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA RED DE MICROONDASLos Repetidores Pasivos

Las señales recibidas en sistemas de telecomunicación pueden verse afectadas por el ruido, el cual puede originarse en una gran variedad de fuentes.

El movimiento aleatorio de los electrones debido a la energía térmica provoca una potencia media de ruido dada por:

10logB0.001

KT10log

0.001

KTB10logN(dBm)

RUIDO

Donde: k - es la constante de Boltzmann (k =1.38 10⋅ −23 J / K)T - temperatura en KelvinB - Ancho de banda del espectro de ruido [Hz]

Ruido Térmico

Donde: LTe – Nivel umbral del receptor para un BER dado (sin interferencia) [dBW]k – constante de BoltzmannT – Temperatura absoluta en grados KelvinB – El ancho de banda IF en HertziosF – La figura de ruido del receptor en db

La relación señal ruido se denota como S/N e indica la cantidad de ruido que contiene una señal. Está expresada en decibelios (dB). Mientras más alto sea este valor, menor será la cantidad de ruido

presente en la señal.

RUIDORelación Señal a Ruido

El factor de ruido de un amplificador (o cualquier red) puede definirse en términos de la relación señal a ruido como se muestra a continuación:

La figura de ruido de un dispositivo totalmente sin ruido es la unidad o 0 dB

RUIDOFactor de Ruido (Noise Figure)

Este parámetro relaciona cuanto ruido adicional ha inyectado un elemento activo (amplificador o transistor) a la señal de entrada.

NF=1 Es un valor es casi imposible de obtener en la práctica ya que normalmente el amplificador inserta ruido adicional haciendo que el SNR de salida disminuya

RUIDOFactor de Ruido (Noise Figure)

Muy perturbada, apenas entendible, pérdida de sincronismo

Perturbada, comprensible

Audible, comprensible

Escasamente audible

No audible

El nivel umbral del receptor es función del ruido térmico y del factor de ruido del receptor.

Cualquier ruido adicional incrementará el BER y reducirá el rendimiento del sistema.

Relación de error de bit (BER) como función del nivel de entrada del receptor.

RUIDORuido en Sistemas Digitales

Para sistemas telefónicos tradicionales el sistema puede subsistir con un BER cercano a 10-3 (BER=10-6 no representa una degradación audible).

Los sistemas que transportan tráfico de datos y particularmente aplicaciones multimedia requieren un BER muy bajo para transmisiones de alta calidad. Se requiere un BER por debajo de 10-12 y el límite para operar es cercano a BER = 10-6.

Estos requerimientos son más estrictos para los límites de ruido en los sistemas digitales, comparados con requerimientos anteriores, y tiene impacto en niveles de interferencias aceptables.


El método de modulación afecta tanto a la relación S/N requerida como al ancho de banda IF del receptor.

Valores típicos


Para operación correcta 15 dB ≤ S/N ≤ 25 dB valor teóricoEn la práctica 1 dB más

Es una unidad logarítmica de medición usada para comparar dos niveles de potencia.

Denotando con Pr el nivel de referencia, el decibel (dB) se define mediante la ecuación:

Donde P es una potencia conocida.

UNIDADES DE TRANSMISIÓNEl Decibel

Si se conoce la relación de potencias expresadas en decibeles, la razón de potencia puede hallarse del inverso de la ecuación anterior, esto es:

Si el nivel de referencia Pr es de 1 watt, la potencia P expresada en decibeles por encima de un watt se denota por dBW . Para niveles de referencia en el orden de los miliwatt (1 mW) la potencia P se expresa en decibeles por encima de 1 miliwatt y se denota por dBm.

UNIDADES DE TRANSMISIÓNEl Decibel

Convertir las siguientes relaciones de potencia a dB : 4000 y 0,003.

UNIDADES DE TRANSMISIÓNEjemplo de Cálculo

Se desea conocer el valor de potencia a partir del valor dado en dB. a) 29,3 dB , b) -7dBW, c) 27 dBm

UNIDADES DE TRANSMISIÓNEjemplo de Cálculo

Un presupuesto de enlace es la “contabilización” de todas las ganancias y pérdidas desde el transmisor a través del medio al receptor en un sistema de telecomunicaciones.

Potencia Recibida (dBm) = Potencia Transmitida (dBm) + Ganancias (dB) − Pérdidas (dB)

Clima

Curvatura de la Tierra

TransreceptorTransreceptor

Banda de Frecuencia Altura de

la Antena

P Tx

Sensibilidad del Rx

Terreno

TRANSMISIÓN POR CANAL RADIOELÉCTRICOBalance de Enlace (Presupuesto de Enlace – Link Budget)

Ganancia de antena. Pérdidas en el cable. Sensibilidad del receptor.

Transmisor (Potencia). Cables y conectores (Pérdidas). Antena (ganancia).

Región de Fresnel. Pérdidas en el Espacio Libre. Obstáculos (Pérdidas).

Lado de Transmisión Lado de Propagación Lado de Recepción

TRANSMISIÓN POR CANAL RADIOELÉCTRICOElementos de un Radioenlace

Potencia del Transmisor [dBm] – Pérdidas en el Cable TX [dB] + Ganancia de Antena TX [dBi] – Pérdidas en la trayectoria en el espacio libre [dB] + Ganancia

de Antena RX [dBi] – Pérdidas en el Cable RX [dB] = Margen de Desvanecimiento – Sensibilidad del receptor [dBm]

TRANSMISIÓN POR CANAL RADIOELÉCTRICOEcuación del Balance de Enlace

El desvanecimiento es la disminución de la potencia de la señal recibida en el receptor por cambio en el medio de propagación.

Influye directamente en la calidad de un enlace, por esta razón es importante analizar detalladamente sus efectos en el diseño de un radioenlace para obtener una calidad adecuada.

Margen de Desvanecimiento (Fading Margin FM): Se define como la diferencia entre el nivel de la Potencia Recibida (Pn) y el nivel mínimo de Potencia que asegura una determinada tasa de error BER (denominada potencia umbral del receptor Pu)


TRANSMISIÓN POR CANAL RADIOELÉCTRICODesvanecimientos – Modelo de Barnett-Vigants

Donde:FM: Margen de Desvanecimientod: Distancia del enlace (Km)f: Frecuencia de Operación (GHz)R: Confiabilidad en tanto por uno (99,99% ó 0,9999)A: Factor de Rugosidad

Fm=30 log D +10 log (6ABf)-10log (1-R)-70

A Características del Terreno

4 Sobre agua o terreno muy liso

1 Sobre terreno promedio

0,25 Sobre terreno muy áspero y montañoso

B Descripción

1,0 Para pasar una disponibilidad anual a la peor base mensual

0,5 Para áreas calientes y húmedas

0,25 Para áreas continentales promedio

0,125 Para áreas muy secas o montañosas

La ecuación general de balance de enlace es:


PRX = Potencia recibida (dBm)PTX = Potencia de salida del Transmisor (dBm)GTX = Ganancia de la antena transmisora (dB)LTX = Pérdidas asociadas al segmento del transmisor (dB)LFS = Pérdidas asociadas a la transmisión en el Espacio Libre (dB)LM = Margen de Fading (dB)GRX = Ganancia de la antena receptora (dB)LRX = Pérdidas asociadas al segmento de recepción (dB)

Ejemplo: Se considera un enlace entre un transmisor que entrega una potencia de 10 w a una antena de ganancia directiva 8 dB y rendimiento de 95% a través de un cable con 1.2 dB de pérdidas. La antena receptora tiene una ganancia directiva de 3 dB y un rendimiento de 97.7% y la pérdida en el cable de conexión al receptor es de 1 dB. La pérdida básica de propagación es de 120 dB. Hallar ganancias de potencias y potencia recibida.

TRANSMISIÓN POR CANAL RADIOELÉCTRICOEcuación del Balance de Enlace – Ejemplo de Cálculo

Transmisión por canal radioeléctrico

Es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no es afectada por campos magnéticos. Cuando se aplica una pequeña tensión continua (mayor a 3,3 voltios/cm) a través de una placa delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta presenta características de resistencia negativa. Si dicha placa es conectada a una cavidad resonante, se producirán oscilaciones que corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones necesitan para atravesar la placa de material tipo N cuando se aplica la tensión continua. Este efecto sólo se da en materiales tipo N y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico.

Generadores de Microondas (SHF)Efecto Gunn

1. Funcionamiento de resistencia positivaCuando se aplica una tensión a una placa (tipo N) de Arseniuro de Galio (GaAs), los electrones, que el material tiene en exceso, circulan y producen corriente. Si se aumenta la tensión, la corriente aumenta.

2. Funcionamiento de resistencia negativaSi a la placa anterior se le sigue aumentando la tensión, se les comunica a los electrones una mayor energía, pero en lugar de moverse más rápido, los electrones saltan a una banda de energía más elevada, que normalmente esta vacía, disminuyen su velocidad y, por ende, la corriente. Así, una elevación de la tensión en este elemento causa una disminución de la corriente.

1.

2.

Transmisión por Canal Radioeléctrico

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