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Clase 4 propagación ant y ltx 2011
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    Clase 4 propagación ant y ltx 2011 Clase 4 propagación ant y ltx 2011 Presentation Transcript

    • Antenas y Líneas de Transmisión(Propagación)
      Ing . Jarvey Gonzalez Romero
      jarvey_gonzalez@cun.edu.co
    • Contenido
      Concepto de dB
      Conceptos de electromagnetismo
      Propagación
      Ecuaciones de Maxwell
      Espectro electromagnético
    • Concepto de dB
    • Concepto de dB
      Decibelio es la unidad relativa empleada en acustica y telecomunicaciones para expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia.
      El decibelio, cuyo símbolo es dB, es una unidad logaritmica. Es un submúltiplo del belio, de símbolo B, que es el logaritmo de la relación entre la magnitud de interés y la de referencia, pero no se utiliza por ser demasiado grande en la práctica, y por eso se utiliza el decibelio, la décima parte de un belio. El belio recibió este nombre en honor de Alexander Grahan Bell.
      Un belio equivale a 10 decibelios y representa un aumento de potencia de 10 veces sobre la magnitud de referencia. Cero belios es el valor de la magnitud de referencia. Así, dos belios representan un aumento de cien veces en la potencia, 3 belios equivalen a un aumento de mil veces y así sucesivamente.
    • Unidades del dB
      Como el decibelio es adimensional y relativo, para medir valores absolutos se necesita especificar a qué unidades está referida la medida:
      dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma como referencia 1 W (vatio). Así, a un vatio le corresponden 0 dBW.
      Relación entre dBu y dBm
      dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW). Así, a un mW le corresponden 0 dBm.
      dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 voltios
      0,7746 V es la tensión que aplicada a una impedancia de 600 Ω , desarrolla una potencia de 1 mW. Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por razones históricas.
      En algunos casos (especialmente en telecomunicaciones), al medir niveles relativos en decibelios, se da un nombre específico a la unidad, dependiendo del tipo de medida.
      dBc: Nivel relativo entre una señal portadora (carrier) y alguno de sus armonicos.
      dBV : En este caso la referencia es 1 V. En determinadas medidas, como son las relacionadas con antenas, el dBV es demasiado grande y se utiliza el dBV, en cuya medida tomamos como referencia el valor de 1 V.
    • Las unidades en db
      db = 10 log A/B
      A y B
      son magnitudes
      Db es una relación
      por lo tanto no tiene
      unidades
    • EL dbm
      dbm = 10log P/ 1mw
      Si tiene unidades
      P son miliwatios
    • El dbuv
      dbuV = 20 log V/ 1uV
      Si tiene unidades
      V son micovoltios
    • Conceptos de electromagnetismo
    • Propagación que Necesitan un Medio
      ONDAS SOBRE UNA SUPERFICIE DE AGUA
      ONDAS SONORAS
      ONDAS DE POTENCIA
      TELEGRAFO Y TELEFONO
    • RAYOS LASER Y FIBRA OPTICA
      LUZ VISIBLE
      MICROONDAS Y SATELITES
      RADIO Y TELEVISION
      VOZ HUMANA Y SONIDOS
      ENERGIA ELECTRICA
    • K = velocidad en la Línea de Tx
      velocidad en el espacio libre
      Las ondas electromagnéticas no requieren ningún medio para su propagación
      El medio y las características de propagación :
      Atenuación
      Velocidad
      Frecuencia de corte
    • Líneas de Tx
      Tx
      estructuras
      Equipo Tx.
      Sistema de Transmisión
      antenas
      propagación
    • Propagación
    • Propagacion
      Se llama propagación al conjunto de fenómenos físicos que conducen a las ondas del transmisor al receptor. Esta propagación puede realizarse siguiendo diferentes fundamentos físicos, cada uno más adecuado para un rango de frecuencias de la onda a transmitir. Los modos de propagación más frecuentes son:
      La propagación ionosférica.
      La propagación troposférica.
      La propagación por onda de superficie.
      Reflexión ionosférica
      La ionosfera es la región de la alta atmósfera entre 60 y 400 km de altura. Como el propio nombre indica está compuesta de iones y de plasma ionosférico y es de forma esférica al ser una de las capas de la atmósfera.
      Es importante para la propagación porque permite reflejar o refractar ondas radioeléctricas por debajo de una frecuencia crítica llamada comúnmente MUF, frecuencia máxima utilizable.
      La ionosfera está compuesta de tres capas
      La capa D
      la capa E
      la capa F (durante la noche) que se divide en dos, las capas F1 y F2, durante el día.
    • Propagación
      Variaciones de densidad de la ionosfera
      Las propiedades de propagación de la ionosfera son debidas a variaciones de densidad en el plasma iónico. Esas propiedades dependen del día del año, de la hora, del momento de ciclo solar de once años, de la estación, y de la latitud. Esas variaciones son irregulares, y no es posible calcularlas o medirlas con precisión.
      Capa D
      La capa D es la capa de la ionosfera más cercana a la Tierra. Se encuentra a unos 60 km de altura.
      La ionización provocada por el viento solar aumenta la densidad de electrones en la capa D. Por esa razón, las ondas radioeléctricas son fuertemente absorbidas.
      Durante la noche, la capa D no recibe viento solar, por lo que rápidamente desaparece.
      Las explosiones solares, las manchas solares, las fluctuaciones en el campo magnético terrestre y las auroras polares, también afectan a la propagación ionosférica.
      La capa D es sumamente absorbente para las frecuencias por debajo de unos 10 MHz, por lo tanto, las frecuencias afectadas son menos atenuadas cuando son atravesadas más cerca de la vertical.
    • Propagación
      Capa E
      La capa E es una capa que refleja las ondas de radio. A veces se forma por ionización del aire por causas que no dependen de la radiación solar; algunos investigadores piensan que podría ser por fricción entre distintas capas de la atmósfera.
      La propagación esporádica E es una propagación.
      Capa F
      Durante el día, la propagación de tipo "Esporádica-E" se da en la región E de la ionosfera, y a ciertas horas del ciclo solar la región F1 se junta con la F2. Por la noche las regiones D, E y F1 se quedan sin electrones libres, siendo entonces la región F2 la única disponible para las comunicaciones; de todas formas no es raro que también pueda darse por la noche la propagación "esporádica-E". Todas las regiones excepto la D reflejan ondas de HF. La Región D pese a no reflejarlas también es importante ya que ésta se encarga de absorberlas o atenuarlas. La región F2 es la más importante para la propagación de HF ya que:
      • Está presente las 24 h. del día.
      • Su altitud permite comunicaciones más lejanas.
      • Normalmente refleja las frecuencias más altas de HF.
      • El periodo de vida de los electrones es mayor en la región F2, y esa es la razón por la cual esta capa refleja ondas por la noche.
      • Los periodos de vida de los electrones en las regiones E, F1 y F2 son de 20 segundos, 1 minuto y 20 minutos respectivamente.
    • Propagación
      Dispersión troposférica
      A veces la troposfera puede producir refracción de las ondas de radio. Este fenómeno ocurre cuando sucede una inversión (las capas más altas están más frías y por lo tanto son más densas que las capas bajas). Es particularmente apreciable por la mañana, y en VHF.
      EME
      Del inglés Earth-Moon-Earth, es un modo de propagación en el cual la reflexión de la onda de radio se hace en la Luna.
      Como la distancia entre la Tierra y la Luna es de un segundo-luz (300 000 km), la distancia total recorrida entre el emisor y el receptor es de 600 000 km.
      En consecuencia, la onda de radio en el modo de propagación de rebote lunar sufre una gran atenuación y hasta fechas recientes era necesario tener transmisores muy potentes y antenas muy grandes y directivas. En la actualidad, es posible realizar comunicaciones por rebote Lunar con instalaciones muy modestas, como por ejemplo una sola antena Yagi y unos 50w de potencia.
    • Propagación Ondas electromagnéticas
      Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell.
      A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse.
      Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible-
    • Propagación Ondas electromagnéticas
      Historia del descubrimiento
      James Clerk Maxwell fue el primero en hacer la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento corresponde a la de una onda. Eso sugería que el campo electromagnético era susceptible de propagarse en forma de ondas, tanto en un medio material como en el vacio. Esas observaciones llevaron a Maxwell a proponer que la luz visible realmente está formada por ondas electromagnéticas. La trascendencia de la teoría de Maxwell estriba en que proporcionaba una descripción matemática del comportamiento general de la luz. En particular este modelo describe con exactitud como se puede propagar la energía en forma de radiación por el espacio en forma de vibración de campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, las propuestas de Maxwell ocasionaron cierto debate, especialmente dos cuestiones:
      • La posibilidad de la propagación de las ondas en el vacío suscitó ciertas dudas en su momento. Ya que la idea de que una onda se propagara de forma auto sostenida en el vacío resultaba extraña, razón por la cual años antes había nacido la teoría del eter.
      Además las ecuaciones de Maxwell sugerían que la velocidad de propagación en el vacío era constante, para todos los observadores. Eso llevo a interpretar la velocidad de propagación constante de las ondas electromagnéticas como la velocidad a la que se propagaban las ondas respecto a un supuesto eterinmovil que sería un medio material muy sutil que invadiría todo el universo. Sin embargo sedescartó la existencia del éter y quedó inexplicado hasta que Albert Einstein explicara la constancia de la velocidad de la luz, como una constante de las leyes de la Física.
      Sin embargo a pesar de todas esas cuestiones los primeros experimentos para detectar físicamente las ondas electromagnéticas, diferentes de la luz, fueron llevados a cabo por HeinrichHertz en 1888, gracias a que fue el primero en construir un aparato que emitía y detectaba ondas electromagnéticas VHF y UHF.
      Las ondas electromagnéticas son transversales; las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la de propagación.
    • Ecuaciones de Maxwell
      • Las ecuaciones de Maxwell permitieron ver en forma clara que la electricidad y el magnetismo son dos manifestaciones de un mismo fenómeno físico, el electromagnetismoEl fenómeno era similar a la gravitación, cuyas leyes fueron descubiertas por Newton; así como un cuerpo masivo produce una fuerza gravitacional sobre otro, un cuerpo eléctricamente cargado y en movimiento produce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo cargado.
      • La diferencia más importante es que la magnitud y la dirección de la fuerza electromagnética dependen de la carga del cuerpo que lo produce y también de su velocidad; por esta razón, la teoría del electromagnetismo es más complicada que la teoría newtoniana de la gravitación, y las ecuaciones de Maxwell son más complejas que la fórmula de Newton para la fuerza gravitacionalUn aspecto común entre la gravitación y el electromagnetismo es la existencia de una aparente acción a distancia entre los cuerpos, acción que tanto disgustaba a Newton
    • Ecuaciones de Maxwell
      • Maxwell no resolvió ese problema, pero inventó un concepto que desde entonces se ha utilizado constantemente en la física: el campo electromagnéticoSegún esta interpretación, en todo punto del espacio alrededor de una carga existe una fuerza electromagnética, cuya intensidad y dirección están definidas por medio de unas fórmulas matemáticas.
      • En realidad, más que un concepto, el campo es una definición que da cierta consistencia a la idea de que una carga eléctrica actúa sobre otra lejana, sin tener que recurrir a una acción a distancia.
      • Sólo en el siglo XX se pudo encontrar cierta base física a este concepto, pero en tiempos de Maxwell el campo electromagnético era una noción matemática sumamente útil, descrita por ecuaciones, pero cuya realidad física trascendía toda interpretación teórica.
      • El primer éxito, y el más notable, de la teoría de Maxwell fue la elucidación de la naturaleza de la luzMaxwell demostró, a partir de sus ecuaciones matemáticas, que la luz es una onda electromagnética que consiste en oscilaciones del campo electromagnéticoAsí quedaba establecida, más allá de cualquier duda, la naturaleza ondulatoria de la luz, tal como lo pensaba Huygens y en contra de la opinión de Newton.
    • Ecuaciones de Maxwell
      Forma de las ecuaciones
      Las Ecuaciones de Maxwell surgen de la teoría electromagnética y son el resumen esta teoría desde un punto de vista macroscópico. Esas ecuaciones tienen la forma más general:
      Y son, por tanto, un total de ocho ecuaciones escalares (tres para cada uno de los rotacionales de los campos eléctrico y magnético y una para las divergencias).
    • Ecuaciones de Maxwell
      2 Parámetros presentes
      Los parámetros que intervienen en la formulación de las ecuaciones de Maxwell son los siguientes:
    • Significado Físico
    • Resumen ecuaciones de Maxwell
      Las ecuaciones anteriores describen una onda con factores de atenuación dependientes de σ que se propaga a una velocidad . Cuando la onda se propaga en el vacío σ = 0 y la ecuación se reduce a la ecuación de ondas común:
    • Radiación Electromagnética
      La radiación electromagnética es una combinación de campos electromagnéticos y magneticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energia de un lugar a otro de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacio. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada eter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinamica y es un subcampo del electromagnetismo.
      Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792.458 m/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí).
    • Radiación Electromagnética
      Dualidad onda-corpúsculo
      Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada foton tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:
      donde E es la energía del fotón, h es la constante de Plank y ν es la frecuencia de la onda.
      Valor de la constante de Planck
      Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):
      A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).
    • Radiación Electromagnética
      Penetración de la radiación electromagnética
      La radiación electromagnética reacciona de manera desigual en función de su frecuencia y del material con el que entra en contacto. El nivel de penetración de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a su frecuencia. Cuando la radiación electromagnética es de baja frecuencia, atraviesa limpiamente las barreras a su paso. Cuando la radiación electromagnética es de alta frecuencia reacciona más con los materiales que tiene a su paso.
      En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).
    • Radiación Electromagnética
      Refracción
      La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:
      siendo ε0 y μ0 la permitividadelectrica y la permitividadmagnetica del vacío respectivamente.
      En un medio material la permitividad eléctrica ε tiene un valor diferente a ε0. Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética μ y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio v será diferente a c.
      La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c.
      Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refraccion, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética de la siguiente manera:
    • Radiación Electromagnética
      Dispersión
      La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersion. Es el causante de la aberracioncromatica, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismaticos o telescopios.
      Dispersión de la luz blanca en un prisma.
    • Definición ColombianaEspectro Electromagnético
      Art 102 de Constitución Política lo define como un BIEN de la NACION. y
      Art 75 dice que el espectro electromanético es un bien público, inenajenable e imprescriptible, sujeto a la gestión y control de estado.
      Antes de la Ley 182 correspondía su gestión y regulación al Min comunicaciones.
    • Espectro electromagnético
      Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma(con una longitud de onda del orden de PICOMETROS pciometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilometros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrometro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnetico.
      El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanometros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).
      En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas como se muestra en la diapositiva siguiente.
      Espectro Electromagnético
    • Espectro Electromagnético
    • Definición InternacionalEspectro Electromagnético
      UIT : Un bien escaso y limitado cuya utilización debe ser racional, eficaz y económica y su uso equitativo
      UIT: Unión Internacional de Telecomunicaciones
      Organismo de la ONU
    • La Unión Internacional de Telecomunicaciones ofrece a sus 189 estados miembros (1999) y 580 miembros de los sectores, un marco para cooperar en la mejora y la utilización racional de las telecomunicacionesen todo el mundo.
    • Ordenamiento del Espectro
      Este ordenamiento definido así por unanimidad, es de obligatorio cumplimiento por parte de las administraciones de telecomunicaciones de los países miembros.
      En algunas ocasiones no es posible llegar a acuerdos por unanimidad en la asignación de bandas de frecuencias para un determinado servicio, entonces los países en desacuerdo hacen RESERVAS propias para servicios específicos dentro de alguna banda que normalmente ha sido asignada a otro servicio de Comunicaciones.
    • Gracias…