ING. GUSTAVO LEIGNADIER

Es un sistema de Telecomunicaciones de punto a punto que utiliza la banda de Radio Frecuencia entre 2 a 60 GHz. Los sistemas de baja capacidad enplean generalmente las frecuencias menores a 3 GHz mientras que los sistemas de media y gran capacidad usan frecuencias desde 3 a 15 GHz. Frecuencias > 15 GHz son usadas esencialmente para transmisiones de corto alcance.

Sistemas de Microonda Terrestre Comunicacion Punto-a-Punto

Sistemas de Microonda Terrestre Comunicacion Punto-a-Punto

La comunicacion Punto-a-Punto depende de una linea de vista sin obstrucciones entre las 2 antenas.

Los sistemas de Telecomunicaciones por Microonda poseen Antenas que generan un haz directivo de RF para comunicar dos sitios, no omni-direccional.

Obstrucciones, como edificios, arboles o terreno u otros interfiere con la seal.

Depende de la ubicacion, tecnologia y disposicion de frecuencias.

Comprenden diferentes areas de interes : Antenas, Lineas de Transmision, Tipo de Tecnologia, Propagacion , Plan

de Frecuencias, otros.

ANTENAS

Antena Es un conductor (o sistema de conductores) usado para Radiar o

Colectar Energia Electromagnetica Transmision

Energia Electrica de Radio Frecuencia generada desde el transmisor

Es Convertida en Energia Electromagnetica por la antena Radiada al espacio libre Recepcion Energia Electromagnetica recibida por la antena Convertida en Energia Electrica de Radio Frecuencia Alimentada al circuito de recepcion

En esencia funciona como un adaptador de impedancia entre la linea de trasmision y el espacio libre

La antena se usa para las 2 funciones, Tx y Rx

Antena Parabolica Reflectiva Es usada para Sistemas de Microonda terrestre y satelital La Parabola sirve para agrupar lineas equidistantes en un

punto Todas las lineas se enfocan en un punto llamado foco

Al girar la parabola alrededor de su eje se obtiene un paraboloide Seccion cruzada paralela al eje nos da la parabola Seccion cruzada perpendicular al eje nos da un circulo

La fuente localizada en el foco producira ONDAS reflejadas en la parabola y paralelas a un eje Creando ( teoricamente) rayos paralelos de luz u ondas

electromagneticas En Recepcion, la seal es concentrada en el foco, en forma

inversa

Patron de Radiacion

Potencia es radiada en todas las direcciones

No se obtiene el mismo Desempeo en todas las direcciones

Antena Isotropica es (teoricamente) un punto en el espacio Radia en todas las direcciones Se obtiene patrones de radiacion esfericos

Ecuacin de espacio libre de Friis: Potencia de recepcion de una antena separada una distancia d del trasmisor.

Pr(d) = 222

)4( dP

LGG trt

Pr & Pt = Potencia de Tx y Rx Gt & Gr = Ganancia de Tx y Rx = longitud de Onda de la Freq de Txd = separacion entre antenasL = Perdidas del Sistema (atenuacion de la linea, filtros, antena)

- No causadas por propagacion - En la practica, L 1, si L = 1 sistema ideal sin perdidas

Potencia decae d2

Eficiencia = Ae/A

Antenas parabolicas 50% - 55%A = area efectiva de la antena ( seccion cruzada)

G = Ganancia de una AntenaeA2

4

Ae = Area efectiva relacionada al tamao de la antena

Area Efectiva de una antena Isotropica Aiso = 4

2

f 2 relacion entre tamaos de antenas resulta de la dependencia de Aiso en

Perdidas de Espacio Libre Lp =( )

2

24R

PP

R

T =

( ) TT PRPR 22

2

2

441

4

=PR =Potencia Isotropica de Rx

R = distancia al transmisor

Potencia RadiadaRadiador Isotropico : antena ideal ( antena de referencia)

potencia radiada con G unitaria uniforme en todas direcciones area superficial de una esfera = 4d 2

Radiacion DireccionalLas antenas tienen ganancia o directividad que es una funcion de

= azimuth: angulo de la antena en el plano horizontal = elevation: angulo de la antena sobre el plano horizontal

= Densidad de Flujo de Potencia

Ganancia de Antena de Tx :

GT(, ) = en la direccion (, ) antena isotropicaGanancia de Antena de Rx :

GR(, ) = Ae en la direccion (, )Ae antena isotropica

ERP: Potencia Radiada Efectiva es la maxima potencia radiada comparada con un dipolo de onda

Ganancia de un Dipolo = 1.64 (2.15dB) > antena isotropica entonces ERP sera 2.15dB menor que EIRP para el mismo sistema

EIRP: Potencia Radiada Efectiva Isotropicarepresenta la maxima potencia radiada disponible de un transmisormedida en la direccion de maxima ganancia de la antena comparadacon un radiador isotropico

EIRP = PtGt

Area de una antena Parabola,

Aparabolic = 4

2D Ae = 42D

G =2

2

2 44

==

DDAA

iso

e

G depende de las dimensiones de la antena y frecuencia

D = 0.6m, fc = 12GHz, and = 0.5

G = dBGHzc

m 354.2842025.0

36.012/

6.0 22 ==

G Pico

Ancho del Haz : ancho angular del Haz de la antena en el punto de 3dB Lobulo Principal :direccion de propagacion de la seal mas fuerteEje Central: direccion de la ganancia picoLobulos Laterales: no considerados para comunicaciones, deben ser considerados para analisis de interferecia

Punto de 3dB

Fuera de eje, G varia con el angulo

2

DPara una antena Parabolica G en el eje principal =

Si tenemos una grafica normalizada y en el eje

G() = ( )( ) 221sin

sin/2

DDJ

Ancho de Banda de 3dB= 58.4 /D proporcional a la long. de onda inversamente proporcional al diametro

Incremento de D incremento de G, decrece ancho de banda

-30 -20 -10 0 10 20 30

normalizadaG(dB)

0-10-20-30-40

PL (dB) = 10 log 10 (Pt /Pr)= 222

101

)4(log10

dGG rt

Si asumimos que G es unitaria:

PL (dB) = 222

101

)4(log10

d

Perdidas de Espacio (PL) o FSL

PL = r

t

PP

2

22)4(

rtGGd

=

La Eq. es valida solamente para d en la region far-field de la antena de transmision

d df (distancia al far-field)Distancia al far-field o Region Fraunhofer

22D

df =

D = dimension fisica lineal mas larga de la apertura de unaantena de trasmision

df >> D y df >> deben cumplirse

Region Far-field de una antena

REGIONES DE RF DE UNA PARABOLA

ABERRACION ESFERICA

GEOMETRIA DE UNA PARABOLA

GEOMETRIA DE UNA PARABOLA

REFLECTOR REAL

PARAMETROS DE DESEMPEO ELECTRICO

Ganancia

Radio Front Back (F/B)

Patron de Radiacion

Discriminacion Cross Pol (XPD)

Perdidas Retorno (VSWR)

Aislamiento Entre Puertos (IPI)

Ga (dBi) = 10 log10 [ 4 Aa / 2 ]Donde:

Ga = Ganancia de Antena (Datos de Catalogo)

= Eficiencia de la Apertura (50-55%)Aa = Area de Apertura

= Longitud de Onda

ANTENA PARABOLICAGANANCIA DIRECTIVA

GANANCIA TIPICA GANANCIA TIPICA Antena Parabolica en dBiAntena Parabolica en dBi

Diametro

F

r

e

c

u

e

n

c

i

a

2 ft(0.6m)

4 ft(1.2m)

6 ft(1.8m)

8 ft(2.4m)

10 ft(3.0m)

12 ft(3.7m)

15 ft(4.5m)

2 GHz 19.5 25.5 29.1 31.6 33.5 35.1 374 GHz 25.5 31.6 35.1 37.6 39.5 41.1 43.16 GHz 29.1 35.1 38.6 41.1 43.1 44.6 46.68 GHz 31.6 37.6 41.1 43.6 45.5 47.1 49.1

11 GHz 34.3 40.4 43.9 46.4 48.3 49.9 51.815 GHz 37 43.1 46.6 49.1 51 52.6 NA18 GHz 38.6 44.6 48.2 50.7 NA NA NA22 GHz 40.4 46.4 49.9 NA NA NA NA38 GHz 45.1 51.1 NA NA NA NA NA

CONCEPTO DEL PATRON DE CONCEPTO DEL PATRON DE RADIACIONRADIACION

Antena Bajo Test

Source Antenna

Antena Test Range

Antena Fuente

Patron de RadiacionPatron de Radiacionalrededor del Eje de Apuntamientoalrededor del Eje de Apuntamiento

Corte del Patron alrededorCorte del Patron alrededordel Eje de Apuntamientodel Eje de Apuntamiento

PATRON DE RADIACION TIPICO DE UNA PARABOLA

CoCo--Polarizacion y Polarizacion y CrossCross--PolarizacionPolarizacion

Patron Co- Pol

Angulo de Azimuth

Patron Cross Pol

R

o

t

e

n

c

i

a

R

e

l

a

t

i

v

a

Co-Polarizacion Cuando las Antenas de Tx y Rx tienen

la misma Polarizacion Ya sea Horizontal o Vertical (HH or VV) En el Sistema, la Seal Deseada

Cross-Polarizacion Cuando las Antenas de Tx y Rx tienen

Differente Polarizacion Ya sea HV or VH. En el Sistema, la Seal no deseada

Voltage Standing Wave Ratio VSWRVoltage Standing Wave Ratio VSWR

VSWR = 1 + (Coeficiente de Reflexion)1 - (Coeficiente de Reflexion)

Seal Reflejada

Seal Incidente

COMMON TRANSFORMATIONS

VSWRRETURN

LOSSPOWER

REFLECTED

POWERTRANSMITTE

DREFLECTIONCOEFFICIENT

1.01.11.251.51.752.03.06.0-

-26.4 dB19.1 dB14.0 dB11.3 dB9.5 dB6.0 dB2.9 dB0 dB

0 %0.2 %1.2 %4.0 %7.4 %11.1 %25.0 %51.0 %100 %

100 %99.8 %98.8 %96.0 %92.6 %88.9 %75.0 %49.0 %

0 %

0.000.050.110.200.270.330.500.711.00

Perdidas de Retorno Perdidas de Retorno Cantidad de Energia Cantidad de Energia PerdidaPerdida debido a Sedebido a Seal Reflejada al Reflejada

RL : 17.8dB Refleccion : 13% (0.13) VSWR : 1.30 RL : 20.8dB Refleccion : 9.1% (0.091) VSWR : 1.20 RL : 26.7dB Refleccion : 4.7% (0.047) VSWR : 1.10 RL : 28.4dB Refleccion : 3.8% (0.038) VSWR : 1.08 RL : 30.7dB Refleccion : 2.9% (0.029) VSWR : 1.06

RL = -20 x log (Coeficiente de Reflexion)

Forma de Onda Electromagnetica

CAMPO ELECTRICO

CAMPO MAGNETICO

Tipos Basicos de AntenasTipos Basicos de Antenas

Antena Antena Parabolica Parabolica EstandarEstandar

Antena Antena Blindada o Blindada o

ShieldShield

Antena Antena GRIDPAKGRIDPAK

Antena de Antena de Plano FocalPlano Focal

Antena GRIDPAKAntena GRIDPAK

Reflector de Rejilla Baja Carga de Viento Polarizacion Sencilla Abajo de 2.7GHz

Antena Parabolica EstandarAntena Parabolica Estandar

Antena Basica Formada por

Reflector Feeder Montaje

Antena de Plano FocalAntena de Plano Focal

Reflector mas Profundo Borde con Geometria Radio F/B Mejorado Ganacia Ligeramente

Menor

Antena BlindadaAntena Blindada

Borde con Material Absorbente

Sistema de Feeder Mejorado

Radomo tipo Planar Envolvente de Patron de

Radiacion Mejorado

Eficiencia de AntenasEficiencia de Antenas

Una antena bien diseada tiene una Eficiencia entre 45 - 65%

Factor de Eficiencia es afectado por :

Iluminacion del Feeder Bloqueo de Apertura Tolerancia de la Superficie del

Reflector

Eficiencia nunca podra ser 100%

fD

f/D = 0.250

Radio f/DRadio f/D

f

D

f/D = 0.333

Antenas Estandar & Blindadas

Antenas de Plano Focal

SeSealesales NoNo DeseadasDeseadas

Dispersion

Difraccion

Desbordamiento

RadioRadio FF//BBDireccion deSeal

Direccion de Seal

Direccion de Seal

Antena BlindadaAntena BlindadaAntena de Plano Antena de Plano FocalFocal

Anena Parabolca Anena Parabolca EstandarEstandar

Ancho del Haz PrincipalAncho del Haz Principal

0.3 m 0.6 m 1.2 m 1.8 m 2.4 m 3 m 3.7 m 4.5 m2 GHz 35 17.5 8.75 5.83 4.38 3.5 2.84 2.336 GHz 11.67 5.83 2.92 1.94 1.46 1.17 0.95 0.788 GHz 8.75 4.38 2.19 1.46 1 0.88 0.71 0.58

11 GHz 6.36 3.18 1.59 1 0.8 0.64 0.52 0.4214 GHz 5 2.5 1.25 0.83 0.63 0.5 0.41 0.3318 GHz 3.89 1.94 0.97 0.65 0.49 0.39 0.32 0.2623 GHz 3 1.52 0.76 0.51 0.38 0.3 0.25 0.238 GHz 1.84 0.92 0.46 0.31 0.23 0.18 0.15 0.12

Ancho del Haz en Grados

Diametro

F

r

e

c

u

e

n

c

i

a

3dB

PATRON DE RADIACION NORMALIZADO

010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 15 205 406080 100 120 140 160 180

Azimuth Grados desde el Lobulo Principal

D

i

r

e

c

t

i

v

i

d

a

d

d

e

A

n

t

e

n

a

d

B

a

b

a

j

o

d

e

l

L

o

b

u

l

o

P

r

i

n

c

i

p

a

l

Envolvente del Patron de Radiacion

Blindaje y Radomos

El Blindaje mejora la relacion F/B y lobulos laterales y traseros

Reduce la carga de viento en la torre

Proteccion contra Viento, Hielo y Polvo

LINEAS DE TRASMISION Y GUIAS DE ONDA

Trasferencia eficiente la seal (Usualmente arriba de 1 GHz) desde el trasmisor a la Antena y de la Antena al

Receptor y con el minimo de Potencia Perdida

PROPOSITO DE LAS LINEAS DE TRASMISION

Tipos y Caracteristicas de Lineas de Transmision

Cable Flexible CoaxialTAMAO Usualmente pequeo y hasta 7/8

PESO - Liviana

COSTO - Bajo

CAPACIDAD DE POTENCIA - Bajo

FRECUENCIA Abajo de 3 GHz

OTRAS CARACTERISTICAS - Usa polietileno como dielectrico.

Guias de Onda

COSTO - Alto debido a que la superficie interior debe ser cuberta de material conductor y acabado especial

CAPACIDAD DE POTENCIA - Alta

FRECUENCIA Arriba de 1.7 GHz.

OTRAS CARACTERISTICAS Usa aire como dielectrico. Sin conductor central. Casi imposible de reparar

Guias de Onda

A - dimension que determina la frecuencia de operacion, usualmente 1/2 longitud de onda.

Forma - Rectangular

Longitud A

Guia de Onda

B - dimension que determina la capacidad de manejo de Potencia, usualmente 1/4 de longitud de Onda.

Longitud B

CONDICIONES DE FRONTERA

PARA QUE UN CAMPO ELECTRICO EXISTA EN UN CONDUCTOR, ESTE DEBE SER PERPENDICULAR A LA SUPERFICIE DEL CONDUCTOR

PARA QUE UN CAMPO MAGNETICO VARIABLE PUEDA EXISTIR, ESTE DEBE FORMAR LINEAS CERRADAS EN PARALELO AL CONDUCTOR Y PERPENDICULARES AL CAMPO ELECTRICO

LINEA DE TRASMISION DE 2 HILOS

DERIVACION DE UNA LINEA BALANCEADA A GUIA DE ONDAS

Modo TE10

TE10

Campo H

Corrientes

Campo E

FRENTEDE ONDA

VARIACIONES DE LA VELOCIDAD DE GRUPO CON LA FRECUENCIA

Propagacion de Onda de RF

Campo Electrico (E-Field): Es donde fluyen los electrones. Es mas fuerte cuando la diferencia de Potencial es mas

grandeEn las lineas de transmision coaxial, rigidas y flexibles, el E-

field existe perpendicular al centro del conductor. Los electrones fluyen del centro del conductor hacia el shield o

viceversa.

Coaxial

Propagacion de Onda de RF

Campo Electrico (E-Field): Es donde fluyen los electrones. Es mas fuerte cuando la diferencia de Potencial es mas

grande. En una guia de Onda el E-field existe de

Pared "A" a Pared "A". Tiene su maximo nivel al centro de la guia y no existe afuera ya sea en coaxiales o guias.

Guia

Propagacion de Onda de RFCampo Magnetico (H-field): Existe usando la regla de la

mano derecha. El dedo Pulgar indica la direccion de flujo de corriente . Los dedos curveados indica la direccion del campo

magnetico.

En lineas de transmision coaxial el H field es generado alrededor del centro del conductor y es circular. El nivel de

H field mayor cerca del centro del conductor.

Coaxial

Campo Magnetico (H-field): Existe usando la regla de la mano derecha. El dedo Pulgar indica la direccion de flujo de

corriente . Los dedos curveados indica la direccion del campo magnetico.

En Guias de Onda el H field es paralelo a la pared "A" y su nivel es mayor donde el E-field mas debil.

Guia de Onda

Propagacion de Onda de RF

El campo H-field no existe fuera ya seacoaxiales o guias de onda

Durante la propagacion de la onda los dos campos co-existen en los dos tipos de conductores, coaxial y guia de onda.

Propagacion de Onda de RF

Transfiriendo Energia dentro o fuera de una Guia de Onda

El Nivel de los Campos E y Hes directamente proporcional al nivel de energia RF en la

linea de transmision. Con muestrear una porcion de cada uno de los campo podemos determinar cuan fuerte es la seal en

la guia. Para esto podemos usar Acoplamiento de Sonda, Loop, o Ranura Slot.

Sonda Acoplada

El acoplamiento por Sonda es capacitivo y debe ser instalado en la guia de onda en el punto de maximo campo "E" . Esto

se dara a 1/4 o 3/4 de longitud de Onda y en el centro

Guia

y Emax

Loop Acoplado

Loop acoplado es inductivo y debera ser instalado en la guia de onda en el punto de maximo campo "H" .

Esto sera en puntos a 1/2 longitud de onda.

Guia

Acoplamiento Slot

Acoplamiento Slot (Electromagnetico) podra muestrear ya sea un campo o los 2 dependiendo de donde sea colocada la

ranura.

Guia

Para muestrear el campo E-field debera ser colocada En la pared "A" en puntos a 1/4 o 3/4 de longitud de onda.

Guia

Para muestrear el campo H-field la ranura debera ser puesta en la pared "B" en puntos a 1/2 longitud de onda.

Acoplamiento Slot

Acoplamiento Slot (Electromagnetico) podra muestrear ya sea un campo o los 2 dependiendo de donde sea colocada la

ranura.

Es un indicador del desempeo de la linea de trasmision. Es el radio entre la onda incidente y la onda reflejada que existenen la guia de trasmision. Un radio alto (mayor de 1:2) indica

un desacople entre el trasmisor, la guia y la antena o un posible problema con los subsistemas. Esto resulta en

perdidas de potencia inaceptables y posible dao al sistema de trasmision.

VSWR - Voltage Standing Wave Ratio

Uniones: Cuando se unen 2 guias , esta debe ser a prueba de fugas electromagneticas y ambientales.

Cualquier objeto extrao en las uniones, incremetara la atenuacion de la seal y producira ondas estacionarias.

Adentro: Las guias deben mantenerse limpias y libres de materiales extraos y objetos (herramientas, tuercas, tornillos,

humedad, polvo, etc.).

Cuidados en la Instalacion de Guias

Cuidados en la Instalacion de Guias

El radio de curvas en las guias debera medir mas de 2 longitude de onda a la frecuencia de operacion para evitar

excesiva atenuacion. La seccion cruzada debera permanecer unforme alrededor de la curva.

Abolladuras: Asegurarse que no existan abolladuras en la guia. Esto puede causar ondas reflejadas que causaran perdidas de insercion y perdidas de potencia a la salida.

GUIAS DE ONDA

La operacion en modo simple se logra usando el modo con la fecuencia de corte mas baja. (Modo Dominante)

Las guias de onda se usan entre su frecuencia de corte y la del modo con la siguiente frecuencia de corte

Los modos son TE y TM.

10TEN: # de variaciones en b

M: # de medios ciclos en a

22

12

1

=

=

ffc

acv cg

La Velocidad de Grupo se usa para determinar el tiempo que le toma a una seal desplazarse por la guia de onda.

2

1

377

=

ff

Zc

O

Impedancia de una Guia de Onda

xz

y

0 a

b

0

0a x

Ey

z

Guia de Onda RectangularModo TE10

Guia de Onda RectangularModo TE10

2121

=

afc

y

b

xz 0 a0

y se recomienda como regla que a = 2b

a2cfc =

cf2ca = 2

c=

22

+

=b

na

mkc

1

2c

ckf =

TE mn 1,0 2,0 0,1 1,1

Para TE 10

xz

y

0 a

b

02c a

m121f

=

2

c am1

21f

=28

am

2103

=

28

03.01

2103

=

21010 9= GHz 5=

SI a = 3 cm

Guia de Onda RectangularModo TE10

xz

y

0 a

b

0

Para f = 7 GHz, disear una guia rectangular de cobre y dielectrico aire a de manera que propague el modo TE10 con un factor de seguridad de 30% (f = 1.30fc) y que ademas, opera hasta 30% de la frecuencia de corte del siguiente modo.

cm 4107103

9

10

==

( ) 2a10TEc

=( ) 2b

01TEc=

cm 5.2 1.3 que queremos10TE

==

cm 3.8 1.3 que queremosy

01TE==

a = 2.70 cm

b = 1.54 cm

Guia de Onda Rectangular

Ejemplo de Calculo de Una GuiaNosostros consideramos una guia con dielectrico aire, so r=1. El tamao interno de la guia es 0.9 x 0.4 pulgadas (las guias se disean En tamaos estandares). La frecuencia de corte en el modo dominante TE10 mode:

( )( ) GHzkf

ak

bn

amk

cTEc

TEc

c

5662

103431372

43137

10.16mm40.b 22.86mm;90.a

8

00

22

10

10

..

.

===

==

====

+

=

Ejemplo de Calculo de Una GuiaLos siguientes modos son:

( )( )( )

,110120,10, modos los de eascendientorden el 86.27421.30938.338

20

01

11

===

c

c

c

kkk

La siguiente frecuencia de corte para TE20 sera:

( ) GHzf TEc 1213210386274 8

20.. ==

Por lo tanto, para una operacion en el modo dominante debemos operar la guia en el rango de 6.56 < f < 13.12GHz.

Ejemplo de Calculo de Una GuiaNo es bueno operar una guia a una frecuencia que este muy cerca de la frecuencia de corte debido a que las perdidas en las paredes se incrementan dramaticamente a medida se opera cerca a la frec.de corte.Una buena recomendacion es operar entre 1.25fc10 < f < 1.9fc20Esto entonces restringira la operacion en el modo dominante entre 8.2 -- 12.5GHz.

El coeficiente de propagacion para el siguiente modo superior es:

( ) ( ) 22

2022

2020

1c

cc ffkkk ==

Si especificamos una frecuencia de operacion en medio de la banda f, en el rango original de TE10 tal como 9.84GHz.

( )

iento.desvanecimgran un vemosTEen tantolopor dB/m 1581 8.7 x 181.8 dBen y

/8.181 Entonces

(Real) 8.18112.1384.9186.274

20

2

20

==

=

=mNp

Y para TE10:

( ) ( )rad/m153.64 So

o)(Imaginari 64.15356.684.9143.1371

2

210

2

1010

==

==

j

ffkc

c

Todos los modos de orden superior seran cortados con grandesNiveles de atenuacion

Ejemplo de Calculo de Una Guia

DB

Porque dB?

Porque hay un gran rango dinamico de parametros en comunicaciones Una antena tiene una ganancia >500 El flujo de Potencia de Recepcion es alrededor de una

parte en 100,000,000,000,000,000,000de la potecia de Transmision

Es mejor encontrar una forma de escribir estas cantidades en forma mas abreviada

dB permite muchos calculos como suma , resta y multiplicacion facilmente

Que es dB?

Decibel (dB) es la unidad 10 veces el logaritmo base 10 del radio de potencia

Ganancia :

Perdidas :

dB log10

=

in

out

PPG

dB log10

=

out

in

PPL

Decibeles - 1

Reglas: Multiplicacion A x B:

(Sumar los valores en dB )

Division A / B:

(Restar los valores en dB )

dB)( dBdB

)(log10)(log10 )/(log10

1010

10

BABA

BABA

==

=

dB)( dBdB

)(log10)(log10 ) x (log10

1010

10

BABA

BABA

+=+=

+=

Decibeles - 2

Elevar al cuadrado:(Multiplicar por 2)

)dBin ( x 2 )(log20

)(log10 x 2 )(log10

10

10

210

AA

AA

===

Raiz cuadrada:

(Dividir por 2)

)dBin ( x 21

)(log2

10

)(log10

10

10

A

A

A

=

=

Pensando en dB

Es muy util pensar en dB

Linear Ratio dB Linear Ratio dB0.001 -30.0 2.000 3.00.010 -20.0 3.000 4.80.100 -10.0 4.000 6.00.200 -7.0 5.000 7.00.300 -5.2 6.000 7.80.400 -4.0 7.000 8.50.500 -3.0 8.000 9.00.600 -2.2 9.000 9.50.700 -1.5 10.000 10.00.800 -1.0 100.000 20.00.900 -0.5 1000.000 30.01.000 0.0 18.000 12.6

Si sabemos que 18 es 2*3*3.Si: 2 = 3 dBY : 3 = 4.8 dBPodemos encontrar 18 en dB3 + 4.8 + 4.8 = 12.6Sin usar calculadora!

Cuanto es 5 en dB?

Referencias en dB

Los valores en dB pueden ser referenciados a un estandar

El estandar se adjunta al dB Ejemplos

Unidades Referencia dBi Antena ganancia isotropica dBd Antena dipolo dBm 1 milliwatt dBHz 1 Hertz dBK 1 Kelvin

dBi/K Antena isotropica /1 Kelvin dBW/m2 1 watt/m2

dBW 1 watt dB$ 1 Dolar

Niveles de PotenciaPor simplicidad los valores en dB and dBm sirven para

modelar un desempeo

Un cambio relativo es medido en dB

Hay niveles especificos medidos en dBm(dB referenciado a milliwatts)

-90 dBm Ruido-80dBm Debil

-50dBm Fuerte-40 dBm Nivel Optimo

0dBm=1 mW10dBm=10mW20dBm=100mW

30dBm=1W37dBm=5W

40dBm=10W

PROPAGACION

PROPAGACION IDEAL EN VACIO

Perdidas de Espacio Libre

Lfsl = 92.45 + 20log(f) + 20log(d) dB donde f = frecuencia (GHz) d = distancia entre antenas (km)

Formula util para un estimado, cuando no hay obstrucciones y clima normal

50 Km a 2.4GHz = 134 dB

PROPAGACION REAL EN ATMOSFERA K=1.33

Anomalias de PropagacionNormal

Anormal

Ductos

Sub Refractiva

Super Refractiva

Anomalias de Propagacion

Multitrayecto Atmosferico Desvanecimiento por Multitrayecto

Si la combinacion de todas las seales entrantes estan en fase,una mejoria ocurre, si estan fuera de fase (ej. cerca 180 grados),ocurre una atenuacion.

Entre mas corta es la longitud de Onda, el efectos sera mas pronunciado

CANCELACION DE SEAL POR CAMBIO DE FASE

CANCELACION DE SEAL POR CAMBIO DE FASE

Reflexion y RefraccionLas ondas EM en el primer medio chocan con el segundo

medio parte de la onda es transmitida parte de la onda es reflejada

(1) El frente onda incide en un dielectrico perfecto (no-conductor) parte de la energia es transmitida (refractada) hacia dentro del

segundo medio parte de la energia es transmitida (reflejada) hacia el primer medio se asume que no hay perdida de energia por absorcion, pero en la

practica si se puede dar

(2) El frente de onda incide en un conductor perfecto toda la energia es reflejada de vuelta al medio

se asume que no hqy perdida de energia por absorcion

Reflexion y Refraccion

= El coeficiente de reflexion Fresnel relaciona la intensidad de los Campos Electricos de ondas reflejadas y refractadas en funcion de:

propiedades de los materiales polarizacion de la onda angulo de incidencia frecuencia

DifraccionPermite la propagacion de seales de RF en regiones con obstruccion o ensombrecidas debido a que pasa pr el extremo o filo de un objeto

regiones mas alla del horizonte (o curvatura terrestre)atras de obstrucciones

el nivel de seal de recepcion decrece rapidamente a medida que

el receptor se mueve a las zona obstruida

el efecto de difraccion muchas veces produce niveles de seal

utiles

Difraccion - Principio de HuygensTodos los puntos de un frente de onda pueden ser considerados como puntos fuentes para frentes secundarios de ondas

Las nuevas fuentes se combinan para producir frentes secundarios en otras direcciones de propagacion

Por lo tanto la difraccion aumenta con la propagacion de ondas secundarias en areas oscurecidas

Los campos E de ondas difractadas son la suma de todos las

componentes de las pequeas ondas en el espacio alrededor del

obstaculo

Abertura Filo de cuchillo

Dispersion o Difusion

Las Ondas EM de RF impactan en una superficie rugosa la energia reflejada es esparcida en todas las direcciones

ej. postes, arboles componentes aleatorios de mutitrayecto provee energia adicional de RF en el receptor

la seal recibida en la practica es muchas veces mayor que la predichapor los modelos de difraccion & refleccion solamente

Superficies ReflectivasSuperficies planas con dimensiones >> que inducen refleccion especular Superficies rugosas que inducen reflecciones difusas

Radio Efectivo de la Tierra = k * Radio Verdadero de la TierraRadio verdadero de la Tierra= 6371 Km k= 4/3 = 1.33, atmosfera estandar con perfil normal (este valor debe ser usado cuando no se provee un valor especifico)

Variaciones de la curvatura del haz en funcion de k

K=

Curvatura Terrestre = 6,371 Km

K=1

K=0.5

K=0.33

K=1.33

VARIACION DE FACTOR K CON LA ALTURA

SUPER REFRACCION CON K >1.33

PROPAGACION CON K < 1

SEAL TOTALMENTE BLOQUEADA POR K < < 1

Zonas de Fresnel Areas de Interferencia constructiva y destructiva creada cuando la propagacion de ondas electromagneticas en espacio libre son reflejadas (multitrayecto) o difractadas cuando las ondas intersectan obstaculos. Las zonas de Fresnel son especificadas empleando numeros que corresponden al numero de multiplos de media onda y representan las diferencias que podrian haber entre la propagacion normal en el enlace directo y la propagacion con condiciones diferentes a las normal.

Las Zonas de Fresnel deberan estar libres de todo tipo de obstrucciones

Zonas de Fresnel

Causadas por difraccion por objetos en el Trayecto Zonas pares atenuan, impares mejoran Calculo de Radios de las Zonas de Fresnel

La practica convencional es asegurar el despeje alrededor de 0.6 de la 1era zona de Fresnel en el trayecto, que proveedra el mejor compromiso para evitar nulos.

Zonas de Fresnel

)(1.72

21

21)(

ddFddR

GHzfeet +=

d1=distancia al transmisor en millasd2=distancia al receptor en millasFGHz=Frecuencia en Gigahertz

Factor K = Curvatura de la Tierra

Propagacion Normal

Zona de Fresnel

Zona Fresnel

Zona de Despeje de Fresnel Refleccion causa

Multitrayecto

Refleccion Terrestre/ Refracciones /Multi-Trayecto

CONSIDERACIONES DE LINEA-VISTA

Tipicamente la primera zona de Fresnel (N=1) es usada para determinar las perdidas por obstrucciones

El camino directo entre el transmisor y el receptor necesita estar despejado de tierra por lo menos 60% del radio de la primera zona Fresnel para lograr condiciones de trasmision de espacio libre

El factor k de Radio de la Tierra compensa la refraccion en la atmosfera

El despeje es descrito como cualquier criterio que asegure suficiente altura de la antena de manera que, en el peor caso de refraccion (donde k es minimo) la antena de recepcion no este localizada en la zona de difraccion

CONSIDERACIONES DE LINEA-VISTA

El criterio de despeje debe ser satisfecho bajo condiciones normales de propagacion

- Despeje de 60% o mayor con k minimo se sugiere para ciertos perfiles

- Despeje de 100% o mayor a k=4/3: 1.33- En caso de diversidad de espacio, la antena puede tener

un despeje de 60% con k=4/3 y dejar margen para crecimiento de vegetacion (usualmente 3 metros)

Despeje del Trayecto

PERDIDAS Y GANANCIAS DEL ENLACE

Proceso de Diseo de un Enlace de Microonda

Todo el proceso conmpleto es iterativo y podra pasar a travez de muchos diseos y cambios hasta qe la calidad requerida y disponibilidad deseada se logre

Planeamiento de Frecuencia

Link Budget

Calculos de Calidad y

Disponibilidad

Predicciones de Desvanecimiento

Analisis de Interferencia

Perdidas de Propagacion

Perdidas de Alimentadores

Otras perdidas

Atenuacion por Lluvia

Perdidas por Diffraccion-Refraccion

Propagacion por

Multitrayecto

Calculos de Atenuacion y Perdidas

Los calculos de Perdidas y Atenuacion se componen de 3 grandes contribuciones Perdidas por propagacion

(Debido a la atmosfera y el terreno) Perdidas por Lineas y conexiones

(debido a todo los sistemas para conectar el transmisor o receptor a la antena)

Perdidas Miscelaneas (otras) (inpredecibles y esporadicas como ser niebla, objetos en movimiento y cruzandose el trayecto, instalacion de equipo muy pobre en calidad, antena mal alineada, etc)Esta contribucion no es calculada pero si es considerada en el proceso de planeamiento como perdida adicional

PERDIDAS POR PROPAGACION

Lfsl = 92.45 + 20log(f) + 20log(d) dB Donde f = frequency (GHz)

d = LOS distancia entre antenas (km)

PERDIDAS POR PROPAGACIONPerdidas por Obstaculos tambien concidos como Perdidas por

difraccion o Atenuacion por DifraccionUn metodo de calcularlas es basada en la aproximacion de filo.

Tener un obstaculo que deja lbre el 60% de la primera zona de Fresnel, producira 0 dB de perdidas

0 dB

20dB16dB6dB0 dB

Primera Zona de Fresnel

PERDIDAS POR PROPAGACION

ABSORCION POR GAS Debido principalmente al vapor de Agua y

oxigeno de la atmosfera y presente en la region del trayecto. Los picos de absorcion se localizan alrededor de 23 GHz para moleculas de agua y 50 a 70 GHz para moleculas de oxigeno . La atenuacion especicamente depende de la frecuencia (dB/Km), temperatura y la humedad relativa de la atmosfera .

ATENUACION POR GAS vrs FREQ

Atenuacion Debida a Precipitacion o Lluvia

La atenuacion por Lluvia es la principal contribucion de atenuacion de los enlaces de microondas

La atenuacion por Lluvia se incrementa exponencialmente con la intensidad de la lluvia

El porcentaje de tiempo de intensidad de lluvia especifica esta disponible toda la superficie de la tierra, distribuida en 15 zonas de lluvia

La atenuacion especifica de lluvia depende de muchos parametroscomo la forma, tamao y distribucion de las gotas de lluvia, polarizacion, intensidad de lluvia y frecuencia

Polarizacion Horizontal da mas atenuacion que polarizacion Vertical La atenuacion por Lluvia se incrementa con la frecuencia y se

convierte en un contribuidor mayor en las bandas arriba de 10 GHz La contribucion de atenuacion por Lluvia no es incluida en el link

budget y es usada solamente para los calculos de desvanecimientopor lluvia.

Riesgo por Desvanecimiento de Lluvia, Regiones

Region 1 = Peor

Region 7 = Mejor

REFLEXION TERRESTRE

Refleccion en la superficie de la tierra da como resultado propagacion de multitrayecto

El haz directo de recepcion puede ser interferido por el haz producto del reflejo and causando perdidas significantes

Debido a las condiciones atmosfericas estan cambiando constantemente , las perdidas de reflexion varian.

REFLEXION TERRESTRE

Las perdidas debido a reflexion terrestre dependen totalmente del coeficiente de reflexion total y el cambio de fase de la seal

El valor de nivel mas alto se obtiene cn un cambio de fase de 0 grados y el valor mas bajo es para una fase de 180 grados

El coeficiente de reflexion es dependiente de la frecuencia, angulo de incidencia (angulo entre el haz y el plano horizontal), polarizacion y propiedades terrestres.

REFLEXION TERRESTRE

El angulo de incidencia en los trayectos es muy pequeo usualmente menos de 1o

Es recomendable evitar reflexion terrestre utilizando encubrimiento del trayecto contra los rayos indirectos

La contribucion resultante debido a perdidas por refleccion no es incluida automaticamente en el link budget. Cuando la refleccion no pude ser evitada, el margen de desvanecimiento podria ser ajustado incluyendo esta contribucion como perdidas adicionales en el link budget

RADIO MOBILE Freeware por Roger Coude Herramienta de Cobertura de RF muy util para analisis de enlaces Nos ayuda a un analisis rapido del despeje de Fresnel Usa los datos de elevacion de misiones topologicas de la NASA

Despeje de Fresnel

La linea azul vertical indica el despeja en la zona 0.6 Fresnel para el obstaculo mas alto.Arboles o Edificios no son considerados, pero deben tomarse en cuenta.

Zonas de Fresnel de 1.0, 1.5, y 1.75 son mostradas en Radio Mobile . No se asume ninguna condicion especifica en el terreno con Radio Mobile, pero esta puede ser modificada.

Fresnel clearancedist to xmit 2.50 milesdist to rx 4.70 milesFreq 2.43 GHz

Fresnel Radius 59.09 feet0.6 Clearance 35.45 feet

Otras Consideraciones Para enlaces de 3 millas o menos, solo se

consideran las Perdidas de Espacio Libre Se recomienda un minimo de 5dB de

margen a aplicar para perdidas miscelaneas Atenuacion atmosferica y por Humedad sera

muy evidente arriba de 10 GHz Lluvia Torrencial puede causar distorsion de

seal a frecuencias tan bajas como 2 GHz

DISPONBILIDAD DEL ENLACE

Se estima usando la probabilidad de Barnett Se estima el % de tiempo en un ao que el

desvanecimiento excede un valor especifico de espacio libre para un enlace y una frecuencia especifica.

Pmf(%)=0.00006 x abfd3 x 10(-M/10)4 para terrenos muy parejos incluyendo sobre agua

a= 1 para terreno promedio con algo de rugosidad1/4 para montaoso,muy rugoso, o terrenos muy seco

1/2 Costa de Golfo o similares de calientes o humedab= 1/4 Temperatura Normal

1/8 Montaoso o clima Seco

f= frecuencia en GHzd= longitud de trayecto en kilometrosM= excedente desvanecimiento abajo del nivel de espacio

EJEMPLO: North TexasA=1B=0.333F=2.43 GHzD=40kmMargen de Desvanecimiento= 20 dB0.031% no disponible por ao igual a 270 horas

EN CONCLUSIONEl Link Budget es un calculo que envuelve los factores de ganancia y perdidas asociados con las antenas, transmisor, linea de transmision y ambiente de propagacion, para determinar la distancia maxima en que un transmisor y receptor podran operar exitosamente.

Link Budget Link budgets es la herramienta de calculo

para planificacion de enlaces de RF Estos NO nos garantizan el exito del enlace

Power (dBm) = 10 * LOG (PWR en mW)Power (mW) = 10 (PWR en dBm/10)

Link BudgetFrecuencia 2430 MHZ TX Potencia 14.8 dBmTX Potencia 30 mW Potencia en el Feed 13.8 dBmTX Gananacia de Antena (dBi 24 dB EIRP 37.8 dBm o 1.1 WattsTX Perdidas de Sistema 1 dB

Perdidas de Espacio Libre 132.3 dBRX Sensitividad -90 dBmRX Ganancia de Antena (dBi) 16 dB Seal en Antena de RX -94.5 dBmRX Perdidas de Sistema 1 dB Seal en el Puerto de Rx de Anten -78.5 dBmLongitud de Trayecto 25 miles Seal de RX -79.5 dBm

Margen del Enlace 10.5 dB

ENLACE VIDOO LAS PIEDRASDIVERSIDAD DE ESPACIO

Sistemas de Microonda Terrestre Comunicacion Punto-a-PuntoREGIONES DE RF DE UNA PARABOLAABERRACION ESFERICAGEOMETRIA DE UNA PARABOLAGEOMETRIA DE UNA PARABOLAREFLECTOR REALPARAMETROS DE DESEMPEO ELECTRICOPATRON DE RADIACION TIPICO DE UNA PARABOLAEficiencia de AntenasRadio f/D Ancho del Haz PrincipalPATRON DE RADIACION NORMALIZADOEnvolvente del Patron de RadiacionBlindaje y RadomosLINEAS DE TRASMISION Y GUIAS DE ONDACONDICIONES DE FRONTERALINEA DE TRASMISION DE 2 HILOSDERIVACION DE UNA LINEA BALANCEADA A GUIA DE ONDASModo TE10FRENTEDE ONDAVARIACIONES DE LA VELOCIDAD DE GRUPO CON LA FRECUENCIAGUIAS DE ONDAEjemplo de Calculo de Una GuiaEjemplo de Calculo de Una GuiaEjemplo de Calculo de Una GuiaEjemplo de Calculo de Una GuiaDBPorque dB?Que es dB?Decibeles - 1 Decibeles - 2Pensando en dBReferencias en dBNiveles de PotenciaPROPAGACIONPROPAGACION IDEAL EN VACIOPerdidas de Espacio LibrePROPAGACION REAL EN ATMOSFERA K=1.33Anomalias de PropagacionAnomalias de PropagacionMultitrayecto AtmosfericoCANCELACION DE SEAL POR CAMBIO DE FASE CANCELACION DE SEAL POR CAMBIO DE FASERadio Efectivo de la Tierra = k * Radio Verdadero de la Tierra Radio verdadero de la Tierra= 6371 Km k= 4/3 = 1.33, atmVARIACION DE FACTOR K CON LA ALTURASUPER REFRACCION CON K >1.33PROPAGACION CON K < 1SEAL TOTALMENTE BLOQUEADA POR K < < 1Zonas de FresnelZonas de FresnelPropagacion NormalDespeje del TrayectoPERDIDAS Y GANANCIAS DEL ENLACEPERDIDAS POR PROPAGACIONPERDIDAS POR PROPAGACIONATENUACION POR GAS vrs FREQRiesgo por Desvanecimiento de Lluvia, RegionesREFLEXION TERRESTREREFLEXION TERRESTREREFLEXION TERRESTRERADIO MOBILEDespeje de FresnelOtras ConsideracionesDISPONBILIDAD DEL ENLACEEN CONCLUSIONLink Budget ENLACE VIDOO LAS PIEDRASDIVERSIDAD DE ESPACIO