- FIBRA ÓPTICA

Para este último capítulo del blog trataremos la Fibra Óptica, se comenzara con la definición, un poco de historia, las clases de fibras ópticas y sus principales aplicaciones.

También se mostraran videos en donde se ilustra el proceso de fabricación.

Antes de comenzar a leer es recomendable ver el video que muestra la reseña histórica al presente.

Definicion:

La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

Fibra Optica.

 Historia:

Daniel Colladon fue el primero en describir la "fuente de luz" en el artículo que en 1842 tituló On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Ilustración de este último artículo de Colladon, en 1884.

Artículo de Daniel Colladon "On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid".

El uso de la luz para la codificación de señales no es nuevo, los antiguos griegos usaban espejos para transmitir información, de modo rudimentario, usando luz solar. En 1792, Claude Chappe diseñó un sistema de telegrafía óptica, que mediante el uso de un código y torres y espejos distribuidos a lo largo de los 200 km que separan Lille y París, conseguía transmitir un mensaje en tan sólo 16 minutos.

La gran novedad aportada en nuestra época es la de haber conseguido “domar” la luz, de modo que sea posible que se propague dentro de un cable tendido por el hombre. El uso de la luz guiada, de modo que no expanda en todas direcciones, sino en una muy concreta y predefinida se ha conseguido mediante la fibra óptica, que podemos pensar como un conducto de vidrio -fibra de vidrio ultra delgada- protegida por un material aislante que sirve para transportar la señal lumínica de un punto a otro.

Además tiene muchas otras ventajas, como bajas pérdidas de señal, tamaño y peso reducido, inmunidad frente a emisiones electromagnéticas y de radiofrecuencia y seguridad.

Como resultado de estudios en física enfocados de la óptica, se descubrió un nuevo modo de empleo para la luz llamado rayo láser. Este último es usado con mayor vigor en el área de las telecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con altas velocidades y con una amplia cobertura. Sin embargo, no existía un conducto para hacer viajar los fotones originados por el láser.

La posibilidad de controlar un rayo de luz, dirigiéndolo en una trayectoria recta, se conoce desde hace mucho tiempo. En 1820, Augustin-Jean Fresnel ya conocía las ecuaciones por las que rige la captura de la luz dentro de una placa de cristal lisa. Su ampliación a lo que entonces se conocía como cables de vidrio fue obra de D. Hondros y Peter Debye en 1910.

El confinamiento de la luz por refracción, el principio de que posibilita la fibra óptica, fue demostrado por Daniel Colladon y Jacques Babinet en París en los comienzos de la década de 1840. El físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar dentro de un material (agua), curvándose por reflexión interna, y en 1870 presentó sus estudios ante los miembros de la Real Sociedad.1 A partir de este principio se llevaron a cabo una serie de estudios, en los que demostraron el potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia. Además, se desarrollaron una serie de aplicaciones basadas en dicho principio para iluminar corrientes de agua en fuentes públicas. Más tarde, J. L. Baird registró patentes que describían la utilización de bastones sólidos de vidrio en la transmisión de luz, para su empleo en un primitivo sistema de televisión de colores. El gran problema, sin embargo, era que las técnicas y los materiales usados no permitían la transmisión de la luz con buen rendimiento. Las pérdidas eran grandes y no había dispositivos de acoplamiento óptico.

Solamente en 1950 las fibras ópticas comenzaron a interesar a los investigadores, con muchas aplicaciones prácticas que estaban siendo desarrolladas. En 1952, el físico Narinder Singh Kapany, apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que condujeron a la invención de la fibra óptica.

Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión de imágenes, que se usó en el endoscopio médico. Usando la fibra óptica, se consiguió un endoscopio semiflexible, el cual fue patentado por la Universidad de Míchigan en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un material de bajo índice de refracción, ya que antes se impregnaban con aceites o ceras. En esta misma época, se empezaron a utilizar filamentos delgados como el pelo que transportaban luz a distancias cortas, tanto en la industria como en la medicina, de forma que la luz podía llegar a lugares que de otra forma serían inaccesibles. El único problema era que esta luz perdía hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias de hasta 9 metros de fibra.

Charles K. Kao, en su tesis doctoral de 1956, estimó que las máximas pérdidas que debería tener la fibra óptica, para que resultara práctica en enlaces de comunicaciones, eran de 20 dB/km.

En 1966, en un comunicado dirigido a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, los investigadores Charles K. Kao y G. A. Hockham, de los laboratorios de Standard Telecommunications, en Inglaterra, afirmaron que se podía disponer de fibras de una transparencia mayor y propusieron el uso de fibras de vidrio y luz, en lugar de electricidad y conductores metálicos, en la transmisión de mensajes telefónicos. La obtención de tales fibras exigió grandes esfuerzos de los investigadores, ya que las fibras hasta entonces presentaban pérdidas del orden de 100 dB por kilómetro, además de una banda pasante estrecha y una enorme fragilidad mecánica. Este estudio constituyó la base para mejorar las pérdidas de las señales ópticas que hasta el momento eran muy significativas y no permitían el aprovechamiento de esta tecnología. En un artículo teórico, demostraron que las grandes pérdidas características de las fibras existentes se debían a impurezas diminutas intrínsecas del cristal. Mientras tanto, como resultado de los esfuerzos, se hicieron nuevas fibras con atenuación de 20 dB por kilómetro y una banda pasante de 1 GHz para un largo de 1 km, con la perspectiva de sustituir los cables coaxiales. La utilización de fibras de 100 µm de diámetro, envueltas en nylon resistente, permitirían la construcción de hilos tan fuertes que no podían romperse con las manos. Hoy ya existen fibras ópticas con atenuaciones tan pequeñas de hasta 1 dB por kilómetro, lo que es muchísimo menor a las pérdidas de un cable coaxial.

El artículo de Kao-Hockman estimuló a algunos investigadores a producir dichas fibras con bajas pérdidas. El gran avance se produjo en 1970, cuando los investigadores Maurer, Keck, Schultz y Zimar que trabajaban para Corning Glass, fabricaron la primera fibra óptica aplicando impurezas de titanio en sílice, con cientos de metros de largo con la claridad cristalina que Kao y Hockman habían propuesto. Las pérdidas eran de 17 dB/km. Durante esta década las técnicas de fabricación se mejoraron, consiguiendo pérdidas de tan solo 0,5 dB/km.

Poco después, Panish y Hayashi, de los laboratorios Bell, mostraron un láser de semiconductores que podía funcionar continuamente a temperatura ambiente. En 1978 ya se transmitía a 10 Gb km/segundos. Además, John MacChesney y sus colaboradores, también de los laboratorios Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación de fibras. Todas estas actividades marcaron un punto decisivo ya que ahora, existían los medios para llevar las comunicaciones de fibra óptica fuera de los laboratorios, al campo de la ingeniería habitual. Durante la siguiente década, a medida que continuaban las investigaciones, las fibras ópticas mejoraron constantemente su transparencia.

El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.

El amplificador que marcó un antes y un después en el uso de la fibra óptica en conexiones interurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue el amplificador óptico inventado por David N. Payne, de la Universidad de Southampton, y por Emmanuel Desurvire en los Laboratorios Bell. A ambos se les concedió la Medalla Benjamin Franklin en 1988.

Cable submarino de fibra óptica.

En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240 kilómetros de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Pero las fibras ópticas con este grado de transparencia no se podían fabricar usando métodos tradicionales. El gran avance se produjo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía fabricar directamente a partir de componentes de vapor, evitando de esta forma la contaminación que inevitablemente resultaba del uso convencional de los crisoles de fundición. El progreso se centraba ahora en seleccionar el equilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones. La tecnología en desarrollo se basaba principalmente en el conocimiento de la termodinámica química, una ciencia perfeccionada por tres generaciones de químicos desde su adopción original por parte de Willard Gibbs, en el siglo XIX.

También en 1980, AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos un proyecto de un sistema de 978 kilómetros que conectaría las principales ciudades del corredor que iba de Boston a Washington D. C.. Cuatro años después, cuando el sistema comenzó a funcionar, su cable, de menos de 25 centímetros de diámetro, proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas. Para entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos alcanzaba 400.000 kilómetros (suficiente para llegar a la luna).

Pronto, cables similares atravesaron los océanos del mundo. El primer enlace transoceánico con fibra óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988, usando un cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a distancias de más de 64 kilómetros. Tres años después, otro cable transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado en funcionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces transoceánicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.

Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable de cobre. Además, las fibras por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos donde el cable de cobre sería impracticable.

Tipos de fibra óptica.

Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Fibra multimodo

Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 2 km, es simple de diseñar y económico.

El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:
Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales.

Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho de banda se incluye el formato OM3 (multimodo sobre láser) a los ya existentes OM1 y OM2 (multimodo sobre LED).

OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser (VCSEL) como emisores.

Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz·Km (10 Gbps), es decir, una velocidades 10 veces mayores que con OM1.

Fibra Optima Multimodo.

Fibra monomodo

Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gb/s).

 Fibra Optima Monomodo. 

Aplicaciones:

Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales y joyas, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares. Aplicaciones de la fibra monomodo: Cables submarinos, cables interurbanos, etc.

Comunicaciones con fibra óptica.

La fibra óptica se emplea como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones, ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos. Para usos interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen.

Sensores De Fibra Óptica.

Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sónar. Se ha desarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando la fibra óptica. Los hidrófonos son usados por la industria de petróleo así como las marinas de guerra de algunos países. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabajaba con un láser y las fibras ópticas.

Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión, la temperatura, la presión y otros parámetros. El tamaño pequeño y el hecho de que por ellas no circula corriente eléctrica le da ciertas ventajas respecto al sensor eléctrico.

Sensor de fibra Optica de banner (D11SP6FP)

Iluminación.

Otro uso que le podemos dar a la fibra óptica es el de iluminar cualquier espacio. Debido a las ventajas que este tipo de iluminación representa en los últimos años ha empezado a ser muy utilizado.

Entre las ventajas de la iluminación por fibra podemos mencionar:

• Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad de transmitir los haces de luz además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma.

• Se puede cambiar de color la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra.

• Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por medio de fibra: Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras y colocarlas en diferentes lugares.

Lampara de Fibra Optica.

Video de Fabricacion de Fibra Optica por discovery channel (como lo hacen).

Referencias

http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_óptica

http://fibra-optica.lacoctelera.net/post/2008/08/10/aplicaciones-las-fibras-opticas

- RADIOENLACES

Definicion:

Se puede definir al radio enlace del servicio fijo, como sistemas de comunicaciones entre puntos fijos situados sobre la superficie terrestre, que proporcionan una capacidad de información, con características de calidad y disponibilidad determinadas. Típicamente estos enlaces se explotan entre los 800 MHz y 42 GHz.

Ejemplo de un radioenlaces con Microondas.

Presupuesto de potencia del enlace:

Un presupuesto de potencia para un enlace punto a punto es el cálculo de ganancias y pérdidas desde el radio transmisor (fuente de la señal de radio), a través de cables, conectores y espacio libre hacia el receptor. La estimación del valor de potencia en diferentes partes del radioenlace es necesaria para hacer el mejor diseño y elegir el equipamiento adecuado.

Elementos del presupuesto de enlace:

Los elementos pueden ser divididos en 3 partes principales:

1. El lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión.
2. Pérdidas en la propagación.
3. El lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva (effective receiving sensibility).

Un presupuesto de radio enlace completo es simplemente la suma de todos los aportes (en decibeles) en el camino de las tres partes principales.

Potencia del transmisor [dBm] – Pérdida en el cable TX [dB] + ganancia de antena TX [dBi] – Pérdidas en la trayectoria en el espacio abierto [dB] + ganancia de antena RX [dBi] – Pérdidas en el cable del RX [dB] = Margen – Sensibilidad del receptor [dBm].

Trayectoria completa de transmisión entre el transmisor y el receptor.

Potencia en dBm en función de la distancia para un radioenlace.

El lado de Transmisión:

Potencia de Transmisión (Tx).

La potencia de transmisión es la potencia de salida del radio. El límite superior depende de las regulaciones vigentes en cada país, dependiendo de la frecuencia de operación y puede cambiar al variar el marco regulatorio. En general, los radios con mayor potencia de salida son más costosos.

La potencia de transmisión del lradio, normalmente se encuentra en las especificaciones técnicas del vendedor. Tenga en cuenta que las especificaciones técnicas le darán valores ideales, los valores reales pueden variar con factores como la temperatura y la tensión de alimentación.

La potencia de transmisión típica en los equipos IEEE 802.11 varía entre 15 – 26 dBm (30 – 400 mW). Por ejemplo, en la Tabla siguiente, vemos la hoja de datos de una tarjeta IEEE 802,11a/b:

Ejemplo de (pico) de potencia de transmisión de una tarjeta inalámbrica IEEE 802,11a/b típica.

Pérdida en el cable.

Las pérdidas en la señal de radio se pueden producir en los cables que conectan el transmisor y el receptor a las antenas. Las pérdidas dependen del tipo de cable y la frecuencia de operación y normalmente se miden en dB/m o dB/pies.

Independientemente de lo bueno que sea el cable, siempre tendrá pérdidas. Por eso, recuerde que el cable de la antena debe ser lo más corto posible. La pérdida típica en los cables está entre 0,1 dB/m y 1 dB/m. En general, mientras más grueso y más rígido sea el cable menor atenuación presentará. Para darle una idea de cuán grande puede ser la pérdida en un cable, considere que está usando un cable RG58 que tiene una pérdida de 1 dB/m, para conectar un transmisor con una antena. Usando 3 m de cable RG58 es suficiente para perder el 50% de la potencia (3 dB).

Valores típicos de pérdida en los cables para 2,4GHz.

Pérdidas en los conectores.

Estime por lo menos 0,25 dB de pérdida para cada conector en su cableado. Estos valores son para conectores bien hechos mientras que los conectores mal soldados DIY (Do It Yourself) pueden implicar pérdidas mayores. Vea la hoja de datos para las pérdidas en su rango de frecuencia y el tipo de conector que usará.

Si se usan cables largos, la suma de las pérdidas en los conectores está incluida en una parte de la ecuación de “Pérdidas en los cables”. Pero para estar seguro, siempre considere un promedio de pérdidas de 0,3 a 0,5 dB por conector como regla general.

Además, Ios protectores contra descargas eléctricas que se usan entre las antenas y el radio debe ser presupuestado hasta con 1 dB de pérdida, dependiendo del tipo. Revise los valores suministrados por el fabricante (los de buena calidad sólo introducen 0,2 dB).

Amplificadores.

Opcionalmente, se pueden usar amplificadores para compensar la pérdida en los cables o cuando no haya otra manera de cumplir con el presupuesto de potencia. En general, el uso de amplificadores debe ser la última opción. Una escogencia inteligente de las antenas y una alta sensibilidad del receptor son mejores que la fuerza bruta de amplificación.

Los amplificadores de alta calidad son costosos y uno económico empeora el espectro de frecuencia (ensanchamiento), lo que puede afectar los canales adyacentes. Todos los amplificadores añaden ruido extra a la señal, y los niveles de potencia resultantes pueden contravenir las normas legales de la región.

Técnicamente hablando, prácticamente no hay límites en la cantidad de potencia que puede agregar a través de un amplificador, pero nuevamente, tenga en cuenta que los amplificadores siempre elevan el ruido también.

Ganancia de antena.

La ganancia de una antena típica varía entre 2 dBi (antena integrada simple) y 8 dBi (omnidireccional estándar) hasta 21 – 30 dBi (parabólica). Tenga en cuenta que hay muchos factores que disminuyen la ganancia real de una antena.

Las pérdidas pueden ocurrir por muchas razones, principalmente relacionadas con una incorrecta instalación (pérdidas en la inclinación, en la polarización, objetos metálicos adyacentes). Esto significa que sólo puede esperar una ganancia completa de antena, si está instalada en forma óptima. Ver unidad “Antenas y Cables” para mas detalles.

Pérdidas de propagación:

Las pérdidas de propagación están relacionadas con la atenuación que ocurre en la señal cuando esta sale de la antena de transmisión hasta que llega a la antena receptora.

Pérdidas en el espacio libre.

La mayor parte de la potencia de la señal de radio se perderá en el aire. Aún en el vacío, una onda de radio pierde energía (de acuerdo con los principios de Huygens) que se irradia en direcciones diferentes a la que puede capturar la antena receptora. Nótese que esto no tiene nada que ver con el aire, la niebla, la lluvia o cualquier otra cosa que puede adicionar pérdidas La Pérdida en el Espacio libre (FSL), mide la potencia que se pierde en el mismo sin ninguna clase de obstáculo. La señal de radio se debilita en al aire debido a la expansión dentro de una superficie esférica.

La Pérdida en el Espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia y también proporcional al cuadrado de la frecuencia . Aplicando decibeles, resulta la siguiente ecuación:

d = distancia

f = frecuencia
K = constante que depende de las unidades usadas en d y f Si d se mide en metros, f en Hz y el enlace usa antenas isotrópicas, la fórmula es:

Pérdida en dB en función de la distancia en metros.

El gráfico muestra la pérdida en dB para 2.4 GHz [ ] y 5.4 GHz [ ]. Se puede ver que después de 1,5 km, la pérdida se puede ver como “lineal” en dB.

Como regla general en una red inalámbrica a 2.4 GHz, 100 dB se pierden en el 1er kilómetro y la señal es reducida a 6 dB cada vez que la distancia se duplica. Esto implica que un enlace de 2 km tiene una pérdida de 106 dB y a 4km tiene una pérdida de 112 dB, etc.

Pérdidas en Espacio Abierto (PEA) en dB para diferentes distancias y frecuencias.

Estos valores son teóricos y pueden muy bien diferir de las mediciones tomadas, El término “espacio libre” no es siempre tan “libre”, y las pérdidas pueden ser muchas veces mas grandes debido a las influencias del terreno y las condiciones climáticas. En particular, las reflexiones en cuerpos de agua o en objetos conductores pueden introducir pérdidas significativas. Ver unidad “Física Básica de Radio” para mayor información.

Zona de Fresnel.

Teniendo como punto de partida el principio de Huygens, podemos calcular la primera zona de Fresnel, el espacio alrededor del eje que contribuye a la transferencia de potencia desde la fuente hacia el receptor.

Basados en esto, podemos investigar cuál debería ser la máxima penetración de un obstáculo (por ej., un edificio, una colina o la propia curvatura de la tierra) en esta zona para contener las pérdidas.

Zona de Fresnel.

Lo ideal es que la primera zona de Fresnel no esté obstruida, pero normalmente es suficiente despejar el 60% del radio de la primera zona de Fresnel para tener un enlace satisfactorio. En aplicaciones críticas, habrá que hacer el cálculo también para condiciones anómalas de propagación, en la cuales las ondas de radio se curvan hacia arriba y por lo tanto se requiere altura adicional en las torres. Para grandes distancias hay que tomar en cuenta también la curvatura terrestre que introduce una altura adicional que deberán despejar las antenas.

La siguiente fórmula calcula la primera zona de Fresnel:

d1 = distancia al obstáculo desde el transmisor [km]
d2 = distancia al obstáculo desde el receptor [km]
d = distancia entre transmisor y receptor [km]
f = frecuencia [GHz]
r = radio [m]

Si el obstáculo está situado en el medio (d1 = d2), la fórmula se simplifica:

Tomando el 60% nos queda:

Radio [m] para la primera zona de Fresnel.

La “Altura de la curvatura terrestre” describe la elevación que la curvatura de la tierra crea entre 2 puntos.

Lado receptor.

Los cálculos son casi idénticos que los del lado transmisor.

Ganancia de antena desde el receptor.

Los cálculos y los principios son los mismos que el transmisor.

Amplificadores desde el receptor.

Los cálculos y los principios son los mismos que el transmisor. Nuevamente, la amplificación no es un método recomendable a menos que otras opciones hayan sido consideradas y aun así sea necesario, por ej., para compensar pérdidas en el cable.

Sensibilidad del receptor.

La sensibilidad de un receptor es un parámetro que merece especial atención ya que identifica el valor mínimo de potencia que necesita para poder decodificar/extraer “bits lógicos” y alcanzar una cierta tasa de bits.

Una diferencia de 10dB aquí (que se puede encontrar fácilmente entre diferentes tarjetas) es tan importante como 10 dB de ganancia que pueden ser obtenidos con el uso de amplificadores o antenas más grandes. Nótese que la sensibilidad depende de la tasa de transmisión.

Valores típicos de la sensibilidad del receptor de las tarjetas de red inalámbrica.

Margen y Relación S/N.

No es suficiente que la señal que llega al receptor sea mayor que la sensibilidad del mismo, sino que además se requiere que haya cierto margen para garantizar el funcionamiento adecuado. La relación entre el ruido y la señal se mide por la tasa de señal a ruido (S/N). Un requerimiento típico de la SNR es 16 dB para una conexión de 11 Mbps y 4 dB para la velocidad más baja de 1 Mbps. En situaciones donde hay muy poco ruido el enlace está limitado primeramente por la sensibilidad del receptor. En áreas urbanas donde hay muchos radioenlaces operando, es común encontrar altos niveles de ruido (tan altos como -92 dBm). En esos escenarios, se requiere un margen mayor:

En condiciones normales sin ninguna otra fuente en la banda de 2.4 GHz y sin ruido de industrias, el nivel de ruido es alrededor de los -100 dBm.

Presupuesto de Enlace Completo:

El cálculo de presupuesto de enlace es para estar seguro de que el margen en el receptor es mayor que un cierto umbral. Además, la PIRE debe estar dentro de las regulaciones. El margen de un presupuesto de enlace puede ser resumido de la siguiente manera:

La sección siguiente muestra dos ejemplos reales de cálculo de presupuesto de enlace, uno para un enlace de 50 km y otro para uno de 1 km.

Ejemplo 1: Enlace de 50 km.

Enlace de 50 Km.

El margen del enlace es de 8dB que puede ser adecuado para un ambiente rural pero la potencia irradiada de 36 dBm (4W) no es legal en Europa aunque si en EEUU.

Ejemplo 2: Enlace de 1 km.

Enlace de 1 km.

El margen de este enlace es de 13 dB, adecuado para ambientes urbanos y la potencia irradiada es de 18 dBm (<100 mW), quiere decir que el enlace es legal en cualquier país.

Referencias:

http://es.scribd.com/doc/97711782/Radioenlaces-Terrestres-de-Microondas.

http://personal.us.es/murillo/docente/radio/documentos/tema8.pdf.

- SISTEMAS DE MICROONDAS

Espectro electromagnético:

Características de las microondas

• Comprendidas entre los 1GHz a 100Ghz

• Longitud de onda muy pequeña.

• Propagación óptica.

• Gran poder de penetración.

•  Utilización de baja potencia.

Propagación de las ondas

Propagación en línea recta

Propagación de ducto

Refracción en la ionósfera

Amplitud Modulada

Frecuencia Modulada

Receptor Superheterodino

Ventajas de las comunicaciones por microondas

• No necesitan adquisiciones de derecho de vía entre estaciones.

• Requiere solo una pequeña extensión de terreno.

• Pueden llevar grandes cantidades de información.

• Antenas relativamente pequeñas.

• Se propagan con más facilidad en torno a obstáculos físicos

• Requieren menos repetidores.

• Se reducen al mínimo las instalaciones subterráneas.

• Se introducen tiempos mínimos de retardos.

• Entre los canales de voz existe un mínimo de diafonía.

• Mayor confiabilidad y menores tiempos de mantenimiento.

Determinación de la longitud del enlace

• Potencia del transmisor

• Umbral de ruido del receptor

• Geografía del terreno

• Condiciones atmosféricas

• Capacidad del sistema

• Objetivos de confiabilidad

• Expectativas de funcionamiento.

Distancia de un enlace

• 12, 14, 18 y 23 Ghz, entre 1 y 25 kilómetros.

• 2, 4, 6 Ghz entre 30 y 50 kilómetros.

Repetidor de Microondas

Tipo de Repetidores

• Repetidor de IF o heterodino

• Repetidor de banda base

Repetidor de IF o heterodino

Repetidor de Banda Base I

Repetidor de Banda Base II

Referencias

Wayne_Tomasi_-_Sistemas_de_Comunicaciones_Electronicas.

- GUÍA DE ONDAS

Definicion:

Son tuberías metálicas huecas de sección transversal arbitraria (cuadrada, cilíndrica, elíptica, . . .) que permiten transmitir las ondas electromagnéticas de forma con nada entre dos puntos distintos (por ejemplo, un generador y una antena).

Se utilizan a fecuencias de microondas: 300 MHz (3 • 108 Hz) <f <300 GHz (3 • 108 Hz). Constituyen una alternativa a las líneas de transmisión, y son insustituibles en aplicaciones en las que se requieren altos niveles de potencia.

Modos para guías de ondas sin pérdidas rellenas de aire:

Existe un conjunto in nito pero numerable de ondas electromagnéticas diferentes (soluciones de la ecuación de ondas) que se pueden pueden propagar por una guía de ondas. Se las conoce como modos.

Guía de ondas rellena de aire.

Consideremos una guía de ondas sin pérdidas (las paredes son con- ductores ideales) rellena de aire (conductividad despreciable, per- mitividad ²0 y permeabilidad µ0). Sea z el eje de la guía, sea la su- per cie S la sección transversal de la guía, sea C el contorno de la sección transversal, sea τ un vector unitario tangente a C y sea y sea n un vector unitario normal a las paredes de la guía ( n]C = zˆ × τ ). Supongamos que los campos eléctrico y magnético de las ondas que se pueden propagar por la guía admiten una expresión del tipo:

donde Ee (r) y He (r) son los fasores asociados a E(r, t) y H(r, t). Dentro de la guía E y H deben satisfacer las ecuaciones de ondas:

Con las condiciones de contorno:

Ya que se han supuesto ideales las paredes conductoras de la guía.

Particularizando las ecuaciones (3) y (4) para la componente z y teniendo en cuenta las ecuaciones (1) y (2) en la ecuación resutante, se llega a que ez y hz deben satisfacer en S las siguientes ecuaciones diferenciales (ejercicio):

donde ∇t = ∇ − ∂/∂z zˆ y k0 = ω√²0µ0 = ω/c es el número de ondas de una onda plana que se propaga por el aire.

Por otro lado, introduciendo (1) y (2) en las ecuaciones de Maxwell para los rotacionales de E y H, se llega a que (ejercicio):

Teniendo en cuenta las ecuaciones (9) y (10), es fácil comprobar que para que se satisfagan las condiciones de contorno (5) y (6), basta con que se satisfagan las condiciones de contorno (ejercicio):

Por tanto, para obtener los modos de una guía de ondas, basta con resolver las ecuaciones (7) y (8) sometidas a las condiciones de contorno (11) y (12). Una vez conocidos ez y hz , es posible obtener et y ht (y, por tanto, las componentes transversales de E y H) haciendo uso de (9) y (10).

Modos TE (transversales eléctricos):

Para estos modos, se cumple que ez = 0. La determinación de estos modos requiere resolver en S el problema de Sturm Liouville bidimensional:

que tiene un conjunto in nito numerable de autofunciones hz y auto valores K2 = K2 −β2   Para los modos TE, et y ht se obtienen a partir de (véanse las ecuaciones (9) y (10)):

Modos TM (transversales magnéticos):

Para estos modos, se cumple que ez = 0. La determinación de estos modos requiere resolver en S el problema de Sturm Liouville bidimensional:

que, de nuevo, tiene un conjunto in nito numerable de autofunciones ez y autovalores k2. De acuerdo con (9) y (10), en este caso et y ht se obtienen a partir de:

Modos TEM (transversales electromagnéticos):

Son modos para los que ez = hz = 0. Estos modos (típicos de las líneas de transmsión) no se pueden propagar por las guías de ondas. De hecho, si ez = hz = 0, a partir de las ecuaciones de Maxwell se deduce que en S se veri ca que:

Y como φ(x, y)]C = K , de acuerdo con el teorema de unicidad para la ecuación de Laplace, se cumple que φ(x, y)]S = K y et]S = −∇tφ]S = 0, con lo cual, ht = 0

La guía de ondas rectangular:

Guía de ondas rectangular.

Modos TEmn:

En este caso la ecuación (13) se convierte en:

con las condiciones de contorno:

Las soluciones a la ecuación (21) con las condiciones de contorno (22) se pueden obtener mediante el método de separación de variables, y vienen dadas por (ejercicio):

siendo:

hz,mn son las autofunciones y ¡kT E ¢ son los autovalores del proble ma de Sturm Liouville planteado. A las ondas electromagnéticas que se obtienen a partir de (23) y (24) se les llama modos TEmn. De acuerdo con (24), se llega a que:

Se define la frecuencia de corte del modo TEmn como la frecuencia a partir de la cual el modo pasa de estar al corte a ser propagativo, y viene dada por:

Modos TMmn

En este caso la ecuación diferencial que hay que resolver es (véase la ecuación (16)):

con las condiciones de contorno:

La solución de (27) con las condiciones de contorno (28) viene dada por:

siendo:

A los modos que se obtienen a partir de (29) se les llama modos TMmn. Al igual que ocurre con los modos TEmn, las frecuencias de corte de los modos TMmn vienen dadas por:

Propagación monomodo y ancho de banda:

A una frecuencia dada, una guía de ondas soporta un número ni- to de modos propagativos y un número in nito de modos al corte. Usualmente, conviene trabajar en el intervalo de frecuencias en el que sólo se propaga un modo (modo fundamental). Si se trabaja a una frecuencia a la que se propagan varios modos, la energía electromagnética viaja por la guía repartida entre todos estos modos y, para poder recuperarla íntegramente, hay que utilizar un mecanismo de detección especí co para cada modo (además, la propagación mul- timodo produce distorsión ya que a una frecuencia dada, la constante de propagación β de cada modo suele ser distinta, y la velocidad de propagación, también). Si fc1 es la frecuencia de corte del primer modo y fc2 es la frecuencia de corte del segundo modo, se debe trabajar en el intervalo fc1 < f < fc2. En la práctica se suele utilizar aproximada- mente el intervalo 1,25fc1 < f < 0,95fc2 para reducir la atenuación (el efecto de las pérdidas óhmicas en las paredes conductoras es más pronunciado para cada modo en las proximidades de su frecuencia de corte) y la distorsión (la dependencia de β con ω es fuertemente no lineal en las proximidades de la frecuencia de corte), y para evitar trabajar demasiado cerca de la frecuencia de corte del segundo modo.

Para una guía de ondas rectangular, el modo fundamental siempre es el modo TE10 (fc1 = c ). Si además se cumple que a > 2b, el segundo modo es el modo TE20 (fc2 = c = 2fc1). En el caso concreto de la guía de ondas rectangular WR 90 con la que vamos a trabajar en el laboratorio (a = 2,286 cm y b = 1,016 cm), se cumple que fc1 = 6,562 GHz y fc2 = 13,123 GHz. Esta guía rectangular se suele utilizar en el intervalo 8.2 GHz<f<12.4 GHz (en el laboratorio, trabajaremos a f ≈ 10,5 GHz). La existencia de la frecuencia de corte para el modo fundamental y la necesidad de trabajar en régimen monomodo limita mucho el ancho de banda (intervalo útil de frecuencias) de las guías de ondas, que suele ser muy inferior al de las líneas de transmisión (0 < f < fc1).

El modo fundamental TE10:

Para este modo, los fasores de E y H valen:

La frecuencia de corte vale   y la constante de propagación y la longitud de onda valen:

El fasor de campo eléctrico se puede escribir como:

Que corresponde a la superposición de dos ondas planas que se propagan en la dirección de los vectores número de ondas  y  . Otra forma de ver la propagación del modo TE10 por la guía es pensar en una onda plana que va rebotando en las paredes de la guía, de forma que su vector número de ondas va tomando alternativamente los valores k+ y k−.

Propagación de una onda en una guía de ondas rectangular como superposición de dos ondas planas que viajan en direcciones diferentes.

Si θ es el ángulo que forma la dirección de propagación de la onda con el eje z, se va a vericar que:

La velocidad de fase en la dirección z (que es la velocidad con la que se mueven los planos de fase constante sobre las paredes de la guía) viene dada por:

En una guía de ondas la velocidad de fase no tiene sentido físico. La velocidad de grupo es la componente de la velocidad de la onda plana (c) a lo largo del eje z, esto es:

La velocidad de grupo representa la velocidad con la que viaja la energía del modo TE10 dentro de la guía de ondas, y también la velocidad con que viajan los paquetes de ondas (de extensión nita en el tiempo) dentro de la guía. La velocidad de grupo es la que tiene sentido físico para el modo TE10. Se cumple que:

Guías de ondas rectangulares en presencia de obstáculos:

Cuando una guía de ondas rectangular por la que viaja el modo TE10 en sentido +z se encuentra un obstáculo, parte de la potencia se re eja y en la guía se forma una onda estacionaria que es superposición de un modo TE10 incidente (que viaja en sentido +z) y de un modo TE10 re ejado (que viaja en sentido −z).

Modos TE10 incidente y re ejado en una guía de ondas terminada en un obstáculo.

A una distancia su ciente del obstáculo (como para que todos los modos al corte excitados por el obstáculo se hayan atenuado), el fasor del campo eléctrico en la guía se puede escribir:

donde ΓL es un coe ciente de re exión similar al que se de ne para las líneas de transmisión acabadas en una impedancia de carga.

En el plano x = a donde la dependencia de Ee con x se hace máxima (plano E de la guía), se verifica que:

y el módulo de Ee (x = a , z) vale:

En el laboratorio se va a medir la dependencia de |Ee (x = a , z)| con utilizando una sonda (pequeña antena) que penetra ligeramente en el plano E de una guía ranurada.

La guía de ondas circular:

Modos TEmn:

En este caso la ecuación (13) se convierte en:

con la condición de contorno:

Utilizando separación de variables, la solución que se obtiene para (47) y (48) es (ejercicio):

Referencias

- http://es.wikipedia.org/wiki/Guía_de_onda
- http://www.ing.unlp.edu.ar/camposyo/Guia_Onda.pdf
- Wayne_Tomasi_-_Sistemas_de_Comunicaciones_Electronicas