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• Introducción• Qué son las antenas? • ¿Qué es el medio de propagación?• ¿Qué es una onda de radio? ¿Que es el dbi Decibel isotropito?• Factores que afectan la propagación Comportamiento de las

ondas de radio.

Introducción

• En general, de lo primero que se habla en un enlace es de la potencia que se necesita para realizar la conexión. Sin embargo vamos a ver que uno de los factores primordiales en un enlace es la etapa pasiva, la que irradia y emite la señal al medio ambiente.

• Antes de comenzar con los cálculos de antenas voy a explicar algunos conceptos muy• importantes al momento de elaborar un proyecto o calcular un enlace, estos son

conceptos teóricos muy importantes y básicos que debemos tener en cuenta cada vez que tengamos que realizar una instalación.

 

¿Que son las antenas?• Las antenas son un componente muy importante en una comunicación

inalámbrica. La antena es un dispositivo que emite y recepciona una señal de RF (Radio frecuencia) que viaja por un conductor y lo transforma en una onda electromagnética en el espacio abierto. Las antenas no generan potencia, solo pueden direccionarla. La unidad en que se expresa la ganancia es en dBi. Las antenas deben cumplir con la propiedad de reciprocidad. La misma antena debe tener la propiedad de transmitir como de recibir. Son elementos pasivos a diferencia de los equipos que producen una potencia y se denominan elementos activos.

• Diagrama Polar

¿Que son las antenas?

Modelo YagiTDJ14Rango de Frecuencia 2400 2500 MHzVSWR 1.2Impedancia 50Ganancia 13 dBiRelación delante - atrás 16.5 dBiPolarización Vertical u HorizontalPotencia máx. 100 WContacto a tierra DirectoConector N HembraRango de temperatura de trabajo - 40º 60º

¿Qué es el medio de propagación?

• El medio ambiente, el espacio, el aire son todas definiciones del medio de propagación. Las señales de radio viajan por el medio en forma de ondas electromagnéticas. Al medio de propagación se lo llama espectro electromagnético.

• Las ondas electromagnéticas abarcan un rango de frecuencias muy extenso y estas son• determinan por la longitud de onda y frecuencia de los ciclos de cada señal.• Para WI-FI nos vamos a concentrar en las Bandas ISM que son las asignadas para el uso de

la comunicación inalámbrica.

La Banda ISM

ISM significa Industrial, Científica y Médica.Estas fueron asignadas por la FCC – Federal Communications Comission) con bandas de frecuencias de 902-928Mhz, 2,4MHz-2,484 y 5150-5850MHz.Estas bandas fueron designadas para uso comercial y sin licencia por ejemplo hornos de microondas, teléfonos inalámbricos, etc.Las frecuencias mas importantes para nosotros ya que son las establecidas en los estándares IEEE 802.11 para la transmisión de información inalámbrica están en los rangos de 2400-2484MHz utilizada en los estándares IEEE 802.11b y 802.11g y 5150-5850Mhz correspondiente al estándar IEEE 802.11a

¿Que es una onda de radio?

Una onda de radio es una oscilación que se propaga en el espacio.Ejemplo: cuando una persona habla las cuerdas vocales crean oscilaciones, estas producen una compresión y descompresión del aire y viajando a la velocidad del sonido y propagándose en el espacio.Lo mismo pasa en el agua.Una onda tiene una cierta velocidad, frecuencia y Longitud de onda.Velocidad = Frecuencia * Longitud de onda

¿Que es una onda de radio?

Longitud de onda: Es la distancia medida desde un punto en una onda hasta la parte equivalente de la siguiente, por ejemplo desde la cima de un pico hasta el otro.

Frecuencia: Es la cantidad de ondas enteras que pasan por un punto fijo en un segundo. Velocidad, se mide en Metros/segundos, la frecuencia en ciclos por segundos o Hz y la longitud de onda en metros.

¿Que es una onda de radio?

Por ejemplo: Si tiramos una piedra en el agua y la onda viaja a un metro por segundo y oscila 5 veces por segundo, tenemos que cada onda tiene 20cm. 1 metro/segundo= 5 ciclos/segundos * lambdaL=1/5 metros --- L=0,2 metros --- 20cmPara una frecuencia de 2,4Ghz es de 12,5 cm y para 5,8GHz es de 5,1cm.

Las ondas también tienen una propiedad denominada amplitud que es la distancia desde el medio de la onda hasta su pico.

¿Que es el dbi Decibel isotropito?

La ganancia de una antena no es una unidad de medida fija, es una relación con un modelo ideal contra el real. Las dos referencias más comunes son la antena Isotropica y la antena dipolo resonante de media longitud de onda.La antena isotropica irradia en todasdirecciones con la misma intensidad.La unidad de medida es el dBi.

¿Que es el dbi Decibel isotrópico?

Decibelio es la unidad relativa empleada para expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia.

dB= 10 LOG (Ps/Pe)

Ps potencia de salida del dispositivoPe potencia de entrada en el dispositivo

Irradiación ideal isotrópica Representación 3dimencional

Factores que afectan la propagación

Absorción: Este fenómeno surge cuando una onda atraviesa un material el cual absorbe y hace disminuir la señal. Los dos materiales que más afectan a las comunicaciones inalámbricas son el Metal y el Agua. Los demás materiales dependen de la cantidad de agua que contengan por ejemplo los árboles.

Reflexión: Las ondas al igual que la luz son reflejadas. Los dos materiales que más afectan a las ondas son el metal y los espejos de agua. El Angulo de entrada y el ángulo de salida de una onda reflejada es el mismo. Para la frecuencia de 2.4Ghz una reja de metal con una separación de 1cm es igual que una chapa de metal. En una oficina nos encontramos con el fenómeno llamado efecto multitrayectoria (multipath).

Difracción: Es el comportamiento de las ondas cuando inciden en un objeto y dan la impresión de doblarse. Principio de Huygens y usado por Fresnel. Esto se hace mas evidente cunado vemos las ondas que produce una piedra en el agua. La onda se va desplazando por el agua hasta encontrar un obstáculo, veremos que de inmediato desde ese obstáculo sale una nueva onda.

Interferencia: Existen 2 clases de interferencia la constructiva que “amplifica o suma” y la destructiva que “disminuye o anula” Si tenemos dos señales sinusoidales y estas coinciden sus picos estas se suman pero si un pico coincide con un valle estas se anulan.

Teoría de Fresnel

Teoría de Fresnel: Esta es muy importante al momento de calcular un enlace en exterior. La teoría de Fresnel describe distintas Zonas, la que nos interesa para hacer calculo de enlace es la primera zona que es la inmediata a nuestro enlace.Esta zona esta comprendida entre A y B, y un radio tanto para arriba como hacia abajo “r” que no debe haber ningún objeto.

Como ya hemos visto cunado una onda golpea a un obstáculo, esta se descompone en varias ondas y esto produce distintas distorsiones o factores que hacen que la comunicación se vea afectada. Las señales pueden ser absorbidas, crear multitrayectorias, crear interferencia y así anular las señales.

El cálculo de Fresnel de la primera zona nos da la altura que debe estar colocado nuestro equipo por encima de cualquier obstáculo. Una de las claves más importantes en esta tecnología es que la línea visual tiene que estar totalmente despajada.

En Resumen:

Comportamiento de las ondas de radio:

Cuanto más larga la longitud de onda, mas lejos llegaA niveles de potencia iguales, las ondas con longitud de onda mas largas viajan mas lejos porlo tanto las comunicaciones en 2,4Ghz son mejores que las de 5,8Mhz.

Cuanto mas larga la longitud de onda, mejor viaja a través y alrededor de obstáculos.

Por ejemplo una onda en el agua de 5cm va poder atravesar un palito de madera de 5mm, perosi tenemos un barco la onda se detiene contra el obstáculo. Des esto surge una relación entre la longitud de onda y el obstáculo a traspasar.

Cuanto mas corta la longitud de onda, puede transportar más datos.Cuanto más rápida sea la oscilación o ciclo de la onda, mayor cantidad de información puedetransportar. Cada oscilación o ciclo puede ser usado para enviar un bit

- ¿Como se calcula el alcance en una conexión wireless?

Cálculos de Alcance Antes de explicar como calcular el alcance en una conexión wifi, algunos quizás se pregunten que es el alcance.

Digamos que el alcance es la distancia física y lineal entre dos puntos que permiten una conexión inalámbrica posible. Pero también sabemos que la forma de la onda del espectro radioeléctrico de las señales wireless no son lineales sino que presentan diferentes tipos en función de las antenas usadas.

Imaginemos un comunicación entre antenas direccionales, quizás su alcance sea de varios kilómetros, pero a lo mejor con un tercer punto y manteniendo los mismo equipos esta comunicación no es posible.

Por lo tanto aunque el alcance de una antena depende también de factores como los obstáculos o las interferencias, lo que se suele hacer es realizar el calculo suponiendo unas condiciones ideales y, posteriormente, estimar unas perdidas adicionales por falta de condiciones ideales.

Cálculos de Alcance Perdida de propagación

La perdida de propagación es la cantidad de señal necesaria para llegar de un extremo de la conexión wireless al otro. Es decir la cantidad de señal que se pierde al atravesar un espacio.

Las señales electromagnéticas se propagan por el medio a la velocidad de la luz. Incluso tienen la capacidad y habilidad de poder traspasar paredes, techos puerta o cualquier obstáculo (teóricamente claro). Además gracias al fenómeno conocido como difracción pueden colarse por los pequeños agujeros gracias a un fenómeno conocido como difracción. En cualquier caso, unos obstáculos los pasa mas fácilmente que otros.

El hacer un calculo teórico del alcance de una señal, considerando todos los posibles obstáculos, resulta algo complicado teniendo en cuenta la finalidad a la que se dedican estos cálculos, que es para nosotros mismos. Por lo tanto, lo mejor es llevar el calculo al espacio abierto sin obstáculos. Si necesitáis cálculos mas exactos podéis recurrir a la formula de perdida de propagación de Egli, pero no lo creo oportuno seguir hablando de ello.

En un espacio sin obstáculos, la perdida de propagación, podéis calcularla con la siguiente formula:

Pp = 20log10(d/1000) + 20log10(f*1000) + 32,4

Donde Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB), d es la distancia en metros y f es la frecuencia en GHz. EL valor de la frecuencia depende del canal en el que se tenga configurado el equipo. La constante 32,4 suele venir erróneamente en muchas paginas de Internet, que han confundido el valor de 32 por 94, sin embargo hay sitios que si la ponen bien. Y en otros la definen como 32,45 que quizás si sea mas correcto.

Cálculos de Alcance

También podemos resumirla como:

Pp = 20log10(d) + 20log10(f) + 32,4Pero en este caso, Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB), d es la distancia en kilómetros y f es la frecuencia en MHz. Para hacer cálculos aproximados para nuestras instalaciones podemos considerar la frecuencia de 2,4GHz (2400MHz). En esta caso la formula quedaría resumida en la siguiente:

Pp = 20log10(d/1000) +100Donde Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en metros.

O también:Pp = 20log10(d) +100Donde Pp indica la perdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en kilómetros.

Relación de frecuencias y canales

Canal Frecuencia (GHz)

1 2,4122 2,4173 2,4224 2,4275 2,4326 2,4377 2,4428 2,4479 2,452

10 2,45711 2,46212 2,46713 2,47214 2,484

Perdidas y ganancias

Perdidas y ganancias

Además de las perdidas de propagación, en una instalación wireless existen distintos dispositivos que producen perdidas o aportan ganancia a la señal. El calculo teórico del alcance de un transmisión se basa en sumar los factores de la instalación que aportan ganancias y restar los que producen perdidas. Al final, obtendremos un nivel de señal. El que este nivel de señal sea suficiente para una buena recepción depende del equipo receptor. Pero recordar que hay que calcular el proceso inverso, es decir las comunicaciones wireless son siempre bidireccionales y los datos técnicos para cada equipo son diferentes si están emitiendo o recibiendo. Es decir un cliente (tarjeta wireless) puede trasmitir datos a un punto de acceso y este no recibirlos, y al contrario, puede ser que el punto de acceso puede trasmitir datos a un cliente (tarjeta wireless) y este si recibirlos. Por lo tanto hacer la doble comparación y el doble calculo ya que las ganancias de emisión y recepción pueden no ser las mismas.

Las antenas y amplificadores wireless añaden ganancias. AL igual que las tarjetas y los puntos de acceso.

Pero los conectores y los cables añaden perdidas.

Hay fabricantes que especifican la pedida en dbi de sus pigtails y componentes pero la mayoría no. Y cuando lo hacen no se refieren a todo el conjunto sino solo al cable, así que en el caso de usar latiguillos haremos nosotros mismos el calculo de la perdida.

Tabla de pérdidas

Tipo de cable Perdida 802.11b/g (2.4GHz) dB/1m

LMR-100 1.3 dB por metroLMR-195 0.62 dB por metroLMR-200 0.542 dB por metroLMR-240 0.415 dB por metroLMR-300 0.34 dB por metroLMR-400 0.217 dB por metroLMR-500 0.18 dB por metroLMR-600 0.142 dB por metroLMR-900 0.096 dB por metroLMR-1200 0.073 dB por metroLMR-1700 0.055 dB por metroRG-58 1.056 dB por metroRG-8X 0.758 dB por metroRG-213/214 0.499dB por metro9913 0.253 dB por metro3/8" LDF 0.194 dB por metro1/2" LDF 0.128 dB por metro7/8" LDF 0.075 dB por metro1 1/4" LDF 0.056 dB por metro1 5/" LDF 0.046 dB por metro

Por lo tanto cuando tengamos los datos técnicos de una tarjeta wireless, si incorpora conector externo, sea el que sea le tendremos que añadir una perdida de 0.5dB y lógicamente sumarle la ganancia de la antena que incorpore. Esto es debido a que el fabricante no considera todo el producto en su conjunto tal como lo vende sino solo la parte principal es decir (sin la antena).

Si se desea tener en cuenta las condiciones ambientales, se puede estimar unas perdidas adicionales de 20dB.

Por lo tanto tendremos que el nivel de señal (Sr) que recibe un equipo receptor enviada por un equipo transmisor seria:

Sr = Gse - Pce - Pae + Gae - Pp + Gar - Pcr - Par - Pa

Sr = Gse - Pce - Pae + Gae - Pp + Gar - Pcr - Par - Pa

Sr = Nivel de señal que le llega al equipo receptor. Siempre sera negativo (dB).

Gse = Ganancia de salida del equipo transmisor. Es la potencia en dB con la que sale la señal de equipo transmisor. Gae

Pce = Perdida cables equipo transmisor ( en el caso que usemos un pigtail y una antena externa)

Pae = Pérdida conectores equipo transmisor. Si es una tarjeta PCMCIA o USB sin conector externo será cero, en todos lo demás casos y aunque no se tenga un pigtail para conectar a la antena, esta perdida debe ser considerada porque el fabricante solo determina la Gse sin tener en cuenta la perdida en la inserción con la antena externa. también es aplicable a los puntos de acceso y routers inalámbricos.

Pp = Perdida de propagación, que ya sabemos como calcular.

Gar = Ganancia de la antena del equipo receptor.

Pce = Perdida cables equipo receptor ( en el caso que usemos un pigtail y una antena externa)

Par = Perdida conectores equipo receptor. Si es un tarjeta PCMCIA o USB sin conector externo será cero, en todos lo demás casos y aunque no se tenga un pigtail para conectar a la antena, esta perdida debe ser considerada porque el fabricante solo determina la Gsr sin tener en cuenta la perdida en la inserción con la antena externa. También es aplicable a los puntos de acceso y routers inalámbricos.

Pa = Perdidas adicionales debido a las condiciones ambientales.

Dependiendo de las características del equipo receptor, este nivel de señal puede ser suficiente para una u otra velocidad de transmisión o para no hacer posible la comunicación.