APLICACIONES Y NECESIDADES DE LA TRANSMISION DE INFORMACION ViA ONDAS ELECTROMAGNETICAS

2.1 APLICACIONES Y NECESIDADES DE LA TRANSMISION DE INFORMACION ViA

ONDAS ELECTROMAGNETICAS

La electrónica es la rama más importante del quehacer humano hoy en día. Usamos la electrónica para prácticamente todas nuestras actividades:

Comunicaciones, medicina, educación, diversión, navegación, procesos industriales, robótica, Procesamiento de alimentos, investigación, meteorología, confort, etc.

Conforme pasa el tiempo, tiene más y más aplicaciones.

El desarrollo de la microelectrónica (nano electrónica) es muy dinámico y prometedor. La mayoría de las aplicaciones se basan en la transmisión do información. La forma más rápida de transmitir Información es por medio de ondas electromagnéticas (OEM).

Por lo tanto, la información debe ser Eficiente y Confiable.

EFICIENTE: La cantidad de energía (potencia) usada debe ser la mínima posible; el sistema debe presentar muy pocas pérdidas (poca disipación).

COFIABLE: La información no se debe corromper (poca dispersión).

El diseñador de un sistema electrónico para comunicaciones debe garantizar la cantidad y eficiencia de la transmisión.

Mientras mas alta sea la frecuencia de transmisión, se tiene:

• Mayor Ancho de Banda (BW)

• Mayor numero de “señales por canal"

• Mejor calidad de la serial •

• Sistemas más rápidos

• Sistemas más eficientes

Evolución de las Comunicaciones

1965: Transmisión de señales a frecuencias menores a 100 MHZ (108 HZ)

1999: Transmisión de señales a frecuencias menores a 100 GHZ (1011 HZ)

2010: Transmisión de señales a frecuencias mayores a 100 THZ (1012 HZ)

En otras palabras

• Las Ondas Electromagnéticas (OEM) es la forma más rápida de trasmitir información (energía) que se conoce

• La teoría de la Relatividad nos dice que no hay otra forma más rápida

• La humanidad es ahora totalmente dependiente de las OEM para subsistir

• La transmisión de OEM eficiente y confiable, es fundamental

• Los problemas a vencer son la dispersión (corrupción de la información) y la disipación (pérdida de la amplitud de la señal)

Aplicaciones de las OEM

Comunicaciones

Telefonía; Local, satelital, móvil

Radio: Comercial, policía, privado, civil

TV: Aérea, satelital, cable, privada

Navegación

Radar: Aviación, navegación, marítima

Control remoto: Naves, misiles, camiones

Meteorología

Imágenes en distintas frecuencia

Medicina

Rayos X Q

Tomografía

Gammagrafía

RMN

Los sistemas de transmisión de ondas electromagnéticas se hacen basados en:

Líneas de Transmisión

Ventajas

Buenas para bajas frecuencias

Económicas

Flexibles

De fácil instalación

Bunas para medias distancias

Desventajas

La disipación y dispersión aumentan con la frecuencia

Ejemplos: Cable bipolar, par treznado, cable coaxial

Guías de Onda

Ventajas

Poca disipación

Funcionan como un filtro pasa-altas

Valores discretos de frecuencia

Altas frecuencias

Desventajas

Diseño más estricto

Costo más elevado

Imprácticas para distancias medias y largas

Poco flexibles

Fibra Óptica

Ventajas

Muy poca dispersión y disipación

Gran ancho de banda

Flexibles

Tamaño reducido

Buenas para altas y bajas frecuencias

Excelentes para grandes distancias

Futuro muy promisorio

Desventajas

Elevado costo (aunque decreciente)

Difícil de acoplar

Atenas

Ventajas

Única forma razonable para múltiples aplicaciones de larga distancia (comunicaciones satelitales, radar, transmisiones aéreas de señales de radio y TV, comunicaciones móviles)

Prácticamente no son dispersivas ni disipaditas

Tamaño inversamente proporcional con la frecuencia

Varios tipos

Bajo costo

Versatilidad

El campo de la electrónica de mayor desarrollo hoy por hoy es el de las comunicaciones Inalámbricas:

• Sistemas personales de comunicaciones

• Obtención remota de datos de medidores

• Comunicaciones móviles

• Radar y navegación autónoma

• Sensores inteligentes

• Sistemas de monitoreo

Las antenas son fundamentales para todos estos sistemas, y por lo tanto su diseño es un campo fundamental para la electrónica moderna

2.2 TRANSMISION POR ANTENAS

1. Definiciones Generales

Las antenas tienen muchas ventajas, entre las cuales se pueden mencionar:

• Es la única forma posible y prietica para muchas aplicaciones de larga distancia, por ejemplo: Comunicaciones satelitales, móviles, navegación

• Forma muy eficiente para radiar informaron de forma masiva: Radio y TV comercial

• Así como también aplicaciones "localizadas" (circuitos cerrados, seguridad, etc.)

• Son muy atractivas para aplicaciones dc altas frecuencias (tamaño de la antena)

• Cada vez son más importantes por el desarrollo de múltiples aplicaciones inalámbricas.

En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre.

Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás. Esto es necesarios ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección determinada.

Esto se puede explicar con un ejemplo, hablando de las antenas que llevan los satélites. Estas acentúan mucho la dirección hacia la tierra y anulan la de sentido contrario, puesto que lo que se quiere es comunicarse con la tierra y no mandar señales hacia el espacio.

Las antenas también deben dotar a la onda radiada de una polarización. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al trascurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero hay dos casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es un segmento, denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura trazada es un circulo, denominándose circularmente polarizada.

Una onda esta polarizada circularmente o elípticamente a derechas si un observador viese a esa onda alejarse, y además viese girar al campo en el sentido de las aguja as de un reloj. Lógicamente, si lo viese girar en sentido contrario, sería una onda polarizada circularmente o elípticamente a izquierdas.

Una de las figuras de mérito más importante para juzgar una antena es la potencia radiada, Esta se puede calcular del "Vector de Poynting", relacionado al siguiente teorema:

Teorema de Poynting (para medios Lineales Isotrópicos Homogéneos)

Este nos dice que la energía por unidad de tiempo (potencia) que atraviesa una superficie cerrada cualquiera es igual a la potencia transportada por la OEM menos la potencia absorbida por el medio.

Término por término:

Variación Temporal de la Energía almacenada en los campos eléctrico y magnético

En un medio LIH se puede simplificar más:

Representa las pérdidas de energía por efecto Joule: energía cedida por los campus al medio

Caso particular; un medio "óhmico"

Si

Si

Flujo de energía por unidad de tiempo través del diferencial da (encierra a dt) potencia disponible uno vez que se han considerado las pérdidas en el medio

Vector de Poynting:

El vector de Poynting es un vector cuyo modulo representa la intensidad instantánea de energía

Electromagnética y cuya dirección y sentido son los de propagación de la onda electromagnética. De una manera más general el vector de Poynting puede definirse como el producto vectorial del campo eléctrico y el campo magnético. Recibe su nombre del físico inglés John Henry Poynting y se expresa mediante el símbolo S.

Donde:

S = Vector de Poynting

E = Intensidad del Campo Eléctrico l • •

H = intensidad del Campo Magnético -

Otra forma:

Donde;

B = Flujo del Campo Magnético

u = Permeabilidad Magnética del Medio

Unidades :> Potencia por unidad de Área

S apunta en dirección de propagación de una OEM

CASO particular: El espacio Libre, aquí:

El vector de Poynting apunta en la dirección de propagación de la OEM y su magnitud es:

Donde:

Que es la "impedancia del espacio libre". Por lo general se toma:

En un medio LIH:

Donde n es el índice de refracción del medio.

...