Introducción a los sistemas Wireless con certificación de inter-operativilidad  Wi-fi

Una red de área local o WLAN (Wireless LAN) utiliza ondas electromagnéticas (radio e infrarrojo) para enlazar (mediante un adaptador) los equipos conectados a la red, en lugar de los cables coaxiales o de fibra óptica que se utilizan en las LAN convencionales cableadas (Ethernet, Token Ring, …). [2].

Las redes locales inalámbricas más que una sustitución de las LANs convencionales son una extensión de las mismas, ya que permite el intercambio de información entre los distintos medios en una forma transparente al usuario.

En este sentido el objetivo fundamental de las redes WLAN es el de proporcionar las facilidades no disponibles en los sistemas cableados y formar una red total donde coexistan los dos tipos de sistemas. Enlazando los diferentes equipos o terminales móviles asociados a la red.

Este hecho proporciona al usuario una gran movilidad sin perder conectividad. El atractivo fundamental de este tipo de redes es la facilidad de instalación y el ahorro que supone la supresión del medio de transmisión cableado. Aún así sus prestaciones son menores en lo referente a la velocidad de transmisión que se sitúa entre los 2 y los 10 Mbps frente a los 10 y hasta los 100 Mbps ofrecidos por una red convencional. [1].

Las redes inalámbricas son la alternativa ideal para hacer llegar una red tradicional a lugares donde el cableado no lo permite. En general las WLAN se utilizarán como complemento de las redes fijas.

Estándares Wi-fi

Las comunicaciones Wireless más comunes hoy en día utilizan los estándares IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, y en aumento el estándar IEEE 802.11a. Estos dos estándares son utilizados para el envió de datos Wireless con la diferencia de que los primeros (802.11b y g) lo hacen con una velocidad de 11Mbpsy 54Mbps respectivamente, a una frecuencia de 2.4 GHz con modulación DSSS y FMSS; y 802.11a tienen una velocidad de transmisión de 54Mbps a una frecuencia de 5.8 GHz y con modulación OFDM.

Estos estándares también llamados Wireless Fidelity (Wi-fi) se encuentran en la mayoría de las computadoras portátiles y PDAs, y recientemente en la mayoría de los electrodomésticos usando microondas para sus transmisiones por aire.

A consecuencia de que las frecuencias para Wireless son altas (Microondas), se tiene que las longitudes de onda para estas son pequeñas y consecuentemente  las antenas para Wi-fi son diminutas, o al menos lo son al momento de construir los excitadores (dipolos). Como consecuencia directa se debe ser extremadamente cauteloso y pulcro al tiempo de su construcción, pues con la más mínima imperfección se introduciría ruido en el sistema. Al igual que con las antenas para las bandas de VHF y UHF el tamaño del dipolo viene junto con la mitad de la longitud de onda para de esta forma lograr el mejor cometido con la señal [5].

Designación de canales y legalización de frecuencias para Wi-fi

Wi-fi hace uso de una banda de frecuencia (2.4–5.8GHz) con reconocimiento internacional, pues para acceder a esta banda de frecuencia no se necesita tener licencia por parte del ente regulador (unlicensed). Siendo la IEEE los que definen los  estándares estableciendo canales de frecuencias dentro de esta banda y normalmente conocidos como estándares IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g.  Estos estándares son aceptados por la mayoría de los países admitiendo dispositivos que libremente operan en esta banda de frecuencias y con pocas restricciones por parte de gobierno. Se debe tener en cuenta que unlicensed no significa que no sea controlado; existen normas que necesitan derecho legal especialmente en lo concerniente a las potencias de salida de los sistemas WI-fi.

Las frecuencias o canales de operativilidad para el IEEE 802.11a, caen dentro de las bandas U-NII, cuyo espectro esta difundido en tres partes, el primero desde 5.15 a 5.25GHz, el segundo desde 5.25 a 5.35GHz y el tercero de 5.725 a 5.825GHz. Estas bandas de frecuencias forman 12 canales de 20MHz cada uno. Es conveniente tomar en consideración que en la práctica la excesiva presencia de todos estos canales no es recomendable debido a sus frecuencias de operación  a su modulación más compleja OFDM. [3].

Componentes de los sistemas Wi-fi

Todos los sistemas Wi-fi poseen componentes específicos para lograr que el sistema trabaje de una manera correcta y son:

• Señal de datos (internet)
• Convertidor de datos a RF
• Transceptores de radio
• Líneas transmisión
• Sistemas de antenas

Todos los puntos de acceso Wi-fi reciben señales digitales provenientes de un PC o de una red Ethernet. Estas señales digitales se manejan a través de una señalización de datos basados en el protocolo de internet TCP/IP utilizado normalmente para transmitir datos entre computadoras. Wi-fi entonces tiene la tarea de convertir este tráfico TCP/IP en ondas de radio para su propagación.

Fundamentalmente los dispositivos Wi-fi están constituidos por dos etapas: la primera consiste en un convertidor de datos digitales a señales de RF, y el segundo tiene por objeto un transceptor de radio. En la práctica estas dos etapas están integradas en un mismo producto. De forma conceptual, los sistemas Wi-fi convierten los datos en ondas de radio y los transmiten hasta un receptor de radio que luego hace el proceso inverso transformado las señales de RF a datos. [5].

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Referencias:

[1]Implementing 802.11, 802.16, 802.20, Wireless Networks, Planning, Troubleshooting, and Operations (Ron Olexa)
[2]Wi-fi Toys (Mike Outmessguine)
[3]Modern Antenna Design (Thomas Milligan)
[5]Antennas (John Krauss)

En nuestro diseño de la antena panel para una frecuencia de 5.8GHz, el panel tendrá forma rectangular y con el fin de utilizar materiales que están disponibles en nuestro medio, se utilizará baquelita de doble lado, FR4, constituida por dos paneles conductores de cobre y el substrato con una constante dieléctrica .

Forma básica

Los elementos básicos de una antena panel rectangular de microcinta, se muestran en la Fig. 7.2.1. La cinta conductora de la parte superior (panel de radiación) de dimensiones LxW, se encuentra sobre el substrato dieléctrico con constante de dieléctrico y esperor h, y en la parte inferior del substrato la cinta conductora (plano tierra).

Fig. 7.2.1. Geometría básica de una antena panel rectangular. [11].

Para realizar la conexión del punto de alimentación al cable coaxial, se debe utilizar un conector tal como se muestra en la Fig. 7.2.2, el conductor interior del conector coaxial se extiende a través del dieléctrico y es soldado al panel de radiación de la antena anteriormente seleccionado, mientras que el conector exterior de cable coaxial está conectado con el plano tierra.

Fig. 7.2.2. Alimentación de antena panel de microcinta [11].

Cuando la antena es excitada por la alimentación, la distribución de cargas se efectúa entre el panel de radiación y el plano tierra, en un instante de tiempo bajo el panel de radiación se concentra la carga positiva y sobre el plano tierra la carga negativa. La atracción de fuerzas entre éstas se establece, tendiendo a llevar una gran cantidad de carga entre ambas superficies. Sin embargo, la fuerza de repulsión de las cargas positivas, presiona a las cargas hacia los bordes, dando como resultado una densidad de carga en los bordes. Estas cargas son la fuente de campos del borde y la radiación asociada.

El ancho del panel de radiación (W) tiene poco efecto en la frecuencia de resonancia y el diagrama de radiación de la antena. Un gran ancho del panel incrementa la potencia de radiación, por tanto decrece la resistencia de resonancia, incrementa el ancho de banda e incrementa la eficiencia de radiación. El ancho del panel debería ser seleccionado para obtener una buena eficiencia de radiación si lo requerimientos de estado real o los lóbulos no son factores primordiales. Esto sugiere que 1<W/L<2 [11].

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

]]> http://antenared.com/2009/06/antena-panel-caracteristicas-principales/feed/ 0 http://antenared.com/2009/06/antena-panel-introduccion/ http://antenared.com/2009/06/antena-panel-introduccion/#comments Wed, 10 Jun 2009 13:38:16 +0000 luisjavier http://antenared.com/?p=964 En los años 70, gracias a la disponibilidad de buenos substratos con baja tangente de pérdidas y propiedades térmicas atractivas, mejores técnicas fotolitográficas y más modelos teóricos, se consigue fabricar las primeras antenas panel (en inglés patch anntenas), que 15 años antes fueron patentadas por Gutton y Baissnot, pero propuestas en 1953 por Deschamps. Las antenas panel se basan en las microcintas, tal como se muestra en la Fig. 1, está compuesta por un panel de radiación, un substrato de dieléctrico con y un plano tierra. El panel de radiación puede ser de cobre u oro y tener geometría circular, rectangular, cuadrada, elíptica, triangular, anillo, entre otros; dependerá de la simplicidad del análisis.

Fig. 7.1. Microcinta dispuesta como una antena panel [11].

Los paneles rectangulares son probablemente los más utilizados debido a su geometría rectangular, éstos tienen un ancho de banda más grande comparados con las demás geometrías. Las circulares y elípticas son más complejas de analizar debido a su geometría. Las triangulares por tener una forma asimétrica producen una polarización cruzada. Mientras que las anillo no son tan fáciles de excitar a modos de orden bajo y obtener una buena impedancia de acople para resonancia. [11].

Existen muchas ventajas de las antenas panel con respecto a las antenas de microondas convencionales:

• Peso ligero.
• Bajo costo de fabricación.
• Con una simple alimentación son posibles las polarizaciones lineal y circular.
• Es posible realizar antenas con doble polarización y doble frecuencia.
• No requiere cavidad de respaldo.
• Puede ser fácilmente integrada con circuitos integrados para microondas.
• El punto de alimentación y las redes de acoplamiento pueden ser fabricadas simultáneamente con la estructura de la antena.

Pero así como tienen muchos puntos a favor, también los tienen en contra, estas antenas tienen una relativamente baja ganancia, ancho de banda estrecho, y la sensibilidad a errores en la fabricación. [11].

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

La antena grilla es una variación de la antena parabólica, su diferencia fundamental radica en que aunque su contorno es parabólico, el reflector no es un plato, sino un arreglo de varillas horizontales y perpendiculares. En el siguiente diseño, se consideran los mismos parámetros de geometría considerados en la parábola.

• Diseño

Datos

relación

La profundidad del reflector desde el vértice de la parábola hasta el punto de intersección entre las rectas comprendidas por el eje focal y la línea que une los extremos de la parábola es:

La separación entre varillas es:

Para la construcción de este modelo, se construyo la geometría en el software SolidWorks, empezando con dos parábolas transversales como lo indica la figura 4.1.1 y 4.1.2, luego haciendo operaciones de simetría y matriz se obtienen las figuras 4.1.3 y 4.1.4.

Fig. 4.1.1. Sección horizontal.

Fig. 4.1.2. Sección vertical.

Fig. 4.1.3. Ejes guías transversales.

Fig. 4.1.4. Operaciones de matriz para antena grilla.

Resultados del Diseño:

Fig. 4.2.1. Diagrama de radiación de la antena Grilla.

]]> http://antenared.com/2009/06/antena-grilla/feed/ 0 http://antenared.com/2009/06/antenas-parabolicas-diseno/ http://antenared.com/2009/06/antenas-parabolicas-diseno/#comments Sat, 06 Jun 2009 05:44:57 +0000 luisjavier http://antenared.com/?p=944

Tabla de contenido de Parabólicas

1. Antenas Parabólicas: Análisis
2. Antenas Parabólicas: Diámetro del Reflector y Ganancia
3. Antenas Parabólicas: Rendimiento y Relaciones D/f
4. Antenas Parabólicas: Ángulo de Radiación
5. Antenas Parabólicas: Lóbulos Principales y Secundarios
6. Antenas Parabólicas: Ancho de Banda, Relación Señal a Ruido, Factor de Potencia
7. Antenas Parabólicas: Diseño

Datos:

F=5.8GHz

n=10

relación

Angulo entre el eje focal y la línea que une el foco con un extremo de la parábola es:

Distancia foco-reflector:

Fig. 3.10.1 Geometría de diseño en feko.

Fig. 3.11.1. Diagrama de radiación de la antena parabólica.

Tabla de contenido de Parabólicas

1. Antenas Parabólicas: Análisis
2. Antenas Parabólicas: Diámetro del Reflector y Ganancia
3. Antenas Parabólicas: Rendimiento y Relaciones D/f
4. Antenas Parabólicas: Ángulo de Radiación
5. Antenas Parabólicas: Lóbulos Principales y Secundarios
6. Antenas Parabólicas: Ancho de Banda, Relación Señal a Ruido, Factor de Potencia
7. Antenas Parabólicas: Diseño

• Ancho de Banda

El ancho de banda de una antena parabólica indica la banda de frecuencias para las que está diseñada la antena. Por ejemplo, una antena con un ancho de banda de 10,9GHz a 12,8GHz está diseñada para captar todas las frecuencias comprendidas entre los dos límites citados, lo que implica que tiene un ancho de banda de 1,9GHz a partir de 10,9GHz. [8].

• Relación Señal/Ruido

Tanto el ruido del medio ambiente como el del espacio exterior pueden ser captados por una antena parabólica. Los fenómenos naturales, tales como tormentas, lluvia, viento excesivo, etc., originan señales de ruido de la misma forma que lo hacen ciertos fenómenos artificiales, tales como lámparas fluorescentes. No obstante, las principales fuentes de ruido, son el ruido atmosférico, el ruido galáctico procedente de las estrellas y el suelo. Si el suelo origina ruido, al reflector le llegará tanto más ruido cuanto más “desnivelado” se encuentre el suelo. En las antenas parabólicas también debe tenerse presente el ruido que la propia antena genera. Toda onda electromagnética que incida sobre la superficie del reflector es reflejada por éste, por lo que se puede decir que se convierte en emisor de nuevas ondas. Estas ondas se mezclan con la señal principal, formado una señal de ruido. Para que la recepción sea buena, es preciso que la señal “reflejada” se sume a la “incidente” y también se debe poder separar a la señal del ruido lo que implica que la relación señal/ruido (S/N) sea lo más elevada posible. [11].

• Factor de Ruido

Se define el factor de ruido (F) de una antena como la potencia mínima que debe tener la señal captada para que quede totalmente enmascarada por el ruido de la propia antena. En el caso de antenas parabólicas, para la recepción de emisiones de Wireless, en las que las potencias que llegan son muy pequeñas, es muy importante alcanzar un factor de ruido muy pequeño. En base a experimentos realizados con ayuda de software FEKO, se deduce que la mejor eficiencia en la banda de 5.8GHz se obtiene con una relación de 2.7, aunque aumenta ligeramente las dimensiones de la parábola. [9].

Referencias:

[8] Kinayman Noyan, M. I. Aksun, “Modern Microwave circuits”, Artech House Inc Boston.London, 2005;
[9] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House Inc Boston.London, 2001;
[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.