Utn haedo martin lema lineas 2013

Ing. Martín Lema1 de 111 Seminario de Líneas de Transmisión 24 de Mayo de 2013

SEMINARIO:LINEAS DE TRANSMISIÓN

Ing MARTÍN LEMA

ORGANIZA: DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

24 de Mayo de 2013


Objetivos de la presentación

Presentado por:

Ing Martín Lema

[email protected]

Explicar lo que no está fácilmente accesible en Internet. Describir con gráficos y palabras simples el funcionamiento de las líneas de transmisión y sus accesorios.

Entendiendo el funcionamiento se sacaráverdadero provecho de la cantidad de información disponible en Internet


CONTENIDO DE LA CHARLA DE HOYCables coaxiales en general

Distintos tipos de cablesAtenuación Resistencia en RF de conductoresFrecuencia de corte de los coaxiales

Cables coaxiales para alta potencia (broadcasting)Potencia mediaPotencia picoFactores de reducción (derating)

Cables radiantesBreve introducción


Conectores para cables coaxialesGeneralidadesZonas de contactoDistintos tipos de conectoresAtenuación típica de conectoresConceptos de PIM y ROE

Guías de ondaConceptos básicosBandas de utilización-atenuaciónModos de propagaciónTipos de bridas (flanges)Accesorios


Microstrip

Par trenzadoCable coaxial Guia de onda

(técnicamente no es una línea de transmisión)

Lineaabierta

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN


Las medidas se expresan como fracción de pulgada 1/2”, 7/8”etc

Las medidas se expresan como pulgada decimal 0.500, 0.875 etc

Optimizan el manejo de potencia en sacrificio de atenuación

Optimizan la atenuación en sacrificio del manejo de potencia

De aplicación general en sistemas de radiocomunicaciones

De aplicación general en TV por cable, tramas E1 y en general en tendidos muy largos

COAXIALES DE 50 Y 75 OHM

50 Ω 75 Ω

COAXIALES DE 50 Y 75 OHM

50 Ω


Mas liviano y mas barato

Atenuación y manejo de potencia casi similar

Menos tentador para los ladrones Tentación irresistible

para los ladrones de cobre

Mas flexible y maleable

Se puede conexionar con herramientas comunes (sierra y cutter)

Necesita de herramientas adecuadas para conexionar

Muy duro y poco flexible

ALUMINIO VS COBRE

ALUMINIO PARED LISA COBRE PARED CORRUGADA

Mayor costo por punta (por mano de obra y herramientas)

Menor costo por punta (por mano de obra y herramientas) ideal para pocos metros y pocas puntas


El mas barato

Muy flexible

menos flexible y maleable

Menor atenuación y mucha menor generación de productos de intermodulaciónpasiva (PIM)

Mayor atenuación

ALTO GRADO DE INTERMODULACION PASIVA

Se arma con herramientas manuales

MALLADO Vs CONDUCTOR EXTERIOR SÓLIDO

MALLADO EXTERIOR SÓLIDO


ANTENAS DISTRIBUIDAS (Cables radiantes)

Cable radiante para comunicaciones tren-tierra subterráneos de Buenos Aires

Detección de intrusión


EVOLUCIÓN EN EL TIEMPO DE LOS CABLES COAXIALES

1937 1953 1965 1971 1975 1978 1999 2000 2004 2008

Cables de

conductores

lisos y

dieléctrico

de aire

HELIAX

Cables

corrugados

con

dielectrico

de aire

Cables

corrugados

con

dieléctrico

de espuma

patentados

por Andrew

Cab

le u

ltra

flex

ible

Cable

corrugado

de aluminio

como

alternativa al

cobre

Cables

corrugados

LDF

Cables

corrugados

VXL

flexibles

AVA cable Los cables de

aluminio

CommScope FXL

introducidos en

1998, se unen al

portfolio

deAndrew en 2008

como una

alternativa de bajo

costo al cable de

cobre

Micro-Cables


FA α=

ATENUACIÓNEN ALTA FRECUENCIA (> 2 MHz) Para cualquier cable coaxial, la atenuación puede aproximarse bastante bien por la fórmula

Donde

A= Atenuación en dB por unidad de longitud

Constante que depende de características geométricas y eléctricas

=α


Variación de α con la frecuencia

Especificadohasta [GHz]

HJ8 8 (3" aire) 1.64LDF6 (1-1/4" foam) 3.3LDF5 (7/8" foam) 5LDF4 (1/2" foam) 8.8LDF1 (1/4" foam) 15.8

Tipo de cable


¿ Como se calcula alfa ?

+=

d

DdD

c

ln

11

786.0α

ALFA

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ALFA

D y d en mm y 0.786 es una constante que surge de los materiales y de las unidades (este valor es para cobre). F en MHz

Observar que

Los mejores valores comienzan con D/d > 2

tiene un mínimo entre 3 y 4, mas precisamente en 3.59

r1/r2

Ω=→==

506.2/

)/log(122

ZdD

dDZ

)(100/ mHzFmdB→α


Muuuy casero.. PERO ESTIMA BIEN LA ATENUACIÓN

D en mm

Ejemplo: Cable 7/8”Frecuencia Tabla Calculado Aproximado

100 1.19 1.17 1.2108 1.24 1.21589967 1.247076581150 1.47 1.4329515 1.469693846200 1.72 1.65462987 1.697056275300 2.13 2.02649944 2.078460969400 2.49 2.34 2.4450 2.65 2.4819448 2.545584412500 2.81 2.61619953 2.683281573512 2.84 2.64740779 2.71529004600 3.1 2.865903 2.939387691700 3.37 3.09552903 3.174901573800 3.63 3.30925974 3.39411255824 3.69 3.35853182 3.444648023894 3.87 3.49828043 3.587979933960 4.02 3.62511241 3.718064012

1000 4.12 3.69986486 3.7947331921250 4.67 4.13657467 4.2426406871500 5.18 4.53139052 4.6475800151700 5.56 4.82403358 4.9477267511800 5.75 4.9638896 5.0911688251900 5.93 5.09991176 5.2306787322000 6.11 5.23239907 5.3665631462200 6.46 5.48778644 5.6284989122300 6.63 5.61112288 5.754997828

0

1

2

3

4

5

6

7

0 500 1000 1500 2000 2500

Tabla

Calculado

Aproximado

α α

exterior interior Calculado AproximadoHJ8 8 (3" aire) 72.4 29 0.041490182 0.041436464LDF6 (1-1/4" foam) 35.8 13.1 0.081520342 0.083798883LDF5 (7/8" foam) 24.9 9 0.116838196 0.120481928LDF4 (1/2" foam) 14 4.6 0.203964253 0.214285714LDF1 (1/4" foam) 7.7 2.6 0.372462287 0.38961039

Tipo de cableDiametros en mm

D

3=α 1009.24

32.1 =


Valores de α para los cables mas comunes

Tipo de cable Nro parte Andrew α

db cada 100m y F en MHz

1/2" r ígido LDF4 0.2310

7/8" flexible VXL5 0.0141

7/8" r ígido LDF5 0.0130

1-1/4" r ígido LDF6 0.0929

1-5/8" r ígido LDF7 0.077

Superflexibles

1/4" superflexible FSJ1 0.619

1/2" superflexible FSJ4 0.373


¿Dónde se pierde la potencia?

• En el dieléctrico

• En los conductores

Lo que vuelve por reflejada depende mas de los conectores que del cable y está en el orden de 26 dB(0.2%). Lo que se pierde por radiación es del orden de 70 dB (0.00001%) –PRACTICAMENTETODO SE PIERDE EN CALOR-


Cálculo mas fino de la atenuación separando perdidas en el cobre y en el dieléctrico

+=

d

DdD

c

ln

11

786.0α

Observar queLa atenuación en el conductor crece con la raíz de la frecuencia, mientras que la debida al dieléctrico crece linealmente con la frecuenciaEn frecuencias comunes de uso de cables coaxiales como bajada deantena la atenuación en el conductor es muchas veces mayor que la debida al dieléctrico

Frd ⋅⋅⋅= δεα tan91

Permitividad eléctrica relativa (cuanto mas grande mas carga puede acumular con el mismo campo eléctrico)

Tg del ángulo de pérdidas (cuanto mas chica menos capacidad tiene de disipar energía electromagnética).


Ejemplos para cables de ¼” y 7/8”

Atenuación cable 7/8"en 100 metros

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 500 1000 1500 2000 2500

Tabla

Cobre

Dielectrico

Compuesto

Frecuencia Tabla Cobre Dielectrico Compuesto100 1.19 1.08 0.07 1.15108 1.24 1.13 0.07 1.20150 1.47 1.33 0.10 1.43200 1.72 1.53 0.13 1.67300 2.13 1.88 0.20 2.08400 2.49 2.17 0.27 2.44450 2.65 2.30 0.30 2.60500 2.81 2.43 0.33 2.76512 2.84 2.45 0.34 2.80600 3.1 2.66 0.40 3.06700 3.37 2.87 0.47 3.34800 3.63 3.07 0.54 3.60824 3.69 3.11 0.55 3.66894 3.87 3.24 0.60 3.84960 4.02 3.36 0.64 4.00

1000 4.12 3.43 0.67 4.101250 4.67 3.83 0.84 4.671500 5.18 4.20 1.00 5.201700 5.56 4.47 1.14 5.611800 5.75 4.60 1.20 5.811900 5.93 4.73 1.27 6.002000 6.11 4.85 1.34 6.192200 6.46 5.09 1.47 6.562300 6.63 5.20 1.54 6.74

Cable de 7/8" LDF5

Frecuencia Tabla Cobre Dielectrico Compuesto100.00 4.05 3.70 0.07 3.77108.00 4.21 3.85 0.07 3.92150.00 4.99 4.53 0.10 4.63200.00 5.80 5.23 0.13 5.37300.00 7.17 6.41 0.20 6.61400.00 8.34 7.40 0.27 7.67450.00 8.88 7.85 0.30 8.15500.00 9.39 8.27 0.33 8.61512.00 9.51 8.37 0.34 8.71600.00 10.40 9.06 0.40 9.46700.00 11.20 9.79 0.47 10.26800.00 12.10 10.46 0.54 11.00824.00 12.30 10.62 0.55 11.17894.00 12.80 11.06 0.60 11.66960.00 13.30 11.46 0.64 12.11

1000.00 13.60 11.70 0.67 12.371250.00 15.40 13.08 0.84 13.921500.00 17.00 14.33 1.00 15.331700.00 18.30 15.25 1.14 16.391800.00 18.90 15.70 1.20 16.901900.00 19.50 16.13 1.27 17.402000.00 20.00 16.55 1.34 17.882200.00 21.10 17.35 1.47 18.832300.00 21.60 17.74 1.54 19.28

Cable de 7/8" LDF1

Atenuación cable 1/4"en 100 m

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00

Tabla

Cobre

Dielectrico

Compuesto


Resistencia de un conductor en RF

EFECTO PELICULAR

En RF se presenta un fenómeno llamado efecto pelicular, la corriente tiende a circular por la superficie del conductor, estimando que el 99% de la densidad de corriente se da en una profundidad de algunos micrones cuando la frecuencia es de varios MHz

µσπδ

...

1

f=

Donde

= profundidad de penetración (en mm)f= Frecuencia (en MHz)

= Conductividad (mhos por metro inversa de la resistividad)µ=permeabilidad magnética (Henry por metro)=4 π 10-7

δσ


Campo magnético

Tiene origen en las Corrientes de Foucalt

(observar que en el interior se oponen a la corriente principal

Densidad de corriente resultanteDensidad de

homogénea

EFECTO PELICULAR

Calor


Densidad de corriente

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20

Micrones

Cor

rient

e Distribucion real de la corriente

simplificación para calcular laresistencia

xfsx eii )( µσπ−=

µσπfii xxtotal

1

0

=∂= ∫∞

La corriente total que pasa es la integral entre 0 e infinito de la distribución de corriente que en el caso de este ejemplo (Cobre a 1GHz) vale 2.08, el área del rectángulo de alto 1 y ancho 2.08 tiene el mismo área equivalente , pero con distinta distribución. Por eso se usa este ancho con distribución uniforme para el cálculo de la resistencia aunque NO ES LA DISTRIBUCIÓN REAL y hay corriente hasta varias veces la profundidad de penetración


Ejemplo Num érico (para distintos metales)

µσπδ

...

1

f=

Un pelo mide 50 micrones de diámetro

En un conductor de cobre del tamaño de un pelo (50 micrones) a 1 GHz la corriente es despreciable a los 10 micrones de la superficie y –para cálculo- puede considerarse COMO SI circulara con densidad uniforme (como en CC) en los 2 primeros micrones

Frec 1000 MHz

Material Conductividad MicronesCobre 5.85E+07 2.08Aluminio 3.54E+07 2.67Plata 6.29E+07 2.01Oro 4.55E+07 2.36


¿ Con este dato, como calculo la resistencia en RF de un conductor?

Un conductor circular de diámetro D se transforma (A los efectos de cálculo para RF) en una chapa de ancho ¶ x D y espesor δ, por lo tanto su superficie es de S= ¶. D. δ


La resistencia por metro queda entonces dada por

Ejemplo numérico para un conductor de 24.5 mm diametro (como el conductor exterior de un 7/8) y 100 metros de largo en aluminio,cobre, plata u oro

σδπρ 1

...

1

DSR ==

Material Conductividad MicronesResistencia en 100 metros (Ohm)

Cobre 5.85E+07 2.08 10.67Aluminio 3.54E+07 2.67 13.72Plata 6.29E+07 2.01 10.29Oro 4.55E+07 2.36 12.11

¿Será por eso que no hay

cables de oro ?.En CC el cobre es 65% mas conductivo que el aluminio en RF solo un 30%

0.118 Ω en CC


Frecuencia de corte

En un cable se busca que la propagación sea en modo TEM (Transverso Electro Magnético), esto ocurre hasta la frecuencia de corte, por encima de esa frecuencia aparecen modos indeseados que se propagan con distinta velocidad de fase e interfieren con el modo principal.

La frecuencia puede calcularse como

Donde Fc está en GHz , D y d están en mm y vale 1.6 para Foam

r

CdD

Fε)(

191

+=

rεFrec Corte Especificado

exterior interior Calculada [GHz] hasta [GHz]HJ8 8 (3" aire) 72.4 29 1.67 1.64LDF6 (1-1/4" foam) 35.8 13.1 3.46 3.3LDF5 (7/8" foam) 24.9 9 4.99 5LDF4 (1/2" foam) 14 4.6 9.09 8.8LDF1 (1/4" foam) 7.7 2.6 16.41 15.8

Diametros en mmTipo de cable


Hasta la frecuencia de corte el cable funciona en modo TEM (Transverso Electro Magnético)


Cables de alta potencia para broadcasting

Además de la atenuación los parámetros importantes para la selección de un cable son

• La potencia media que soporta

• La tensión pico que soporta


Potencia media

Debido a que un cable es un elemento disipativo prácticamente toda la energía que se le aplica a una punta y no sale en la otra punta del cable se disipa en forma de calor. Otros efectos como ser pérdidas por radiación (de RF) o efectos mecánicos son absolutamente despreciables frente al fenómeno principal que es la disipación de calor.

La cantidad de energía que se transforma en calor es función directa de la atenuación del cable, ya que la atenuación es un fenómeno puramente disipativo. La potencia media máxima es entonces función de la atenuación (por la cantidad de calor que genera) y de la capacidad de disipación (cantidad de calor que puede sacar)


Capacidad de disipación

La capacidad de disipación del cable es directamente proporcional su diámetro y en particular al del conductor interior (el que más calienta). En los cables coaxiales la relación de diámetros determina la impedancia, por lo que en principio podría utilizarse cualquiera de los dos diámetros para el cálculo (ya que su relación es de aproximadamente 2.5 para cables de 50 Ω).

Para este trabajo se usa el diámetro del conductor interior ya que algunos cables de alta potencia usan una relación distinta de diámetros (el interior mas grueso que lo que se utilizaría en baja potencia con la misma atenuación).


La potencia disipada por unidad de longitud está determinada por la siguiente fórmula:

Donde Pdis es la potencia que permite disipar por unidad de longitud (en watt por metro)

P es el perímetro del conductor interior del cable K es una constante de proporcionalidad que depende de los materiales

constructivos (sobre todo de la capacidad de soportar altas temperaturas del separador entre los conductores interior y exterior).

A es una constate que determina cuanto se limita la capacidad dedisipación cuando aumenta la frecuencia. En cables de alta potencia y frecuencias < 1 Ghz este factor es de magnitud tal que no resta mas del 20% en todo el rango de frecuencias de utilización del cable


Potencia PicoEste parámetro evalúa la máxima tensión a la que puede

someterse un cable sin que se formen arcos por ionización en el dieléctrico del mismo.

Observar que en RF no se suele hablar de voltajes sino de potencias, siendo la relación entre estos la impedancia característica del cable (que se supone cargado con la impedancia correcta)

Donde P es la potencia (en Watt)V es la tensión RMS de RF (en Volt)Z es la impedancia (en Ohm)


Dado que el fenómeno de ionización es independiente de la frecuencia de la tensión aplicada al cable, para los fines prácticos los fabricantes de cable garantizan la tensión máxima aplicable de RF (a cualquier frecuencia) o bien mediante una medición en corriente continua y aplicando un factor de seguridad. Si se especifica en CC es práctica habitual utilizar un factor de seguridad de 2:1 o sea, se realiza la medición en CC a una tensión que es el doble de la máxima recomendable para ese cable.

El fenómeno de ionización es función pura del voltaje aplicado, y debe considerarse la tensión pico de la RF aplicada.


Para una onda senoidal de una determinada potencia, la tensión pico de RF es raiz de 2 veces mayor que la tensión RMS,

De donde

Si asumimos que Z= 50Ω

V es la tensión pico de RFCuando los campos eléctricos superan los 30 Kv/cm comienza a ser

importante el efecto corona por lo que en esas condiciones aparece un nuevo limitante.

Tener en cuenta que siempre un

cable de antena transporta señales

moduladas y el factor de forma es

superior a 1


En el caso de dieléctrico gaseoso (Aire seco u otro gas), la presión del gas tiene un factor de mucho peso en la tensión de ruptura y por lo tanto en la potencia pico que soporta el cable, aplicándose la fórmula de Paschen

Donde Vp es la tensión de ruptura a una presión dada “p”a es una constante que vale 365 V.Torr/cm para aire secob es una constante que vale 12.8 tambien para aire secop es la presión en TorrTener en cuanta de usar D-d en Cm para aplicar esta fórmula.


Cálculo de la potencia pico a presión normal en dieléctrico de aire seco (Ppico)

Asumiendo no superar un campo eléctrico de 370 Kv/m (valor con un margen de seguridad de casi 3.3 para no establecer ionización en condiciones normales) una fórmula simple para estimar la máxima tensión admisible es:


Frecuencia Aten Cálculo Pot media calc Aten Manual Pot media manual0.5 0.03 929.95 0.024 999.85

1 0.04 658.30 0.034 704.911.5 0.04 537.94 0.042 574.25

2 0.05 466.18 0.049 496.3710 0.11 209.63 0.111 218.1520 0.16 148.71 0.159 152.2830 0.20 121.66 0.197 123.1350 0.25 94.44 0.258 93.9388 0.34 71.28 0.35 69.28

100 0.36 66.87 0.376 64.62108 0.37 64.33 0.392 61.95150 0.44 54.51 0.47 51.68174 0.48 50.55 0.51 47.58200 0.51 47.07 0.552 44300 0.62 38.11 0.695 34.94400 0.72 32.65 0.821 29.57450 0.76 30.61 0.88 27.6500 0.81 28.86 0.936 25.93512 0.81 28.47 0.949 25.57600 0.88 26.00 1.044 23.26700 0.95 23.73 1.145 21.19800 1.02 21.87 1.242 19.54824 1.03 21.47 1.265 19.19894 1.08 20.39 1.33 18.25960 1.12 19.47 1.39 17.46

1000 1.14 18.95 1.426 17.03

Ejemplo Cable CommScope Andrew HJ11

K =0.138 (para cálculo de potencia disipada por metro)

A =0.0015 (para cálculo de la disminución de capacidad de disipación por la frecuencia)


Ejemplo de cálculo de la tensión pico para los cables HJ11 y HCA400

Observar que el cable HJ11 se especifica como 21Kv DC por eso para cálculo se pone la mitad o sea 10.5 kV

Cable D-d V manual V calc P manual PcalcHCA400 25.35 9.7 9.3795 940 879.4845HJ11 29.05 10.5 10.7485 1100 1154.954


Comparacion de la especificación de tensión máxima expresada mediante valor de RF o de la medición en CC

Ejemplo con cable HJ11

Este cable tiene una potencia pico especificada de 1100Kw

Asumiendo el criterio establecido por los fabricantes de probar un cable en CC a una tensión del doble que la máxima recomendada de RF, a que tensión debería probarse un cable para soportar una potencia pico de 1.1 Mw?

= 10488 Volt

O sea que éste cable debería verificar una medición en CC de 20976 Volt (este cable está especificado con una tensión de prueba de CC de 21000V


Ejemplo real de 3 portadoras moduladas de 1 Kw cada un a

Potencia total transportada por el cable: 3 Kw

Tensión a la que está sometido el cable

Para 1 Kw (asumiendo senoidal)

V=316V

A su vez las componentes de las distintas portadoras se suman instantáneamente (tienen distinta amplitud y fase) pero el peor caso de da cuando coinciden los tres máximos

Vmax=316+316+316=948 V

PPico= 948^2/50=17.97 Kw

1000502 ××=V


-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 100 200 300 400 500 600

Portadora 1

Portadora 2

Portadora 3

Suma Vectorial

La tensión resultante resulta de la suma de los valores instantáneos de sus componentes, observar la distinta forma de onda y con unarelación mucho mayor respecto del pico al valor medio en la resultante que en sus componentes.

Graficando la tensión con tres portadoras de 1 Kw (316 V cada una)

Señales moduladas de aprox la misma frecuencia


Potencia compuesta

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 50 100 150 200 250

Wat

ts Potencia compuesta

Lineal (Potencia compuesta)

Potencia instantánea

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 500 1000 1500 2000 2500

Wat

ts

Pot Portadora 1

Pot Portadora 2

Pot Portadora 3

Potencia compuesta

Potencia RMS Port 1 1078.9971Potencia RMS Port 2 1043.6969Potencia RMS Port 3 1086.60669Potencia compuesta 3167.14877

Viendo estos gráficos queda bien clara la diferencia entre una portadora de 3 Kw y 3 portadoras de 1 Kw , el valor medio es el mismo pero los valores instantáneos no se parecen en nada!

Potencia pico

(316X3)^2/50=17.9 Kw


Factores de reducción (derating factors)

Los valores máximos especificados en los manuales de cables están siempre referidos a condiciones ideales (25°, nivel del mar, a la sombra, etc), que CASI NUNCA coinciden con las reales de instalación. Por lo tanto deben considerarse factores de reducción “derating factors”

Los principales son:

• ROE

• Temperatura ambiente

• Altitud

• Radiación solar


Factor de reducción por ROE

El factor de reducción por ROE puede calcularse con la siguiente fórmula:

El factor F1 depende del tipo de cable y la frecuencia

Ejemplo

Cable 3” F=560 MHz F1=0.05, VSWR =1.1

DF=0.99


Factor de reducción por temperatura ambiente


Factor de reducción por altura

Ejemplo, el factor de reducción para Córdoba (Capital) que está a menos de 1524 metros es de 0.92 para potencia media y 0.69 para potencia pico


1MJ/m2 en un período de 24 horas equivale a 11.6 W/m2

1MJ=10^6J 1W=1J/Seg

Ejemplo:

Córdoba 22 MJ/m2=255 W/m2

El factor de reducción es 0.85

Factor de reducción por radiación solar


Ejemplo¿Cuánto soporta un cable de 3” HJ8 en Córdoba capital para un sistema de TV

digital con F=560 MHz y una VSWR estimada de 1.1?

Del manual

Potencia media a 560 MHz=15 KwPotencia pico 640 Kw

Factores de reducción (tomados de los ejemplos anteriores)

Por VSWR=0.99Por temperatura=1Por altura=0.92 para potencia media, 0.69 para picoPor radiación solar=0.85

Potencia media que soporta:15KW x 0.99 x 0.92 x 0.85= 11.61 KWPotencia pico que soporta: 640 KW x 0.99 x 0.69 = 437 Kw


Principales parámetros a tener en cuenta



ANTENAS DISTRIBUIDAS (Cables radiantes)

La aplicación típica es túneles

De modo acoplado

De modo radiante


La radiación del cable de modo acoplado se fundamenta en la dispersión sobre objetos cercanos

En teoría, en el espacio libre no irradian ya que los campos generados por las ranuras se cancelan mutuamente

Son típicamente aperiódicos (no tienen una banda de trabajo definida)

La radiación del cable de modo radiante se fundamenta en la radiación generada en las ranuras que no se cancelan como en los de modo acoplado

La presencia de objetos cercanos hace que muchas veces también irradien por dispersión

Son típicamente sintonizados (tienen bandas de trabajo definidas y bandas de rechazo)


Parámetros de cables radiantes

Atenuación longitudinal: Como cualquier cable, se mide en dBcada 100 mts. Típicamente está en el orden de algunos dBcada 100 mts. Pueden estimarse de la misma manera que los cables coaxiales normales de la misma medida. Es muy poco lo que se pierde por radiación

Pérdidas de acoplamiento. Se mide en dB. Es la relación entre la potencia “dentro” del cable y la recibida por un receptor a 2 mts del cable.(u otra distancia según el fabricante)

Típicamente está entre los 50 y los 80 dB y se especifica para el 50% de las mediciones o el 95% de las mediciones


Grafica de las pérdidas en un sistema de cable radiante


¿QUE TAL SI HACEMOS UN CORTE?


CONECTORES


Partes de un conector

Lado interfase está estandarizado, por ejemplo N, DIN, SMA. Del lado interfase son todos compatibles independientemente de quien lo fabrica

Lado cable no está estandarizado y el conector debe estar hecho para el cable en particular donde se lo va a utilizar.

Ejemplo Conector N macho para cable Belden 9913

Lado interfase

Lado cable


¿Dónde hace contacto un conector?

La corriente se distribuye en los primeros micrones tanto del pin central como de la corona exterior.

La “parte de afuera” del conector no conduce corriente

Por tal razón la precisión y limpieza es fundamental solo en el interior de un conector, por fuera puede estar sucio, mojado, rayado que no impacta en el funcionamiento del mismo.


Ejemplo de conector DIN 7/16


Interfase DIN 7/16 armado y ajustado


La tuerca externa NO FORMA PARTE DEL CIRCUITO ELÉCTRICO por lo tanto por mas que se ajuste no altera la conexión.

Los conectores deben ajustarse con el torque adecuado y es solo por cuestiones mecánicas, para que no se afloje ni haya falsos contactos. EL TORQUE NO AFECTA LAS CARACTERÍSTICAS DEL CONTACTO SI ESTÁ EN LOS VALORES ADECUADOS.

Si está flojo puede producir falsos contactos o falta de estanquidad, si está demasiado ajustado pueden producirse deformaciones permanentes y deformación del área de contacto con peor desempeño eléctrico.

ES PEOR MUY AJUSTADO QUE AJUSTADO POR DEBAJO DEL TORQUE


Torque

Todos los conectores deben ajustarse con el torque recomendado por el fabricante. Como regla general generalmente se recomienda aproximadamente entre 1.7 y 2.3 Newton x Metro para los conectores “N” y entre 25 y 30 Newton x Metro para los DIN 7/16


Si no tengo torquímetro ¿Cómo lo ajusto?

Después de ajustado al tope sin hacer fuerza EXTRA,

Ajustar 1/12 de vuelta mas

(1/2 hexágono de la tuerca)

LOS MOLETEADOS A MANO!

PARA ESO ESTÁ EL MOLETEADO

Y LOS QUE TIENEN TUERCA HEXAGONAL:


Conector tipo DIN 7/16 (Conocido como DIN)

El conector mas difundido en equipos y antenas de sistemas de telefonia celular. Está optimizado para manejar sistemas de portadoras múltiples con alta potencia (bajo PIM). Es robusto y soporta instalaciones en serie con personal poco calificado. El lado interfase viene siempre armado en fábrica. DIN significa DeutschesInstitut fur Normung 7/16 son las dimensiones en mm del pin central y la corona externa

Frecuencia máxima utilizable: 5 GHz

Potencia máxima utilizable: 1300 Watts (2700V pico)


Conector tipo N

El conector mas difundido sobre todo en equipos y filtros. Es típico en instrumentos. Ya casi no se usa en antenas de redes celulares. Los hay de 75 ohm. Está pensado para optimizar ROE y no PIM. Algunas versiones requieren ajuste del pin central contra el plano de referencia. El que lo inventó se llamaba Neil, de ahí la “N”..Otros dicen que la N viene de Navy

• Frecuencia máxima utilizable: 11 GHz• Potencia máxima utilizable: 600 Watts (1500V pico)


Conector tipo BNC

Es típico en instrumentos. Los hay de 75 ohm y se usaban en las primeras redes o en tramas E1. Está pensado para muchos ciclos de conexión y desconexión (por eso no tiene rosca que se desgasta y es bayoneta). Los que lo inventaron se llamaban Neil (el mismo del N) y Concelman, de ahí la “BNC”, La B es por Bayoneta.

El de 75 se distingue del de 50 porque no tiene aislador en el pin centralFrecuencia máxima utilizable: 4 GHzPotencia máxima utilizable: 80 Watts (500V pico)El macho N entra en una hembra BNC, pero no lo contrario


Conector tipo TNC

Es típico en equipos de microondas, es la misma interfase que el BNC pero con rosca. Los que lo inventaron son los mismos que el “BNC”, ( Neil y Concelman), La T es por Treaded (roscado).

Frecuencia máxima utilizable: 11 GHzPotencia máxima utilizable: 300 Watts (500V pico)


Conector tipo SMA

Es típico en equipos de microondas, soportan muy baja potencia, pero muy alta frecuencia. No están pensados para muchos ciclos de conexión-desconexión. La rosca es muy delicada y debiesen ajustarse con torquímetro. SMA significa Sub Miniature version A. Hay versiones B y C y se llaman SMB (totalmente distinto y sin rosca) y SMC (con rosca de paso grueso)

Frecuencia máxima utilizable: 30 GHzPotencia máxima utilizable: 100W, (500V pico)


Conector Polaridad invertida

Son los mismos que antes, pero cambiado el pin macho por uno hembra y viceversa. El mas típico es el denominado “SMA MACHO INVERTIDO”

No tienen explicación técnica, surgieron por un requisito del marco regulatorio de USA donde ciertos equipos (típicamente Acess Points) tenían que tener un conector de antena incompatible con las antenas existentes, para que nadie hiciera una conexión “inadvertidamente”.


MCX y MMCX

MMCX MCX

Ampliamente difundidos en equipos de wireless LAN.


Potencia máxima utilizable: no especificada, la tensión máxima es 335 V pico para MMCX y 500 V pico para MCX


Conector tipo “F”

Es el habitualmente utilizado en la acometida a usuario en los sistemas de TV por cable


Potencia media máxima especificada: 15W

ES UN CONECTOR DE 75 OHM


Conector tipo “UHF” (PL259-SO259)

El mas antiguo (es de 1930) y aún en uso, típicamente en equipos de radio de HF, VHF y algunos de UHF. No tiene impedancia definida. Es muy facil de armar con herramientas simples.

Frecuencia máxima :300 MHz (por diseño) se lo usa hasta 800 MHz

Potencia máxima hasta 300W en UHF y 1 Kw en HF


• Conectores EIA FLANGE (7/8 1-5/8, etc)

Típicamente utilizados en broadcasting debido a que están diseñados para alta potencia. No hay machos ni hembras, es como si fueran todos hembras y hay un pin macho-macho que permite hacer la conexión. No confundir la medida del flange(7/8, 1-5/8, ETC) con la medida del cable.

Antiguamente se usó en algunos enlaces de microondas < 2GHz


¿Cuánto atenúa un conector?

Aten en Db y F en GHz

fAten 06.0=fRFleak −= 90

¿Cuánta RF se le “escapa” a un conector?

RF leak en dB y F en GHz

En la práctica y para los cálculos de enlace, la atenuación de un conector (o sea la pareja macho-hembra) puede considerarse 0.1 dBcualquiera sea el tipo de conector


Resumen de manejo de ptencia(sacado del catálogo 38 de Andrew)


Explicación de VSWR (ROE)

En un sistema TX-Cable-Antena. El TX aplica una cierta potencia al cable, en éste, parte se disipa (en calor) y parte se transmite a la antena. Si la antena estuviese perfectamente adaptada al cable, TODA la potencia que recibe la aceptaría (la mayoría la irradia y parte la disipa en calor.

En la práctica siempre existe una cierta desadaptación, y esa energía que no puede ni transmitirse, ni disiparse ni acumularse vuelve a la fuente (TX) conformando la “potencia reflejada” (las irregularidades o desadaptaciones no son fenómenos disipativos)


Definiciones DE LA MISMA COSA:

ROE : Relación de Ondas Estacionarias

VSWR: Es relación entre el voltaje máximo y el mínimo en una línea de transmisión resultantes de la combinación en fase o en contrafasede los voltajes incidentes y reflejados

Pérdida de retorno: Es la relación entre potencia incidente y reflejada expresada en dB

Coeficiente de reflexión: es la relación entre el voltaje incidente y el reflejado


Fórmulas

Ejemplo

VSWR=1.50 (es lo mismo que ROE 1.5:1)

Coef_reflex= 0.2 (o sea que casi el 20% de la potencia vuelve)

Pérdida de retorno= 14 dB

[ ]

20

Re

10_

1

1_

_log20Re

_1

_1

tornoPérd

reflexCoef

VSWR

VSWRreflexCoef

reflexCoefdBtornoPérd

reflexCoef

reflexCoefVSWR

=

+−=

−=−+=


Como las reflexiones ocurren en distintos puntos del sistema y con fases aleatorias, el valor máximo esperado es impredecible. Estadísticamente puede demostrarse que el máximo valor probable puede calcularse como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada uno de los componentes. Otro método ( Empírico, mas simple y recomendado por Andrew) es sumar todos las potencias reflejadas y multiplicarlas por 0.7

PARA PODER SUMAR LAS POTENCIAS SIEMPRE LLEVARLAS A COEFICIENTE DE REFLEXÓN QUE ES EN VECES!



• PIM y ROE

F interf= 2 x 1935 – 1975 = 1895

PIM= Passive Inter Modulation

Teorema de Shannon

Los problemas de PIM se

generan

principalmente en

contactos y

conectores


GUIAS DE ONDA

Elíptica, la mas usada como bajada de antena, fácil de instalar, se puede cortar a medida en campo con herramientas manuales. LA MAS USADA EN ENLACES STANDARD DE MICROONDAS

Rectangular, típicamente usada en accesorios como ser curvas, acoples flexibles (flex twists) transiciones, iluminadores, etc.

Circular, de aplicación cuando se requiere doble polarización o muy alta potencia o baja atenuación, difícil de instalar ya que son tramos rígidos. No se usa en enlaces típicos de microondas como bajada.


¿Qué es una guía de onda?

Te escucho bienPero bajito

Supongamos dos personas hablando por radio en un espacio despejado, el que transmite tiene potencia P y el receptor recibe la potencia P1

P1

P3

Pn

P2

La potencia P que transmite se dispersa en el espacio y solo P1 llega al receptor

∑ == n

i iPP1

P4


Te escucho mas fuerte ahora

Te escucho fuertísimo.

¡ pero no entiendo lo que decís

Los caminos muy distintos pueden asociarse con el concepto de MODOS de propagación en las guías. Las señales dividen en distintos caminos que se propagan con distinta velocidad de fase y lo que llega a la otra punta es la suma de todos los componentes.

Para mejorar la situación pongo paredes metálicas que reflejen la potencia hacia el destino que quiero

∑= n

iPP1

El receptor recibe toda la potencia

Pero cada componente con retardos distintos

El receptor recibe la suma de P1+P2+P3

P2

P1

P3

P4Pn


Te escucho fuertísimo.

¡ y ahora mucho mejor !!

Para evitar que existan distintos modos (visto en este ejemplo como caminos muy distintos) puedo hacer mi “guía” tan chica como sea posible y hacerla MONOMODO, pero hay que tener en cuenta que si es demasiado chica no propaga nada por debajo de cierta frecuencia

Esta analogía de caminos multitrayectos con los modos de propagación en guías de onda es solo a los efectos de explicar el fenómeno propagación

¡NO ES RIGUROSAMENTE CIERTA!


Si uno de algún modo introduce energía electromagnética dentro de un contenedor conductor VACÍO ocurre lo siguiente:

Lo único que puede ocurrir es acumularse dentro, propagarse (si la forma lo permite) o volver a la fuente que lo generó.

Observar que si hay un elemento disipativodentro de la cavidad (ya no está VACIO), la emergía se convierte en calor en él.

La energía no puede salir del contenedor (la RF no atraviesa conductores)

La energía no puede convertirse en calor (se supone resistencia cero de los conductores)

La energía no puede desaparecer (contradeciría las leyes de la termodinámica)

Paredes conductoras

Plato y film

(dieléctricos)


Condiciones de contorno básicas en un contenedor conductor cerrado con energía electromagnética dentro ( guías de onda)

Las ondas electromagnéticas no penetran conductores, siempre se reflejan

Cuando las líneas de campo eléctrico tocan un conductor, siempre son perpendiculares a él (o casi-perpendiculares en conductores reales)

Las líneas de campo magnético cercanos a un conductor son siempre paralelas a él

Las líneas de campo magnético son siempre cerradas


Las ondas que se propagan dentro de la guía deben CUMPLIR CON LAS CONDICIONES DE CONTORNO y por lo tanto forman patrones denominados MODOS

Estos patrones pueden explicarse suponiendo la superposición de dos ondas TEM propagándose con un cierto ángulo entre ellas


°=== −− 78.469

557.611 senF

Fsen cθ

Ejemplo de cómo se forma el patrón

Frecuencia 9GHz en guía WR90 y una el doble de grande (similar a WR187) Dibujado en escala

Fc de la WR90=6.557 GHz


UNA INSTALACIÓN

TÍPICA COMO EJEMPLO


Que significa plano E y plano H y plano transverso

Plano E = Easy (Fácil de doblar) El mas chico Plano H = Hard (difícil de doblar) El mas grande

Plano E

Plano E Plano Transverso

Plano HPlano H

Plano H

Plano E

Plano Transverso

Curva en Plano H


Atenuación en guías de onda Las guías son básicamente filtros pasa-alto

Tienen una banda de utilización (en el modo principal) entre aprox 1.5 y 1.8 la F de corte (Elipticas).

A diferencia de los cables la atenuación baja con la frecuencia (en la zona de uso de modo dominante de la misma guía)

Un microcoaxialsemirígido de 3mm tiene una atenuación de deaprox 1.2 dB/m a 10 GHz y aprox 2 dB/m a 20 GHz

Observar que el cable tiene un ancho de banda enorme en comparación con la guía


Observar lo siguiente:

A mayor frecuencia mayor atenuación (en distintas guías)

Sin embargo para una misma guía la atenuación baja si se usa a frecuencias mas altas

Las circulares (identificadas como WC) atenúan mucho menos que las elípticas (identificadas como EW)

Cuadro resumen de atenuación en guías de 2 a 30 GHz

Tomado del catálogo 38 de Andrew. La denominación de las guias siguen el criterio de Andrew (Ej:EW17 Elíptica para 1.7 GHz)


Que significa TE10 en una guia rectangular?Transverso eléctrico (el campo eléctrico está en el plan o transverso) y entra una ½ longitud de onda en el “anch o” de la guía de onda. Es el modo mas bajo que propaga en una guía rectangular

TE10

Transverso Eléctrico

Entra 0 media lambda en el plano mas angosto

Entra 1 media lambda en el plano mas ancho


Modos Transverso eléctrico y Transverso magnético


Interpretación del gráfico de TM en guía circular


TEC21TMc01TEc11

TE21TM01TE11

TE20TE01TE10

Segundo modo superiorPrimer modo superiorModo fundamental


Frecuencia de corte para los principales modos en guias rectangulares

aTE

18295001 =

aTM

11482201 =

aTE

8791011 =

aTE

14582921 =

Frecuencia de corte para los principales modos en guías circulares

F en MHZ

a y b en mm

Ejemplo guia de 20 mm de diámetro (a=10mm)

Frec Corte TE11 (Dominante) =87910/10=8791 MHz

Ejemplo guia de 20 * 10 mmFrec Corte TE01 (Dominante) =47750*(3.14/20)=7500 MHz

22

, 47750

+

=b

n

a

mFc nm

ππ


Frecuencias de corte para los distintos modos en guias de onda elípticas

En guías elípticas la solución matemática no es tan simple como en guías rectangulares o circulares. Hay que resolver en sistemas coordenados elípticos.

Las frecuencias de corte pueden resumirse del siguiente gráfico (tomado del libro Electromagnetic waveguides: theory andapplications de S.F. Mahmoud)


Long de onda de corte/perímetro

2

1

−=a

bε

El perímetro de una elipse puede aproximarse por la fórmula de Ramanujan

El mejor ancho de banda se da cuando =0.866 que es cuando a=2b

ExcentricidadPerimetroa (mm) b (mm) (mm) Frec TE C11 Tipo

7 GHz 21 12 0.82 105.61 68.65 4.37 4.72 EW779 GHz 15 8 0.85 73.94 48.06 6.24 6.50 EW9024 GHz 6 3.5 0.81 30.36 19.74 15.20 15.20 EW240

Comercial mas parecidaDimencionesGuia Excentricidad λ TEC11 Frec TE C11

65.0≅P

cλ

El modo dominante

Es el TEC11


PROPAGACIÓN EN MODOS SUPERIORESNO PROPAGA

TE10

PROPAGACIONMONOMODO

Primermodo

superior

Fc

TE01

FRECUENCIA

TE20 TE11

TM11

GUIA RECTANGULAR


TE11

PROPAGACIONMONOMODO

Primermodo

superior

Fc

TM01

1.3 Fc

FRECUENCIA

TE21

1.7 Fc

TE01

TM11

GUIA CIRCULAR

2 Fc


TEC11

PROPAGACIONMONOMODO

Primermodo

superior

Fc

TMC01

FRECUENCIA

TEC21

GUIA ELIPTICA Las bajadas y recoridos largos

suelen hacerse con guia eliptica

Donde conviven dos polaridades

suele usarse guía circular

Para flextwist o transiciones suele usarse guia

rectangular en modo dominante

Para combinadores o hibridos suele usarse guiarectangular en modos superiores


Como se llaman las guias

Según estándar EIA y para rectangulares , se pone WR (waveguide rectangular) y luego la medida en pulgadas x 100

Ejemplo WR90 = Waveguide Rectangular 0.90”

Elípticas no hay estándar y depende del fabricante aunque típicamente se especifica la banda en la que se usa

Ejemplos

Commscope EW220 = Eliptica para 17 a 23.6 GHz

RFS E220 Eliptica para 21.2 a 22.6 GHz


Rango de frecuencia de utilización

Frecuencia de corte de modo dominante

Radios de curvatura en los planos H (hard) y E (Easy)

Tipos de conector disponibles


Tipos de conectores de guia de onda

Al igual que los cables tienen dos lados

Lado interfase llamado Flange o Brida (en español)

Lado Guía

También al igual que los conectores de cables del lado interfase (flange) están estandarizados, no así del lado guia donde la compatibilidad del conector depende del fabricante de la guía

Hay 3 tipos de conectores

• De contacto presurizables

• De contacto no presurizables

• Tipo “choke” (son todos presurizables)


Corte de un conector de contactoLos mas usados en las bajadas de los equipos de microondas

Deben contruirse con muy poca tolerancia las dos mitades (típicamente hechas por distintos fabricantes, por

ejemplo guía y antena). HACEN CONTACTO MECÁNICO Y ELÉCTRICO


Corte de un conector Choke-Cover

Acepta bastante tolerancia entre las dos mitades (típicamente hechas por distintos fabricantes, por ejemplo guiay antena). El espacio resonante “choke” está para esto. El precio es peor desempeño


Vista y corte de un conector de guía de onda


Tipos de flanges

UG: UG es el standard militar MIL-DTL-3922 para varios tipos de flanges CMR: es la versión miniatura del Connector Pressurized Rectangular (CPR). CPRG: Connector Pressurized Rectangular (CPR) que tiene junta (G=groove). CPRF: Connector Pressurized Rectangular (CPR) que no tiene junta (F=Flat)Cover o Plate: standard UG sin junta. Choke: standard UG con junta o-ring y cavidad choke (no hay contacto).


Rigid twist

Es un tramo de metal rígido. La mejor perfomance, pero rígido para instalar

Flex twist

Es de goma y flexible-Atenua y tiene peor ROE que el rígido. Puede doblarse en cualquier ángulo y sentido

Pressure window

Es parecido a un foil de cocina. Pasan las micrrondas y no deja pasar el aire de presurización


Waveguide-coax transition

Para conectar la guia con un cable-se debe especificar el flange (lado guia) y el tipo de conector

90° E plane swept

90° H plane swept

Taper transition

Permite acoplar dos tipos de flangesdistintos


Tus dudas las tendrás eternamente a menos que las conviertas en Preguntas


Muchas Gracias

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