Rendimiento de la Antena [White Paper]

30 de Septiembre 2010

Tabla de Contenidos:

Introducción
Anatomía de la Antena
¿Qué Hacen las Antenas?
Ganancia
Antenas Omnidireccionales
Antenas Direccionales (Yagi)
La Importancia de la Línea de Visión
Radio Potencia y la FCC
Cálculos de Margen de Enlace
Sistema SureCross de Banner
Definiciones

Introducción

En esta nueva era de tecnología inalámbrica, a los ingenieros de control y automatización se les pide cada vez más que evalúen e instalen sistemas inalámbricos de detección y monitoreo en una amplia gama de entornos. Para aprovechar la flexibilidad, confiabilidad y la facilidad de instalación que ofrecen las redes inalámbricas, los ingenieros deben familiarizarse con la nueva tecnología y terminología, especialmente en relación con las antenas utilizadas en sistemas inalámbricos.

La antena es un componente importante de una red inalámbrica. La antena adecuada puede optimizar el alcance y la confiabilidad de una red de radio mientras que la antena incorrecta hace que los dispositivos inalámbricos de alto rendimiento parezcan dejar de funcionar.

Este documento técnico dará a los controles y los ingenieros de automatización el conocimiento básico de las características de rendimiento clave utilizadas para analizar el rendimiento de la antena dentro de los entornos de instalación. Estas métricas incluyen una comprensión de:

Rendimiento de la Antena
Ganancia
Tipos de Antena
Línea de Visión
Cálculos de Margen de Enlace

Anatomía de una Antena

Cada antena tiene características específicas que determinan el rango y patrón de radiación de la señal de radio.

¿Qué hacen las Antenas?

Las antenas transmiten señales de radio mediante la conversión de corrientes eléctricas de radiofrecuencia en ondas electromagnéticas. Las antenas reciben las señales convirtiendo las ondas electromagnéticas en corrientes eléctricas de radiofrecuencia.

Debido a que las ondas electromagnéticas no requieren un medio en el que viajar, las antenas pueden funcionar en el aire, el espacio, bajo el agua u otro líquido, e incluso a través de la materia sólida para distancias limitadas. Cada antena tiene características específicas que determinan el rango de señal y patrón o forma de radiación. Una de las características más importantes de la antena es su ganancia.

Ganancia

La configuración de la señal de radio es lo que se conoce como ganancia de antena. Similar a cómo las boquillas redirigen el flujo de agua, la ganancia de antena enfoca la señal de radio en una dirección particular y patrón de radiación. Cuanto mayor sea la ganancia de una antena, más enfocada será la señal.

La ganancia de antena se mide en decibeles. Un decibel es una relación logarítmica entre un valor específico y un valor base de la misma unidad de medida. Con respecto a la potencia de radio, dBm es una relación de potencia relativa a 1 miliwatt, donde 1 mW equivale a 0 dBm.

La primera tabla muestra la relación logarítmica entre dBm y potencia: un pequeño cambio en dBm resulta en un gran cambio en la potencia.

Por cada reducción de 10 dBm la potencia se reduce en un factor de diez y los niveles de potencia inferiores a 1 mW son decibeles negativos. La segunda tabla ilustra cómo la potencia del sistema se reduce a la mitad con un cambio de sólo 3 dBm.

La experimentación indica que para cada aumento de 6 dB en ganancia, el rango de señal de radio se duplica. Por lo tanto, si un sistema de radio con una antena de ganancia unitaria (ganancia de 0 dB) transmite dos millas, una antena de 6 dB en la misma radio transmite la señal de cuatro millas.

Las especificaciones para la mayoría de las antenas se refieren a la ganancia en dBm, dBi o dBd. Si bien no es importante entender en este punto a lo que se refieren estas calificaciones de decibelios, una buena regla es:

dBm = dBi = dBd + 2.15

Al agregar las ganancias y pérdidas de un sistema de radio total, use siempre la misma unidad de dB para cada componente del sistema.

Además de aumentar el rango, la adición de ganancia cambia el patrón de radiación. La forma en que cambia el patrón de radiación depende del tipo de antena: omnidireccional o direccional.

Adding gain to a radio system does not amplify the signal; the gain focuses the signal. Adding gain to a system usually minimizes wasted energy sent vertically and instead focuses that energy into the horizontal plane.

dBm	Power
+20	100 mW
+10	10 mW
0	1 mW
-10	100 µW
-20	10 µW
-30	1 µW
-40	100 nW
-50	10 nW
-60	1 nW
-70	100 pW

dBm	Power
30	1.00 W
29	794 mW
28	631 mW
27	501 mW
26	398 mW
25	316 mW
24	251 mW

Antenas Omnidireccionales

Como su nombre indica, una antena omnidireccional transmite y recibe señales de radio igualmente en todas las direcciones. Debido a la física asociada con la radio, y las antenas omnidireccionales patrón de señal eficaz se parece a un dona con la antena situada en el centro del agujero de la rosquilla. Un buen ejemplo de una antena omnidireccional es una torre de transmisión de estación de radio montada en la cima de una montaña. Las antenas utilizadas en teléfonos celulares o walkie-talkies son también antenas omnidireccionales.

En una red inalámbrica, las antenas omnidireccionales son las más adecuadas para entornos interiores y para dispositivos en el centro de una red de topología en estrella. Para comunicaciones de punto a punto de largo alcance, las antenas omnidireccionales no serían la mejor opción.

With a star topography network, using an omni-directional antenna on the Gateway ensures all Nodes fall within the antenna radiation pattern. Yagi antennas are best used in lineof-sight radio systems because Yagis focus the radio signal in a specific direction.

The top view of an omni-directional antenna appears to extend evenly in all directions

Viewed from the side, however, omni-directional antennas have more of a doughnut pattern.

Observe la falta de una señal muy cercana a la antena. La mayoría de las antenas dipolo omni tienen una distancia mínima para una recepción óptima de la señal.

Alta Ganancia

Una antena omni con aumento de ganancia también tiene un patrón de radiación circular cuando se ve desde la parte superior. Desde la vista lateral, sin embargo, la energía disminuida enviada verticalmente aumenta la energía transmitida horizontalmente. El patrón de radiación se estira para extender el rango, enfocando la señal a lo largo de un plano horizontal.

Esto hace que las antenas omni de alta ganancia sean más sensibles a los cambios de elevación entre las dos radios.

Increasing the gain of omni-directional antennas results in less energy sent vertically and more energy sent horizontally, extending the range.

Antenas Direccionales (Yagi)

Una antena Yagi, llamada así por su inventor, es una antena direccional porque concentra la mayor parte de la energía del transmisor o receptor en una sola dirección. Si compara los patrones de radiación de la antena con la luz, una antena omni irradia una señal de radio como una bombilla — uniformemente en un patrón esférico. Una antena direccional irradia similar a una linterna — enfocando la señal solamente en una dirección. Cuanto mayor es la ganancia, más se enfoca el haz.

Las antenas Yagi son ideales para comunicaciones de largo alcance y línea de visión. En redes de sensores, las Yagis se usan a menudo en aplicaciones al aire libre como el monitoreo de nivel de tanque. Si no hay línea de visión, una antena Yagi no funcionará bien.

A Yagi antenna radiates a signal in one direction.

Yagis de Alta Ganancia

Debido a que las antenas Yagi producen patrones de radiación más estrechos, es muy importante tener una Yagi de alta ganancia en la configuración de una red de radio. Los instaladores de redes de radio pueden utilizar una variedad de herramientas para apuntar con precisión una Yagi, incluyendo escudos, puntos de mira de láser y prueba y error.

Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, más se centrará la señal a lo largo de un plano específico. Las antenas de alta ganancia sólo deben usarse para aplicaciones de línea de visión.

As the Yagi’s gain increases, the radio signal becomes more focused along a specific path.

La Importancia de la Línea de Visión

La transmisión de radio precisa depende de un camino claro entre las antenas de radio conocidas como la línea de visión. Si cualquier obstrucción, incluyendo edificios, árboles o terreno, interrumpe la trayectoria visual entre las antenas, las obstrucciones también interferirán con la transmisión de la señal de radio, dando por resultado el desvanecimiento de la trayectoria múltiple o la atenuación aumentada de la señal.

El desvanecimiento multipunto es el resultado de las señales de radio que llegan al receptor a través de dos o más rutas. En entornos industriales, una señal recibida puede incluir la señal de línea de visión además de señales reflejadas en edificios, equipos, árboles o terreno al aire libre. La atenuación de la señal es la disminución de la intensidad de la señal como resultado del desplazamiento a través del medio, en este caso el aire.

Line of sight may be preserved, but obstructions in the first lobe of the Fresnel zone may still cause reception problems.

A pesar de una clara línea de visión, las obstrucciones en la zona de Fresnel, un elipsoide tridimensional formado con las dos antenas como los focos, seguirán interfiriendo con la señal de radio y causar el desvanecimiento multipunto. Eleve las antenas lo suficientemente altas como para eliminar cualquier obstrucción. Lo ideal sería que no debería haber obstrucciones en ningún lugar de la zona de Fresnel, incluso si se conserva la línea de visión.

Si un sitio de red de radio se extiende sobre una gran área con múltiples obstrucciones o una variedad de terreno, realice una inspección del sitio para determinar las ubicaciones óptimas de la antena, las alturas de montaje de la antena y las ganancias recomendadas para un rendimiento confiable.

Radio Potencia y la FCC

Al revisar las hojas de datos para productos de radio, dos especificaciones importantes a notar son la potencia de transmisión y la sensibilidad de recepción de las radios.

La potencia de transmisión representa la intensidad de la señal transmitida mientras que la sensibilidad de recepción se refiere a la intensidad de señal mínima que el receptor puede detectar de forma confiable. Ambas especificaciones son específicas de la radio, no de la antena, y se dan en dBm o en miliwatts.

Para el transmisor, los números positivos más grandes indican una transmisión fuerte. Para el receptor, números más pequeños indican una mejor recepción (la sensibilidad del receptor es siempre un número negativo). Incluso un cambio de 1 dBm en la potencia de transmisión o sensibilidad de recepción puede representar una diferencia significativa en el rango de radio.

De acuerdo con las reglas establecidas por la FCC, los sistemas de radio que operan en las bandas sin licencia están restringidos en el poder de sus sistemas de radio. Ningún sistema de radio puede exceder los 30 dBm de potencia total radiada, o aproximadamente 1 vatio.

Cálculos de Margen de Enlace

Cuando dos radios están comunicando se dice que están vinculados. La calidad o fuerza del enlace se mide en decibelios (dB). La "ecuación de margen de enlace" es la herramienta principal que los ingenieros usan para determinar cuán lejos se desplaza una señal de radio. Según la teoría de la radio, cualquier margen de enlace superior a 0 dB es un enlace fuerte. En la práctica, los ingenieros de sistemas se sienten cómodos cuando el margen de enlace entre dos radios es de al menos 6 dB, y preferiblemente 10 dB.

El margen de enlace se calcula utilizando las siguientes ecuaciones:

Margen de Enlace = (Pérdida Total del Sistema) – (Sensibilidad del Receptor)
Pérdida Total del Sistema = Ganancia del transmisor + ganancia del receptor + pérdida de espacio libre

La pérdida total del sistema es un número negativo porque las ganancias totales del transmisor y del receptor son números positivos y la pérdida total de espacio libre es un número negativo. La sensibilidad del receptor es un número negativo.

Si el margen de enlace resultante es superior a 10 dBi, el receptor debería recibir la señal de radio de forma confiable. Si el margen de enlace resultante es inferior a 10 dBi, la antena utilizada para los cálculos puede no ser la antena correcta para este entorno. Si no se han excedido los reglamentos de la FCC, considere utilizar una antena con una ganancia más alta y recalcular el margen del enlace.

Pérdida de Espacio Libre

La pérdida de espacio libre se refiere a la parte de la señal de radio que se degrada naturalmente a medida que viaja a través de la atmósfera y no está relacionada con el tipo de antena o sus especificaciones.

El rango de la señal de radio es inversamente proporcional a la frecuencia. Cuanto menor sea la frecuencia, más larga será la distancia y menos susceptible será la señal a la pérdida de trayectoria ya la interferencia. Las ecuaciones para la pérdida de espacio libre son:

FSL_900MHz = 31.5 + 20 Log d (donde d está en metros)

FSL_2.4GHz = 40 + 20 Log d (donde d está en metros)

Poniéndolo Todo Junto

Al calcular la ganancia total de un transmisor o receptor, incluya todas las pérdidas de cableado, conectores, cualquier elemento que contribuya a la propagación de la señal.

Las hojas de datos de todos los transmisores de radio, receptores, antenas, cableado y conectores deben enumerar la potencia de transmisión, la sensibilidad de recepción, la ganancia de antena y las pérdidas de cableado. Los pares de conectores pueden tener una pérdida de 0.5 dB mientras que un pararrayos podría incluir una pérdida de 0.5 a 1.5 dB. Las pérdidas de cableado varían según el fabricante y normalmente se enumeran por 100 pies de cable.

El único parámetro en cuestión es la pérdida de espacio libre. Utilizando la ecuación para la pérdida de espacio libre, los ingenieros de sistemas deben ser capaces de determinar si hay suficiente margen de enlace para cada enlace en un sistema de radio punto a punto.

Sistema SureCross de Banner

Los dispositivos de radio SureCross de Banner están diseñados para utilizar una variedad de antenas que van desde antenas omnidireccionales de baja ganancia para redes pequeñas hasta antenas Yagi de alta ganancia para aplicaciones de línea de visión de largo alcance. Todas las antenas Banner cumplen con los requisitos y regulaciones de la FCC.

	Basic Specifications	Example Applications
Omni-Directional	Transmit and receive equally in all directions. Ideally suited for the center device in a star topology network. With higher gain, transmit less signal vertically and more signal horizontally in all directions.	Low-gain omni antennas work well in any multipath or industrial environment such as monitoring and signaling bins for parts picking, monitoring automotive manufacturing steps, or regulating environmental conditions such as temperature and humidity.
Directional	Transmit and receive best in a single direction. Requires a clear line-of-sight between devices. With high gain, transmit less signal vertically and more signal horizontally in one direction.	Yagis are best suited to long range, line-of-sight applications such as monitoring tank farms, waste water, or large-scale agricultural production facilities.

Una vez instalada una antena, es fácil analizar la intensidad de la señal con la función Banner's Site Survey incluida con todos los dispositivos Gateway. La realización de una encuesta de sitio analiza el enlace de comunicaciones de radio entre el Gateway y cualquier Nodo dentro de la red informando el número de paquetes de datos perdidos y recibidos. Los resultados de la encuesta del sitio se enumeran como un porcentaje de los paquetes de datos recibidos e indican la intensidad de la señal recibida.

El monitoreo y control en las aplicaciones de procesamiento están limitados solamente por la imaginación. Desde los niveles del tanque hasta la presión de la línea, desde la temperatura hasta el voltaje, la red inalámbrica SureCross se puede desplegar, escalar, analizar y redistribuir de manera fácil y confiable en la mayoría de los entornos.

Definiciones

Term	Definition
decibel	A logarithmic ratio between a specific value and a base value of the same unit of measure
EIRP (effective isotopic radiated power)	The effective power found in the main lobe of a transmitter antenna, relative to a 0 dB radiator. EIRP is usually equal to the antenna gain (in dBi) plus the power into that antenna (in dBm).
free space loss	The radio signal loss occurring as the signal radiates through free space.
gain	Represents how well the antenna focuses the signal power. A 3dB gain antenna doubles the effective transmitting power while every 6 dB doubles the distance the signal travels. Increasing the gain sacrifices the vertical height of the signal for horizontal distance increases. The signal is ‘squashed’ down to concentrate the signal strength along the horizontal plane.
gateway	The Sure Cross™ wireless network master communication device used to control and initiate commands to other devices in the radio network.
latency	The time delay between the transmission of a data packet and its reception.
line of sight	The clear path between radio antennas that is required for reliable communications.
link margin	The strength of the radio connection between two wireless devices.
node	The Sure Cross wireless network slave device used to provide sensing capability in a remote area.
system operating margin (also fade margin)	The difference between the received signal level (in dBm) and the receiver sensitivity (also in dBm) required for reliable reception. It is recommended that the receiver sensitivity be more than 10 dBm less than the received signal level. For example, if the signal is about -65 dB after traveling through the air and the radio receiver is rated for -85 dB, the operating margin is 20 dB—an excellent margin.

Productos Destacados

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Gateways y Nodos de la Serie Performance

Cree redes punto a multipunto que distribuyan E/S en áreas grandes. Los tipos de entrada y salida incluyen discreto (contacto seco, PNP/NPN), analógico (0 a 10 V CC, 0 a 20 mA), temperatura (termopar y RTD) y contador de impulsos.