SESION -21

ANTENAS ACTIVAS

PRESENTADO POR:
Mg.Ing. Wilbert Chávez Irazábal

TIPOS ANTENAS ACTIVAS

A.- ANTENAS ACTIVAS NO INTELIGENTES

B.- ANTENAS ACTIVAS INTELIGENTES

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 ANTENAS ACTIVAS NO INTELIGENTES

 Este tipo de antenas solo realizan filtrado y amplificación de la señal.

 Este tipo de antena activa constas de un material metálico conductor que
tiene insertado un amplificador.
 Un cable coaxial tanto para la fuente de alimentación del amplificador de
la antena como para el transporte de la señal amplificada de la antena.
 Es inevitable la perdida de un poco de señal, no existe objeción alguna al
empleo de hasta 20 metros de este cable.
 Una unidad de potencia, la cual es alimentada por los medios locales
(red eléctrica) o por baterías. Esta unidad alimentadora proporciona 42
voltios DC al cable coaxial para alimentar al amplificador de la antena.
 Un cable coaxial corto, que va desde esta unidad alimentadora hacia la
antena y clavijas de tierra del receptor.

ANTENAS ACTIVAS NO INTELIGENTES

LA ANTENA ACTIVA DE RECEPCIÓN:

 La antena activa de recepción consiste en un látigo de fibra de

vidrio de alta capacitancia y un amplificador incorporado al
soporte de la antena. El amplificador proporciona la adaptación
de impedancia necesaria entre el látigo de alta impedancia y el
cable de bajada de 50W sobre un extremadamente amplio ancho
de banda.

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 ANTENAS ACTIVAS NO INTELIGENTES
MMIC (MONOLITHIC MICROWAVE INTEGRATED CIRCUITS) :

 La necesidad de reducir la circuitería del amplificador y el filtro, hace que las

antenas activas utilice los MMIC.
 Los MMIC son dimensionalmente pequeños (desde 1 mm² a 10 mm²) y
pueden ser producidos a gran escala.
 Los circuitos MMI o MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) son un
tipo de circuitos integrados que operan en frecuencias, entre 300 MHz y 300
GHz.
 La técnica de fabricación de los circuitos MMIC se basa en la utilización de
líneas de transmisión planares, y se realiza con compuestos de
semiconductores compuestos, tales como el arseniuro de galio (GaAS),
nitruro de galio (GaN) y el silicio-germanio (SiGe).

ANTENAS ACTIVAS NO INTELIGENTES

MMIC (MONOLITHIC MICROWAVE INTEGRATED CIRCUITS) :

 Las entradas y salidas de los dispositivos MMIC están, generalmente,

internamente adaptadas con una impedancia característica de 50 ohmios.
 Esto facilita el uso de dichos dispositivos, así como su uso en forma de
cascada, ya que no requieren red de adaptación externa.
 Adicionalmente, la mayoría de los equipamientos de pruebas de
microondas se diseñan para operar en unas condiciones de 50 ohmios.

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 ANTENAS ACTIVAS NO INTELIGENTES
LA ANTENA ACTIVA DE RECEPCIÓN:

 Las antenas activas utilizan MMIC (amplificador monolítico de

microondas integrado) generalmente, de Mini Circuits denominado
MAR-X, de pequeñísimo tamaño (diámetro: 2,15 mm
aproximadamente) y ganancia adecuada para esta aplicación.
 Entre las características técnicas que tiene el MMIC- MAR-1:
 Ganancia: 15 dB
 Frecuencia: en el rango de VHF-UHF
 Cifra de Ruido: 5 dB.
 Entre las características técnicas que tiene el MMIC- MAR-2+:
 Ganancia: 20 dB
 Frecuencia: en el rango de VHF-UHF
 Cifra de Ruido: 6.5 dB.

ANTENAS INTELIGENTES

 Una antena inteligente es aquella que, en vez de disponer de un diagrama

de radiación fijo, es capaz de generar o seleccionar haces muy
directivos enfocados al usuario deseado, e incluso adaptarse a las
condiciones radioeléctricas en cada momento.

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 ANTENAS INTELIGENTES

 Las antenas inteligentes o adaptativas, tienen la capacidad de ajustar su

lóbulo de radiación prefijadas, en función de la calidad de la señal Tx o Rx.
 Las antenas inteligente combinan:
 Arreglo de antenas
 Algoritmos de procesamiento de señales.

Diagrama básico de Antena Inteligente

ANTENAS INTELIGENTES
ARREGLO DE ANTENAS:
 Un array es un conjunto de antenas simples, por lo general iguales y
orientadas en una misma dirección, que poseen una disposición física
determinada, relativamente cercanas una respecto a otra.
 Cada antena se maneja por un mismo sistema de separación de la señal,
que permiten modificar el patrón de radiación y aumentar la ganancia.
 El campo electromagnético producido por un array está determinado por su
geometría y excitación.
 Geométricamente se clasifican en: Lineal, planar, o volumétrico
 Por su excitación en: Uniforme, binomial, coseno-pedestal, Fourier, o
Tchevichev

Diagrama básico de Antena Inteligente

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 ANTENAS INTELIGENTES
Procesador Digital de Señales:
La unidad DSP se compone por un procesador con instrucciones, optimizado para
aplicaciones que requieran operaciones numéricas complejas a muy alta velocidad. Las
funciones del DSP en un sistema de SA son:
 Estimación de Dirección de Arribo (DOA): Un sistema de SA necesita determinar
las características de las señales incidentes y las direcciones de arribo, tanto de los
usuarios de interés como de los interferentes.
El objetivo es excluir en lo posible, los no deseados en el diagrama de radiación.
La estimación de DOA implica un análisis de las señales en una matriz de correlación,
seguido de un análisis eigen (vocablo alemán, que en español significa propio) de la
relación señal/interferencia más razón de ruido —Signal to Interference plus Noise
Ratio (SINR).
El principio de DOA se basa en el cálculo de los retardos de tiempo en el que la señal
arriba a cada elemento del array, dependiendo de su ángulo de llegada y el tiempo.

ANTENAS INTELIGENTES
Procesador Digital de Señales:

 Estimación de Dirección de Arribo (DOA): Si la fuente de la señal arribante está en

movimiento, los vectores del array variarán en el tiempo al igual que los ángulos de
llegada correspondientes.
Así, los esfuerzos para optimizar DOA se centran en minimizar tanto como sea
posible los instantes de tiempo en el que arriba la señal, así como en la capacidad de
adaptarse rápida y dinámicamente al desplazamiento de sus fuentes de origen.
 Conformación de Haz (Beamforming): En síntesis, el beamforming es la capacidad
del array para direccionar el lóbulo principal de energía hacia una dirección específica
en el espacio.
Al mismo tiempo anula su proyección en las direcciones no deseadas o usuarios
interferentes.
La conformación del haz es también conocida por filtrado de espacialización.

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 ANTENAS INTELIGENTES

ANTENAS INTELIGENTES

Estimación de la dirección de llegada (DOA)

TÉCNICAS DE SUBESPACIO DE LA SEÑAL:

 El sistema de antena inteligente estima la dirección de llegada de la señal,

utilizando técnicas como MUSIC (Clasificación múltiple de señales ),
estimación de los parámetros de la señal mediante algoritmos de técnicas
de invariancia rotacional (ESPRIT), método Matrix Pencil o una de sus
derivadas. Implican encontrar un espectro espacial de la matriz de
antenas, sensores y calcular el DOA a partir de los picos de este espectro.
Estos cálculos son computacionalmente intensivos.
 Matrix Pencil es muy eficiente en el caso de sistemas de tiempo real y
bajo las fuentes correlacionada.

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 ANTENAS INTELIGENTES

Estimación de la dirección de llegada (DOA)

Figura. Estimación de DOA en los métodos basados en Sub-Espacios.

ANTENAS INTELIGENTES

Algoritmo MUSIC

 El algoritmo MUSIC se basa en descomponer la matriz de covarianza de

cualquier dato de salida de la matriz, para obtener el subespacio de señal
correspondiente a la componente de señal y la componente de señal
ortogonal.
 Luego use la Ortogonalidad de estos dos subespacios para estimar los
parámetros de la señal (dirección de incidencia, información de
polarización e intensidad de la señal).
 El algoritmo MUSIC tiene aplicabilidad universal Siempre que se conozca
el diseño de la matriz de antenas, ya sea una matriz lineal o circular,
independientemente de si los elementos de la matriz están igualmente
espaciados, se pueden obtener resultados de alta resolución.

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 ANTENAS INTELIGENTES

Algoritmo ESPRIT:

 Es una técnica de estimación de la dirección de llegada.

 ESPRIT reduce los requerimientos computacionales y de almacenamiento
de MUSIC.
 ESPRIT requiere que el sensor del arreglo tenga una estructura que pueda
ser descompuesta en dos sub arreglos iguales del mismo tamaño con
elementos correspondientes de dos sub arreglos desplazados uno de otro
por una distancia de traslación fija (no rotacional).
 ESPRIT, producen los estimados de dirección de llegada DoA
directamente.

ANTENAS INTELIGENTES

Algoritmo LMS (Least-Mean-Square algorithm):

 Se utiliza en filtros adaptativos para encontrar los coeficientes del filtro que permiten
obtener el valor esperado mínimo del cuadrado de la señal de error, definida como la
diferencia entre la señal deseada y la señal producida a la salida del filtro.
 Su importancia radica en que es un algoritmo muy simple. No requiere medidas de las
funciones de correlación, ni tampoco inversión de la matriz de correlación. El
algoritmo LMS es un algoritmo de filtrado lineal adaptativo que, en general, consiste
de dos procesos básicos:
1.Un proceso de filtrado, que involucra:
 El cómputo de la salida de un filtro lineal en respuesta a una señal de entrada,
 La generación de una estimación del error mediante la comparación de esta
salida con la señal deseada.
2. Un proceso adaptativo, que involucra el ajuste automático de los parámetros del
filtro de acuerdo al error estimado.

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ANTENAS INTELIGENTES:

CONFORMADOR
DE HAZ DIGITAL.

ANTENAS INTELIGENTES:

CONFORMADOR DE HAZ DIGITAL.

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 ANTENAS ACTIVAS
ANTENAS INTELIGENTES:

TIPOS DE ANTENAS INTELIGENTES

 Haz Conmutado
 Haz de seguimiento
 Haz adaptativo

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 ANTENAS INTELIGENTES

HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

 El sistema radiante genera varios haces fijos cada una de ellos apuntando
en una dirección distinta, de modo que entre todos se cubre toda zona
deseada.
 La inteligencia del sistema se encarga de seleccionar el haz que mejor
servicio da a cada usuario en particular, en función de algún parámetro de
control ( mejor SNR o C/I).

ANTENAS INTELIGENTES

HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

 El sistema genera varios haces a ángulos prefijados que se van

conmutando secuencialmente dando como resultando un barrido discreto
de la zona de cobertura en posiciones angulares fijas.
 En cada posición discreta del haz se activa el sistema de recepción para
detectar la posible existencia de señales.
 En caso de recibir señal, el sistema guarda información correspondiente a
la posición del haz (ángulo + identificación de usuario) y se establece la
comunicación con el usuario en un intervalo de tiempo.
 Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la
existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la
zona de cobertura. Este proceso de repite permanentemente en el tiempo.

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

 Cuando un usuario móvil se

encuentra en las cercanías de un
haz, entonces las señales en los
puertos de salida se dará.
 Esto permite que el haz de
conmutación del sistema para
seleccionar la señal del puerto de
salida correspondiente al haz.
 A medida que el móvil se mueve a
la cobertura de otro rayo durante la
llamada, el sistema controla la
intensidad de la señal y cambia a
otra salida puertos, según sea
necesario.

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

En las figuras se observa el movimiento del Haz con

un arreglo de 7 elementos separados l/2 con un b de -
120° a 120°, se obtiene el posicionamiento del Haz
desde 50° hasta 130° (software DISANT)

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

 Elementos del Sistema de Haz Conmutado:

 Matriz de Butler.
 Matriz de Blass.
 Acopladores Direccionales.
 Híbridos 3dB-90º
 Líneas de Transmisión.
 Switches de Microondas (Diodos PIN)
 Sistema de Control de Fase.

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

MATRIZ DE BUTLER DE 8x8

ALIMENTANDO A UN ARREGLO
LINEAL DE 8 ELEMENTOS.

Los círculos representan Híbridos

de 90º y los números son fases
con cambios de p/8.

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

Ventajas del método de Haz Conmutado:

 Baja complejidad y costo.

 Dado que los sistemas de conmutación de haz sólo requieren un
“Beamforming" de red, conmutadores de RF, y simple lógica de control,
son relativamente fácil y barata de implementar.

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ CONMUTADO (SWITCHED BEAM):

Desventajas del método de Haz Conmutado:

 Es susceptible a la interferencia o multitrayectos de señales que llegan de

los ángulos cerca de la señal deseada, ya que, en ese caso, las señales
también aparecen en el mismo puerto de salida de la señal deseada, por lo
que es difícil para separarlas.
 La falta de diversidad camino, dado que el sistema de conmutación de haz
de seleccionar solamente la señal de un puerto, no podrá combinar
coherentemente múltiples componentes que podrían llegar a partir de las
direcciones de las vigas que no sea el haz principal.

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 ANTENAS INTELIGENTES

HAZ DE SEGUIMIENTO (Scanning):

 El haz de seguimiento es conocido también como “arreglo dinámico en fase”.

 Un arreglo de antenas con una red de excitación que permite controlar
electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los
elementos del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente y
establecer comunicación con el usuario respectivo.
 A diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema haz de
seguimiento ejecuta algoritmos DoA (Direction of Arrival) para identificar
la dirección de arribo de las señales de los usuarios.
 Otra diferencia es que los cambios de fase para en el sistema conmutado
se realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijado en
el sistema y en el sistema de Haz de seguimiento el posicionamiento del
haz tiene mayor resolución angular.

ANTENAS INTELIGENTES

HAZ DE SEGUIMIENTO (Scanning):

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 ANTENAS INTELIGENTES

HAZ DE SEGUIMIENTO (Scanning):

PATRON DE RADIACION
DE UN ARREGLO LINEAL
UNIFORME DE 7
ELEMENTOS : HAZ DE
SEGUIMIENTO.

ANTENAS INTELIGENTES

HAZ DE SEGUIMIENTO (Scanning):

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 ANTENAS INTELIGENTES

HAZ DE SEGUIMIENTO (Scanning):

 Elementos del Sistema de Haz de Seguimiento:

 Desfasadores.
 Compensadores.
 Líneas de Transmisión.
 Sistema de Detección de Dirección de Arribo (DoA).
 Sistema de Control de fase.

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

 En este sistema, las salidas de cada elemento del arreglo de antenas se

ponderan con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para
conformar un diagrama de radiación para maximizar algún parámetro de la
señal( SNR) de esta manera presenta el haz principal hacia la posición del
usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de
las componentes de multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos
de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.
 Esta técnica requiere el uso de algoritmos (DoA) se utiliza para determinar
la dirección hacia las fuentes de la interferencia. tanto para la detección de
las señales de arribo e interferentes como para la optimización de los
pesos que conforman el haz.

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

 No siempre será posible eliminar toda la interferencia, ya que el

número de fuentes interferentes que se pueden suprimir está
directamente relacionado con el número de elementos de
la antena.
 Esta técnica requiere el uso de complicados algoritmos, tanto para la
detección de las señales deseada e interferente como para la
optimización de los pesos que conforman el haz.
 Estos algoritmos suelen conllevar una gran carga computacional,
mientras que deben procesarse en tiempo real, por lo que suponen
una seria limitación.

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

Programa de control
de sistema de Haz,
ADAPTATIVOS

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

PATRON DE
RADIACION DE
UN ARREGLO
LINEAL
UNIFORME DE 7
ELEMENTOS :
HAZ ADAPTATIVO

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 ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

 Elementos del Sistema de Haz Adaptativo:

 Mezcladores.
 Oscilador Local.
 Filtros Pasa-Banda.
 Convertidor Analógico/Digital.
 Down-Converter.
 Sistema de Detección de Dirección de Arribo (DoA)
 Sistema de Conformación de Haz.

ANTENAS INTELIGENTES
HAZ ADAPTATIVO:

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 VENTAJAS DE ANTENAS INTELIGENTES
REDUCCION DEL NIVEL DE INTERFERENCIA

 La selectividad espacial que proporciona el Sistema de antenas

inteligentes, permite discernir las señales interferentes provenientes de
otros usuarios con esto se logra hacer insensible a la antena receptora
hacia esas direcciones y evitar que esas señales sean procesadas en
el sistema de recepción.
 También permite reducir la potencia de transmisión en la dirección de
esos usuarios para evitarles interferencias

 La reducción del Nivel de Interferencia reduce

la tasa de Error (BER), lo que permite
aumentar la calidad de la transmisión de la
información.

VENTAJAS DE ANTENAS INTELIGENTES

REDUCCION DE POTENCIA DE TRANSMISION

 Con el aumento de ganancia producto del arreglo de antenas, se

incrementa la sensibilidad de la estación base, por lo tanto
los equipos móviles pueden transmitir a una menor potencia
incidiendo directamente en el ahorro de baterías.
 El sistema de Antenas Inteligentes puede radiar una potencia menor
por lo cual se pueden reducir o simplificar las especificaciones de los
amplificadores de potencia asociadas al sistema de antenas,
generando una reducción de costos en las etapas de amplificación

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 VENTAJAS DE ANTENAS INTELIGENTES

REDUCCION DE PROPAGACION MULTITRAYECTO

Dependiendo de la configuración del sistema de Antenas Inteligentes, se

pueden tener dos situaciones:
1. Captación de la Onda principal de la señal de interés, eliminando las
señales de multitrayecto propias y las señales interferentes de otros
Usuarios.
2. Captación de la Onda principal de la señal de interés aprovechando
la captación de sus señales de mutlitrayecto, para reforzar la señal
principal, y eliminar las señales interferentes de otros usuarios.

VENTAJAS DE ANTENAS INTELIGENTES

MEDIO AMBIENTE

 Otra gran razón es que este tipo de tecnología se presenta muy

beneficiosa para el medio ambiente; puesto que las antenas
inteligentes en vez de radiar energía en todas las direcciones como las
antenas tradicionales, envía la señal directamente a cada usuario y
sólo cuando se requiere el servicio, consiguiéndose, pues, un
considerable ahorro energético y una disminución de este tipo de
contaminación. Si a esto sumamos.

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