5. Antenas

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5. Antenas
Líneas de Transmisión II
Rubén
Rubén Canga
Canga
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Antenas
ž
Las antenas son junto al transmisor y las líneas de
transmisión el 3º elemento más importante de un
sistema de comunicación.
ž
Realiza tres funciones primordiales:
— Convertir la energía electromagnética del Tx que viaja
por la de la línea en energía electromagnética que se
propaga en el espacio.
— Adaptar la impedancia del generador a la impedancia
del espacio.
— Captar de nuevo esa energía electromagnética en el
espacio, para ser utilizada en el receptor.
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Antenas
ž
Hay una gran variedad de tipos de antena en función de
las aplicaciones a las que son destinadas y de los
parámetros que tiene que cumplir para realizar su función.
ž
Dentro de todas ellas, las más utilizadas en difusión son:
— Mono polos y dipolos.
— Antenas direccionales tipo Yagui.
— Antenas helicoidales.
— Antenas diédricas.
— Antenas parabólicas.
— Bocinas.
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Antenas
Monopolos
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Dipolos
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Antenas
Direccionales Yagui
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Antenas
Helicoidales y Diédricas
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Antenas
Parabólicas
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Antenas
Bocinas
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Antenas
ž
Pueden trabajar agrupadas para conseguir unos
parámetros concretos de radiación como son las
agrupaciones de dipolos, paneles radiantes, antenas
adaptativas.
ž
A estas características de radiación la denominamos
diagrama de radiación y es la representación gráfica de la
radiación en función del ángulo de la misma.
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Antenas
ž
Los principales parámetros de una antena son:
— Impedancia.
— Polarización.
— Ganancia.
— Directividad.
— Ancho de banda, factor Q.
ž
También veremos el concepto de PIRE y PRA.
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Antenas
ž
La impedancia de una antena se define como la relación
entre tensión y corriente en los bornes de entrada de la
antena.
ž
Suele ser compleja, la parte real es la resistencia de la
antena y la parte imaginaria su reactancia
ž
Las antenas tienen que tener un tamaño acorde a la
longitud de onda de la señal a transmitir.
ž
Si la impedancia no tiene reactancia, se dice que la
antena es resonante. 50 Ω + 0j Caso ideal.
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ž
La impedancia depende de la relación longitud – diámetro
del conductor y de la frecuencia de trabajo.
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Antenas
ž
Polarización. Es la polarización de la onda radiada por
una antena en una dirección dada y definida por la
orientación del vector campo eléctrico.
ž
Es la figura geométrica descrita por la señal con el
transcurso del tiempo por el extremo del vector campo
eléctrico en un punto del plano perpendicular a la
dirección de propagación.
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Antenas
ž
Para ondas sinusoidales en general una elipse,
habiendo dos casos de particular interés:
— Si la figura es un segmento, se denomina polarización
lineal.
— Si la figura es un circulo, polarización circular.
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Antenas
Lineal
Circular
Elíptica
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Antenas
ž
Las polarizaciones lineales pueden ser horizontal y
vertical.
ž
Para las circulares y elípticas, estas pueden ser a
derecha o izquierda en función de cómo se vería alejarse
la señal desde la antena en dirección de la propagación.
ž
Si es en sentido horario, es circular derecha, en sentido
anti horario es circular izquierda.
ž
El uso de cada tipo de polarización dependerá de las
condiciones del enlace a realizar, planificación de
espectro o de la orografía del terreno en la zona de
servicio a cubrir.
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ž
Como ejemplos:
— En sistemas radiantes de radio FM, la polarización
vertical es apta para terrenos llanos con un centro
emisor muy elevado.
— Circular obtiene mejor rendimiento en zonas
montañosas donde la señal debido a reflexiones se
despolariza.
— Para distancias relativamente cortas polarización
vertical, posición de la antena Rx relativamente igual a
la de Tx.
— Para enlaces de gran distancia, polarización horizontal,
es más inmune a captar interferencias locales.
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ž
También se utiliza la polarización para la optimización del
espectro, pudiendo utilizar frecuencias muy próximas, o
incluso reutilizar la misma frecuencia en diferentes radio
enlaces.
ž
Esto se debe a la protección adicional que podemos
lograr por despolarización. En función del diseño de la
antena puede oscilar para una antena direccional entre
los 15 dB y los 30 dB.
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ž
Directividad. Se denomina directividad de una antena a
la densidad de potencia radiada en una dirección y
distancia por una antena y la densidad de potencia que
radiaría a la misma distancia una antena isotrópica a
igualdad de potencia total radiada.
ž
Antena isotrópica, antena “ideal” no real que radia por
igual en todas direcciones.
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Antenas
ž
Esta parámetro podemos analizarlo con los diagramas
de radiación que son la representación gráfica de la
radiación en función del ángulo de la misma, pueden ser
tridimensionales, bidimensionales, cartesianos o polares.
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Antenas
Cámara anecoica
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Antenas
ž
Ganancia. Se define ganancia de una antena a la relación
entre la densidad de potencia radiada en una dirección
por una antena y la densidad de potencia que radiaría en
la misma dirección una antena isotrópica a igual distancia
y potencia entregada a la antena.
ž
La diferencia con la directividad radica en que una se
refiere a la potencia radiada por la antena, y la ganancia a
la potencia entregada por la antena.
ž
La diferencia entre ambas es la potencia disipada por la
antena en forma de calor debido a la resistencia de los
conductores.
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Antenas
ž
ž
Las unidades de ganancia pueden ser dBi si esta referida
al dipolo isotrópico, o dBd si esta referida al dipolo de 1/2 λ.
La diferencia entre una y otra es que el dipolo de 1/2 λ se
considera que tiene 2,15 dBi por lo tanto:
G dBi= G dBd + 2,15
ž
ž
ž
Por lo tanto se puede definir la eficiencia de una antena
como la relación entre la potencia radiada por una antena y
la potencia entregada a la misma.
Es un número comprendido entre 0 y 1.
En ausencia de pérdidas, habitual en muy altas
frecuencias SHF, directividad y ganancia son iguales.
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Antenas
ž
Ancho de banda. Todas las antenas, debido a su geometría
finita, están limitadas a trabajar satisfactoriamente en un
margen de frecuencias.
ž
Este intervalo de frecuencias en el que un parámetro
determinado no sobrepasa unos limites prefijados, se
conoce como ancho de banda.
ž
Puede ser definido por cualquiera de sus parámetros como
son diagramas de radiación, directividad, impedancia.
ž
El factor más crítico en cada situación será el que determine
este ancho de banda.
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ž
ž
Podemos dividir estos parámetros en dos grupos según
se relacionen diagramas de radiación o la impedancia.
Lo más habitual es relacionarlo con la impedancia.
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Antenas
ž
ž
Las antenas se comportan de igual manera en Tx y en Rx.
Tienen los mismos parámetros de directividad, ganancia,
diagrama de radiación, impedancia, ancho de banda, etc.
Se puede demostrar con el teorema de reciprocidad.
ž
Podemos calcular la intensidad de campo que produce una
antena a una distancia en función de su PIRE o de su PRA.
ž
PIRE. Se llama Potencia Isotrópica Radiada Aparente de
una estación al producto de la potencia suministrada a la
antena por la ganancia de la antena en dBi.
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ž
La intensidad del campo varía en función del ángulo de
radiación.
ž
Pero a efectos de cálculo se supone que es en la
dirección de máxima ganancia. PIRE. Potencia Radiada
Isotrópica Equivalente.
Es la potencia entregada a la antena por la ganancia en
dBi.(huella satélites).
ž
Cálculo del campo dB µv /m
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ž
PRA se denomina Potencia Radiada Aparente al producto
de la potencia entregada a una antena por su ganancia
siendo esta en unidades dBd.
ž
Este parámetro es muy común en las características
técnicas que se fijan para una concesión de radio, la cual
especifica en función de la cota donde esta prevista su
instalación un PRA máximo.
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ž
Para que exista radiación en la antena, es preciso que la
longitud del conductor sea del orden de magnitud de la
longitud de onda de la señal.
300.000 Km/s
λ(en metros)=
Frec. en Khz
ž
Para que una antena tenga un rendimiento óptimo en
una frecuencia determinada hay que procurar que la
impedancia tienda ser resistiva pura y la reactancia sea
nula, logrando así que la antena entre en resonancia con
la frecuencia.
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Antenas
ž
La antena lineal más utilizada en cuanto a longitud de onda se
refiere es la 1/2λ.
ž
Un conductor presenta una capacidad, mayor cuanto mayor
sea su diámetro. Esta capacidad provoca que la longitud física
del conductor tenga que ser de menor para compensar la
reactancia.
ž
El factor de acortamiento es por tanto función del diámetro del
conductor.
ž
En frecuencias bajas se utilizan diámetros pequeños mientras
que en frecuencias altas se utilizan tubos (efecto piel de RF,
ancho de banda, ejemplo dipolos FM).
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Dipolos
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Antenas
ž
Fórmula del dipolo
ž
Longitud dipolo 1/2λ onda en 1.026 Mhz = 139 m.
Longitud dipolo 1/2λ onda en 100 Mhz = 1,42 m.
ž
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Antenas
ž
Antena Monopolo. Se utilizan para la transmisión de
frecuencias bajas como son las estaciones de Onda
Media (AM), debido a que en estas frecuencias la
longitud de onda es muy elevada, la longitud física de las
antenas es muy grande y mediante la utilización de estas
antenas, es posible montar antenas de menor longitud
física y elevado rendimiento. Son de polarización vertical.
ž
Se utilizan principalmente dos tipos. Torre aislada de
tierra mediante un aislador cerámico. La propia torre
ejerce de antena.
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ž
El tipo cortina radiante utiliza la torre como soporte de una
cortina de hilos (3,6,9) normalmente 6, separados de la
torre, lo que hace que aumente su diámetro eléctrico, y con
ello el ancho de banda de la antena.
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Antenas
ž
Estas antenas utilizan la teoría de imagen de antena.
Consiste en instalar la antena de manera vertical sobre
una superficie conductora, en este caso la tierra, y utilizar
las propiedades de la misma para crear una antena
ficticia, la contrantena.
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ž
Esta teoría dice que una antena vertical de 1/4 λ situada
sobre una tierra muy conductora tendrá las mismas
características que un dipolo de 1/2 λ debido a que la tierra
creará, debido a la reflexión de las señales una imagen
especular del 1/4 λ funcionando así la antena como una de
1/2 λ.
ž
Para lograr una tierra perfecta se instala bajo tierra una red
de radiales de 1/4 λ de longitud y 3mm Ø con centro en la
base de la torre en el mayor número de direcciones,
normalmente 120 radiales, uniéndolos todos entre si
formando el denominado plano de tierra.
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ž
Plano de tierra torre de OM enterrados 25 – 30 cm.
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ž
Estos planos de tierra son comunes en otros tipos de
monopolos.
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Antenas
ž
Hay situaciones, sobre todo en bajas frecuencias, en las que
instalar una antena de 1/4 λ es incluso muy complicado
debido a las longitudes de onda tan grandes que tiene la
señal.
ž
En estas situaciones se utilizan elementos externos para
alargar o acortar eléctricamente la antena con el fin de
adaptar las impedancias de la carga al generador y tender a
resistencia pura sin reactancia.
ž
En estas situaciones se utilizan redes de adaptación, en ¶ o
en L, en la base de la antena y en su parte superior aros
capacitivos, “capacetes”, para reducir o aumentar su
virtualmente su longitud física.
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ž
Actualmente está más extendido el usos de cortina
radiante que el de torre radiante por que presenta más
ventajas:
— No tiene el costoso aislador en la base.
— La torre esta a tierra, en caso de impacto de rayo, el
equipo está más protegido.
— Mayor ancho de banda, mejor rendimiento en
multiplexado de emisoras.
— Se puede utilizar la torre como soporte de otras
antenas.
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ž
Para soportar las torres sobre el bulón del aislador, estas
en función de su longitud, utilizan unos juegos de
riostras, suelen ser cables de acero de gran grosor.
ž
Para evitar que el propio cable funcione como conductor
y modificar tanto la impedancia de la antena, como su
lóbulo de radiación, estas riostras llevan intercalados
cada cierta longitud unos aisladores para evitar la
continuidad eléctrica de la riostra y evitar que estas
interfiera con la antena.
ž
El número y distancia de corte varía en función del punto
de contacto con la torre.
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Esta distribución de aisladores se
debe al reparto de tensión de la señal
en la antena. Se puede ver en el tope
de la torre algo parecido a un capacete.
ž
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Antenas
ž
Dipolos. Son elementos formados por dos cilindros
radiantes de longitud ¼ λ para formar una antena de ½ λ y
se alimentan por el centro de la antena. Son de aluminio y
de acero inoxidable.
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Antenas
ž
ž
Como hemos visto hay varios formatos en función de su
polarización suelen tener entorno a 2,15 dBi y la
potencia que soportan dependerá de sus dimensiones y
conectores (Foto anterior 5Kw)., suelen ser de banda
ancha y aunque los hay sintonizados.
Su diagrama de radiación es omnidireccional, pero
combinando dos o más dipolos, podemos crear lóbulos
de radiación específicos y aumentar la ganancia del
sistema.
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Antenas
ž
Antenas direccionales, Yagui. Cuando necesitamos un
cierto grado de direccionalidad del lóbulo una de las
opciones más utilizadas son las antenas Yagui. Se
considera antena Yagui cuando la antena tiene 2 o más
elementos.
ž
Son muy utilizadas en las bandas de VHF y UHF,
permiten grandes ganancias con antenas de reducidas
dimensiones. Polarizaciones lineales.
ž
Consisten en añadir a un elemento excitado, un dipolo,
una serie de elementos “parásitos” a determinada longitud
de onda, por delante y detrás del elemento excitado.
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ž
Estos elementos parásitos desarrollan una tensión por la
inducción de la radiación del elemento excitado.
El reflector es el elemento parásito trasero, el director-es,
son los elementos que se sitúan delante del elemento
excitado.
ž El reflector se sitúa entre 0,15 y 0,25 λ, mientras que el
director se sitúa entre 0,1 y 0,15 λ.
ž El reflector es un 5% mayor que elemento excitado,
director un 5% menor que elemento excitado.
ž
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ž
Si la señal viaja hacia el reflector, viajará 1/4λ, cambio de
fase 90º, en elemento parásito se induce una tensión
desfasada 180º respecto al elemento excitado, por lo
tanto, radiación hacia reflector se anula.
ž
Reflector radia ,por inducción, hacia el elemento excitado,
viaja 90º, nuevo cambio de fase, cambio total 360º.Llega
en fase con el elemento excitado y le aporta energía.
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Antenas
ž
Cuanto mayor número de elementos tenga una Yagui:
— Mayor ganancia directiva( 5 – 19 dBi).
— Lóbulo de radiación más estrecho.
— Mejor discriminación.
— Mejor relación frente espalda.
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ž
Antenas helicoidales. Está constituida por un conductor
grueso arrollado en hélice, y sus dimensiones son función
de la frecuencia de trabajo.
ž
Polarización circular.
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Antenas
ž
Tienen mucho ancho de banda, pudiendo utilizarse en
frecuencias un 20% diferentes a la frecuencia de diseño.
ž
Se utilizan, sobre todo, en frecuencias de micro ondas
SHF.
ž
Pueden recibir señales lineales despolarizadas.
Aplicación en radioenlaces de 1600 Mhz.
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ž
Antenas diédricas. Están formadas por un dipolo situado
en la bisectriz de un reflector diédrico.
ž
Los lados del diedro deben tener una longitud de 2λ.
ž
En función del ángulo del diedro y de la distancia del
dipolo a la arista, se fijan las características de la antena.
ž
Buena relación frente espalda, tamaño reducido, buen
ancho de banda y ganancia entre 7 y 14 dBi.
ž
Se utilizan en radioenlaces de UHF (400 – 800 Mhz).
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ž
Antenas parabólicas. Antena formada por un reflector
parabólico que concentra toda la energía en un punto
denominado foco y alimentado por un “iluminador.”
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Antenas
ž
En función de la frecuencia varían sus dimensiones físicas
y modo de construcción.
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Antenas
ž
Se utilizan principalmente para radioenlaces de programa,
o canales de datos de alta capacidad.
ž
Existen varios tipos, de las cuales las más utilizadas son
las de foco centrado y Offset.
ž
La primera se utiliza en enlaces terrestres, mayor facilidad
de apuntamiento.
ž
El segundo tipo es común en enlaces por satélite, mayor
ganancia, menor tamaño y mejor ángulo de instalación
para la orientación, incluso en zonas con poca visión.
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Antenas
ž
ž
Se utilizan en frecuencias elevadas, normalmente en la
banda de las microondas, de 1 Ghz en adelante, aunque
las hay para UHF y se utilizan en recepciones de micro
reemisores de TDT, con gap-fillers.
Tienen una muy elevada ganancia de 20 a 50 dBi en
función de la frecuencia de trabajo y dimensiones.
ž
El lóbulo de radiación es muy estrecho.
ž
Suelen estar radomizadas y en muchos casos
calefactadas con hilos radiantes embutidos en las
parábolas. La lluvia, el hielo y la nieve afecta a su
rendimiento, sobre todo el agua, y más aún si el grosor de
la lamina supera el ¼ λ.
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ž
Tienen polarizaciones lineales.
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Antenas
ž
ž
Las bocinas son estructuras radiantes muy utilizadas que
consisten en realizar un ensanchamiento a la guía de
ondas de una manera controlada para adaptar así la
impedancia de la guía de ondas al espacio libre, sin que
esta pierda el modo de transmisión y propiedades de la
guía.
Principalmente 3 tipos:
— Bocina de plano E
— Bocina de plano H
— Bocina Piramidal.
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ž
También las hay cónicas, lisas y corrugadas, muy
utilizadas en los LNB, domésticos. La corrugada mejora la
pureza de polarización de las señales.
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ž
Se utilizan en satélites que precisan conformar una
huella de cobertura muy determinada con formas
asimétricas mediante la agrupación de varias de ellas
como sistema radiante.
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Antenas
Diagramas de radiación de multi-haz contorneado
de Hispasat.
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Bibliografía del curso.
ž
Transmisión por Radio*.
— Jose María Hernando Rábanos.
— Editorial Universitaria Ramón Areces.
ž
Antenas*.
— Ángel Cardama Aznar, Lluís Jofre Roca, Juan Manuel Rius
Casals,Jordi Romeu Robert,Sebastián Blanch Boris.
— Ediciones UPC, Universidad Politécnica de Cataluña.
ž
Las Antenas.
— R.Brault y R.Piat.
— Editorial Paraninfo.
ž
Cálculo de Antenas
— Armando García Dominguez.
— Editorial Marcombo
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Bibliografía del curso.
ž
Manual de Comunicaciones por Radio*.
— R.Harold Kinley.
— Ediciones Ceac.
ž
Sistemas de Comunicaciones*.
— Heathkit Educational System. Heath Company Benton Harbor,
Michigan.
— Editado por Comercial A.Cruz S. A. Montesa 38 Madrid.
ž
Electrónica de Comunicaciones.
— Manuel Sierra Perez, Belén Galocha Iragúen, Jose Luis
Fernandez Jambrina, Manuel Sierra Castañer. Universidad
Politécnica de Madrid.
— Editorial Pearson.
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Bibliografía del curso.
ž
Postgrado Especialista Universitario en Telecomunicaciones.
— Profesorado: Gloria María Torralba Collados, Vicente Gonzalez Millán,
Julio Martos Torres, Enrique J, Sanchis Peris, Jesus Soret Medel,
Nestor García García.
— Universidad de Valencia.
ž
Recursos de Internet.
— http://www.upv.es/antenas/, página de la universidad de Valencia.
— http://miguel-ferrando.blogspot.com/, blog dedicado a las Antenas,
—
—
—
—
—
catedrático de la Universidad de Valencia.
http://webs.uvigo.es/servicios/biblioteca/uit/body.htm,
recomendaciones UIT, Universidad de Vigo.
http://www.gr.ssr.upm.es/docencia/grado/csat/, Universidad de Madrid.
http://personal.us.es/murillo/ Profesor de la Universidad de Sevilla.
http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada.
http://www.mityc.es/telecomunicaciones/es-ES/Paginas/index.aspx.
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Bibliografía del curso.
ž
Recomendaciones UIT
— UIT – R BS.412-9-1998 , Planificación de Radio difusión sonora en
FM, ondas métricas.
— UIT – R BS. 1698 -2005 Evaluación de Campos sistemas Tx.
— UIR- R P.453-9 -2003 Índice de refracción radioeléctrica.
ž
Catálogos, notas técnicas y manuales de distintos
fabricantes disponibles en Internet:
— RVR, Harris,Nautel,Vimesa,Icom.
— Rymsa,Moyano,Televés.
— Exir broadcasting, Spinner, Andrew, RFS.
— Crushcraft, Mosley.
— Rohde and Schwarz, Tektronics, HP.
— Audemat, Axel, Orban.
— Dehnventil.
FIN
Antenas
Rubén Canga
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