Diagrama de radiación de una antena de estación base

Para que los distintos usuarios de un sistema celular de banda ancha punto a multipunto reciban un nivel de señal comparable independientemente de su distancia a la estación base, es necesario conformar un cierto diagrama de radiación en el plano vertical. La forma que debe adquirir este diagrama es del tipo cosecante al cuadrado (csc²), tal y como se explicará en este artículo.

Considérese la geometría del enlace representada en la figura 1, donde se ha tomado una celda de 3 km de radio y dos usuarios situados en el borde de la celda y a una distancia de 100 m de la estación base. De acuerdo con las distancias indicadas, se obtienen unos ángulos de elevación para las antenas de los usuarios 1 y 2 de 16,7º y 0,6º respectivamente.

 

 Figura 1: Perfil vertical de una celda de sistema punto a multipunto.

La potencia de señal recibida por cada uno de estos usuarios es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia recorrida por las ondas radioeléctricas, la cual a su vez puede obtenerse que es inversamente proporcional al seno del ángulo de elevación. Por lo tanto, la potencia recibida es directamente proporcional al cuadrado del seno (sen²) del ángulo de elevación. Es decir, para que ambos usuarios reciban la misma potencia es necesario colocar una antena en la estación base con un diagrama de radiación en el plano vertical del tipo csc² (inverso del sen²). Así, normalizando la ganancia de la antena con respecto al usuario 2, el usuario 1 requiere una ganancia relativa de aproximadamente –29 dB. En la figura 2 se representa la ganancia normalizada en función del ángulo de elevación (curva azul).

 

Figura 2: Diseño de ganancia normalizada con y sin compensación de lluvia.

Ahora bien, todos estos cálculos previos tienen en cuenta tan solo las pérdidas de propagación en espacio libre, sin considerar ningún fenómeno adicional. En el caso de sistemas operando a frecuencias milimétricas, la lluvia es un importante factor de degradación. Bajo condiciones de fuerte lluvia (15 mm/h por ejemplo), la atenuación puede llegar a ser mayor de 3 dB/km para frecuencias cercanas a los 28 GHz. Así, la señal del usuario 2 sufre unas pérdidas adicionales de 9 dB, mientras que en el caso del usuario 1 tan sólo de 0,3 dB. Esta atenuación por lluvia limita el alcance y las prestaciones del sistema, especialmente para los usuarios que se encuentran más alejados.

Por lo tanto, para compensar los efectos provocados por condiciones atmosféricas adversas se tiene que, o bien sustituir los transceptores por equipos de mayor potencia y mejor sensibilidad, o bien modificar el diagrama de radiación de la antena para tener en cuenta la atenuación por lluvia. En el primer caso los costes son considerables, mientras que en el segundo caso resultan marginales.

El cambio necesario en el diagrama de radiación de la estación base para considerar los efectos de la atenuación por lluvia se muestra en la figura 2 (curva roja). Como puede observarse, la ganancia debe aumentar considerablemente para los usuarios más alejados (ángulos de elevación menores), mientras que debe mantenerse prácticamente igual para los usuarios más cercanos (ángulos de elevación mayores). Esto significa que la antena debe tener un diagrama de radiación con una caida inicial más abrupta que el diagrama convencional del tipo csc².

En el ejemplo de la figura 2 se ha supuesto un margen de atenuación por lluvia de 10 dB. Las antenas comerciales suelen diseñarse para que su diagrama de radiación se encuentre entre las dos curvas de la figura 2.