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Ejercicios Resueltos Propagación-Antenas - Contenido educativo
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Ejercicios resueltos sobre la propagación de radio y algo de antenas
El problema nos plantea calcular cuál sería la distancia a la que se sitúa el campo lejano
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para una antena que tiene un reflector parabólico en el cual la máxima dimensión es de 1 metro.
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Para calcular la distancia a la que se sitúa el campo lejano lo importante sería aplicar
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la fórmula en la cual tenemos dos veces la dimensión al cuadrado, siendo esta dimensión
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la máxima dimensión de la antena, que en este caso es 1 metro, dividido por la longitud
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de onda.
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Primero necesitamos calcular la longitud de onda, que como vemos que la frecuencia es
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de 1,5 gigaherzios, aplicando la fórmula de la longitud de onda, dividiendo la velocidad
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de la luz por la frecuencia, nos sale el valor de la longitud de onda de 0,2 metros.
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Simplemente ahora sería aplicar la fórmula del campo lejano y vemos que nos daría 10
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metros.
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Bien, el problema parece sencillo.
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Además de eso, el problema nos pregunta cuál sería la ganancia en dB de esta antena.
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Para calcular el valor de la ganancia de una antena de la que conocemos su superficie efectiva
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porque el problema nos está diciendo que la superficie efectiva del reflector es de
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0,5 metros cuadrados, lo que tenemos que hacer es aplicar la correspondiente fórmula.
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La fórmula que nos indica la ganancia de una antena en función de su superficie efectiva
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es ésta.
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Como en este caso nos dan la verdadera superficie efectiva que tiene la antena, directamente
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sería aplicar la fórmula.
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No obstante hay que recordar que la superficie efectiva de una antena es el producto de una
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constante de eficiencia multiplicada por el área geométrica de la antena o del reflector
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que la acompaña.
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En este caso no vamos a necesitar calcular el área geométrica ni conocer el valor de
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la constante de eficiencia acá puesto que el problema ya nos da directamente el valor
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de la superficie efectiva que es de 0,5 metros cuadrados y tan solo lo que tenemos que hacer
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es aplicar estos números a la fórmula.
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Aplicando números comprobamos que el valor numérico de la ganancia es 157, es un número,
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es una relación, pero el problema nos pide la ganancia en dB, por lo tanto lo que tenemos
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que calcular es una expresión logarítmica de este valor numérico y 10 logaritmo de
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la ganancia.
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Pero ¿por qué 10?
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Pues porque la ganancia siempre representa una relación de potencias que se reciben
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en la antena, por lo tanto la fórmula o la expresión correcta que tenemos que aplicar
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para pasar una ganancia a decibelios es 10 logaritmo de la ganancia.
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Y haciendo esta operación nos da un valor de 21,9 dB que es un valor bastante alto para
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una antena de este tamaño.
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Se trata de un vano de un trayecto radioeléctrico con un radioenlace digital en el que trabajando
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en la banda de 7 GHz tenemos una serie de instalaciones en tanto la potencia transmisora,
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la ganancia de las antenas y en fin, vamos a revisar poco a poco cada uno de los parámetros
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que nos da el problema.
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En primer lugar el problema nos indica los datos de cada una de las estaciones.
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Empezamos con la estación transmisora que nos dice que la potencia transmitida es de
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20 dBm a la salida del transmisor, que hay una altura de la guía de ondas de 40 metros
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y que tiene unas pérdidas de 5 dBm por metro, esta guía de onda que se llama EVW64 y que
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en el tope de la torre hay una antena de 3,8 metros de diámetro y una ganancia de 46 dBm.
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Del mismo modo nos indica el problema que en el otro extremo, que es donde queremos
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calcular la potencia que se recibe, tenemos una altura de 20 metros, algo menor, con el
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mismo tipo de guía de ondas y a su vez también nos indica el enunciado del problema que la
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antena que hace en este caso de recepción tiene un diámetro de 1,2 metros y una ganancia
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de 36 dBm.
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Por último nos dice el problema que el trayecto radioeléctrico es de 38 km y que por lo tanto
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en ese trayecto radioeléctrico se producirán unas pérdidas en el espacio libre que tendremos
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que evaluar con la clásica fórmula de 20 logaritmo de 4πd partido por λ.
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Luego haremos esto y vamos a hacer el problema por partes.
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En un primer momento lo que vamos a hacer es desglosar un poco los datos que tenemos
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y calcular para calcular esas pérdidas en el espacio libre.
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Primero tenemos la potencia transmisora que es de 20 dBm.
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Segundo lugar, las pérdidas en las guías de onda en la antena transmisora como son
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40 metros por 0,05 decibelios que es lo que se pierde por metro ya que en 100 metros se
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pierden 5 en un metro se perderán 0,05 en total perdemos 2 decibelios en esta guía.
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En el otro extremo como son 20 metros se perderá 1 decibelio.
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Las ganancias de las antenas pues como hemos dicho en el enunciado directamente nos las
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da el problema la ganancia de esta antena serían 46 dBm y la ganancia de la antena
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receptora 36 dBm.
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Vamos con la parte un poco más compleja que sería calcular las pérdidas en el espacio
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libre.
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Aplicamos la fórmula de 20 logaritmo de 4 pi d partido por lambda o bien aplicamos la
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expresión que ya hemos utilizado en alguna ocasión que nos da el valor de estas pérdidas
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expresando la frecuencia en gigaherzios y la distancia en kilómetros que de hecho es
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como nos las da el problema.
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Así que aplicamos esta fórmula y calculamos cuáles son las pérdidas para un vano de
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38 kilómetros haciendo operaciones nos da un valor de 140,9 dBm.
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Con esto ya hemos calculado una parte fundamental del problema que son las pérdidas en el espacio
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libre y tenemos preparados los datos para aplicar la fórmula del balance energético.
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Bien, tenemos aquí los datos de la potencia de la extracción transmisora, los datos de
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la extracción receptora y las pérdidas en el espacio libre para un trayecto de 38 kilómetros
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con una frecuencia de 7 gigaherzios.
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Aplicamos la fórmula del balance energético, lo que queremos calcular es la potencia que
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se recibe en este receptor, por lo tanto partimos de la potencia que se transmite en el transmisor
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20 dBm y le quitamos las pérdidas de esta guía, le añadimos la parte de ganancia de
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la antena transmisora, a continuación restamos todas las pérdidas en el espacio libre, recuperamos
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aquí con la ganancia de la antena receptora y incluimos las pérdidas de la guía en recepción
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y el resultado ya será directamente la potencia que se recibe en el receptor.
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Como tenemos aquí todos los datos sustituimos todos estos números, vemos que nos sale un
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valor de 41,9 menos 41,9 dBm, partíamos de 20 y a lo largo de este balance hemos ido
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perdiendo en cada camino, en cada trozo del camino.
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El problema también nos pide cuál sería el umbral de recepción, el umbral para la
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tasa de BERT de 10 elevado a menos 3, que para este equipo en concreto es menos 72 dBm
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y nos pide cuál es ese margen de fading bruto, en este caso sin interferencias porque nadie
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nos ha hablado de ellas, para este trayecto.
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En todo caso, como sabemos que estamos recibiendo 41,9 y hasta que no lleguemos a menos 72 no
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vamos a obtener una tasa de error de 10 elevado a menos 3, esa diferencia, ese margen es eso
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que tenemos en la recámara, es lo que se llama margen de fading bruto y su valor tendría
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que ser hacer una simple resta al valor que tenemos de menos 72, ¿cuánto nos falta con
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menos 41,9 para llegar a menos 72?
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Podemos no equivocarlo con los signos y obtendríamos un valor tal que de 30,1 dBm, es decir, que
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como es una diferencia entre dBms, pues lógicamente el valor del margen del umbral, el margen
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de fading será un valor en dBm, es una resta de dBm.
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En el problema, es un problema parecido al anterior, al número 2, solamente que en esta
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ocasión no solamente tenemos un trayecto radioeléctrico que debemos conocer y evaluar,
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sino que además tenemos un trayecto que resulta interferente sobre esta antena receptora.
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El problema nos da una serie de datos tanto del trayecto de la señal deseada como de
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la señal interferente y nos pide que calculemos la C sobre I, la relación portadora-interferente
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que aparece en este receptor. Vamos a empezar a analizar el problema paso a paso.
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¿Qué es lo que nos pide el problema? Calcular la C sobre I, la relación o diferencia en
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decibelios que hay entre la portadora, la señal deseada e la interferente.
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¿Qué sabemos de la portadora de la señal deseada?
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Sabemos que esta portadora, porque nos lo dice el problema, llega hasta el receptor con una
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potencia de menos 64 dBm, es decir, este dato lo conocemos perfectamente.
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¿Qué nos falta conocer? ¿Cómo llega la interferente hasta este receptor?
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La interferente sabemos que nace de este otro terminal. En este terminal,
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que está emitiendo, tiene un pire determinado en esta dirección. El pire que nos dan es en
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la dirección hacia el terminal interferido y nos dicen que el pire con el que sale,
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ya fuera de la antena, es de más 60 dBm. Este es el pire de la señal
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interferente hacia el terminal interferido. Esta potencia de la interferente tiene que
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viajar por un trayecto que nos dicen que tiene 10 kilómetros. Por lo tanto,
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a lo largo del recorrido va a sufrir una atenuación, que es la atenuación en el
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espacio libre, que tiene que sufrir cualquier señal de radio. Necesitamos conocer cuánto
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va a ser esta atenuación. Por lo tanto, tenemos que aplicar la fórmula clásica de atenuación en
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el espacio libre, que es 20 logaritmo 4 pi d partido por lambda, pero que nosotros comúnmente
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utilizamos esta que ya está adaptada para poner la frecuencia en gigaherzios y la distancia en
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kilómetros. Haciendo las operaciones, calculamos y sabemos que ponemos el 92,4 como la frecuencia de
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trabajo es 23, 20 logaritmo de 23, y como la distancia es de 10 kilómetros, 20 logaritmo de
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10. Haciendo operaciones nos da unas atenuaciones en el espacio libre de 139,6 decibelios. Eso es
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todo lo que la señal se va a atenuar desde que sale a 60 dBm hasta que llega aquí a la boca de
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esta antena, que está a 10 kilómetros exactamente. Cuando llega a la boca de esa antena, va a tener un
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nivel de 60 menos 139, menos 79,6 dBm. Pero esa es la señal interferente a la entrada de la antena,
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y para compararla con la señal deseada, tenemos que saber cómo llega hasta el receptor. Por lo
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tanto, hay que saber cuánto es la ganancia de esta antena con respecto a esta señal interferente,
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que entra en la antena con un determinado ángulo horizontal que nos dice el problema. Entonces,
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como el problema nos dice que el ángulo con el que esta señal interferente accede a la señal
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horizontal es con el mismo ángulo vertical, por lo tanto, con el ángulo vertical no nos
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tenemos que ocupar, pero en el ángulo horizontal nos dice que presenta un ángulo de 9 grados con
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respecto a la dirección de apuntamiento, porque no olvidemos que esta antena está perfectamente
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apuntada a su terminal colateral, por lo tanto, con respecto a esta interferente tiene un ángulo
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de 9 grados, y estos ángulos de 9 grados va a suponer un aminoramiento, una disminución en la
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ganancia de la antena, que el problema nos dice que tiene una ganancia de 35,4, pero eso es la
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ganancia que tiene con respecto a la dirección de apuntamiento, a la antena suya, pero hacia esta
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otra, como tiene un ángulo de 9 grados, la ganancia que vamos a encontrar tenemos que calcularla
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utilizando el diagrama de radiación de esa antena, lo cual tenemos que ver en el anexo siguiente.
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Si vamos al anexo, aquí tenemos las especificaciones o el diagrama de radiación de la antena en
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cuestión. Vemos que es una antena de 0,3 metros de diámetro, normalmente los fabricantes lo ponen
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en pies, que trabaja en la banda de 23 gigaherzios y que tiene un ángulo de media potencia de 2,7
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grados. El ángulo de media potencia quiere decir que es, digamos, los grados hasta que perdemos 3 dB.
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En cuanto a la ganancia de esta antena en su dirección de apuntamiento, cuando está a cero
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grados, pues nos dice que su ganancia es de 35,4 dB. Pero nosotros lo que tenemos que hacer es
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calcular qué ganancia finalmente va a tener la antena cuando viene una señal de 9 grados, con un
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ángulo horizontal de 9 grados. Fíjense también que aquí, en esta parte de aquí, porque este
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diagrama de radiación tiene bastante información, nos da un poco cómo sería el diagrama de
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radiación para distintas combinaciones de polarización. Cuando queremos saber si la
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interferente, por ejemplo, viene con polarización H y la interferida viene con polarización H, las
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dos son HH, pues tenemos que seguir esta línea que llamamos aquí continua, que sería esta de
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aquí continua. Luego, esta otra discontinua de aquí sería la que llamamos VV. Cuando la
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señal deseada y la señal interferente, las dos son en vertical, en ese caso la línea que
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tenemos que seguir es esta, que es discontinua. Pero tanto la continua como la discontinua, la
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HH y la VV son estas, las superiores, porque son las que se refieren a las señales copolares, que
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están en la misma polarización. Mientras que estas otras de aquí son las que se refieren a H con V o
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a V con H y que son las que llamamos contrapolares o crospolares. El diagrama de radiación nos va a
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dar información para cada caso. En nuestro caso se trata de una antena, no nos dice el problema si
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es HH o VV, pero sí que nos dice que están en la misma polarización. Por lo tanto, vamos a
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tener que trabajar con la línea, vamos a suponer que es la línea continua y que estamos en
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polarización HH. Y sí que nos dice el problema que entra con un ángulo horizontal de 9 grados.
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La escala de grados ven que está aquí en el eje X y vemos que esta escala no es lineal. Los
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primeros 12 grados vemos que son bastante con una escala mayor, que aquí por ejemplo hay 5 grados,
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5 grados y aquí 2 grados y medio, cada trozo de estos. Mientras que a partir de 15 grados ya están
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más apretados, digamos, la escala horizontal 20, 40, 60, porque esto tiene mucho menos interés. La
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mayor parte de las cosas pasan donde tiene interés un poco el apuntamiento de una antena y el
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diagrama de radiación, o bien este o bien este, es en esta zona próxima a la dirección de
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apuntamiento, que lógicamente es 0. Vamos a darle un poco más de zoom y viendo un poco cómo sería el
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diagrama de radiación, hemos dicho que nosotros vamos a partir de un punto en el que
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entramos a 9 grados con la señal. Por lo tanto, si entramos con 9 grados, tenemos que trazar una
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recta y ver dónde nos corta a nuestra gráfica, que hemos dicho que iba a ser la gráfica VV o HH,
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cualquiera de las dos que son copolares. Entonces, a partir de aquí vamos a suponer que llegamos a
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este punto y buscamos aquí en el eje Y cuánto es lo que tenemos que atenuar, cuánto tenemos que
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restarle a la máxima ganancia. Si estuviéramos apuntando sería 0, aquí serían menos 10, pues en
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este caso serán menos 24 decibelios, o sea, estos menos 24 decibelios es lo que hay que restar a la
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ganancia formal nominal de la antena en la dirección de apuntamiento para saber qué ganancia va a
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tener con una señal que entra con 9 grados. Haciendo las operaciones, la ganancia 9 grados
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será la ganancia máxima menos la atenuación, que esta atenuación es de 24, al final nos queda una
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ganancia real con 9 grados de una ganancia de 11,4 dB. Continuamos ahora el problema por donde lo
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habíamos dejado y en este caso ahora ya sabemos que la atenuación en el espacio libre era de 139,6 grados,
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que partíamos de los 60 dBm y ahora hemos calculado ya la ganancia que presenta esta antena en el
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terminal interferido con respecto a la señal que entra con un ángulo horizontal de 9 grados. Como
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ese valor hemos calculado que era de 11,4 dB, pues para calcular la potencia completa que llega
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hasta el receptor, que en el fondo es donde tenemos que compararlo con la C, pues la señal
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interferente será 60, que era el pire con el que salía desde el origen, menos 139,6, que es la
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atenuación en el espacio libre, más 11,4, que es la ganancia que presenta esta antena, que está
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aminorada, desde luego es mucho menor que 35,4, porque entra con un ángulo h. Al final nos da un
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valor a la entrada del receptor de la interferente de menos 68,2 dBm. Ese es el valor de la
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interferente. Como habíamos visto que la señal deseada era de 64 dBm, pues sólo para calcular
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la C sobre I en decibelios es una resta que nos da un valor de 4,2 dBm. La relación C sobre I en
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este caso concreto, en este estudio de interferencias, es de 4,2 dBm. Muy mal, porque como
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hemos visto y hemos recordado en algunas de las clases, cualquier relación de señal deseada con
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respecto a interferente por menor de menos de 20 dBm empieza a ser preocupante y es un
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enlace muy poco estable. Probablemente un enlace con una C sobre I de 4,2 dBm no sería viable. Se cortaría.
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En el problema nos presenta una macrocelda de GSM, una estación base de telefonía móvil, que emite dos
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portadoras desde el transmisor. Dichas portadoras ascienden hacia la antena omnidireccional, que está
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situada en el tope de la torre, recorriendo los 40 metros de torre por un cable de 7 octavos de
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pulgada, que tiene unas pérdidas que nos indica el problema. La antena direccional también nos dice el
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problema qué ganancia tiene, que precisamente en este caso nos da la ganancia en dBd. Recordemos que
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los dBd eran la ganancia que tiene una antena con respecto al dipolo lambda medios, por eso
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indicamos la situación ésta de dBd, porque es una ganancia comparativa con respecto al dipolo
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lambda medios. A partir de aquí el problema nos pide que calculemos la PRA, la potencia radiada
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aparente, y que demos este valor en dBms. Recordando, repasando, vemos que la PRA, o la potencia radiada
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aparente, es igual, es algo parecido al concepto de PIRE, que también hemos visto en algunos problemas, la
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potencia a la salida del transmisor, aminorada por las pérdidas que se producen en la inserción de
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línea, y en este caso, que estamos refiriéndonos a potencia radiada aparente, tenemos que colocar la
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ganancia de la antena con respecto al dipolo lambda medios, por eso ponemos ésta Gd, porque es la
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ganancia de una antena con respecto al dipolo lambda medios, que se expresa en dBd. Bien, simplemente
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aplicar esta fórmula, pues vamos a ir haciendo el problema por partes. En primer lugar vamos a ver la
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potencia de la transmitida. Nos dice el problema que tenemos dos portadoras, la primera portadora
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sale con 10 vatios, la segunda portadora también sale con 10 vatios, como nos dan la potencia en
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vatios, pues la podemos sumar escalarmente, como siempre que hemos sumado potencia. 10 vatios más
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10 vatios, al final tendremos 20 vatios, pero para utilizar la fórmula de la PRA, nos conviene pasar
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esta potencia de vatios a dBm, con lo cual lo que hacemos es calcular la función logarítmica de
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una potencia, ya sabemos que es 10 logaritmo de la potencia expresada en milivatios, por lo tanto, al
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pasar 20 vatios serían 20.000 milivatios, y el logaritmo de 20.000, pues creo que son 43, o sea
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4,3, al multiplicar por 10 nos da un valor de la potencia a la salida del transmisor de 43 dBm,
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incluyendo las dos portadoras. Las pérdidas en la línea, la línea de siete octavos tiene unas
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pérdidas de 8 dB cada 100 metros, por lo tanto, cada metro vamos a perder 0,08, al multiplicar por 40
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nos va a dar unas pérdidas de 3,2. Y finalmente la ganancia, como directamente ya nos están dando
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la ganancia en dBd, pues es fácil calcular, simplemente incorporar este dato a la fórmula,
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como son 11 dBd, pues son 11 dBd que se suman con decibelios y no hay ningún problema.
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Aplicando la fórmula nos da que la PRA serían 43 dBm de la salida del transmisor, menos 3,2 de
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las pérdidas del cable de alimentación de antena, más 11 dBd de la ganancia de la antena
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omnidireccional que está en el tope. El total nos da un valor de 50,8 dBm. Pero parece que el problema,
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sí, el problema nos lo pide en dBm. Además de esto, el problema nos pide cuál sería el PIRE. El PIRE
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es un concepto parecido a la PRA. En telefonía móvil se suele utilizar más el concepto de potencia
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radiada aparente, igual que probablemente en radiodifusión sonora de radiofrecuencia modulada
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y radiodifusión sonora digital terrestre, pero en radioenlaces y en otros elementos de
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radiocomunicación se utiliza más el PIRE. El PIRE es potencia isotrópica radiada equivalente y nos
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lo piden en vatios. ¿Cómo lo haríamos? Podríamos aplicar la fórmula original que dice que el PIRE
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sería, como en la PRA, la potencia transmitida menos las pérdidas y poner la ganancia con respecto
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a la antena isotrópica. Como recordarán, una fórmula que hemos visto en teoría que nos da la relación
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que existe entre la ganancia que tiene el dipolo lambda medios con respecto a la antena isotrópica
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y esta ganancia es de 2,15. Por lo tanto, la diferencia que hay entre el PIRE y la PRA
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serán esos 2,15 que es la diferencia que hay entre el dipolo lambda medios y la antena de ganancia
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isotrópica. Simplemente sería, conociendo esta fórmula, sumarle 2,15 al valor que teníamos
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anteriormente. Con lo cual, el valor real del PIRE va a ser 50,8 que era el valor de la PRA en DBMs
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sumándole los 2,15 que es la diferencia que hay entre el dipolo lambda medios o expresar la ganancia
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en DBDs o expresarla en DBIs. Conclusión, el valor del PIRE serían 52,95 DBMs pero el problema,
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para complicarnos un poco, nos lo pide en vatios. Si nos lo pide en vatios, lo que tenemos que hacer
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es convertir este valor logarítmico a un valor lineal. Primero lo hacemos en milivatios y estos
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197.242 milivatios lo pasamos a vatios y este sería el resultado definitivo del PIRE de esta misma
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antena expresado en vatios.
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Subtítulos realizados por la comunidad de Amara.org
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- Idioma/s:
- Autor/es:
- PEDRO LUIS PRIETO
- Subido por:
- Pedro Luis P.
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- Dominio público
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- Fecha:
- 19 de febrero de 2023 - 15:02
- Visibilidad:
- Público
- Duración:
- 29′
- Relación de aspecto:
- 4:3 Hasta 2009 fue el estándar utilizado en la televisión PAL; muchas pantallas de ordenador y televisores usan este estándar, erróneamente llamado cuadrado, cuando en la realidad es rectangular o wide.
- Resolución:
- 1024x768 píxeles
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