Universidad Nacional de AsunciónFacultad de Ingeniería

Trabajo Práctico:Elaboración de Antena

AntenasProf. Dra. Miki Saito

Prof. Ing. Vicente Argüello

Responsables:

David CaballeroDarío Delvalle

Federico GavilánGuido Valenzano

Luque, ParaguayMayo, 2011

Índice

1. Objetivo 2

2. Marco teórico 22.1. Introducción a las antenas parabólicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2. Tipos de antenas parabólicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2.1. Antena parabólica de foco centrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.2. Antena parabólica Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.3. Antena parabólica Cassegrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3. Parámetros de la antena parabólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.1. Apertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.2. Ángulo de apertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.3. Distancia focal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.4. Factor de efectividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.5. Ganancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.6. Anchura del diagrama de directividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.7. Relación f /d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. Cálculos de la antena 6

4. Lista de materiales y costos 64.1. Construcción del Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.2. Construcción del dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.3. Linea de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.4. Herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5. Elaboración de la antena 7

6. Medición de la ganancia 76.1. Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

7. Conclusión 8

Apéndice 9

A. Fotografías del proceso de elaboración de la antena 11

1

1. Objetivo

El presente trabajo tiene por objetivo la elaboración de una antena parabólica queopere a la frecuencia de 2.4GHz. A través de este trabajo se pretende:

Poner en práctica de los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, y enparticular, la asignatura de Antenas.

Desarrollar la creatividad, así como las habilidades técnicas y manuales necesa-rias en el proceso de elaboración.

Realizar la documentación del trabajo, que explique el funcionamiento y los fun-damentos teóricos de las antenas parabólicas, así como el proceso de creaciónde la misma, costos y mediciones que se consideren pertinentes.

2. Marco teórico

2.1. Introducción a las antenas parabólicas

El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define una antena como«aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para ra-diar o recibir ondas electromagnéticas» (IEEE Std. 145-1983)[1].

Una antena es un dispositivo recíproco pasivo; pasivo en cuanto a que en reali-dad no puede amplificar una señal, por lo menos no en el sentido real de la palabra(sin embargo, una antena puede tener ganancia), y recíproco en cuanto a que las ca-racterísticas de transmisión y recepción son idénticas, como la ganancia, directividad,frecuencia de operación, ancho de banda, resistencia de radiación, eficiencia, etc.[2],excepto donde las corrientes de alimentación al elemento de la antena se limitan a lamodificación del patrón de transmisión.

La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflec-tor parabólico para conseguir una valores superiores de ganancia directiva, ancho debanda y rendimiento. Su nombre proviene de la similitud a la parábola generada al cor-tar un cono recto con un plano paralelo a la directriz. Las antenas parabólicas puedenusarse como antenas transmisoras o como antenas receptoras[3].

2.2. Tipos de antenas parabólicas

Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenasparabólicas, los más extendidos son los siguientes[4], [5], [3]:

2.2.1. Antena parabólica de foco centrado

La superficie de la antena es un paraboloide de revolución. Todas las ondas incidenparalelamente al eje principal, se reflejan y van a parar al foco –que están centrado enel paraboloide.

Tiene un rendimiento máximo del 60% aproximadamente, es decir, de toda la ener-gía que llega a la superficie de la antena, el 60% llega al foco y se aprovecha, el resto nollega al foco y se pierde debido principalmente a los efectos de spillover y bloqueo. Sesuelen ver de tamaño grande, aproximadamente de 1,5 m de diámetro.

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Figura 1: Geometría de una antena parabólica de foco centrado

2.2.2. Antena parabólica Offset

Se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto del foco. Sonmás eficientes que las parabólicas de foco primario.

No es de forma parabolica propiamente dicha. Su forma es una sección de un re-flector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sinooval y asimétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino aun lado del mismo (offset).

Figura 2: Geometría de una antena parabólica Offset

2.2.3. Antena parabólica Cassegrain

Se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la ondaradiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, orefleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenasreceptoras.

Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en eltransmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implicagrandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él)por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso delreflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico.

El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflec-tor secundario posee un foco en común con el reflector parabólico.

El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que elcentro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.

3

Figura 3: Geometría de una antena parabólica Cassegrain

2.3. Parámetros de la antena parabólica

Suponiendo una antena cuyo reflector es el paraboloide de revolución, los paráme-tros a considerar en el diseño son[6], [7]:

Apertura (d)

Ángulo de apertura (β)

Distancia focal ( f )

Factor de efectividad (η)

Ganancia (G)

Anchura del diagrama de directividad (2θ)

2.3.1. Apertura

Es el valor del diámetro de la circunferencia formada por los bordes de la parábola.Suponiendo que η toma un valor de 0.5, entonces d puede aproximarse a:

d ≈λ

√G

1,5π(1)

2.3.2. Ángulo de apertura

Es el valor del ángulo formado por la línea focal y la que une el punto focal con elborde de la parábola. Normalmente se utiliza un ángulo en torno a 60° para conseguirun campo eléctrico uniforme.

2.3.3. Distancia focal

Es lo que mide la línea que une el vértice de la parábola con el punto focal.

f = d

4tan(β2

) (2)

2.3.4. Factor de efectividad

Es una constante a aplicar y es función de la perfección constructiva de la parábola(suele valer en torno a 0.5).

4

2.3.5. Ganancia

En valores absolutos es aproximadamente (no en dB).

G = 4πηS

λ2

siendo,

S =πd 2

4

la superficie del círculo formado por el borde de la parábola de diámetro d .Reordenando la expresión, se tiene:

G = η

(πd

λ

)2

2.3.6. Anchura del diagrama de directividad

La anchura en el plano vertical es

2θE =(75

λ

d

)◦mientras que la anchura en el plano horizontal es

2θH =(70

λ

d

)◦2.3.7. Relación f /d

La elección del parámetro f /d es de suma importancia en los reflectores parabóli-cos debido a que esta relacionado con el ángulo de visualización del borde del reflectorβ. En la figura 4 se observa que al diminuir el valor de este parámetro el ángulo de vi-sualización aumenta.

Es habitual trabajar con la relación f /d entre los valores de 0.25 a 0.5, dentro deeste margen disminuyen las perdidas por desbordamiento, el ruido externo captadode la tierra, disminuye la distancia focal entre otros beneficios asociados.

βF F F F

f D/ = 1a

= 28º

f D/ = 0,5a

= 53º

f D/ = 0,25a

= 90º

f D/ = 0,125a

= 127ºββ β β

β β β

Figura 4: Geometría del reflector parabólico para distintos valores de f /d

5

3. Cálculos de la antena

Se desea construir una antena parabólica con las siguiente características:

Frecuencia de operación f : 2.4GHz.

Ganancia de la antena: 20 dB.

De la ecuación (1) se tiene:

d ≈λ

√G

1,5π= c

f

√G

1,5π= 3×108

2,4×109

√100

1,5π

d ≈ 0,5758[m] (3)

Por otro lado, de (3) en (2); y utilizando para β el valor recomendado en [7] se tiene:

f = d

4tan(β2

) = 0,5758

4tan(62

2

) = 0,5758

2,4034

f = 0,2396[m] (4)

4. Lista de materiales y costos

4.1. Construcción del Reflector

Material Costo (Gs).Arcilla (14 unidades) 14000Cartón (reciclado) -Fibra de vidrio 20000Resina para fibra de vidrio 15000Masilla plástica (reciclado) -Thinner 10000Lija 5000Pintura 20000

4.2. Construcción del dipolo

Los siguientes materiales no tuvieron costos, pues fueron reciclados:

Estaño

Cable industrial

Caño

Chapa

Tornillo tirafondo

4.3. Linea de transmisión

Los siguientes materiales no tuvieron costos, pues fueron reciclados:

Cable coaxial

Conector N-hembra para chasis

6

4.4. Herramientas

Material Costo (Gs).Pincel de 1 y 1.5 pulgadas 10000Estilete -Taladro -Mechas (recicladas) -

5. Elaboración de la antena

Una vez calculado todos los parámetros de la antena se procede a la construcciónde la misma de la siguiente manera:

1. Diseño y corte del molde de la parábola sobre cartón.

2. Trabajado de la arcilla hasta obtener el paraboloide delimitado por el molde decartón.

3. Preparado de una tira de cartón para el borde de la antena.

4. Se coloca la fibra de vidrio sobre el molde y se aplica la resina.

5. Se desmonta la fibra del molde de arcilla y se lija los excedentes.

6. Con masilla plástica diluida se pinta el paraboloide en varias capas.

7. Una vez seca la masilla se lija y se procede al pintado con pintura metálica.

8. Se construye el dipolo utilizando cobre de cable industrial y se lo monta en elfoco con un soporte de caño, además se suelda el dipolo al cable coaxial RG-59 yse introduce en el interior del caño.

9. Se fija el caño sobre el reflector con tornillos.

10. Se suelda el cable coaxial a un conector de tipo N-Hembra el cual se cubre conun aislante de caucho.

6. Medición de la ganancia

6.1. Equipos

Analizador de espectro

Generador de señales

Un par de antenas dipolo

Conectores y accesorios

7

6.2. Procedimiento

1. Se ajustan la longitud de las antenas dipolo para operar a una frecuencia de2.4GHz.

2. Se conecta un dipolo al generador, y otro al analizador de espectros, cuidandode mantener la misma polarización (horizontal).

3. Se ajusta la frecuencia de operación del generador de señales y el analizador deespectro, de modo a que ambos trabajen a 2.4GHz.

4. Se realiza la medición de potencia recibida en el analizador de espectro.

5. Se desconecta el dipolo del analizador, y se conecta la antena parabólica elabo-rada.

6. Se vuelve a realizar la medición de potencia recibida en el analizador.

7. Se calcula la ganancia de la antena mediante la fórmula:

Gmedida =Gparabólica −Gdipolo

6.3. Resultados

La ganancia medida en el laboratorio fue de:

Gmedida = 13,69[dBd]

Con lo cual se tiene un error de:

error = Gdato −Gmedida

Gdato×100

error = 31,55%

7. Conclusión

Las antenas parabólicas son de suma importancia en las telecomunicaciones delarga distancia, satelitales y en las cuales se necesitan grandes cantidades de gananciade señal.

Este trabajo nos ayudo bastante a adquirir conocimientos concretos acerca de esteelemento tan útil en las telecomunicaciones, tales conocimientos nos serán de prove-cho en nuestra futura vida profesional.

Por otro lado, también pudimos poner en práctica los conocimientos adquiridos alo largo de la carrera, así como los adquiridos en la asignatura de Antenas. Asimismo,permitió desarrollar la creatividad para diseñar y confeccionar una antena sencilla yecónomica; a la vez que otorgarnos las habilidades técnicas y manuales necesarias enel proceso de evaluación.

Los detalles de los cálculos y el proceso de construcción, fueron plasmados en esteinforme. Esperamos que sea de utilidad para cualquiera que lo consulte.

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Referencias

[1] Angel Cardama Aznar y col. Antenas. Barcelona: Edicions de la Universitat Poli-tècnica de Catalunya, 2002.

[2] Wayne Tomasi. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas. México: Pearson Edu-cation, 2003.

[3] Colaboradores de Wikipedia. Antena parabólica. 2011. URL: http : / / es .wikipedia.org/w/index.php?title=Antena_parab%C3%B3lica&oldid=46492917.

[4] Anakarinaw. Tipos de Antenas Parabólicas. 2011. URL: http://anakarinaw.wordpress.com/2011/05/11/tipos-de-antenas-parabolicas/.

[5] Colaboradores de Wikipedia. Antena. 2011. URL: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Antena&oldid=46596167.

[6] Ricardo Amarilla y col. Antenas parabólicas. Inf. téc. Facultad de Ingeniería de laUniversidad Nacional de Asunción, 2010.

[7] Armando García Domínguez. Cálculo de antenas. Barcelona: Marcombo, 1986.

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Apéndice

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A. Fotografías del proceso de elaboración de la antena

Figura 5: Confección de la matriz parabólica de cartón, que permite moldear la arcilla.

Figura 6: Confección del molde de arcilla con forma parabólica. Sobre éste, se colocala fibra de vidrio.

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Figura 7: Molde de arcilla terminado.

Figura 8: Confección del reflector parabólico de fibra de vidrio.

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Figura 9: Vista trasera del reflector parabólico hecho de fibra de vidrio, sin pintar.

Figura 10: Reflector parabólico terminado.

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Figura 11: Vista del dipolo.

Figura 12: Vista lateral de la antena terminada.

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