Universidad Militar Nueva Granada. Morales Herrera Fabio Bolivar Carlos Andrés

Resumen—En este informe se validara el comportamiento de la antena Yagi-Uda, Con diferentes polarizaciones con el fin de comprenderla y estudiarla en primera instancia y entender los resultados.

Índice de Términos—Radiación electromagnética, antena Yagi-Uda, polarización

I. INTRODUCCIÓN

El uso de las antenas en las telecomunicaciones modernas es de gran importancia ya que para cualquier tipo de topología de gran distancia se realiza por medios de tx por lo tanto es indispensable conocer una de las antenas más usadas y de mayor trayectoria.

En este informe se validara el comportamiento de la antena Yagi-Uda realizando varias pruebas de polarización y los resultados obtenidos en cada una.

El objetivo de este informe es entender una de las antenas más representativas del mundo de las telecomunicaciones desde los conceptos básicos de radiación electromagnética desde las diferentes pruebas a realizar polarización vertical, polarización horizontal, polarización cruzada.

II. OBJETIVOS

Objetivo de la práctica (guía entregada por docente)

Después de completar este ejercicio, usted estará familiarizado con el diagrama de radiación de una antena dipolo de media longitud de onda (λ/2).

Objetivos prácticos

Observar y entender el comportamiento de una antena yagi en diferentes polarizaciones junto con el concepto de radiación electromagnética.

Diferenciar los diferentes patrones de radiación que presentan las diferentes antenas transmisoras.

III. MARCO TEORICO

A. Antena Yagi-uda

La antena Yagi-Uda, Consiste en un dipolo, conectado directamente a la línea de transmisión o recepción , ubicado ortogonalmente a un eje el cual, a lo largo, porta elementos parásitos, paralelos entre sí, conocidos como reflector y director(es), cuya función principal es

concentrar en un punto toda la energía para lograr en éste una intensidad de campo mayor.

Los elementos que componen la antena Yagi-Uda son los siguientes:

Elementos de Excitación: Pueden ser activos o excitados (dipolos), y están conectados directamente a la línea de transmisión recibiendo así la potencia de la fuente.

Elementos Parásitos: No se conectan a la línea de transmisión, y son energizados debido a la inducción ejercida entre sí. Se clasifican en dos grupos: Reflectores y Directores.

Director: Elemento parásito más corto que su elemento de excitación. Incrementa la intensidad del campo en su dirección y la reduce a la dirección opuesta.

Los elementos no activos se denominan parasíticos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia está dada por:

G = 10 log n

Donde n es el número de elementos por considerar. El elemento de excitación es un dipolo plegado de media longitud de onda. El reflector es una barra recta de aluminio aproximadamente 5 % más larga que el dipolo, y el director se corta aproximadamente 5 % más corto que el elemento de excitación.

El espacio entre los elementos por lo general es entre 0.1 y 0.2 de longitud de onda. La directividad típica para una Yagi es entre 7 y 9 dB. El ancho de banda de la Yagi se puede incrementar utilizando más de un dipolo plegado, cada uno cortado a una longitud ligeramente distinta.

A partir de la antena dipolo de media onda es posible lograr antenas que radien o reciban las ondas electromagnéticas en un haz estrecho, lo que permite concentrar en un punto toda la energía, logrando de esta manera que la intensidad de campo en un punto sea mucho mayor que la que se obtendría con otra antena de la misma potencia.

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Fig.1. Antena Yagi-uda

El diagrama de radiación o patrón de radiación es una gráfica de la potencia de la señal trasmitida en función del ángulo espacial, en ellos podemos apreciar la ubicación de los lóbulos laterales y traseros, los puntos en los cuales no se irradia potencia (NULOS) y adicionalmente los puntos de media potencia.

B. ¿Qué es la polarización de una antena?

La POLARIZACIÓN de una antena es la polarización de la onda radiada por dicha antena en una dirección dada. Una onda electromagnética polarizada.

Las oscilaciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. Las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano de polarización.

Fig.2. Polarización de una Antena

C. Funcionamiento

Cuando una corriente entra en la antena, efectivamente crea un campo magnético alrededor de la antena. También hemos visto que el campo magnético creará un campo eléctrico (voltaje y corriente) en otro cable puesto cerca del transmisor.

Los campos eléctricos y magnéticos (campos electromagnéticos) se inducen mutuamente en el espacio a la velocidad de la luz, viajando hacia fuera de la antena.

D. Campo Magnético:

Los campos magnéticos son el resultado del flujo de corriente a través de los conductores o los dispositivos eléctricos y es directamente proporcional a esa corriente; a más corriente más campo magnético. Se denota por la letra B. Las unidades del campo magnético son Gauss (G) o Tesla (T).

E. Campo Eléctrico:

Los campos eléctricos se producen por cargas eléctricas que crean un voltaje o tensión, de manera que su magnitud crece cuando el voltaje aumenta. Se denota por la letra E. Las unidades del campo eléctrico son voltios por metro (que se denota por V/m).

Resistencia De Radiación Y Eficiencia De Antena

No toda la potencia suministrada a la antena se irradia. Parte de ella se convierte en calor y se disipa. La resistencia de ra-diación es un poco "irreal", en cuanto a que no puede ser me-dida directamente. La resistencia de radiación es una resisten-cia de la antena en ca y es igual a la relación de la potencia ra -diada por la antena al cuadrado de la corriente en su punto de alimentación. Matemáticamente, la resistencia de radiación es

Rr= P / i2

Dónde:

Rr = Resistencia de radiación (ohms)P = Potencia radiada por la antena (Watts)

i =Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes)

IV. PROCEDIMIENTO

1. Los elementos principales del sistema didáctico y de medición en antenas, es decir, la interfaz para la ad-quisición de datos/fuentes de alimentación, el genera-dor RF, el orientador de antena y el computador, se deben montar correctamente antes de comenzar este ejercicio.

2. Coloque el mástil para antena con clips horizontales en el soporte de transmisión y sujete la antena Yagi con los clips de dicho mástil. Oriente los elementos para que queden horizontales; la antena transmisora esta polarizada horizontalmente.

Fig. 5 Montaje de la antena Yagi y antenas en laboratorio.

Conecte el cable tipo SMA mas largo en la salida de la seccion OSCILADOR 1 GHz del Generador RF, luego conecte la antena Yagi.

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3. Utilice la ecuación siguiente para calcular la longitud de un dipolo λ en 1 GHz. Observe que la frecuencia exacta de transmision del Generador RF es 915 MHZ.

λ= c/fdonde:c= Es la velocidad de la luzf= Es la frecuencia de transmisión.

TEORICO

EXPERIMENTAL

ANTENA λ:

ANTENA YAGI:

4. Utilizando como referencia los resultados de los cal-culos, seleccione el par apropiado de alambres para armar el dipolo λ. Ajuste la longitud del dipolo de acuerdo con el ultimo resultado.

Fig. 6 Montaje de un dipolo λ.

5. Coloque el mástil para antena con clips verticales en el soporte deslizante del orientador de antena y sujete el dipolo λ con dichos clips; la antena esta polarizada horizontalmente. Utilice el soporte deslizante para asegurarse de que la antena este alineada con el cen-tro de rotación del orientador de antena.

Fig. 7 Montaje de la antena receptora polarizada horizontalmente.

Enrosque el atenuador de 10 dB en la entrada RF, ubicada en la parte superior del orientador de antena. Conecte la antena en el atenuador empleando el cable tipo SMA más corto.

6. Separe las antenas entre si una distancia r = 1,25 m. Luego ajústelas de manera que queden a la misma al-tura y enfrentadas.

Fig. 8 Distancia r entre antenas.

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7. Realice los ajustes siguientes:

En el generador RF

Modo del oscilador 1GHz ……………1 KHzPotencia RF del oscilador 1GHz …….No EmitePotencia RF del oscilador 10GHz …...No Emite

Encienda la computadora e inicie el software LVDAM-ANT.

Encienda el generador RF y la fuente de alimentación.

8. Coloque el interruptor POTENCIA RF, de la sección OSCILADOR 1 GHZ del generador RF, en la posi-ción EMITE.Utilice el control atenuación para optimizar la adquisición del diagrama de radiación.

Fig. 8 Radiación de campo eléctrico.

9. Inicie la primera adquisición.Después de completar la adquisición, coloque el interruptor POTENCIA RF del generador RF en la posición NO EMITE.Almacene el diagrama de radiación como plano E en la caja de datos antena 1. Utilice el cuadro resumen de informaciones para identificar correctamente el diagrama.Oriente el diagrama de manera que la PMS (posición máxima de la señal) este en 0°

Fig.9 Radiación de campo eléctrico.

10. Gire la antena transmisora de manera que quede per-pendicular a su posición inicial, no modifique la orientación de la antena.

Fig.10 Rotación de la antena transmisora.

11. Retire la antena dipolo y cambie el mástil receptor por uno que tenga clips horizontales. Instale el dipolo λ en el mástil.

Fig. 11 Montaje del dipolo.

12. Utilice ambos cursores para encontrar, en el plano E de la caja de datos , los ángulos en los cuales el nivel de potencia de la abertura principal caiga a la mitad.

Fig.12 avertura campo electrico con cursores

13. Valor del AHPM

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Fig.13 avertura campo electrico

14. Utilice la ecuación siguiente para calcular la longitud de un dipolo 3λ/2 en 1 GHz. Observe que la frecuen-cia exacta de transmision del Generador RF es 915 MHZ.

λ= c/fdonde:c= Es la velocidad de la luzf= Es la frecuencia de transmisión.

TEORICO

EXPERIMENTAL

ANTENA 3λ/2:

ANTENA YAGI:

15. Utilizando como referencia los resultados de los cal-culos, seleccione el par apropiado de alambres para armar el dipolo 3λ/2. Ajuste la longitud del dipolo de acuerdo con el ultimo resultado.

Fig. 14 Montaje de un dipolo 3λ/2

16. Coloque el mástil para antena con clips verticales en el soporte deslizante del orientador de antena y sujete el dipolo λ con dichos clips; la antena esta polarizada horizontalmente. Utilice el soporte deslizante para asegurarse de que la antena este alineada con el cen-tro de rotación del orientador de antena.

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Fig. 15 Montaje de la antena receptora polarizada verticalmente

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Enrosque el atenuador de 10 dB en la entrada RF, ubicada en la parte superior del orientador de antena. Conecte la antena en el atenuador empleando el cable tipo SMA más corto.

17. Optimice la relacion de la señal y lleve a cabo una adquisicion según el plano E.

Fig. 16 Radiación de campo eléctrico

18. Separe las antenas entre si una distancia r = 1 m. Lue-go ajústelas de manera que queden a la misma altura y enfrentadas.

Fig. 17 Distancia r entre antenas.

19. Compare este diagrama de radiacion con el diagrama según el plano E del dipolo λ/2.

Fig. 18 Diagrama de radiacion 3λ/2

Fig. 19 Diagrama de radiacion λ/2

20. Calcule la anchura del haz de potencia mitad de los diagramas de radiacion del plano E, correspondientes a los dipolos λ/2 y λ.

21. Calcule la directividad del dipolo λ/2.

V. SIMULACIONES

Landa/4

Fig20. Radiaciones de la antena en landa/4

3 landa/4

Fig20. Radiaciones de la antena en 3landa/4

Landa

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Fig21. Radiaciones de la antena en landa

Se realizó la simulación de la antena con una distancia de landa

Fig22. Radiaciones de la antena en landa en eje horizontal

Con los datos obtenidos se realizó la simulación correspondiente de la antena la cual arrojo como resultado el diagrama de radiación mostrado en la figura 22

Fig23. Radiaciones de la antena en landa en eje horizontal 3d

Dipolo vertical

Fig24. Radiaciones de la antena en landa en eje vertical

Fig25. Radiaciones de la antena en landa en eje vertical 3d

Fig26. Radiaciones de la antena en landa en eje vertical 3d

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Dipolo total

Fig27. Radiaciones de la antena en landa total

VI. CONCLUSIONES

La polarización cuando es igual en las dos antenas, los campos E y H son ortogonales. Al tener polarizaciones diferentes estas generan señales con ruido.

Las antenas tienen sus propias características y debi-do a su posición será su eficiencia en su funciona-miento.

Para obtener una buena visión entre las antenas es necesario alinear para que la línea de visión sea optima, ya que si no están bien ubicas los resultados serán muy variables.

Para obtener un resultado óptimo en el patrón se deben realizar as en una sala anicónica ya que en un medio como la universidad estamos expuestos a muchos factores externos.

Se evidencia una las grandes características de esta antena y las diferentes aplicaciones a usar

Se trazó los diagramas de radiación adquiridos con los dipolos landa/4 y 3landas/4 y landa se visualizó sus representaciones en el espacio gracias al programa ejecutado.7

Se observó que debido a su impedancia la antena dipolo no es un elemento eficaz para radiar potencia.

Se comparó los valores teóricos y experimentales calculados a partir de los diagramas de radiación

REFERENCIAS

[1] http://wndw.net/pdf/wndw-es/chapter4-es.pdf [2] http://herrzeich.wordpress.com/2009/04/27/24/ [3] http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas_clase/Tema_1.PDF

[4] http://www.slideshare.net/alexlombana/modulacion-fsk- 7375299.

[5] http://ingeniatic.euitt.upm.es/index.php/tecnologias/item/375-antena- yagi

[6] http://www.antenna-theory.com/spanish/antennas/travelling/yagi.php

[7] http://hamsoft.ca/pages/mmana-gal.php [8] http://www.smeter.net/antennas/mmana.php [9] http://ea2ha.ure.es/TUTORIAL_MMANA-GAL.pdf [10] http://ecee.colorado.edu/~ecen3410/MMANA-GAL

%20Tutorial.pdf

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