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República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Nacional Bolivariana

San Tomé – Edo Anzoátegui

San Tomé, 25/04/2012

Índice General

Lab. Antenas

Materia:Lab. AntenasPráctica I

Bachilleres:

20.738.051 Almeida Solennys20.739.720 Santana Geraldine20.547.964 Quijada Emilyn 20.286 Noguera Astrid21. Mezones Luis A.

Profesor: ING. Luis Suárez

7º semestre. Telecomunicaciones. Sección (D - 01)GRUPO Nº 3

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INTRODUCCIÓN ....................................................................... 03

CAPITULO I

MARCO TEÓRICO ......................................................... 05

LISTA DE MATERIALES ................................................... 11

CAPITULO II

PROCEDIMEINTO EXPERIAMENTAL ................................. 12

METODOLOGÍA ............................................................ 13

DISEÑO DE LA ANTENA .................................................. 15

CÁLCULOS ANALÍTICOS .................................................. 18

RESULTADOS ................................................................. 19

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ..................................... 23

CAPITULO III

CONCLUSIONES ............................................................. 24

ANEXOS ......................................................................... 26

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................... 28

Introducción

Las comunicaciones son una parte necesaria de todos los seres

humanos, en la cual se puede expresar ideas, pensamientos y

muchas cosas más con el fin de que exista un intercambio de

información entre dos o más personas. Las antenas permiten la

Lab. Antenas

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comunicación a largas distancias, ya que son dispositivos diseñados

con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el

espacio libre.

Existe una gran variedad de antenas, las cuales cada una de ellas

fue creada según sea el uso y las necesidades. Una de ellas es el

monopolo vertical, donde se compone por un brazo rectilíneo que

irradia en posición vertical y es alimentada por la base.

La fabricación de la antena monopolo vertical de λ¼ radica en

estudiar el comportamiento de la misma, partiendo de el factor más

importante como lo es el ROE o VSWR. Este no es más que una

medida de la relación de desajuste entre la impedancia de la línea de

transmisión y la antena; se deseada idealmente que este factor sea ≤

1,5.

Partiendo de un hilo de cobre de 30cms colocándolo en una base

imantada, conectándolo a un tester de antena para observar la

gráfica, la frecuencia en la cual opera, entre otros aspectos como la

relación de onda estacionaria. De esta manera, se pueden establecer

las relaciones existentes entre las frecuencias y longitud de onda;

para la obtención de una magnitud mínima de VSWR.

Las características de las antenas dependen de la correlación

entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de

radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la

antena son más pequeñas que la longitud de onda las antenas se

denominan elementales, si tienen dimensiones del orden de media

longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho

mayor que la longitud de onda son directivas.

Un cuarto de onda seria de un mínimo a un máximo, entonces a la

respectiva antena le está llegando los campos electromagnéticos

radiados de ¼ de onda, es decir, no está recibiendo toda la longitud

de onda completa. Porque las señales electromagnéticas y los

campos electromagnéticos se propagan en el medio (aire, espacio

Lab. Antenas

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libre), como tal las ondas están propagándose, las señales que se

propagan en el medio (señales electromagnéticas) son simplemente

senos y cosenos que tienen una longitud de onda, entonces esas

longitudes de ondas son las que se propagan. A raíz de ello, las

antenas sirven para capturar esas señales, ya sea que capture una

onda completa, media onda, o simplemente capturar un cuarto de

onda a esa frecuencia.

Marco teórico

Antena

Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y

capturar ondas electromagnéticas. Las antenas son utilizadas para

conectar las líneas de transmisión con el espacio libre y viceversa. Es

decir, que la línea de transmisión acopla la energía de un transmisor o

de un receptor con la antena, que a su vez acopla la energía con la

atmosfera terrestre, y de la atmosfera terrestre a una línea de

transmisión.

Lab. Antenas

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De igual manera, se define a la antena como un circuito

oscilante cuyo propósito es irradiar o recibir ondas electromagnéticas,

por lo que se diseñan con el fin de que irradien o reciban la mayor

cantidad de energía posible para una frecuencia determinada.

Antena Monopolo Vertical

El monopolo vertical o antena vertical, es

una antena constituida de un solo brazo rectilíneo irradiante en

posición vertical. Se considera que el monopolo no es una antena

completa, y que necesita ser completada por un plano de masa para

poder funcionar correctamente.

Ese plano de masa puede ser natural (una superficie de agua

salada), o bien artificial (una serie de conductores que se unen en la

base del monopolo).

El monopolo se alimenta en la base. La alimentación

es asimétrica, es decir, cuando uno de los conductores del monopolo

está a masa y el otro experimenta las variaciones de tensión, se dice

que la alimentación es asimétrica. y habitualmente se alimenta

con cable coaxial.

ROE

La relación de onda estacionaria es una medida de la relación

de desajuste entre la impedancia de la línea de transmisión y de la

carga (antena). También se expresa con la relación que existe entre

los valores máximos y mínimos de voltaje y corriente de radio

frecuencia en la línea.

Lab. Antenas

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Polarización Vertical

Es un tipo de polarización de las antenas, en la cual las líneas

del campo eléctrico se encuentran de manera perpendicular al plano

del suelo.

Frecuencia

Es una magnitud que se encarga de medir el número de

repeticiones por unidad de tiempo que se presenta en cualquier

fenómeno.

Impedancia Característica

Es la relación existente entre la diferencia de potencial aplicada

y la corriente absorbida por la línea. La impedancia característica es

independiente de la frecuencia de la tensión aplicada y de la longitud

de la línea, por lo tanto aparecerá como una carga resistiva y no se

producirá desadaptación de impedancias, cuando se le conecte a ella

un generador con igual impedancia a su impedancia característica.

Longitud de onda

Es la distancia que transita la onda en un intervalo de tiempo

transcurrido entre dos máximos consecutivos. Es inversamente

proporcional a la frecuencia, por lo que a mayor frecuencia menor

será la longitud de onda y viceversa. Se representa con la letra griega

lambda λ.

Ganancia

La ganancia de una antena es la medida de concentración del

poder entregado por la antena.

Ancho de Banda

Es la escala de frecuencias en la cual opera la antena sin que

ésta se sobrepase una magnitud determinada de relación de ondas

estacionarias que surja en la línea de transmisión.

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Eficiencia

Es la relación entre la potencia radiada y la potencia entregada

de la antena ó la relación entre la ganancia y la directividad.

Medidor de antenas (Bird AT-400)

Es un dispositivo denominado Tester de antenas que se utiliza

para medir los diferentes factores y características que poseen las

antenas, el cual arroja a través de una pantalla LCD las magnitudes

de las mismas. Tiene la capacidad de probar una banda completa en

cuestión de segundos, con resultados precisos, independientemente

de la longitud del cable de antena. El Bird AT-400 posee un menú

impulsado, definido por software distintos botones de selección con el

fin de seleccionar de manera inmediata el modo de funcionamiento, y

establecer los parámetros de prueba. Además, tiene una fuente de RF

autónomos que se precisa la frecuencia de prueba, un built-in de

antena adaptable jack compañeros de una amplia gama de

conectores de RF estándar.

Este Tester de antena es principalmente utilizado para la

aeronáutica, radio móvil, FM y TV. Opera en un rango de frecuencia

desde 65-520 MHz.

Descripción de los botones:

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1. Display LCD: Pantalla de cristal líquido retroiluminada.2. Conector DC externo: Conexión para el adaptador de CA o el

adaptador de mechero. Externo alimentación funcionan la

unidad y la carga la batería interna.

3. Teclas de Cursor:

Flecha izquierda: Permite mover el cursor a la izquierda

en el modo de frecuencia de barrido.

Flecha derecha: Permite mover el cursor a la derecha en

el modo de frecuencia de barrido.

Flecha arriba: Mueve el cursor al máximo punto de la

traza mostrada. Pulsar durante la entrada de datos para

aumentar datos numéricos.

Flecha abajo: Mueve el cursor al mínimo punto de la traza

mostrada. Pulsar durante la entrada de datos para

disminuir datos numéricos.

4. Tecla de retroiluminación: Enciende la luz de fondo encendida o

apagada. Luz de fondo está en un temporizador para aumentar

la duración de la batería.

5. Clave: Enciende el medidor, pulse y mantenga para apagar el

tester.

6. Tecla +/-: Alterna entre los números positivos y negativos.

7. Enter Key: Finaliza la entrada de datos.

8. Tecla ESC: Haga copias de seguridad a través de la estructura

del menú. En el nivel superior del menú, el menú en

blanco. Sale introducción de datos sin guardar los cambios.

9. Tecla de Menú: Muestra el menú del software y permite menú

de teclas de selección.

10. Selección Clave: Permite parámetro actual, indicado por

cursor parpadeante, para ser cambiado. Pulsar de nuevo para

permitir que el siguiente parámetro a ser cambiado.

11. Teclas numéricas: Permite ingresar los valores numéricos.

Lab. Antenas

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12. Menú Select Keys: Se utiliza para acceder a las secciones

del menú descrito directamente por encima de ellos. También

se puede utilizar para desplazarse por disposición configuración

de un parámetro en particular.

13. Puerto de prueba: Se conecta la antena o el cable de la

antena.

14. Puerto Serial: Conector para el cable de comunicación

para permitir la transferencia de datos a un PC.

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Materiales y Equipos utilizados

Alambre fino de 25 cm

Cinta métrica

Piquetas

Pinza punta larga

Tester óhmico

Medidor de antenas

Procedimiento Experimental

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Antena Monopolo vertical de ¼ de onda, evidentemente es una

antena simple. La práctica consiste en agarrar los 25 cm e ir

ajustando la longitud o el tamaño del alambre hasta acoplarlo a una

frecuencia de operación específica.

Cómo es eso que la longitud de un alambre que está relacionado

con una antena y la frecuencia de operación de la misma. Bueno, si lo

está, porque hay una expresión que nos indica que la longitud de

onda va hacer igual a la velocidad de la luz sobre la frecuencia.

Expresando en mega hertz (MHz) la velocidad de la luz y la

frecuencia en la cual se desea operar nos quedaría, definido la

longitud de onda en metros (m), de la siguiente manera:

λ=c∗106(m /s)f∗106(1/ s)

(m)

Como se va a trabajar con una antena de ¼ de onda para una

frecuencia de operación de 300 MHz, gracias a la expresión anterior,

fácilmente se puedo determinar la longitud o tamaño específico del

alambre.

Entonces con 30 cm nos sería suficiente para hacer la prueba que se

desea comprobar con esa antena.

Metodología:

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1. La práctica consiste en la utilización de un medidor de antena,

el cual el mismo tiene un conector de entrada de 50 ohmios, allí

a través de una línea de transmisión, se va a conectar la

antena.

2. Se va a evaluar diferentes cortes, es decir se va a cortar la

antena a distintas medidas, y se va a medir sus características.

Para ver a qué frecuencia está operando la antena.

Básicamente, se buscará cumplir con la expresión

anteriormente descrita. Enfatizando, que la teoría reseña que

una antena de Monopolo vertical de ¼ de onda específica que

el tamaño de la antena está íntimamente relacionado con su

longitud de onda y el acople de la misma tiene que ver con la

longitud de onda de la frecuencia.

Si se hace el tamaño de antena exactamente al mismo tamaño

de la frecuencia, se tendrá máximo acople de un cuarto de

onda. Porque si es otra frecuencia se va a salir, es decir, va

hacer más de ¼ si es una frecuencia más baja, y menos de ¼ si

es una frecuencia más alta. Esto debe a que son inversamente

proporcional, a medida que la frecuencia es mayor la longitud

de onda es menor; e inverso cuando la frecuencia es más bajas

la longitud de onda tiende ser mayor. Es por ello, que las

frecuencias más bajas llegan más lejos, tienen menor

atenuación.

3. Evaluar un parámetro que se llama VSWR ó ROE que es la

relación de Onda Estacionaria. Siempre que queremos pasar de

un medio a otro, necesitamos un acople de impedancias ideal.

Según, el principio de máxima transferencia de potencia

especifica que si desea entregar toda la potencia de un medio a

otro se necesita que la impedancia de los dos medios sean

iguales. Si se entrega toda la potencia no se tendría reflejada

porque ninguna se regresa, en este caso el ROE sería mínimo, y

el menor ROE es 1, lo que indica que se entrego toda la

potencia, caso ideal, debido a que nunca se logra tener las

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impedancias iguales. Otro aspecto, es un ROE aceptable es de

1,5, menor a este valor; porque valores mayores a 1,5 no se

tendría una mayor eficiencia de la antena debido a que se tiene

mucha potencia reflejada.

4. Seguidamente comprobar que los cables tenga una impedancia

de 50 ohmios y la antena 50 ohmios y la impedancia del

generador es de 50 ohmios también. Todo esto se debe a que

cada uno de estos elementos tiene componentes tanto

capacitivas como inductivas.

5. Realizar la curva de corte o la carta de corte, el cual es una

grafica que refleja la relación de la longitud de la antena con

respecto a la frecuencia. Lo que indica que la curva

característica del comportamiento de la antena tiende ser una

línea recta. Básicamente, esta gráfica demuestra el

comportamiento de una antena Monopolo vertical, gracias a

que a medida aumento la frecuencia más pequeños son los

valores de la longitud de onda.

Diseño de la antena

Para la elaboración de antena Monopolo vertical con ¼ de onda de

fabricación cacera, se procedió a doblarle en un extremo del alambre

de cobre (como especie de un rabito de cochino) para que este haga

contacto en vivo con la contacto vivo de la superficie metálica. El

alambre de cobre se hizo pasar por una base pequeña que tiene una

gomita que tiene un orificio para ajustar dicha antena.

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Superficie metálica ó Base imantada que nos permitió montar

nuestro diseño de antena de Monopolo vertical, el cual tiene en su

extremo un conector se que va colocar en un Tester.

Primeramente se midió que el vivo de la base metálica y el otro

extremo del alambre de cobre tuvieran los 50 ohmios; para así saber

que hacían contacto. En el primer intento no reflejo ningún valor, sin

embargo, para el segundo intento se procedió a quitar un poco el

esmalte del alambre de cobre y se midió continuidad extremo con

extremo (punta de rabito de cochino). Finalmente, la impedancia

reflejada fue:

Rg= 54,8 Ω

Seguidamente, con la cinta métrica se mide la longitud del alambre

fino de cobre, reflejando exactamente 28,5 cm. Se realizo las

mediciones correspondientes a esta longitud. Para calcular la

frecuencia de operación la fórmula se resumió en 28,5*4, después

300 MHz entre el resultado anterior. Y así sucesivamente, para todos

los estudios de corte del alambre de cobre.

Una vez colocada la antena en su base de tierra procedimos a

disminuir cada 3 cm las longitudes del alambre de cobre, para

obtener la relación de onda estacionaria adecuada para nuestro

sistema.

Estudio 1: = 28,5 cm

Frecuencia de operación analítica

Rango de frecuencia

ROEFrecuencia

de operación

263,5 MHz200- 300 MHz 1,33 263,13 MHz259-263 MHz 1,28 261 MHz

Se evaluó la posibilidad de conseguir un menor ROE, lo que

permitió cambiar a un rango de frecuencias de 259- 263 MHz, debido

a que para 261 MHz tengo un mejor ROE, mostrando un valor del

mismo para este caso de 1,28 a una frecuencia de operación de 261

Lab. Antenas

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MHz. Evidentemente, en el estudio analítico, se observa que en la

aplicación de la fórmula de /4 se acopla a una frecuencia menor a

263,13 MHz debido a que hay factores que afectan, es por ello, que el

factor de corrección va indicar que teóricamente la antena no cumple

con esos valores, porque la frecuencia analíticamente es 263,13 MHz

sin embargo, la antena trabaja mejor a una frecuencia dos MHz por

debajo de la misma.

Estudio 2: = 25,5 cm

Frecuencia de operación analítica

Rango de frecuencia

ROEFrecuencia

de operación

η (eficiencia

)

294 MHz300- 310 MHz 1,7 -283- 290 MHz 1,09 284,93 MHz 99,9%

Estudio 3: = 22,5 cm

Frecuencia de operación analítica

Rango de frecuencia

ROEFrecuencia

de operación

333,33 MHz 300- 315 MHz 1,11 306.97 MHz

Estudio 4: = 19,5 cm

Frecuencia de operación analítica

Rango de frecuencia

ROEFrecuencia

de operación

384,61 MHz 340- 360 MHz 1,20 351,69 MHz

Estudio 5: = 16,5 cm

Frecuencia de operación analítica

Rango de frecuencia

ROEFrecuencia

de operación

454,54 MHz 400- 450 MHz 1,11 423,48 MHz

Lab. Antenas

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Cálculos Analíticos

Lab. Antenas

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Resultados

Tabla de Resultados

= 28,5

cm

Frecuencia de

operación analítica

Rango de frecuenci

aROE

Frecuencia de

operación

η

(eficiencia)

263,5 MHz

200- 300 MHz

1,33263,13

MHz -

259-263 MHz

1,28 261 MHz -

= 25,5

cm294 MHz

300- 310 MHz

1,7 - -

283- 290 MHz

1,09284,93

MHz99,9%

= 22,5

cm

333,33 MHz

300- 315 MHz

1,11306.97

MHz-

= 19,5

cm

384,61 MHz

340- 360 MHz

1,20351,69

MHz-

= 16,5

cm

454,54 MHz

400- 450 MHz

1,11423,48

MHz-

Cálculo de Ancho de Banda operativo:

Frecuencia inferior

Frecuencia superior

387 MHz 435,56 MHzROE 1,49 1,51

Ancho de banda: 435,56 – 387 = 47,68 MHz

Estas frecuencias son los extremos en las cuales la antena va a

operar óptimamente, comparando con los ancho de banda para una

Lab. Antenas

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antena de un ¼ de onda nos permite denotar que son 47,68 MHz el

margen de frecuencias que facilita el trabajo por ese canal.

Carta de Corte:

Práctica para una antena de fabricación industrial:

Se realizó unas pruebas a la Antena de fabricación industrial, y de

igual manera se observo que había dentro de la misma estructura

Lab. Antenas

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plástica. La característica de esta antena es que ella es un Monopolo

vertical de ¼ de onda, que trabaja en la banda de UHF, es decir, en la

banda de 450 a 470 MHz, garantiza un ROE menor a 1,5, éstas

antenas necesitan un plano de tierra.

Se procedió a evaluar el comportamiento de las características de

esta antena con un plano de tierra que no es correcto (madera) con

respecto a un plano de tierra (como fue el marco de la ventana,

superficie metálica). Para garantizar una buena eficiencia de la

antena. Y si no se garantiza un buen plano de tierra cualquier factor

que este a su alrededor hace variar sus propiedades como tal. En

cambio, cuando lo colocamos en el plano de tierra no se afecta en

gran medida, garantiza mayor estabilidad.

Paso1. Medir la impedancia del generador. Se coloco en modo

apagado para no afectar el equipo. Se procedió a medirlo con un

dispositivo que actúa como generador (Tester óhmico)

Nota: El Tester va a generar una señal, este dispositivo actúa como

generador después se cambia a modo recepción, con el objetivo que

parte de la señal que el generó se le regrese. Eso él lo compara y

manda una relación de VSWR, es decir cuánto nivel de señal se

regresa.

Es por ello, que en la práctica se logro obtener una resistencia del

generador, midiendo el vivo de la base imantada con el vivo del

generador. Dio un valor de:

Rg = 54,7 Ω

Comportamiento de la Antena de fabricación:

Rango de frecuencias

ROE- VSWRFrecuencia de

Operaciónη (eficiencia)No plano

de tierraPlano de

tierra400- 450

MHz2,90 427 MHz -

450- 470 MHz

2,55 1,37 460 MHz 97,3%

Lab. Antenas

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Análisis de Resultados:

Comparando efectivamente la frecuencia de operación analítica

con respecto al valor de ROE que indicaba, en estudios como 1 y 2,

nos arrojo a la idea de buscar un mejor ROE es por ello que a

frecuencias de 261 MHz 284,93 MHz, respectivamente, amerita

entonces de sacar el factor de corrección, valor donde nos indica que

muchas veces la frecuencia analítica no es exactamente el valor que

indique un excelente ROE para dicha frecuencia de operación.

Lab. Antenas

21

Para el diseño de la Carta de Corte es indudable detallar que la

gráfica refleja la relación de la longitud de la antena con respecto a la

frecuencia. Lo que indica que la curva característica del

comportamiento de la antena tiende ser una línea recta.

Básicamente, esta gráfica demuestra el comportamiento de una

antena Monopolo vertical, gracias a que a medida que aumento la

frecuencia más pequeños son los valores de la longitud de onda.

Con respecto al análisis de los resultados de el comportamiento de

la antena de fabricación industrial se observo que al colocar la antena

en un plano de tierra reflejo primeramente 1,67 el valor del ROE, se

tuvo que cambiar el lugar. Hasta conseguir una mejor valor, tal es el

caso cuando reflejo los 1,37; valor que se considero ideal para que la

antena trabajara de forma eficiente (97,3%). Se destapó la antena

de fabricación industrial, se observo que tiene un alambre fino de

cobre, lo que constituye la antena de Monopolo vertical, también

tiene un capacitor el cual va a eliminar las pérdidas de acople en las

superficies de reactancias, se elimina con un capacitor para esa

frecuencia especifica de 450- 470 MHz.

Conclusión

Al denotar la relación de la longitud de onda con la frecuencia de

operación de una antena, se especifica que si se hace el tamaño de

antena exactamente al mismo tamaño de la frecuencia, se tendrá

máximo acople de un cuarto de onda. Porque si es otra frecuencia se

va a salir, es decir, va hacer más de ¼ si es una frecuencia más baja,

y menos de ¼ si es una frecuencia más alta. Esto debe a que son

inversamente proporcional, a medida que la frecuencia es mayor la

longitud de onda es menor; e inverso cuando la frecuencia es más

bajas la longitud de onda tiende ser mayor. Es por ello, que las

frecuencias más bajas llegan más lejos, tienen menor atenuación.

Lab. Antenas

22

Según, el principio de máxima transferencia de potencia especifica

que si desea entregar toda la potencia de un medio a otro se necesita

que la impedancia de los dos medios sea igual. Si se entrega toda la

potencia no se tendría reflejada porque ninguna se regresa, en este

caso el ROE sería mínimo, y el menor ROE es 1, lo que indica que se

entrego toda la potencia, caso ideal, debido a que nunca se logra

tener las impedancias iguales. Otro aspecto, es un ROE aceptable es

de 1,5, menor a este valor; porque valores mayores a 1,5 no se

tendría una mayor eficiencia de la antena debido a que se tiene

mucha potencia reflejada.

Es importante denotar en cuanto al uso del medidor de antenas,

que gracias a su versatilidad se pueden obtener valores tanto de la

eficiencia, ROE, impedancias como pérdidas por atenuación.

Para el caso de la antena ya diseñada analizada con plano de

tierra (superficie de metal) y sin plano de tierra (superficie de

madera), se obtuvo dos diferentes ROE, para la de plano de tierra fue

de 1,37. Para el caso numero 2, sin plano de tierra, el ROE obtenido

fue de 2,55. De ahí la importancia del plano de tierra en las antenas

monopolos, ya que si el ROE no está entre los parámetros requeridos

el índice de reflexión podía dañar el equipo transmisor.

Lab. Antenas

23

Anexos

Medidor de antenas Bird AT-400 Base imantada

Lab. Antenas

24

Utilización del Tester ÓhmicoPinzas, cinta métrica, cable

bifilar

Conexión de la antena monopolo con el medidor de antenas.

Plano de tierra para la antena de fabricación industrial

Componentes internos de la antena de fabricación industrial

Diseño de la antena de fabricación casera colocada en

la pequeña base

Lab. Antenas

25

Primer corte de 3 cm

Bibliografía

WAYNE, Tomasí. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas.

4ta ed. Person Educación, 2003, 948 p.

http://www.birdtechnologies.com/~/media/bird/files/pdf/

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www.wiscointl.com/bird/others/at400.htm&prev=/search%3Fq

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Lab. Antenas

26

%3D705&sa=X&ei=v-

xzUa6ZFozc8AS1w4G4Cw&sqi=2&ved=0CDsQ7gEwAQ

http://es.wikipedia.org/wiki/Antena#Eficiencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Impedancia_caracter%C3%ADstica

Lab. Antenas