labo2 antenas
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1. INTRODUCCION TEÓRICA:
Dipolo de media onda:
Es un dipolo formado por dos conductores de longitud total igual a la mitad de una
longitud de onda. Hay que señalar que esa longitud de no tiene nada de remarcable
eléctricamente. La impedancia de la antena no corresponde ni a un máximo ni a un
mínimo. Tampoco es real, aunque por una longitud próxima (hacia 0.46 lambda) la
parte imaginaria pasa por cero. Hay que reconocer que la única particularidad de esa
longitud es que las fórmulas trigonométricas se simplifican, aunque sí es cierto que
presenta un diagrama de radiación bastante uniforme en comparación con otras
longitudes.
PATRON DE RADIACIÓN DE UN DIPOLO DE MEDIA ONDA:
Definición de Antena:
Una antena es un transductor a través del cual la corriente eléctrica, desplazándose a
una alta frecuencia se convierte en una onda electromagnética, o aprovechando una
onda electromagnética es convertida en un flujo de corriente alterna. Una antena
puede usarse para transmitir energía en el espacio o también como receptora de
energía en el espacio.
La energía viaja a través del espacio a la velocidad de la luz. Pueden describirse las
características de radiar energía en términos de su frecuencia de operación o su
longitud de onda.
La siguiente ecuación muestra la relación entre la longitud de onda y la frecuencia:
Donde:𝛌: longitud de onda en metros
f: la frecuencia en Hertzios
c: la velocidad de la luz (3x108 m/s)
El campo eléctrico:
El tipo más común es el dipolo eléctrico y se usara para analizar las características de
propagación del campo eléctrico del campo de la antena.
Cuando una corriente de RF se aplica a una antena, un campo eléctrico se produce.
Por ejemplo, la siguiente figura muestra un caso de dos conductores de una antena.
Estas varas sirven como conductores para formar un condensador que consiste en
una placa superior y una inferior, ambos separa por aire (dieléctrico).
Campo eléctrico alrededor de un dipolo
Debe notarse que se forma un campo electrostático entre las placas y el campo
eléctrico forma un ángulo eléctrico entre las placas. Si uno comienza a separa las dos
varas, las líneas del campo eléctrico empiezan a curvarse entre las dos placas. Por
último se obtiene una antena dipolo.
Los dipolos pueden ser de aluminio, latón, cobre o hierro, entubado o alambre.
La longitud real de una antena es ligeramente menor a la longitud calculada. La
longitud calculada está basado en una transmisión en espacio libre y con un alambre
de diámetro infinitesimal, puesto que esto es algo ideal, la longitud física es
aproximadamente del 95% de su longitud calculada.
Un corte del dipolo a una longitud de onda completa produciría un modelo con cuatro
lóbulos. Cuando la antena se corta a una media longitud de onda el modelo de la
radiación aparece con dos lóbulos.
Líneas abiertas.
Una línea abierta es un conductor paralelo en el que la longitud de la onda puede
medirse, y de la medida puede determinarse la frecuencia del oscilador o transmisor.
Una línea abierta es una línea de transmisión calibrada. La longitud de la línea se hace
para que una onda se desplace y se usa para hacer la medida de la frecuencia. Las
líneas pueden ir en longitud de un cuarto a varias longitudes de onda. Cuando la
corriente RF pasa por esta línea, la corriente y voltaje establecen ondas y la distancia
entre dos crestas o dos nulos en las ondas puede usarse para determinar la longitud
de la onda del oscilador. Una onda sobre un alambre cuando los extremos del alambre
están cortocircuitados. La carga R igual a cero. Note bajo estas condiciones el extremo
terminal la corriente es máxima y el voltaje es mínimo. El voltaje por una carga de
resistencia infinita está en un máximo y la corriente está en un mínimo cuando la
resistencia de carga es infinita. Este concepto de aumentar al máximo corriente y el
voltaje puede usarse para hacer medidas de la longitud de onda.
Si una vuelta se pasas encima de dos líneas paralelas alimentadas con una señal RF.
Un lazo de corriente se muestra a través de la línea. Como el lazo está asociado al
detector RF (con medidor) se mueve la línea de arriba a abajo, los puntos de máxima
inducción de corriente pueden ser ubicados. La distancia entre dos punto del máximo
es igual a una media longitud de onda.
2. PARTE EXPERIMENTAL:
MATERIALES REQUERIDOS:
Equipo maestro (módulo de antenas)
Tablero de la antena.
Mástil de la antena.
Antena dipolo horizontal.
Vara reflectora.
Medidor de intensidad de campo.
Carta polar con escala de ploteo.
Centímetro.
Multímetro digital.
PRUEBA Y MEDICIONES:
En este experimento, se evaluará la longitud de onda en espacio libre de una antena
dipolo. También se evaluará la polarización y el patrón de radiación del dipolo.
PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO
La antena transmisora debe ponerse en una mesa lejos de instrumentos de que
causen reflexiones de la onda de radio. Un osciloscopio, por ejemplo debe estar por lo
menos lejos 3 o 4 pies de la antena. Cualquier objeto de metal cerca de la antena
modificará el patrón de radiación y las mediciones de la antena mostrarán pequeñas
semejanzas a los valores teóricos.
1. Inserte el tablero en su base y ponga al menos los controles de voltaje a -10V
(puede variarse entre -5V y -16V para el mejor rendimiento RF). Conecte el mástil de
la antena al tablero de la antena en su ubicación respectiva.
Ponga la antena dipolo horizontal en la cima del mástil. Acerque o aleje el medidor de
intensidad de campo.
En la experiencia polarizamos el transmisor a -16.59V para mejorar el rendimiento del
RF.
2. A una distancia de aproximadamente 1 a 2 metros de la antena transmisora, fije la
antena del medidor de campo para que estéparalelo a la antena transmisora. La aguja
del meter del medidor de intensidad de campo debe estar en la mitad de la escala. Si
es necesario mueva el medidor de intensidad de campo más cerca o más lejos de la
antena transmisora para obtener una media lectura de la escala. Ajuste el control de
sensibilidad del medidor de intensidad de campo, como sea necesario.
En la práctica observamos que colocamos el medidor de intensidad de campo
marcando unos 26mA, muy cercano a la media escala.
MEDIDA DE LA POLARIZACIÓN:
3. Mientras la antena del medidor de intensidad de campo es paralela a la antena
transmisora y el medidor está leyendo media escala, verificar la polarización de la
antena transmisora girando la antena del medidor de intensidad de campo tal que sea
perpendicular al piso. En esta posición, con la antena transmitiendo paralelo al piso y
la antena del medidor de intesidad de campo perpendicular al piso, el medidor de
intensidad de campo debe estar leyendo cero. Regrese la antena del medidor de
intensidad de campo a la posición paralela y pruebe acercando hacia y sobre la antena
transmisora, así como cerca de los extremos de la antena transmisora. Note que
cunado la antena del medidor de intensidad de campo es paralela a la antena
transmisora, una fuerte señal transmitida puede recibirse. Pruebe midiendo en el frente
y atrás de la antena transmisora, y observe que las condiciones sean iguales.
Anotamos una medida de “0” cuando esta perpendicular, de la misma forma obtuvimos
este resultado cuando colocamos el medidor de intensidad de campo en losextremos
de la antena transmisora.
4. Verifique la polarización girando la antena del medidor de intensidad de campo para
que sea perpendicular a la antena transmisora. El extremo de la antena del medidor de
intensidad de campo, debe estar apuntando directamente hacia el centro del dipolo
transmisor. Observe la lectura del medidor.
Se reduce notablemente.
5. La polarización de la antena transmisora está en la dirección del campo E y en este
caso, el campo E es horizontal al suelo.
6. De su observación registre la polarización de la antena transmisora.
¿Horizontalmente polarizado o verticalmente polarizado?
Se observa que está horizontalmente polarizado.
MEDIDA DEL PATRÓN DE RADIACIÓN:
En la experiencia usamos tres diferentes métodos para trazar el patrón de radiación
del dipolo.
En el primer método, el medidor de intensidad de campo receptor se pone en la mesa
paralelo a la antena transmisora y la antena dipolo se gira. La corriente de intensidad
de campo se lee y se traza para varias posiciones angulares de la rotación de la
antena transmisora. En este método existe un problema, en que la intensidad de
campo que continuamente disminuye al punto donde el medidor se pone bastante
inexacto. Un multímetro digital puede conectarse en paralelo al medidor de intensidad
de campo, el control de la sensibilidad del medidor de intensidad de campo puede
ajustarse para que el multímetro digital empiece a 100mV. Con cada 10° de rotación
de la antena transmisora, el voltaje receptor será registrado y servirá para el ploteo de
la rotación de los grados vs. El voltaje, obteniéndose como resultado el patrón de
radiación de la antena.
En el segundo método, la antena transmisora es girada de nuevo de 10 en 10 grados,
pero la corriente del medidor se mantiene a un valor constante (alrededor de 25
microamperios) mientras la antena del medidor de intensidad de campo se acerca a la
antena transmisora cuando disminuya los niveles de radiación. En este método, se
puede empezar a 150 cm entre antenas, con la antena transmisora que radia hacia
cero grados. Con cada 10° de rotación de misma corriente. Cualquier nivel, sea 25 o
50 microamperios, puede usarse como referencia. Un problema con este tipo de
medición, se observará que como el medidor de intensidad de campo se mueve hacia
la antena transmisora, el medidor de intensidad de campo atraviesa áreas de máximo
y mínimo niveles de intensidad de campo. Estos se localizan cada media longitud de
onda. Estos cambios en nivel afectan la posición del medidor, por consiguiente se está
degradando así la exactitud de este método.
En un tercer método, el medidor de intensidad de campo se gira alrededor de la
antena transmisora que se mantiene en una posición constante. La corriente del
medidor de intensidad de campo se mantiene a media escala (25microamperios),
mientras que la distancia entre el medidor de intensidad de campo y la antena es
moderada. Esto es más difícil de realizar, se requiere una superficie de una mesa
grande, se encuentra desviaciones de intensidad de campo debido a las ondas en pie.
MÉTODO 1
ROTACIÓN DE LA ANTENA TRANSMISORA VS. LA LECTURA DE CORRIENTE /
VOLTAJE
7. Ponga la antena (transmisora) para que la radiación esté hacia el cero de la carta
polar puesta en la cima del mástil. En esta escena, ponga el medidor de intensidad de
campo inicialmente a 150 cm y conecte el multímetro digital al medidor de intensidad
de campo, usando el cable que tiene un plug en un extremo y dos bananas en el otro
extremo. Ponga el multímetro digital en la escala de milivoltios. Ponga el control de -
15V en la fuente de alimentación aproximadamente a -5V, esto permite al medidor de
intensidad de campo moverlo más cerca de la antena transmisora.
Recordemos que tenemos el control a -16.59V.
8. Bajo el dipolo transmisor hay un ensamblaje llamado BALUN. Este se hace
desplazar de arriba abajo en el mástil y se usa para cancelar radiación que viaja por
fuera del mástil debido a que la línea de transmisión es desbalanceada, conectada a
una antena dipolo que es balanceada. Para minimizar esta radiación extraña, desplace
el BALUN a la cima del mástil y afiance en lugar apretando su tornillo. No lo apriete
demasiado, desde que comprime la tubería del mástil.
9. Ponga la el medidor de intensidad de campo y multímetro digital para que el
multímetro lea 100mV, cuando la antena del medidor de intensidad de campo está
paralela a la antena transmisora. Debe notarse que la antena del medidor de campo
está hendido en el centro. La segunda vara es un reflector que reduce la reflexión del
cuerpo del alumno.
En la práctica medimos 100.2 mV en el multímetro digital.
10. En la carta proporcionada, empiece con la antena transmisora apuntando hacia
cerogrados con el multímetro digital leyendo 100 milivoltios. Gire la antena transmisora
en incrementos de 10° hasta 60°. El último incremento puede ser un paso de 30°.
Durante el experimento observará que el cambio del máximo ocurre durante primero
30° a 40° de la rotación de la antena transmisora. Registre la información obtenida en
cada medición efectuada. Es muy importante que en cada rotación de la antena
transmisora, los alumnos se alejen por lo menos 4 a 5 pies de la antena. Cualquier
acción del cuerpo cerca de la antena producirá cambios en el nivel radiado. El mínimo
efecto del cuerpo se observa cuando el alumno se encuentra de pie perpendicular al
extremo de la antena transmisora.
Complete la carta girando la antena 360°. Puede notarse que las lecturas del lóbulo no
son absolutamente simétricas, desde que la antena no puede ser perfectamente
balanceada (machado) a la línea de transmisión, o pueden estar ocurriendo
reflexiones.
TABLA 1 – MÉTODO 1: GRADOS vs. VOLTAJE(mV)
GRADOS
MEDIDA(mV)
GRADOS
MEDIDA(mV)
GRADOS
MEDIDA(mV)
0
100.2
130
16.5
310
20.4
10
70.7
140
26.2
300
8
20
38.2
150
56.2
285
0.2
30
15.1
160
91.7
270
0.1
40
3.2
170
138
255
0.2
50
0.3
180
174
240
8.5
60
0.1
360
100
230
26.6
75
0.1
350
112
220
66.6
90
0.1
340
115
210
109
100
0.1
330
91.3
200
146
115
4.3
320
54.5
190
179
11. Usando los datos acumulados en la tabla 1, plotee los datos para visualizar el
patrón de radiación.
Usando el programa MATLAB, digitamos los ángulos y los voltajes, para luego
plotearlos: 12. ¿Cual es la forma que presenta el patrón de radiación?
Observamos una forma similar a un ocho, que nos da la idea del patrón de radiación,
teóricamente tiene una forma igual a un “8” o en este caso “∞”
MÉTODO 2
13. Empiece con la antena transmisora que radia hacia cero y el medidor de intensidad
de campo ajustando para que se obtenga una lectura de 25 microamperios. Gire la
antena transmisora en incrementos de 10° y mueva el medidor de campo hacia la
antena transmisora, siempre manteniendo los 25 microamperios de lectura del
medidor de intensidad de campo. Para cada 10° de rotación registre el número de
centímetros entre las dos antenas.
14. Gire la antena hasta 360° y registre los centímetros entre las dos antenas. Guarde
estos datos en el formato de la tabla 1, completada la información, plotee los datos en
un gráfico polar. El ploteo del método 2 debe ser similar al ploteo del método 1.
TABLA 2 – MÉTODO 2: GRADOS vs. DISTANCIA(cm)
GRADOS
DISTANCIA
GRADOS
DISTANCIA
GRADOS
DISTANCIA
0
70
130
27
310
66
10
67
140
34
300
61
20
66
150
70
285
37
30
60
160
79
270
14
40
54
170
79
255
14
50
49.5
180
80
240
26
60
45
360
70
230
71.5
75
38.5
350
71
220
74.5
90
15
340
71
210
79
100
14.5
330
69
200
82
115
16
320
69
190
80
De la misma forma que en el método anterior, usamos el programa MATLAB, donde
insertamos los datos de distancia y el grado correspondiente, donde nos queda así.
Y al momento de plotearlo, nos resulta de la siguientemanera.
Notamos que levemente se asemeja a un teórico 8, pero tiene diversos puntos que no
permiten que se acerque más al valor, al momento de compararlo con el método 1,
notamos que este método 2 no presenta mejoras, algunos valores de este método
pueden ser erróneos por la gran oscilación de la aguja del medidor para varios puntos.
MÉTODO 3
El medidor de intensidad de campo se gira alrededor de la antena transmisora que se
mantiene en una posición constante. La corriente del medidor de intensidad de campo
se mantiene a media escala (25microamperios), mientras que la distancia entre el
medidor de intensidad de campo y la antena es moderada. Esto es más difícil de
realizar, se requiere una superficie de una mesa grande, se encuentra desviaciones de
intensidad de campo debido a las ondas en pie.
En la tabla, llenamos los diversos valores obtenidos en la experiencia usando este
método.
TABLA 3 – MÉTODO 3: GRADOS vs. DISTANCIA(cm)
GRADOS
DISTANCIA
GRADOS
DISTANCIA
GRADOS
DISTANCIA
0
75
130
92
310
51
10
76
140
97
300
43
20
80
150
98
285
33
30
75
160
84
270
28.5
40
71
170
81
255
26
50
64
180
81.7
240
27
60
48
360
75
230
28
75
30
350
72
220
26
90
19
340
68
210
34
100
35
330
65
200
58
115
48
320
59
190
81.5
Nuevamente usamos el programa MATLAB para digitar y obtener la gráfica polar.
Plooteando la gráfica resultante será la siguiente, donde se observa un menor
parecido con la gráfica teórica, esta vez debido a diversos factores, como lareflexión,
el mover acercando y alejando el medidor sin revisar si el ángulo no se ha movido,
entre otros.
LONGITUD DE ONDA Y FRECUENCIA:
Método de la demostración:
15. En el procedimiento siguiente usted observará la distancia entre dos puntos
máximos o dos puntos mínimos en el espacio. A estos puntos, la intensidad de campo
aumenta a un valor máximo o disminuye a un valor mínimo. La distancia entre los dos
puntos es la media longitud de onda de la frecuencia de operación.
16. Determine la longitud de onda de la onda radiada poniendo el dipolo entre las
antenas como es mostrado en la siguiente figura. El medidor de intensidad de campo
debe leer aproximadamente 10 microamperios. Esto indica que alguna energía radiada
de intensidad de campo es recogida y vuelto a radiar por el dipolo sostenido por el
alumno.
17. Sostenga la vara del reflector en el mismo plano de la antena transmisora y el
medidor de intensidad de campo. La vara del reflector se mueve hacia o se aleja de
las dos antenas, la intensidad de campo medido de la corriente debe aumentar o debe
disminuir. El portador del reflector no debe moverse durante estas mediciones, desde
que el cuerpo introducirá reflexión no deseada que cambiará las lecturas
substancialmente. Ajuste el ángulo del reflector para un máximo de lectura.
18. Observe el medidor de intensidad de campo como la vara del reflector se mueve
del transmisor y del medidor de intensidad de campo. Mueva la vara rápidamente de
un lado a otro y anote lo que esta haciendo, el medidor de intensidad decampo se
mueve hacia la máxima o mínima escala. Empezando a una distancia de
aproximadamente un metro, mueva la vara del reflector hacia las dos antenas hasta
leer un máximo. Sostenga otro estudiando su mano en el punto donde se obtuvo el
máximo de lectura. Continuar moviendo la vara del reflector hasta obtener un segundo
punto y de nuevo el segundo estudiante fijará este nuevo punto. La distancia entre las
dos lecturas (que es la distancia entre las dos señales) debe ser la longitud del dipolo
usada en el medidor de intensidad de campo. Ponga el dipolo entre las manos y
observe si las distancias son las mismas.
Anotamos la distancia entre los dos puntos señalados y esta distancia es igual a 14cm.
La medida del dipolo usado es de 18cm.
Tenemos un error de 4cm, esto puede explicarse debido a la dificultad que tuvimos en
la experiencia para lograr estos puntos máximos de reflexión, además porque la señal
que colocamos debajo del punto encontrado fue puesta aproximando distancias.
19. La misma medida será hecha ahora con el medidor de intensidad de campo
empezando aproximadamente a 1metro de la antena transmisora. Ajuste el medidor
de corriente a 25microamperios. Mueva el medidor de intensidad de campo de la
antena transmisora, hasta observar una lectura mínima. No cambie el control de
sensibilidad del medidor del voltaje de alimentación. Si la lectura esta fuera en el
extremo de la cinta, el voltaje de alimentación debe ponerse aproximadamente a 5V,
bajando el voltaje de alimentación se reduce la potencia de radiación del transmisor.
20. Ponga el medidorde intensidad de campo al mínimo de corriente. Registre la
distancia entre el dipolo receptor y el dipolo transmisor, esta distancia es de 83 cm .
21. Desplace el medidor de intensidad de campo hacia delante hasta alcanzar el
próximo cuartillo nulo, y registre los centímetros encontrados.
Esta distancia fue de 17cm.
22. Se considera que las lecturas tomadas son en espacio libre, aunque ello no es
ningún espacio libre, desde que las reflexiones tienen lugar en la mesa, áreas
circundantes, particularmente las paredes y metal de instrumentación, de los brazos y
cuerpo del alumno. De las dos lecturas anteriores determinar a pesar de los errores, la
media longitud de onda y a longitud de onda completa de las ondas.
Media longitud de onda es 17cm, la longitud de onda completa será 34cm.
23. Calcule la frecuencia del transmisor en mega herzios:
Sabemos que:
Entonces:
Remplazando datos tenemos:
De donde:
Longitud de onda en una línea libre (abierta):
24. Quite el mástil de la antena y el dipolo horizontal y conecte el cable coaxial con
BNC entre el transmisor y el jack de la parte frontal del tablero. El deslizador en el
tablero debe ajustarse observando el medidor en el tablero y ajustando el
potenciómetro para dar un lectura máxima. Mueva el deslizador de un lado a otro para
que el medidor lea justo un nivel máximo de crestas o nulos. No exceda el máximo de
la escala durante la medida. Ajuste el potenciómetro como requisito mientras desliza el
detector a través de la línea abierta.
25. La onda dentro de la línea abiertaestá siendo medida pasando una vuelta de la
antena con rectificadores sobre la línea paralela de transmisión, llamado la
línea libre. Entre el cero y toda la escala, pueden localizarse mínimo dos puntos
nulos. Empiece al extremo del máximo de la escala y mueva el deslizador hacia
el cero hasta localizar un mínimo. Registre la ubicación de los dos puntos
nulos.
A 18.5 cm y a 5.5 cm.
Observe que una cresta también aparece, pero continúe deslizando el detector
del tablero hasta que el nulo se localiza.
26. La diferencia entre los dos nulos representa la media longitud de onda en la
línea abierta. Registre la distancia entre los dos nulos.
Esta distancia es de 13cm.
27. ¿Es la media longitud de onda que registró en la línea abierta, más larga o
más corta que la medida en el espacio libre de una media longitud de onda?
La longitud en línea abierta (13cm) es más corta que la medida en el espacio
libre (17cm) de una media onda.
28. El factor de la propagación, también llamado el factor de velocidad, en la
línea puede ser calculado por la relación entre la longitud de la media onda en
la línea abierta y la longitud de la media onda en el espacio libre. La
propagación de las dos medidas da el valor de factor. Haga el cálculo y registre
el factor de la propagación.
El factor de propagación experimental nos resulta:
factor de propagación = 13cm/17cm = 0.7647
29. ¿Si la medida de línea abierta fuera usada para calcular la longitud de onda
y frecuencia del transmisor, la frecuencia registrada indicará la frecuencia
exacta del transmisor?
Si eso
ocurriera tendríamos un error más grande, en primer lugar hallaríamos una
longitud de onda igual a 2*distancia = 2*13 = 26. Entonces tendríamos λ=26cm.
Además la frecuencia será: f=300 000 000/0.26 = 1153.8Mhz
Por lo tanto si usamos la medida de la línea abierta, nos daría unos resultados
que no son exactos.
3. CONCLUSIONES:
Al evaluar la polarización concluimos que esta horizontalmente polarizada.
El patrón de radiación evaluado con el primer método es el que se asemeja
más al teórico, esto gracias a que el único parámetro que se movía era el
ángulo de la antena transmisora.
En el segundo método el patrón de radiación se observó que conseguía una
forma similar a la teórica, pero en diversos puntos no eran exactos esto gracias
a diversos factores como la reflexión.
El tercer método tuvo una mayor cantidad de error al medir el patrón de
radiación, esto debido a que a parte de que se introducía reflexión, también
habían errores humanos por la inexactitud del ángulo relativo a la antena.
La longitud de onda hallada fue de 34cm, y es coherente a la longitud del dipolo
de media onda, a su vez, la frecuencia de operación obtenida fue de
882.35Mhz.
Al hallar la longitud de onda en una línea libre nos dimos cuenta que es
necesario tener el factor de propagación, para efectuar un arreglo, pues si
simplemente usamos la longitud de onda hallada pues introduciríamos un gran
error, como se demostró en el informe, esto debido a que el valor de media
longitud de onda en espacio libre es diferente a el valor de media longitud de
onda en línea abierta.