“prácticas de laboratorio de antenas.”
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Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
“Prácticas de laboratorio de Antenas.”
Autor: Ernesto Graviel Rios Rives.
Tutor: Dr. C Roberto Jiménez Hernández. PT.
Santa Clara
2010
"Año 52 de la Revolución"
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
“Prácticas de laboratorio de Antenas.”
Autor: Ernesto Graviel Rios Rives. E-mail: [email protected]
Tutor: Dr. C Roberto Jiménez Hernández. PT. Profesor Titular. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
E-mail: [email protected]
Santa Clara
2010
"Año 52 de la Revolución"
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad
Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la
especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a
que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime
conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser
presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según
acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos
que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor
Firma del Jefe de
Departamento donde se
defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
i
PENSAMIENTO
“En teoría, no existe diferencia entre teoría y práctica; en la práctica sí la hay.” Jan L.A. van de Snepscheut
ii
DEDICATORIA
“Dedico mi trabajo y mi carrera a las personas que ocupan un lugar muy especial en mi
vida.”
iii
AGRADECIMIENTOS
“El acto de agradecer significa reconocer y dar gracias con toda humildad, doy mil gracias
a todos los que de una forma u otra colaboraron en la realización de este trabajo.”
A Roberto Jiménez Hernández, tutor de este trabajo, por su entera disposición y
paciencia.
A mi familia, en especial a mis tíos Maida y Alfredo por estar siempre a mi lado,
por la confianza que siempre me han demostrado y por ser los mejores tíos del
mundo.
A mis padres por estar siempre tan pendientes de mí, y por la ayuda que me han
brindado durante estos años.
A mis abuelos por querer siempre lo mejor para mi.
A mi hermana Nayibi por su ayuda incondicional y su preocupación por mí.
A mi novia Yadira por su apoyo y compañía en todo momento; y a su familia que
siempre me ha ayudado en todo.
A todos mis amigos, por acompañarme en los buenos y malos momentos, en especial
a: Morejón, Amaury, Rosbel y el Chino.
Al ingeniero Fidel Pérez Pérez que hizo posible este trabajo.
Al ingeniero Rey Pérez Machado por su gran ayuda.
A todos “Muchas Gracias"
iv
TAREA TÉCNICA
1. Concebir una revisión bibliográfica referente al tema.
2. Seleccionar los diseños de antenas a simular.
3. Estudiar las herramientas computacionales para la simulación.
4. Obtener los parámetros principales a partir del software escogido.
5. Obtener los parámetros reales.
6. Comparar los resultados.
Firma del Autor Firma del Tutor
v
RESUMEN
En el presente trabajo de diploma se ofrecen los principales parámetros y
características de las antenas, así como la teoría básica necesaria para la
comprensión de los principios de su funcionamiento. Se profundiza solo en la de
interés para el proyecto en cuestión, donde se describe el proceso de diseño,
simulación y puesta a punto. Se explica la importancia y la necesidad de la
comprobación práctica de los parámetros para ayudar a los estudiantes en su
comprensión ya que actualmente no se realizan prácticas reales. Se presentan los
elementos y componentes necesarios para la realización de las prácticas
consistentes en medir el patrón de radiación y la ganancia de potencia y se
describe su realización, obteniéndose resultados satisfactorios.
vi
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ....................................................................................................................i
DEDICATORIA .................................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... iii
TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv
RESUMEN.............................................................................................................................v
INTRODUCCIÓN..................................................................................................................1
Organización del informe ................................................................................................2
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS. .....................4
1.1 Introducción...........................................................................................................4
1.2 Parámetros de las antenas.................................................................................4
1.2.1 Impedancia. ...................................................................................................5
1.2.2 Resistencia de radiación y de pérdidas. ...................................................6
1.2.3 Eficiencia. ......................................................................................................7
1.2.4 Resonancia. ..................................................................................................8
1.2.5 Adaptación de impedancia y razón de onda estacionaria (ROE). .......8
1.2.6 Ancho de banda. ..........................................................................................9
1.2.7 Polarización...................................................................................................9
1.2.8 Patrón de radiación. ...................................................................................10
vii
1.2.9 Coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B). .............11
1.2.10 Ganancia directiva y ganancia de potencia. ..........................................12
1.3 Antena Uda-Yagi. ...............................................................................................13
1.3.1 Funcionamiento de la antena Uda-Yagi. ................................................15
1.3.2 Métodos de diseño de la antena Uda-Yagi. ...........................................15
1.3.2.1 Método de diseño de la NBS................................................................16
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. ................................................................18
2.1 Breve descripción del software utilizado para la simulación virtual. ..........18
2.2 Antena Uda-Yagi. ...............................................................................................20
2.3 Resultados de la simulación.............................................................................24
2.3.1 Comportamiento de la ROE. ....................................................................24
2.3.2 Comportamiento de la Gd y el F/B ..........................................................25
2.3.3 Comportamiento de la Impedancia de entrada (Zen). ...........................27
2.3.4 Patrón de Radiación. .................................................................................28
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL ......................................31
3.1 Introducción.........................................................................................................31
3.2 Medios uti lizados en la ejecución de las prácticas. ......................................31
3.2.1 Generador de radiofrecuencia (RF). .......................................................31
3.2.2 Antenas. .......................................................................................................32
3.2.3 Plataforma graduada. ................................................................................32
3.2.4 Analizador de espectros............................................................................32
3.3 Prácticas reales. .................................................................................................33
3.3.1 Medición del patrón de radiación.............................................................33
3.3.2 Medición de la ganancia de potencia......................................................38
viii
3.4 Conclusiones parciales. ....................................................................................41
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................42
Conclusiones ...................................................................................................................42
Recomendaciones .........................................................................................................42
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................43
ANEXOS ..............................................................................................................................45
Anexo I Plataforma graduada .................................................................................45
Anexo II Antena Uda-Yagi de tres elementos .......................................................46
Anexo III Antena Dipolo Doblado .............................................................................46
Anexo IV Montaje de las antenas .........................................................................47
INTRODUCCIÓN 1
INTRODUCCIÓN
La antena está presente en cualquier dispositivo transmisor o receptor de radio
donde desempeña determinadas funciones con exigencias habitualmente muy
elevadas. Parámetros tan importantes en un sistema de radio como la región de
cobertura o la precisión en la determinación de las coordenadas angulares de un
objetivo de radar, están determinados en buena medida por las características de
las antenas.
Por todo ello Antenas es una asignatura obligatoria en el plan de estudios de todo
ingeniero en telecomunicaciones y electrónica. Se trata, sin dudas, de una de las
asignaturas difíciles de la carrera, que exige del estudiante una base previa de
conocimientos y habilidades sobre la teoría del campo electromagnético y sobre
aspectos de la matemática de nivel avanzado. Además con cierta frecuencia se
proponen nuevos diseños, surgen nuevos métodos de análisis que permiten elevar
la exactitud de los cálculos lo que influye en la complejidad de la disciplina.
Por las razones anteriormente expuestas se hace necesario un espacio donde el
profesor y el alumno puedan intercambiar ideas, conceptos y comprobar teorías,
denominándosele Prácticas de laboratorio de Antenas.
La Ciencia es una actividad eminentemente práctica, además de teórica, lo cual
hace que en su enseñanza el laboratorio sea un elemento indispensable. Sin
embargo, a pesar de su papel relevante para el estudio de las mismas, en la
realidad apenas se realizan prácticas en los centros de enseñanza debido sobre
todo a la falta de recursos y excesiva extensión de los programas, lo que hace que
gran cantidad de estudiantes pasen por el sistema educativo sin realizar unas
prácticas reales.
INTRODUCCIÓN 2
Objetivos fundamentales de los laboratorios prácticos:
Fomentar una enseñanza más activa, participativa e individualizada.
Favorecer en el alumno el desarrollo de habilidades y la familiarización con el
manejo de instrumentos y aparatos.
Aumentar la motivación y comprensión de los conceptos y procedimientos
científicos.
Posibilitar la relación continua entre los estudiantes y entre estos y sus
profesores.
Objetivo general
Validar dos propuestas para la realización de las prácticas de laboratorio
real en la Asignatura de Antenas.
Objetivos específicos
Realizar la selección de los tipos de antenas que participarán en la práctica.
Proponer los métodos de diseño para los tipos de antenas seleccionados.
Realizar la simulación de los diseños utilizando el Software Mmana V 2.03.
Construir las antenas una vez que hayan sido simuladas.
Realizar la evaluación práctica del comportamiento de las antenas, al
medirle el patrón de radiación y la ganancia de potencia.
Organización del informe
En el capítulo # 1 se presentan un grupo de parámetros y teoría básica de las
antenas centrando la atención principalmente en las antenas Uda-Yagi, donde se
explica su funcionamiento y se exponen métodos de diseño. Posteriormente en el
capítulo # 2 se expone el diseño y los resultados de las simulaciones de las
antenas seleccionadas al utilizarse el software Mmana v 2.03. En el cap ítulo # 3 y
INTRODUCCIÓN 3
final se enfoca el trabajo en la práctica real para la medición del patrón de
radiación y la ganancia de potencia de estas antenas.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 4
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS.
1.1 Introducción.
La antena es un dispositivo radiotécnico destinado a la transformación eficiente de
ondas guiadas por una línea de transmisión en ondas no guiadas que se propagan
libremente en el espacio o viceversa, que cumple determinadas exigencias en
cuanto a sus propiedades direccionales, de impedancia, y de polarización en una
banda de frecuencias de trabajo [1].
De acuerdo con la definición de la IEEE la antena es la parte de un sistema de
transmisión o recepción destinada a radiar o recibir ondas electromagnéticas [2].
En general, las antenas actúan como transmisoras o receptoras indistintamente.
1.2 Parámetros de las antenas.
Las propiedades de las antenas se expresan mediante ciertos indicadores que
permiten determinar sus características de trabajo, establecer comparaciones
entre ellas y expresar las exigencias para su diseño y empleo en diferentes
sistemas de radio. Estos indicadores se denominan parámetros de las antenas.
Los mismos tienen un carácter cualitativo en cuanto expresan una cualidad de la
antena, y un carácter cuantitativo al expresar, mediante un coeficiente, la medida
de dicha cualidad con un cierto valor numérico. Hay, sin embargo, ciertas
propiedades de las antenas que deben expresarse generalmente en forma de
gráfico en función de una variable que puede ser la dirección en el espacio o la
frecuencia de trabajo.
Los principales parámetros y características que se deben tener en cuenta son:
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 5
Impedancia.
Resistencia de radiación y de pérdidas.
Eficiencia.
Resonancia.
Adaptación de impedancia y razón de onda estacionaria (ROE).
Ancho de banda.
Polarización.
Patrón de radiación.
Coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B).
Ganancia directiva y ganancia de potencia.
1.2.1 Impedancia.
El punto de conexión de la antena a la línea de transmisión, presenta propiedades
eléctricas que pueden caracterizarse en las frecuencias más bajas hasta la banda
de UHF mediante una impedancia; conocida como “impedancia del punto de
alimentación” o “impedancia de entrada” (Zen), que es, en general, una
combinación de resistencias y reactancias, simbolizadas mediante un resistor y un
inductor y/o capacitor que pueden representarse en serie o en paralelo según
convenga. Se dice “del punto de alimentación” porque su valor sería distinto si
cambiamos el punto de alimentación a otra parte de la antena.
La reactancia de la antena depende de sus dimensiones y geometría en relación
con la longitud de onda, pero también está bastante influida por el acoplamiento
mutuo con objetos o conductores cercanos, (es decir depende del campo cercano
que dicha antena genera) a veces colocados intencionalmente para lograr algún
resultado esperado, como los directores y reflectores en una antena direccional.
Esta impedancia depende, entre otras cosas, de la frecuencia de operación, del
tipo o forma de la antena, de su realización práctica (la longitud y número de sus
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 6
elementos, etc.), del lugar de emplazamiento, de la constante dieléctrica del
medio, etc.
1.2.2 Resistencia de radiación y de pérdidas.
Una antena ideal irradiaría toda la energía que recibe en forma de ondas
electromagnéticas. En las antenas reales parte de esta energía se pierde en forma
de calor.
Aunque la parte resistiva de la impedancia puede tener cualquier valor, podemos
representarla mediante dos resistencias “ficticias” que si fueran colocadas en lugar
de la antena permitirían representar el proceso.
• Una resistencia asociada a la energía que se ha irradiado al espacio en la
frecuencia de operación, conocida como “resistencia de radiación” (Rr).
• Una resistencia asociada a energía no irradiada, que se pierde o disipa en forma
de calor. Esta es la “resistencia de pérdidas” (RL).
En general la resistencia de pérdidas resulta de:
• Pérdidas en la resistencia propia de los conductores y/o bobinas que
eventualmente pudieran formar parte de la antena.
• Pérdidas en sus materiales aisladores (normalmente muy pequeñas con
materiales modernos).
• Pérdidas originadas por la absorción de energía por objetos cercanos que
afectan la antena por acoplamiento mutuo.
Matemáticamente, la resistencia de radiación es: Rr = P / I ² [Ohms].
Donde:
P: potencia radiada por la antena [Watts].
I: valor efectivo de la corriente de la antena en el punto de alimentación [Amperes].
Según lo anterior el circuito equivalente de una antena dipolo resonante consiste
en cuatro elementos en serie: una inductancia L, una capacitancia C y dos
resistencias (Rr y RL), como se representa en la figura 1.1.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 7
Figura 1.1. Circuito Equivalente de una antena dipolo resonante que representa su
impedancia.
Se representó a propósito la parte reactiva de la impedancia de la antena como un
capacitor en serie con un inductor, para dar la idea de que la antena dipolo
resonante según la frecuencia en la que opere puede ser, capacitiva o inductiva.
Es decir, si la frecuencia de operación es menor que la de resonancia, la
reactancia será capacitiva, y si es mayor la antena tendrá un comportamiento
inductivo.
1.2.3 Eficiencia.
Estas dos resistencias (Rr y RL), se relacionan directamente con un parámetro
importantísimo de la antena que representa su capacidad para convertir la energía
que recibe del trasmisor, en energía electromagnética irradiada en la frecuencia de
operación, este parámetro es la “eficiencia de la antena”: η = Rr / (Rr + RL)
[adimensional]. Así la eficiencia será más alta cuanto más baja sea la resistencia
de pérdidas en relación con la resistencia de radiación.
La eficiencia tiende a disminuir rápidamente cuando la longitud de la antena es
menor que media longitud de onda ya que la resistencia de radiación disminuye
rápidamente cuando se acorta la longitud de la antena, mientras que la resistencia
de pérdidas casi no cambia.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 8
1.2.4 Resonancia.
Se denominan “antenas resonantes” a aquellas que presentan en su punto de
alimentación una impedancia puramente resistiva a ciertas frecuencias (a fc o a
ciertos armónicos de esta), es decir que su reactancia es nula o casi nula; para
ello las reactancias capacitiva e inductiva tienen el mismo valor pero desfasadas
180º. Esto sucede, en las más senci llas, cuando su longitud es próxima a múltiplos
enteros de media longitud de onda y para un pequeño ancho de banda. La antena
será más corta físicamente (alrededor de un 5%) debido a la capacitancia
acumulada en los extremos de la antena (llamado “efecto de extremo”).
La condición de resonancia facilita la transferencia de la energía entre la línea y la
antena sobre todo cuando la Zo de la línea es similar a la resistencia del punto de
alimentación de la antena.
La máxima cantidad que irradia una antena tiene efecto cuando el máximo de
corriente fluye en la antena. En el caso de dipolos de media onda esto ocurre en la
parte media del dipolo y es por esa razón precisamente que en ese punto se
alimenta la antena. Como ya se vio, toda antena dipolo resonante puede
representarse como una combinación de resistencias y reactancias, el estudio de
circuitos RLC muestran que la máxima corriente fluye en un circuito serie cuando
las reactancias inductivas y capacitivas se cancelan y el circuito es resistivo puro,
es decir está en resonancia. La impedancia es igual a una pequeña resistencia y
la corriente está a su máximo. Exactamente pasa lo mismo con las antenas. Es
importante hacer que las antenas resuenen a la frecuencia de trabajo y debido a
ello obtenemos una corriente máxima y por lo tanto una máxima radiación.
1.2.5 Adaptación de impedancia y razón de onda estacionaria (ROE).
La adaptación de impedancia entre la antena y la línea, y entre esta y el trasmisor,
es quizás uno de los temas que más ocupan la atención en la problemática sobre
antenas, ya que como la antena deberá radiar el máximo de potencia posible,
habiendo un mínimo de pérdidas, se deberá adaptar la antena a la línea para una
máxima transferencia de potencia.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 9
La cuestión de la adaptación de impedancias está siempre enfocada en función de
la ROE, la que determina la cantidad de energía que no es convertida por la
antena en ondas electromagnéticas, sino que permanecen en la línea como ondas
estacionarias.
Cuando la impedancia de la antena no es igual a la impedancia característica de la
línea, no se transfiere toda la potencia de esta a la antena y aparecen ondas
estacionarias. Para evitarlas basta con adaptar la impedancia de la antena a la
línea, sea modificando convenientemente la antena o empleando dispositivos
especiales construidos a tal efecto.
En muchas antenas se encontrarán ingenios destinados a este propósito bajo la
forma de transformadores o dispositivos que reciben nombres como: Delta,
Gamma, Balun 4 a 1, entre otros tantos. Todos ellos comparten la propiedad de
transformar la impedancia de la antena en un valor tan igual a la Zo de la línea
como sea posible.
1.2.6 Ancho de banda.
El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias en que tiene
capacidad o aptitud para funcionar de acuerdo a lo esperado en algún aspecto que
nos interese. Es necesario especificar cuál característica estamos considerando,
podría ser el “ancho de banda de ganancia” refiriéndose al rango de frecuencias
en que la antena presenta una ganancia esperada, o el “ancho de banda de ROE”,
al intervalo de frecuencias en que la ROE sobre la línea esté por debajo de un
valor dado (normalmente menor que 2), también puede definirse un “ancho de
banda de impedancia” o que cumpla el requisito varios parámetros
simultáneamente en el rango de frecuencias deseado, y así sucesivamente.
1.2.7 Polarización.
Aunque una antena transmisora excita ondas radioeléctricas de tipo esférico, en la
zona de campo lejano, estas ondas radioeléctricas pueden considerarse como
ondas planas. La polarización de una onda es el ángulo que forma con el
horizonte la componente eléctrica de la onda. Dicha onda electromagnética puede
estar polarizada de forma lineal, si dicha componente permanece invariante en el
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 10
tiempo a medida que la onda se propaga, (horizontal o verticalmente), si la
componente eléctrica de la onda varía con el tiempo a una distancia fi ja, la
polarización puede ser elíptica o circular, dependiendo de cómo sea la variación.
Si una antena irradia una onda electromagnética polarizada verticalmente
(polarización lineal), la antena se define como polarizada verticalmente, si la onda
irradiada tiene polarización horizontal, la antena se define entonces como
polarizada horizontalmente. Si el campo eléctrico gira en un patrón elíptico, esta
polarizada elípticamente y si lo hace siguiendo un patrón circular, esta polarizada
circularmente. Que el campo sea paralelo o perpendicular al suelo influye mucho
en el desempeño de las antenas que se hallan en sus cercanías.
Generalmente la polarización será horizontal o vertical. En las antenas simples la
polarización coincide con la orientación del elemento irradiante. Las antenas que
irradian con polarización horizontal tienen pobre rendimiento cuando están a baja
altura, mientras que las verticales se desempeñan mejor. El efecto está
relacionado con la longitud de onda, de este modo, cuando la longitud de onda es
pequeña (frecuencias más elevadas), pueden permitirse alturas menores en las
antenas horizontales. La polarización de las señales una vez que han sido
irradiadas, puede variar a medida que atraviesan diferentes medios o sufren
reflexiones.
En el caso de la radiodifusión tanto de la TV comercial como de la FM, se utiliza
polarización horizontal de la onda, la que tiene como ventaja el hecho de
proporcionar menos ruido y perturbaciones además de permitir mayor alcance en
la transmisión.
1.2.8 Patrón de radiación.
Existen antenas que radían casi uniformemente en todas las direcciones, estas
son las llamadas antenas omnidireccionales, otras favorecen una determinada
dirección y se les llama antenas direccionales o directivas; para estas últimas se
establece el patrón de radiación, que no es más que un diagrama polar que
representa las intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias
posiciones angulares espaciales en relación con la antena.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 11
La figura 1.2 muestra el patrón de radiación vertical de un dipolo de media onda
montado verticalmente. Obsérvese que los dos lóbulos principales que irradian en
direcciones opuestas están en ángulo recto al eje de la antena.
Figura 1.2. Patrón de radiación vertical de un dipolo de λ/2 montado verticalmente.
Métodos computacionales de simulación de funciones matemáticas desarrollados,
permiten obtener el patrón de radiación en 3D (tres dimensiones) de una antena
como la anterior. Un patrón en 3D da una idea más clara de cómo radia la antena.
Un patrón de este tipo, correspondiente al dipolo anterior se muestra en la figura
1.3.
Figura 1.3. Patrón de radiación en 3D de un dipolo de λ/2 vertical.
1.2.9 Coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B).
Es una particularidad propia de las antenas directivas. Se expresa en dB. Su valor
indica hasta qué punto el lóbulo principal de radiación (por ejemplo el lób ulo de la
derecha en la figura 1.2) es más importante que el lóbulo posterior (que entonces
sería el de la izquierda). Por ejemplo las antenas Yagi de 3 elementos presentan
una (F/B) del orden de los 20 dB, mientras que las antenas parabólicas están en el
orden de los 60 dB.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 12
Decimos que una buena antena direccional debe estar equilibrada, es decir, tener
una buena G y también una buena (F/B). Si deseamos más G, la (F/B) se reduce
necesariamente y viceversa.
1.2.10 Ganancia directiva y ganancia de potencia.
La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia radiada en una
dirección en particular con respecto a la densidad de potencia radiada al mismo
punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas irradian la
misma cantidad de potencia. El patrón de radiación para la densidad de potencia
relativa de una antena es realmente un patrón de ganancia directiva si la
referencia de la densidad de potencia se toma de una antena de referencia
estándar, que por lo general es una antena isotrópica. La máxima ganancia
directiva se llama directividad (D max). Matemáticamente, la ganancia directiva es:
Gd = 10log (4πU)/Prad [dBi].
Donde:
Gd: ganancia directiva de la antena.
U: intensidad de radiación de la antena [W/sr].
Prad: potencia irradiada en algún punto por la antena [W/m²].
La ganancia de potencial es igual a la ganancia directiva, excepto cuando se tiene
en cuenta el total de potencia que alimenta a la antena (o sea, que se toma en
cuenta la eficiencia de radiación). Se supone que la antena indicada y la antena de
referencia tienen la misma potencia de entrada y que la antena de referencia no
tiene pérdidas (η = 100%). Matemáticamente, la ganancia de potencia (Gp),
cuando hay adaptación de impedancia es:
Gp = Gd η [dBi].
Si una antena no tiene pérdidas, irradia 100% de la potencia de entrada y la
ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva. La ganancia de potencia
para una antena también se da en deciBeles en relación con alguna antena de
referencia. Por lo tanto, la ganancia de potencia es: Gp = 10 log (4πU)/Ptotal [dBi].
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 13
Donde:
Ptotal: es la potencia radiada más la potencia de pérdidas, o sea :
Ptotal = Prad + Pper.
En el caso, bastante usual, que la antena este trabajando en condiciones de
adaptación de impedancia y que las pérdidas óhmicas sean despreciables
entonces: Gp = Gd = G.
1.3 Antena Uda-Yagi.
La antena Uda-Yagi es una antena direccional creada por el Dr. Hidetsugu Yagi de
la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda (de ahí el
nombre Uda-Yagi). Esta invención de quitar la tierra a las ya convencionales
antenas (groundbreaking), produjo que mediante una estructura simple de dipolo,
combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, logró
construir una antena de muy alto rendimiento.
Las antenas Uda-Yagi, o simplemente Yagi, son conjuntos de dipolos lineales,
como muestra la figura 1.4, en el que el denominado elemento activo, es
directamente energizado por una línea de transmisión, y los otros elementos
actúan como radiadores parásitos , cuyas corrientes son inducidas por
acoplamiento mutuo.
Figura 1.4. Configuración de una antena Uda-Yagi.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 14
A los elementos parásitos, situados delante del elemento alimentado y que
refuerzan el campo hacia adelante, se les llama “directores”. A los elementos
situados detrás y que también refuerzan el campo hacia adelante se les llama
“reflectores”. En ocasiones se utilizan como reflectores en lugar de elementos
lineales, superficies o planos reflectores que pueden adoptar diversas formas.
Para la configuración de dos elementos, el elemento parásito es utilizado
generalmente como reflector. El elemento activo no es más que un dipolo simple o
doblado.
Las antenas Uda-Yagi son muy utilizadas en aplicaciones de HF, VHF y UHF, por
ser de bajo costo, fáciles de construir y presentar características de radiación
razonables en la mayoría de los casos prácticos. Ellas son caracterizadas por
presentar elevada directividad, pudiendo llegar hasta 13 dBi, con baja impedancia
de entrada y ancho de banda estrecho, propiedades muy relacionadas a la
disposición y dimensiones de los dipolos.
El efecto de más de un elemento reflector en las propiedades radiantes de la
antena es despreciable. Sin embargo, el crecimiento de elementos directores, nos
conduce a resultados considerablemente mejores. Naturalmente, existe un límite
físico a partir del cual la inclusión de nuevos directo res no aporta mejoras en
términos de desempeño. El tamaño y separación del elemento reflector posee
relativamente poca influencia en la ganancia, afectando así la magnitud del lóbulo
trasero y la impedancia de entrada.
Las dimensiones del elemento activo están asociadas a la magnitud del lóbulo
trasero y a la impedancia de entrada, y producen poco sobre la ganancia. El
tamaño del elemento activo, en general, es escogido de forma que sea resonante
y la impedancia esencialmente real. Las dimensiones y separación entre los
elementos directores son los factores más sensibles para el proyecto de una
antena Uda-Yagi, pues afectan la ganancia, la magnitud del lóbulo trasero y la
impedancia de entrada.
Los elementos en la dirección del lóbulo principal, los directores, tienden a ser
menores en longitud que el elemento activo, El elemento reflector acostumbra a
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 15
ser ligeramente mayor en longitud que el elemento activo. Las distancias entre los
elementos no son necesariamente uniformes, mientras que la separación entre el
reflector y el elemento activo frecuentemente se toma menor que la separación
entre el elemento activo y el primer elemento director.
1.3.1 Funcionamiento de la antena Uda-Yagi.
En virtud del principio de reciprocidad, se puede demostrar que los parámetros de
una antena cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción. Se
explicará el funcionamiento de una antena Uda-Yagi en transmisión.
Como ya se ha mencionado, una antena Uda-Yagi está formada por un elemento
alimentado (conectado al emisor o a l receptor) formado por un simple dipolo o un
dipolo doblado llamado también radiador. Además de este elemento, la antena
tiene uno o varios elementos aislado llamados, elementos parásitos. La corriente
que circula en elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual
induce corriente en los elementos parásitos de la antena. Las corrientes inducidas
en esos elementos reirradian también campos electromagnéticos que a su vez
inducen corrientes en los demás. Finalmente la corriente que circula en cada uno
de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos. La
amplitud y la fase de esa corriente dependen de la posición y de las dimensiones
de cada elemento.
1.3.2 Métodos de diseño de la antena Uda-Yagi.
El diseño de una antena Uda-Yagi prácticamente se resume en calcular las
posiciones y las dimensiones de sus elementos de manera que las fases de las
corrientes resultantes sean tales que la adición fasorial de los campos sea mínima
hacia atrás y máxima hacia adelante. Eléctricamente, el costo de esta directividad
es una disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Se
compensa este inconveniente remplazando el dipolo alimentado por un dipolo
doblado, un “T” Match o un “Г” Match.
Existen básicamente dos métodos de diseño de este tipo de antena que ofrecen
resultados aceptables. El primero es el método de la femi [3]. Este tiene la ventaja
de que permite interiorizar el mecanismo de operación de la antena Uda-Yagi. El
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 16
segundo es un método tabular conocido como método de la NBS (Nacional
Bureau of Standard) [4], que nos da la posibilidad de llegar a soluciones de
ingeniería de una forma relativamente rápida y confiable, por basarse en
mediciones experimentales, no brindando resultados en cuanto a la característica
de impedancia.
Debido a la amplia bibliografía con la que se cuenta en relación a los métodos
antes mencionados, serán brevemente abordados en el presente trabajo.
1.3.2.1 Método de diseño de la NBS.
El método del Nacional Bureau of Standard de Estados Unidos provee un
procedimiento para determinar los parámetros geométricos de la antena Uda-Yagi
para una ganancia directiva determinada (sobre un dipolo de media longitud de
onda). El documento original sobre el cual se basa este procedimiento es:
Meter P Viezbiike, “Yagi Antenna Design”, NBS Technical Note 688, December
1976.
El núcleo del método de diseño se incluye en los siguientes datos:
Tabla 10.6 del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2]
que representa los parámetros de antenas optimizadas para seis ganancias
diferentes y para 2a/λ = 0.0085.
La figura 10.25 del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design
Tomo 2] que representa las longitudes no compensadas de los directores y
el reflector para 0,001 ≤ 2a/ λ ≤ 0,04.
La figura 10.26 del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design
Tomo 2] que suministra el incremento de longitud compensada para todos
los elementos parásitos (directores y reflector) como una función del
diámetro del boom (0,001 ≤ 2 aboom/ λ ≤ 0,04).
La información de entrada necesaria es:
Ganancia directiva.
Frecuencia central.
CAPÍTULO 1. PARÁMETROS Y TEORÍA BÁSICA DE ANTENAS . 17
Diámetro de los elementos parásitos.
Diámetro del boom.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 18
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN.
En el presente capítulo se proponen los diseños para las antenas usadas en el
montaje de las prácticas de laboratorios reales, se ha utilizado para ello la
herramienta de simulación virtual Mmana versión 2.03.
2.1 Breve descripción del software utilizado para la simulación virtual.
Existen varias herramientas computacionales que muestran el desempeño de una
antena en su fase de diseño y simulación con menor o mayor grado de exactitud
(muchas de las cuales constituyen programas senci llos que se ejecutan sobre
MSDOS) y de propósitos muy específicos, como lo puede ser el de la simulación
de una antena Uda-Yagi o un conjunto de dipolos.
En el presente trabajo se utiliza el Mmana, por sus ventajas y características. Este
programa se ejecuta perfectamente sobre Windows y no requiere de máquinas
sumamente potentes. Ofrece un ambiente de trabajo amigable al diseñador, se
ocupa principalmente del diseño y simulación de antenas de elementos lineales,
aunque una que incluya elementos curvos puede ser simulada con cierto grado de
complejidad en el momento del diseño. Brinda además la posibilidad de ver la
apariencia física de la antena en cada paso del proceso de diseño. Los elementos
de la antena son introducidos mediante las coordenadas de sus extremos,
pudiéndose hacer variaciones del diseño con rapidez.
Otra de las facilidades que brinda el Mmana, es la obtención y visualización de los
resultados. El diseño en cuestión se calcula para la frecuencia determinada por el
diseñador, la que debe estar dentro del ancho de banda de la antena para la
obtención de resultados de relevancia.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 19
En la ventana de diálogo aparecen los parámetros de la antena correspondientes
a esta frecuencia de simulación, entre los que se encuentran:
La impedancia.
La razón de onda estacionaria (ROE).
La ganancia directiva.
El coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B).
El ángulo de elevación.
La polarización.
El Mmana además ofrece la posibilidad de evaluar el comportamiento de varios de
los parámetros de la antena en un rango de frecuencias determinado, un análisis
como este fue realizado para las antenas que son objeto de estudio de este
trabajo.
La posibilidad de optimizar el diseño en cuestión, es una de las características del
Mmana que lo hacen una herramienta de uso profesional frecuente. Esta
optimización se puede realizar atendiendo a varios de los parámetros de la
antena. Consiste en variar las dimensiones de los elementos y las longitudes que
los separan y recalcular la antena para la misma frecuencia de simulación, con lo
que se busca lograr que la antena ofrezca mejores resultados en algunos de sus
parámetros, ya sea la razón de onda estacionaria (ROE), el coeficiente de
radiación trasera (Razón front to back) (F/B), la ganancia directiva, etc. Este
proceso ofrece grandes beneficios al diseño por las mejoras que se logran en la
mayoría de los casos, en cuanto al parámetro o parámetros optimizados.
Las limitaciones que presenta este programa son las siguientes:
Sólo puede modelar antenas compuestas de hasta 512 conductores.
Sólo puede modelar conductores desnudos. Cualquier antena diseñada
según los cálculos de Mmana pero fabricada con conductores provistos de
un revestimiento tendrá dimensiones mayores que las necesarias para la
resonancia.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 20
2.2 Antena Uda-Yagi.
En este ejemplo se muestra el diseño de una antena Uda-Yagi con una ganancia
directiva de 7,1 [dB] sobre un dipolo de media longitud de onda a 500 [MHz]. El
diámetro deseado de los elementos es de 8 [mm] y el del boom 2,4 [cm]. Se ha
determinado la cantidad de elementos, el espaciamiento entre ellos, longitudes de
los mismos y total del conjunto.
Solución:
A f0 = 500 [MHz], λ = 300/500 = 0.6 [m]. Así 2a/λ = 0.008/0.6 = 13.33*10-3
y 2aboom/λ = 0.024/0.6 = 0.04.
Desde la Tabla 1 [4] el conjunto deseado podría tener un total de 3
elementos (1 director, un reflector y un dipolo). Para un diámetro 2a/λ =
0,0085 las longitudes son: l3 = 0,442 λ y l1 = 0,482 λ. La longitud total de la
antena será L = (0,2 + 0,2) λ = 0,4 λ. Seguidamente se procede al cálculo
de las longitudes óptimas de los elementos parásitos para un diámetro 2a/λ
= 13.33*10-3.
Las longitudes optimizadas desde la Tabla 1 (l3 = 0,442 λ y l1= 0,482 λ) se
sitúan en la figura 2.2 [4] y se marcan con un punto (•) (curva “A”).
En la figura 2.2 se ha dibujado una línea vertical a través de 2a/λ = 0.01333
interceptándola con las curvas “A” para determinar las longitudes sin
compensar de l3’ = 0,436 λ y l1’ = 0,48 λ. Estos puntos se marcan con un
().
Se corrigen las longitudes de los elementos para el diámetro del boom. A
partir de la figura 2.3 [4] el diámetro 2aboom/λ = 0.04 requiere un incremento
en la longitud fraccional de cada elemento de 0,03 λ.
Así el resultado final es:
l3 = (0,436 + 0,03) λ = 0,466 λ.
l1 = (0,48 + 0,03) λ = 0,51 λ.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 21
Como los métodos de diseños de antenas son generalmente empíricos, de modo
que, aún después de calculado cuando lo simulamos siempre se deben hacer
ajustes de acuerdo a la experiencia en diseño o simplemente probando las
diferentes variantes.
Quedando las dimensiones de la antena de la siguiente forma:
Reflector: 283/600 λ = 0.4717 λ.
Elemento Activo (Dipolo doblado): 87/200 λ = 0.435 λ.
Director: 77/200 λ = 0.385 λ.
A continuación se muestra la imagen de la antena donde:
S1= 1/6 λ = 0.17 λ y S2 = 1/12 λ = 0.083 λ.
Figura 2.1. Antena Uda-Yagi.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 22
d/ = 0.0085
s12 = 0,2 Longitud de los elementos ( en )
Longitud reflector 0,482 0,482 0,482 0,482 0,482 0,482
l3 0,442 0,428 0,428 0,432 0,428 0,424
l4 0,424 0,420 0,415 0,420 0,424
l5 0,428 0,420 0,407 0,407 0,420
l6 0,428 0,398 0,398 0,407
l7 0,390 0,394 0,403
l8 0,390 0,390 0,398
l9 0,390 0,386 0,394
l10 0,390 0,386 0,390
l11 0,398 0,386 0,390
l12 0,407 0,386 0,390
l13 0,386 0,390
l14 0,386 0,390
l15 0,386 0,390
l16 0,386
l17 0,386
Espacia. e/directores 0,2 0,2 0,25 0,2 0,2 0,308
G (dB) 7,1 9,2 10,2 12,25 13,4 14,2
Curvas de diseño A B B C B D
Tabla1. Parámetros de antenas optimizadas para seis ganancias diferentes.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 23
Figura 2.2. Curvas de longitudes no compensadas de los directores y el reflector.
Figura 2.3. Curva de incremento de longitud compensada para todos los
elementos parásitos.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 24
2.3 Resultados de la simulación.
Dentro de los resultados que ofrece el Mmana en la simulación de antenas, se
encuentran la razón de onda estacionaria (ROE), la ganancia directiva, el
coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B), el patrón de radiación
y el comportamiento de la impedancia del punto de alimentación, en los cuales se
basará la comprobación de la antena diseñada.
2.3.1 Comportamiento de la ROE.
En el diseño óptimo de una antena se espera que la razón de onda estacionaria
(ROE) tome valores entre 1 y 2, dado que esta, determina la cantidad de energía
que no es convertida por la antena en ondas electromagnéticas radiadas o
recibidas, sino que permanecen en la línea como ondas estacionarias. Sobre todo
en antenas transmisoras, donde la potencia reflejada hacia el transmisor trae
consigo grandes inconvenientes como lo puede ser su calentamiento.
En la figura 2.4 se muestra el comportamiento de la ROE para la antena Uda-Yagi,
en el que los valores de la ROE varían entre 3.52 y 1.26, siendo 1.01 a 500 MHz.
En la figura 2.5 se grafica la del dipolo doblado, cuyos valores fluctúan entre 1.74 y
1.65 siendo 1.27 a la frecuencia central.
Figura 2.4. ROE vs. Frecuencia (Yagi de tres elementos).
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 25
Figura 2.5. ROE vs. Frecuencia (Dipolo doblado).
2.3.2 Comportamiento de la Gd y el F/B .
Dos parámetros importantes a la hora de valorar el desempeño de una antena lo
son la ganancia directiva (Gd), que no es más que la relación de la densidad de
potencia radiada en una dirección en particular con la densidad de potencia
radiada al mismo punto por una antena de referencia, mientras mayor sea la Gd
de una antena mejor recibirá y trasmitirá las señales.
El coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B) que es una
particularidad de las antenas directivas. Su valor indica hasta que punto el lóbulo
principal de radiación es más importante que el lóbulo posterior. Mientras mayor
relativamente sea el lóbulo principal la antena será más unidireccional.
El comportamiento de dichos parámetros para la antena Uda-Yagi, ante distintos
valores de frecuencia, se muestra en la figura 2.6, en la cual se observa como
varía la ganancia entre 6.06 y 7.21 dBi y el F/B entre -4.58 y 9.47 dB, tomando el
valor de 6.93 dBi y 9.26 dB respectivamente a 500 MHz.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 26
Figura 2.6. Comportamiento de la Gd y el F/B vs. Frecuencia (Yagi de 3
elementos).
En la figura 2.7 se ilustra la del dipolo doblado, cuyos valores se encuentran entre
2.17 y 2.33 dBi, siendo 2.26 dBi a la frecuencia central en el caso de la ganancia
directiva. El coeficiente de radiación trasera (Razón front to back) (F/B) es 0,
característico de este tipo de antena.
Figura 2.7. Comportamiento de la Gd y el F/B vs. Frecuencia (Dipolo doblado).
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 27
2.3.3 Comportamiento de la Impedancia de entrada (Zen).
El punto de conexión de la antena a la línea de transmisión, presenta propiedades
eléctricas que pueden caracterizarse mediante una impedancia; conocida como
“impedancia del punto de alimentación” o “impedancia de entrada” (Zen) como
también se le conoce, que es, en general, una combinación de resistencia y
reactancia.
En la figura 2.8 se observa gráficamente dicho comportamiento en el q ue la parte
real varía entre 92.89 y 239.6 Ω siendo 301.5 Ω a 500 MHz y la parte imaginaria
de -85.27 a 16.27 Ω cruzando por 0.862 Ω a fc en el caso de la antena Uda-Yagi.
En la figura 2.9 se ve como para el dipolo doblado la parte real va de 205.8 a
394.9 Ω tomando el valor de 301.3 Ω en los 500 MHz y la imaginaria de -102.7 a -
145 Ω siendo -72.11 Ω a la frecuencia central.
Figura 2.8. Comportamiento de la Zen vs. Frecuencia (Yagi de 3 elementos).
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 28
Figura 2.9. Comportamiento de la Zen vs. Frecuencia (Dipolo doblado).
2.3.4 Patrón de Radiación.
El patrón de radiación, no es más que un diagrama polar que representa las
intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones
angulares en relación con la antena.
En la figura 2.10 se muestra el patrón de radiación de la antena Uda- Yagi. Como
se puede observar, es bastante directivo en el sentido positivo del eje “x”.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 29
Figura 2.10. Patrón de radiación (Yagi de 3 elementos).
En la figura 2.11 se muestra el patrón de radiación del dipolo doblado. Como se
puede apreciar en la imagen, la directividad es baja.
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN 30
Figura 2.11. Patrón de radiación (Dipolo doblado).
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 31
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL
3.1 Introducción.
El propósito de este capítulo es montar en una práctica real los dos diseños
elegidos y obtener el patrón de radiación, así como la ganancia de potencia de la
Uda-Yagi tomando como referencia el Dipolo Doblado, buscando así comprobar el
buen funcionamiento de las antenas. Además mediante la ejecución de estas
prácticas en cursos posteriores, los estudiantes tendrán la oportunidad de
consolidar lo estudiado en la asignatura y familiarizarse con equipos que les
podrían ser útiles en su futura vida profesional.
3.2 Medios utilizados en la ejecución de las prácticas.
Generador de radiofrecuencia (RF).
Antena Uda-Yagi de tres elementos.
Antena Dipolo Doblado.
Plataforma graduada.
Analizador de espectros portátil Rohde & Schwarz FSH3.
3.2.1 Generador de radiofrecuencia (RF).
Este dispositivo de producción japonesa Modelo 4410C, trabaja en un rango de
frecuencia de 5 a 525 MHz. Esto posibilita utilizarlo como transmisor, ya que los
prototipos construidos fueron diseñados a 500 MHz, frecuencia que se encuentra
incluida en su rango de operación.
Parámetros más importantes:
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 32
Impedancia de salida: 50 Ω desbalanceada.
Frecuencia de salida: 5-525 MHz.
Nivel de señal de salida: 1 V (rms).
3.2.2 Antenas.
Para la transmisión (Tx) y recepción (Rx) en las comunicaciones es de capital
importancia el uso de antenas y este proyecto se basa en el estudio de las mismas
mediante prácticas reales. Cuenta con dos prototipos (Uda-Yagi de tres elementos
y Dipolo Doblado) que serán utilizados indistintamente en la transmisión y solo el
Dipolo Doblado en la recepción.
Estas antenas están diseñadas a 500 MHz donde no hay transmisiones en la
ciudad de Santa Clara. Se seleccionó una frecuencia alta para que la dimensión
de las mismas no fuera excesivamente grande, facilitando con ello el ensambla je
de las prácticas. Al mismo tiempo se optó por ellos porque son de fácil
elaboración, forman un conjunto compacto de relativo bajo peso y son simples
mecánicamente. Como el ancho de banda no es un parámetro importante en este
proyecto, estas antenas resultan excelentes.
3.2.3 Plataforma graduada.
El patrón de radiación no es más que un diagrama polar que representa las
intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones
angulares espaciales en relación con la antena. Para la medición de estas
posiciones fue necesaria la elaboración de una plataforma graduada, donde al
girar la antena se le hace coincidir con cada uno de los valores plasmados en
esta. La resolución escogida es de 5 grados por lo que se realizan 72 mediciones
en el giro total de la antena.
3.2.4 Analizador de espectros.
Un analizador de espectros es un equipo de medición electrónica que permite
visualizar en una pantalla las componentes espectrales en un espectro de
frecuencias de las señales presentes en la entrada. En este proyecto se utiliza el
modelo alemán FSH3, este presenta un rango de frecuencias de 100 KHz a 3
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 33
GHz, su resolución del ancho de banda es de 1 KHz a 1 MHz y la impedancia de
entrada es de 75 Ω desbalanceada.
3.3 Prácticas reales.
Figura 3.1. Diagrama en bloques del montaje de las prácticas.
Teniendo presente los dispositivos abordados anteriormente y tomando como
punto de partida el diagrama en bloques aquí expuesto, estos elementos serán
agrupados en dos bloques fundamentales:
Bloque 1: Esta parte del sistema se denomina Bloque de Transmisión y está
compuesto por cuatro elementos: un generador de RF, una línea de transmisión
(cinta bifilar de 300 Ω), una antena y la plataforma graduada que aunque no
participa de forma directa en la Tx si es necesaria para la conformación del patrón
de radiación.
Bloque 2: Este es el nombrado Bloque de Recepción, el cual está integrado por
tres componentes: la antena dipolo doblado, una línea de transmisión (cinta bifilar
de 300 Ω) y el analizador de espectros.
3.3.1 Medición del patrón de radiación.
En el desarrollo de la práctica empleando el generador de radiofrecuencia como
transmisor, se situó una señal a 500 MHz con un nivel de potencia de 70 dBμV,
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 34
esta le fue entregada a la antena en cuestión (en un primer momento la Uda-Yagi
y posteriormente el dipolo doblado) mediante la cinta bifilar de 300 Ω. En el
extremo opuesto a una distancia de 12 m y haciéndolo coincidir con el cero grado
de la plataforma graduada, se colocó un dipolo doblado y al mismo se le acopló el
analizador de espectros (mediante la cinta bifilar de 300 Ω) para así registrar el
nivel de potencia recibido.
Haciendo girar la antena transmisora, inicialmente la Uda-Yagi y más tarde el
Dipolo Doblado, se obtuvieron los resultados plasmados en las tablas 2 y 3
respectivamente, estos fueros normalizados y graficados (figura 3.3 y 3.5) de
forma radial para su más cómoda comprensión.
G Potencia
G Potencia
G Potencia
G Potencia
(dBμV) (N) (dBμV) (N) (dBμV) (N) (dBμV) (N)
0 26.9 0.99 90 5.2 0.19 180 16.5 0.61 270 4.7 0.17
5 26.4 0.97 95 5.7 0.21 185 16.6 0.61 275 6.0 0.22
10 27.0 1.00 100 6.2 0.23 190 15.4 0.57 280 7.1 0.26
15 26.8 0.99 105 7.3 0.27 195 15.8 0.58 285 10.1 0.37
20 25.4 0.94 110 6.7 0.25 200 14.7 0.54 290 13.1 0.48
25 25.6 0.94 115 8.1 0.30 205 13.7 0.51 295 15.1 0.56
30 24.8 0.92 120 7.5 0.28 210 13.8 0.51 300 17.4 0.64
35 24.2 0.89 125 8.8 0.32 215 12.6 0.46 305 18.7 0.69
40 23.4 0.86 130 9.4 0.35 220 11.7 0.43 310 20.8 0.77
45 20.9 0.77 135 9.6 0.35 225 10.6 0.39 315 21.7 0.80
50 20.5 0.76 140 11.5 0.42 230 8.6 0.32 320 22.4 0.83
55 19.2 0.71 145 12.6 0.46 235 8.1 0.30 325 24.2 0.89
60 16.9 0.62 150 13.6 0.50 240 7.5 0.28 330 24.8 0.92
65 15.4 0.57 155 14.7 0.54 245 6.8 0.25 335 25.6 0.94
70 12.6 0.46 160 15.4 0.57 250 6.7 0.25 340 26.4 0.97
75 9.6 0.35 165 15.3 0.56 255 7.3 0.27 345 27.1 1.00
80 7.6 0.28 170 16.2 0.60 260 6.4 0.24 350 26.2 0.97
85 5.0 0.18 175 15.9 0.59 265 6.0 0.22 355 27.1 1.00
Tabla 2. Potencia recibida utilizando la Uda-Yagi como antena transmisora.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 35
Figura 3.2. Patrón de radiación de la antena Uda-Yagi simulado con el software
Mmana.
Figura 3.3. Patrón de radiación normalizado utilizando la Uda-Yagi como antena
transmisora en la práctica real.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 36
G Potencia
G Potencia
G Potencia
G Potencia
(dBμV) (N) (dBμV) (N) (dBμV) (N) (dBμV) (N)
0 22.2 0.98 90 5.4 0.24 180 22.5 1.00 270 5.0 0.22
5 22.0 0.97 95 5.7 0.25 185 21.8 0.96 275 5.7 0.25
10 22.5 1.00 100 7.9 0.35 190 22.5 1.00 280 7.9 0.35
15 21.4 0.95 105 9.9 0.44 195 22.0 0.97 285 9.7 0.43
20 21.7 0.96 110 11.6 0.51 200 21.1 0.93 290 12.4 0.55
25 20.7 0.92 115 13.8 0.61 205 20.9 0.92 295 13.4 0.59
30 20.9 0.92 120 15.3 0.68 210 20.7 0.92 300 15.5 0.69
35 19.5 0.86 125 16.5 0.73 215 19.5 0.86 305 16.5 0.73
40 19.0 0.84 130 17.2 0.76 220 18.8 0.83 310 17.6 0.78
45 18.1 0.80 135 18.5 0.82 225 18.7 0.83 315 18.1 0.80
50 17.2 0.76 140 19.4 0.86 230 17.0 0.75 320 19.4 0.86
55 15.9 0.70 145 19.7 0.87 235 16.7 0.74 325 20.1 0.89
60 15.3 0.68 150 20.3 0.90 240 15.3 0.68 330 20.3 0.90
65 13.4 0.59 155 20.9 0.92 245 13.4 0.59 335 21.3 0.94
70 11.8 0.52 160 21.9 0.97 250 12.2 0.54 340 21.3 0.94
75 9.7 0.43 165 22.2 0.98 255 9.7 0.43 345 22.0 0.97
80 8.3 0.37 170 21.7 0.96 260 8.5 0.38 350 22.5 1.00
85 6.3 0.28 175 22.6 1.00 265 5.9 0.26 355 22.0 0.97
Tabla 3. Potencia recibida utilizando el Dipolo Doblado como antena transmisora.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 37
Figura 3.4. Patrón de radiación de la antena Dipolo Doblado simulado con el
software Mmana.
Figura 3.5. Patrón de radiación normalizado utilizando el Dipolo Doblado como
antena transmisora en la práctica real.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 38
Como se ha podido apreciar en la presentación de los patrones de radiación
obtenidos en la realización de la práctica real y los simulados con el software
Mmana, existe una gran relación, lo cual representa un resultado muy positivo en
relación con los objetivos estratégicos trazados.
3.3.2 Medición de la ganancia de potencia.
Utilizando el Dipolo Doblado como antena de referencia se mide en distintas
frecuencias la ganancia de potencia de la antena Uda-Yagi. Para ello se varía la
frecuencia en intervalos de 5 MHz desde 480 a 520 MHz, con la excepción en 510
MHz donde se encuentra en el aire en la ciudad de Santa Clara el canal 20 que
interfiere la señal. Todo se realiza a través del generador de RF, disponiendo de
un nivel de salida de 70 dBμV (3,16 mV) y manteniendo constante las longitudes
de las líneas de Tx, así como la altura y distancia entre las antenas para lograr la
mayor precisión posible.
Seguidamente se muestran en la tabla 4 los valores de potencia recibidos en el
analizador de espectros para ambas antenas en las diferentes frecuencias (figura
3.6).
f(MHz) PYagi(μV) PDipolo(μV)
480 21,79 13,23
485 22,37 13,15
490 22,56 13,08
495 22,47 12,99
500 22,25 12,91
505 21,96 12,80
510 Canal 20
515 21,34 12,53
520 21,08 12,39
Tabla 4. Potencia recibida a diferentes frecuencias con una y otra antena.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 39
Figura 3.6. Potencia recibida a diferentes frecuencias con una y otra antena.
Para determinar la ganancia de potencia de la antena Uda-Yagi respecto al Dipolo
Doblado se procede de la siguiente forma:
Gp = 20log (PYagi / PDipolo) [dB], donde:
Gp: ganancia de potencia de la antena Uda-Yagi.
PYagi: potencia que se recibe al transmitir con la Uda-Yagi [μV].
PDipolo: potencia que se recibe al transmitir con e l Dipolo doblado [μV].
Como la ganancia directiva de un dipolo de media longitud de onda es igual a
2.147 dBi, entonces:
Gp [dBi] = Gp [dB] + 2.147
En la tabla 5 aparecen plasmados los valores de ganancia de potencia en dB y dBi
calculados de la forma anteriormente expuesta a las diferentes frecuencias de
trabajo.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 40
f(MHz) Gp(dB) Gp(dBi)
480 4.33 6.48
485 4.62 6.76
490 4.73 6.88
495 4.76 6.90
500 4.73 6.88
505 4.69 6.84
510 Canal 20
515 4.63 6.77
520 4.61 6.76
Tabla 5. Ganancia de potencia en dB y dBi de la antena Uda-Yagi respecto al
Dipolo Doblado.
Figura 3.7. Ganancia de potencia de la Uda-Yagi en dBi; simulada(azul) y
medida(roja).
Por existir pérdidas debido a la eficiencia de las antenas y sus coeficientes de
reflexión que hacen que la ganancia de potencia difiera de la ganancia directiva,
CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LA PRÁCTICA REAL 41
no se puede establecer una fiel comparación entre ambos gráficos; sin embargo si
es posible apreciar la gran similitud en sus formas y valores.
3.4 Conclusiones parciales.
La medición de los parámetros reales de las antenas, se convierte en un proceso
difícil dadas los inconvenientes que se presentan durante la práctica real como
son:
Las interferencias a las que se enfrentan las mismas.
El estado técnico de los instrumentos.
Las condiciones físico-constructivas del laboratorio utilizado.
Es por ello que se deben tomar todas las medidas pertinentes para evitar daños a
los componentes que intervienen en la medición, ganar en agilidad para un
aprovechamiento máximo del tiempo y ser lo más estricto posible en el
cumplimiento de las normas o consideraciones para este tipo de prácticas. Para
citar algunos ejemplos:
Una vez que se hace girar la antena alejarse de la misma.
No cambiar de posición dentro del laboratorio.
Apagar todos los equipos que puedan afectar las mediciones.
Cumpliendo estos requisitos o consideraciones se puede medir el patrón de
radiación de las antenas anteriores así como la ganancia de potencia de la Uda-
Yagi para darle cumplimiento a los objetivos trazados.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 42
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Se logró una adecuada selección de las antenas.
Se utilizaron los métodos de diseño existentes para las antenas
seleccionadas.
Se realizó la simulación utilizando el software Mmana v 2.03.
Se construyeron los prototipos en la fábrica de antenas.
Se realizó la medición del patrón de radiación y ganancia de potencia a
través de las prácticas reales.
Recomendaciones
Introducir en los planes de estudio de la asignatura Antenas las prácticas de
laboratorio reales validadas en este trabajo.
Implementar otros tipos de diseños.
Continuar el desarrollo de las prácticas reales para fortalecer el desarrollo
de la asignatura.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 43
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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York, 1997.
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[9] BROWN, G. H. (1935) The Phase and Magnitude of Earth Currents Near Radio
Transmitting Antennas. QST.
[10] BUCHANAN, C. L. (1955) The Multimatch Antenna System. QST.
[11] CARON, W. N. (1999) Antenna Impedance Matching, Lt, America Radio Relay
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[12] GRANGER, J. T. B. A. J. V. N. (1961) "Omnidirectional VHF and UHF
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Systems, NJ, Prentice, Upper Saddle River.
[15] WIKIPEDIA (2007) "MMana"[En línea].Disponible en:
http://es.wikipedia.org/wiki/
MMana Accesado [13 de abril del 2010]
[16] Jiménez, R. (2004) “Antena Uda-Yagi. Métodos de diseño.” Conferencia # 8
del plan de estudio de la asignatura antenas. (2004), Santa Clara, Facultad de
Ingeniería Eléctrica, Universidad Central “Martha Abreu” de la Villas.
ANEXOS 45
ANEXOS
Anexo I Plataforma graduada
ANEXOS 46
Anexo II Antena Uda-Yagi de tres elementos
Anexo III Antena Dipolo Doblado
ANEXOS 47
Anexo IV Montaje de las antenas