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MICROONDAS- 208018 Actividad 14 Trabajo colaborativo III REMBERTO MORENO HERAZO Tutor de Curso Presentado por: MARLON ANDRES PINEDA MENDOZA 1.102.818.965 WILSON DE JESUS ARRUBLA HOYOS 1.102.822.945 ORLANDO DE LEON QUINTERO MONTERROZA 1.102.828.008 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA SINCELEJO NOVIEMBRE 2012

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TRABAJO COLABORATIVO 3 FINALIZADO

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Page 1: Trabajo Colaborativo 3

MICROONDAS- 208018

Actividad 14 Trabajo colaborativo III

REMBERTO MORENO HERAZO

Tutor de Curso

Presentado por:

MARLON ANDRES PINEDA MENDOZA

1.102.818.965

WILSON DE JESUS ARRUBLA HOYOS 1.102.822.945

ORLANDO DE LEON QUINTERO MONTERROZA

1.102.828.008

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

SINCELEJO – NOVIEMBRE 2012

Page 2: Trabajo Colaborativo 3

INTRODUCCION

Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación

específicamente diseñadas para radiar o recibir ondas electromagnéticas.

También se pueden definir como los dispositivos que adaptan las ondas

guiadas, que se transmiten por conductores o guías, a las ondas que se

propagan en el espacio libre. Los sistemas de Comunicaciones utilizan

antenas para realizar enlaces punto a punto, difundir señales de televisión o

radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles.

Utilizaremos el programa de de simulación 4NEC2X para hallar el patrón de

radiación y la impedancia de entrada de la antena. Con la antena Yagi

implementada y con su puesta a punto de funcionamiento, se validan los

resultados simulados adicional Se consultara las lecturas Complementarias de

la Unidad 3, para la recolección y organización de la Información y en aquellos

ítems donde se necesite una verificación de cálculos utilizando el recurso

virtual Simulación Cálculos de Antenas

.

Page 3: Trabajo Colaborativo 3

OBJETIVOS

Diseñar con el simulador 4NEC2X una antena YAGI de 4 elementos

Aprender a operar el simulador 4NEC2X.

Page 4: Trabajo Colaborativo 3

DIPOLO CUARTO DE ONDA

Una antena o "cuarto de onda" es una antena de de largo colocada

verticalmente sobre un plano dieléctrico o conductor que le sirve de reflector.

La imagen de la antena parece recorrida por una corriente que tiene el mismo

sentido que la de la antena real. El conjunto forma una antena pero que solo

radia, por supuesto, hacia arriba. Es preferible que el plano sea conductor,

porque un dieléctrico solo refleja bien las ondas electromagnéticas que cuando

la incidencia es rasante.

Pero en el buen lado del reflector (hacia arriba) el campo eléctrico y luego la

potencia por metro cuadrado es el mismo que el producido por un dipolo

alimentado con la misma corriente. Pero como la potencia total es la mitad de

la que emitiría el dipolo , la resistencia en serie de la impedancia de la antena

es igual a la mitad de la resistencia de un dipolo . Es decir

ohmios, ya que la parte reactiva también esta dividida por dos. La ganancia de

la antena es la misma que la de un dipolo o sea 2,14 dBi.

Cuando la tierra no es utilizable, como en un vehículo, se puede utilizar el techo

metálico de este mismo como plano de tierra. En otros casos se puede simular

un plano de tierra con una rejilla conductora o simplemente con varillas radiales

al pie del cuarto de onda. Ese tipo de antena se llama ground-plane.

Modificando la inclinación de las varillas se modifica también el diagrama de

radiación y, por supuesto, la impedancia.

Page 5: Trabajo Colaborativo 3

IMPEDANCIA DE UNA ANTENA

El valor de la impedancia de una antena es la resistencia que ésta presenta en

su punto de conexión a la señal de corriente alterna que le llega del transmisor

por la línea de transmisión. Esta impedancia debe ser igual a la impedancia de

la línea de transmisión para que haya una máxima transferencia de energía.

La impedancia se mide en ohmios y el valor adoptado universalmente para las

antenas de los equipos de radio es de 50 ohmios. Cuando la impedancia de la

antena es de un valor diferente se utillzan bobinas o transformadores con el fin

de acoplar esas impedancias.

Directividad

De acuerdo a su posición y forma, una antena irradia la energía entregada por

el transmisor en una disposición específica. Esta disposición recibe el nombre

de patrón de radiación o directividad. Según este parámetro, existen dos

grupos de antenas: Las antenas omnidireccionales, que son las que irradian las

Page 6: Trabajo Colaborativo 3

ondas en forma casi uniforme en todas las direcciones, y las antenas

direccionales, que concentran la energía en una sola dirección. Este patrón de

radiación se refiere teóricamente al espacio libre sin tener en cuenta los

obstáculos que pueda encontrar la señal.

Ganancia

Teniendo en cuenta el patrón de radiación, se dice que una antena tiene

ganancia no en el sentido que amplifica la señal recibida del transmisor, sino

que la concentra hacia una sola dirección, o que hace ver como si la señal

fuera emitida con una potencia mayor. Este es el caso de las antenas

direccionales que dirigen sus ondas hacia un sólo sector, llegando la señal

con más fuerza que si fuera emitida por una antena omnidireccional.

La ganancia de las antenas se mide en decibeles, que es la unidad de medida

adoptada para este tipo de parámetros. A mayor cantidad de decibeles, mejor

calidad de la antena. Para determinar la ganancia se establece la intensidad en

un punto, irradiada por una antena omnidireccional sin ganancia y la intensidad

de la señal emitida por la antena direccional. La relación de estas señales se

utiliza para obtener los decibeles de ganancia.

Page 7: Trabajo Colaborativo 3

Polarización

La polarización de una antena se refiere a la dirección del campo eléctrico

dentro de la onda electromagnética emitida por ésta. Las antenas verticales

emiten un campo eléctrico vertical y se dice que están polarizadas

verticalmente. Las antenas horizontales tienen, por lo tanto, polarización

horizontal.

Para que haya una buena comunicación entre dos estaciones, éstas deben

tener el mismo tipo de polarización. En el caso de la Banda Ciudadana, se

utilizan preferiblemente las antenas verticales tanto para las estaciones fijas,

como para las estaciones móviles.

Tipos de antenas para Banda Ciudadana

Los tipos básicos de antenas para Banda Ciudadana son: las de látigo

vertical, las coaxiales, las de plano de tierra y las de haces verticales.

Las de látigo vertical reciben ese nombre debido a su flexibilidad y movimiento,

y se utilizan principalmente en las instalaciones móviles o vehiculares. La

antena coaxial se usa principalmente para instalaciones fijas de base, pero se

utilizan en algunos casos para operación móvil. Su construcción es más

compleja y casi no se ha popularizado su uso.

Page 8: Trabajo Colaborativo 3

La antena de plano de tierra es la más popular entre los tipos básicos en todas

las instalaciones de Banda Ciudadan. Esta antena, en su forma básica, es

omnidireccional y no tiene ganancia. Sin embargo, con algunas modificaciones

se le puede introducir ganancia y hacerla semidireccional. Esta es la antena

más económica y con un rendimiento muy aceptable para comunicados locales

y aún internacionales. Estas antenas se utilizan especialmente en las

estaciones fijas o bases.

La antena de haces verticales está formada por varios elementos en forma de

parrilla o arreglo de varillas paralelas. En su forma es muy similar a las antenas

que se utilizan para los receptores de televisión; estas antenas reciben el

nombre de "YAGI", debido a que fueron ideadas por los japoneses Yagi y Uda.

Tipos de antenas para Radioafición

Los principales tipos de antenas que utilizan los radioaficionados en las bandas

de HF son la dipolo, la vertical, la direccional (YAGI) y la cúbica.

Page 9: Trabajo Colaborativo 3

La antena dipolo es la más sencilla que se puede construir y está derivada de

la forma fundamental de antena formada por un solo conductor cuya longitud

es igual a la mitad de la longitud de onda de la señal transmitida. Esta antena

está formada por dos conductores cuya longitud total es igual a la longitud de

media onda de la señal. Los conductores están aislados en los extremos de

cualquier superficie conductora y separados en el centro por otro aislador. De

estos dos terminales centrales se conecta la línea de transmisión que va al

equipo.

Debido a que, cada banda de HF (80 m, 40 m, 20 m, 10 m, etc.) tiene una

longitud de onda diferente, necesitaríamos una antena dipolo para cada una de

ellas, lo que ocuparía mucho espacio y haría muy difícil su conexión al

transmisor. Para superar esta dificultad, se pueden construir antenas dipolo

multibanda, es decir, que funcionen en todas las bandas y que tengan una sola

línea de transmisión. Existen básicamente dos formas para fabricar una antena

dipolo multibanda: en el primer caso se instalan varios dipolos utilizando los

mismos mástiles o soportes y el mismo cable coaxial; y en el segundo caso se

utiliza un solo alambre y el sistema de trampas sintonizadas, las cuales

corresponden a una serie de bobinas y condensadores.

Las antenas verticales se utilizan principalmente en casos de problemas de

espacio o montaje y para uso en vehículos de todo tipo. Existen dos tipos

básicos de antenas verticales: la antena vertical conectada a tierra y la antena

vertical con plano de tierra. La antena vertical conectada a tierra debe tener

una longiutd aproximada de media onda y la antena con plano de tierra se

puede construir con una longitud de un cuarto de onda, pero además posee en

su parte inferior unl plano de tierra formado por alambres gruesos o por tubos

de aluminio delgados que se distribuyen en forma radial. Este plano de tierra

metálico simula o reemplaza el efecto de la superficie de la tierra en el proceso

Page 10: Trabajo Colaborativo 3

de creación de las ondas electromagnéticas en la antena. Igualmente, estas

antenas verticales pueden ser construidas multibanda a través del uso de

circuitos resonantes (bobinas y consensadores intercalados) colocados en

puntos específicos de la antena.

Las antena direccional para radioafición más difundida es la tipo "YAGI",

compuestas por un elemento principal, derivado de la antena dipolo y de varios

elementos adicionales llamados parásitos, que reciben la energía por inducción

del elemento principal y refuerzan su transmisión en el mismo sentido.

En las antenas direccionales tipo YAGI la señal se concentra en una sola

dirección tanto de transmisión como de recepción. Se construyen con dos o

más elementos dependiendo de la ganan cia que se desee obtener. Los

elementos que están detrás del elemento principal se llaman reflectores y los

que están al frente se llaman directores.

En las antenas direccionales tipo YAGI también se utiliza el sistema de trampas

con el fin de recortar los elementos y facilitar así su construcción y montaje.

Estas antenas se instalan generalmente en una torre de hierro y tienen en su

parte central un soporte que va montado en un rotor o mecanismo giratorio

accionado desde el sitio donde se opera la estación. Allí por medio de un

control se ubica la antena hacia la dirección donde deseamos establecer uno o

varios comunicados.

Las antenas direccionales cuádricas o cúbicas están formadas por cuadros de

Page 11: Trabajo Colaborativo 3

alambre sostenidos por elementos aislantes en forma de cruz. Cada cuadro

tiene una longitud de un cuarto de onda por cada lado. En la configuración más

común se tienen dos cuadros; uno se utiliza como elemento principal o

excitador y el otro como reflector. Este tipo de antena es muy popular debido a

su fácil construcción, bajo peso y gran rendimiento para comunicados lejanos.

En cuanto a ganancia, se puede comparar una cúbica de dos elementos con

una YAGI de tres elementos. Este tipo de antena fue desarrollada por Clarence

Moore en 1942 cuando trabajó como ingeniero para la emisora HCIB en Quito,

Ecuador.

Una de sus principales limitaciones es su gran tamaño cuando se trata de la

banda de 40 metros y aún en la de 20 metros, por lo que se recomienda

inicialmente utilizarla en las bandas de 15 y 10 metros en configuración

multibanda.

Page 12: Trabajo Colaborativo 3

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD

Procedimiento:

Para esta práctica se utilizará el programa 4NEC2X que permite

simular la radiación de antenas.

Pulse sobre la ventana de presentación del programa y realice los siguientes

representaciones.

El software 4NEC2 cuenta con una interfaz gráfica donde el usuario tiene la

opción de introducir los valores de las longitudes de los elementos

y las distancias entre estos ya sea por medio de las coordenadas de los

elementos, o directamente dibujando la antena completamente en la interfaz. El

punto de resonancia de una antena es la frecuencia a la que la parte imaginaria

de la impedancia se anula (se hace 0). Esto ocurre a la frecuencia a la que la

antena tiene una longitud eléctrica de λ/4.

Obtener para unos nuevos valores de alimentación y frecuencia

donde se muestre el valor de la impedancia de entrada, el patrón de radiación

de plano vertical.

Los parámetros introducidos son: Frecuencia de trabajo = 1200 MHz Tensión

de Alimentación = 1 V.

Número de elementos = 4

Número del elemento Activo = 2

Radio de los elementos = 0.005 metros.

Junto con las respectivas longitudes de los elementos y las distancias entre

éstos:

Page 13: Trabajo Colaborativo 3

Longitud elemento 1 = 0.114 metros Longitud elemento 2 = 0.108 metros

Longitud elemento 3 = 0.1 metros Longitud

elemento 4 = 0.1 metros

Distancia entre elemento 1 y 2 = 0.0415 metros

Distancia entre elemento 2 y 3 = 0.0365 metros

Distancia entre elemento 3 y 4 = 0.0415 metros

En la ventana principal entramos a menú-> Settings y alli

escogemos

“geometric Edit” (ctrl+F3)

.

Aquí podemos dibujar la antena, y/o ingresar los datos de cada elemento.

Con F7 se activa la ventana para generar los datos de salida y aparecen en la

ventana Principal

Page 14: Trabajo Colaborativo 3

1 2 3 4

| [] | |

-------------------

| [] | |

Elemento 1

Largo: 114mm

Diámetro: 5mm

Elemento 2 (Segmento activo)

Largo: 108mm

Distancia a 1: 41.5mm

Distancia interior:7mm

Material: Alambre de cobre de 6mm de sección (5mm aprox diámetro)

Nota: el elemento 2 tiene forma de letra C acostada

elemento visto desde arriba

soldadura a la barra

_______________________________ __

/ \ | 7mm Interior

\______________ _____________/ __| 11mm Exterior

+ -

|_____________ 108mm ___________|

+ es el núcleo del coaxial

- es la tierra del coaxial

Elemento 3

Largo: 100mm

Distancia a 2: 36.5mm

Page 15: Trabajo Colaborativo 3

Diámetro: 5mm

Elemento 4

Largo: 100mm

Distancia a 3: 41.5mm

Diámetro: 5mm

Barra que une todos los elementos:

Barra de latón de largo suficiente para unir todos los elementos, y 6mm de

lado.

Descripción de la antena:

Aquí tenemos el Patrón de Radiación

Page 16: Trabajo Colaborativo 3

Diagrama de Smith para la antena:

Y por ultimo una descripción física en 3D para la antena diseñada:

Page 17: Trabajo Colaborativo 3
Page 18: Trabajo Colaborativo 3

CONCLUSIONES

Aprendimos a Diseñar con el simulador 4NEC2X una antena YAGI de 4

elementos

Aprender a operar el simulador 4NEC2X.

Conocimos a fondo este tema y aprendimos a operar este simulador tan

importante para nuestras carreras.

Page 19: Trabajo Colaborativo 3

BIBLIOGRAFIA

Modulo microondas UNAD Corozal 2009

http://www.swisswireless.org/wlan_calc_en.html#Presen