LÍNEAS Y ANTENAS Tecnología Antenas

Yuli Andrea Perdomo Perdomo, Walter Torres Villaquirá

Huila, Universidad Surcolombiana

Neiva, Colombia u2008171800@usco.edu.co

u2007166637@usco.edu.co

Abstract - la antena es una estructura transicional entre el espacio libre y un dispositivo guiado. En el siguiente informe se darán unas pequeñas definiciones de los materiales usados en el laboratorio, se mostraran los resultados obtenidos en las prácticas hechas en el laboratorio y se compararan los resultados dados.

I. OBJETIVO

El objetivo de esta práctica es comprender, visualizar y analizar la transmisión de señales desde una antena emisora hacia distintos tipos de antenas receptoras.

II. INTRODUCCION

Las antenas sirven para irradiar o recibir ondas electromagnéticas. Para ello éstas deben convertir la onda guiada de la línea de alimentación en una onda de espacio libre. En este trabajo observaremos el funcionamiento de una antena emitiendo y recibiendo una determinada señal en distintos ángulos. Este ejercicio fue realizado en el laboratorio con un solo tipo de antena emisora y con tres tipos diferentes de antena receptora: Antena Parabólica, Antena Dipolo y Antena Yagui; con esto observamos las características de radiación

III. BACKGROUND (Teoría)

A. Definición De Antena

Una antena puede definirse como un transductor es decir, aquella estructura asociada con la región de transición entre una onda electromagnética guiada (línea de transmisión) y una onda electromagnética plana propagándose en el espacio libre. B. Aspectos físicos de radiación

Antes de pasar a definir los parámetros básicos que describen a una antena, es importante explicar el comportamiento que toman las ondas electromagnéticas en este medio de transición. Para ejemplificar este proceso nos apoyaremos de la figura.1, la cual nos muestra claramente cómo se realiza la radiación o

recepción, de las ondas electromagnéticas. Aunque ambos procesos son inversos se llevan acabo de la misma manera.

Figura.1 Aspectos físicos que relacionan la separación de

campos eléctricos. Supongamos que una onda guiada (TEM), se propaga a lo largo de una línea de transmisión la cual se encuentra abierta en uno de sus extremos, al llegar al extremo final de esta línea de transmisión, la onda guiada (TEM) será radiada al espacio libre. En este caso la onda guiada (TEM) se propaga como una onda plana a través de la línea de transmisión, pero al llegar a uno de los extremos de la línea esta onda se va a propagar en el espacio libre como una onda esférica. (Ver figura.2)

Figura .2 La propagación de las ondas electromagnéticas al

espacio libre. Se puede decir entonces, que a lo largo de la parte uniforme de la línea, la energía es guiada como una onda plana de la cuál tiene pequeñas perdidas siempre y cuando la separación entre ambos alambres de la línea de transmisión sea soló una pequeña fracción de la longitud de onda de la señal. Ahora veamos que sucede en el extremo derecho de la línea de transmisión, cómo se puede ver en la figura.2, conforme la

separación entre los alambres de la línea de alimentación se aproxima a la longitud de onda de la señal o más, la onda electromagnética comenzará a ser radiada, de tal manera que los extremos de la línea de transmisión actúan como si fuera una antena, que tiene la capacidad de radiar ondas electromagnéticas al espacio libre. De acuerdo a lo anterior, una antena puede ser considerada como un dispositivo de transformación, la cual convierte fotones electromagnéticos en corrientes; o bien puede transformar la energía de un circuito en fotones y radiarlos al espacio. Entonces independientemente del tipo y tamaño de la antena ésta debe diseñarse para que reciba o radie la energía de la manera más eficiente. C. Parámetros básicos de una antena:

a. Resonancia. b. Resistencia de radiación. c. Patrón de radiación. d. Zona de campo de una antena. e. Área del Haz. f. Eficiencia del Haz. g. Intensidad de radiación. h. Directividad, ganancia y resolución. i. Abertura de una Antena. j. Abertura Efectiva. k. Abertura física y eficiencia de abertura.

D. Tipos de Antenas

Al hecho de que la operación de una antena es muy dependiente de su forma geométrica, hoyen día se cuenta con una gran variedad de formas y tipos de antenas. A continuación se resumen algunos de estos tipos de antenas. La Antena Dipolo:

Es el tipo de antena más simple, y una de las primeras antenas que se desarrollaron (por ejemplo este tipo de antena fue utilizada por Hertz y Marconi). Los dipolos y mono polos que generalmente se montan en una base plana, se usan a bajas frecuencias (HF,VHF y UHF) y se caracterizan por presentar una baja ganancia. El costo de fabricación es barato ya que su estructura geométrica es ligera y simple, además no presentan mayores problemas al acoplamiento con la línea de alimentación. Figura.3.

Figura .3 Antena Dipolo.

Antenas de abertura:

En la mayoría de los casos son secciones abiertas de una guía de onda (conocidas comúnmente como antenas del tipo horno o bocina), en otros casos pueden estar constituidas por extremos uniformes de guías de onda. Este tipo de antenas generalmente tienen una ganancia moderada y su empleo para recibir o transmitir señales es muy común en la banda de microondas. Figura.4.

Figura.4. Antenas de apertura

Antenas Impresas:

Son relativamente un nuevo tipo de antenas, las cuales consisten de conductores impresos en cinta microstrip o de un tipo similar de substrato. Estas antenas son compatibles con la nueva tecnología plana para microondas. Estas antenas generalmente tienen su campo de aplicación en frecuencias para microondas, aun cuando se caracterizan por tener bajas ganancias. Figura.5.

Figura.5. Antenas impresas

Antenas de Plato Reflector:

Este tipo de antenas se caracterizan por tener alta ganancia, debido principalmente al diseño del plato el cual concentra la mayor parte de la radiación en el alimentador que se ubica en el punto focal del plato reflector, y en la mayoría de los casos es del tipo parabólico o cilíndrico. La alta ganancia principalmente es una de las razones por el cual, se emplean reflectores de gran tamaño para captar o transmitir en la región de microondas. Aunque los platos reflectores son

relativamente fáciles de fabricar, estos pueden ser muy grandes y robustos por lo tanto difíciles de manejar. Figura.6.

Figura.6. Antenas de Plato reflector

E. Antenas a trabajar en el laboratorio [1] Antena parabólica con receptor

Figura.7. Antenas de Plato reflector

Las antenas reflectoras parabólicas proporcionan una ganancia y una Directividad extremadamente altas y son muy populares para los radios de microondas y el enlace de comunicaciones por satélite. Una antena parabólica se compone de dos partes principales: un reflector parabólico y elemento activo llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación aloja la antena principal (por lo general un dipolo o una tabla de dipolo), que irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector. El reflector es un dispositivo pasivo que solo refleja la energía irradiada por el

mecanismo de alimentación en una emisión concentrada altamente direccional donde las ondas individuales están todas en fase entre sí (un frente de ondas en fase).

[2] Antena dipolo de λ

Figura.8. Antena dipolo de λ

La antena dipolo es la más sencilla de todas. Consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión.

[3] Antena Yagui

Figura.9. Antena Yagui

Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan.

Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena Yagui puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por:

Para la antena Yagui de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de 0.15l, y entre el activo y el director es de 0.11l. Estas distancias de separación entre los elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí, bajando la ganancia.

Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho de banda angosto, ya que el elemento dipolar está cortado a una sola frecuencia que generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos de TV; es decir, del canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es posible cubrir varios canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razón se utiliza la denominada antena yagi de banda ancha, la cual puede cubrir varios canales a la vez aunque sacrificando la ganancia.

IV. DESARROLLO DE CONTENIDOS En el momento de realizar la práctica se tuvo en cuenta las siguientes recomendaciones dadas por el monitor de laboratorio:

Evite observar directamente la antena emisora. Esto es válido también para terminales libres de guías de onda y antenas de bocina.

Evitar acercar cualquier parte del cuerpo en el momento de transmitir la señal.

En caso de cambios en el montaje, en los que se cambia componentes de microondas, desconecte la alimentación de tensión del oscilador Gunn.

Se utilizaron los siguientes materiales: 1 Plataforma giratoria 737 405 1 Oscilador Gunn 737 01 1 Guía de ondas unidireccional 737 06 1 Modulador PIN 737 05 1 Antena de bocina grande 737 21 2 Bases de soporte MF 301 21 1 Juego de absorbente de microondas 737 390 1 Antena Yagui-Uda Laboratorio líneas y antenas 1 Antena dipolo 1 Antena parabólica con reflector Nuestro montaje se estaba de la siguiente manera:

Figura.10. Montaje del laboratorio.

Nota: La antena receptora va a realizar su movimiento giratorio aumentando 2°, en cada movimiento hasta completar los 360°. Vamos a utilizar tres antenas receptoras:

1. Parabólica con reflector.

Figura.11. Parabólica con reflector.

La plataforma marcha en avance. Este es el sentido en donde se lleva a cabo la propia medición del patrón direccional. Después de alcanzar el ángulo final prefijado, la plataforma inicia directamente el retorno hacia la posición inicial.

Los resultados obtenidos en CASSY son los siguientes:

Figura.12 Diagrama de radiación obtenido

Observamos que en CASSY el diagrama polar esta limitado a un radio máximo iguala 1, por eso la grafica sale incompleta.

Figura.13. Distribución de los lóbulos de radiación en una

parabólica

Emisor Antena Receptora

Contiene las Ondas enviadas

Plataforma Giratoria

Ordenador

Oscilador Gunn

Los resultados de la medición pueden ser comparados con sus diagramas direccionales teóricos, en el caso que se disponga de una fórmula apropiada o pueda ser deducida, y de esta forma calcular:

i. Ancho de Haz. ii. Relación delaten/atrás. iii. Directividad

Correspondiente a cada una de las antenas.

Longitud de onda (λ) de acuerdo a la frecuencia de operación:

휆 = 퐶푓 =

3 ∗ 109.6 ∗ 10 = 3.125푐푚

Ancho de Haz:

El ancho del haz entre los primeros nulos es el doble del ángulo anterior, es decir 2φ0. Cuando el ángulo entre nulos es muy pequeño como es el caso de aberturas grandes, pueden aplicarse las siguientes relaciones:

ɸo=70/Dλ Grados

En que Dλ = D/λ es el diámetro de la abertura expresado en longitudes de onda. En este caso el ancho del haz entre los primeros nulos es el doble de ɸo Por comparación, el ángulo entre los primeros nulos de una abertura rectangular grande, iluminada uniformemente está dado por:

ɸo=115/Dλ Grados

El ancho del haz en los puntos de media potencia (‐3dB) es:

ɸ-3dB=58/λ Grados

Relación delante/atrás

Es la relación entre la potencia radiada en la dirección principal y la potencia radiada en la dirección opuesta. En inglés este parámetro se denomina Front to Back Ratio F/B.

Punto de máxima ganancia en dB.

GMr= 6,57162070532045 dB θ= –86° Vmax = 45,2727828 mV Punto trasero Gt = -23,6706841938611 dB θT =180° – 86° = 94° Gaa= GMr – Gt = 6,571620 dB – (-23, 6706) dB = 30, 2423 dB Directividad

Ganancia a potencia media

푉푥 =푉푚푎푥√2

=45,27푚푉

√2= 32,01푚푉

퐺푎푛푎푛푐푖푎푀푖푡푎푑(푑퐵) = 6.57푑퐵 − 3푑퐵 = 3.57푑퐵 퐺푝푚 = 퐺푎푛푎푛푐푖푎푝표푡푒푛푐푖푎푚푖푡푎푑 = 3.57푑퐵. 휃푎 = −90°휃푏 = −80° HPWV = 10°

D: Directividad

퐷 =4휋

휃1 ∗ 휃2

퐷 =4휋

90 ∗ 휋180 ∗ (80 ∗ 휋

180)=

4휋2.193 = 5.73

En el archivo .rar adjunto a este pdf. Encontramos una carpeta llamada PARABOLIVA REFLECTORA allí encontraremos los datos generados por CASSY.

2. Dipolo de λ

Figura.14. Antena dipolo de λ

Observemos el diagrama de radiación que nos genero CASSY en el laboratorio.

Nota: Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:

Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.

Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación.

Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.

Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma un valor de 3dB por debajo del máximo. Es decir, la dirección en la que la potencia radiada se reduce a la mitad.

Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo

Figura.15. Diagrama de radiación

Observando el diagrama, presenta 4 lóbulos de tamaños similares, uno es mas grande, este presenta una ventaja sobre los demás y por ello afirmamos que en esa dirección la antena presenta la máxima Directividad. Parámetros característicos Punto de máxima ganancia en dB.

GMr= -5, 62 dB θ= 154° Vmax = 2, 73 mV

Ganancia a potencia media

푉푥 =푉푚푎푥√2

=2,73푚푉√2

= 1,93푚푉

퐺푎푛푎푛푐푖푎푚푒푑푖푎(푑퐵) = −5, 62dB − 3푑퐵 = −8, 62푑퐵 퐺푝푚 = 퐺푎푛푎푛푐푖푎푑푒푝표푡푒푛푐푖푎푚푒푑푖푎 = −8, 62푑퐵 De los datos, tomamos los ángulos de los 2 valores de ganancia que más se aproximan al valor de la ganancia de potencia media obteniéndose así que: 휃1 = 154°휃2 = 168° HPWV = 18°

Directividad

퐷 =4휋

휃1 ∗ 휃2

퐷 =4휋

154 ∗ 휋180 ∗ (168 ∗ 휋

180)=

4휋8,3 = 1,5

Ganancia Adelante/Atrás (Gaa) Para el lóbulo posterior tenemos: θT =180° – 50° =130° Gt = – 6, 60dB Gaa= GMr – Gt = –5, 62 dB – (– 6, 60dB) dB = 0, 98 dB En el archivo .rar adjunto a este pdf. Encontramos una carpeta llamada DIPOLO allí encontraremos los datos generados por CASSY.

3. Antena Yagui

Figura.16. Antena Yagui

La antena Yagui que utilizamos en el laboratorio a la hora de realizar la práctica era una antena de 9 directores, 1 reflector y un dipolo λ/2. Diagrama de Radiación obtenido de la práctica.

Figura.17. Antena Yagui

Parámetros de interés: Hallando el ancho de haz:

Para encontrar el ancho de haz del lóbulo principal de radiación primero debemos obtener el voltaje del patrón de radiación cuando cae a –3dB, o a 0.707 veces el valor máximo del lóbulo principal, debido a que es en ese instante donde encontramos el valor de la potencia media. De Figura.17 podemos encontrar que el voltaje máximo del lóbulo principal es aproximadamente 1,06 V por lo cual tenemos que el voltaje de –3dB es:

푉−3푑퐵 =1.04

√2≈ 0.73푉

Observando en los datos obtenidos en el laboratorio y buscamos los dos valores más cercanos para hallar los valores de intersección de potencia media encontramos que:

Angulo -108° Voltaje 0,7792V Angulo -68° Voltaje 0,7283 180 – 108= 72° 180 – 68= 112 퐴푛푐ℎ표푑푒ℎ푎푧 = 112− 72 = 40°

Relación adelante/atrás: Sabemos que el voltaje máximo es 1, 04 (en el lóbulo principal) y también sabemos que dicho valor se presenta en -86° entonces para hallar el voltaje máximo por atrás (en el lóbulo posterior) simplemente sumamos al ángulo del valor máximo principal, 180°, de modo que:

– 86+180= 94°

Buscamos en los datos obtenidos en la práctica de laboratorio el valor más cercano al calculado, para luego hallar la relación adelante/atrás tal como se muestra a continuación:

푎푑푒푙푎푛푡푒푎푡푟푎푠

= 20 log 1,04

0,16= 6,5푑퐵

Directividad Tenemos una antena isotrópica radia en forma esférica por lo que posee un ángulo solido de 4휋푟푎푑 = 41253푔푟푎푑 , y también sabemos que la antena Yagui posee sus ángulos a media potencia ∅ = −108°yα = −68°la directividad de la antena yagi puede expresarse en:

퐷 =41253∅훼 =

41253(−108)(−68) = 5.6172

Expresando el resultado anterior en decibeles tenemos la ganancia de Directividad:

퐺푑 = 10 log(5.6547) = 7.4952푑퐵 En el archivo .rar adjunto a este pdf. Encontramos una carpeta llamada ANTENA YAGUI allí encontraremos los datos generados por CASSY.

V. CONCLUSIONES

Nos podemos dar cuenta que hallando la Directividad sabemos que tanto alcance posee la antena. Esta enfoca toda la potencia en una dirección específica para lograr la mayor eficiencia de la antena.

El diagrama de radicación es de gran ayuda a la hora de calcular los parámetros de radiación de una antena, pues este nos proporciona los datos necesarios para realizar los cálculos a la hora de hallar cada uno de ellos.

El programa CASSY aunque es de gran ayuda a la hora de mirar los datos de determinada antena, posee ciertas varianzas entre los datos y el diagrama que proporciona.

Es muy importante detectar la Directividad de una antena a la hora de instalarla, pues así sabremos en que dirección recepciona mejor la señal transmitida.

Según los datos obtenidos podríamos concluir que tiene mejor recepción las antenas Yagui y parabólica que la antena Dipolo.

REFERENCIAS

[1] Antenna Theory, Analysis and design (Constantine A.

Balanis) [2] http://es.scribd.com/doc/94339896/capitulo3-balanis-

espanol [3] http://wndw.net/pdf/wndw-es/chapter4-es.pdf [4] http://personales.unican.es/perezvr/pdf/Antenas%20con%

20Reflector%20Parabólico_V4.pdf