OBJETIVOS DEL EJERCICIO
Despues de completar este ejercicio, usted estara familiarizado con las antenas de cuadros de longitud A y con las caracterfsticas de las antenas de cuadros pequenos.
PRESENTACION
Antenas de cuadros de onda completa
Las antenas de cuadros con una longitud igual a A (antenas de cuadros de onda completa) resultan muy utiles porque presentan valores razonables de ganancia e impedancia de entrada. Estas antenas vienen de muchas formas: circular, cuadrada, rectangular y formato losange (diamond). Todas las formas proporcio- nan diagramas de radiacion y ganancias mas o menos equivalentes.
Distribucion de corriente a lo largo de una antena de onda completa
La clave para entender el diagrama de radiacion de las antenas de cuadros de onda completa se encuentra en comprender la distribucion de corriente a lo largo del cuadro y como los campos resultantes se suman o anulan.
Consideremos una antena de cuadro circular de longitud A en el piano x-y. La ubicacion del punto de alimentacion, que puede encontrarse en cualquier parte del cuadro, influenciara el diagrama de radiacion.
Supongamos que el punto de alimentacion se encuentra en la mitad inferior del eje. Pensemos tambien que el cuadro esta partido en dos partes iguales y desplegado a lo largo del eje x, tal como lo ilustra la figura 2-11. Esta figura muestra que la distribucion de corriente sigue la forma de una onda coseno con un maximo en el punto de alimentacion.
Antenas de cuadros
DISTRIBUC10N DE CORRIENTE
X CUADRO DESPLEGADO
PUNTO DE ALIMENTACION
Figura 2-11. Distribucion de corriente a lo largo de una antena de cuadro desplegado de longitud A.
La figura 2-12 muestra la distribucion de corriente en la antena circular y como los campos resultantes se suman o anulan. En este caso, se suman tanto en las direcciones -i-y, -y como en las +z, -z, pero se anulan en la direccion +x, -x.
LOS CAMPOS SE ADICIONAN EN LA DIRECCION +Y x EN LA LOS CAMPOS SE ANULAN EN LA DIRECCION -X
H M
H H
LOS CAMPOS SE ADICIONAN EN LA DIRECCION+ZO YEN LA DIRECCION-Z®
2-18 LOS CAMPOS SE ADICIONAN EN
LA DIRECCION -Y
Figura 2-12. Distribucion de corriente en una antena de cuadros circular de longitud A. DISTRIBUCION DE CORRIENTE
CUADRO
^_______ LOS CAMPOS PLANO E SE ANULAN
Diagra ma de radiaci on de las
antenas de cuadros de onda completa
Cuando de la antena de cuadros se trata, hay tres pianos que interesan: los pianos E, H y el del cuadro, que es el que contiene la antena. Para ilustrar dichos pianos, consideremos una antena de cuadro cuadrado.
Antenas de cuadros
ejey
A
eje x
eje z
Figura 2-13.Antena de cuadro cuadrado.
Supongamos que el cuadro de la antena esta fijado verticalmente frente a nosotros en el piano x-y. Pensemos tambien que el eje z nos esta apuntando, tal como lo ilustra la figura 2-13. Al comparar el cuadro con el dipolo alimentado en el centra, se puede ver que los pianos x-z, y-z y cuadrado representan los pianos E, H y x-y, respectivamente.
El diagrama de radiacion teorico del piano E (piano x-z) se representa en la figura 2-14(a). Para medirlo, el cuadro se debe rotar alrededor del eje y, tal como lo ilustra la figura 2-14(b).
Antenas de cuadros
Y A
(a) (b)
Figura 2-14. a) Diagrama de radiacion segun el piano E de una antena de cuadros de onda completa; b) Rotacion necesaria para medir el diagrama de radiacion segun el piano E.
Y
f*
2-20 Figura 2-15.a) Diagrama de radiacion segun el piano H de una antena de cuadros de onda completa; b) Rotacion necesaria para medir el diagrama de radiacion segun el piano H.
Para medir el diagrama de radiacion segun el piano H (piano y-z), que aparece en la figura 2-15(a), el cuadro se debe rotar airededor del eje x, tal como Io ilustra la figura 2-15(b).
Antenas de cuadros
Finalmente, para medir el diagrama de radiacion en el piano del cuadro (piano x-y), que aparece en la figura 2-16(a), el cuadro se debe rotar alrededor del eje z, tal como lo ilustra la figura 2-16(b).
Ahora vamos a considerar mas atentamente los diagramas de radiacion teoricos en los pianos E, Hy del cuadro, representados en las figuras 2-14(a), 2-15(a) y 2-16(a), respectivamente. Aunque los diagramas de los pianos E y del cuadro son similares, sus amplitudes son diferentes. Como se vio en la figura 2-12, la resultante en el centra del cuadro proviene de la adicion de los campos producidos por las corrientes en fase. Fuera del eje y del cuadro, los campos tambien se suman, pero con una pequena diferencia de fase. En consecuencia, el campo en el piano del cuadro resulta 3 dB mas debil que aquel del piano E.
Y i
(a) 0»
Figura 2-16. a)Diagrama de radiacion en el piano del cuadro de una antena de cuadros de onda completa; b) Rotacion necesaria para medir el diagrama de radiacion en el piano del cuadro.
Polarizacion
Las figuras 2-17 (a) y (b) muestran la corriente que circula en la antena de cuadros en dos instantes distintos. En las mismas figuras se puede apreciar que en la direccion x las corrientes de ambas mitades del cuadro se suman, mientras que en la direccion y se anulan. Por esta razon, la onda del piano E esta polarizada en la direccion y.
Antenas de cuadros
y y
4---1—»- x
LAS CORRIENTES DE POLARIZACION SE ADICIONAN EN
X LAS CORRIENTES DEPOLARIZACION
SE ADICIONAN EN X
2-22 Figura 2-17. Polarizacion del piano E en la direccion x.
En la practica, esto significa que si el cuadro esta en posicion vertical y su punto de alimentacion se encuentra arriba o abajo, la onda E se polariza horizontalmen-te.
/ \ 1 LAS CORRIENTES
4---1---}—+- x > DE POLARIZACION
Por otro lado, si el cuadro tiene la misma posicio n y su punto de aliment acion esta del lado derech o o izquier do, dicha onda se polariz ara verticai mente.
Impedancia, ganancia y abertura
La resistencia de entrada de una antena de cuadros baja a aproximadamente 100 Q cuando la longitud del cuadro se aproxima a A. Con esta longitud, la reactancia de entrada cae a un valor muy bajo. En estas condiciones la antena de cuadros es muy util y tiene un ancho de banda razonable. La antena tiene una ganancia cercana a 3,09 dB, menor que los 3,82 dB del dipolo de onda completa pero mas alta que los 2,15 dB correspondientes al dipolo de media onda. Por consiguiente, su abertura teorica se encuentra entre los 47° del dipolo de onda completa y los 78° del dipolo de media onda.
Antenas de cuadros pequenos
Las antenas de cuadros pequenos son las que tienen una longitud de aproximada- mente A/8, o menos. Su diagrama de radiacion es totalmente diferente de aquel que corresponde a las antenas de cuadros de onda completa y resultan muy utiles en aplicaciones especiales, tal como la radiogoniometria.
Debido a que la longitud del cuadro es mucho menor que la longitud de onda, la corriente se puede considerar en fase en todo el cuadro, tal como lo ilustra la figura 2-18. A causa de lo anterior, el campo electrico en el eje z es igual a cero. Esto es diferente para un cuadro de onda completa en que su campo electrico es mucho mas fuerte en la direccion del eje z.
Figura 2-18. Corriente en una antena de cuadros pequefios.
En todas las direcciones que no sean la del eje z, el diagrama de radiacion tiene un valor diferente de cero, como el dipolo corto. En realidad, el cuadro pequeno es el doble del dipolo corto, es decir, que podrfa reemplazarse por este ultimo localizado en el origen, y a lo largo del eje z, sin que el diagrama de radiacion cambie.
La resistencia de entrada de la antena de cuadros pequenos es muy baja, del orden de una fraccion de ohmio.
Resumen del procedimiento
En este ejercicio, usted observara la relacion entre el punto de alimentacion de la antena de cuadro y su polarizacion. Trazara el diagrama de radiacion de la antena y utilizara el dipolo A/2 como referenda para calcuiar su ganancia. Por ultimo, estudiara la relacion entre la forma de una antena de cuadros y su directividad.
PROCEDIMIENTO
Montaje del equipamiento
D 1. Los elementos principales del Sistema didactico y de medicion en antenas, es decir, la Interfaz para la adquisicion de datos / Fuente de alimentacion, el
Generador RF, el Orientador de antena y la computadora, se deben montar
correctamente antes de comenzar este ejercicio. Si aun no lo hizo, consulte la Seccion 4 del Manual del usuario del Sistema didactico y de
medicion en antenas para realizar el montaje.
2-23
Antenas de cuadros
Antenas de cuadros
□ 2. Coloque un mastil para antena con clips horizontaies en el soporte de transmision. Mediante los clips fije la antena Yagi en el mastil, orientada para una adquisicion segun el piano E. Conectela en la SALIDA, de la seccion OSCILADOR 1 GHz del Generador RF, utilizando el cable tipo SMA mas largo.
□ 3. Utilizando el conector del cuadro sin balun (el mismo que se empleo con el dipolo plegado) y el cuadro cuadrado de longitud A, monte una antena de cuadros.
□ 4. Coloque el otro mastil para antena con clips horizontaies en el soporte deslizante del Orientador de antena. Fije la antena de cuadros en el mastil.
Utilizando el soporte deslizante, cerciorese de que la antena este alineada con el centra de rotacion del Orientador de antena y orientada como lo ilustra la figura 2-19.
Enrosque el atenuador de 10 dB en la entrada RF, ubicada en la parte superior del Orientador de antena. Conecte la antena en el atenuador empleando el cable tipo SMA mediano.
^^P
=0=
Figura 2- 19. Montaje de ia antena de cuadros.
□ 5. Separe las antenas entre si' una distancia r = 1 m. Luego ajustelas de manera que queden a la misma altura y enfrentadas.
Antenas de cuadros
□ 6. Realice los ajustes siguientes:
En el Generador RF
MODO DEL OSCILADOR 1 GHz ...1 kHz POTENCIA RF DEL OSCILADOR 1 GHz...NO EMITE POTENCIA RF DEL OSCILADOR 10 GHz...NO EMITE
Encienda la computadora e inicie el software LVDAM-ANT.
Encienda el Generador RFy la Fuente de alimentation.
Diagrama de radiacion
□ 7. Coloque el interruptor POTENCIA RF, de la seccion OSCILADOR 1 GHz del Generador RF, en la posicion EMITE. Ajuste el nivel de atenuacion en 6 dB. Usted debe mantener este nivel durante todo el ejercicio.
Inicie la adquisicion y almacene el diagrama de radiacion como piano E en la caja de datos antenal.
□ 8. Rote la antena receptora de manera que el cuadro quede perpendicular al montaje anterior, tal como Io ilustra la figura 2-20. Lleve a cabo una adquisicion y almacenela como piano E en antena2.
Figura 2-20. Segundo montaje con ia antena de cuadros.
Antenas de cuadros
□ 9. Retire el mastil para antena con clips horizontales del soporte deslizante y reemplacelo por otro mastil que tenga los clips verticales. Mediante los clips fije la antena de cuadros en este nuevo mastil y reemplace el cable mediano por uno corto. No modifique la orientacion de la antena Yagi. Consulte la figura 2-21.
Inicie una adquisicion y almacene el diagrama como piano E en antena3.
Figura 2-21. Tercer montaje con la antena de cuadros.
□ 10. Compare las tres adquisiciones. Teniendo en cuenta la orientacion de la antena de cuadros en cada caso y la orientacion de la antena Yagi, i,encuentra que los resultados obtenidos confirman la teorfa? i,Cual montaje permite la adquisicion segun el piano E? Explique.
cuadros
Retire el mastil con clips verticales y reemplacelo por el mastil que tiene los clips horizontales. Instate la antena en el mastil, como lo ilustra la figura 2-19, y rote la antena Yagi para que quede polarizada verticalmente.
Lleve a cabo una adquisicion del diagrama de radiacion segun el piano H y almacenelo en la caja de datos antena3.
Despues de ajustar las PMS en 0°, utilice los botones E-H y 3D para observar las representaciones en el espacio de los diagramas de antena3.
Una vez que guardo el contenido almacenado en la caja de datos antena3, imprima los diagramas de radiacion de la antena de cuadros en las configuraciones 2D y 3D.
Anchura del haz de potencia mitad y ganancia
□ 13. Calcule la anchura del haz de potencia mitad de la antena de cuadros segun el piano E.
AHPME =________°
D 14. Retire el mastil para antena con clips horizontales del soporte deslizante y reemplacelo por el que tiene los clips verticales. Tambien substituya la antena de cuadros con un dipolo A/2. Conectela en ei Orientador de
antena utilizando el cable corto. Rote la antena Yagi para que quede
polarizada horizontalmente.
Lleve a cabo una adquisicion y reemplace el diagrama del piano E de antenal por este nuevo diagrama de radiacion.
□ 15. Compare los pianos E del dipolo y las antenas de cuadros. De la ganancia (en dBi) de la antena de cuadros.
Forma y directividad
□ 16. Retire el cuadro cuadrado del conector. Monte una nueva antena con el cuadro circular y ffjela al mastil. Luego, orientela para realizar una adquisicion segun el piano E (consulte la figura 2-21).
Adquiera el diagrama de radiacion, luego substituya el diagrama segun el piano E de la antenal con esta ultima adquisicion.
Antenas de
□ 11.
Antenas de cuadros
D 17. Retire la antena de cuadro circular y reemplacela por una de formato diamond. Lleve a cabo una adquisicion del diagrama de la antena y almacenelo como piano E de la antena2.
□ 18. Observe la semejanza entre los diagramas de radiacion segun el piano E de estas tres formas diferentes de antenas de cuadros. Esta semejanza, iconfirma la teorfa? Explique.
□ 19. Si piensa utilizarlo mas adelante, asegurese de guardar el diagrama de radiacion y luego saiga del software LVDAM-ANT. Coloque todos los interruptores de alimentacion en la posicion O (apagado), pare la computadora, desmonte el equipamiento y guarde nuevamente todos los componentes en sus compartimientos de almacenaje.
CONCLUSIONES
En este ejercicio, usted observo la relacion entre el punto de alimentacion de una antena de cuadros y su polarizacion. Trazo los diagramas de radiacion de una antena de longitud Ay calculo la anchura del haz de potencia mitad de la misma. Asimismo, comparo esta antena con el dipolo A/2 para calcuiar su ganancia. Por ultimo, observo que la forma de la antena de cuadros no tiene una influencia importante sobre su directividad.
PREGUNTAS DE REVISION
1. Describa la distribution de corriente a lo largo del alambre de la antena de cuadros de longitud A.
2. Se desea montar una antena de cuadros de longitud A para recibir una serial de 28 MHz polarizada verticalmente. Describa esta antena.
Antenas de cuadros
Se monta una antena de cuadros de longitud A empleando un cable cuya impedancia es 50 Q. Calcule la ROE y luego determine que porcentaje de la potencia se transmite (consulte el Ejercicio 1-5 para las ecuaciones).
4. Se desea utilizar una antena de cuadros pequenos para recibir la misma serial que en la pregunta 2. ^Cual sera la longitud maxima del cuadro de dicha antena? Explique.
5. Explique por que decimos que la antena de cuadro pequeno es el doble del dipolo corto.