I Antenas
Fundamentos de
las antenas
30857-02iiiiiiiiiiiiiiiiiiiinii
30508^ ?02<i3 S4 \: ■ \Antenas
Fundamentos de las
antenas
ANTENAS
FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS
por
el personalde
Lab-Volt (Quebec) Llda.
Copyright © 1998 Lab-Volt Ltda.
Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicacion puede ser reproducida, de ninguna forma ni por ningun medio, sin la previa autorizacion escrita de Lab-Volt Quebec Ltda.
Deposito legal — Segundo trimestre de 1998 ISBN 2-89289-393-9
PRIFflERA EDICION, ABRIL DE 1998
Impreso en Canada Abril de 1998
ANTENAS
FUNDAMENTOS DE LAS ANTENAS
por
el personalde
Lab-Volt (Quebec) Llda.
Copyright © 1998 Lab-Volt Ltda.
Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicacion puede ser reproducida, de ninguna forma ni por ningun medio, sin la previa autorizacion escrita de Lab-Volt Quebec Ltda.
Deposito legal — Segundo trimestre de 1998 ISBN 2-89289-393-9
PRIFflERA EDICION, ABRIL DE 1998
Impreso en Canada Abril de 1998
Indice
Introduccion ... VII
Unidad 1 Familiarizacion con las
antenas de base ...1-1
Ejercicio 1-1 Diagrams de radiacion
de un dipolo A/2 en 1 GHz ...1-3
Ejercicio 1-2 Diagrama de radiacion de una guia
de ondas abierta en 10 GHz...1-23
Ejercicio 1-3 Ganancia de las antenas de
bocina piramidales...1-39
Ejercicio 1-4 Experimentos con dipolos A/2.
A y 3W2...1-55 Ejercicio 1-5 Antena de dipolo plegado de media onda y
trans-formacion de impedancia
con balunes...1-71
Unidad 2 Experimentos con diferentes tipos de
antenas...2-1
Ejercicio 2-1 Antenas monopolos...2-3
Ejercicio 2-2 Antenas de cuadros...2-17
Ejercicio 2-3 Polarizacion circular y antenas
helicoidales...2-31
Ejercicio 2-4 Red de antenas con elementos
parasitos (Yagi-Uda)...2-47
Unidad 3 Red de antenas y microbanda...3-1
Ejercicio 3-1 Redes de antenas:
La antena de ranura ...3-3
Ejercicio 3-2 Tecnologia de las microbandas:
La antena de placa rectangular...3-19
Ejercicio 3-3 Red planar de microbandas...3-37
Bibliografia
Nosotros valoramos su opinion
Si bien la humanidad siempre se ha esforzado porencontrar nuevos medios de comunicacion, hace muy poco que somos capaces de utilizar las ondas radioelec-tricas para ese fin.
En 1886, el f isico alernan Heinrich Hertz demostr6 expertmentalmenle la exislencia de las ondas electromagneticas. Las ecuaciones matematicas de James Clerk Maxwell ya predecian la extstencta de esas ondas. En su trabajo, Hertz construyo diferentes tipos d€ antenas, incluyendo las antenas dipolo y de cuadro.
El descubrimiento de las ondas electro magneticas y la rapida evolucion de las radios y antenas aiunciaron la llegada de una nueva era de las comunicaciones. En la actualidad se emplean diferentes tipos de antenas en una gran variedad de aplicaciones. En la realidad, el empleo de las antenas es tan generalizado que a veces su uso se considera normal. Sin embargo, muchas de eltas poseen caracteristicas muy particulars y son el fruto de gran cantidad de consideraciones de diseno.
El Sistema dida'ctico y de medicidn en antenas de Lab-Volt, junto con los manuales que dicho sistema incluye, tienen como finalidad explicar los principios esenciales de los diferentes tipos de antenas y mostrar a los estudianles la forma de medir y comparar sus carccteristicas fundamentales.
Introduccion
Este manual de laboratorio forma parte del Sistema didactico y de medicion en
antenas de Lab-Vol:. Juntos, el manual y el sistema, proporcionan las
caracteristi-cas e instrucciones practicaracteristi-cas para la construction de diferentes tipos de antenas. Permiten. ademas. que el estudiante realice mediciones cuantitativas sin necesidad de emplear instrumentos de medicion costosos.
El manual esta dividido en tres unidades. La Unidad 1, Familiarizacidn con las
antenas de base, introduce dos lipos de antenas basicas y permite que el
estudiante aprenda a medir las caractensticas importantes.
La Unidad 2, Expenmentos con diferentes tipos de antenas, presenta las antenas que se usan normaimente y sus caracterfslicas.
La Unidad 3. Red ae antenas y microbanda, introduce el concepto de tecnologia de las microbandas, una tecnica de punta empleada para la fabrication de antenas pequehas y polivalentes como las utilizadas en muchas aplicaciones aeronauticas y militares.
Reflexiones
Durante la realization de las mediciones, la serial transmitida puede ser reflejada por distintos objetos que se encuenlren en el camino de propagacibn, pudiendo influir en los resultados. Incluso, objetos que no esten directamente en dicho camino pueden reflejar parte de la serial transmitida. Para reducir esas reflexiones, asegurese de que el lugar elegido para llevar a cabo los ejercicios este libre de obstaculos y objetos metalicos. Para obtener los mejores resultados, realice esos ejercicios en una cemara anecoica.
Precauciones con los campos RF
Cuando se estudian las antenas es muy importante desarrollar buenos hSbitos de seguridad. Aunque las microondas son invisibles, pueden resultar peligrosas cuando sus niveles son elevados o los tiempos de exposition muy largos. La regla de seguridad mas importantes cuando se trabaja con equipamiento de microondas es evitar la exposition a niveles peligrosos de radiaci6n.
Los niveles de radiation del Sistema dida'clico y de medicion en antenas son muy bajos como para resultar perjudiciales. Normaimente, la potencia irradiada por el
Generador RF es 2 mWa 1 GHzy 10mWa 10 GHz. En comparacibn, un teleiono
celular irradia 300 mW a 850 MHz.
Para desarrollar esos buenos ha'bitos de seguridad, usted deberia, cuando es posible, colocar el interruptor POTENCIA RF en la position NO EMITE antes de colocarse frente a la antena transmisora. Ademas, evite mirar directamente en direction a una fuente emisora de microondas, tal como una guia de ondas o antena de bocina.
Unidad 1
Familiarizacion con las antenas de base
OBJETIVOS DE LA UNIDADDespu^s de completar esta unidad, usted estara familiarizado con dos tipos de antenas basicas: la anlena filiforme y la antena de abertura. Asimismo, tomara" conocimiento de muchas caracien'siicas importanies de las antenas, tales como, diagrarna de radiacion, abertura. ganancia, impedancia y polarizacion.
FUNDAMENTOS
El estudio de las antenas incluye la medicion y comparacion de las caracteristicas fundamentals de dilerentes tipos y familias de antenas. En esta unidad. el dipolo se utiliza como ejemplo de una antena filiforme y la de bocina como el de una antena de abertura.
Las dimensiones de una antena dependen de la frecuencia de operacion o longitud de onda. Poi esta razbn, en general, sus dimensiones vienen dadas en longitudes de onda.
En el prime' ejercicio de esta unidad. se analiza el diagrarna de radiacion y la anchura del laz de potencia mitad de la antena dipolo de media longitud de onda (W2) funcionando a 1 GHz.
El segundo ejercicio se ocupa de estudiar el diagrarna de radiaci6n de una guia de ondas abierta y definir varios terminos utiles. Esta es una preparacion importante para realizar el Ejercicio 1-3. que presenta la antena de bocina piramidal. En ambos ejerccios se empfea la gama de 10 GHz.
En el cuarto sjercicio se analizan las antenas dipolo de longitudes diferentes y se muestra como la longitud incide en el diagrarna de radiacion y la impedancia de entrada de la antena.
El quinto ejercicio presenta un tipo especial de dipolo: el dipolo plegado. En la realidad, esta antena consiste en dos dipolos paralelos conectados formando un bucle estrecho. Este tipo de antena puede considerarse como una antena de elementos multiples, o una red, y se presta muy bien para estudiar la transforma -tion de la impedancia.
Ejercicio [-_
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
OBJETIVOS DEL EJERCICIODespues de completar este ejercicio, usted estara familiarizado con el diagrama de radiacion de una antena dipolo de media longitud de orida (A/2) en los pianos EyH.
PRESENTACION
Una antena es un dispositivo Que sirve para la transmision o recepcion de las ondas radioelectricas. Las antenas son los elementos de transicion entre las guias de ondas, o lineas de transmision. y el espacio libre.
En general, una antena dada se puede utilizar para transmits o recibir una senal y su orientacion es muy irnportante. Durante la recepcion, la intensidad de la senal recibida sere mas fuerte en determinadas direcciones. Si la misma antena se emplea para transmitir una serial, en algunas direcciones radiara mas potencia que en otras. En consecuencia, para la misma antena. las direcciones de las maximas potencias transmitida y recibida coinciden.
Una fuente isotropica es una antena hipotetica omnidireccional, es decir, que emite con igjal intensidad en todas las direcciones. Aunque en la practica no exista una antena isotropica perfecta, el concepto resulta muy util para el estudio de las antenas, proporcionando una referencia practica para el analisis de sus propiedades direccionales.
La antena dipolo y el dipolo ideal
El dipolo es un tipo de antena muy simple que consiste en dos varillas o alambres alineadas, talcomo lo ilustra la ligura 1-1. El largo de esta antena es L. El centro del dipolo esla" conectado al trarismisor a traves de una Ifnea de transmision.
El transmisorsuministra una serial de corriente alterna a la antena. En un momento dado, la corriente I entra por uno de los terminates del dipolo y sale por el otro, tal come- lo ilustia la figura. Luego, se invierte la direccidn de la corriente.
La distribucion de corriente, es decir, la magnitud de la corriente alterna que circuia a lo largo de la antena dipolo no es uniforme. Es cero en los extremos y puede ser muy elevada en el centro y otros puntos, dependiendo de ia longitud del dipolo y la frecuencia de la serial proveniente del transmisor.
Diagrama de radiacion de un dipolo X/2 en 1 GHz
AL ---.---
TRANSMISOR---*---LINEA DE TRANS MlSldN
Figura 1-1. Antena dipolo.
Un dipolo ideal es otra antena hipotetica que resulta de gran ulilidad para el estudio de las antenas. Se lo puede considerar como un dipolo de longitud infinitesimal con una distribution de corriente uniforme. Desde el punto de vista etectrico, las caracterfsticas leoricas de un dipolo ideal se aproximan a aquellas de las antenas dipoloselectricamente pequenas.
Diagramas de radiacion
Un diagrama de radiacion es una representacion grafica tridimensional de las propiedades de radiacion de campo lejano de una antena, en funcidn de las coordenadas espaciales. El campo lejano es una region sufidentemente alejada como para que el diagrama de radiacion resulte independiente de la distancia a partir de la antena. Si se conoce la distribucion de corriente do una antena en particular, es posible medir experimentalmente. o calcular, su diagrama de radiacion.
El diagrama de radiacion de una antena representa la distribucion de energia en funcion de ia direccion de la senal transmitida por esa antena. Es decir, dicho diagrama muestra s\ nivel relativo de la potencia transmitida en funci6n de la direccion. Aunque siempre se usa la expresion diagrama de "radiacion", dicha expresion tambien se aplica a las antenas receploras. El diagrama de recepcion de una antena es igual a su diagrama de radiacion. Esta es una regla general, conocida como el teorema de la reciprocidad.
Si bien el diagrama de radiacion completo es una funcion tridimensional, en general las representaciones en dos dimensiones bastan para caracterizar las propiedades direccbnales de una antena. En la mayoria de tos casos, los dos diagramas de radiacidn se miden en pianos perpendiculares entre si\ Uno de esos pianos se elige de manera que resulte paralelo al campo electrico y el otro paralelo al campo magnetico. Esos pianos se llaman, respectivamente, piano E y piano H (consultar la figura 1-2).
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
El diagrama de radiacion en uno de los pianos se puede medir haciendo rotar la antena en ese piano y midiendo, al mismo tiempo, el nivel de potencia recibido en funci6n de la orientation de ta antena. Para obtener un diagrama valido y resultados sin errores, el enlorno circundante debe estar libre de todo objelo que pueda reflejar la serial transmitida hacia la antena en esiudio.
CAMPO MAGNETICO
Figura 1-2. Piano E (y-z) y piano H (x-y) de un dipolo.
La figura 1-3 ilustra el diagrama de radiacion segun el piano E de un dipolo ideal. Este diagrama muestra que el dipolo ideal es direccional porque su radiacion es mas intensa en algunas direcciones que en otras. El diagrama de radiacion segOn el piano H se representa en la figura 1-4. En este piano la radiacion es uniforme.
1-5 CAMPO
ELECTRIC O
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
1-6 Figura 1-3. Diagrama de radiacion teorico del piano E para un dipolo ideal. *- V
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
La anchura del haz de potencia mitad (AHPM) de una antena es la separacion angular de los puntos en la abertura principal, donde la potencia es igual a la mitad (-3 dB) de la radiada en la direccidn de la potencia maxima.
AHPM = ieWPMh*-e AHPM Ml
(D
La AHPM de un dipolo ideal correspondiente al piano E es 90c. como se indica en
lafigura 1-3.
Una antena dipolo real tiene una longitud L iinita. Las longitudes mas comunes son: A/2. A y 3A/2, donde A es la longitud de onda de la serial. La distribucion de corriente en un dipolo A/2 tiene una forma semi sinusoidal, tal como lo ilustra la figura 1-5. La corriente es muy alta en el centro. decreciendo hasta hacerse cero en los extremos.
■7-i
Figura 1-5. Distribucion de corriente en un dipolo A/2.
La figura 1-6 muestra los diagramas de radiacion. segun el piano E, de un dipolo A/2 y de un dipolo ideal. EI dipolo A/2 tiene una AHPM de 78; en el piano E. por lo tanto, es ligeramente
mas direccional que el dipolo ideal- El diagrama, segun el piano H, para una antena dipolo A/2 es circular, como se indica en la figura 1-4.
Diagrama de radiacion de un dipolo X/2 en 1 GHz
Figura 1-6. Diagrama cte radiacion segun dipolo
ideal (linea do trazos). piano E de un dipolo V2 (linca conttnua) y de un
Si conside ramos el campo lejano, la polariza cion de una antena describ e la directio n en el espacio
del campo electrico de la onda electromagnetica transmitida por la antena. Mas precisamente, la polarizacion de la antena describe la direccidn en que la intensidad del campo es maxima.
Muchas antenas estan polarizadas linealmente, es decir. durante un ciclo el desplazamiento del vector que representa el campo electrico describe una linea recta en el espacio. Se dice que tales antenas estan polarizadas horizontalmen-te o verticalmente. Tambien existen otros tipos de polarizaciones llamadas circulares o elipticas. Estas se veran en un ejercicio posterior.
Muchas veees es posible deducir la polarizacion de una antena a partir de su geometria. En el caso de las antenas filiformes, compuestas de uno o varios elementos alineados paralelamente entre sf (por ejemplo. dipolos y antenas Yagi), se puede aceptar que el campo electrico esta polarizado linealmente y que es paralelo a los elerrentos. Otros tipos de antenas tambien estan polarizadas linealmente, aunqueesto no resulte evidente a partir de su geometria. Es el caso de las antenas de bocina, de cuadros y ranuradas.
Diagrama de radiacion de un dipolo X/2 en 1 GHz
POLARIZACION POLARIZACION
VERTICAL HORIZONTAL
DIRECCIONOEL CAMPO ELECTRICO
TIER R A
Figura 1-7. Polarizacion de una antena dipolo.
A fin de obtener la mas alta calidad posible de la serial recibida, es importantc que la atitena receptora tenga la misma polarizacion que la serial entrante. Cuando se tiene una perdida de serial a causa de una pobre alineacion de \a polarizacion (por ejemplo, uns sehal polarizada verticalmente recibida por una antena polarizada horizontalmente). se habla de aislamienio por polarizacion cruzada.
Resumen del procedimiento
En este ejercicio montarci un dipolo A/2 en 1 GHz y rnedira su diagrama de radiacion segun los pianos E y H. Usted se familiarizara con el concepto de polarizacidn para las antenas Yagi y dipolo. Utilizara el comando Cursores del software LVDAM-ANT para calcular la anchura del haz de polencia mitad de la antena dipolo A/2.
PROCEDIMIENTO
Montaje del equjpamiento
D 1. Los elementos principals del Sistema didactico y de medicidn en antenas. es decir, la
Interfaz para la adquisicion de datos / Fuente de alimentation, el Generador RF, el Orientador de antena y la computadora. se deben montar correctamente antes de
comenzar este ejercicio. Si aun no Ic hizo, consulte la Seccion 4 del Manual del usuario del Sistema didactico y de medicidn en antenas para realizar el montaje.
□ 2. Coloque el mastil para antena con clips horizontales en el soporte de transTtision y sujete la antena Yagi con los clips de dicho mastil. Oriente los elementos para que queden horizontales; la antena transmisora esta polarizada horizontalmente, lal como lo ilustra la figura 1-8.
1-9 DIPOLO
Diagrama de radiacion de un dipolo X/2 en 1 GHz
Figura 1-3. Montaje de la antcrta Yagi polarizada horizontaImente. Conecte el cable tipo SMA mas largo en la SALIDA de la seccion OSCILADOR 10 GHz del GeneradorRF, luego conecte la antena Yagi.
3. Ulilice la ecuacion siguienle para calcular la longitud de un dipolo A/2 en 1 GHz. Observe que la frecuencia exacta de transmision del
Genera-dorRFes 915 MHz.
-7
donde c es la velocidad de la luz,
f es la frecuencia de transrnisi6n.
A_ =
m
luego A/2 =
m
Para calcular correctamente la longitud de la antena, se deben considerar tanto la relacion del largo del conductor a su radio y el efecto en los
extremes (carga en las puntas de los alambres) como la desadaptacion de
impedancia debida a la presencia del balun. Para respetar estas conside-raciones, se debe reducir la longitud de la antena. En este case, una longitud de 0,45 A, en vez de 0.50 X, es una buena aproximacion.
Luego
0,45 A ■
m
1-10
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
□ 4. Utilizando como referenda los resultados de los calculos. seleccione el par aptopiado de afambres para armar el dipolo X/2. Ajuste la longitud del dipolo de acuerdo con el ultimo resultado, tal como lo ilustra la figura 1 -9.
Figuta 1-9. Moniaje de un dipolo W2.
D 5. Coloque el mastil para antena con clips verticales en el soporle deslizante del
Orieniadorde antena y sujete el dipolo V2 con dichos clips; la anlena esta
polarizada horizontaimente. Utilice el soporle deslizante para asegurarse de que la antena este alineada con el centro de rotacion del Orientador de
antena. Consulte la figura 1-10 para verificar el montaje.
Diagrama de radiacion de un dipolo X/2 en 1 GHz
Figura 1-10. Montaje de la antena receptora polarizada horizontalmonte.
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 mas corto.
□ 6. Separe las antenas entre si' una distancia r = 1 m. Luego ajustelas de manera que queden a la misma attura y enfrentadas. Consulte la figura 1-11.
y/A....
1-12 Figura 1-11. Distancia r entre las antenas,
Diagrama de radiacion de un dipolo X/2 en 1 GHz
□ 7. Realce 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 RF y la Fuente de altmeniacidn.
Adquisicion de un diagrama de radiacion y polarizacion
□ 8. Coloque el interruplor POTENCIA RF. de la secci6n OSCILADOR 1 GHZ del
Generador RF, en la posicion EMITE.
Utilice el control Atenuacion para optimizar la adquisicion del diagrama de radiacion (consulte la Seccion 4 del Manual del usuario).
D 9. Inicie la primera adquisicion.
Despues de completar la adquisicion, coloque el interruptor POTENCIA RF del Generador RF en la posicion NO EMITE.
Almacene el diagrama de radiacion como piano E en la caja de datos antenal. Utilice el cuadro Resumen de intormaciones para identificar correctamente el diagrama.
OrierSe el diagrama de manera que la PMS {posicion maxima de la senal) este en 0°.
□ 10. Gire la antena transmisora de manera que quede perpendicular a su posicion inicial, tal como lo ilustra la figura 1-12. No modifique la orientacion de la antena receptora.
Nota; No olvide de desenroscar los conectores antes de girar
una antena. Cuando esta quede orientada conectamonle, enrosque los conectores firmemente entre si a Un de evitar perdidas de potencia.
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
1-14 Figura 1-12. Rotacion de la antena transmlsora.
Mantenga el mismo nivel de atenuacion. Inicie una nueva adquisicion y almacene esie diagrama como piano E en la caja de datos antcna2.
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
D 11. Retire la antena dipolo y cambie el mastil receptor por uno que tenga clips horizontals. Instale el dipolo A/2 en el masttl, tal como lo ilustra la figura 1-13. Utflfce el cable tipo SMA mediano para conectar la antena en el atenuador ubicado en la parte superior del Orientador de antena.
Nota: Depcndiendo de su posicidn en ei espacio, el cable
receptorpuede captar parte de la serial transmitida. Para evitar posibles distorsiones durante el trazado de los diagramas de radiacidrt. algunas veces tendra que altemar entre los cables corto y mediano para conectar la antena receptora. Intenle mantenef el tramo mas corto posibfe entre la antena y ef detector. Ademas, a fin de asogurar una buena simetria trate de instalar e! cable de manera qiie este quodc lo mas cerca posible del mastil. La figura 1-14 nostra la forma correcta de instalar dicho cable. Esto le penwitir& obtener trazados mas confiables de los di&gramas de radiacion.
O 12. Utilizando el mismo nivel de atenuacion, lleve a cabo otra adquisicion y almacene el diagrama como piano H en la caja de datos antena!.
Oriente el diagrama de manera que la PMS este en 0\
□ 13. Observe los tres diagramas de radiacion. ^Esperaba el resultado de la segunda adquisicion? Explique.
□ 14. En base a las etapas 2 y 5, monte otra vez las antenas transmisora y receptora con polarizacidn horizontal. Separe las antenas entre s( una distancia r = 1,25 m y ajustelas de manera que queden enfrentadas.
NO VIODIFIQUE el nivel de atenuacion y cerciorese de que el entorno (incluyendo su posicion) alrededor de las antenas sea el mismo que para la p'imera adquisicion. Adquiera el diagrama de radiacion segijn el piano E del dipolo y almacenelo en la caja de datos antena3.
De acuerdo con la teoria. este diagrama deberia tener la misma forma que el primero, con excepcion de su tamano que resulta inlluenciado por la perdida de potencia. Si no fuera asi, trate de encontrar donde se produjeron las reflexiones a fin de, si es posible, eliminarlas. Luego, realise otra adquisicion y reemplace el diagrama anterior en la caja de datos antena3.
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
1-16 Figura 1-14. Inslalacion apropiada del cable.
Anchur a del haz de potenci a mitad
D 15. Haga die en el boton Cursores de la barra de herramientas. Aparecen dos cursores. uno a cada lado del angulo de 0°. Los valores que aparecen en la parte dereoha de pantalla cambiaran. Ahora. estos incluyen dos niveles de potencia (en dB), el valor maximo de la abertura principal (en dB) y, en
Diagrama de radiation de un dipolo X/2 en 1 GHz
la parte inferior derecha de pantalla, las posiciones de los cursores y la diferencia entre dichas posiciones (en grados).
Seleccione y arrastre el cursor verde. Cuando esie cursor se desplaza en la pantalla, el valor de Curs2 cambia. Esto indica la diferencia (en dB) entre el maxtmo de un diagrama y la posicion en la que el cursor lo atraviesa. Se puede hacer lo mismo con el otro cursor.
Q 16. Utilice ambos cursores para encontrar, en el piano E de la caja de datos antenal. los angulos en los cuales el nivel de potencia de la abertura principal caiga la mitad.
Nota: Recuerde que la mitad de la caida de potencia es
equiva-l0Pte a una atenuacion de 3 dB: 10 log 0,B = -3 dB
Utilise la ecuacidn siguiente para calcular la anchura del haz de potencia mitad (AHPM) para el piano E de la antena dipolo A/2.
Nota: SI los puntos izquierdo y derecho de la AHPM estan
ubicados a cada lado del angulo de 0 ", en la ecuacion siguiente usteddebe sumarle 360"a 0AHPMou,
AHPME = | SftHPMi». " 0AHPMdor. I
AHPME=__________>
17. Repita la etapa 16 con el diagrama de radiacidn correspondiente a la tercara cfija de datos.
AHPMP =_________"
□ 18. Cierre la opci6n Cursores (se vuelve a la pantalla inicial). Compare las respuestas con los valores dados por LVDAM-ANT (el valor AHPM de cada antena lo encontrara" en la tercera columna de sus cajas de datos). Si los resultados no concuerdan con esos valores (p.e. la diferencia es superior a los 7°), rehaga las elapas y los calculos.
Nota: Algunas veces, la posicion de la potencia mitad dada por L
VDAM-ANTpuede diferir un poco del valor exacto igual a -3 dB. Fara vet las posiciones de los cursores seleccionados por el software, abra la opcion Cursores, luego seleccione el diagrama que desea examinar. Haga die en el comando Ajuste de los cursores en -3 dB del menu Opciones; los cursores se ubicaran automaticamente. En los proximos ejercicios podra ut'lizar este comando para tograr una aproximacidn rapida de la anchura del haz de potencia mitad. Luego. si es necesario, esta se puede ajustar con mas precision.
Diagrama de radiation de un dipolo X/2 en 1 GHz
D 19 Guarde loscontenidos de las cajas de dalos antenal y antena3 e imprima los resultados. La impresi6n debe mostrar la pantalla principal con los diagramasde radiacion correspondientes a ambas cajas de datos.
EXPERIENCE OPCIONAL
La experiencia siguienie se puede realizar si se cuenta con el acoplador direccional para 1 GHz optative
Nota: Previamente. se pudo verque la eflciencia do un dipc to
M2 mejora cuaodo se acoria ufl poco la longtwd de la antena. Este ajuste produce una impedancia bien adaptada a la linca de transmisidn.
Utilice las mediciones de la RelaciGn de onda estacionaria (ROE) para calcular la adaptation de impedancia entre la antena dipolo y la linea de transmision para las dos longitudes de interes, es decir. 0,5A y 0.45A.
D 20. Utilice el cable tipo SMA mediano para conectar la segunda salida del acoplador direccional directamente en el atenuador de 10 dB. Este siempre esta enroscado en la entrada RF. ubicada en la parte superior del Orientadorde antena. Utilice el cable tipo SMA mas largo para conectar la primera salida del acoplador direccional en la SALIDA de la seccion OSCILADCR 1 GHz del Generador RF. Finalmente, conecte el cable corto tipo SMA sn su entrada. Para un montaje adecuado, consulte la figura 1-15.
Tj
MACIA LA ENTBADA RFUBICADA EN LA PARTE SUPERIOR DEL ORIENTADOR DE ANTENA
J
ENTflADA
1-18 CA0L; SMA HACIA LA SALIDA
GENERADOR RF Figura 1-15. Montaje del acoplado r direccional.
□ 21. Coloque el interruptor POTENCIA RF, de la secci6n OSCILADOR 1 GHz del
GeneraoorRF, en la posicibn EMITE. Ajuste el control Atenuaci6n en 10 dB y ano;e
el valor de la serial recibida. P. =_________dB
Diagrama de radiation de un dipolo
A
/2 en 1 GHz
D 22. Ajuste la longilud del dipolo en 0.5A, luego fije esta antena en el mastil con
los clips verticales. Conecte el extrerr dipolo A/2. La figura 1-16 ilustra el monta
o libre del cable corto en el e de la antena.
Figura 1-16. Conexion de la anlena con el acoplador direcclonal. Nota: La antena se fija en el mastil para evitar lodo Upo de
reflexidn que podn'a producirse si se la dejara sobre la mesa durante las mediciones.
C 23. Sin modificar el nivel de atenuacion, anole el nuevo nivel de la serial. P2 =________dB
C 24. Utilice las ecuaciones siguientes para calcular la ROE de esta antena. X^ - 10 log P, -10 log P2 = P,(dB) - P,(dB)
X =________dB Sabiendoque X = -20log |l~|
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
Por lo tanto, se obtieneROh
-v™ i-r
1-20 D 25. Ajusle la longitud de! dipolo en 0,45 A. Utilizando el mismo nivel de
P2 =___________ dB C a l c u l e l a R O E de esta antena.
x =_____
r =
ROE =D 26. Sabiendo que para una adaptacion periecla la ROE debe ser igual a 1, ique dipolo ofrece mejor adaptacion con la li'nea de transmision de 50 O?
27. Si piensa ullizarlo 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 compartimienlos de almacenaje.
CONCLUSIONES
En este ejercicio aprendio a calcular la longitud de una antena dipolo empleando la frecuencia de la sehal transniitida. Ademas, pudo aprender a reconocer las polarizaciones horizontal y vertical de las antenas Yagi y dipolo. Trazo los diagramas de radiacion para los pianos E y H del dipolo A/2 y observo que la forma de un diagrama de antena no resulta influenciado por la tntensidad de la sehal. Finalmente. aprendio a ulilizar el diagrama de potencia de una antena para calcular la anchura ce su haz de potencia mitad (AHPM).
Diagrama de radiacion de un dipolo A/2 en 1 GHz
PREGUNTAS DE REVISION1. i,Para que se utilizan las antenas?
2. i,Que es una fuente isotropica y por que es tan util?
3. lOue es un diagrama de radtacidn? Indique la diferencia enlre los diagramas de radiacibn y de recepcion de una antena.
4. Describa la antena dipolo.
5. t,Ou© se entiende por polarizacion de una antena? ^Como esta polarizada la
Ejercicio [_~2
Diagrama de radiacion de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
OBJETIVOS DEL EJERCICIO
Despues de completar este ejercicio, usted estara familiarizado con el diagrama de radiacion a partir de una abertura rectangular uniforme.
PRESENTACION
El dipolo es un ejemplo de antena filiforme en la que la radiacion se debe a la circulation de una corriente electrica en el elemento. Un tipo de antena radical-mente dilerente es la antena de abertura. Como su nombre lo dice, esta cuenta con una abertura que es atravesada por el campo electromagnetico.
Una guia de ondas rectangular abierta es un ejemplo sencillo de una antena de abertura. Otro ejemplo es la antena de ranura, llamada asi porque se trata de una guia de ondas que posee hendiduras.
Radiacion a partir de una ranura intinita
La figura 1-17 muestra una onda plana incidiendo sobre una ranura en un piano conductor. En la direccion x la ranura es intinita y estrecha, mientras que en la direccidn y tiene una longitud L. La onda plana de desplaza en la direccion z.
Diagrama de radiacion de una guia de ondas
abierta en 10 GHz
PLANO CONDUCTOR INFINITO CAMPO lE( \ 1 W t ELECTRICO | ] ^J^~ 1 INCIDENTE I J _______r~"7 L ^»DIRECCICN^ E„ jTi A*--- ~\k DE PROP
AG AC ION
Figura 1-17. Radlacibn a partir de una ranura inlinita. y
PLANO CONDUCTOR
INFINITO
1-24 DIRECCION DE PROPAGACION
Diagrama de radiacion de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
El campo de propagation en la direccion y viene dado por
Ey = E0e-'^ (D
donde E^ es el campo en la direccion y, E3
es el valor maximo de Eyl P= 2n/A.
Se puede demostrar que el campo de propagacion en la direccion 6 es
Ea = J P "Jpf r , sen[{pL/2) sen 9]
(pL/2) sen9 (2)
donde S es e! angulo que aparece en la figura 1-18, r es la distancia a partir de la ranura.
La segunda parte de la ecuacion (2) tiene un interes particular dado que nos proporciona el diagrama de radiacion normalizado F(6).
F{e> = sen[(3L/2) sen6] (PL/2) sene (3)
Aunque esta ultima expresion parezca complicada, basicamente responde a la funcion (sen :<)/x, que tiene la forma que indica la (igura 1-19.
-1,00 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0,6 0,8 1,00
Figura 1-19. Representacion de (sen x)fx.
Radiacion a partir de una antena de abertura rectangular uniforme
Consideremos una guia de ondas rectangular abierta actuando como una antena de abertura. En la figura 1-20 se representa su seccion transversal.
Diagrama de radiacion de una gufa de
ondas abierta en 10 GHz
L,
H
Figura 1-20. Abertur3 rectangular. El campo en el plane E viene dado por la ecuaci6n
sen [(PL 12) sen 6]
Ee=jP ^7 E° L^ (pL/2, sene <4)
que proporciona un diagrama de radiacion notmalizado de
FE<9) = sen[<pi
y/2) sen 6] (pLV2) sene
(5)
En el piano H, el campo viene dado por la ecuacion
sen[(pLx/2) sen 6] E* = i P ~T~ Eo k L cose
2nr y (OL/2) sen6
(6)
que proporciona un ciagrama de radiaci6n normalizado de
FH<9) = cose sen[(Pl
x/2) sen9] (pL„/2) sene
(7)
1-26 Ambos diagramas de radiacion normalizados responden a la funcion (sen x)/x. El diagrama de radiacidn completo es la combinacion de dos de esas lunciones; una segun el piano E y otra segun el piano H.
-IB'
e -..->■
Diagrama de radiacion de una giria de ondas
abierta en 10 GHz
Definiciones
Pe potencia suministrada a la antena transmisora (vatios). P,ad
potencia radiada por la antena transmisora (vatios).
p
H rendimiento de una antena n = ra0 (sin unidad)■o
La mayorfa de las antenas tienen un rendimiento de radiacion cercano a 1 (100%), mientras que las otras, como las antenas filiformes de hiio corto (dipolo ideal visto en el Ejercicio 1-1) poseen un rendimiento telativamente bajo.
O intensidad de radiacion (vatios por estereorradian)
Un estereorradian (sr) es una unidad de angulo solido y una esfera conliene 4n estereorradianes. Por lo tanto, podemos definir la intensidad de radiacion promecio como
©___= -^ W/sr P™ 4n
D directividad (sin unidades)
La directividad es e) cociente entre la intensidad de radiacion maxima, en una determinada direcci6n, y la intensidad de radiacion promedio de una antena isotropba que transmite la misma potencia total.
<b , (D . r, , *m£x max
*prom pr a«/4n
G ganancia de la antena o ganancia directiva (sin unidades)
Para una antena sin perdidas. su ganancia, o ganancia directiva, es igual a la directividad. Sin embargo, para una antena cuyo rendimiento n es menor que 1 (100%), esa igualdad no se cumpie.
G = n D
O.., angulo solido del haz de antena (estereorradianes)
De es el angulo s6lido necesario para que la potencia PK. resulte radiada con
acion maxir el nivel de intensidad de radiacion maxima Oma,
Diagrama de radiacion de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
Luego, otra forrr.a de definir la directividad es
Ae superficie equivalente o abertura equivalente (metros cuadrados)
La superficie equivalente es el area efecliva de absorcion que presenta una antena a una onda incidente plana. Para una antena de abertura esa superficie es igual, o mas pequena. que )a abertura lisica. La relacion entre la ganancia y la longitud de onda es (A y Ae con iguales unidades)
G = iHAi A2 *
:.T. rendimiento de la abertura o rendimiento de la antena de abertura (sin unidades)
na= es la relacicn entre la superficie equivalente Ae y el area fisica de la abertura de una antena
de este tipo. En general, 50% es un valor que puede emplearse convenientemente como rendimiento de la antena de abertura.
1-28
"•> = £
Re lac ion qu e co np ar a la pot en cia de la ser ial en la
direccidn de transmision o recepcion dessada con la potencia de la senal en la direccibn opuesta. Cuando la antena opera como receptora, esta relacion describe, entre otras cosas, la capacidad que tiene dicha antena para diferenciar entre la senal recepcionada por su parte delantera y las senates de interierencia que llegan a su parte trasera.
A/P = L6bulo principal (dB) - Ldbulo posterior (dB)
Resumen del procedimiento
En este ejercicio. usted se familiarizara con el uso de las antenas guia de ondas, especialmente la antena de bocina y la gufa de ondas rectangular abierta en un extremo. Aprendera a instalar los distintos componentes y, al mismo tiempo, observara el efecto de una pobre alineaci6n de dos gui'as de ondas. Trazara el diagrama de radiacion de una antena guia de ondas abierta en un extremo y calculara la anchura del haz de potencia mitad de sus pianos E y H. Utilizara una placa conductora, colocada en el campo electrico transmitido entre las dos antenas, para estudisr la polarizacion de las bocinas y guias de ondas abiertas.
Diagrama de radiation de una guia de ondas
abierta en 10 GHz
Gompletara este ejercicio calculando la directividad y superticie equivalente de una anlena guia de ondas abierta en un extreme
PROCEDIMIENTO
Montaje del equipamiento
D 1. Los elementos principals del Sistema didactico y de medicidn en antenas. es decir, la Interfaz para la adquisicion de datos / Fuente de alimentation, el
Generador RF, el Orientador de antena y la computadora, se deben
montar correctamente antes de cornenzar este ejercicio. Si aun no lo hizo, consulte la Seccion 4 del Manual del usuario del Sistema didactico y de
medicidn en antenas para realizar el montaje.
□ 2. Fije el mastil para antena en el soporte de transmision mediante el anillo de bloqueo. Acople una antena de bocina de abertura grande en el adaptador de guia de ondas a cable coaxial. El acoplamiento se debe hacerde manera que no exista disccntinuidad entre las piezas.
La figura 1-21 ilustra el acoplamiento de esos dos componenies con la ayuca de los dispositivos de cierre rapido. Primero alinee los agujeros de ambos componentes. Luego, introduzca la espiga metalica de uno de los dispositivos de cierre rapido en un orificio y la espiga del otro dispositivo en el agujero del angulo opuesto. Por ultimo, empuje las piezas de plastico cont-a las aletas de ambos componentes para que estos queden iirmemente acoplados.
Diagrama de radiacion de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
lb)
M
D 3. Para i n
stalar la antena de bocina en el mastil, primero introduzca la guia de ondas en el portaguia de plastico y ejerza una leve presion para que quede en su lugar. Luego. empleando la clavija metalica del soporte,
Diagrama de radiacion de una gufa de
ondas abierta en 10 GHz
cotoque la anlena en el mastil. Para la primera adquisicion. oriente la bocina de manera que quede polarizaca horizontalrnente, tal como lo ilusira lafigura 1-22.
' Figura 1-22. Montaje de la anlena transmisora. C
o n Posiclon para una
roiacion sn el piano E
e c t e e l c a b l e t i p o S M A
mas largo en la SALIDA de la seccion OSCILADOR 10 GHz del
GeneradorRF, luego conecte la anlena.
D 4. Fije el otro mastil mediante el anillo de bloqueo en el soporte deslizante del
Orientador de antena.
Conecte la gufa de ondas abierta en un extremo con el adaplador de guia de ondas a cable coaxial. En esta primera experiencia se creara una discontinuidad en la union de las guias de ondas. Para lograrlo, conecte las dos piezas de manera que las secciones mas grandes de sus aberturas queden perpendiculares entre sf. Alinee los agujeros de los componentes que se deben acoplar juntos. Haga caso omiso del inadecuado ajuste entre las dos aletas y acoplelas con los dispositivos de cierre rapido.
Diagrama de radiacion de una gufa de
ondas abierta en 10 GHz
Instate la antena en el mastil con el lado rricis largo de la abertura orientado verticalmenle. Utilizando el soporte deslizante, asegurese de que la guia de ondas abierta en un extremo este alineada con el centra de rotacion del Ohentador de antena. Consulte la figura 1 -23 para verificar el montaje.
Figura 1-23. Montaje de la antena receptora.
Utilice el cable tipo SMA mediano para conectar la antena receptora en la entrada RF. ubicada en la parte superior del Ctientador de antena.
D 5. Consulte la figura 1-24 para separar las antenas una distancia r = 1 m. Luego ajustelas de manera que queden a la misma altura y enfrentadas.
D 6. Realice los ajustes siguientes:
En el Generador RF
MODO DEL OSGILADOR 10 GHz ...1 kHz POTENCIA RF DEL OSCILADOR 10 GHz...NO EMITE POTENCIA RF DEL OSCILADOR 1 GHz...NO EMITE
Encienda la computadora e inicie e! software LVDAM-ANT.
Diagrama de radiation de una guia de ondas
abierta en 10 GHz
Encienda el Generador RFy la Fuente de alimentacidn.
*p
-ft n
K$
£?flFigura 1-24. Distancia r entre las antenas.
Adquisicion de un diagrama de radiacion
D 7. Coloque el interruptor POTENCIA RF, de la seccion OSCILADOR 10 GHz del Generador RF, en la posicion EMITE.
jATENCION!
Para su seguridad, nunca mire direclatnenle hacia el interior de la antena de bocina mientras el interruptor POTENCIA RF este en la posicion EMITE. Ajuste el nivel de Atenuacion en 0 dB.
D 8. Inice la primera adquisicion.
Despues de completar la adquisicion. coloque el interruptor POTENCIA RF del Generador RF
en la posicion NO EMITE.
Alrracene el diagrama de radiacion como piano E en la caja de datos intenal. Utiltce el cuadro Resumen de intormaciones para identilicar
conectamente el diagrama.
Oriente el diagrama de manera que la PMS (posicion maxima de la serial) este en 0°.
D 9. Retire la antena receptora del mastil y corrija el acoplamiento entre la guia de ondas abierta en un extreme y el adaptador, a (in de lograr la continui-dad en la union de ambos cornponentes, tal como lo ilustra la figura 1-21.
Diagrama de radiacion de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
Fije el nuevo monlaje de la antena en el mastil con la abertura orieniada verticalmenle. Cerciorese de que las antenas aun se encuentren separadas 1 m. Optimice el nivel de atenuacion, luego realice una adquisicion segun el piano E. Almacene este nuevo diagrama en la caja de datos anlena2 y ajuste su PMS en 0°.
□ 10. Compare los pianos E de la antenal y antena2. ^Esperaba este resulta-do? Teniendo en cuenta la diferencia de los niveles de atenuacion, de la atenuaci6n de la serial debida a la discontinuidad en la union de las gufas de ondas.
□ 11. Ahora. separe las antenas entre si una distancia r = 1,5 m. orientelas segun el piano E y cerciorese de que queden enfrentadas. Utilice el control Atenjacion a fin de optimizar la recepcion de la serial. Inicie una adquisicion y almacenela en la caja de datos antena3.
D 12. Empleando la segunda clavija metalica del portagui'a de plastico. rote 90° ambas anteras. es decir. la bocina de abertura grande y la guia de ondas abierta en un extreme Ahora ambas antenas estan orientadas segun el piano H. Realice una nueva adquisicion y almacene el diagrama corres-pondiente en la caja de datos antena3.
Ahora se tienen los diagramas de radiacion en los pianos £ y H de la antena. Ajuste el PMS en Oc. Guarde los diagramas almacenados en la
caja de datos antena3, luego imprimalos juntos.
Seleccione los botones H-E y 3D a fin de observar las representaciones en el espacio de esos diagramas. Imprima la representacion 3D.
Poiarizacion
Nota: Una piaca conductora colocada en un campo electrico,
paralefo a su polarization, actua ccmo un cortocircuito y liende a anvlar dicho campo.
D 13. Rote la guia de ondas abierta a fin de que ambas antenas queden enfrentadas. Las antenas aun estan orientadas segun el piano H. Encienda la POTENCIA RF de la section 10 GHz. Seleccione una atenuacion de 15 dB, luego registre el nivel de la serial.
Para asegurarse de que las antenas receptora y transmisora esten correctamenle enfrentadas, siga las siguientes etapas:
- Seleccione el comando Pantalla completa con datos de entrada del menu Ver. Un visualizador en gran escala aparece. permitiendo ver
Diagrama de radiacion de una guia de ondas
abierta en 10 GHz
correctamente el visualizador Nivel de la senal cuando usted se desplaza lejos de la pantalla.
-
Desenrosque el tornillo de fijacion ubicado en la parte inferior del mastil receptor, luego rote lentamente la antena.-
Observe la variacidn del nivel de la serial; fije el mastil cuando la antena este orientada para la amplitud maxima.Nota: Usted realizara este tipo de ajuste cada vez que tenga que
establecet con precision la amplitud maxima de la senal recibida por una antena.
Anote el nivel de la serial recibida.
s.=
.dB□ 14. Sostenga el piano de tierra ortogonal {incluido en e! sistema) a unos 20 cm (rente a la antena transmisora, paralelo a la direccion de propagacion de la serial, orientado verticalmente y centrado con respecto a la antena, tal
como lo ilustra la figura 1-2
•I
20cfnO
Figura 1-25. Posicl6n del piano de tierra. Ancte el nivel de la serial recibida. dB
S2 =
Nota: Sostenga laplaca conductora cerca (20 cm) de la antena
receptora y observe la semejanza de los resuttados.
□ 15. Manteniendo la misma distancia a partir de la antena, gire horizontalmente la piaca conductora y dejela centrada con respecto a la bocina. Anote el nivel de la senal recibida.
S3 = dB
1-35
Diagrama de radiation de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
Seleccione el comando 2D del menu Ver para volver a la panlalla principal.
O 16. Obsetvando estos tres resultados. c'a polarizacion de la senal es horizontal o
vertical cuando se hace una adquisicion en un piano H con este tipo de antena? Explique.
AHPM, directividad y superficie equivalente
D 17. Utilice loscursores para calcular la anchura del haz de potencia mitad en los pianos E y H de la antena guia de ondas abierta en un extremo.
AHPME =________° AHPMM =________°
□ 18. Utilice las ecuaciones siguientes para calcular la directividad de esta antena.
360 2
D= 4ir n
O AHPME■AHPMH
D =
Para una rnejor aproximaci6n de la directividad (considerandola baja debido a los Idbulos laterales), utilice la formula siguiente;
2(360)?
n2 26.000
AHPME ■ AHPMH AHPMr • AHPMH D =
1-36 □ 19. Sabiendo que una guia de ondas abierta en un extremo tiene un rendi-miento (n) cercano a 1 y que la (recuencia de transmision es 10,5 GHz, calcule la superficie equivalente A de la antena empleando la formula;
G - 4n A
por lo tanto:
Diagrama de radiacion de una guia de ondas
abierta en 10 GHz
D 20. Compare A6 con la abertura fisica Ap de la antena. Para expresar como se
usa eticazmente la abertura fisica A^. podemos emplear el rendimienio de la aoertura nap: A, = nM As.
Calcule la abertura fisica de la guia de ondas rectangular abierta en un extremo utilizando la siguiente ecuacion:
A, = AxB
donde A y B son el ancho y alto, respectivamente, de la guia de ondas abierta en un extremo (medidas interiores), en metros.
A, =_______m*
luego, calcule el rendimiento de la abertura n,,p-Ae
"-= i —
El rendimiento de la abertura de una antena siempre se encuentra entre 0 y 1. En este caso, deberia estar cerca de 1. Probablemente el resultado obtenido exceda ese valor. Para explicar este error, recurra a la ecuacion siguiente.
Du 26.000
AHPME• AHPMH
La aproximacion dada por esta fbrmula se debe usar con las antenas de haz estrecho que, como puede verse en los diagramas de radiacion trazados, no es el caso de la guia de ondas rectangular abierta en un extremo. La ganancia de este tipo de antenas se puede evaluar mejor en forma experimental.
□ 21. Si piensa utilizarlo mas adelante, asegurese de guardar el diagrama de radiacion y luego saiga del software LVDAM-ANT. Cotoque todos los inte-ruptores de alimentacion en la posicion O (apagado). pare la computadora, desmonte el equipamiento y guarde nuevamente todos los corrponentes en sus compartimientos de almacenaje.
CONCLUSIONES
En este ejetcicio, usted aprendio a reconocer los pianos E y H de una guia de ondas y observo la importancia de la continuidad en tales componentes a fin de asegurar una eficiente propagacion de la sehal. Empleando la opcion 3D. visualizo la representacion en e! espacio de un diagrama de radiacion correspondiente a una antena guia de ondas abierta en un extremo. Observo la polarizacion de las antenas de bocina y guia de ondas. Asimismo. utilizd la anchura del haz de potencia mitad de la antena para calcular su directividad y superficie equivalente.
Diagrama de radiation de una guia de
ondas abierta en 10 GHz
Sin embargo, vio que este tipo de aproximacion no es apropiada para una antena de abertura grande, como la gufa de ondas rectangular abierta en un extremo.
PREGUNTAS DE REVISION
1. Describa la antena aula de ondas abierta y su diagrama de radiacion.
2. En la etapa 12, ,< observe una diferencia entre el nivel maximo de la serial en los pianos E y H almacenados en la tercera caja de datos? ^.Esperaba este resultado? Explique.
3. Escriba la definicion de directividad de una antena.
4. Para una anlena sin perdidas, la ganancia y la directividad <,son iguales?
5. iSe puede decir que la antena gufa de ondas tiene una buena relacion anterior/posterior? Explique.
Ejercicio
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
OBJETIVOS DEL EJERCICIODespues de completar este ejercicio, usted estar& familiarizado con las caractensti-cas de las antenas de bocina piramidales asi como con las tecnicaractensti-cas empleadas para calcula- y medir su ganancia.
PRESENTACION
Perdida de propagacion en el espacio libre
La potencia recibida por una antena receptora decrece a medida que la misrna se aleja de la anlena transmisora. En el espacio libre, la potencia de la serial recibida es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa ambas anlenas. La perdida de potencia, debida a la separacion entre las antenas, se llama perdida de propagacion en el espacio libre LF. La expresion matematica para
determinar dicha perdida es
L
F(dB)=
10l0g(iH)
2 =20logiH
0)
donde r es la distancia entre las antenas,
A es la longitud de onda en el espacio libre (unidades iguales que r).
Para una longitud de onda dada, la ecuaci6n (1) muestra que Lp solo depende de la distancia entre las antenas. Esta relacion se puede determinar experimental-mente utilizando dos antenas; la primera para transmits una sena' y la otra para medir la potencia recibida a diferentes distancias. No obstante, dado que las antenas que se utilizan generalmente tienen propiedades directivas, se debe mantener la misma orientacion de ambas durante la experiencia. Si las diversas distancias se conocen, con la ecuacion (2) se puede calcular facilmente la atenuacion de la potencia de la senal recibida con respecto a dos de esas distancias.
A* = 20 log^ (2)
donde A^ es la atenuaci6n en dB,
r, y r2 son la primera distancia y la segunda, respectivamente.
Normalmente, para caractehzar numericamente las propiedades direccionales de las antenas, se emplea el concepto de directividad o ganancia dircctiva. Como se vio en el Ejercicio 1 -2. la directividad es la intensidad dc radiacion maxima en una
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
delerminada direction con respecto a la intensidad de radiation promedio (es decir, en relation con la intensidad de radiacibn de una antena isotropica que transmile la misma potencia total). Para una antena sin perdidas. su ganancia (ganancia directiva) es igual a la directividad.
Mediciones de la ganancia de la antena
Existen diierentes metodos para medir la ganancia de una antena. El mas sencillo, llamado metodo de la antena de referencia, metodo de comparacion, o metodo de substitucion, ccnsiste en comparar la potencia recibida por una antena de reterencia Pp,,, con respecto a la potencia recibida por la antena bajo prueba P3njeCa. La
ganancia de la antena desconocida viene dada por la ecuacion (3).
Ret la ecuacion (4) expresa la
misma relation en dB,
Gori.flb3(dB) " °Pfueba(dB) " "R0f(dS) ' ®R*f(dB) ' '
Antes de emplear el metodo de substitucion se debe calibrar la antena de reterencia. Un medio para lograrlo consiste en utilizar dos antenas identicas. Una vez medidas las potencias transmittda y recibida, ia ganancia se puede calcular con la ecuaci6n (5).
G ■ Rec (5)
h \ P
1-40 donde G es la ganancia,
r es la distancia entre las antenas, PR«C y Pc son 'as potencias recibida y
transmitida, respectivamente. \ es la longitud de onda en el espacio libre (iguales unidades Que r).
GP.^ ■ -£=* G^
(3)
P.
P 4nr
Tipos de antena s de bocina
Las antenas de bocina proporcionan una transition uniforme para las ondas electromagneticas en:re la gui'a de ondas y el espacio libre. Las antenas de bocina se hacen de distintas tormas, dependiendo de lo que se desee como ganancia, diagrama de radiacioi e impedancia. La figura 1-26 muestra algunos de los tipos mas comunes de antenas de bocina.
(a) Bocina sectorial segun cl piano H, (b) bocina sectorial segun cl piano E. (c) bocina piramidal Figura 1-26. Antenas dc bocina tipo guia de ondas rectangulares.
En general, la bocina piramidal se utiliza como referenda en las mediciones de ganancia de las antenas, debido a que su ganancia se puede calcular exactamente a partir de sus dimenstones ffsicas. Las bocinas sectoriales son acampanadas solo en un piano, por lo lanto son casos especiales de bocinas piramidales. Ademas de las mostradas en la figura, existen otros tipos. Algunas, como las antenas de bocina conicas, se usan con gufas de ondas redondas.
Las caracterfsticas de las antenas de bocina sectoriales estan estrechamente relacionadas con aquellas de tipo piramidal. Estudiando las primeras, y a partir de sus dimensiones ffsicas. es posible desarrollar un metodo de aproximacion para determinar la ganancia de una antena de bocina piramidal.
Antenas de bocina sectoriales en el piano H
La geometria de una antena sectorial segun el piano H se muestra en la figura 1-27.
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
(b)
(a) geometria, (b) secclon transversal a traves del piano H Figura 1-27. Antena sectorial segtin cl piano H.
Las relaciones siguientes se aplican a las dimensiones fisicas;
(6) R, - A _A_ R.
R
H= (A - a) 5l
(7) (8) (9) 1-42NU
A___aGanancia de las antenas de bocina piramidales
Reemplazando R, por su valor en la ecuacion (7), se obtiene:
R„ MA - a)
\ .A;
(10)
Se puede demostrar que, para una bocina optima, es decir, una bocina que lenga la ganancia maxima para sus dimensiones,
A = ^3AR^ (11
Antenas de bocina sectoriales en el piano E
La geomelria de una antena seclorial segun el piano E se muestra en la figura 1-28.
^z
(b)
(a) geometna, (b) seccion transversal a traves del piano E Figura 1-28. Anlena sectorial segun el piano E.
Las relaciones siguientes se aplican a las dimensiones fisicas:
R
M|
(12)R
E= (B-b,|| -I
(13)Ganancia de las antenas de bocina piramidales
Para una bocina optrna. es decir. una bocina que tenga la ganancia maxima para sus dimensiones,
B = ^/2AR2 (14)
Antenas de bocina piramidales
La antena de bocina piramidal es una de las formas mas populares de antenas. Su geomelr/a se ilustraen la figura 1-29.
(a) geometria. (b) seccion transversal a traves del piano H, (c) seccion transversal a traves del piano E
?H
r
■RT"=..: ("»
i r
u
_1
1-44 (c)
Figura 1-29. Antena de bocina piramidal.
Una guia de ondas puede propagar un numero infinite de tipos o modos diferentes de ondas electromagneticas. Cada modo tiene sus propias configuraciones para los campos electrico y magnetico. Si el angulo de abertura de la parte acampanada de una aniena de bocina piramidal es suftcientemente pequeno. solo sera importante el modo dominante de la guia de ondas.
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
Para una artena de bocina sectorial, las lineas de campo del modo dominante se expandir&n dentro de un espacio cilfndrico, mientras que para una antena de bocina piramidal lo haran en el interior de un espacio esferico. Lo anterior se representa en la figura 1-30.
FRENTE DEONOA
Fjgura 1-30. Error de fase (A) dcbido a la curvatura del frcntc de onda en una antena de bocina. Como lo muestra la figura, el (rente de onda no es piano sino curvado. Esto introduce errores de fase que se deben tener en cuenta en el analisis de las caracten'sticas de la antena. Los errores de fase se describen por medio de los errores de trayectoria normalizados s y t.
s = B2 8X1,
05)
t = _£ = A:
8 AC, (16)
donde s y t son los errores de trayectoria normalizados,
A es la longitud de onda, A. B, fE y (H son las dimensiones que
aparecen en 'a figura 1-29.
La ganancia aproximada de una antena de bocina piramidal se puede calcular mediante la ecuacion (17).
G = 32
flM
(17)donde Lr y LH representan las perdidas debidas al error de fase causado por la forma
acampanada.
Expresada en dB, esta ecuacion sera
'(dB) = 10,08 + 10 log1c l"E(dB) LHjd3i (18)
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
Para hallar LE(caj y lmB:, primero se calculan los errores s y t con las ecuacio-nes (15) y (16), luego, los errores resuliantes
se utilizan para leer los valores de l-eidBi y LH
(dB) en 'a f'Qura 1-31-I / < -, >-i ■S
y
12 10 L£(d8) (00) LH<dB> 6 4 2 K (OB)1-46 0 0.2 0,4 0.6 0.8 1.0 S O t
Flgura1-31. Factoresde perdidas debidas a las formas aciimpanadas en los pl3nos £ y H.
Resumen del procedimiento
En este ejercicio, usted obseivara la perdida de poiencia, llamada perdida de propagacion en el espacio libre, debida a la separacion entre las dos antenas. Estudiara las caracterisiicas parliculares de una antena de bocina piramidal, es decir: anchura del haz de potencia mitad, relacion anterior/posterior, ganancia y superticie equivalenle. Para calcular la ganancia de una antena de bocina de abertura pequena, primero calibrard una antena de bocina de abertura grande y luego aplicara el me:odo de substitucion utilizando esa referenda.
PROCEDIMIENTO
Montaje del equipamiento
D 1. Los elementos principales del Sistema didcictico y de medicion en antenas, es decir, la
Intertaz para la adquisicion de datos / Fuente de alimentation, el Generador RF. el Orientadof 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 de! Sistema didactico y de medicion en antenas para realizar el montaje.
D 2. Instale un mastil para antena en el soporte de transmisidn mediante el anillo de btcqueo. Acople una antena de bocina de abertura grande en el adaptador de guia de ondas a cable coaxial, como se vio en el Ejercicio 1-2. Utilice el portaguia de plastico para instalar la antena en el mastil
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
con la abertura orientada en la direccion del piano H (consulte la figura 1-32). Conecie el adaptadoren la SALIDA, de la seccion OSCILA-DOR 10 GHz del Generador RF, utilizando el cable tipo SMA mas largo.
□ 3. Instale el otro mastil para antena mediante el anillo de bloqueo en el soporte deslizante del Orientadorde antena. Conecte la segunda bocina de abertura grande en el adaptador de gufa de ondas a cable coaxial. Instate la antena en el mastil.
Utilice el soporte deslizante para asegurarse de que la abertura de la antena este alineada con el centro de rotacidn de! Orientador de antena y orientada para rotar segun el piano H, tal como lo ilustra la figura 1 -32.
Figura 1-32. Montaje de la antena reccptora.
Conecte la antena receptora en la entrada RF, ubicada en la parte superior del Orientadorde antena, empleando el cable tipo SMA medianc.
□ 4. Separe las antenas entre si una distancia r = 80 cm. Luego ajustelas de mansra que queden a la misma altura y enfrentadas.
POSICION PARA UNA ROTAClON EN EL PLANO H
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
D 5. Realice los ajustes siguienies:En el GeneradorRF
MODO DEL OSCILADOR 10 GHz ... 1 kHz POTENCIA RF DEL OSCILADOR 10 GHz...NO EMITE POTENCIA RF DEL OSCILADOR 1 GHz ..'...NO EMITE
Encienda la computadora e inicie el software LVDAM-ANT.
Encienda el Generador RFy la Fuente de alimentation.
■
Perdida de propagacion
□ 6. Sabiendo que se liene una distancia r. entre las dos antenas al comienzo del experimsnto, ulilice la ecuacidn (2) para calcular la atenuacion de la potencia de a serial recibida si las antenas se separan una distancia r2 =
2r,.
A = 20 log — (dB)
---dB
□ 7. Coloque el interruptor POTENCIA RF, de la secci6n OSCILADOR 10 GHz del
Generator RF, en la posicion EMITE.
jATENCION!
Para su seguridad, nunca mire directamente hacia el interior de la antena de bocina mientras el interruptor POTENCIA RF esteen la posicion EMITE.
Utilice el control Atenuacion para optimizar la adquisicion del diagrama de radiacion.
D 8. Inicie la adquisicion y almacene el diagrama de radiacion en la caja de datos aniens!. Asegiirese de elegir el piano correcto (E o H).
D 9. Separe las antenas entre si una distancia de 1,6 m. No modifique el nivel de atenuacion ajustado en la primera adquisicion. Trace un nuevo diagrama de radiacion y almacenelo en la caja de datos antena2.
Compare las adquisiciones. Usted debe observar una diferencia en los niveles de las senates de ambos diagrarnas. Lo anterior, ^confirma los
Ganancia de las antenas de bocina piramidales
calculos anteriores? Imprima los dos diagramas a fin de obtener un gralico miis adecuado para hacer la comparaci6n (no olvide guardar los diagra-mas antes de imprimirlos).
AHPM, lobulos laterales y ganancia
D 10. Las antenas aun estan a 1,6 m, orientadas segun el piano H y enfrenta-das. Utilizando el control Atenuacion, optimice la recepcion de la serial. luego realice otra adquisicion. Almacene este diagrama en la caja de datos antena3 y ajuste su PMS en 0°.
D 11. Emplee la segunda clavija metalica del portaguia de plastico para rotar ambas antenas sobre sus laterales. Dichas antenas ahora estan orienta-das segun el piano E. Realice una nueva adquisicion. Almacene este diacrama de radiaci6n en la caja de datos antena3 y ajuste su PMS en 0°.
Ahcra se tienen los diagramas de radiacion en los pianos E y H de la antena de bocina. Guarde los datos de la antena3 y luego imprima los diagramas en esta configuracion 2D.
Empleando las opciones E-H y 3D, observe la representacion en el espacio de esos diagramas.
D 12. Calcule la anchura del haz de potencia mitad en los pianos E y H de la antena de bocina.
AHPMC =_______° AHPM„= _______°
£ —______ i-ii i r n*n
□ 13. Calcule la relacion anterior/posterior (A/P) del piano E de la antena.
A/PEl0B) = Lobulo principal (dB) - Lobulo posterior (dB)
A/PE:aB> =_______dB =________cm
D 14. Calcule la ganancia de la antena de bocina piramidal de abertura grande en 10,5 GHz, sabiendo que la misma tiene las dimensiones siguientes:
1H = 11 cm ce = 9,4 cm
Tome las medidas interiores de la abertura de la bocina.
A =_______cm B ■________cm
