REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR

Instituto Universitario de TecnologíaDr. "Federico Rivero Palacio"

Departamento de Investigación y PostgradoEspecialización en Telecomunicaciones

LABORATORIO DE TELECOMUNICACIONES II

ANTENAS

Profesor (es): _______________________________________________

Nombre del equipo:________________________________________

Fecha: _________________

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EVALUACIÓN: Introducción : _________x ________% = __________

Prelaboratorio : _________x ________% = __________

Desarrollo : _________x ________% = __________

Conclusiones : _________x ________% = __________

Antenas

OBJETIVO: Al finalizar la práctica el estudiante estará en capacidad de trazar el diagrama de radiación de diferentes antenas

1. PREPARACIÓN TEÓRICA:Una antena es un dispositivo capaz de radiar y recibir ondas electromagnéticas (oem), que sirve en un radio enlace, de interfase entre el espacio como medio de propagación y el transmisor o el receptor. La antena convierte la energía eléctrica que viaja por la línea o guía de ondas de transmisión en oem y la envía al espacio. En recepción transforma la oem en energía eléctrica mediante la inducción de corrientes.Para cada aplicación y banda de frecuencias se presentan características peculiares que dan origen a tres tipologías de antenas:Antenas alámbricas: Construidas de hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolos, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada) o hélices.Arreglos de antenas: En ciertas aplicaciones se requieren características de radiación que no pueden lograrse con un solo elemento de antena. A tal efecto se combinan varios tipos de antenas.Antenas de apertura y reflectores: la generación de la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen excitar con guías de onda. Son antenas de apertura de bocinas (piramidales y cónicas)

En toda antena se distinguen tres zonas de radiación, medida desde la antena a una distancia (d) en un punto cualquiera del espacio. Estas zonas de radiación dependen de la máxima dimensión (L) de la antena, y de la longitud de onda () del transmisor; a saber:1.- Zona de campo reactivo o de inducción: d<0,62(L3/ se caracteriza por el intercambio de energía desde la fuente al espacio circundante.2.- Zona de campo cercano (campo de Fresnel): Se ubica entre 0,62(L3/<d<2L2/caracterizada por un campo de radiación esférico.3.- Zona de campo lejano (campo de Fraunhofer) : para d> 2L2/Donde el campo es una onda plana. Y la densidad de potencia varía con el inverso del cuadrado de la distancia.

Los parámetros característicos de una antena son: La impedancia característica, la eficiencia, la resistencia de radiación, la ganancia, el diagrama de radiación y el área efectiva. Estos parámetros permiten evaluar el efecto de la antena sobre el radio enlace, y los mismos se aplican tanto para transmisión como recepción, a excepción del área efectiva que solo aplica a la antena cono receptor de oem.

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Antena

Antenas

Los parámetros de antena son dados para el campo lejano ya que aquí:•Las diferencias de fase de las ondas radiadas son despreciables •El frente de onda es plano.•Se tiene la mayor contribución de flujo de potencia en el receptor.

Diagrama de radiación: El diagrama de radiación es la representación espacial de la variación de la intensidad de campo eléctrico o de densidad de potencia a una distancia (r) fija de la antena:

E =f(r=cteoPs=f(r=cte

Dada la dificultad de representar gráficamente el diagrama tridimensional se opta por representar cortes del diagrama en coordenadas polares o cartesianas

f()|90º: Plano E y f()|90º Plano H

De acuerdo a la forma del diagrama de radiación las antenas se clasifican en:Isotrópicas: Es una antena ideal hipotética, donde para una distancia r desde la antena la intensidad de campo es constante en todas direcciones.

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x

Antena

r

y

z

Antenas

Directivas: Aquellas que concentran la mayor parte del campo en una dirección específica:|E( |=E0f(Omnidireccionales: aquellas isotrópicas en un plano y directivas en otro plano

Lóbulo: Son porciones del diagrama delimitadas por zonas de radiación más débiles.Lóbulo principal: región de mayor intensidad del diagrama de radiación.Lóbulos secundarios: Son todos los lóbulos no principales.Lóbulos laterales: Son los lóbulos adyacentes al lóbulo principal.Ancho de haz (BW): Es la separación angular del lóbulo principal en que la intensidad de potencia cae en 3 dB, o en el caso del diagrama de radiación de campo eléctrico es la

separación angular del lóbulo principal en las que el campo cae 6 dB del valor máximo.Relación delante-atrás: es la diferencia en dB, entre el valor de campo o potencia en la dirección de máxima radiación y el valor en la dirección diametralmente opuesta.Ejemplo:

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X

Y

Z

P

Fuente isotrópica

Diagrama de radiación de lafuente isotropica

E0

E=E0.f(

Antenas

Para el diagrama de radiación de la figura determine y dibuje o marque sobre el mismo : a) Ancho de haz b) Nivel de lóbulo lateral principal c) Relación frente espaldad) Nivel de campo a 120°

Dipolos: Son antenas construidas con hilos conductores en las que la relación largo (L) y el diámetro (D) es L>=50D. Si L>=50D la corriente se distribuye longitudinalmente por la superficie del conductor.Un dipolo se construye a partir de una línea de transmisión de hilos paralelos, la cual es plegada a partir del final de la línea una cierta longitud L

La longitud L del pliegue es un factor de la longitud de onda de la señal transmitida y define el tipo de dipolo, a saber:

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I+

-

Tx

V I

Antenas

Dipolo

Dipolo

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V

/2

Tx

+

-

/2

/2

Ib =0

Im

/2

/2

L

+

-

/4

/4

L/2

Antenas

La siguiente fira muestra la variación de la resistencia de radiación y la ganancia en función de la relación L/ de un dipolo

Monopolos: Son antenas de hilo situadas verticalmente sobre la tierra, alimentadas en su base y el otro terminal se conecta a tierraLa superficie opera como un espejo por lo que el diagrama de radiación es el mismo pero incrementado el doble en su ganancia Gmon = 2Gdipolo En consecuencia: La potencia de radiación: Ptmon=Ptdip/2 yLa resistencia de radiación: Rrmon = Rrdipolo/2

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Rr

G

GRr

L/

L/2

Superficie conductora

Antenas

Dipolo plegado: Un inconveniente que presentan los dipolos es su baja resistencia de radiación, y poca directividad. Ua manera de mejorar estos parámetros es utilizando el dipolo plegado. El cual presenta una resistencia de entrada cuatro veces mayor que la del dipolo equivalente.

Arreglo de antenas: Los dipolos proporcionan grandes anchos de haz y en consecuencia poca directividad.Para mejorar la directividad se utilizan los arreglos (array) de antenas.En el arreglo de antenas se tienen elementos alimentados y otros que operan bajo la inducción de estos.Aquellos elementos que son alimentados se les llama ACTIVOS, mientras que el resto reciben el nombre de elementos PARÁSITOS.

El caso más simple de arreglo de antenas es la agrupación de dos dipolos uno activo y otro parásito. El diagrama de radiación resultante dependerá de la relación entre las dimensiones de los dipolos activo y parásito.

Si la longitud del elemento parásito es ligeramente mayor a la del activo el campo tiene su máximo en la dirección del activo, por lo que el elemento parásito se comporta como un reflector

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Arreglo

Diagrama de radiación

Reflector Activo

Antenas

Con el dipolo activo de mayor longitud que el dipolo parásito el diagrama de radiación tiene el máximo en la dirección del elemento parásito, por lo que se le denomina director.

La antena Yagi-Uda (Yagi) es una de las antenas mas populares ya que se emplea en sistemas de radiodifusión de TV (HF, VHF y UHF), estaciones de radio aficionados y radio enlaces punto a punto. La configuración mas habitual consta de un dipolo plegado activo, un reflector y entre uno y veinte directores.

Reflectores: Una manera de aumentar la directividad de las antenas es utilizando los reflectores, estos dispositivos de antenas hacen uso de las propiedades geométricas de algunas superficies.En el caso de recepción concentran en un único punto el haz de energía electromágnética que se refleja en ellas, y en el caso de la transmisión, convierten las ondas cilíndricas o esféricas en ondas planas provenientes de un punto común de una fuente.Están formadas por una fuente radiante y uno o dos reflectores, la fuente o el alimentador suele ser un dipolo, boca de guía o bocina.Según el tipo de superficie de reflexión se tienen reflectores diédricos, parabólicos, esféricos o de bocina.

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Activo

Director

Antenas

Reflector parabólico: Las altas ganancias y directividad de los reflectores parabólicos se basan en las propiedades de la parábola como figura geométrica en un plano, o el paraboloide como figura espacial, estas propiedades son:Los caminos que parten del foco f y se reflejan en el paraboloide, llegan a una superficie S con recorridos de igual longitud. Por lo que, una onda reflejada según el camino 1, tarda el mismo tiempo o lo hace con igual fase, que las ondas que recorren los caminos 2,…,n.

La tangente en un punto P tiene una orientación tal, que el ángulo de incidencia, es igual al ángulo de reflexión, por lo tanto todos los rayos son reflejados paralelos al eje.La ganancia de un sistema con reflector parabólico con diámetro d en su boca, se expresa como:

G = 6 (d/λ)2

Expresado en db:G(dB) = 18+20 log f (Ghz) + 20 log d (m)El ancho de haz es:

Δθ = 51 λ/d grados

Según como el elemento activo realice la iluminación del reflector se dispone de varios tipos de antenas parabólicas. Las más utilizadas son: parábola iluminada en la parte delantera (iluminador en el foco (a)); parábola iluminada mediante doble reflexión (antena Cassegrain (b)); sección de parábola iluminado desde abajo (antena Horn-reflector (c)).

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Antenas

El diagrama de radiación de una antena parabólica tiene una forma simétrica con respecto a los planos E y H. Al aumentar la ganancia se reduce el ancho del haz y la antena aumenta la directividad

Si el iluminador no se encuentra exactamente en el foco de la parábola, la ganancia real de la antena disminuye y el diagrama de radiación empeora. Esto se debe a las razones siguientes: una parte de la energía radiada por el iluminador no intercepta el reflector, sino que se dispersa, los rayos reflejados no asumen una dirección paralela, pero pueden divergir o convergir parcialmente.

La distancia del foco al centro de la parábola se denomina distancia focal (F) y se puede calcular mediante la relación:

F = d2/16.h

en donde: d = diámetro de la apertura de la parábola h = profundidad de la parábola a lo largo del eje.

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Antenas

En la realización práctica de las antenas parabólicas es importante también la relación entre la distancia focal F y el diámetro d. Normalmente se elige una relación F/d equivalente a 0.4 a 0.5 aproximadamente.

El ángulo de apertura() del elemento radiante se calcula mediante la relación: ...

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Antenas

2. DESARROLLO PRÁCTICO:Como desarrollo práctico se trazará el diagrama de radiación en los planos E y H de diferentes antenas. El mismo se puede obtener utilizando la antena bajo prueba como receptora o como transmisora. Se debe tener presente que las mediciones debe hacerse en campo lejano y en estas condiciones el campo radiado por la antena puede ser reflejado por objetos y por la misma presencia del operador, y por lo tanto puede llegar a la antena receptora desde varias direcciones resultando erradas las mediciones.

2.1. Diagrama de radiación de dipolosSe empleará el módulo ENTRENADOR DE ANTENAS Y LÍNEAS DE TRANSMISIÓN (Mod. LE-EE).a) 1Generador de RF.b) Medidor de campo.c) Dipolos con lámparas.d) Balun 1:1e) Línea de 75 Ohmf) Dipolo delgado y gruesog) Dipolo plegadoh) Soportesi) Multímetroj) Puente reflectométrico

2.1.1. Realizar el montaje de la figura, empelando como antena el dipolo delgado corto.

Trazado del diagrama de radiación de dipolos

2.1.2. Predisponer el generador a la frecuencia central y la mitad de su potencia.2.1.3. Ajustar la longitud de los dipolos del medidor de campo y su sensibilidad de

manera de obtener uno o dos leds por debajo de la lectura máxima.2.1.4. Variar la frecuencia del generador hasta de obtener una la lectura máxima en

el medidor de campo.

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Antenas

2.1.5. Anotar en la tabla 1 el ángulo (azimut) y amplitud de campo recibido evaluado como número de leds encendidos Nx.

Azimut (º) 0º

Nx Nmax=

E (dB)=20logNx/Nmax 0

Azimut (º)

Nx

E (dB)=20logNx/Nmax

Tabla 1: Medición para el trazado del diagrama de radiación del dipolo delgado corto

2.1.6. Rotar la antena de prueba y reportar en la tabla 1 el azimut y la correspondiente amplitud de campo recibido

2.1.7. Repetir los pasos anteriores para el dipolo plegado corto con una RF de 701,5 MHz

Azimut (º) 0

Nx Nmax=

A (dB)=20logNx/Nmax 0

Azimut (º)

Nx

E (dB)=20logNx/Nmax

Tabla 2: Medición para el trazado del diagrama de radiación del dipolo plegado corto

2.1.8. Repetir los pasos anteriores para la antena Yagi

Azimut (º) 0

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Antenas

Nx Nmax=

A (dB)=20logNx/Nmax 0

Azimut (º)

Nx

E (dB)=20logNx/Nmax

Tabla 3: Medición para el trazado del diagrama de la antena Yagi

2.1.9. Trazar el diagrama de radiación en el plano polar anexo para cada antena. Indicar el ancho del haz y la relación frente espalda en cada caso.

Diagrama de radiación del dipolo delgado corto

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Antenas

Diagrama de radiación del dipolo plegado

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Antenas

Diagrama de radiación de la antena Yagi

2.1.10. Compare, analice y concluya en base a los resultados obtenidos.

2.2. Diagrama de radiación en el plano E de antenas tipo dipolo.2.2.1. Indique el procedimiento que se debe seguir para trazar el diagrama de

radiación en el plano E para la antena dipolo del punto 2.1.1. que cambios se deben hacer en dicha figura (dibuje la nueva figura).

2.2.2. Realice el procedimiento anterior para el dipolo plegado, tome los datos necesarios para trazar el diagrama de radiación en el mismo plano del diagrama de radiación del plano H. Indique el ancho del haz relación rente espalda.

2.2.3. Compare, analice y concluya sobre estos dos diagramas de radiación (plano H y E)

2.3. Antena parabólica: Para esta se utilizará el kit de microondas y los siguientes componentes

a) 1 transmisor de diodo Gunn mod.MW/TX con fuente de alimentaciónb) 1 medidor mod.MW/ME c) 1 detector mod.MW/O4

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Antenas

d) 2 antena de bocina, ganancia 15 dB mod.MW/12 e) 1 antena parabólica mod.MW/15 con iluminador regulable mod.MW/30 .1 base

móvil mod.MW/16 f) 1 diagrama para medidas de radiación mod. MW/19 .2 soportesg) 1 cable BNC/BNC

2.3.1. Montaje y regulación de la antena parabólica La antena está constituida por 3 partes descompuestas: .parábola mod. MW/15 .iluminador regulable mod. MW/30 con disco reflector MW/30a.

El conjunto se monta como se muestra en la figura

Cálculo de la distancia focal: Medir el diámetro d de la apertura de la parábola y la profundidad h de la parábola a lo largo del eje. Calcular la distancia focal, o sea la distancia entre el vértice de la parábola y la posición en la que se pone el iluminador.

Regulación del iluminador:Predisponer la antena parabólica como se muestra en la siguiente figura. Guía insertada por una longitud h1 de alrededor de 18 cm y fijada con los tornillos en el vértice de la parábola .disco reflector fijado a la guía desplazable y puesto a una distancia h2 de alrededor de 3 cm del final de la guía de onda.

Predisponer los componentes como se muestra a continuación:

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Antenas

transmisor MW/TX conectado a la antena de bocina MW/12 y montado sobre soporte fijo

antena parabólica conectada al detector MW/04 y montada sobre base móvil MW/16

poner las dos estaciones a una distancia de alrededor de 150 cm predisponer el medidor MW /ME en LEVEL y "LOW" alimentar a +12 Vcc el transmisor y regular BIAS al máximo alinear la estación transmisora y la estación receptora para obtener la lectura

máxima en el medidor .variar Sensitivity del medidor para obtener una lectura específica (por ejemplo 0.5).

Efectuar un ajuste fino de la distancia h2'entre el disco reflector y el extremo de la guía de onda, hasta obtener la indicación máxima en el medidor MW/ME.

La posición correspondiente a la lectura máxima es la distancia focal, obtenida sumando las distancias h1 (longitud de guía de onda insertada) y h2 (distancia reflector/guía). Se obtiene un valor próximo al nominal

2.3.2. Diagramas de radiación en el plano H Predisponer los componentes como se mostró en la figura anterior:

transmisor MW/TX conectado a la antena MW/12 y montado sobre soporte fijo

antena parabólica MW/15 conectada al detector MW/O4 y montada sobre base móvil MW/16

poner las dos antenas a distancia de alrededor de 150 cm .predisponer el medidor MW/ME en LEVEL y "LOW"

alimentar a +12 Vcc el transmisor y regular BIAS al máximo .alinear la estación transmisora y la estación receptora para obtener la lectura máxima en el medidor

variar Sensitivity del medidor para obtener una lectura Vref=1. I ¡CUIDADO! 1 DURANTE LAS MEDIDAS LA Sensitivity YA NO PODRA VARIARSE.

Girar hacia la derecha y hacia la izquierda la antena receptora y leer en el medidor la señal recibida V. Anotar los valores en una tabla adjunta). Calcular para cada posición la ganancia relativa en decibelios (Grel = 20.lg(V/Vref).

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Antenas

Ánguloº Tensión medida V/Vref Grll = 20.lg(V/Vref0º Vref=

Trazar el diagrama de radiación en el plano H. Indique y calcule el ancho de haz y relación frente espalda.

Diagrama de radiación de la antena parabólica

2.3.3. Diagramas de radiación en el plano E

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Antenas

Indique el procedimiento que se debe seguir para trazar el diagrama de radiación en el plano E para la antena parabólica del punto 2.3.2. que cambios se deben hacer en dicha figura (dibuje la nueva figura).

2.3.4. Diagramas de radiación de la antena parabólica desenfocada Trazar el diagrama de radiación en el plano H con el iluminador fuera de foco de la parábola

Ánguloº Tensión medida V/Vref Grll = 20.lg(V/Vref0º Vref=

Dibujarlo en el mismo plano polar dado anteriormente para la antena enfocada.

2.3.5. Análisis de resultados

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