69073353 Antena cuadro Antenna loop PDF

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En este artículo se plasmarán los resultados obtenidos en el laboratorio 5 del curso de Antenas en la Universidad Santo Tomás; la práctica ha constado del uso de la antena Loop (Antena Cuadro). En el más sencillo de los casos, La antena de cuadro es un arrollamiento plano de alambre doblado en forma...

Description

Universidad Santo Tomás Facultad de ingeniería de Telecomunicaciones Antenas Laboratorio N° 5 Resumen: La antena Loop (cuadro), pueden tener distintas formas tales como: circular, rectangular, triangular, cuadrada, elíptica y otras. Puede expresarse que un loop pequeño (circular o cuadrado) es semejante a un dipolo magnético infinitesimal cuyo eje es perpendicular al plano del lazo, es decir, los campos radiados tienen la misma forma matemática. Se clasifican en dos categorías: eléctricamente pequeñas y eléctricamente grandes, las primeras son aquellas cuya longitud total es usualmente menor que un décimo la longitud de onda. Sin embargo, los loops eléctricamente grandes tienen circunferencias cercanas a la longitud de onda en el espacio libre. La mayoría de aplicaciones de las antenas loop están en las bandas HF (3-30Mhz), VHF (30-300Mhz) y UHF (300-3.000Mhz). Las antenas lazo con circunferencias pequeñas o perímetros tienen resistencias de radiación pequeñas que son usualmente menores que sus resistencias de pérdidas. Son radiadores muy pobres, generalmente se utilizan en modo receptor, tal como radios portables o beepers, donde la eficiencia de la antena no es tan importante como la relación señal a ruido. El patrón de campo de antenas eléctricamente pequeñas de cualquier forma es similar a la de un dipolo infinitesimal con un nulo perpendicular al plano del lazo y con su máximo a lo largo del plano del lazo. Cuando la longitud total del lazo se incrementa y su circunferencia se aproxima a la del espacio libre, el máximo del patrón se desplaza desde el plano del lazo al plano del lazo que es perpendicular a su plano. La

resistencia de radiación del lazo puede incrementarse, y hacerse comparable con la impedancia característica de líneas de transmisión prácticas, incrementando (eléctricamente) su perímetro y/o el número de vueltas, otra forma es insertar en su centro un núcleo de ferrita de muy alta permeabilidad que eleve la intensidad de campo magnético y por ende la resistencia de radiación .1 Palabras Clave: Dipolo, longitud de onda, campos electromagnéticos, polarización, constante de propagación, permitividad, ancho de haz, diagramas de radiación, antena cuadro, contrafase. INTRODUCCIÓN En este artículo se plasmarán los resultados obtenidos en el laboratorio 5 del curso de Antenas en la Universidad Santo Tomás; la práctica ha constado del uso de la antena Loop (Antena Cuadro). En el más sencillo de los casos, La antena de cuadro es un arrollamiento plano de alambre doblado en forma cerrada, como un círculo o cuadro, con una brecha en el conductor para formar los terminales. Esta antena es una de las más usadas por radios aficionados, y su uso como antena receptora se remonta a los primeros experimentos de Hertz sobre la propagación de Ondas electromagnéticas. II.MARCO TEORICO ANTENA LOOP (ANTENA CUADRO) La antena cuadro es una evolución de las antenas "Adcock": Dos antenas verticales

1 UPTC FACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EDUARDO AVENDAÑO FERNANDEZ

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U n i v e r s i d a d S a n t o To m á s aisladas y conectadas en contrafase. La antena de cuadro tiene las antenas verticales conectadas entre sí y está hecha de varias vueltas de hilo conductor para mejorar sus propiedades de recepción. Las dos secciones verticales de la antena son las que reciben señal, son paralelas entre sí y están conectadas en "contrafase", lo que significa que lo que reciben se resta entre sí y lo que sale es la diferencia. Las antenas loop se encuentran divididas convenientemente de acuerdo al tamaño eléctrico; Loops eléctricamente pequeñas aquellas cuya longitud total (longitud del conductor) es pequeña en comparación con la longitud de onda en el espacio libre, éstas son las más frecuentes en la práctica. Por ejemplo, se utilizan como antenas receptoras en radios portátiles, antenas direccionales para la navegación de radio de onda y como sondas medidoras de la intensidad de campo; y eléctricamente grandes cuando la razón entre el loop y la longitud de onda λ es aproximadamente 1, y se utilizan principalmente para arreglos de dirección.

ANTENA PEQUEÑA

LOOP

ELÉCTRICAMENTE

La distribución axial en un loop eléctricamente pequeño se supone que es uniforme, es decir la corriente tiene el mismo valor a lo largo del conductor; esta suposición toma relevancia cuando la longitud total del conductor es pequeña en comparación con la λ del espacio libre. Típicamente ≤ 0.1λ. Nota: La antena de cuadro es analizada como un inductor radiante. El campo de una antena Loop eléctricamente pequeña es el mismo que el de un dipolo con momento m=I 0 NA

E θ= j

ℑ60 − jBr e Fθ R

Ecu.01. Campo radiado por una antena loop eléctricamente pequeña

Símbolos usados en el artículo:

λ : Longitud de onda β : Constante de propagación ζ :impedanciade onda b :radio de la antena a : Radio del conductor A : Area de la espira N : Número de vueltas

√

µo εo

Nota: En esta práctica de laboratorio se trabajó con un hilo conductor delgado.

Fig.01 Antena loop y coordenadas esféricas.

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Fig. 02 Patrón de radiación antena loop eléctricamente pequeña. Nota: Los patrones de radiación del Loop eléctricamente pequeño y eléctricamente grande difieren en sus planos Azimut y elevación;

Fig.03. Circuito equivalente de la impedancia de entrada de un lazo eléctricamente pequeño La inductancia externa se determina a partir de una de las muchas fórmulas disponibles para la inductancia de las bobinas. Para un lazo circular es:

[( ) ]

Le =μ0 b ln

8b −2 a

Para un lazo cuadrado es:

Le =

[ ()

2 μ0 b b ln −0.774 π a

]

La formula de Lorentz para una lámina de corriente circular es:

Le =K μ 0 N Densidad de Potencia y Resistencia de Radiación

ζ 4 β (NA)2 6π Ecu.02. Resistencia de radicación

Rr =

A lc

Donde el factor K es la constante de Nagaoka y la podemos encontrar de la fig.04 donde esta dada como función de

lc /2 b . Los campos radiados por un lazo pequeño, son válidos excepto en el origen, ya que en el campo cercano experimentalmente se toma una medida reactiva y en el campo lejano se toma una medida real. La resistencia de radiación está dada por:

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Fig.04 Constante de Nagaoka.

Fig.06. Efectos de un núcleo de ferrita en el flujo magnético a través de una bobina selenoidal. Este efecto se puede ver en el siguiente código .m: %Líneas de campo E producidas. n=2*pi; d=n/100+0.001; [x,y] = meshgrid(-n:d:n,-n:d:n);

Fig.05.Onda incidente de campo en la recepción de la antena Loop EFECTOS DE UN NUCLEO DE FERRITA EN EL FLUJO MAGNETICO A TRAVÉS DE UNA BOBINA SELENOIDAL.

nn=30 j=0; M = moviein(nn); for j=1:nn z=(x./sqrt(x.^2+y.^2)).^2.*(... -sin(sqrt(x.^2+y.^2)j*2*pi/nn)... -cos(sqrt(x.^2+y.^2)j*2*pi/nn)./sqrt(x.^2+y.^2)... ); v=[-1 -0-95 -0.9 -0.85 -0.8 -0.75 -0.7 -0.5 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.25 0.5 ... 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1];

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%v=[ -0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 ]; contour(z,v); %contour(z,30); %colorbar axis equal %grid on M(:,j) = getframe; end movie(M,100,10)

Fig.07. Efectos de un núcleo de ferrita en el flujo magnético a través de una bobina selenoidal simulado en Matlab. Las antenas Loop tienen una ganancia que varía entre -2dB y 3dB, con un ancho de banda cercano al 10%. Aunque la eficiencia de estas antenas puede incrementarse adhiriéndoles un núcleo de ferrita en el espacio que forma la curva. III. PROCEDIMIENTO. Se instaló una antena Yagi polarizada horizontalmente como transmisora con una excitación de 1GHz por parte de la fuente de RF; la recepción de la señal se dio por parte de una antena Loop cuadrada como la que muestra la figura 08.

Fig.08. Antena receptora instalada adecuadamente (configuración 1) Separando la antena receptora y emisora una distancia r=1m se tomó el patrón de radiación, de donde se obtuvo la siguiente información:

Tabla 01. Información sobre la toma del patrón de radicación antena Loop

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De la tabla obtenida del Lab-volt mediante la aplicación de pre visualizar impresión se nota que la figura 09 es el plano E obtenido por una antena Loop cuadrada; se puede comparar según la teoría, el plano obtenido, con el del plano E obtenido con una antena dipolo, por lo cual se muestra el patrón de radiación del dipolo en el plano E en la figura 10. Nota: Atenuación para ambas gráficas de 24dB

Fig.09. Patrón de radiación antena Loop cuadrada obtenido en laboratorio

Tabla.02 Información sobre la toma del patrón de radicación

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Fig.10. Patrón de radiación antena dipolo obtenido en laboratorio

Se nota observando las dos gráficas obtenidas en el laboratorio que el patrón de radiación percibido por una antena Loop con respecto al dipolo es más pobre en intensidad y posee un ancho de haz menor ya que para el Loop fue de 72.02 y para el dipolo es de 80.24, estas afirmaciones se pueden hacer teniendo en cuenta que para ambas tomas del patrón se tuvo la misma atenuación por software, para este caso LVDAM-ANT de Lab-Volt. CONFIGURACIÓN 2: En el laboratorio el orden dictaba rotar la antena receptora como muestra la figura 11.

Fig.11

Tabla 03. Información para configuración 2

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Fig.12 Patrón de radiación antena Loop Esta configuración de la antena Loop tiene un ancho de haz más grande que el de la antena dipolo en la fig. 10 y es mucho mejor receptora que en la configuración 1 para la señal emitida por una antena Yagi polarizada Horizontalmente y excitada por una frecuencia de 1GHz. CONFIGURACIÓN 3

Fig.13. Configuración 3

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Fig.14. patrón de radiación plano E antena Loop-configuración 3

Tabla 04. Información sobre la toma del patrón de radicación- configuración 3 Respecto de la configuración 2 el patrón de radiación en el plano E de la configuración 3 concentra ya no más energía en el lóbulo inferior sino en el superior. La señal máxima en el plano E para 2 es -7.07dB y para 3 es -3.85 dB, para el primero en la posición 187° y para el segundo en 166°; y para ambas con respecto al dipolo se infiere que concentran un poco mas de energía en uno de sus lóbulos.

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Fig.15. Patrón de radiación 3D antena Loop con datos-tabla4

Fig.16. Patrón de radiación en 2D -tabla4 Nota: La directividad obtenida es de 4.2dB La Ganancia está dada por:

G=ηD

Ahora

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Fig.17. Patrón de radiación-Antena Loop circular

Tabla 05. Información sobre la toma del patrón de radicación- Antena Loop Circular

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Fig.18. Patrón de radiación-Antena Loop Rómbica

Tabla 06. Información sobre la toma del patrón de radicación- Antena Loop Rómbica CORRECCIONES Al momento de guardar la información de los patrones de radicación no se tomó la precaución de guardar los parámetros como los de una antena Loop y se creó un archivo como el que aparece en la tabla 01, tabla 02 y 03; es para tener en cuenta, se creó un archivo para una antena dipolo.

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CONCLUSIONES 1. Mientras para un dipolo infinitesimal la densidad de potencia radial en el campo lejano es capacitiva, para el Loop eléctricamente pequeño es inductivo. 2. Si la antena lazo tiene N vueltas el campo magnético pasa a través de todos los lazos, esto quiere decir que aunque la resistencia de radiación de un solo lazo pueda ser pequeña, el valor total puede ser incrementado dando varias vueltas. 3. El área efectiva máxima y la directividad de un lazo pequeño son iguales a las de un dipolo eléctrico infinitesimal. 4. La antena de cuadro, cuando se monta con el plano de su superficie de manera vertical, es una antena de polarización vertical. REFERENCIAS

1.

The ferrite-loaded transmitting loop is discussed in R. DeVore and P. Bohley, “The Electrically Small Magnetically Loaded Multiturn Loop Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-25 (July 1977): 496.

2.

G. Zhou and G. S. Smith, “An Accurate Theoretical Model for the Thin-Wire

Circular Half-Loop Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-39 (August 1991): 1167.

3.

G. P. Zhou and G. S. Smith, “The Multiturn Half-Loop Antenna,” IEEE Trans.

Antennas Propagat., vol. AP-42 (May 1994): 750....