Segundo Informe de laboratorio PDF

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El siguiente informe presenta el proceso y lo datos analizados de la practica de laboratorio con la cual encuentra la forma de los patrones de radiación mediante el equipo Leybold 737 – 405, para así obtener los datos en el software Cassy Lab 2. ...

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ANTENAS Y PROPAGACIÓN

LABORATORIO N° 2 PATRÓN DE RADIACIÓN DE ANTENAS DIPOLO Y YAGI Yeison Moreno Parra Fabián Esteban León Camilo Andrés Gonzales

20172373020 20172373011 20172373017

RESUMEN: El siguiente informe presenta el proceso y lo datos analizados de la practica de laboratorio con la cual encuentra la forma de los patrones de radiación mediante el equipo Leybold 737 – 405, para así obtener los datos en el software Cassy Lab 2.

1 INTRODUCCIÓN Los datos o información que se transfieren por las redes inalámbricas a grandes distancias suelen depender de elementos principales para la transmisión y recepción como la antena, esta juega un papel muy importante ya que con ella somos capaces de comunicarnos sin necesidad de cables y tenemos acceso a todo tipo de información en cualquier lugar y en cualquier momento. En cuanto a la transmisión de información por medio de ondas electromagnéticas, funcionan con frecuencias, las que son emitidas por un potente emisor electromagnético, el que genera ondas de la misma índole con diferente frecuencia, todo dependiendo de la función que lleve a cabo; puede ser de alta frecuencia, ultra frecuencia, baja frecuencia, micro-ondas, etc.

2 OBJETIVOS  Determinar en la práctica los patrones de radiación en cada una de las antenas dipolo y yagui.

3 ANTENA Una antena es un dispositivo diseñado con el fin de transmitir o recibir ondas electromagnéticas desde o hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma la corriente eléctrica en ondas electromagnéticas, y una antena receptora realiza el proceso inverso. [1] En el caso de que las antenas estén conectadas por medio de guía ondas, esta función de transformación se realiza en el propio emisor o receptor. Las antenas se utilizan en la radio, televisión, teléfonos móviles, routers inalámbricos, mandos remotos, etc., unas veces visibles y otras ocultas en el interior del propio dispositivo. El elemento radiante (dipolo, bocina) como se aprecia en la figura 1, puede al mismo tiempo determinar la energía que después de ser amplificada convenientemente llega al receptor para ser decodificada y posteriormente ser utilizada. [1] Cuando la comunicación fluye en ambas direcciones, se denomina bidireccional. Si dicha comunicación no se efectúa simultáneamente, sino alternativamente, se denomina comunicación semidúplex. [2]

 Observar las variaciones del patrón de radiación de una antena en relación con la antena transmisora.  Analizar el comportamiento real de varias antenas a través de las distintas mediciones realizadas durante el desarrollo de laboratorio. 1

Figura 1. Esquema de una antena Dipolo. [2]

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3.1 Características

3.2 Tipos de Antenas

Una antena es un dispositivo hecho para transmitir (radiar) y recibir ondas de radio (electromagnéticas). Existen varias características importantes de una antena que deben de ser consideradas al momento de elegir una específica para su aplicación. [3]

Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres se explican a continuación.

3.1.1 Patrones de Radiación: El patrón de radiación de una antena se puede representar como una gráfica tridimensional de la energía radiada vista desde fuera de esta. Los patrones de radiación usualmente se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimuth. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía radiada vista directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una representación tridimensional de cómo es realmente radiada la energía desde la antena como se observa en la figura 2. [3]

3.2.1 Antena monopolo Se denomina monopolo vertical a un tipo de antena (receptora o transmisora) que es la mitad de un dipolo, en este caso, vertical. Cuando el monopolo vertical se instala sobre un plano de tierra, según la teoría óptica de antenas, puede ser modelado como un clásico dipolo. El dipolo es por definición una antena simétrica respecto de su punto de alimentación central y por ello la denominación de alimentación balanceada. [4] 3.2.2 Antena Dipolo Las antenas dipolo son las más sencillas de todas. Consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión. [5] Todas las antenas de dipolo tienen un patrón de radiación generalizado. Primero el patrón de elevación muestra que una antena de dipolo es mejor utilizada para transmitir y recibir desde el lado amplio de la antena. Es sensible a cualquier movimiento fuera de la posición perfectamente vertical. Se puede mover alrededor de 45 grados de la verticalidad antes que el desempeño de la antena se degrade más de la mitad. Otras antenas de dipolo pueden tener diferentes cantidades de variación vertical antes que sea notable la degradación. [3]

Figura 2. a) Patrón de elevación de un dipolo genérico b) Patrón de azimuth de un dipolo genérico c) Patrón de radiación 3D. [3]

2

Un ejemplo de patrón de elevación puede verse en la figura 3. A partir del patrón de azimuth se ve que las antenas operan igualmente bien en 360 grados alrededor de la antena. Físicamente las antenas dipolo son cilíndricas por naturaleza, y pueden ser ahusadas o con formas especificas en el Ingeniería en Telecomunicaciones – Facultad Tecnológica

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exterior para cumplir con especificaciones de medidas. Estas antenas son usualmente alimentadas a través de una entrada en la parte inferior, pero también pueden tener el conector en el centro de la misma. [3]

brazo de la antena H. Se dan también los valores numéricos del ancho de haz a -3 dB (Δθ), la directividad (D) y la resistencia de radiación.

Fi Fig ura 3. Patrón de radiación de una antena dipolo.

gura 5. Parámetros de diferentes longitudes de dipolo.

3.2.3 Antena Yagi Es un tipo de antena directiva que concentra toda la energía de radiación en una dirección preferente, con una ganancia muy importante en esa dirección a costa de disminuir las otras direcciones. [6] Estas se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el número de elementos directores) determina la ganancia y directividad. [3]

Figura 4. Patrón de radiación de una antena dipolo.

En la figura 5 se puede ver un resumen de los diferentes parámetros para diferentes longitudes de dipolos. En ella se presentan las distribuciones de corrientes y los diagramas de radiación en plano E (en plano H todas tienen simetría de revolución por la simetría de la antena) para diversas longitudes del 3

Elementos de excitación: Pueden ser activos o excitados, estos se conectan directamente a la línea de transmisión y reciben potencia de la fuente. Elementos parásitos: No se conectan a la línea de transmisión y reciben la energía a través de la inducción mutua. Estos elementos se clasifican en Reflectores y directores. Reflector: Elemento más largo que el elemento de excitación. Reduce la intensidad

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de la señal que está en su dirección e incrementa la que está en dirección opuesta. Director(es): Elementos más cortos que el elemento de excitación. Incrementa la intensidad del campo en su dirección y la reduce a la dirección opuesta.

Figura 7. Patrón de radiación de una antena Yagi. Figura 6. Construcción de una antena Yagi.

Este tipo de antenas se denominan Yagy en memoria del japonés del mismo nombre. Recientemente fallecido, que fue el primero que experimentó con este tipo. [6] En esencia constan de un dipolo que está conectado a la línea de transmisión, uno o más elementos completamente aislados del dipolo situados cierta distancia de éste y con unas dimensiones muy parecidas a las del dipolo. [6]

El patrón de radiación de cualquier antena, consiste en la distribución de la energía de forma tridimensional radiada como función de la posición de un observador a lo largo de un radio constante. Este patrón se puede observar y calcular de forma horizontal, vertical y 3D.

Si a este dipolo, se le acerca otro dipolo, que no está conectado a ninguna parte. Veremos que el segundo dipolo absorbe una parte importante de la energía del primero pero como no dispone de resistencia de carga, tiene que remitir toda la energía que capta. [6] Figura 8. Patrón de Radiación de una antena Yagi. [6]

Generalmente el patrón de radiación se calcula en dos planos perpendiculares, verticales y horizontales. En donde cada uno de estos corresponde al plano del campo eléctrico E y otro al campo magnético H. Para un análisis más a fondo de este patrón de radiación también se puede realizar un diseño en 3D, aunque con los cálculos de los 2 4

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planos nombrados suficiente.

anteriormente

es

localiza la antena receptora que en este caso era un dipolo de 15 mm de longitud aproximadamente.

4 DESCRIPCIÓN DE LA PRACTICA Para realizar la presente práctica de laboratorio se dividió en dos principales partes, la primera es el objeto radiante, un diodo Gunn que se comporta como oscilador para generar la señal radiante como se observa en la figura 9. Esté diodo Gunn envía una señal modulada en AM a 1 KHz y está se monta sobre una portadora de 9.4 GHz. Para la otra parte que es la de recepción se utilizó una antena dipolo de 15 mm aproximadamente. La longitud de onda está dada por la siguiente ecuación:

3× 108 =31,91 mm λ= 9.4 ×109

Figura 10. Montaje aproximado de la práctica de laboratorio.

Dentro del montaje de la práctica se colocan unas espumas alrededor de las antenas para evitar la interferencia por ondas electromagnéticas que están propagándose en el aire y que puedan hacer que las gráficas a crear se distorsionen como se aprecia en la figura 11. El software que realiza el grafico de los patrones de radiación de estos equipos de Leybold Didactics se llama Casylab, muy utilizado en prácticas de propagación de ondas por radiofrecuencia.

La práctica consistió en un elemento radiante, el diodo Gunn, conectado en cada ocasión a diferentes antenas dipolo de diferentes longitudes y una antena Yagi con 1 reflector y 4 directores.

Figura 10. Montaje de las espumas absorbentes.

5 RESULTADOS

Figura 9. Oscilador Diodo Gunn.

Para graficar el patrón de radiación de cada una de las antenas nombradas, se utilizó un equipo de Leybold Didactics, que consiste en una bandeja giratoria, que en su centro se 5

Se obtuvieron los patrones de radiación del software Cassy lab 2 para las antenas dipolo de las longitudes λ/2, 3λ/2, 2λ y 4λ y para tres tipos de antenas yagi diferentes. Que serán comparados con los datos teóricos.

5.1 Antenas Dipolo

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ANTENA λ/2 Primero se realiza la gráfica del patrón radiación del campo E, de la potencia y encuentra gráficamente el HPBW con datos obtenidos en el laboratorio para antena λ/2.

de se los la

Figura 11. Patrón de la antena λ/2.

Por calculadora tenemos:

Figura 12. Patrón de la antena λ/2 (Excel).

Por series de Taylor λ/2:

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En la tabla 1 se puede observar la comparación entre el ancho de banda obtenido teórica y prestamente para la antena λ/2. Tabla 1. Comparación Patrón de la antena λ/2.

ANTENA 2λ

Figura 14. Patrón de la antena 2λ (Excel).

Antena Dipolo λ/2 Teórico Practico Por series de Taylor 2λ:

HPBW (Deg) 78.335 84

Figura 13. Patrón de la antena 2λ.

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Por calculadora tenemos:

Figura 16. Patrón de la antena 3λ/2 (Excel).

Por series de Taylor 3λ/2: En la tabla 2 se puede observar la comparación entre el ancho de banda obtenido teórica y prestamente para la antena 2λ. Tabla 2. Comparación Patrón de la antena 2λ.

ANTENA 3λ/2

Antena Dipolo 2λ Teórico Practico

HPBW (Deg) 69.6 75.4

Figura 15. Patrón de la antena 3λ/2.

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p( ) 

v max 2 2

  3   3    cos  2 * cos( )  cos 2       f max  sen     f max    0.742888rad  42.56430 p(42.56430 ) 1.95721

2

  3   3    cos  2 * cos( )  cos  2        1.95721 p( )  sen 2    

  3   3  cos  2 *cos( )  cos  2     sen  

2

    0.978607   2

  3   3   2  cos  2 *cos( )  cos  2    0.978607 *sen ( ) 0     

En la tabla 3 se puede observar la comparación entre el ancho de banda obtenido teórica y prestamente para la antena 3λ/2. Antena Dipolo 3λ/2 Teórico Practico

HPBW (Deg) 43.805 62

Tabla 3. Comparación Patrón de la antena 3λ/2. 2

  3   3   2 cos  2 *cos( )   cos  2    0.978607*[1  cos ( )] 0      2

  3   3   2 cos  2 *cos( )   cos  2    0.978607*cos ( )  0.978607 0      u

3 2u 2u *cos( );cos( )  ;cos 2 ( )   2 3  3 

2

ANTENA 4λ

 2u    cos 1   3  2

2

  3    2u  cos  u   cos  2    0.978607*  3   0.978607 0      2 2     3   2u  solve   taylor (cos  u   cos   , u, 4)  0.978607 *   0.978607  0,u     2 3       

Por calculadora tenemos:

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Figura 17. Patrón de la antena 4λ.

Figura 18. Patrón de la antena 4λ (Excel).

Por series de Taylor 4λ:

En la tabla 4 se puede observar la comparación entre el ancho de banda obtenido teórica y prestamente para la antena 4λ. Antena Dipolo 4λ Teórico Practico

HPBW (Deg) 36.5 28

Tabla 4. Comparación Patrón de la antena 4λ.

5.2 Antena Yagi ANTENA YAGI 6 elementos

Por calculadora tenemos:

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Figura 19. Patrón de la antena Yagi 6 elementos.

Figura 22. Patrón de la antena Yagi director reflector (Excel).

ANTENA YAGI director

Figura 20. Patrón de la antena Yagi 6 elementos (Excel).

Figura 23. Patrón de la antena Yagi director.

ANTENA YAGI director reflector

Figura 21. Patrón de la antena Yagi director reflector.

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Figura 24. Patrón de la antena Yagi director (Excel).

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ANTENA YAGI reflector

6 CONCLUSIONES

Figura 25. Patrón de la antena Yagi reflector.

 Se analizo y se observó las claras diferencias que existen entre los datos obtenidos de forma práctica a los datos obtenidos de forma teórica de cada uno de los patrones de radiación de las antenas estudiadas en cuanto a los anchos de has. Ya que, aunque en algunos casos los valores son muy parecidos, es claro que en la teoría se tienen condiciones ideales donde no se contemplan muchos elementos que afectan la forma en que radia la antena.

 La forma en que radia la energía una antena de cualquier tipo, se encuentra directamente relacionada con la longitud de la antena como con la frecuencia.

Figura 26. Patrón de la antena Yagi reflector (Excel).

En la tabla 5 se puede observar los datos prácticos de ancho de haz (HPBW)obtenidos para los tres tipos de antenas Yagi. Antena Yagi 6 elementos Director – Reflector Director Reflector

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 Es importante tener en cuenta después del laboratorio y mientras se hace el análisis que algunos datos pueden variar dependiendo de las condiciones en que se encuentren las antenas estudiadas ya que en muchos casos las interferencias cercanas pueden ocasionar datos de prueba erróneos.

HPBW (Deg) 98 88 96 154

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7 BIBLIOGRAFIA [1] Antenas de Telecomunicaciones, Disponible en: https://www.acta.es/medios/articulos/ciencias_ y_tecnologia/020001.pdf [Acceso: Febrero 24 de 2019]. [2] Teoría de antenas - ¿Qué es una antena? Disponible en: http://www.radiocomunicaciones.net/radio/teor ia-de-antenas/ [Acceso: Febrero 24 de 2019]. [3] Tipos de Antenas y Funcionamiento Disponible en: https://www.wni.mx/index.php? option=com_content&view=article&id=62:ante nassoporte&catid=31:general&Itemid=79 [Acceso: Febrero 24 de 2019]. [4] Monopolo vertical, Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Monopolo_vertical [Acceso Febrero 24 de 2019]. [5] Antenas Dipolo - Definicion, Disponible en: http://www.radiocomunicaciones.net/radio/ant enas-dipolo/ [Acceso: Febrero 24 de 2019]. [6] ANTENAS DIRECTIVAS – ANTENAS YAGI, Disponible en: http://www.radiocomunicaciones.net/radio/ant enas-directivas-antenas-yagi/ [Acceso: Febrero 24 de 2019]. [7] Discontinued Amateur HF Transceivers, Disponible en: https://www.universalradio.com/catalog/hamhf/2319.html [Acceso: Febrero 24 de 2019].

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