Trabajo DE Investigacion - Antenas Logaritmica PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNIC ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

TRABAJO DE INVESTIGACION: ANTENAS LOGARITMICAS

ASIGNATURA: ANTENAS PROFESOR: ING. VALLEJOS LAOS JAIME ALBERTO GRUPO HORARIO: 01L ALUMNOS:

2020

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA ANTENAS

ANTENAS LOGARITMICAS 1.

MARCO TEORICO

AGRUPACIONES DE ANTENAS Las antenas básicas estudiadas anteriormente proporcionan anchos de haz, y consecuentemente valores de directividad reducidos. Esto debido a que sus dimensiones eléctricas son, como máximo, del orden de la longitud de onda. En situaciones en las que es necesario aumentar el valor de la directividad, para el caso de las antenas básicas, es necesario aumentar considerablemente la dimensión de esta y elevar las distribuciones de corriente. Una manera para aumentar de solucionas el problema anteriormente, el cual requiere un aumento de la directividad de una antena, es agruparlas en lo que denominamos agrupación o array de antenas. Pero no sólo se puede conseguir la directividad deseada, sino que además puede sintetizarse la forma del diagrama de radiación; es lo que se conoce como síntesis. Es decir, dado un diagrama de radiación, qué excitación permite obtener el diagrama deseado. Además, con agrupaciones, se podrá barrer el máximo de radiación en cualquier dirección del espacio. CAMPOS RADIADOS POR AGRUPACIONES (AGRUPACIONES LINEALES) Definiendo una agrupación como un N conjunto de antenas que radian o reciben simultáneamente. El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la interferencia de los campos radiados por cada una de las antenas. En este caso particular se considerará únicamente las agrupaciones lineales rectilíneas con espaciado constante entre antenas.

Fig. 1: Distribución de corrientes en una agrupación lineal de N antenas sobre el eje Z

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Una forma de obtener el diagrama de radiación del conjunto es a partir de la transformada de Fourier de la distribución de corriente, y se comprobara que coincide con la interferencia de los campos radiados por los elementos de la agrupación. Sean N antenas iguales espaciadas una distancia d sobre el eje z, situadas a una posición z ' = nd y alimentadas con corriente In , donde n = 0,1,..., N −1 Definiendo el vector de distribución de corriente:



J (r

n =0

n

(1)

0

Donde:

J0 : Es el fasor de alimentación unitario sobre la antena básica ubicada en z=0 In : Fasor de corriente

Expresando la sumatoria como la convolución de la corriente de la antena básica con un tren de funciones delta I n , tenemos:

J (r

0



J (r

0

(2)

n

n =0

(3)

El vector de radiación es la transformada de Fourier tridimensión de la distribución de corriente. Aplicando el teorema de convolución a la ecuación anterior:

N (rˆ) = TF3 D[ J (r

0

rˆ).TF3 D[ I (n)]

(4)

Donde N 0 (rˆ) es el vector de radiación de la antena básica situada en el origen. Consecuentemente obtenemos el valor independiente de la transformada de Fourier de la corriente In. N −1

TF3 D [I (n )] =  I n .e

jz n

(5)

n =0

Donde la frecuencia z es la frecuencia en la dirección del eje z, la cual es:

 z = k zd = kd cos

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La expresión final para el vector de radiación es:

N (rˆ ) = N 0 (rˆ )  I n .e jnkd cos

(7)

n =0

Ahora, los fasores de corriente presentan una fase progresiva para cada par de antenas consecutivas:

I n = a ne jn

(8)

Combinando las ecuaciones (7) y (8):

N (rˆ) = N 0 (rˆ) ane jn( + kd cos )

(9)

n= 0

Del valor de la radiación puede obtenerse el campo eléctrico:

E (rˆ) = E 0 (rˆ)  a ne jn( + kdcos )

(10)

n= 0

Este es el vector de campo radiado por la antena básica con alimentación básica. Para simplificar los cálculos, la función anterior puede escribirse en función del ángulo:

 =  + kd cos

(11)

El cual representa la diferencia de fase entre las contribuciones en campo lejano de dos antenas consecutivas.

E (rˆ) = E 0 (rˆ) a ne jn n= 0

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Fig. 2: Interferencia de campos radiados por las antenas de la agrupación

FACTOR DE AGRUPACION El factor de agrupación es una función del ángulo  que depende únicamente de los coeficientes an. Se usa obtener el diagrama de radiación en función de las direcciones del espacio real  . N −1

FA( ) =  a ne jn

(13)

n =0

Esta función presenta ciertas propiedades: - Es una función periódica delo ángulo  , de periodo 2π -

Si los coeficientes de alimentación an son reales y positivos, el máximo valor del factor de agrupación se encuentra en el origen  =0.

-

Solo toma valores reales entre 0 y π

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Fig. 3: Representación grafica del factor de agrupación en el espacio en coordenadas polares ANTENA LOGARITMICA La Antena Arreglo Logarítmico Periódico de Dipolos (Log-Periodic Oipole Arrays - LOPA), es un grupo de antenas dipolos unidas y alimentadas alternati vamente a través de una línea de transmisión común. Es la más común de las antenas VHF de banda ancha, también se está haciendo popular en UHF. Es una antena en banda ancha que mantiene una ganancia e impedancia constante. La antena trabaja en su región activa. que es la porción en la cual está emitiendo o recibiendo radiación eficientemente. La región cambia con la frecuencia. El elementó más largo que se muestra en la figura X, está activo en bajas frecuencias donde actúa como un dipolo de media onda. Como la frecuencia cambia en f orma ascendente, la región activa cambia hacia delante. La frecuencia límite superior de la antena está en función del elemento más corto.

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Fig. 4: Esquema y parámetros de una antena logarítmica Las dimensiones y separaciones definidas en esta figura, se debe cumplir de la siguiente relación:

Yk l d a = k = k = k = Y k −1 l k − 1 d k − 1 a k − 1

(14)

Donde 0.8    0.96 . Para el funcionamiento óptimo de la antena, los elementos contiguos tienen que estar alimentados con un desfase igual a π. El ancho de banda viene dado por la longitud mayor y menor.

La figura X, muestra el diagrama esquemático de una LOPA, en el cual se define los siguientes parámetros de diseño: • El ángulo α • Las longitudes de los dipolos Lk. • La ubicación de los elementos con respecto al vértice del triángulo, Yk • El espaciamiento entre dipolos 𝜎 • La constante de diseño 𝜏, que es la relación entre la longitud de un dipolo o su ubicación con respecto al vértice y la longitud O ubicación del siguiente dipolo,

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Cálculo del ángulo: 4*     1−  

  = cot

Ancho de Banda:

B=

Fh Fl

Longitud de Onda Máxima:

 max =

C F min

Impedancia característica de la antena:

   l max  Za = 120ln  − 2.25    d max 

2.

CLASIFICACION DE ANTENAS LOGARITMICAS

a. Antenas logarítmicas periódicas Una antena de tipo logarítmica periódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Con una construcción similar a la de la antena Yagui, solo que las diferencias de longitudes entre los elementos y sus separaciones siguen una variación logarítmica en vez de lineal. Funcionamiento: La receptora de la señal o su región activa cambia continuamente dependiendo de la frecuencia, donde en la frecuencia más baja de operación, el elemento largo es el resonante y el resto de elementos actúan como directores. En la frecuencia más alta, el elemento más corto resuena y los otros elementos (más largos) actúan como reflectores en el centro de la banda de frecuencia.

b. Unidireccionales

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A diferencia de las antenas omnidireccionales, una antena direccional (también llamada unidireccional o directiva) es una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada de manera localizada, aumentando así la potencia emitida hacia el receptor o desde la fuente deseados y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas

c. Bidireccionales Cuando la comunicación fluye en ambas direcciones, se denomina bidireccional. Si dicha comunicación no se efectúa simultáneamente, sino alternativamente, se denomina comunicación semidúplex. Todas las comunicaciones dentro del ámbito WIFI son bidireccionales semidúplex.

d. Ganancia directiva baja y Ganancias mayores utilizándolas como un elemento en un arreglo más complejo Los términos ganancia directiva y ganancia de potencia con frecuencia no se comprenden y, por tanto, se utilizan incorrectamente. La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia radiada en una dirección en particular con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas irradian la misma cantidad de potencia. El patrón de radiación para la densidad de potencia relativa de una antena es realmente un patrón de ganancia directiva si la referencia de la densidad de potencia se toma de una antena de referencia estándar, que por lo general es una antena isotrópica. La máxima ganancia directiva se llama directividad. La ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva excepto que se utiliza el total de potencia que alimenta a la antena (o sea, que se toma en cuenta la eficiencia de la antena). Se supone que la antena indicada y la antena de referencia tienen la misma potencia de entrada y que la antena de referencia no tiene pérdidas. Ganancia directiva moderada

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3.

ASPECTOS DE DISEÑO

ASPECTOS DE DISEÑO La antena trabaja en su región activa, que es la porción en la cual está emitiendo o recibiendo radiación eficientemente. La región cambia con la frecuencia. El elementó más largo está activo en bajas frecuencias donde actúa como un dipolo de media onda. Como la frecuencia cambia en forma ascendente, la región activa cambia hacia delante. La frecuencia límite superior de la antena está en función del elemento más corto.

Fig. 5: Arreglo Logarítmico de dipolos. PARAMETROS DE DISEÑO: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

El ángulo α. Las longitudes de los dipolos 𝑙𝑛 . La ubicación de los elementos con respecto al vértice del triángulo, 𝑅𝑛 . El espaciamiento entre dipolos 𝜎. La constante de diseño 𝜏, que es la relación entre la longitud de un dipolo o su ubicación con respecto al vértice y la longitud o ubicación del siguiente dipolo.

Fig. 6: Parámetros de Dipolos. Consiste en un conjunto de dipolos conectados a una línea de transmisión central con reversión de fase entre los dipolos cuya operación se realiza de la siguiente manera: Asumiendo que se está operando en una frecuencia en la cual el tercer elemento es Página 10

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resonante, entonces los elementos 2 y 4 son ligeramente más largos y cortos respectivamente que el tercer elemento. Su espaciamiento combinado con el hecho de que la línea de transmisión cambia 180 grados en fase entre elementos permite que estos dos elementos estén en fase y cercanamente (pero no mucho) en resonancia con el tercer elemento. Frecuencia de corte en alto y una frecuencia de corte en bajo de una ganancia de antena de 8db con una impedancia de entrada de 125 ohm. Los dos factores, tau (𝜏) y sigma (𝜎) son los únicos factores que consideramos para el diseño de la LDPA. τ es la razón de la longitud de un elemento con su vecino próximo más largo. Sigma es conocida como el espaciamiento constante relativo con el cual se determina el ángulo del vértice de la antena. CALCULOS DE DISEÑO: 𝜏 = 0.865 𝜎 = 0.157

𝐶 = 3 ∗ 108 𝑚⁄𝑠 ∝= tan−1

1 − 0.865 1−𝜏 → 𝛼 = tan−1 = 12.132° 4𝜎 4 ∗ 0.157

Ancho de banda deseado: 𝐵=

𝐹ℎ 𝐹𝑙

Ancho de banda en la región activa: 𝐵𝑎𝑟 = 1.1 + 7.7(1 − 𝜏)2 cot(𝛼) Ancho de banda del diseño: 𝐵𝑠 = 𝐵 ∗ 𝐵𝑎𝑟 Longitud de onda máxima: 𝜆𝑚𝑎𝑥 =

𝐶 𝐹𝑙

Longitud del eje o mástil (teórico): 𝐿= Página 11

𝜆𝑚𝑎𝑥 1 (1 − ) cot(𝛼 ) 𝐵𝑠 4

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Longitud máxima del dipolo: 𝑙𝑚𝑎𝑥 =

𝜆𝑚𝑎𝑥 2

Longitud de todos los dipolos: 𝑙𝑛 = 𝑙𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝜏 𝑛−1 Distancia entre dipolos: 𝑑1,2 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙1 𝑑2,3 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙2 𝑑3,4 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙3 𝑑4,5 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙4 𝑑5,6 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙5 𝑑6,7 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙6 𝑑7,8 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙7 𝑑8,9 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙8 𝑑9,10 = 2 ∗ 𝜎 ∗ 𝑙9

4.

DIAGRAMAS DE RADIACION

El diagrama de radiación se identifica con la antena que trasmite, las mismas propiedades aplican a una antena en el modo de recepción. Esto se debe a que las antenas son dispositivos recíprocos, esto es que radian o captan energía electromagnética de la misma manera. El diagrama de radiación es peculiar al tipo de antenas, a sus características eléctricas y a sus dimensiones físicas. Representación gráfica de la manera como se distribuye la energía radiada por una antena (densidad de potencia) en la región de campo lejano en función de la posición angular θ y φ, para un valor fijo de R.

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Fig 7: Diagrama de Radiación de una Antena Logarítmica Periódica.

Tabla 1: comparaciones de diagramas de radiacion

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Fig. 8: Diagramas de radiación de antenas direccionales y omnidireccionales

5.

APLICACIONES Y SERVICIOS

APLICACIONES: • • •

Recepción de TV en VHF En radiodifusión FM En bandas de radioaficionados y otros servicios de comunicaciones en VHF

SERVICIOS: Antena log-periódica activa hasta 6GHz Serie HyperLOG® 40 X Antenas activas para todo el rango de frecuencias de 400MHz hasta 6GHz. La antena log-periódica de banda ancha HyperLOG® viene de manera estándar con una carcasa de material plástico de alta tecnología especialmente calculada (radomo). Según los modelos de ordenador los más modernos y como resultado de un trabajo de desarrollo dispendioso, la carcasa ha sido construido de modo que su forma, su material y su recubrimiento especial casi no tienen ninguna influencia en la medición, incluso cuando hay condensación. Además, era un objetivo importante para Aaronia de desarrollar un radomo con una atenuación mínima. Eso representaba una tarea complicada para el equipo de desarrolladores, sobre todo en el área de las altas frecuencias GHz, que podía ser superado con pleno éxito y con un diseño muy atractivo y elegante. ¡Las primeras mediciones superaron con creces las especificaciones anteriores! La antena había obtenido Página 14

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la mejor protección contra degastes mecánicos e influencias medioambientales sin perder su alta potencia. Puntos fuertes: ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Apropiadas para cualquier analizador de espectro u osciloscopio. Preamplificador de alta gama incluido Ganancia extremadamente alta (45dBi). Planos de polarización libremente ajustables. Bajo peso y pequeñas dimensiones. Permiten la instalación al exterior tal como el uso móvil. Hechas en Alemania con 10 años de garantía.

Áreas de aplicación: ✓ Gracias a su preamplificador integrado, las antenas log-periódica de la línea HyperLOG® X son particularmente apropiadas para la detección de transmisores extremadamente débiles o señal interferentes de cualquier tipo. La antena posee excelentes propiedades de sondeo que pueden ser optimizadas con el láser y la brújula opcional. ✓ El mango tipo pistola opcional facilita considerablemente el radiosondeo. Permite ajustar fácilmente los niveles de polarización en intervalos de 45°. ✓ La antena puede también puede ser utilizada como antena pasiva ya que el preamplificador es desmontable.

Entrega: ✓ Antena activa HyperLOG® 40 X Datos de calibración típicos con hasta 561 puntos de calibración (intervalos de 10MHz). ✓ Preamplificador integrado (desmontable) con acumulador integrado y fuente de alimentación ✓ Maleta de transporte de aluminio con espuma de protección Mango tipo pistola desatornillarle con función mini-trípode. ✓ Herramienta SMA especial de Aaronia con seguro contra torsión.

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Fig.9 Antena activa HyperLOG 40 X Datos técnicos: HyperLOG® 4025 X: -

Diseño: logarítmica-periódica. Rango de frecuencias: 400MHz-2,5GHz (hasta 70MHz con directividad limitada). Ruido de preamplificador: disminuyendo linealmente, 100MHz: 3,5dB, 3GHz: 4dB, 6GHz: 4,5Db. Preamplificador Tipo/Ganancia: disminuyendo "linealmente". 1MHz: 40dB; 3GHz: 37,5dB; 6GHz: 35dB. Impedancia nominal: 50 Ohm. Relación de ondas estacionarias (típ.):...