antenas parabolicas

Univ niversi ersida dad d Nacio aciona nall de Asunc Asunció ión n Facultad de Ingeniería

Trabajo Práctico: Práctico: Elab Elabor orac ació ión n de Ante Antena  na   Antenas

Prof. Dra. Miki Saito Prof. Ing. Vicente Argüello

Responsables: David Caballero Darío Delvalle Federico Gavilán Guido Valenzano

Luque, Paraguay  Mayo, 2011

Índice 1. Objetivo

2

2. Marco teórico 2.1. Introducción a las antenas parabólicas . . . . 2.2. Tipos de antenas parabólicas . . . . . . . . . . 2.2.1. Antena parabólica de foco centrado . . 2.2.2. Antena parabólica Offset . . . . . . . . 2.2.3. Antena parabólica Cassegrain . . . . . 2.3. Parámetros de la antena parabólica . . . . . . 2.3.1. Apertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Ángulo de apertura . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Distancia focal . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Factor de efectividad . . . . . . . . . . . 2.3.5. Ganancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6. Anchura del diagrama de directividad . 2.3.7. Relación f  /d  . . . . . . . . . . . . . . .

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2 . 2 . 2 . 2 . 3 . 3 . 4 . 4 . 4 . 4 . 4 . 5 . 5 . 5

3. Cálculos de la antena

6

4. Lista de materiales y costos 4.1. Construcción del Reflector 4.2. Construcción del dipolo . . 4.3. Linea de transmisión . . . . 4.4. Herramientas . . . . . . . .

6 6 6 6 7

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5. Elaboración de la antena

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6. Medición de la ganancia 6.1. Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7 8 8

7. Conclusión

8

 Apéndice

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 A. Fotografías del proceso de elaboración de la antena

1

11

1. Objetivo El presente trabajo tiene por objetivo la elaboración de una antena parabólica que opere a la frecuencia de 2.4GHz. A través de este trabajo se pretende: Poner en práctica de los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, y en particular, la asignatura de Antenas. Desarrollar la creatividad, así como las habilidades técnicas y manuales necesarias en el proceso de elaboración. Realizar la documentación del trabajo, que explique el funcionamiento y los fundamentos teóricos de las antenas parabólicas, así como el proceso de creación de la misma, costos y mediciones que se consideren pertinentes.

2. Marco teórico 2.1. Introducción a las antenas parabólicas El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define una antena como «aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas » (IEEE Std. 145-1983)[1]. Una antena es un dispositivo recíproco pasivo; pasivo en cuanto a que en realidad no puede amplificar una señal, por lo menos no en el sentido real de la palabra (sin embargo, una antena puede tener ganancia), y recíproco en cuanto a que las características de transmisión y recepción son idénticas, como la ganancia, directividad, frecuencia de operación, ancho de banda, resistencia de radiación, eficiencia, etc.[2], excepto donde las corrientes de alimentación al elemento de la antena se limitan a la modificación del patrón de transmisión. La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico para conseguir una valores superiores de ganancia directiva, ancho de banda y rendimiento. Su nombre proviene de la similitud a la parábola generada al cortar un cono recto con un plano paralelo a la directriz. Las antenas parabólicas pueden usarse como antenas transmisoras o como antenas receptoras[3].

2.2. Tipos de antenas parabólicas  Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parabólicas, los más extendidos son los siguientes[4], [5], [3]:

2.2.1. Antena parabólica de foco centrado La superficie de la antena es un paraboloide de revolución. Todas las ondas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan y van a parar al foco –que están centrado en el paraboloide. Tiene un rendimiento máximo del 60% aproximadamente, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% llega al foco y se aprovecha, el resto no llega al foco y se pierde debido principalmente a los efectos de spillover y bloqueo. Se suelen ver de tamaño grande, aproximadamente de 1,5 m de diámetro. 2

Figura 1: Geometría de una antena parabólica de foco centrado

2.2.2. Antena parabólica Offset Se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto del foco. Son más eficientes que las parabólicas de foco primario. No es de forma parabolica propiamente dicha. Su forma es una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y asimétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino a un lado del mismo (offset).

Figura 2: Geometría de una antena parabólica Offset

2.2.3. Antena parabólica Cassegrain Se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras. Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector. En el caso del reflector parabólico Cassegrain el subreflector es hiperbólico. El reflector principal refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario posee un foco en común con el reflector parabólico. El sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide.

3

Figura 3: Geometría de una antena parabólica Cassegrain

2.3. Parámetros de la antena parabólica  Suponiendo una antena cuyo reflector es el paraboloide de revolución, los parámetros a considerar en el diseño son[6], [7]:  Apertura (d )  Ángulo de apertura (β) Distancia focal ( f  ) Factor de efectividad (η) Ganancia (G )  Anchura del diagrama de directividad (2θ)

2.3.1. Apertura  Es el valor del diámetro de la circunferencia formada por los bordes de la parábola. Suponiendo que η toma un valor de 0.5, entonces d  puede aproximarse a: d  ≈ λ

 

G 

1,5π

(1)

2.3.2. Ángulo de apertura  Es el valor del ángulo formado por la línea focal y la que une el punto focal con el borde de la parábola. Normalmente se utiliza un ángulo en torno a 60° para conseguir un campo eléctrico uniforme.

2.3.3. Distancia focal Es lo que mide la línea que une el vértice de la parábola con el punto focal.  f   =

d 

4tan

 β

(2)

2

2.3.4. Factor de efectividad Es una constante a aplicar y es función de la perfección constructiva de la parábola (suele valer en torno a 0.5). 4

2.3.5. Ganancia  En valores absolutos es aproximadamente (no en dB). S  G  = 4πη 2 λ

siendo, S  = π

d 2

4 la superficie del círculo formado por el borde de la parábola de diámetro d . Reordenando la expresión, se tiene: πd  2 G  = η λ

 

2.3.6. Anchura del diagrama de directividad La anchura en el plano vertical es 2θE 

=

λ 75 d 

◦

 

mientras que la anchura en el plano horizontal es 2θH 

=

◦

  λ 70 d 

2.3.7. Relación f  /d  La elección del parámetro f  /d  es de suma importancia en los reflectores parabólicos debido a que esta relacionado con el ángulo de visualización del borde del reflector β. En la figura 4 se observa que al diminuir el valor de este parámetro el ángulo de visualización aumenta. Es habitual trabajar con la relación f  /d  entre los valores de 0.25 a 0.5, dentro de este margen disminuyen las perdidas por desbordamiento, el ruido externo captado de la tierra, disminuye la distancia focal entre otros beneficios asociados.

Figura 4: Geometría del reflector parabólico para distintos valores de f  /d 

5

3. Cálculos de la antena  Se desea construir una antena parabólica con las siguiente características: Frecuencia de operación f  : 2.4GHz. Ganancia de la antena: 20 dB. De la ecuación (1) se tiene: d  ≈ λ

 

G 

=

c 

1,5π  f   d  0,5758[m]

 

G 

1,5π

=

3 × 108 2,4 109 ×

 

100 1,5π (3)

≈

Por otro lado, de (3) en (2); y utilizando para β el valor recomendado en [7] se tiene:  f   =

d 

4tan

 β

=

2

0,5758 4tan 62 2



 f   = 0,2396[m]

=

0,5758 2,4034

4. Lista de materiales y costos 4.1. Construcción del Reflector Material Costo (Gs).  Arcilla (14 unidades) 14000 Cartón (reciclado) Fibra de vidrio 20000 Resina para fibra de vidrio 15000 Masilla plástica (reciclado) Thinner 10000 Lija 5000 Pintura 20000

4.2. Construcción del dipolo Los siguientes materiales no tuvieron costos, pues fueron reciclados: Estaño Cable industrial Caño Chapa Tornillo tirafondo

4.3. Linea de transmisión Los siguientes materiales no tuvieron costos, pues fueron reciclados: Cable coaxial Conector N-hembra para chasis 6

(4)

4.4. Herramientas Material Costo (Gs). Pincel de 1 y 1.5 pulgadas 10000 Estilete Taladro Mechas (recicladas) -

5. Elaboración de la antena  Una vez calculado todos los parámetros de la antena se procede a la construcción de la misma de la siguiente manera: 1. Diseño y corte del molde de la parábola sobre cartón. 2. Trabajado de la arcilla hasta obtener el paraboloide delimitado por el molde de cartón. 3. Preparado de una tira de cartón para el borde de la antena. 4. Se coloca la fibra de vidrio sobre el molde y se aplica la resina. 5. Se desmonta la fibra del molde de arcilla y se lija los excedentes. 6. Con masilla plástica diluida se pinta el paraboloide en varias capas. 7. Una vez seca la masilla se lija y se procede al pintado con pintura metálica. 8. Se construye el dipolo utilizando cobre de cable industrial y se lo monta en el foco con un soporte de caño, además se suelda el dipolo al cable coaxial RG-59 y  se introduce en el interior del caño. 9. Se fija el caño sobre el reflector con tornillos. 10. Se suelda el cable coaxial a un conector de tipo N-Hembra el cual se cubre con un aislante de caucho.

6. Medición de la ganancia  6.1. Equipos  Analizador de espectro Generador de señales Un par de antenas dipolo Conectores y accesorios

7

6.2. Procedimiento 1. Se ajustan la longitud de las antenas dipolo para operar a una frecuencia de 2.4GHz. 2. Se conecta un dipolo al generador, y otro al analizador de espectros, cuidando de mantener la misma polarización (horizontal). 3. Se ajusta la frecuencia de operación del generador de señales y el analizador de espectro, de modo a que ambos trabajen a 2.4GHz. 4. Se realiza la medición de potencia recibida en el analizador de espectro. 5. Se desconecta el dipolo del analizador, y se conecta la antena parabólica elaborada. 6. Se vuelve a realizar la medición de potencia recibida en el analizador. 7. Se calcula la ganancia de la antena mediante la fórmula: G medida = G parabólica − G dipolo

6.3. Resultados La ganancia medida en el laboratorio fue de: G medida = 13,69[dBd]

Con lo cual se tiene un error de: error

=

G dato − G medida G dato

×

100

error 31,55% =

7. Conclusión Las antenas parabólicas son de suma importancia en las telecomunicaciones de larga distancia, satelitales y en las cuales se necesitan grandes cantidades de ganancia de señal. Este trabajo nos ayudo bastante a adquirir conocimientos concretos acerca de este elemento tan útil en las telecomunicaciones, tales conocimientos nos serán de provecho en nuestra futura vida profesional. Por otro lado, también pudimos poner en práctica los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, así como los adquiridos en la asignatura de Antenas. Asimismo, permitió desarrollar la creatividad para diseñar y confeccionar una antena sencilla y  ecónomica; a la vez que otorgarnos las habilidades técnicas y manuales necesarias en el proceso de evaluación. Los detalles de los cálculos y el proceso de construcción, fueron plasmados en este informe. Esperamos que sea de utilidad para cualquiera que lo consulte.

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Referencias [1] Angel Cardama Aznar y col. Antenas . Barcelona: Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, 2002. [2] Wayne Tomasi. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas . México: Pearson Education, 2003. [3] Colaboradores de Wikipedia. Antena parabólica . 2011. UR L : http : / / es . wikipedia.org/w/index.php?title=Antena_parab%C3%B3lica&oldid= 46492917.

[4] Anakarinaw. Tipos de Antenas Parabólicas . 2011. UR L: http://anakarinaw. wordpress.com/2011/05/11/tipos-de-antenas-parabolicas/ . [5] Colaboradores de Wikipedia. Antena . 2011. UR L: http://es.wikipedia.org/w/ index.php?title=Antena&oldid=46596167. [6] Ricardo Amarilla y col. Antenas parabólicas . Inf. téc. Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción, 2010. [7] Armando García Domínguez. Cálculo de antenas . Barcelona: Marcombo, 1986.

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 Apéndice

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 A. Fotografías del proceso de elaboración de la antena 

Figura 5: Confección de la matriz parabólica de cartón, que permite moldear la arcilla.

Figura 6: Confección del molde de arcilla con forma parabólica. Sobre éste, se coloca la fibra de vidrio.

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Figura 7: Molde de arcilla terminado.

Figura 8: Confección del reflector parabólico de fibra de vidrio.

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Figura 9: Vista trasera del reflector parabólico hecho de fibra de vidrio, sin pintar.

Figura 10: Reflector parabólico terminado.

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Figura 11: Vista del dipolo.

Figura 12: Vista lateral de la antena terminada.

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