Informe de Laboratorio

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela: Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería ECBTI Programa: Ingeniería de Telecomunicaciones Curso: Antenas y Propagación Código: 208019

COMPONENTE PRÁCTICO

Presentado por:

EDWIN ALBERTO NOVOA GUTIERREZ

Tutor: ALBERTO SÁNCHEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MEDELLÍN MAYO DE 2016

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COMPONENTE PRÁCTICO El curso Antenas y Propagación – 208019 es Metodológico, con tres créditos académicos y con componente práctico In Situ, donde el tutor encargado de orientar la práctica debe evaluar y retroalimentar al estudiante, teniendo en cuenta lo siguiente: 

El intervalo de tiempo para desarrollar la práctica es:

Fecha de inicio: 28 de marzo de 2016. Fecha de finalización: 10 de mayo de 2016. 

Ponderación: 30 % (150 puntos)



El componente práctico es obligatorio.



Cada informe debe presentar fotografías como evidencias, tanto de asistencia, como de desarrollo de la práctica.



La práctica se desarrollará en tres fases:

Fase Uno: Investigación.

(30 puntos)

Fase Dos: Desarrollo.

(30 puntos)

Fase Tres: Producto, sustentación y conclusiones. (90 puntos) Importante El estudiante debe asistir al centro donde está programado el componente práctico según la programación que podrá ser consultada en http://academia.unad.edu.co/laboratorios/programacion En dicha página encontrará un tutorial que explica cómo realizar la inscripción a prácticas de laboratorio. Estudiante que no quede inscrito, no estará activo en el momento de cargar la calificación y retroalimentación; es decir, la inscripción es un proceso obligatorio. Si el centro cuenta con el Kit de Antenas “Antenna Training System AT3200” debe utilizarlo para el desarrollo de la práctica. Si no cuenta con el Kit, deberá utilizar algún simulador (Radio Mobile. Xirio). Independientemente de que la práctica se desarrolle con el Kit o con algún Software; el estudiante debe asistir al centro para recibir la orientación del tutor encargado de la práctica, quien evaluará y retroalimentará las tres fases. Aunque la actividad práctica se desarrollará In Situ y será evaluada por el tutor que sea asignado, el estudiante debe dejar evidencia del desarrollo de cada fase, en el entorno Aprendizaje Práctico en el foro “Desarrollo Componente Práctico”

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Fase Uno. 1. El estudiante revisa en el material de estudio los siguientes temas y profundiza consultando en libros o sitios confiables como e Biblioteca (sugiero: e Libro, Academic Search Premier, Applied Science & Technology Source) de la UNAD y https://scholar.google.es/ Potencia y energía, ecuaciones de onda, ondas planas, parámetros de propagación, polarización, ondas guiadas, características de la propagación, velocidad y dispersión, potencia, pérdidas, parámetros de una antena, fundamentos de radiación, Relación de Onda Estacionaria, tipos de antenas y zona de Fresnel. Con el tutor encargado, realizarán una socialización de los temas nombrados. El tutor define la dinámica de la socialización. 2. Completar la siguiente Tabla Anten as

Definición

Ventajas

Desventaj as

Parámetros Característicos

Frecuenci a de trabajo

Aplicaciones

Monop olo

El monopolo vertical o antena vertical es una antena constituida de un solo brazo rectilíneo irradiante en posición vertical.

Son antenas más pequeña s.

El patrón de radiación para el monopolo se encuentra fuerteme nte afectada por un plano de tierra de tamaño finito. El patrón de radiación resultante irradia en un "sesgada" la dirección, lejos del plano horizontal .

El patrón de radiación de los monopolos por encima de un plano de tierra también son conocidos por el resultado de dipolo. El único cambio que hay que tener en cuenta es que la impedancia de un monopolo es la mitad de la de una antena de dipolo completo. Por un monopolo de cuarto de onda (L = 0.25

Emplea todas las frecuencia s de trabajo

Transmisión de señales de TV, FM y comunicaciones militares.

Moverlo: probar varias combinac

Radiación: tiene una ganancia de 2,3 db en direccioes

Frecuenci as por encima de

Transmisión de señales de TV, FM y comunicaciones

Dipolo

Un dipolo es una antena emplead a para transmitir o reci

Las antenas dipolo ofrecen

*

),

la

impedancia es la mitad de la de un dipolo de media onda, por lo que Zin = 36,5 + j21.25 ohmios.

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Yagi

bir ondas de radiofrecuencia. La antena dipolo es la más sencilla 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

la ventaja de recibir señales balancea das. El diseño de dos polos permite que el dispositi vo para recibir señales de una variedad de frecuenc ias. También ayuda al dispositi vo a resolver los problem as causado s por el conflicto de señales sin perder calidad de recepció n

iones de las colocacio nes de polo antes de encontrar la mejor posición de recepción

Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas.

Proporci onan mucho mejor rendimie nto que las antenas de dipolo cuando se desea concentr ar gran parte de la radiació n en una dirección

- La alta direccion alidad de la antena, hace que su uso se limite solo a proyectos muy específico s, como por ejemplo cuando se quiere llegar a un repetidor

perpendiculares.

los 2MHz

militares.

Impedancia: la impedancia ideal es de 73 Ohm.

Tamaño: Aunque las antenas dipolo de interior son generalm ente pequeñas , las versiones al aire libre pueden ser grandes y difíciles de manejar

Polarización: En HF, y en VHF en clase de emisión banda lateral única se prefiere la polarización horizontal, y en VHF en clase de emisión frecuencia modulada, la polarización vertical. Impedancia: 50 ó 75 Ohms Resonancia: La Yagi es

Aplicaciones de radiodifusión de TV, estaciones de radioaficionados y radioenlaces punto a punto.

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lejano, o un satélite. - Otra desventaj a de la antena es su fragilidad mecánica , ya que los elemento s de la antena se pueden doblar o romper, lo que dificulta su transport e

Droopi ng

Esta antena tiene una similar característica a una antena dipolo de media onda

Efectiva en 80 metros

Espiral

Una antena espiral es un tipo de antena de radiofrecuencia y microondas, cuya forma consiste en una espiral de dos o más brazos

Las antenas espirales suelen ser de tamaño reducido , debido a la

una antena resonante, es decir, existe una frecuencia en la cual presenta una resistencia óhmica pura.

La desventaj a principal de una antena de este tipo es que su ancho de banda de los cables de acero menos de 200 kHz es demasiad o estrecho para cubrir la banda 80/75metro. Esto es, su polarización, diagrama de radiación e impedancia permanecen constantes en una banda muy ancha.3 Estas

Se utiliza en frecuencia s por encima de los 2MHz

Utilizada en experimentos. Es una antena ideal para aplicaciones de monitoreo y vigilancia muy utilizada en estaciones móviles.

2GHz (Este tipo de antenas se suelen clasificar como ant enas independi

Una aplicación importante de las antenas espirales son las comunicaciones de banda ancha. Otra aplicación donde estas antenas són muy

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela: Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería ECBTI Programa: Ingeniería de Telecomunicaciones Curso: Antenas y Propagación Código: 208019 estructu ra compact a de sus brazos, lo cual supone una ventaja frente a otras antenas de banda ancha Micros trip

En telecomunicacion es , hay varios tipos de microcinta antena s (también conocidos como antenas impresas ) la más común de las cuales es la antena de parche de microcinta o antena de parche

Las antenas espirales suelen ser de tamaño reducido , debido a la estructu ra compact a de sus brazos, lo cual supone una ventaja frente a otras antenas de banda ancha

Las antenas espirales suelen ser de tamaño reducido, debido a la estructur a compacta de sus brazos, lo cual supone una ventaja frente a otras antenas de banda ancha

antenas son siempre, debido a su diseño, de polarzación circular y de baja ganancia, aunque pueden ser dispuestas en forma de array para aumentar la ganancia total

entes de la frecuencia , ya que son capaces de funcionar en un rango muy amplio de frecuencia s)

útiles es en la monitorización del espectro, por lo que son frecuentes en equipos SDR y an alizadores de espectros.

La carga dieléctrica de una antena microstrip afecta tanto a su patrón de radiación y ancho de banda de impedancia. Co mo la constante dieléctrica de las sustrato aumenta, disminuye el ancho de banda de la antena que aumenta el factor Q de la antena y por lo tanto disminuye el ancho de banda de impedancia

Opera en múltiples frecuencia s. Por lo general se emplean en UHF y mayores frecuencia s debido a que el tamaño de la antena está directame nte ligada a la longitu d de onda en la frecuen cia de resonanci a

Las antenas espirales suelen ser de tamaño reducido, debido a la estructura compacta de sus brazos, lo cual supone una ventaja frente a otras antenas de banda ancha

Espira

Tabla 1 3. El estudiante explica la importancia de las magnitudes logarítmicas para el estudio de pérdidas y ganancias en un radioenlace. La conversión de unidades de potencia (W) y dBm resulta fundamental a la hora de realizar cálculos de enlaces. Durante los cálculos de enlaces encontramos tres tipos de unidades logarítmicas. a. dB (decibel)

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Es empleado para medir pérdidas en los cables y conectores o ganancias de antenas y amplificadores. El decibel es una unidad de medida correspondiente al logaritmo decimal del cociente de dos valores de potencia. dB = 10*log(P2/P1) Los dB son positivos cuando se refieren a una ganancia, por ejemplo la de una antena o un amplificador, y son negativos cuando estos corresponden a una atenuación, por ejemplo la de un cable. b. dBm (dB referido a un mW) Para este caso el dBm es una unidad logarítmica referida a la potencia de 1 mili Watt (0.001 W). Por lo tanto mide la potencia absoluta. Cuando es positivo se refiere a valores superiores a 1 mW y negativo para valores inferiores a 1mW, como los valores correspondientes a potencias recibidas. dBm = 10*log(P/0.001W) = 10*log(P1/1mW) c. dBi (decibel respect a la isótropica) Es empleado para expresar la ganancia de una antena en comparación con una antena isotrópica, es decir aquella que irradia en todas las direcciones con la misma intesidad: dBi = db relativo a una antena isotrópica Es importante tener en cuenta que cuando se usa el dB para calcular la potencia debemos recordar lo siguiente: 

Duplicar la potencia es igual a agregar 3 dB



Reducir la potencia a la mitad es igual que restar 3 dB

Fase Dos 1. El estudiante solicita al tutor el Kit de Antenas “Antenna Training System AT3200” si no cuentan con el Kit, deberá desarrollar desde el punto 2 1.1 Armar el Kit de Antenas

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1.2 Instalar el Software Antenna Trainer que viene con el Kit. Servirá para medir la Ganancia, el Ancho de Banda y el tipo de polarización. 1.3 Describir el siguiente gráfico. Computad or

Transmiso r

Main Controller

Receptor

2. Con orientación del tutor, el estudiante descarga e instala los siguientes programas: 2.1 Google Earth en https://www.google.es/earth/index.html 2.2 Radio Mobile http://www.cplus.org/rmw/download/download.html 2.2.1 Otra opción. Registrarse en Xirio Online http://www.xirio-online.com/

3. En Google Earth ubique dos puntos que se encuentran separados a una distancia de 55 Km. Con la opción “Marca de Posición” marque los dos puntos y con la opción “Regla” únalos para conocer la distancia exacta entre los dos puntos Marca de Posición

Regla

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Teniendo los dos puntos unidos, observe el Perfil de Elevación. ¿Qué puede concluir? Desarrollo Descarga de Google earth

Ubicación de dos puntos a una distancia de 55 kilómetros

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Perfil de elevación

De acuerdo al perfil de elevación de la ruta determinada observamos que existe línea de vista entre los dos puntos escogidos a 55 kilómetros de distancia, 4. De acuerdo a la distancia, la normatividad y el análisis realizado al perfil de elevación; explique en forma argumentativa qué antenas deben utilizar para diseñar un radioenlace y a qué frecuencia deben trabajar. Realizando un estudio del perfil de elevación sobre los obstáculos que se puedan interponer en el radioenlace. Tomamos el eje Y como indicador de la elevación del terreno y el eje X

la distancia

entre los puntos a comunicar. Interpretando que entre ambos puntos no existe obstáculo alguno que se interponga en la línea de vista, lo que nos facilita un enlace punto a punto sin ninguna complicación. Tipo de Antena Para el diseño del radioenlace emplearemos una antena parabólica de 24dBi - 2.4GHz, teniendo en cuenta las características que nos ofrece, las cuales resultan óptimas de acuerdo a las necesidades de nuestro diseño como son: topografía, clima, línea de vista, entre otras. Sus aplicaciones más relevantes son:

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

Transmisión de internet sin línea telefónica ya sea en costa, sierra y selva.



Interconexión entre sucursales y oficinas de empresas públicas y privadas.



Telefonía por IP



Proveer servicios de internet inalámbrico



Sistemas WiFi

Por otra parte este tipo de antena provee 24dBi de ganancia con un lóbulo de radiación de 8 grados para aplicaciones direccionales a larga distancia y se puede instalar en polarización vertical u

horizontal. Esta antena parabólica opera en todo tipo de clima, tiene una amplitud de onda de 8 grados

, es ideal para aplicaciones punto a punto.

Especificaciones Frecuencia

2400-2500 MHz

Ganancia

24 dBi

-3 dBi Ancho de onda

8 grados

Respuesta polarización cruzada

26 dBi

Front to Back Ratio

24 dB

Lóbulos laterales

-20dB Max

Impedancia

50 Ohm

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Max. ingreso de energía

50 Watts

Peso

3.62 Kg

Dimensiones

100 cm x 60 cm

Para un mejor análisis, realicen el siguiente ejercicio: 4.1 Un radioenlace está formado por dos antenas de 3 dB de directividad separadas a 10 km. Si el Transmisor tiene una potencia de 1kW y trabaja a una frecuencia de 100Mhz, calcúlese la potencia de señal a la salida de la antena receptora. Para dar solución al ejercicio en mención debemos tener presente la fórmula “Free Space Path Loss” Ploss = K + 20*Log(d)+20*log(f) Como (d) está en Km y (f) están MHz, entonces K = 32,4 Remplazando: Ploss = 32.4 + 20*Log(10)+20*log(100) Ploss = 32.4 + 20 + 40 = 92.4 De esta forma la potencia de señal a la salida de la antena receptora sería: PRX = PTX + GANT.TX – PLOSS + GANT.RX PRX = 60dBm + 3dB – 92.4 + 3dB = -26.4 (potencia de señal a la salida de la antena receptora) Fase Tres 1. Según la información del Kit, complete la siguiente tabla. Si no cuentan con el Kit, trabajar desde el punto dos (2). Frecuencia

500 Mhz

Tipo de antena

Cantidad

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2 Ghz

10 Ghz

Tabla 2

1.2 Teniendo en cuenta las antenas que hacen parte del Kit y la información obtenida en la solución de las tablas uno y dos, realizarán un envío de señales entre: 

Dos antenas con iguales características



Dos antenas con diferentes características.

Importante: método de desarrollo 

Ubique todos los elementos necesarios para el desarrollo de la práctica.



Tener claridad sobre la información que han dado en las tablas uno y dos.



Ubicar bien las antenas (una frente a la otra) a una distancia entre 1 a 2 metros



Ubicación de equipos



El computador debe quedar un poco retirado de los demás elementos para evitar algún tipo de interferencia



Tener presente que el control total de la experiencia está dado por el software.

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

El software de adquisición de datos tiene diferentes campos que deben ser configurados.



Toma de datos. Cuando todo esté listo (conexiones y equipos configurados) de inicio a la toma de datos que realiza el Software, dando clic sobre la opción “Auto”

1.3 Realizar mínimo tres pruebas (antenas con iguales características. Antenas con diferentes características) 1.4 Socializar las conclusiones “Resultados obtenidos” 2. Teniendo en cuenta la solución de los puntos 2, 3 y 4 en la fase dos, diseñe el radioenlace. Es necesario elaborar el presupuesto de potencia, de acuerdo a las tres partes del radioenlace: 

Lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión.



Pérdidas en la propagación.



Lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva

Desarrollo Un presupuesto de radio enlace completo es simplemente la suma de todos los aportes (en decibeles) en el camino de las tres partes principales. 

Lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión.

 Potencia de transmisión: Consideraremos una Potencia de Transmisión de 30 dBm de acuerdo al uso de la banda de 2.4 GHz según la normatividad del Ministerio de Comunicaciones  Pérdida en el cable: empleando un cable RG58 que tiene una pérdida de 1dB/m, para conectar un Transmisor con la antena; igualmente para el receptor. Si empleamos 3 metros de cable en el Transmisor, y 3 metros de cable en el Receptor perdemos 3dB en cada uno, o sea 6dB.  Pérdida en los conectores: como regla general estimaremos una pérdida mínima de 0.25 dB para cada conector, esto nos lleva a una pérdida total de 1dB  Ganancia de antena: teniendo en cuenta que emplearemos una antena parabólica que funcionará a una frecuencia de 2,4 GHz, esta nos provee una ganancia de 24dBi  Pérdidas de Propagación  Pérdidas en el espacio libre Ploss = K + 20*Log(d)+20*log(f) Como (d) está en Km y (f) están MHz, entonces K = 32,4 Remplazando:

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Ploss = 32.4 + 20*Log(55)+20*log(2400) Ploss = 32.4 + 34.80 + 67.60 = 134 No se requiere calcular zonas de Fresnel dado que no hay obstáculos en la línea de vista 

Lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva

Una cuestión importante a tener en cuenta es que si la potencia del transmisor y la del receptor no son iguales, debe realizarse el cálculo de la potencia tanto en el sentido transmisor-receptor como en el sentido inverso para asegurarnos que el enlace se puede establecer efectivamente, pero en nuestro caso en el lado de recepción como en el de transmisión se usaran los mismos tipos de equipos, por lo tanto solo se hará el cálculo en un solo sentido. Considerando que la sensibilidad del receptor posee una sensibilidad de -85dB, el diseño del radioenlace sería: Potencia del transmisor [dBm] – Pérdida en el cable TX [dB] + ganancia de antena TX [dBi] – Pérdidas en la trayectoria en el espacio abierto [dB] + ganancia de antena RX [dBi] – Pérdidas en el cable del RX [dB] = Margen – Sensibilidad del receptor [dBm]. Remplazando: 30[dB] - 3[dB] + 24[dBi] - 134[dB] + 24[dBi] - 3[dB] = Margen - 85[dBm] Margen Umbral (MU) = 23 Tenemos un Margen de Umbral de 23dBm, el cual es bastante óptimo para el diseño DATOS

ELEMENTOS

VALORES

Potencia del transmisor

30[dBm]

Cables y conectores

-3[dB]

Distancia: 55 Kilómetros

ganancia de antena TX

24[dBi]

Frecuencia: 2.4GHz

Pérdida en el espacio libre

-134[dB]

ganancia de antena RX

24[dBi]

Cables y conectores

-3[dB]

Sensibilidad del receptor

- 85[dBm]

Total (margen)

23

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3. Realizar la simulación. Comparar valores obtenidos en el presupuesto de potencia. Explicar cada valor obtenido. Para profundizar en el diseño del radioenlace; es conveniente realizar el siguiente ejercicio: 3.1 Se conocen los siguientes datos para el diseño de un radioenlace: F= 300 Mhz Distancia=30Km Ganancia de la antena Transmisora = 10 dB Sensibilidad del Receptor = 10 μV Si como antena receptora se utiliza un dipolo en λ/2 con directividad de 1,64 impedancia Zo=73+j43Ω y eficiencia de pérdidas óhmicas igual a la unidad ¿Cuál debe ser la mínima potencia transmitida para el buen funcionamiento del radioenlace?