PATRÓN DE RADIACIÓN DE UNA ANTENA Yesid guerra fuentes E-mail:
[email protected] Presentado a: Ing. Giovanny Bracho Tovar RESUMEN: En el presente informe estudiaremos los resultados obtenidos en la Medición del Patrón de Radiación de una antena, tambien mostraremos los detalles de los montajes realizados y el equipo utilizado para desarrollar la practica. Gracias a el Sistema Didactico de Medicion de antenas (SDMA), el cual nos permite realizar diferentes montajes de antenas en el laboratorio. A continuacion el análisis conlleva a la comprensión del comportamiento y características del patron de radiación de las diferentes antenas medidas. 1. INTRODUCCIÓN Las antenas han sido un logro muy importante en el inicio y desarrollo de los Sistemas de Comunicación. Una característica muy relevante que hay que mencionar es el patrón de radiación, ya que conociéndolo se logra saber mucha información, ya sea de la directividad de una antena, su potencia, entre otros. Es importante conocer este parámetro de las antenas, porque de su patrón de radiación es que podemos saber qué tipo de antena es la adecuada para cierta aplicación. De esta forma mostraremos la metodología y procedimientos que se realizaron para llevar a cabo la medición del patrón de radiación de
varios tipos de antenas, para así desarrollar el análisis de los gráficos que muestran de manera didáctica el comportamiento de cada antena con respecto al ángulo con el cual se recibe.
2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL analizar los diferentes cambios que toma el patrón de radiación de las diferentes antenas, a través de el SDMA. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Llevar a cabo las mediciones de los patrones de Radiación. Aprender a utilizar de manera optima y adecuada el SDMA Analizar cada uno de los patrones de radiación obtenidos de los diferentes tipos de antenas. 3. MARCO TEORICO 3.1. ANTENAS Las antenas son vitales en los sistemas de comunicación. Por definición, una antena es un dispositivo utilizado para transformar una señal de RF que viaja en un conductor, en una onda electromagnética en el espacio
abierto. Las antenas exhiben una propiedad conocida como reciprocidad, lo cual significa que una antena va a mantener las mismas características sin importar si está transmitiendo o recibiendo. La mayoría de las antenas son dispositivos resonantes, que operan eficientemente sólo en una banda de frecuencia relativamente baja. Una antena debe ser sintonizada en la misma banda que el sistema de radio al que está conectada, para no afectar la recepción y transmisión. Cuando se alimenta la antena con una señal, emitirá radiación distribuida en el espacio de cierta forma. La representación gráfica de la distribución relativa de la potencia radiada en el espacio se llama patrón de radiación. 3.2. PARAMETROS ANTENA
DE
UNA
Cada antena tiene propiedades distintas que sirven para poder caracterizarlas, estas características son los llamados parámetros de las antenas. Estos parámetros se encuentran relacionados con la radiación que se emite en la antena. Ancho de banda Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros. Directividad La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una
antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total. Ganancia Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación. La unidad de Ganancia (G) de una antena es el dBm o dBi, dependiendo si esta se define respecto a un dipolo de media onda o a la isotrópica. Eficiencia Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad. 3.3. TIPOS DE ANTENAS Las antenas pueden tomar formas muy diversas para cumplir con los requisitos de diseño y además de estar constituida de muy diversos materiales. Ahora, mencionaremos los tipos de antenas mas implementadas: Antenas de MicroStrip: Las antenas de microstrip desde su aparicion han tenido un gran desarrollo principalmente debido a su tamaño reducido (conforme las frecuencias de operacion han ido incrementando, los tamaños para estas antenas disminuyen considerablemente). Las antenas de microstrip constan de un parche
conductor sobre un dielectrico aterrizado.
substrato
Trompeta Cónica 3.4. PATRON DE RADIACION
Antenas de alambre: Es el tipo mas comun de antenas y pueden encontrarse practicamente en todos lados, ya sean edificios, en automoviles, en aviones, etc. Exitsen varios tipos de antenas de alambre como los son monopolos, dipolos, las antenas de lazo, entre otras.
Los patrones de radiación describen la intensidad relativa del campo radiado en varias direcciones desde la antena a una distancia constante. El patrón de radiación es también de recepción, porque describe las propiedades de recepción de la antena. El patrón de radiación es tridimensional, pero generalmente la medición del mismo son una porción bidimensional del patrón, en el plano horizontal o vertical. Estas mediciones son presentadas en coordenadas rectangulares, o en coordenadas polares. La figura 1 muestra el diagrama de radiación en coordenadas rectangulares de una antena Yagi. El detalle es bueno, pero se hace difícil visualizar el comportamiento de la antena en diferentes direcciones.
Antenas de Apertura: Tienen gran aplicación en aviones debido a que pueden ser montadas fácilmente en la estructura del avión. Su estructura consta de una guía de onda con terminación en formas piramidales, cilíndricas, etc.
Trompeta Piramidal
En los sistemas de coordenadas polares, los puntos se obtienen por una proyección a lo largo de un eje que rota (radio) en la intersección con uno de varios círculos concéntricos. En la figura 2 presentamos un diagrama de radiación en
coordenadas polares de la misma antena Yagi.
3.5 SISTEMA DIDÁCTICO Y DE MEDICION DE ANTENAS (SDMA)
El Sistema didáctico y de medición en antenas (SDMA) es una herramienta que proporciona el material didáctico necesario para la capacitación práctica sobre las antenas, en las bandas de 1 GHz y 10 GHz. El SDMA, un sistema de medición de antenas funcional y potente, también puede ser utilizado por equipos de investigación y concepción. El SDMA consta de un conjunto de antenas de 1Ghz y otro conjunto de antenas de 10GHz. Además, consta de un generador RF, un sistema de recepción y el software. Adquisición y gestión de datos para antenas de Lab-Volt (LVDAM-ANT)
El sistema de recepción incluye un orientador de antena giratorio acoplado a una interfaz para la adquisición de datos, la que a su vez esta conectada a una computadora. El software LVDAM-ANT cuenta con una caja de herramientas que se utiliza para controlar la rotación de antena y la adquisición de datos, así como la visualización de las características medidas de la antena en los planos E y H. A partir de los resultados de esas mediciones, es posible obtener diferentes tipos de representaciones en 2D y 3D.
3.5.1 DESCRIPCION GENERAL DE LOS EQUIPOS El generador RF: Incluye dos generadores independientes capaces de entregar una señal RF continua o una señal modulada en amplitud mediante una onda cuadrada de 1 kHz, en las bandas de 915 MHz y 10,5 GHz. Cada generador cuenta con un botón pulsador para activar o desactivar la emisión de potencia RF, un LED que destella cuando esa emisión está activada y un conector de salida tipo SMA.
Orientador de antena: Consiste en un mástil para la antena receptora, un motor de arrastre, un detector de señales, un atenuador variable y un codificador del eje. El motor de arrastre hace girar el mástil mientras el software LVDAM-ANT comanda dicha rotación por medio de la Interfaz para la adquisición de datos. Un conector tipo SMA, montado en la base del mástil, permite conectar la antena receptora al detector de señales. Este último suministra una señal cuya tensión depende del nivel de la señal RF recibida. Esta señal se encuentra disponible en un conector BNC para su conexión a la Interfaz para la adquisición de datos.
ejecuta el software LVDAM-ANT. Ese enlace se logra utilizando un puerto USB ubicado en la parte trasera del módulo. La Interfaz para la adquisición de datos convierte la señal proveniente del Orientador de antena en una señal digital que el pc puede procesar rapidamente.
La Fuente de alimentación suministra una tensión cc regulada a la Interfaz para la adquisición de datos. Además, dicha fuente cuenta con un distribuidor estándar de tensión cc no regulada para alimentar los otros módulos compatibles a través del conector del panel superior. Antenas: El SDMA incluye muchos tipos de antenas para poder trabajar cómodamente, entre ellos tenemos.
El atenuador variable permite el ajuste del sistema receptor, según la intensidad de la señal recibida, a fin de evitar la saturación del sistema. Interfaz para la adquisición de datos/Fuente de alimentación: La Interfaz para la adquisición de datos es el enlace de comunicación entre el Orientador de antena y el pc que
Antenas para 1 GHz Dipolos Dipolo plegado Dipolo plegado con balun Monopolo (a nivel del suelo) Monopolo de brazos inclinados Fija Yagi Ajustable Yagi Antenas para 10 GHz Guía de ondas abiertas en un extremo Guía de ondas ranurada
De bocina(abertura grande y pequeña) Helicoidal De placas 4. RESULTADOS
En la gráfica se puede observar que existe un lóbulo principal que sobresale más con respecto a otros lóbulos. Ahora comparamos con respecto a un patrón de radiación que se podría considerar ideal:
Para la realización de este laboratorio contamos con diferentes tipos de antenas correspondientes al kit de antenas del SDMA. Dentro de las cuales estaban la Antena Helicoidal, una Antena Monopolo, Antenas MicroStrip, Dipolos, etc. Para poder analizar de manera óptima los resultados obtenidos, realizaremos una breve comparación entre las graficas obtenidas en el laboratorio y los patrones de radiación ideales. 4.1. ANTENA HELICOIDAL En esta parte de la práctica se pudo medir el patrón de radiación de la antena helicoidal, para ello el generador de RF debía encontrarse activo con el oscilador de 10GHz. La grafica que se obtuvo fue la siguiente:
Observando es fácil concretar que ambos patrones tienden a tener un lóbulo principal hacía donde se dirige la mayor parte de la energía, el lóbulo principal esta acompañado de unos lóbulos secundarios. 4.2. ANTENA DIPOLO En esta parte de la práctica se pudo medir el patrón de radiación de la antena Dipolo, para ello el generador de RF debía encontrarse activo con el oscilador de 1GHz. La grafica que se obtuvo fue la siguiente:
En la gráfica se puede observar que existen dos lóbulos principales, en donde la energía se esparce de
manera bidireccional. Ahora comparamos con respecto a un patrón de radiación que se podría considerar ideal:
En la grafica es posible observar como este patrón de radiación tiende a ser omnidireccional, pero se observa que esa omnidireccionalidad no es total ya que hay momentos en que la potencia cae y eso es un comportamiento indeseable en este tipo de antenas. Ahora comparamos con respecto a un patrón de radiación que se podría considerar ideal:
Observando ambos patrones de radiación es posible darse cuenta de manera inmediata la similitud de estos, aunque también es posible detallar que la direccionalidad de una antena ideal es mucho más directiva, mientras que la tomada en el laboratorio tiende a irradiar energía en zonas más grandes. 4.3. ANTENA MONOPOLO En esta parte de la práctica se pudo medir el patrón de radiación de la antena tipo Monopolo, para ello el generador de RF debía encontrarse activo con el oscilador de 1GHz. La grafica que se obtuvo fue la siguiente:
Observando ambos patrones se observa una cierta similitud, aunque el patrón ideal tiene una omnidireccionalidad casi total, mientras que el medido en el laboratorio tiene muchas caídas. 4.4. ANTENA YAGI En esta parte se pudo medir el patrón de radiación de la antena Yagi, para ello el generador de RF debía encontrarse activo con el oscilador de 1GHz. La grafica que se obtuvo fue la siguiente:
En esta parte de la práctica se pudo medir el patrón de radiación de la antena de Bocina, para ello el generador de RF debía encontrarse activo con el oscilador de 10GHz. La grafica que se obtuvo fue la siguiente:
Como sabemos las antenas Yagi son antenas tipo dipolo que concentran toda su energía es un solo campo, es decir en una sola dirección. En la gráfica se puede observar que existe el lóbulo principal aunque también existe un lóbulo secundario el cual aparece por la no idealidad de la antena del laboratorio. Ahora comparamos con respecto a un patrón de radiación que se podría considerar ideal:
Observando ambos patrones se observa hay similitud en el lóbulo principal, también es posible detallar como el patrón ideal suprime el lóbulo secundario de manera casi total. 4.5. ANTENA DE BOCINA
En la gráfica se puede observar como existe una unidireccionalidad de este tipo de antenas, toda la energía se dirige hacia un solo campo o una sola dirección. Ahora comparamos con respecto a un patrón de radiación que se podría considerar ideal:
Observando ambos patrones se observa que en ambos el patrón es básicamente el mismo, casi toda la energía va en una sola dirección en lo que llamaremos su lóbulo principal,
también es posible notar que tipo de antenas tienen directividad muy alta.
este una
5. CONCLUSIONES Podemos destacar la importancia de esta práctica, ya que pudimos llevar a cabo de manera satisfactoria la manera o forma de medir y extraer el patrón de radiación de diferentes tipos de antenas. Mediante los patrones obtenidos se observo la manera en la cual irradia cada antena y el comportamiento que ellas manejan dependiendo del ángulo en que se este trabajando. Cada antena posee propiedades diferentes y muchas veces contrarias con respecto a otras, esto hace que cada una sea necesaria y pueda ser usada en diferentes tipos de aplicaciones según la necesidad que se requiera. De esta forma se comprobó la importancia de conocer el patrón de radiación de una antena.
6. BIBLIOGRAFIA
Antenas: Principios básicos, análisis y diseño. Parámetros de Radiación, Abel – Rueda
FUENTES WEB Manual del Sistema Didactico y de Medición en Antenas (SDMA) . http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ sedes/manizales/4040050/Descargas /capseis/yagiuda.pdf
