Practica 2 Teoria de Radiadores Pilar

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

Teoría de radiadores Electromagnétic M. en C. Pilar Guadalupe Gutiérrez Moreno

Andrés Aharhel Mercado Velázquez Gerardo Aldair González Jiménez

5CM6

2015301 2015300

Índice OBJETIVO....................................................................................................2 INTRODUCCIÓN TEÓRICA.............................................................................2 POLARIZACIÓN LINEAL....................................................................................................... 3 POLARIZACIÓN CIRCULAR................................................................................................... 4 POLARIZACIÓN ELÍPTICA..................................................................................................... 4 EQUIPO Y MATERIALES................................................................................6 PLANO DE TIERRA............................................................................................................. 6 VARILLAS........................................................................................................................ 7 GENERADOR DE RADIOFRECUENCIA......................................................................................7 DETECTOR DE CORRIENTE Y VOLTAJE....................................................................................8 DETECTOR DE RADIACIÓN.................................................................................................. 8 CAJA DE ACCESORIOS........................................................................................................ 9 DESARROLLO EXPERIMENTAL DE LA PRÁCTICA............................................10 EQUIPO EMPLEADO......................................................................................................... 10 DIFERENTES TIPOS DE ACOPLAMIENTOS...............................................................................10 Acoplamiento A...................................................................................................... 10 Acoplamiento B...................................................................................................... 10 EXPERIMENTO N° 1........................................................................................................ 11 EXPERIMENTO N° 2........................................................................................................ 15 EXPERIMENTO N° 3........................................................................................................ 17 EXPERIMENTO N° 4........................................................................................................ 20 CONCLUSIÓN............................................................................................. 23 BIBLIOGRAFÍA:..........................................................................................23

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Objetivo Que el alumno conozca por medio de las siguientes configuraciones que elementos son radiadores y cuales elementos no lo son.

Introducción teórica Antena monopolo Se denomina Monopolo vertical a la mitad de un dipolo vertical. Un monopolo puede ser completado mediante un plano de tierra modelándose así como un dipolo completo, situación típica, sobre todo en monopolos verticales. Como radia una antena monopolio. Una antena monopolo es la mitad de una antena dipolo, casi siempre montado sobre una especie de plano de tierra. El caso de un monopolo de longitud L monta sobre un infinito plano de tierra se muestra en la figura (a).

Fig.1 - Monopolo por encima de un PEC (a), y la fuente equivalente en espacio libre (b). Usando la teoría de la imagen, los campos por encima del plano de tierra se puede encontrar utilizando el equivalente fuente (antena) en el espacio libre como se muestra en la Figura 1 (b). Esto es simplemente una antena de dipolo del doble de la longitud. Los campos por encima del plano de tierra en la Figura 1 (a) son idénticos a los campos en la Figura 1 (b), que se conocen y se presenta en ladipolo . Los campos por debajo del plano de tierra en la Figura 1 (a) son cero.

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Líneas de transmisión Las líneas de transmisión confinan la energía electromagnética a una región del espacio limitada por el medio físico que constituye la propia línea, a diferencia de las ondas que se propagan en el aire, sin otra barrera que los obstáculos que encuentran en su camino. La línea está formada por conductores eléctricos con una disposición geométrica determinada que condiciona las características de las ondas electromagnéticas en ella. En los sistemas de comunicaciones, las líneas de transmisión encuentran numerosas aplicaciones no sólo en el transporte de señales entre una fuente y una carga, sino también como circuitos resonantes, filtros y acopladores de impedancia. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen el transporte de señales telefónicas, datos y televisión, así como la conexión entre transmisores y antenas y entre éstas y receptores.

Fig.2 – Líneas de transmisión

Polarización Lineal Cuando las ondas incidentes de voltaje y corriente alcanzan una terminación abierta, nada de la potencia se absorbe; toda se refleja nuevamente a la fuente. La onda de voltaje incidente se refleja exactamente, de la misma manera, como si fuera a continuar a lo largo de una línea infinitamente larga. Sin embargo. La corriente incidente se refleja 180° invertida de cómo habría continuado si la línea no estuviera abierta. Conforme pasen las ondas incidentes y reflejadas, las ondas estacionarias se producen en la línea. Puede verse que la onda estacionaria de voltaje tiene un valor máximo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor mínimo en el circuito abierto. La onda estacionaria de corriente tiene un valor mínimo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor máximo 3 Instituto Politécnico Nacional

en el circuito abierto. Es lógico suponer que del voltaje máximo ocurre a través de un circuito abierto y hay una corriente mínima.

Fig.3 – Líneas de transmisión abierta

Bobina inductiva La bobina de inducción es un dispositivo que emplea el principio de la inducción mutua, que ya hemos considerado en párrafos anteriores, para producir tensiones muy elevadas a partir de tensiones de alimentación relativamente bajas. Las bobinas comunes de inducción se componen, generalmente, de dos bobinas separadas y arrolladas alrededor de un núcleo construido con alambres de hierro dulce; una de las bobinas se llama bobina o arrollamiento primario y se compone de relativamente pocas vueltas de alambre grueso; la otra, llamada secundaria o arrollamiento secundario, se compone de muchas vueltas de alambre más delgado que el primario y, a menudo, aunque no siempre, se construye inmediatamente encima y bien apretada contra el primario, y concéntrica con este arrollamiento alrededor del mismo núcleo magnético. Los impulsos de corriente eléctrica de baja tensión, que pasan a través del primario, producen un campo magnético pulsante cuyas líneas de fuerza también rodean los conductores del secundarlo. Este campo pulsante induce en cada espira del secundario una tensión aproximadamente igual a la tensión impresa a cada vuelta del primario, induciéndose de este modo una tensión total en el secundario que es superior a la del primario, y que está en la misma relación que el número de espiras de ambas bobinas. Para comprender cómo funciona una bobina de inducción, veamos la figura, y que consiste en un primario de pocas espiras de alambre relativamente grueso 4 Instituto Politécnico Nacional

y un núcleo de hierro dulce que está conectado a través de un interruptor con una batería. Superpuesto con este primario y concéntrico con el núcleo común tenemos una bobina de exploración de muchas más espiras de alambre relativamente delgado, que se emplea como arrollamiento secundario; podemos, además, cuando lo necesitemos, introducir una resistencia en paralelo entre los terminales del galvanómetro. Esto será necesario, en el circuito, debido a que se producen fuerzas electromotrices relativamente elevadas y, por lo tanto, las corrientes inducidas en el secundario pueden destruir o dañar el galvanómetro si no lo protegemos con esa resistencia en paralelo o shunt, que sirve para desviar parte de la corriente, previamente calculada, del circuito secundario.

Fig.4 – Bonina inductiva

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Equipo y Materiales Plano de tierra El plano de tierra que utilizaremos en el laboratorio es una lámina galvanizada que cumple con la función de canalizar toda la potencia del generador para trasmitirla a la varilla o acoplamiento para su estudio. El plano de tierra que utilizaremos posee un sintonizador, el cual es una perilla de control y sirve para ajustar la potencia la potencia reflejada. Nuestro plano de tierra está dirigido para hacer pruebas de laboratorio, por lo tanto en la parte superior de este, se encuentran dos orificios en los cuales se pueden conectar diferentes tipos de antenas.

Fig.5 – Plano de tierra

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Varillas En las paredes del laboratorio hay paneles que contienen diferentes tipos de varillas en tamaño y calibre para diferentes usos y acoplamientos para los detectores, experimentos y el plano de tierra.

Fig.6 –

Mostrador de varillas

Generador de radiofrecuencia Es un aparato encargado de generar frecuencia a la potencia que se calibre para mandarla al plano de tierra, con el fin de verificar el equipo de transmisión y recepción. Este aparato cuenta con un medidor analógico el cual nos permite realizar mediciones rápidas de cuál es la potencia transmitida o reflejada según sea el caso.

Fig.7 – Generador de radiofrecuencia

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Detector de corriente y voltaje Este dispositivo nos ayuda a detectar si existe o no corriente o voltaje desde el plano de tierra de la varilla. Su funcionamiento consiste en colocarlo cerca de donde se genera la radiofrecuencia en la varilla, si existe corriente o voltaje se iluminaran las barras de acuerdo a la intensidad.

Fig.8

– Detector de corriente y voltaje

Detector de radiación Este dispositivo nos ayuda a detectar si existe o no radiación generada desde el plano de tierra a través del acoplamiento que hagamos. Su funcionamiento consiste en colocar 2 varillas (una de cada lado) y acercarlo a donde se genera la radiofrecuencia, si existe algún tipo de señal se enciende un foco y su intensidad luminosa dependerá de acuerdo a la potencia de la radiación.

Fig.9 – Detector de radiación

Caja de accesorios En esta caja se encuentran diversos objetos que nos ayudaran a la realización de experimentos y calibración de medidas. 8 Instituto Politécnico Nacional

Fig.10 – Caja de accesorios

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Desarrollo experimental de la práctica Equipo empleado          

Generador de radiofrecuencias Detector de voltaje y corriente Detector de radiación 2 varillas del numero 21 2 varillas del numero 13 2 varillas del numero 2 Caja de accesorios Copete capacitivo del numero 20 Lampara Transportador de 360°

Experimento N° 1 a) Para la realizacion del experimento se usa varilla del nùmero 13, la cual colocamos en el plano de tierra y se usa el acoplamiento “B”. Polarizacion directa 0.5

Polarizacion reflejada 0.01

Plano de tierra 5

b) Alrededor de la varilla colocamos un transportador de la caja de accesorios para facilitar las mediciones. Se usa el flexometro para medir la distancia maxima de radiaciòn de la antena. Una vez acoplada la antena, procedemos a medir voltaje y corriente en 3 distintos puntos de esta, como se muestra a continuacion:

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Fig.11 – Puntos de medición Los resultados obtenidos de la mediciones realizadas a distintas distancias con el detector de voltaje y corriente son: Punto 1 2 3

Voltaje 1 2 4

Corriente 4 2 0

Grafica Voltaje vs Corriente 5 4 3 2 1 0 Voltaje

Corriente

Fig.12 – Grafica de Voltaje vs Corriente c) Se procede a detectar la distancia de la radiacion y para esto se apoya del detector de radiacion a medir en diferentes angulos.

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Fig.13 – Angulos de radiación Los resultados obtenidos son los siguientes: Angulo

Distancia

0° 90° 180° 270°

1.2 m 1m 1.4 m 1.33 m

Tipo de polarización Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical

Observaciones Se observa en distintos angulos que la distancia de radiacion varia y el tipo de acoplamiento usado nos permitio obtener la maxima potencia radiada.

Experimento N° 2 a) Para este experimento usamos un copete capacitivo en la parte superior de la misma antena usada en el experimento 1 (varilla del número 13). Los resultados del acoplamiento son los siguientes: Polarizacion directa 0.5

Polarizacion reflejada 0.1

Plano de tierra 4

b) Una vez acoplada la antena, procedemos a medir voltaje y corriente en 3 distintos puntos de esta, como se muestra a continuacion:

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Fig.14 – Puntos de medición Se procede a realizar mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de la antena, de lo cual obtuvimos siguientes resultados: Punto 1 2 3

Voltaje 1 1 1

Corriente 1 1 1

Grafica Voltaje vs Corriente 2 1 0 Voltaje

Corriente

Fig.15 – Grafica de Voltaje vs Corriente c) Después de realizar las mediciones de voltaje y corriente, procedimos a realizar mediciones de radiación en distintos ángulos de la antena.

Fig.16 – Angulos de radiación Los resultados obtenidos son los siguientes: 13 Instituto Politécnico Nacional

Angulo

Distancia

0° 90° 180° 270°

0.8 m 1.2 m 1.3 m 0.9 m

Tipo de polarización Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical

Observaciones Las observaciones fueron muy claras principalmente en el uso del copete capacitivo ya que llegamos a una distancia máxima de radiación de casi metro y medio. Por otro lado, la distribución de voltaje y corriente en la varilla a comparación con el experimento 1 en donde el voltaje y corriente variaba, en esté experimento 2 el voltaje y corriente es el mismo.

Experimento N° 3 a) En este experimento colocamos 2 varillas del número 13 y otras 2 varillas del número 21 las cuales quedaron en posición perpendicular a las varillas del número 13. Los resultados del acoplamiento son los siguientes: Polarizacion directa 0.5

Polarizacion reflejada 0.2

Plano de tierra 6

b) Una vez acoplada la antena, procedemos a medir voltaje y corriente en 8 distintos puntos de esta, como se muestra a continuacion:

7

5 4

6

8

3 2 1

Fig.17 – Puntos de medición

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Se procede a realizar mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de la antena, de lo cual obtuvimos siguientes resultados: Punto 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje 2 2 2 3 1 1 2 1

Corriente 4 5 4 3 2 2 1 0

Grafica Voltaje vs Corriente 10 5 0 Voltaje

Corriente

Fig.18 – Grafica de Voltaje vs Corriente c) Después de realizar las mediciones de voltaje y corriente, procedimos a realizar mediciones de radiación en distintos ángulos de la antena.

90° 0° 180 °

270 °

Fig.19 – Angulos de radiación

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Los resultados obtenidos son los siguientes: Angulo

Distancia

0° 90° 180° 270°

0.8 m 0.7 m 0.9 m 1.6 m

Tipo de polarización Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical

Observaciones Pudimos notar que al conectar las varillas sin que estas se toquen (conexión en circuito abierto), cada antena se comporta como si estuviera independientes una de la otra, pues al realizar las mediciones en cada uno de estos puntos pudimos notar que estas mediciones se aproximaban mucho, dependiendo de donde se midieran estas.

Experimento N° 4 a) Para este experimento, usamos la misma antena del experimento pasado, solo que esta vez colocamos un corto al final de esta antena. Una vez hecho esto, nuevamente realizamos el acoplamiento para esta antena. Los resultados del acoplamiento son los siguientes: Polarizacion directa 0.5

Polarizacion reflejada 0.3

Plano de tierra 9

b) Una vez acoplada la antena, procedemos a medir voltaje y corriente en 8 distintos puntos de esta, como se muestra a continuacion: 7

5 4

6

8

3 2 1

Fig.20 – Puntos de medición 16 Instituto Politécnico Nacional

Se procede a realizar mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de la antena, de lo cual obtuvimos siguientes resultados: Punto 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje 1 1 2 1 1 2 1 1

Corriente 0 0 0 0 0 1 0 0

Grafica Voltaje vs Corriente 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Voltaje

Corriente

Fig.21 – Grafica de Voltaje vs Corriente c) Después de realizar las mediciones de voltaje y corriente, procedimos a realizar mediciones de radiación en distintos ángulos de la antena.

Fig.22 – Angulos de radiación Los resultados obtenidos son los siguientes: Angulo 0° 90° 90° 180° 180 270° °

Distancia 0.1 m

0°0 m

0m

270 0.2 m °

Tipo de polarización Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical

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Observaciones Los valores en las mediciones para esta antena fueron bajos o nulos, esto se debe a que esta no es una antena, sino una linea de transmisión en corto, por lo tanto no existe radiación emitida por la misma. Esto se comprueba ya que en el experimento anterior la antena sin el corto si emite radiación y al realizar mediciones en esa antena nos arroja valores diferentes a cero. Por lo tanto este es un elemento no radiador.

Experimento N° 5 a) En esta última parte del experimento, se usó una bobina y se estudió como actúa este elemento. Nuevamente acoplamos la antena al equipo, quedándonos los siguientes valores. Los resultados del acoplamiento son los siguientes: Polarizacion directa 0.5

Polarizacion reflejada 0.1

Plano de tierra 8

b) Una vez acoplada la antena, procedemos a medir voltaje y corriente en 4 distintos puntos de esta, como se muestra a continuacion: 4

2

3 1

Fig.23 – Puntos de medición Se procede a realizar mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de la antena, de lo cual obtuvimos siguientes resultados: Punto 1 2 3 4

Voltaje 1 1 2 1

Corriente 1 1 1 1

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Grafica Voltaje vs Corriente 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Voltaje

Corriente

Fig.24 – Grafica de Voltaje vs Corriente c) Después de realizar las mediciones de voltaje y corriente, procedimos a realizar mediciones de radiación en distintos ángulos de la antena. 90°

0°

270 ° 180 °

Fig.25 – Angulos de radiación Los resultados obtenidos son los siguientes: Angulo

Distancia

0° 90° 180°

0.14 m 0.5 m 0.25 m

Tipo de polarización Lineal vertical Lineal vertical Lineal vertical

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270°

0.2 m

Lineal vertical

Observaciones Una vez obtenidos estos valores, se puede observar que la bobina no es un elemento radiador adecuado, pues las distancias obtenidas en la radiación son muy cortas comparado con las primeras 3 antenas estudiadas.

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Conclusión El estudio de que elemento radia y que elemento no, es importante pues a través de esto pudimos conocer que tipos de estructuras son adecuadas para hacer una antena que funcione correctamente. De las 5 antenas estudiadas en esta práctica, las primeras 3 son elementos radiadores y las ultimas 2 son elementos no radiadores, por lo tanto no pueden ser empleadas para hacer antenas. La antena monopolo usada en el primer experimento es un buen elemento radiador, pero cabe mencionar que con el simple hecho de colocar un copete capacitivo un la parte superior de la antena la radiación emitida por la antena aumenta de manera considerable. La antena del experimento 3 también es un buen elemento radiador pero de igual manera que la antena monopolo es mejor la antena monopolo con copete capacitivo. La antena del experimento 4 es una línea de transmisión en corto por lo cual no emite radiación pues la corriente circula solamente de un lado a otro de la antena. Como ya se había dicho antes, el meter la lámpara en la bobina empleada en el experimento 5 y que esta prenda, nos dice que existe radiación dentro de la bobina, al medir radiación en el exterior de la bobina observamos que esta es muy pobre como para que la bobina sea empleada como una antena.

Bibliografía:  Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería, David K. Cheng, Pearson, Addison Wesley Longman.  Física para la ciencia y la tecnología, Tipler Mosca, Volumen 2B Luz, Editorial Reverté.  Antenas: Principios básicos, análisis y diseño, José Abel Hernández Rueda. 21 Instituto Politécnico Nacional