CAPÍTULO 1. 2. . &.
Introducción Objetivo General Objetivo! "!#ec$%ico! 'arco Teórico Array de ranuras ranuras Patrón de radiación Parámetros básicos (. "jecución del Trabajo Selección del Tubo a utilizar para la construcción Medidas y especificaciones de la antena álculo de la lon!itud de onda en el "ac#o álculo de la lon!itud de onda de corte álculo de la lon!itud de onda dentro de la !u#a de ondas $imensiones de las ranuras onstrucción de la antena Mediciones *. Conclu!ione! +. ,ibliogra%$a Í-IC".
1. I-T/ I-T/O OUC UCCI CI00-.. 1
Pág. 2 2 2 4 5 6 1) 10 10 11 11 11 1% 16 1& 2) 21
uan uando do 'a 'abl blaamo moss de (i)* (i)*ii no noss refe referi rimo moss a una de las las tecn tecnol olo! o!#a #ass de comunicación inalámbrica inalámbrica mediante ondas electroma!n+ticas más utilizada 'oy en d#a, -l alcance de una se.al (i)*i está relacionada con el tipo de antena /ue se está utilizando cada tipo de antena tiene su forma de irradiación propia la cual es ideal para su respecti"o propósito, -n +ste trabao se dan a conocer las bondades y caracter#sticas de una antena ranurada dise.ada para trabaar a frecuencias de (i)*i 2%,4 3z, 2. O," O,"TI TIO O G"-" G"-"/A /AL. L.
onstruir una antena ranurada destinada a operar eficientemente en frecuencias de (i)*i 2%,43z, . O,"TI O,"TIO3 O3 "3P"CÍ "3P"CÍ4IC 4ICO3. O3. ecolectar información y fórmulas necesarias para la construcción
de la antena, Sele Selecc ccio iona narr los los ma mate teri rial ales es má máss ap apro ropi piad ados os
para pa ra el corr correc ecto to
funcionamiento de la antena, alc alcul ular ar las las dime dimens nsio ione ness ap apro ropi piad adas as pa para ra ob obte tene nerr la ma mayo yor r eficiencia a %43z, onstruir la antena en base a los materiales seleccionados y las dimensiones dimensiones calculadas, Probar el desempe.o de la antena mediante un soft7are,
&. 'A 'A/C /CO O T"0 T"0/I /ICO CO..
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Para comprender lo /ue es una antena ranurada primera tenemos /ue saber /ue es una !u#a de ondas, 8na !u#a de ondas como su nombre indica es cual/uier estructura /ue !u#a ondas electroma!n+ticas, -s decir confina ondas electroma!n+ticas y las diri!e, Por lo !eneral se utilizan tubos de un material conductor de sección rectan!ular circular o el#ptica en los cuales la ener!#a electroma!n+tica es conducida principalmente a lo lar!o de la !u#a y limitada en sus fronteras, Son usadas principalmente en la banda de microondas, 9a transmisión de se.ales por !u#as de ondas reduce la disipación de ener!#a, 9a antena ranurada es básicamente una !u#a de ondas con ranuras cuyo tama.o está en función a la lon!itud de la onda /ue se está propa!ando, 9as ranuras son tomadas como dipolos debido al principio de :abinet por lo tanto la antena ranurada es considerada como un arre!lo de antenas, 8na ranura del!ada en un plano tierra infinito es semeante a un dipolo en el espacio libre, -sto lo describió , 3, :oo;er la persona /ue e
mismas dimensiones /ue la ranura, 9a =nica diferencia es /ue los campos ma!n+ticos y el+ctricos son intercambiados,
4igura 1. Princi#io de ,abinet5 /anura v!. i#olo
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>a 'emos establecido /ue el patrón de radiación de una ranura es lo mismo /ue el patrón de un dipolo de las mismas dimensiones, Para poder lle!ar a entender cómo funciona la antena ranurada y saber dónde colocar las ranuras en el !u#a ondas necesitamos estar familiarizados con los campos /ue e
4igura 2. i!tribucione! de ca6#o! en un gu$a onda! rectangular #ara el 6odo T"1)
9a teor#a nos dice /ue las ranuras del!adas /ue son paralelas al fluo de corriente en las paredes del !u#a ondas 2fi!ura %,c no irradian, Sin embar!o cuando una ranura está posicionada de tal manera /ue interrumpe el fluo de corriente forzando a la corriente /ue "iae alrededor de la ranura la ener!#a del campo modal dentro del !u#a ondas es irradiada al espacio libre, A//A7 " /A-U/A3
8n array es una disposición de "arios elementos radiantes de la misma naturaleza /ue mediante el acoplo entre ellos se consi!ue /ue la antena en su conunto lo!re mayor alcance y directi"idad,
4igura . Arra8 lineal5 lo! ele6ento! !e colocan !obre una l$nea recta
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-l patrón de radiación de un array de ranuras es similar al patrón de radiación de un array colineal 2antena colineal, ?ntente "isualizar el patrón del dipolo como una donut 2fi!ura 4, Al a.adir más dipolos colineales al array la donut se "a aplanando, $e la misma manera un array de ranuras aplana el patrón de radiación,
, 4igura &. Patrón de radiación de un di#olo.
9os arrays de ranuras en !u#a ondas pueden ser clasificados en dos !rupos@ 21 arrays de onda estacionaria y 2% arrays de onda "iaera, 9os arrays de onda estacionaria tienen elementos cada !B%, 9os campos se repiten en el !u#a ondas cada !B% pero son de fases opuestas, Por esta razón la ranuras están colocadas en un confi!uración CB) para /ue todos los elementos est+n en fase, 9a confi!uración se puede apreciar en la fi!ura D, Para minimizar la onda refleada y e"itar /ue el desempe.o de la antena se "ea disminuido la !u#a debe ser terminada en corto circuito +ste debe de estar colocado por delante de la =ltima ranura a una distancia de !B4 o bien D !B4, Si la distancia entre las ranuras no es !B% o si la frecuencia es cambiada de manera si!nificati"a entonces las ranuras no serán alimentadas en fase y el 'az será inclinado, PAT/0- " /AIACI0-
-l patrón de radiación en D$ para la !u#a de onda ranurada se muestra en la si!uiente fi!ura 2Se calculó utilizando un pa/uete de electroma!netismo num+rico llamado *-EF, Gue el aumento es de apro
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4igura (. Patrón de radiación de una antena ranurada.
Se debe tener en cuenta /ue en el plano <)z 2o ')plane el anc'o del 'az es muy estrec'o 2%)5 !rados, -n el plano y)z 2o e)plane el anc'o del 'az es muc'o más !rande, PA/9'"T/O3 ,93ICO3
4igura *. -o6enclatura de la! di6en!ione! de una gu$a de onda!.
omo se muestra en la ima!en HaH corresponde a la cara anc'a del tubo y HbH la cara an!osta de a/u# en adelante llamaremos a estas medidas a y b tal y como indica la fi!ura,
1
Antes de comenzar a realizar los cálculos /ue nos permitirán obtener las dimensiones de la antena debemos calcular ciertos parámetros entre los cuales tenemos@ 9on!itud de onda en el espacio libre 29o lon!itud de onda dentro de la !u#a 29! lon!itud de onda de corte 29c y por supuesto como ya lo 'emos medido a y b, 9as ecuaciones se muestran a continuación@ Cálculo de la longitud de onda en el vac$o Lo
=
C f
$onde@ C
3 × 10
=
8
mBs@ Ielocidad de la luz en el "ació y f@ frecuencia
de operación Cálculo de la longitud de onda de corte
9c J 2 × a $onde@ a representa la cara anc'a de la !u#a de ondas, Cálculo de la longitud de onda dentro de la gu$a de onda! Lg
=
1
√( ) ( ) 1
Lo
2
×
1
2
Lc
on estas sencillas ecuaciones ya tenemos los "alores de 9o 9! 9c y los "alores de a y b los cuales son necesarios para el resto de los cálculos, i6en!ione! de la! ranura!
9os parámetros /ue debemos calcular para obtener las dimensiones de la ranura se muestran a continuación@ ) ) ) )
9ar!o de la ranura29r Anc'o de la ranura2Ar $istancia entre la ranura y la l#nea central de la !u#a de ondas2K $istancia entre cada ranura de centro a centro2$r
1
9as -cuaciones son las si!uientes@ ) alculo del lar!o de la ranura 9r J 0464L9o Cálculo del anc:o de la ranura
Ar J 9!B%0 Cálculo de la di!tancia entre la ranura 8 la l$nea central de la gu$a de onda!
K J 2aBD14Laseny $onde@ y J 3slotB37a"e!uide 9as ecuaciones para 3slot y 37a"e!uide se muestran a continuación@ 3slot J 1BN
( )()[ (
0,464 × Lo × 180 a Gwaveguide 2,09 × × × cos Lo b Lg =
Lg
)
]
2
cos ( 0,464 × 180 )
−
Cálculo de la di!tancia entre cada ranura de centro a centro
$r J 9!B% Probe to :ottom@ distancia entre el reflector inferior y el centro del conector N 2$i Slot to top@ $istancia entre el centro de la =ltima ranura y el reflector superior 2$s Slot to probe@ $istancia entre el centro del conector N y el centro de la primera ranura 2$n A/u# las ecuaciones@ $i J $s J 9!B4 4igura +. i6en!ione! de una antena ranurada
1
1
(. ""CUCI0- "L T/A,AO. ;3elección del Tubo a utili
omo se muestra en la ima!en HaH corresponde a la cara anc'a del tubo y HbH la cara an!osta de a/u# en adelante llamaremos a estas medidas a y b tal y como indica la fi!ura, A'ora solo falta dar respuesta a la si!uiente pre!unta@ =Cuále! !on la! 6edida! del tubo >ue deben co6#rar? Para saber cuáles son las medidas del tubo /ue "an a comprar se puede sencillamente ele!ir a/uel /ue cumpla con las especificaciones descritas en las pá!, (eb 'ttp@BB777,paramo7ifi<,netBantenasB!uiaondasOmars'all,'tml cuales son estas medidas aJ100mm y bJ40mm o aJ100mm y bJ50mm estas son las medidas /ue se recomiendan en Pá!, como la de Tre"or Mars'all, 9as ele!idas en este proyecto son aJ100mm y bJ40mm, Tomadas de un perfil de aluminio, ;'edida! 8 e!#eci%icacione! de la Antena Pará6etro! ,á!ico!
Antes de comenzar a realizar los cálculos /ue nos permitirán obtener las dimensiones de la antena debemos calcular ciertos parámetros entre los cuales tenemos@ 9on!itud de onda en el espacio libre 29o lon!itud de onda dentro de la !u#a29! lon!itud de onda de corte 29c y por supuesto como ya lo 'emos medido a y b, 9as ecuaciones se muestran a continuación@ ) Cálculo de la longitud de onda en el vac$o Lo
=
C f
$onde@ C operación,
8
3 × 10
=
mBs @ Ielocidad de la luz en el "ac#o y f @ frecuencia de
Para el caso de redes 7ifi la frecuencia de operación es de %43z, Para realizar este cálculo 'e utilizado el canal 6 /ue corresponde a %4D&3z, 1
9a lon!itud de onda en el "ac#o ser#a@ 8
Lo
=
3 × 10
9
2,437 × 10
9o J 1%Dmm ) Cálculo de la longitud de onda de corte 9c J 2 × a $onde@ a representa la cara anc'a de la !u#a de ondas, Para mi caso a J 100e)Dm o 100mm y al sustituir el "alor de a en la ecuación me /ueda /ue@ 9c J %L100e)D 9c J 0%m ) Cálculo de la longitud de onda dentro de la gu$a de onda! Lg
=
1
√( ) ( ) 1
Lo
2
×
2
1
Lc
9os datos son@ 9o J 1%Dmm 9c J 0%m
-ntonces tenemos /ue@ Lg
=
1
√(
) ( ) 2
1 3
−
123 × 10
×
1
2
0,2
1
9! J 00%46m
on estas sencillas ecuaciones ya tenemos los "alores de 9o 9! 9c y los "alores de a y b los cuales son necesarios para el resto de los cálculos, i6en!ione! de la! ranura!
9os parámetros /ue debemos calcular para obtener las dimensiones de la ranura se muestran a continuación@ ) ) ) )
9ar!o de la ranura 29r, Anc'o de la ranura 2Ar, $istancia entre la ranura y la l#nea central de la !u#a de ondas2K, $istancia entre cada ranura de centro a centro 2$r,
9as -cuaciones son las si!uientes@ ) alculo del lar!o de la ranura 9r J 0464L9o 9r J 0464L1%De)D 9r J 5&e)Dm o 5&mm Teóricamente el lar!o de la ranura deber#a ser 9oB% pero se!=n in"esti!aciones realizadas por diferentes autores lle!aron a la conclusión de /ue la medida e
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-ntonces con 9! J %%Re)D nos /ueda /ue@ Ar J 1%De)D m ) alculo de la distancia entre la ranura y la l#nea central de la !u#a de ondas K J 2aBD14Laseny $onde@ y J 3slotB37a"e!uide 9as ecuaciones para 3slot y 37a"e!uide se muestran a continuación@ 3slot J 1BN 37a"e!uide J %0QL29!B9oL2aBbLos220464L9oL1R0B9!)os20464L1R0U%
( )()[ (
0,464 × Lo × 180 a Gwaveguide 2,09 × × × cos Lo b Lg =
Lg
)
cos ( 0,464 × 180 )
−
9os datos son los si!uientes@ N J R ranuras 9! J 00%46 9o J 1%De)D a J 100e)D b J 50e)D on estos datos calculamos cada uno de los parámetros@ alculo de 3slot 3slot J 1BR 3slot J 01%5 álculo de 37a"e!uide
1
]
2
37a"e!uide J %,0QL2%%Re)DB1%De)DL2&D1e)DB40%e)DLos220464L1%De) DL1R0B%%Re)D)os20464L1R0U% Gwaveguide 2,09 × =
(
0,0246 3
−
123 × 10
)( )[ ( ×
100 50
× cos
0,464 × 123 × 10 0,0246
37a"e!uide J 015 alculo de > > J 01%5B015 > J 0RDD >a con estos "alores podemos calcular K K J 2100e)DBD14Lasen20RDD K J %1e)D 2mts ) alculo de la distancia entre cada ranura de centro a centro $r J 9!B% 9os datos son@ 9! J 00%46 -ntonces@ $r J 0%46B%
1
3
−
× 180
)
]
2
cos ( 0,464 × 180 )
−
$r J 1%De)D 2mts esumiendo las dimensiones de las ranuras son@ 9r J 5Qmm Ar J 114mm < J D&mm $r J 1%Dmm Probe to :ottom@ distancia entre el reflector inferior y el centro del conector N 2$i Slot to top@ $istancia entre el centro de la =ltima ranura y el reflector superior 2$s Slot to probe@ $istancia entre el centro del conector N y el centro de la primera ranura 2$n A/u# las ecuaciones@ $i J $s J 9!B4 $onde 9! J %%Re)D entonces $i J $s J 5&mm $n J 9! es decir $n J %%Rmm
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Con!trucción de la antena.
Toma de medidas en el tubo seleccionado@
ealización de cortes en ubicaciones correctas de acuerdo con los cálculos efectuados pre"iamente@
olocación del conector con dipolo de V de lon!itud de onda 'ec'o de alambre de cobre de %mm de diámetro@
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'edicione!
Se realizaron mediciones para la recepción de se.ales transmitidas con la antena ranurada alimentada por un router TP)9?NE T9)MD%%0, 9as mediciones se realizaron a distintas distancias y en direcciones de frente laterales y traseras respecto al lado de las ranuras de la antena utilizando una aplicación para dispositi"os mó"iles android@ 4/"-T" @)B ( 6etro!5;)d,
2) 6etro!5 ;&1d,
1) 6etro!5 ;2d,
&) 6etro!5 ;(1d,
1
LAT"/AL @D)B ( 6etro!5 ;+d,
1) 6etro!5 ;&(d,
2) 6etro!5 ;&d,
&) 6etro!5 ;+2d,
1
T/A3"/A @1)B ( 6etro!5 ;&d,
1) 6etro!5 ;(2d,
2) 6etro!5 ;*)d,
&) 6etro!5 ;*+d,
1
*. CO-CLU3IO-"3. Se recolectó la información necesaria para construir la antena ranurada para (i)*i de manera /ue +sta opere eficientemente, 9a información /ue se recolectó incluye teor#a y fórmulas /ue fueron aplicadas en la construcción de la antena, •
•
•
Se optó por utilizar principalmente el material de aluminio constituido en un tubo de perfil rectan!ular de 100 < 40mm, Mediante las fórmulas recolectadas pre"iamente se determinaron las dimensiones apropiadas para obtener la mayor eficiencia de la antena@ $imensiones de las ranuras@ ) 9ar!o de la ranura 29r, ) Anc'o de la ranura 2Ar, ) $istancia entre la ranura y la l#nea central de la !u#a de ondas2K, ) $istancia entre cada ranura de centro a centro 2$r, 9r J 5Qmm Ar J 114mm < J D&mm $r J 1%Dmm, Ftras dimensiones@ )Probe to :ottom@ distancia entre el reflector inferior y el centro del conector N 2$i, )Slot to top@ $istancia entre el centro de la =ltima ranura y el reflector superior 2$s, )Slot to probe@ $istancia entre el centro del conector N y el centro de la primera ranura 2$n, $i J $s J 5&mm $n J 9! es decir $n J %%Rmm,
•
•
Se construyó satisfactoriamente la antena en base a los materiales seleccionados y las dimensiones calculadas anteriormente, Se probó el desempe.o de la antena mediante una aplicación mó"il para Android donde se obtu"ieron los si!uientes resultados de !anancia desde diferentes án!ulos e
1
+. ,I,LIOG/A4ÍA. :tt#5EEtrevor6ar!:all.co6EFaveguide!.:t6 :tt#5EE%oro.!eguridadFirele!!.netE6anuale!;%abricacion; antena!; ca!era!Eguia; de;onda;ranuradaE :tt#5EEe!.!lide!:are.netE3ting'artine
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