UNIVERSIDAD EVANGÉLICA BOLIVIANA FACUL ACULTAD: CIENCIA CIENCIAS S Y TECNOLOGÍA TECNOLOGÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA
CONSTRUCCIÓN DE UNA ANTENA RANURADA PARA WI-FI (2,4GHZ !ATERIA: !ATERIA:
!ÉTODOS DE INVESTIGACIÓN
I"#$ G%&')* !'%$+% D'#$ S%$% C'. / 0$1 +) 23 ÍNDICE. 2 2
CAPÍTULO 1. 2. #. (.
Introducción Objetivo ener!" Objetivo$ E$%ec&'ico$ )!rco Teórico Array de ranuras ranuras Patrón de radiación Parámetros básicos *. Ejecución de" Tr!b!jo Selección del Tubo a utilizar para la construcción Medidas y especificaciones de la antena Cálculo de la lonitud de onda en el !ac"o Cálculo de la lonitud de onda de corte Cálculo de la lonitud de onda dentro de la u"a de ondas $imensiones de las ranuras Construcción de la antena Mediciones +. Conc"u$ione$ ,. -ib"iogr!'&!
1. INT INTOD ODUC UCCI CI/N /N..
2 2
Pág. 2 # # # 5 6 7 11 11 11 11 1# 1# 1% 17 1& 21 22
Cuando 'ablamos de (i)*i nos referimos a una de las tecnolo"as de comunicación inalámbrica mediante ondas electroman+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 utilizando0 cada tipo de antena tiene su forma de irradiación propia0 la cual es ideal para su respecti!o propósito, a antena ranurada tiene aplicaciones en na!eación0 radar y otros sistemas de alta frecuencia0 en +ste traba2o se dan a conocer las bondades y caracter"sticas de una antena ranurada dise.ada para traba2ar a frecuencias de (i)*i 3#,4 z, Son fáciles de fabricar0 tienen ba2a perdida y tienen polarización lineal con poca polarización cruzada, a antena ranurada es básicamente una u"a de ondas con ranuras cuyo tama.o está en función a la lonitud de la onda /ue se está propaando, as ranuras son tomadas como dipolos debido al principio de 8abinet0 por lo tanto la antena ranurada es considerada como un arrelo de antenas, 9na ranura delada en un plano tierra infinito es seme2ante a un dipolo en el espacio libre, -sto lo describió , , 8oo:er0 la persona /ue e;tendió el principio de 8abinet de la óptica para mostrar /ue la ranura ten"a el mismo patrón de radiación /ue un dipolo con las mismas dimensiones /ue la ranura,
2. O-0ETIO ENEAL.
2 2
Construir una antena ranurada destinada a operar eficientemente en frecuencias de (i)*i 3#,4z, #. O-0ETIO EPECÍ3ICO.
de la antena, Seleccionar los materiales más apropiados
para el correcto
funcionamiento de la antena, Calcular las dimensiones apropiadas para obtener la mayor eficiencia a #04z, Construir la antena en base a los materiales seleccionados y las dimensiones calculadas, Probar el desempe.o de la antena mediante un soft=are, (. )ACO TE/ICO.
Para comprender lo /ue es una antena ranurada0 primeramente tenemos /ue saber /u+ es una u"a de ondas, 9na u"a de ondas0 como su nombre indica0 es cual/uier estructura /ue u"a ondas electroman+ticas, -s decir0 confina ondas electroman+ticas y las dirie, Por lo eneral se utilizan tubos de un material conductor de sección rectanular0 circular o el"ptica0 en los cuales la ener"a electroman+tica es conducida principalmente a lo laro de la u"a y limitada en sus fronteras, Son usadas principalmente en la banda de microondas, a transmisión de se.ales por u"as de ondas reduce la disipación de ener"a, a antena ranurada es básicamente una u"a de ondas con ranuras cuyo tama.o está en función a la lonitud de la onda /ue se está propaando, as ranuras son tomadas como dipolos debido al principio de 8abinet0 por lo tanto la antena ranurada es considerada como un arrelo de antenas, 9na ranura delada en un plano tierra infinito es seme2ante a un dipolo en el espacio libre, -sto lo describió , , 8oo:er0 la persona /ue e;tendió el principio de 8abinet de la óptica para mostrar /ue la ranura ten"a el mismo patrón de radiación /ue un dipolo con las mismas dimensiones /ue la ranura, a >nica diferencia es /ue los campos man+ticos y el+ctricos son intercambiados,
2 2
Figura 1. Principio de Babinet: Ranura vs. Dipolo
?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 llear a entender cómo funciona la antena ranurada y saber dónde colocar las ranuras en el u"a ondas0 necesitamos estar familiarizados con los campos /ue e;isten dentro del u"a ondas para el modo de propaación dominante 3T- 1@,
Figura 2. Distribuciones de campos en un guía ondas rectangular para el modo TE 10
2 2
a teor"a nos dice /ue las ranuras deladas /ue son paralelas al flu2o de corriente en las paredes del u"a ondas 3fiura #,c no irradian, Sin embaro0 cuando una ranura está posicionada de tal manera /ue interrumpe el flu2o de corriente0 forzando a la corriente /ue !ia2e alrededor de la ranura0 la ener"a del campo modal dentro del u"a ondas es irradiada al espacio libre, AA4 DE ANUA
9n array o arrelo es una disposición de !arios elementos radiantes de la misma naturaleza /ue0 mediante el acoplo entre ellos se consiue /ue la antena en su con2unto lore mayor alcance y directi!idad, Figura . !rra" lineal: los elementos se colocan sobre una línea recta
-l patrón de radiación de un array de ranuras es similar al patrón de radiación de un array colineal 3antena colineal, ntente !isualizar el patrón del dipolo como una donut 3fiura 4, Al a.adir más dipolos colineales al array0 la donut se !a aplanando, $e la misma manera0 un array de ranuras aplana el patrón de radiación,
, 3igur! (. P!trón de r!di!ción de un di%o"o.
os arrays de ranuras en u"a ondas pueden ser clasificados en dos ruposB 31 arrays de onda estacionaria y 3# arrays de onda !ia2era, os arrays de onda estacionaria tienen elementos cada D#, os campos se repiten en el u"a ondas 2 2
cada D# pero son de fases opuestas, Por esta razón la ranuras están colocadas en un confiuración ED) para /ue todos los elementos est+n en fase, a confiuración se puede apreciar en la fiura %, Para minimizar la onda refle2ada y e!itar /ue el desempe.o de la antena se !ea disminuido0 la u"a debe ser terminada en corto circuito0 +ste debe de estar colocado por delante de la >ltima ranura a una distancia de D4 o bien % D4, Si la distancia entre las ranuras no es D# o si la frecuencia es cambiada de manera sinificati!a0 entonces las ranuras no serán alimentadas en fase y el 'az será inclinado, PAT/N DE ADIACI/N
-l patrón de radiación en %$ para la u"a de onda ranurada se muestra en la siuiente fiura 3Se calculó utilizando un pa/uete de electromanetismo num+rico llamado *-FG, Hue el aumento es de apro;imadamente 17 d8,
Figura #. Patr$n de radiaci$n D de una antena ranurada.
Se debe tener en cuenta /ue en el plano ;)z 3o ')plane0 el anc'o del 'az es muy estrec'o 3#)5 rados, -n el plano y)z 3o e)plane0 el anc'o del 'az es muc'o más rande, PA5)ETO -5ICO 2 2
Figura %. &omenclatura de las dimensiones de una guía de ondas.
Como se muestra en la imaen0 IaI corresponde a la cara anc'a del tubo y IbI la cara anosta0 de a/u" en adelante llamaremos a estas medidas a y b tal y como indica la fiura, Antes de comenzar a realizar los cálculos /ue nos permitirán obtener las dimensiones de la antena0 debemos calcular ciertos parámetros entre los cuales tenemosB onitud de onda en el espacio libre 3o0 lonitud de onda dentro de la u"a 30 lonitud de onda de corte 3c y por supuesto como ya lo 'emos medido a y b, as ecuaciones se muestran a continuaciónB Cá"cu"o de "! "ongitud de ond! en e" v!c&o Lo
=
C f
$ondeB C
3 × 10
=
8
mDsB Jelocidad de la luz en el !ació y fB frecuencia
de operación Cá"cu"o de "! "ongitud de ond! de corte
c K 2 × a $ondeB a representa la cara anc'a de la u"a de ondas, Cá"cu"o de "! "ongitud de ond! dentro de "! gu&! de ond!$ Lg
=
1
√( ) ( ) 1
Lo
2
×
1
2
Lc
2 2
Con estas sencillas ecuaciones ya tenemos los !alores de o0 0 c y los !alores de a y b los cuales son necesarios para el resto de los cálculos, Di6en$ione$ de "!$ r!nur!$
os parámetros /ue debemos calcular para obtener las dimensiones de la ranura se muestran a continuaciónB ) ) ) )
aro de la ranura3r Anc'o de la ranura3Ar $istancia entre la ranura y la l"nea central de la u"a de ondas3L $istancia entre cada ranura de centro a centro3$r
as -cuaciones son las siuientesB ) Calculo del laro de la ranura r K @0464o Cá"cu"o de" !nc7o de "! r!nur!
Ar K D#@ Cá"cu"o de "! di$t!nci! entre "! r!nur! 8 "! "&ne! centr!" de "! gu&! de ond!$
L K 3aD%014asenNy $ondeB y K slotD=a!euide as ecuaciones para slot y =a!euide se muestran a continuaciónB slot K 1DO 3O K O>mero de ranuras Gwaveguide 2,09 × =
( )() Lg Lo
×
[ (
a × cos b
0,464 × Lo × 180
Lg
)
]
2
cos ( 0,464 × 180 )
−
Cá"cu"o de "! di$t!nci! entre c!d! r!nur! de centro ! centro
$r K D# Probe to 8ottomB distancia entre el reflector inferior y el centro del conector O 3$i Slot to topB $istancia entre el centro de la >ltima ranura y el reflector superior 3$s 2 2
Slot to probeB $istancia entre el centro del conector O y el centro de la primera ranura 3$n A/u" las ecuacionesB $i K $s K D4 $n K
Figura '. Dimensiones de una antena ranurada
2 2
*. E0ECUCI/N DEL TA-A0O. 9e"ección de" Tubo ! uti"i:!r %!r! "! con$trucción
Como se muestra en la imaen0 IaI corresponde a la cara anc'a del tubo y IbI la cara anosta0 de a/u" en adelante llamaremos a estas medidas a y b tal y como indica la fiura, A'ora solo falta dar respuesta a la siuiente preuntaB ;Cuá"e$ $on "!$ 6edid!$ de" tubo
Antes de comenzar a realizar los cálculos /ue nos permitirán obtener las dimensiones de la antena0 debemos calcular ciertos parámetros entre los cuales tenemosB onitud de onda en el espacio libre 3o0 lonitud de onda dentro de la u"a 30 lonitud de onda de corte 3c y por supuesto como ya lo 'emos medido a y b, as ecuaciones se muestran a continuaciónB ) Cá"cu"o de "! "ongitud de ond! en e" v!c&o 2 2
Lo
=
C f
$ondeB C operación,
8
3 × 10
=
mDsB Jelocidad de la luz en el !ac"o y fB frecuencia de
Para el caso de redes =ifi la frecuencia de operación es de #04z, Para realizar este cálculo 'e utilizado el canal 6 /ue corresponde a #04%7z, a lonitud de onda en el !ac"o ser"aB 8
Lo
=
3 × 10
9
2,437 × 10
o K @01#%m ) Cá"cu"o de "! "ongitud de ond! de corte c K 2 × a $ondeB a representa la cara anc'a de la u"a de ondas, Para mi caso a K 1@@e)%m o 1@@mm y al sustituir el !alor de a en la ecuación me /ueda /ueB c K #1@@e)% c K @0#m ) Cá"cu"o de "! "ongitud de ond! dentro de "! gu&! de ond!$ Lg
=
1
√( ) ( ) 1
Lo
2
×
1
2
Lc
os datos sonB o K 1#%mm c K @0#m 2 2
-ntonces tenemos /ueB Lg
=
1
√(
) ( ) 2
1 3
−
123 × 10
×
1
2
0,2
K @0@#46m
Con estas sencillas ecuaciones ya tenemos los !alores de o0 0 c y los !alores de a y b los cuales son necesarios para el resto de los cálculos, Di6en$ione$ de "!$ r!nur!$
os parámetros /ue debemos calcular para obtener las dimensiones de la ranura se muestran a continuaciónB ) ) ) )
aro de la ranura 3r, Anc'o de la ranura 3Ar, $istancia entre la ranura y la l"nea central de la u"a de ondas3L, $istancia entre cada ranura de centro a centro 3$r,
as -cuaciones son las siuientesB ) Calculo del laro de la ranura r K @0464o r K @04641#%e)% r K 57e)%m o 57mm Teóricamente el laro de la ranura deber"a ser oD# pero se>n in!estiaciones realizadas por diferentes autores0 llearon a la conclusión de /ue la medida e;acta no es oD# sino más bien 5Rmm, -ntonces tenemos /ueB r K 5Rmm
2 2
) Cálculo del anc'o de la ranura Ar K D#@ -ntonces con K ##&e)% nos /ueda /ueB Ar K 10#%e)% m ) Calculo de la distancia entre la ranura y la l"nea central de la u"a de ondas L K 3aD%014asenNy $ondeB y K slotD=a!euide as ecuaciones para slot y =a!euide se muestran a continuaciónB slot K 1DO =a!euide K #0@R3Do3aDbCos33@0464o1&@D)Cos3@04641&@U# os datos son los siuientesB O K & ranuras K @0@#46 o K 1#%e)% a K 1@@e)% b K 5@e)% Con estos datos calculamos cada uno de los parámetrosB )Cálculo de slot slot K 1D& slot K @01#5 )Cálculo de =a!euide
2 2
=a!euide K #,@R3##&e)%D1#%e)%37%01e)%D4@0#e)%Cos33@04641#%e) %1&@D##&e)%)Cos3@04641&@U# Gwaveguide 2,09 × =
(
0,0246 3
−
123 × 10
)( )[ ( ×
100 50
× cos
0,464 × 123 × 10 0,0246
=a!euide K @015 )Cálculo de ? ? K @01#5D@015 ? K @0&%% ?a con estos !alores podemos calcular L L K 31@@e)%D%014asen 3N@0&%% L K #01e)%m ) Calculo de la distancia entre cada ranura de centro a centro $r K D# os datos sonB K @0@#46m -ntoncesB $r K @0#46mD#
2 2
3
−
× 180
)
]
2
cos ( 0,464 × 180 )
−
$r K 1#%e)% 3mts ltima ranura y el reflector superior 3$s Slot to probeB $istancia entre el centro del conector O y el centro de la primera ranura 3$n A/u" las ecuacionesB $i K $s K D4 $onde K ##&e)% entonces $i K $s K 57mm $n K es decir $n K ##&mm
2 2
Con$trucción de "! !nten!.
Toma de medidas en el tubo seleccionadoB
Colocación del conector con dipolo de V de lonitud de onda 'ec'o de alambre de cobre de #mm de diámetroB
2 2
)edicione$
Se realizaron mediciones para la recepción de se.ales transmitidas con la antena ranurada alimentada por un router TP)OF T)M<%##@, as mediciones se realizaron a distintas distancias y en direcciones de frente0 laterales y traseras respecto al lado de las ranuras de la antena utilizando una aplicación para dispositi!os mó!iles androidB 3ENTE >?@ * 6etro$B9#?d-
2? 6etro$B 9(1d-
1? 6etro$B 92d-
(? 6etro$B 9*1d-
2 2
LATEAL >?@ * 6etro$B 9#,d-
1? 6etro$B 9(*d-
2? 6etro$B 9(d-
(? 6etro$B 9,2d-
2 2
TAEA >1?@ * 6etro$B 9(d-
1? 6etro$B 9*2d-
2 2
2? 6etro$B 9+?d-
(? 6etro$B 9+,d-
+. CONCLUIONE. -n el presente proyecto de construcción de una antena ranurada para (i)*i se concluyó satisfactoriamente con cada uno de los ob2eti!os planteadosB 2 2
•
•
•
Se recolectó la información necesaria para construir la antena ranurada para (i)*i de manera /ue +sta opere eficientemente, a 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 rectanular de 1@@ ; 4@mm, Mediante las fórmulas recolectadas pre!iamente se determinaron las dimensiones apropiadas para obtener la mayor eficiencia de la antenaB r K 5Rmm Ar K 1104mm ; K %07mm $r K 1#%mm, Gtras dimensionesB $i K $s K 57mm $n K es decir $n K ##&mm,
•
•
Se construyó satisfactoriamente la antena en base a los materiales seleccionados y las dimensiones calculadas anteriormente, Se probó el desempe.o de la antena mediante una aplicación mó!il para Android donde se obtu!ieron los siuientes resultados de anancia desde diferentes ánulos e;presados en d8B *rente 3@W 5 metrosB)%@d8 1@ metrosB )#&d8 #@ metrosB )41d8 4@ metrosB )51d8 ateral 3R@W 5 metrosB )%7d8 1@ metrosB )45d8 #@ metrosB )4&d8 4@ metrosB )7#d8 Trasera 31&@W 5 metrosB )4&d8 1@ metrosB )5#d8 #@ metrosB )6@d8 4@ metrosB )67$b
,. -I-LIOA3ÍA. 7tt%Btrevor6!r$7!"".co6F!veguide$.7t6
2 2
7tt%B'oro.$egurid!dFire"e$$.net6!nu!"e$9'!bric!cion9 !nten!$9 c!$er!$gui!9 de9ond!9r!nur!d! 7tt%Be$.$"ide$7!re.netting)!rtine:!nten!9r!nur!d! 7tt%BFFF.FiG!reG!re.orgAntenn!Hbui"dHbui"d.7t6" 0o7n o"!Gi$ Antenn! Engineering J!ndbooG )cr!F9Ji"" 1+1 C!%itu"o9 7tt%BFFF.red!"8c.org%d'+1(+1(121(??,.%d' 7tt%$BFFF.j"!b.orgir)ITerie$12.PD3
2 2
