UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA LABORATORIO DE ANTENAS
LABORATORIO Nº 01 LA ANTENA DIPOLO BÁSICO amiliar ariz izar arse se con con las las cara caract cter erís ísti tica cas s bási básica cas s de una una ante antena na dipol dipolo o ALCANCE: Famili horizontal, así como medir la longitud de onda en espacio libre y en línea abierta.
OBJETIVOS: 1. Describir el funcionamiento básico de una antena dipolo. . Denir la diferencia entre los campos magnéticos E y ! ". Describir como la intensidad de campo puede usarse para evaluar el funcionamiento de una antena dipolo Discutir ir el signi signica cado do del espec espectr tro o electr electroma omagné gnétic tico o y la difer diferenc encia ia entre entre los #. Discut términos longitud de onda y frecuencia
1.1
INTROD$CCI%N
Una antena es un transductor transductor a través del cual la l a corriente eléctrica, desplazándose desplazándose a una alta frecuencia, se convierte en una onda electromagnética, o aprovechando una onda onda electr electrom omagn agnéti ética ca es conve converti rtida da en un u!o u!o de corr corrien iente te alter alterna. na. Una antena puede usarse para transmitir energía en el espacio o el mismo tipo de antena puede usarse como receptora de energía en el espacio. "l estudio de antenas normalmente se ofrece con un uso e#tenso de ecuaciones mate matemá máti tica cas. s. "n esta esta clas clase e y los los demá demás s e#pe e#peri rime ment ntos os a segu seguir ir,, será será una una comprensi$n conceptual de c$mo las antenas operan minimizando las matemáticas. %omo se indic$, la antena puede imaginarse como un transductor, un dispositivo para convertir electricidad, radiar energía o para convertir energía recibida a través del del espa espaci cio o en elec electr tric icid idad ad.. &a ante antena na y su alim alimen enta tado dorr line linea al, la líne línea a de transmisi$n, sirve como dispositivo de acoplamiento entre el e'uipo electr$nico y el espac espacio io.. &a anten antena a propo proporc rcion iona a energ energía ía al medio medio y la línea línea de transm transmisi isi$n $n es interfase entre la antena y su e'uipo. &a entrada a la línea de transmisi$n debe ser con con impe impeda danc ncia ia adap adapta tada da al radio radio tran transm smis isor or,, cons consid ider eran ando do 'ue 'ue la ante antena na transmisora debe radiar o debe recibir energía. (e dise)an líneas de transmisi$n para transferir energía e inhibir radiaci$n durante el proceso. Del estudio básico de corriente alterna se conoce 'ue la corriente tiende a uir a través del centro de un conductor mientras alternan u!os a lo largo de la supercie del conductor. &a más alta frecuencia alterna, la mayor energía en la supercie, también se sabe 'ue cada u!o de electrones es acompa)ado por un campo magnético circundante, 'ue es perpen perpendic dicula ularr al u!o u!o de electr electron ones. es. (i la direcc direcci$n i$n del u!o u!o electr electr$n $nico ico cambia a *+-, el campo magnético también cambiará de direcci$n direcci$n en igual nmero de grados. "n el estudio de condensadores, se encontr$ 'ue un campo eléctrico E e#iste entre las placas del condensador si la carga es invertida en polaridad, el campo eléctrico también se invertirá. Una antena acta muy parecido a un condensador y ambos campos campos magnético magnético ! eléctri eléctrico co E están están present presentes. es. &os campos E y !, constituyen una onda 'ue se irradia de la antena a l a velocidad de la luz. &os campos eléctricos y magnéticos radiados por una antena son responsables responsables para la transmisi$n y recepci$n de energía a través del espacio libre. "l término medios espaciales libres es 'ue ningn ob!eto en tierra o volando a través del espacio están cercanos o interferirán con el movimiento de la energía.
&a energía via!a a través del espacio a la velocidad de la L&' /0#*+ metros1segundo2. 3ueden describirse las características de radiar energía en términos de su frecuencia de operaci$n o su longitud de onda. &a siguiente ecuaci$n muestra la relaci$n entre la longitud de onda y la frecuencia4 ( ) * + Donde4 5 la longitud de onda en metros + 5 la frecuencia en 6ertzios o ciclos 1 segundo ) 5 la velocidad de la luz
E,e-plo. 78ué longitud de onda está operando un transmisor en 0.9 :6z; Sol&)i/n.< 5 0 # *+ 1 0.9 *= 5 +9.> metros ?o es raro para un radioacionado decir 'ue él está traba!ando en + metros, @ metros = metros. "l término metros se usa en lugar del término frecuencia.
1.
ESPECTRO RADIOELECTRICO
&a proporci$n de cambio de corriente en un alambre es llamado frecuencia, y es considerado en ciclos por segundo. Frecuencia, sin embargo, no se restringe a u!o actual en un alambre desde el cual también puede e#tenderse a las radioondas en el espacio. "l rango de frecuencias desde dc a los rayos gamma es llamado el espectro electromagnético. "l espectro radioeléctrico se clasica en las siguientes bandas4
BANDA A&F &F :F 6F A6F U6F (6F "6F E6F
DESINACI%N
REC$ENCIA
Frecuencia muy ba!a Frecuencia ba!a Frecuencia media Frecuencia alta Frecuencia muy alta Frecuencia ultra alta Frecuencia super alta Frecuencia e#tremadamente alta Frecuencia tremendamente alta
* B6z C 0 B6z 0 B6z C 0 B6z 0 B6z C 0 B6z 0 :6z C 0 :6z 0 :6z C 0 :6z 0 :6z C 0 :6z 0 6z C 0 6z 0 6z C 0 6z 0 6z →
2e)&en)ia3 de apli)a)i/n: (ervicio de radiodifusi$n sonora en : Eransmisi$n de se)ales de emergencia Hadioacionados + metros G metros @ metros * metros Eransmisi$n de EA A6F @ C G 9C= > C *0 U6F *G C =I (ervicio de radiodifusi$n sonora en F:
1."
909 C *=9 /*>92 B6z =G B6z, *@G B6z 09 C G B6z > C >0 B6z *G C *G.09 :6z @+ C @I.> :6z 9G C >@ :6z >= C ++ :6z *>G C @*= :6z G> C += :6z ++ C *+ :6z
EL CA4PO ELECTRICO
"l tipo más comn de antena es el dipolo, y se usará para analizar las características de propagaci$n del campo de la antena. %uando una radiofrecuencia R de corriente se aplica a una antena, un campo eléctrico se produce. 3ara ilustrar este punto, localice dos conductores de la antena, p$ngalo hacia nosotros como es indicado en la gura *<*. "n cual'uier momento dado, la corriente R en un conductor será negativa mientras la corriente en el otro conductor es positiva. (e
usan las dos varas de metal 'ue sirven como conductores para formar un condensador 'ue consiste en una placa superior negativa y una placa más ba!a, positivaJ ambas placas están separadas por aire, dieléctrico mostrado en K *<*.
i5. 1 6 1 El )a-po el7)t2i)o al2ededo2 de &n dipolo.
Debe notarse 'ue un campo electrostático se forma entre las dos placas /alambres2. Ltro rasgo importante es 'ue en los bordes e#teriores del condensador, las líneas del campo eléctrico forman un ángulo entre las placas. (i uno separa a los dos conductores despacio, las líneas del campo eléctrico se curvan entre las dos placas, como es mostrado en el boceto %, el boceto D ilustra una antena dipolo donde un campo eléctrico cuya polaridad se invierte a cada medio ciclo, entre los dos polos e#istentes.
1.#
EL CA4PO 4ANETICO &a corriente R en una antena produce no solo un campo eléctrico, también se genera un campo magnético. Aer dibu!o de la g. *<@, conocido como campo de inducci$n, compuesto de las líneas magnéticas de u!o. "l campo de inducci$n varía directamente con la corriente R variable aplicada a la antena. &as líneas magnéticas de u!o via!an en una direcci$n denida por la regla de la mano iz'uierda para magnetismo, 'ue cuando el dedo pulgar apunta en la direcci$n del u!o de corriente, los dedos puestos alrededor del conductor indicarán la direcci$n de las líneas magnéticas de u!o, ver dibu!o K.
i5. 1 6 Ca-po -a5n7ti)o de &na antena dipolo
Hecordará de magnetismo 'ue las líneas magnéticas de u!o tienen la capacidad de guardar energía potencial 'ue ellos descargarán cuando el campo 'ue rodea al conductor colapse. &as líneas magnéticas de u!o no pueden 'uitarse ni emitírselas por la antena. &a magnitud del campo de inducci$n disminuye cuando el u!o del electr$n asociado rápidamente se mueve hacia fuera, le!os del campo del conductor de la antena. De hecho, la intensidad del u!o magnético varía inversamente con el cuadrado de la distancia a la antena. &as líneas magnéticas de u!o 'ue rodea al conductor, afectan considerablemente su intensidad y debe ser considerado al hacer mediciones del campo de la antena. (in embargo, más allá de una distancia de unas pocas longitudes de onda, el campo de inducci$n es tan pe'ue)o 'ue se vuelve un
factor insignicante. sí, el campo de la inducci$n no tiene efecto en la transmisi$n de ondas electromagnéticas a través del espacio. %uando los u!os de corriente a través de los alambres de la antena, como es mostrado en la gura * C 0, se generan dos propiedades eléctricas4 una inductancia con un campo magnético asociado / !2 y una capacitancia con un campo eléctrico E. &a antena puede ser considerada como una serie circuito resonante 'ue se muestra en el dibu!o * C 0 %.
i5. 1 6 " l&,o ele)t2o-a5n7ti)o
1.8
TRANS4ISION DE ONDAS DE RADIO
(e derivan los principios de radiaci$n electromagnética en el espacio de la teoría básica de electromagnetismo e inductancia. 3rimero, un campo magnético variante producirá un campo eléctrico varianteJ y segundo, un campo magnético variante producirá una corriente eléctrica variante. "l ltimo, los resultados cuando las líneas magnéticas cortan una fuerza conductora produciendo la inducci$n de corriente y volta!e. %omo previamente se indic$, la onda electromagnética consiste en dos partes4 un campo eléctrico E y un campo magnético !, 'ue son mutuamente dependientes. "n todas las situaciones, los dos se sostendrán. &os campos E y ! son perpendiculares entre si y también perpendiculares a la direcci$n de una onda electromagnética 'ue via!a a través del espacio. &a g. * C G pinta los campos E y ! como vectores respecto la direcci$n de la onda electromagnética. Eambién se muestra en el dibu!o la regla de la mano derecha para determinar las direcciones de los campos E y !, y la direcci$n de las ondas en el espacio.
i5. 1 6 # Ca-po ele)t2o-a5n7ti)o9 Re5la de la -ano de2e)a
&a corriente R a través de la antena alambre en la propagaci$n de las ondas electromagnéticas resulta en una direcci$n e#terior de la antena. un'ue no preciso, la analogía más popular para el efecto de este fen$meno es el de!ar caer una piedra en un estan'ue de agua en reposo, y observando las ondas redondas 'ue se mueven hacia fuera. &a frecuencia de la onda electromagnética es igual a la frecuencia de la corriente del transmisor alimentada a la antena. 3or otro lado, la velocidad de las ondas de R es igual 'ue de las ondas de luz, la R se propaga a través del espacio a una velocidad de 0, Milometros por segundo. 3uede pensarse los campos como una serie de supercies concéntricas o frentes de ondas, siguiendo uno después de otro, con cada onda compuesta de componentes E y ! de la onda. "sto se muestra en la g. * C 9.
i5 1 8 P2opa5a)i/n de +2ente de onda3 E ; !
&os componentes E y ! de una onda R están en fase con respecto al tiempo, pero I- fuera de fase con respecto al espacio. "l frente de onda se propaga a la velocidad de la luz, y a cual'uier distancia entre dos puntos correspondiente, el frente de onda es igual a la longitud de onda. &a direcci$n del componente de E determina la polarizaci$n de la onda. &a gura * C 9 muestra una onda de polarizaci$n vertical. (i los componentes E y ! se giran I-, puede decirse 'ue la onda se polariza horizontalmente. &a intensidad de la onda es determinada midiendo la intensidad de su campo eléctrico E.
1.<
ONDAS ESPACIALES = DE TIERRA
"n esta discusi$n, la propagaci$n de ondas de radio a través del espacio libre es considerada ba!o las condiciones ideales. (in embargo, en realidad, las ondas deben via!ar a través de de los muchos medios diferentes e#istentes entre el transmisor y las antenas receptoras. &as ondas de radio normalmente son clasicadas de acuerdo al modo de propagaci$n, estos son ionosféricas, troposféricas y ondas de supercie de tierra. &as ondas de tierra pueden via!ar directamente al receptor. (i ellas regresan del cielo. &a ion$sfera, es la regi$n superior de la atm$sfera ionizada, está apro#imadamente arriba los = Bm, esta capa ionizada causa mltiples refracciones de ondas radiadas. Aer los efectos de esta capa en la g. * C =. el ángulo de curvatura es dependiente de la frecuencia de las ondas radiadas, el ángulo incidente de la onda y las características de la capa ionosférica.
i5. 1 6 < La 2e+2a))i/n de &na onda in)idente po2 la ion/3+e2a.
Desde 'ue las ondas de frecuencias ba!as son de muy fácil inclinaci$n 'ue la frecuencia de onda alta, una onda de radio puede via!ar por muchos caminos diferentes entre el transmisor y el receptor. &a distancia de via!e de una onda de supercie depende del poder del transmisor y la frecuencia, así como calidad absorbente de la tierra. &a distancia del salto, la mínima distancia de separaci$n posible entre el transmisor y el receptor, depende de la frecuencia de las ondas de radio, la altura y densidad de la capa ionizada en la 'ue las ondas se transmiten por medio de la ree#i$n. %uando la distancia del salto cae dentro del rango de la onda de tierra, la onda ree!ada y la onda de tierra pueden tener la misma intensidad pero pueden llegar con fases diferentes. "n este caso la onda ree#iva puede reforzar con é#ito y pude cancelar la onda de tierra, este proceso es llamado desvanecimiento. &a diferencia entre la distancia del salto y el rango de la onda de tierra se llama la zona del salto. &a recepci$n es muy afectada por la ree!ada. 6ay varias capas ionizadas distintas en la atm$sfera, hay algunas zonas, 'ue dependen de las condiciones atmosféricas y frecuencia de transmisi$n. Frecuencias sobre 9 :6z tienden a seguir una línea recta y pueden penetrar las capas atmosféricasJ ellos son, por consiguiente, no su!eto al salto. &a direcci$n de via!e es determinada por la polarizaci$n de antena. &os dipolos pueden orientarse para 'ue sus dos varas sean paralelas a la supercie de la tierra en este caso son llamados dipolos horizontales. %on esta polarizaci$n es también llamado antena tipo hertzio. &a g * C > muestra la orientaci$n del dipolo con su mayor potencia /l$bulo mayor2 estando en el plano horizontal. ?ote 'ue la potencia se concentra en la forma de un ocho con pe'ue)a o ninguna radiaci$n 'ue emana de los e#tremos del dipolo. &a g * C > K muestra una vista tri dimensional del dipolo, mirándole desde su e#tremo. &os dipolos pueden ser de aluminio, lat$n, cobre o hierro, entubado o alambre. &a g * C + muestra un dipolo de media onda hecho de dos longitudes de alambre atadas entre tres aisladores. %ada secci$n es apro#imadamente un cuarto de longitud de onda.
i5 1 6 > Vi3ta de do3 di-en3ione3 ; T2e3 di-en3ione3
i5 1 6 ? 4edia onda dipolo o2i'ontal
&a longitud real de una antena es ligeramente menor 'ue la longitud calculada. &a longitud calculada está basado en transmisi$n en espacio libre, de una antena de diámetro innitesimal. 3uesto 'ue el alambre tiene un radio físico, su longitud física es apro#imadamente I9N de su longitud calculada.
E,-. %alcular la longitud física de un dipolo de media longitud de onda dise)ada para operar en *G :6z /banda de @ metros2
Sol&)i/n. Onicialmente calcular la longitud de onda de una se)al de *G :6z, +
5 0 # * /.I92 1 *G # * * 5 *.*>+ metros.
( ) * +
=
Un corte del dipolo a una longitud de onda completa produciría un modelo como se muestra en la Fig * C I. note 'ue se producen cuatro l$bulos. %undo la antena se corta a una media longitud de onda, el modelo de la radiaci$n aparece como el mostrado en la Fig * C I K Dipolo de una onda produce cuatro l$bulos produce dos l$bulos Fig * C I
Dipolo de media onda Fig * C I K
(e muestran el volta!e y la distribuci$n de la corriente de una antena de media onda en la Fig * C *. debe notarse 'ue al centro del dipolo, la corriente está en un má#imo / signicando 'ue la resistencia es mínima2 y el volta!e está en un má#imo a los e#tremos del dipolo /cuando la resistencia está en su má#imo2. Una secci$n de un cuarto de longitud de onda tiene un volta!e alto, resistencia alta a un e#tremo y una corriente alta, la resistencia ba!a al otro e#tremo. Fig * C * Aolta!e y distribuci$n de corriente,
λ 1
@
1.>
RESISTENCIA DE LA ANTENA
&a resistencia al punto de alimentaci$n /llamada resistencia de radiaci$n2 de un dipolo es apro#imadamente >0Ω. &a resistencia de la radiaci$n de una antena realmente es una unidad cticia. &a resistencia convierte energía eléctrica en calor y hay calor muy pe'ue)o producido por una antena. (e muestra la resistencia de la radiaci$n de una antena en la siguiente e#presi$n4
R2 ( P * I Donde4 P es la potencia de las ondas electromagnéticas /potencia radiada2 I es la corriente de antena /valor rms2 R2 es la resistencia de la antena
E,-.< Un transmisor de ba!a potencia tiene una corriente R de u!o en su antena de .* amperios /rms2 7%uánta potencia esta siendo radiada; (oluci$n.< P ( I R 5 /.*2 @ # >0 5 .>0 P veces se declara la resistencia de la entrada de la antena como una impedancia /@i2. &a impedancia es igual a la resistencia de la entrada más la resistencia debido a la pérdida de calor. 3uesto 'ue la pérdida de calor es mínima, la impedancia de la entrada, ba!o ciertas condiciones, se apro#ima la resistencia de la entrada. &a impedancia de la entrada de una antena depende de varios factores, como la altura de la antena, la situaci$n del punto de alimentaci$n, y el tipo de dise)o de antena. Una antena acta correctamente en un circuito puesto a punto cuya impedancia de la entrada a la resonancia de la antena es puramente resistiva. (obre la frecuencia de resonancia, donde la antena es físicamente demasiada larga, está presente una componente de reactancia inductiva. Deba!o de la frecuencia de resonancia, la antena parece ser físicamente corta y un componente de reactancia capacitiva está presente. &a impedancia de la entrada del dipolo / @i2 es dependiente de la frecuencia de operaci$n y la longitud de la antena. &a impedancia de entrada, por consiguiente, no puede conocerse e#actamente, y la impedancia del centro del dipolo puede estar en el rango de >0 a + 'ue depende de la frecuencia de operaci$n.
1.?
RECIPROCIDAD DE LA ANTENA
(e dice 'ue una antena sigue el principio de reciprocidad. "s la característica de una antena 'ue puede usarse para transmitir o recibir energía. 6ay momentos, sin embargo, cuando la antena receptora puede tener características diferentes 'ue de la antena transmisora. 3or e!m, la antena transmisora puede dise)arse para concentrar energía en una direcci$n particular considerando 'ue la antena receptora puede tener capacidad de recepci$n de bandas anchas.
1.
LINEAS ABIERTAS
Una línea abierta es un conductor paralelo en el 'ue la longitud de la onda puede medirse, y de la medida, puede determinarse la frecuencia del oscilador o transmisor. Una línea abierta es una línea de transmisi$n calibrada. &a longitud de la línea se hace para 'ue una onda se desplace y se usa para hacer la medida de la frecuencia. &as líneas pueden ir en longitud de un cuarto a varias longitudes de onda. %uando la corriente R pasa por esta línea, la corriente y volta!e establecen ondas y la distancia entre dos crestas o dos nulos en las ondas puede usarse para determinar la longitud de onda del oscilador. &a g * C ** muestra una onda sobre un alambre cuando los e#tremos del alambre está cortocircuitado. &a carga R igual a cero. ?ote ba!o estas condiciones el e#tremo terminal la corriente es má#ima y el
volta!e es mínimo. "n la g * <** K, el volta!e por una carga de resistencia innita está en un má#imo y la corriente está en un mínimo. "ste concepto de aumentar al má#imo corriente y volta!e puede usarse para hacer medidas de la longitud de onda. Fig * C **
Fig * C ** K
"n la g * C *@ una vuelta se pasa encima de dos líneas paralelas alimentadas con una se)al HF. Un lazo de corriente se muestra a través de la línea. %omo el lazo está asociado al detector HF /con medidor2 se mueve la línea de arriba aba!o, los puntos de má#ima inducci$n de corriente pueden ser ubicados. &a distancia entre dos puntos del má#imo es igual a una media longitud de onda. Fig * C *@ Descubrimiento de la vuelta de 3untos actuales
l tablero de la antena, (O30=, se proporciona dos líneas paralelas localizadas en la parte posterior del tablero. "stas líneas pueden observarse fácilmente. Un deslizador se construyo con un lazo de alambre /en la parte posterior2, dispositivo !unto con dos diodos, un condensador y cone#i$n para formar el medidor del tablero. "ste arreglo le permite al estudiante determinar puntos má#imos y mínimos de corriente. &a línea se conecta al transmisor por medio de un cable coa#ial. "n el e#perimento del laboratorio 'ue sigue, se utilizará una onda en el espacio libre y se determinará la frecuencia del transmisor, además se observará la polarizaci$n básica de un dipolo horizontal.
1.10 RES$4EN &a antena es un transductor 'ue convierte una corriente ac en una onda radiada o una onda radiada en una corriente eléctrica. (e e#presan los pasos de la onda electromagnética a través de la atm$sfera a la velocidad de la luz y la longitud de onda de una onda de radio como la proporci$n de la velocidad de la luz /c2 a la frecuencia de la onda de radio. &a polarizaci$n de un dipolo se reere al campo eléctrico del dipolo 'ue radia a lo largo de la supercie de la tierra, se llama una onda de tierra, o en la atm$sfera. (e ree!an ondas del cielo o se refractan a la tierra o salen fuera en el espacio. (i ellas vuelven, una zona del salto se produce, y la se)al puede oírse en puntos distantes.
Un dipolo polarizado horizontalmente se llama una antena 6ertzio, y polarizado verticalmente el dipolo es llamado una antena :arconi. &a resistencia de alimentaci$n /impedancia2 de un dipolo horizontal está en el rango de >0 C >9 Ω. Una línea abierta puede usarse para observar ondas, y para calcular la longitud de onda o la frecuencia de operaci$n.
1.11 PRE$NTAS *.< 78ué funci$n !uega una antena 'ue esta transmitiendo o recibiendo una se)al de radio; @.< 7Una antena generalmente a cuantas longitudes de onda está cortada; 0.< "n un dipolo de media onda, el haz se concentra en 7cuantas direcciones; G.< &a resistencia de alimentaci$n de un dipolo es apro#imadamente <<<<<<<<<<<<<< ohm 9.< 7"s la resistencia de entrada de una antena siempre resistiva, o es también reactiva; =.< &a polarizaci$n de una antena es en la direcci$n delQQQQQQQ.. . >.< 7"s el campo eléctrico paralelo o perpendicular al dipolo; +.< 73uede una antena ser usada para transmisi$n y recepci$n; I.< "n el punto de alimentaci$n del dipolo la corriente está en unQQQQQQQ.. *.< %uando un dipolo opera como una antena de onda completa, 7cuántos l$bulos de radiaci$n produce; **.< "n una línea de transmisi$n, esQQQQQQQ.. 'ue en espacio libre
la
longitud
de
onda
generalmente
*@.< 7%uál es la longitud de onda de un transmisor operando en *G.@9 :6z; *0.< Un transmisor opera en *GG :6z re'uiere un dipolo de media onda. 7%uánto debe ser su longitud en metros; *G.< 7%uál es la longitud, en pies, de una antena de media onda de G metros; *9.< %uál es la antena más grande, 7una dise)ada para *G :6z o una para 0 :6z;
