NIVERSIDAD NACIONAL ,A-OR ,A-OR DE SAN ,ARCOS ACLTAD DE IN/ENIERIA ELECTRONICA LABORATORIO DE ANTENAS
LABORATORIO Nº 001
ANTENA DIPOLO
ALCANCE:
Familiarizarse con las características básicas de una antena dipolo horizontal, así como medir la longitud de onda en espacio libre y en línea abierta.
OBJETIVOS: 1. 2. 3. !.
Descri Describir bir el func funcion ionami amient entoo básico básico de una una antena dipolo. Defini Definirr la difer diferenc encia ia entre entre los camp campos os magné magnétic ticos os E y H Describir Describir como la intensi intensidad dad de campo campo puede usarse usarse para para ealuar ealuar el funcionamien funcionamiento to de una antena antena dipolo dipolo Discutir Discutir el significado significado del espectro espectro electromag electromagnético nético y la diferencia diferencia entre entre los términos términos longitud longitud de onda y frecuencia frecuencia
1.1 1.1 INTR INTROD ODC CCI CI!N !N "na antena es un transductor a traés del cual la corriente eléctrica, desplazándose a una alta frecuencia, se conierte en una onda electromagnética, o aproechando una onda electromagnética es conertida en un flu#o de corriente alterna. "na 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 matemáticas. $n esta clase y los demás e%perimentos a seguir, será una comprensi&n conceptual de c&mo las antenas operan minimizando las matemáticas. 'omo se indic&, la antena puede imaginarse como un transductor, un dispositio para conertir electricidad, radiar energía o para conertir energía recibida a traés del espacio en electricidad. (a antena y su alimentador lineal, la línea de transmisi&n, sire como dispositio de acoplamiento entre el e)uipo electr&nico y el espacio. (a antena proporciona energía al medio y la línea de transmisi&n es interfase entre la antena y su e)uipo. (a entrada a la línea de transmisi&n debe ser con impedancia adaptada al radio transmisor transmisor,, considerando considerando )ue la antena transmisora 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 fluir a traés del centro de un conductor mientras alternan flu#os a lo l o largo de la superficie del conductor. (a más alta frecuencia alterna, la mayor energía en la superficie, también se sabe )ue cada flu#o de electrones es acompa+ado por un campo magnético circundante, )ue es perpendicular al flu#o de electrones. *i la direcci&n del flu#o electr&nico cambia a 1-, el campo magnético también cambiará de direcci&n en igual n/mero 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 inertida en polaridad, el campo eléctrico también se inertirá. "na antena act/a muy parecido a un condensador y ambos campos magnético H eléctrico E están presentes. (os campos E y H, constituyen una onda )ue se irradia de la antena a la elocidad de la luz. (os campos eléctricos y magnéticos radiados por una antena son responsables para la transmisi&n y recepci&n de energía a traés del espacio libre. $l término medios espaciales libres es )ue ning/n ob#eto en tierra o olando a traés del espacio están cercanos o interferirán con el moimiento de la energía. (a energía energía ia#a a traés traés del espacio espacio a la elocida elocidadd de la L"# 03%1- metrossegundo. ueden 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 segundo % 5 la elocidad de la luz
E(e)plo.* 78ué longitud de onda está operando un transmisor en 3.9 :6z; Sol"%i+n.< 5 3 % 1- 3.9 1-= 5 9.> metros ?o es raro para un radioaficionado decir )ue él está traba#ando en - metros, 2- 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 flu#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 clasifica en las siguientes bandas4
BANDA @(F (F :F 6F @6F "6F *6F $6F 6F
DESI/NACI!N
RECENCIA
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
1- A6z B 3- A6z 3- A6z B 3-- A6z 3-- A6z B 3--- A6z 3 :6z B 3- :6z 3- :6z B 3-- :6z 3-- :6z B 3--- :6z 3 C6z B 3- C6z 3- C6z B 3-- C6z 3-- C6z →
e%"en%ia2 de apli%a%i+n: *ericio de radiodifusi&n sonora en E: ransmisi&n de se+ales de emergencia adioaficionados - metros !- metros 2- metros 1- metros ransmisi&n de @ @6F 2 B ! 9B= > B 13 "6F 1! B =G *ericio de radiodifusi&n sonora en F:
939 B 1=-9 01>-9 A6z =!- A6z, 12!- A6z 39-- B !--- A6z >--- B >3-- A6z 1! B 1!.39 :6z 2 B 2G.> :6z 9! B >2 :6z >= B :6z 1>! B 21= :6z !>- B -= :6z B 1- :6z
1.3 EL CA,PO ELECTRICO $l tipo más com/n 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. ara ilustrar este punto, localice dos conductores de la antena, p&ngalo hacia nosotros como es indicado en la figura 1<1E. $n cual)uier momento dado, la corriente R en un conductor será negatia mientras la corriente en el otro conductor es positia. *e usan las dos aras de metal )ue siren como conductores para formar un condensador )ue consiste en una placa superior negatia y una placa más ba#a, positiaH ambas placas están separadas por aire, dieléctrico mostrado en I 1<1.
i4. 1 5 1 El %a)po el6%ti%o alededo de "n dipolo.
Debe notarse )ue un campo electrostático se forma entre las dos placas 0alambres. Jtro 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 curan entre las dos placas, como es mostrado en el boceto ', el boceto D ilustra una antena dipolo donde un campo eléctrico cuya polaridad se inierte a cada medio ciclo, entre los dos polos e%istentes.
1.7 EL CA,PO ,A/NETICO (a corriente R en una antena produce no solo un campo eléctrico, también se genera un campo magnético. @er dibu#o E de la fig. 1<2, conocido como campo de inducci&n, compuesto de las líneas magnéticas de flu#o. $l campo de inducci&n aría directamente con la corriente R ariable aplicada a la antena. (as líneas magnéticas de flu#o ia#an en una direcci&n definida por la regla de la mano iz)uierda para magnetismo, )ue cuando el dedo pulgar apunta en la direcci&n del flu#o de corriente, los dedos puestos alrededor del conductor indicarán la direcci&n de las líneas magnéticas de flu#o, er dibu#o I.
i4. 1 5 Ca)po )a4n6ti%o de "na antena dipolo
ecordará de magnetismo )ue las líneas magnéticas de flu#o tienen la capacidad de guardar energía potencial )ue ellos descargarán cuando el campo )ue rodea al conductor colapse. (as líneas magnéticas de flu#o no pueden )uitarse ni emitírselas por la antena. (a magnitud del campo de inducci&n disminuye cuando el flu#o del electr&n asociado rápidamente se muee hacia fuera, le#os del campo del conductor de la antena. De hecho, la intensidad del flu#o magnético aría inersamente con el cuadrado de la distancia a la antena. (as líneas magnéticas de flu#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 uele un factor insignificante. Esí, el campo de la inducci&n no tiene efecto en la transmisi&n de ondas electromagnéticas a traés del espacio. 'uando los flu#os de corriente a traés de los alambres de la antena, como es mostrado en la figura 1 B 3, se generan dos propiedades eléctricas4 una inductancia con un campo magnético asociado 0H 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 1 B 3 '.
i4. 1 5 3 l"(o ele%to)a4n6ti%o
1.8 TRANS,ISION DE ONDAS DE RADIO *e derian los principios de radiaci&n electromagnética en el espacio de la teoría básica de electromagnetismo e inductancia. rimero, un campo magnético ariante producirá un campo eléctrico arianteH y segundo, un campo magnético ariante producirá una corriente eléctrica ariante. $l /ltimo, los resultados cuando las líneas magnéticas cortan una fuerza conductora produciendo la inducci&n de corriente y olta#e. 'omo preiamente se indic&, la onda electromagnética consiste en dos partes4 un campo eléctrico E y un campo magnético H, )ue son mutuamente dependientes. $n todas las situaciones, los dos se sostendrán. (os campos E y H son perpendiculares entre si y también perpendiculares a la direcci&n de una onda electromagnética )ue ia#a a traés del espacio. (a fig. 1 B ! pinta los campos E y H como ectores respecto la direcci&n de la onda electromagnética. ambién se muestra en el dibu#o la regla de la mano derecha para determinar las direcciones de los campos E y H, y la direcci&n de las ondas en el espacio.
i4. 1 5 7 Ca)po ele%to)a4n6ti%o9 Re4la de la )ano dee%a
(a corriente R a traés de la antena alambre en la propagaci&n de las ondas electromagnéticas resulta en una direcci&n e%terior de la antena. Eun)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 obserando las ondas redondas )ue se mueen hacia fuera. (a frecuencia de la onda electromagnética es igual a la frecuencia de la corriente del transmisor alimentada a la antena. or otro lado, la elocidad de las ondas de R es igual )ue de las ondas de luz, la R se propaga a traés del espacio a una elocidad de 3--,--- Kilometros por segundo. uede pensarse los campos como una serie de superficies concéntricas o frentes de ondas, siguiendo uno después de otro, con cada onda compuesta de componentes E y H de la onda. $sto se muestra en la fig. 1 B 9.
i4 1* 8 Popa4a%i+n de 'ente de onda2 E ; H
(os componentes E y H de una onda R están en fase con respecto al tiempo, pero G- fuera de fase con respecto al espacio. $l frente de onda se propaga a la elocidad 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 figura 1 B 9 muestra una onda de polarizaci&n ertical. *i los componentes E y H se giran G-, 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 traés del espacio libre es considerada ba#o las condiciones ideales. *in embargo, en realidad, las ondas deben ia#ar a traés de de los muchos medios diferentes e%istentes entre el transmisor y las antenas receptoras. (as ondas de radio normalmente son clasificadas de acuerdo al modo de propagaci&n, estos son ionosféricas, troposféricas y ondas de superficie de tierra. (as ondas de tierra pueden ia#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 =- Am, esta capa ionizada causa m/ltiples refracciones de ondas radiadas. @er los efectos de esta capa en la fig. 1 B =. el ángulo de curatura es dependiente de la frecuencia de las ondas radiadas, el ángulo incidente de la onda y las características de la capa ionosférica.
i4. 1 5 < La e'a%%i+n de "na onda in%idente po la ion+2'ea.
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 ia#ar por muchos caminos diferentes entre el transmisor y el receptor. (a distancia de ia#e de una onda de superficie 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 refle%i&n. 'uando la distancia del salto cae dentro del rango de la onda de tierra, la onda refle#ada y la onda de tierra pueden tener la misma intensidad pero pueden llegar con fases diferentes. $n este caso la onda refle%ia puede reforzar con é%ito y pude cancelar la onda de tierra, este proceso es llamado desanecimiento. (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 refle#ada. 6ay arias 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 atmosféricasH ellos son, por consiguiente, no su#eto al salto. (a direcci&n de ia#e es determinada por la polarizaci&n de antena. (os dipolos pueden orientarse para )ue sus dos aras sean paralelas a la superficie de la tierra en este caso son llamados dipolos horizontales. 'on esta polarizaci&n es también llamado antena tipo hertzio. (a fig 1 B > E muestra la orientaci&n del dipolo con su mayor potencia 0l&bulo mayor 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 fig 1 B > I muestra una ista tri dimensional del dipolo, mirándole desde su e%tremo. (os dipolos pueden ser de aluminio, lat&n, cobre o hierro, entubado o alambre. (a fig 1 B 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.
i4 1 5 = Vi2ta de do2 di)en2ione2 ; Te2 di)en2ione2
i4 1 5 > ,edia onda dipolo oi#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 infinitesimal. uesto )ue el alambre tiene un radio físico, su longitud física es apro%imadamente G9L de su longitud calculada.
E().* 'alcular la longitud física de un dipolo de media longitud de onda dise+ada para operar en 1! :6z 0banda de 2metros
Sol"%i+n.* Mnicialmente calcular la longitud de onda de una se+al de 1! :6z,
5 3 % 1- 0.G9 1! % 1& 5 1-.1> metros.
$%&'
=
"n corte del dipolo a una longitud de onda completa produciría un modelo como se muestra en la Fig 1 B G. 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 1 B G I Dipolo de una onda produce cuatro l&bulos Fig 1 B G E
Dipolo de media onda produce dos l&bulos Fig 1 B G I
*e muestran el olta#e y la distribuci&n de la corriente de una antena de media onda en la Fig 1 B 1-. debe notarse )ue al centro del dipolo, la corriente está en un má%imo 0 significando )ue la resistencia es mínima y el olta#e está en un má%imo a los e%tremos del dipolo 0cuando la resistencia está en su má%imo. "na secci&n de un cuarto de longitud de onda tiene un olta#e alto, resistencia alta a un e%tremo y una corriente alta, la resistencia ba#a al otro e%tremo.
Fig 1 B 1- @olta#e y distribuci&n de corriente,
1.= RESISTENCIA DE LA ANTENA
λ
2
(a resistencia al punto de alimentaci&n 0llamada resistencia de radiaci&n de un dipolo es apro%imadamente >3 Ω. (a resistencia de la radiaci&n de una antena realmente es una unidad ficticia. (a resistencia conierte 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
R $ P & I Donde4 P es la potencia de las ondas electromagnéticas 0potencia radiada I es la corriente de antena 0alor rms R es la resistencia de la antena
E().< "n transmisor de ba#a potencia tiene una corriente R de flu#o en su antena de -.1 amperios 0rms 7'uánta potencia esta siendo radiada; *oluci&n.< P $ I R 5 0-.12 % >3 5 -.>3 N E eces se declara la resistencia de la entrada de la antena como una impedancia 0 ?i. (a impedancia es igual a la resistencia de la entrada más la resistencia debido a la pérdida de calor. uesto )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 arios factores, como la altura de la antena, la situaci&n del punto de alimentaci&n, y el tipo de dise+o de antena. "na antena act/a correctamente en un circuito puesto a punto cuya impedancia de la entrada a la resonancia de la antena es puramente resistia. *obre la frecuencia de resonancia, donde la antena es físicamente demasiada larga, está presente una componente de reactancia inductia. Deba#o de la frecuencia de resonancia, la antena parece ser físicamente corta y un componente de reactancia capacitia está presente. (a impedancia de la entrada del dipolo 0 ?i 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 >3 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. or 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 "na 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. "na 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 arias longitudes de onda. 'uando la corriente R pasa por esta línea, la corriente y olta#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 fig 1 B 11 E 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 olta#e es mínimo. $n la fig 1 <11 I, el olta#e por una carga de resistencia infinita está en un má%imo y la corriente está en un mínimo. $ste concepto de aumentar al má%imo corriente y olta#e puede usarse para hacer medidas de la longitud de onda.
Fig 1 B 11 E
Fig 1 B 11 I
$n la fig 1 B 12 una uelta se pasa encima de dos líneas paralelas alimentadas con una se+al F. "n lazo de corriente se muestra a traés de la línea. 'omo el lazo está asociado al detector F 0con medidor se muee 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 1 B 12 Descubrimiento de la uelta de untos actuales
El tablero de la antena, *M3=-E, se proporciona dos líneas paralelas localizadas en la parte posterior del tablero. $stas líneas pueden obserarse fácilmente. "n deslizador se construyo con un lazo de alambre 0en la parte posterior, dispositio #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 obserará la polarizaci&n básica de un dipolo horizontal. 1.1- RES,EN (a antena es un transductor )ue conierte 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 traés de la atm&sfera a la elocidad de la luz y la longitud de onda de una onda de radio como la proporci&n de la elocidad de la luz 0c a la frecuencia de la onda de radio. (a polarizaci&n de un dipolo se refiere al campo eléctrico del dipolo )ue radia a lo largo de la superficie de la tierra, se llama una onda de tierra, o en la atm&sfera. *e refle#an ondas del cielo o se refractan a la tierra o salen fuera en el espacio. *i ellas uelen, una zona del salto se produce, y la se+al puede oírse en puntos distantes.
"n dipolo polarizado horizontalmente se llama una antena 6ertzio, y polarizado erticalmente el dipolo es llamado una antena :arconi. (a resistencia de alimentaci&n 0impedancia de un dipolo horizontal está en el rango de >3 B >9 Ω. "na línea abierta puede usarse para obserar ondas, y para calcular la longitud de onda o la frecuencia de operaci&n. 1.11 PRE/NTAS 1.< 78ué funci&n #uega una antena )ue esta transmitiendo o recibiendo una se+al de radio; 2.< 7"na antena generalmente a cuantas longitudes de onda esta cortada; 3.< $n un dipolo de media onda, el haz se concentra en 7cuantas direcciones; !.< (a resistencia de alimentaci&n de un dipolo es apro%imadamente <<<<<<<<<<<<<< ohm 9.< 7$s la resistencia de entrada de una antena siempre resistia, o es también reactia; =.< (a polarizaci&n de una antena es en la direcci&n del <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< >.< 7$s el campo eléctrico paralelo o perpendicular al dipolo; .< 7uede una antena ser usada para transmisi&n y recepci&n; G.< $n el punto de alimentaci&n del dipolo la corriente esta en un <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 1-.< 'uando un dipolo opera como una antena de onda completa, 7cuántos l&bulos de radiaci&n produce; 11.< $n una línea de transmisi&n, la longitud de onda generalmente es <<<<<<<<<<<<<<<<<<<< )ue en espacio libre
12.< 7'uál es la longitud de onda de un transmisor operando en 1!.29 :6z; 13.< "n transmisor opera en 1!! :6z re)uiere un dipolo de media onda. 7'uánto debe ser su longitud en metros; 1!.< 7'uál es la longitud, en pies, de una antena de media onda de !- metros; 19.< 'uál es la antena más grande, 7una dise+ada para 1! :6z o una para 3- :6z;
