Antenas parabólicas Cristian Gonzalez Maldonado, Paola Ortiz Gonzalez, Brenda Sastoque Cortes Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Bogotá, Colombia
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[email protected] En este preinforme se describe brevemente las R esumen — En antenas, ampliando el contexto en las antenas reflectoras, pues serán las utilizadas en la práctica de laboratorio que se realizará; estas antenas pueden emitir un haz enfocado y su mecánica de construcción es muy sencilla y resistente, por lo cual tienen diversos usos en áreas como comunicación satelital, telemetría, navegación, entre otros, para nuestro caso se utilizarán antenas con un reflector parabólico de tal manera que pueden ser transmisoras, receptoras o full dúplex, caracterizadas por tener una antena de bocina pequeña, de tal manera que se pueda apreciar en los diagramas horizontales del reflector parabólico con una antena de bocina como excitador, además de observar diagramas de radiación con todos los parámetros que puedan puedan ser involucrados en estas mediciones.
I. JUSTIFICACIÓN A. Antena
Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. B. Origen antenas con reflector
El origen de la antena con reflector se remonta a 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas que habían sido predichas por James Clerk Maxwell unos quince años antes. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc como el ilustrado en la Fig.1, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como receptor. Las dimensiones del reflector de Hertz eran de 1.2 m de abertura
C. Antenas reflectoras
Las antenas de microondas que pueden emitir un haz enfocado y se usan cada vez más en las siguientes aplicaciones: - Radioenlaces terrestres - Comunicación satelital - Radioastronomía - Telemetría - Navegación - Radares. Se han diseñado diversos tipos de antenas para ajustarse a los requerimientos de estas aplicaciones. Las antenas reflectoras son muy utilizadas debido a la construcción mecánica sencilla y resistente que presentan. Para lograr una directividad definida con un haz enfocado y alta ganancia debe haber una distribución de fase plana en la apertura emisora. Cuando los frentes de la fase tienen forma de curvas esféricas se produce dispersión del haz, lo cual da como resultado una rápida caída del enfoque del haz y de la ganancia. En la práctica real se puede usar la aproximación que se reproduce en la Fig.2 para evaluar la distribución de fase en la antena de bocina.
Fig.2 Condición para aproximar aproximar un frente dase plana en la apertura apertura de una antena bocina, donde a es la dimensión transversal de la bocina, α es el ángulo de la bocina y l es la longitud de la bocina.
Como se puede observar en la Figura 2, los frentes de fase casi uniformes corresponden a: Fig.1 Cilindro parabólico.
por 2 metros de largo.
∙≪
El reflector se usa para transformar frentes de onda curvos en frentes de fase plana en la apertura del reflector.
La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico, cuya superficie es en realidad un paraboloide de revolución. Las antenas parabólicas pueden ser transmisoras, receptoras o full duplex, llamadas así cuando pueden trasmitir y recibir simultáneamente. Suelen ser utilizadas a frecuencias altas y tienen una ganancia elevada. En las antenas parabólicas transmisoras, la así llamada parábola refleja las ondas electromagnéticas generadas por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del paraboloide. Los frentes de onda inicialmente esféricos que emite ese dispositivo se convierten en frentes de onda planos al reflejarse en dicha superficie, produciendo ondas más coherentes que otro tipo de antenas. En las antenas receptoras el reflector parabólico se encarga de concentrar en su foco, donde se encuentra un detector, los rayos paralelos de las ondas incidentes. Las antenas reflectoras con frecuencia se distinguen de acuerdo con la forma en que se las excita: 1)
consta de dos reflectores, uno con forma de paraboloide y otra hiperboloide, el primero es iluminado por las ondas planas entrantes produciendo una reflexión hacia el foco primario en donde coincide además el foco del reflector secundario. Este último produce una reflexión en dirección al subreflector donde el alimentador recibe ondas de tipo esféricas. Este principio en apariencia compleja de óptica resuelve el problema de eficiencia para transmisiones satelitales, exentas además de grandes pérdidas, cross polarización, así como otros relacionados con el coeficiente de radiación y guías de onda más cortas. Es así que la ganancia aumenta hasta 1 decibelio debido a que la
Alimentación frontal
En este tipo de antena parabólica el foco está ubicado en el punto central del plato como indica su nombre. Lo cual le brinda una perfecta simetría y un rendimiento cercano al 60% permitiendo que una gran cantidad de energía sea conservada y un por ciento menor desperdiciada; en parte esto último se debe a la ubicación del foco, el mismo produce sombra y causa interferencia en la señal. Otro factor de diseño que significa una desventaja es la presencia de varillas sobre el disco cuyo objetivo es servir de soporte al LNB y el alimentador. No obstante, debido a que puede llegar a ser de gran tamaño, se realiza de manera más efectiva la captación de señales y la interferencia se hace menor. Para realizar el montaje se debe hacer con mayor exactitud que las otras antenas a causa del ángulo de apertura del haz el cual se encuentra en los 3db. La superficie se fabrica generalmente de láminas de aluminio y posteriormente se le cubre con una fibra de vidrio.
Fig. 4 Antena parabólica Cassegrain
iluminación se realiza con mayor eficiencia. 3) primario con offset.
Reflectores
con
alimentador
Aunque se encuentra dentro de las antenas parabólicas su forma no corresponde exactamente con una de este tipo sino más bien en contraste con un diseño más elíptico, en este sentido su estructura deja de ser simétrica y en consecuencia el punto focal ha quedado desplazado hacia un lado del plato, de aquí su nombre. Esta nueva orientación del foco se convierte en una ventaja circunstancial al eliminar las zonas de sombra que aparecen en los diseños de foco primario, lo cual provee de mayor calidad y limpieza a la señal captada ofreciendo un rendimiento mayor al 70%, desde el punto de vista técnico la ganancia de la antena es mucho mayor, además deja de producirse el llamado desacoplamiento de impedancia ocasionado por las indas que se ubican en la trayectoria del
Fig.3 Antena parabólica alimentación frontal
2) subreflector
Excitación Cassegrain con un
Su nombre se debe al sacerdote Laurent Cassegrain (1629-1693) y constituye una variante mejorada del telescopio de igual nombre construido por él hacia el año 1672. A diferencia de las anteriores esta clase de antena
Fig. 5 Antena parabólica offset
alimentador, es por esto que este último está ubicado por
debajo de la viga y sustentado por un brazo que proviene de la parte inferior del plato. Dada esta ventaja frente a otros tipos de antenas parabólicas se hace evidente su utilización para la transmisión de frecuencias satelitales conectadas a señales de televisión. Otra de las aplicaciones puede ser vista en la construcción de radares por su alcance a objetivos lejanos.
= 4 Dado que el radiador no ilumina al reflector de manera
ideal, el área efectiva Aeff es más pequeña que la superficie A de la apertura geométrica. El cociente del área efectiva de la antena y la superficie geométrica definen la iluminación o el rendimiento de la apertura q. En las antenas parabólicas se encuentra dentro del rango de .
0,5 < < 0,6
D. Parámetros de la antena parabólica
La antena parabólica normalmente es excitada por radiadores de bocina, Yagis o dipolos con pequeños subreflectores y alimentación coaxial. Para lograr anchos de banda grandes se usan radiadores de bocina de doble cresta. El radiador debe iluminar el reflector en forma homogénea. El objetivo es obtener una iluminación constante sobre toda la apertura, que caiga rápidamente a cero en la periferia, de modo que se disperse poca radiación del alimentador sobre el reflector. Cuando se opera la antena parabólica en el modo receptor, el desbordamiento aumenta el ruido y de esta manera disminuye la calidad de la transmisión. Este es un verdadero problema para las estaciones terrestres satelitales. Una cierta parte de la potencia transmitida por el radiador principal se emite en dirección hacia adelante y puede interferir destructivamente con el haz paralelo deseado. La radiación hacia atrás se puede minimizar seleccionando adecuadamente el radiador o tomando otras medidas respecto de la construcción de la antena, como colocar un subreflector detrás del alimentador. La directividad de la antena parabólica depende de los siguientes factores: La función de ganancia del radiador principal. o La relación de la distancia focal con el diámetro del o reflector f/D (apertura numérica).
/2
Para lograr frentes de fase casi planos en la apertura, la antena parabólica debe tener un diámetro relativamente grande. Con la antena Cassegrain que se muestra en la Fig. 4 se logra una alta directividad utilizando un reflector pasivo para transformar la distancia focal manteniendo reducida la longitud de la construcción. La distancia focal efectiva es:
=
II. METODOLOGÍA A. Materiales o o o o o
o o o o
o o
La alimentación con offset sirve para reducir la desadaptación causada por las reflexiones dentro del radiador. En ancho a 3 dB como medida para la directividad de la antena depende de la especial elección del radiador principal y su posición delante del reflector principal. Lo siguiente se cumple casi en la mayoría de los tipos de radiadores:
1 Oscilador Gunn 1 Modulador PIN 1 Línea unidireccional 1 Transformador de 3 tornillos 1 Antena de bocina grande, la cual se caracteriza por: - Diseño: En aluminio, laqueada en rojo - Dimensiones: 98 x 58 x77 mm - Rango de frecuencia: 8 GHz...12 GHz - Ganancia: 15 dB a 10 GHz - Tipo de guía de ondas: R100 1 Juego de absorbentes para microondas 1 Plataforma giratoria para antena 1 Juego de antenas bocina 1 Antena parabólica, la cual se caracteriza por: - 1 Reflector principal, 400 mm de diámetro. - f/D = 0,4 - 1 Soporte para reflector principal - 1 Subreflector con barra para dipolo excitador - 1 Soporte para subreflector o para radiador primario 1 Cinta métrica 2 Pies de soporte multifuncional
B. Montaje
Para realizar la práctica se utilizará una antena de bocina pequeña con el fin de poder apreciar en los diagramas horizontales del reflector parabólico con una antena de bocina como excitador, como muestra Fig.7.
ℎ3 = 70
El área efectiva es la superficie a través de la cual una onda homogénea plana con una densidad de potencia S simplemente transporta la potencia recibida PR. Además, existe una relación que se aplica en todas las antenas, entre el área efectiva de la antena y la ganancia G:
Fig.7 Montaje del experimento.
C. Procedimiento
La primera parte consiste en armar el montaje, como se muestra en la Fig.7, adicionando el transformador de tres tronillos entre el modulador PIN y la antena de bocina. La antena fuente emite ondas en polarización horizontal, lo que quiere decir, que los laterales más anchos de los componentes de la guía de onda se encuentran en posición vertical. 2) Se debe insertar la antena parabólica en su respectivo soporte y colocar todo en la base giratoria. Para ilustrar este paso se presenta la Fig.8. con su respectiva descripción. 1)
III. R ESULTADOS Y ANALISIS 1) El montaje es realizado tal como se indica en el procedimiento en el numeral 1, utilizando el transformador de tres tronillos entre el modulador PIN y la antena de bocina, tal como se muestra en la Fig. 9.
Fig.8 Antena parabólica con radiador dipolo. Fig.9 Montaje del transformador de tres tornillos y antena bocina.
Para armar la antena o el reflector parabólico como un radiador principal, se conecta la varilla de antena provista. Se debe insertar la antena bocina en el orificio del montaje central de la plataforma giratoria. Se conecta el enchufe del cable de salida de la antena al enchufe BNC de la placa giratoria. Se recomienda realizar una prueba donde se verifique que la plataforma giratoria junto con la antena, al girar no choca o tienen algún tipo de obstáculo en su recorrido. 3) Se procede a registrar el diagrama direccional con los siguientes parámetros: Gama: -180° a 180° o Paso angular: 0,5° o Corriente de polarización activada o Características del detector cuadrática o
2) Se completa el montaje adicionando la antena parabolica y la base giratoria instalandolo dentro de la camara anecoica, tal y como muestra la Fig. 10, incluyendo la conexión del enchufe BNC de la placa giratoria.
4) Luego de obtener el diagrama en coordenadas polares, se cambia a coordenadas cartesianas, que nos permitirá determinar el ancho a 3dB. 5) Se procede a variar las distancias focales, es decir la distancia de la antena parabolica a la antena bocina, comparando así diferentes parametros, entre los diferentes efectos sobre los diagramas. Fi .10 Monta e com leto.
Se realizan las mediciones con los parámetros indicados, dando como resultado el diagrama en coordenadas polares, manejando el rango de -16° a 344° y con distancia, desde el foco de la antena parabolica a la antena que excita, con valor de 13,5 cm y tomando valores de su potencia cada 0,5°, se genera la grafica mostrada en la Fig. 11. 3)
Fig.11 Diagrama en coordenadas polares de una antena parabolica ubicada a 13,5 cm de la antena bocina que la excita.
una más lejana. Cuando se toma medidas con la antena bocina más cerca de la antena parabolica, con una distancia exactamente de 8,7 cm, donde sus grafico polar y cartesiano esta representado en la Fig, 13 y 14, respectivamente.
Fig.13 Diagrama en coordenadas polares de una antena parabolica ubicada a 8,7 cm de la antena bocina que la excita.
Con ayuda de CassyLab se procede a tomar las medidas en coordenadas polares, lo cual genera el grafico presentado en la Fig.12. 4)
Fig.14 Diagrama en coordenadas cartesianas de una antena parabolica ubicada a 8,7 cm de la antena bocina que la excita.
Del grafico en coordenadas cartesianas podemos deducir los parámetros:
Fig.12 Diagrama en coordenadas cartesianas de una antena parabolica ubicada a 13,5 cm de la antena bocina que la excita.
De este grafico se pueden encontrar los parámetros de un diagrama de radiación: FNBW=88,5°-66,5° =20° HPBW=92°- 64°=28° FTBR=1dB-0,15934dB=0,84066dB NLPS=1dB-0,7076dB = 0,3924dB Se varia de dos formas la distancia focal, primero una más cercana, respecto a la distancia del anterior numeral, y luego 5)
FNBW=86,5°-79°=7,5° HPBW=84°-80°=4° FTBR=0,8dB - 0,10143dB=0,6957dB NLPS=0,8 dB – 0,76717 dB=0,03283dB Cuando se toman medidas con la antena bocina más lejana a la antena parabólica, con una distancia exactamente de 20 cm, donde sus grafico polar y cartesiano está representado en la Fig, 15 y 16, respectivamente. Al igual del grafico en cartesianas se deducen lo parámetros: FNBW=93,5°-83,5°=10° HPBW=206°-90°=116°
FTBR=0,58317 dB – 0,04658 dB=0,53659dB NLPS=0,58317 dB – 0,55152 dB=0,03165dB
El rango de frecuencia se extiende desde 8GHz hasta 12GHz, lo cual quiere decir que el ancho de banda es 4GHz, la longitud de onda con aplicación práctica en antenas se calcula para la mitad del rango es decir 10GHz
310 = = 10 = 0,03
La fórmula de ganancia para la antena parabólica es:
0,125663 ∗ 0,6) = 10log(4 ∗ ) = 10log(4 ∗0,03 = 30,2232
Donde e es la eficiencia global de la antena.
Fig.15 Diagrama en coordenadas polares de una antena parabolica ubicada a 20 cm de la antena bocina que la excita.
La eficiencia total que se suele obtener es del orden de: Reflector simple centrado: 60% Sistema Cassegrain centrado: 65 al 70% Sistema Offset: 70 al 75% Sistema doble con superficies conformadas para máxima ganancia: 85 al 90% Por lo que se usó una eficiencia del 60% para el cálculo de la ganancia. Ancho de haz a 3dB:
ℎ3 = 70 = 700,03 = 5,25 0.4
Área efectiva:
∗ G
= 4 = 4 ∗ 4 ∗ = = ∗ = 0,125663 ∗0,6 = 0,07539 = 75,39
Fig.16 Diagrama en coordenadas cartesianas de una antena parabolica ubicada a 20 cm de la antena bocina que la excita.
IV. CALCULOS MATEMATICOS Es posible calcular de forma teórica los parámetros de la antena parabólica conociendo la distancia focal, el diámetro de reflector, la frecuencia de trabajo, etc. La ganancia es un término empleado para expresar cuánto de las señales interceptadas por el plato son concentradas en el alimentador. Para calcular la ganancia de una antena, lo primero que debemos conocer es su área de apertura y la longitud de onda de las señales que se desea recibir relativamente bien.
400 = = (2) = ( 2 ) = 0,125663
La directividad se calcula como:
= 4
Donde a es la relación entre la distancia focal (f) y el diámetro del reflector (D):
=
El valor de f cambia para los tres montajes. o
Con distancia focal de 13,5 cm
4 0,135 = ( 0.4 ) ∗0,6 = 2997,8923
o
Con distancia focal de 8,7 cm
4 0,087 = ( 0.4 ) ∗0,6 = 1245,0505
o
Con distancia focal de 20 cm
4 0,2 = (0.4) ∗0,6 = 6579,7362
V. CONCLUSIONES R EFERENCIAS [1] Love, A.W., (1976), Some Highlights in Reflector Antenna Development, Radio Sci, Vol. 11, pp. 671-684. [2] J.M. Kloza K. Breidenbach , Tecnología de antenas, tercera edición. [3] http://www.antenaparabolica.com/tipos-de-antenas-parabolicas/ [4] https://maam891.wordpress.com/category/antena-parabolica-de-foco primario-y-offset-focalizada/
