PRACTICAS DE LABORATORIO
TUTOR Ing. Noel Zambrano
CURSO ANTENAS Y PROPAGACIÓN 208019A_360
ESTUDIANTES INGRID PAOLA DEVIA CARDOZO CÓD. 1110485194 DANIEL EDUARDO RENGIFO CÓD. 16739502 ALEJANDRO VALENCIA GIL CÓD. 18615950 ROMEO EDUARDO VALLADARES DE LEÓN CÓD. 358357
INFORME DE PRÁCTICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA (UNAD) ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA (ECBTI) IBAGUÉ, MAYO 2017
INTRODUCCIÓN Mediante el desarrollo del presente trabajo se pretende dar a conocer las prácticas llevadas a cabo en el laboratorio del CEAD-IBAGUE correspondiente al curso de antenas y propagación, donde se requiere la profundización de los temas más importantes para el desarrollo de la actividad, ya que éstas prácticas nos permiten fortalecer los conocimientos adquiridos durante el desarrollo del curso.
OBJETIVOS
Profundizar y adquirir conocimientos para la realización de los cálculos de un radioenlace.
Lograr la comunicación entre antenas con una distancia de 58.36 km.
Comprender el funcionamiento de las diferentes antenas que se utilizan al momento de realizar un radioenlace.
Analizar las diferentes magnitudes que se utilizan en el estudio de un radioenlace.
Estudiar los diferentes tipos de software que se pueden emplear en un radio enlace.
Fase Uno. 1. El estudiante revisa en el material de estudio los siguientes temas y profundiza consultando en libros o sitios confiables como e Biblioteca (sugiero: el Libro, Academic Search Premier, Applied Science & Technology Source) de la UNAD y https://scholar.google.es/.
Potencia y energía, ecuaciones de onda, ondas planas, parámetros de propagación, polarización, ondas guiadas, características de la propagación, velocidad y dispersión, potencia, pérdidas, parámetros de una antena, fundamentos de radiación, Relación de Onda Estacionaria, tipos de antenas y zona de Fresnel.
Potencia energía Ecuaciones onda. Ondas Planas
Polarización
La potencia es la cantidad de trabajo que se realiza en un determinado tiempo y la energía es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. de Es aquella ecuación que describe la propagación de una variedad de ondas, como las ondas sonoras, las ondas de luz y las ondas en el agua.
y
También llamadas monodimensionales, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de ondas son planos y paralelos. La polarización de una antena es la polarización de la onda radiada por dicha antena en una dirección dada.
Son un sistema de inspección mediante ondas de ultrasonido a bajas frecuencias que se desplazan en sentido axial con ondas torsionales a lo largo de la longitud de la tubería de forma rápida. CARACTERÍSTICAS DE LA PROPAGACIÓN Propagación de Se denomina onda terrestre a toda aquella onda electromagnética ondas terrestres que viaje por la superficie de la tierra denominadas también ondas superficiales. Una característica de las ondas terrestres es que deben estar polarizadas verticalmente, ya que si el campo eléctrico de este tipo de ondas se polariza horizontalmente quedaría en paralelo de la superficie de la tierra generando un corto circuito debido a la conductividad del suelo.
Ondas guiadas
Propagación de Las ondas espaciales son todas aquellas ondas que incluyen las ondas espaciales ondas directas, que son aquellas que viajan en línea recta o a línea de vista entre las antenas transmisoras y receptoras, las cuales pueden ser irradiadas por varios kilómetros. La única restricción para este tipo de propagación, es que está limitada por la curvatura de la tierra. Propagación de Las ondas electromagnéticas celestes son aquellas que se propagan con polarización horizontal; en aplicaciones comunes, este tipo de ondas celestes. ondas se irradia en una dirección que forma un ángulo relativamente grande con la tierra. Son ondas que se irradian directamente hacía el cielo en donde son reflejadas o refractadas hacía la superficie terrestre por la ionosfera, por esta razón se le denomina propagación ionosférica. La ionosfera, es la región del espacio que está entre 50 y 400 kilómetros sobre la superficie terrestre; esta capa de la tierra es la encargada de absorber grandes cantidades de energía solar ionizando moléculas de aire formando con ello electrones libres. Propagación en En la propagación en superficie, las ondas de radio viajan a través de la porción más baja de la atmósfera, abrazando a la tierra. A las superficie. frecuencias más bajas, las señales emanan en todas las direcciones desde la antena de transmisión y sigue la curvatura de la tierra. La distancia depende de la cantidad de potencia en la señal: cuanto mayor es la potencia mayor es la distancia. La propagación en superficie también puede tener lugar en el agua del mar. La propagación troposferica puede actuar de dos formas. O bien se Propagación puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión troposférica directa) o se puede radiar con un cierto ángulo hasta los niveles superiores de la troposfera donde se refleja hacia la superficie de la tierra. El primer método necesita que la situación del receptor y el transmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir distancias mayores. En la Propagación Ionosférica, las ondas de radio de más alta Propagación frecuencia se radian hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo ionosférica hacia la tierra. La densidad entre la troposfera y la ionosfera hace que cada onda de radio se acelere y cambie de dirección, curvándose de nuevo hacia la tierra. Este tipo de transmisión permite cubrir grandes distancias con menor potencia de salida. Propagación por En la Propagación por visión directa, se trasmite señales de muy alta frecuencia directamente de antena a antena, siguiendo una línea visión directa. recta. Las antenas deben ser direccionales, estando enfrentadas entre sí, y/o bien están suficientemente altas o suficientemente juntas para no verse afectadas por la curvatura de la tierra. La propagación por visión directa es compleja porque las transmisiones de radio no se pueden enfocar completamente.
de Permiten, desde el punto de vista de sistemas, tratar la antena como un dipolo. Se definen parámetros de tipo circuital y de tipo direccional. La mayoría de estos parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción. Los principales parámetros de las antenas son: - Directividad y Ganancia - Diagrama de radiación o patrón de radiación - Ancho del haz - Impedancia de entrada - Eficiencia de la antena - Polarización - Campos de Inducción de Radiación - Longitud eléctrica y longitud física - Ancho de Banda - Intensidad de Campo - Relación frente detrás. Relación de onda Es la relación entre la cantidad de energía emitida por el equipo y la cantidad de energía reflejada de vuelta por el cable coaxial, la estacionaria. antena, el montaje, el plano de tierra, etc. Es decir, la cantidad de energía reflejada está en relación directa a la mala calidad de componentes o instalación de nuestro equipo. TIPOS DE ANTENAS Según su - Antenas de cable; como, por ejemplo, los dipolos, monopolos, espiras, helicoides. Las antenas de televisión que habitualmente geometría encontramos en los edificios están formadas por un conjunto de dipolos. - Antenas de apertura como, por ejemplo, las bocinas, las ranuras y las antenas microstrip. Antenas microstrip: consisten en un parche metálico sobre un substrato y un plano de masa por debajo. Las antenas microstrip son de perfil bajo, adaptables a cualquier superficie, simples y baratas de fabricar, mecánicamente robustas cuando se instalan sobre superficies rígidas - Reflectores: antenas formadas por un reflector, generalmente con perfil parabólico, y la antena situada en el foco del reflector. - Lentes: formadas, tal y como indica su nombre, por una lente que tiene como objetivo conformar la radiación de una determinada forma. Parámetros una antena.
Zona de Fresnel
Son unos elipsoides concéntricos que rodean al rayo directo de un enlace radioeléctrico y que quedan definidos a partir de las posiciones de las antenas transmisora y receptora.
Con el tutor encargado, realizarán una socialización de los temas nombrados. El tutor define la dinámica de la socialización. 2. Completar la siguiente Tabla
ANTENAS
DEFINICIÓN
Monopolo
El Monopolo es una antena derivada del dipolo, la diferencia es que solo tiene un abrazo y el otro es sustituido por un plano de masa
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS
FRECUENCIA DE TRABAJO
APLICACIONES
- No
-Polarización: Vertical -Ganancia: 3 dBi hasta 17 dBi. -Tipo: Omnidireccional Impedancia: 36 Ohmios.
2-30 MHz
-Antenas de radio para carro. -Se utilizan para la transmisión de frecuencias bajas como son las estaciones de Onda Media.
Dipolo
Es una antena sencilla y popular que se caracteriza por una alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia
requiere una altura mínima de 0,15 de onda. - No se requieren puntos donde sujetar los extremos. - No requiere el espacio ocupada por los radiales. - Fácil instalación. -Balance: reciben señales balanceadas, ya que el diseño de dos polos permite que el dispositivo reciba señales de una variedad de frecuencias.
-Patrón de radiación: Amplio -Ganancia: Baja -Directividad: Baja -Polarización: Baja -Impedancia: 73 Ohm
150 MHz.
Se utiliza para principalmente para transmitir señales de TV, FM y para comunicaciones militares
Yagi
-Movelo: Al momento de instalarlo probar varias combinaciones de las colocadas ya que ambos polos normalmente giran y se extienden, por lo que es difícil mover uno y luego el otro. -Fácil Construcción y -Poca Resistencia montaje. al viento. - Bajo Coste- Reducido ancho de banda. (limitado principalmente por la variación de su Zen)
Está constituida por varios elementos paralelos y coplanarios que suelen ser dipolos. Estos dipolos pueden actuar como elemento activo, directores o reflectores Tiene una similar Es una de más característica a una utilizadas en frecuencia antena dipolo de por encima de 2 MHz. media onda. La longitud física de una antena de media longitud de onda es prohibitiva. Al dipolo de media
-Patrón de radiación: Endfire - Ganancia: Media/Alta Directividad: Media/Alta -Polarización: Lineal -Ganancia: 8 – 15 dBi.
Entre 54 y 890 MHz.
Son usadas en FM como antenas receptoras o para radioenlaces, aunque la mayor parte de yagis que vemos en los tejados son antenas para recibir los canales de TV.
Drooping
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Es una de las antenas más utilizadas en frecuencias arriba de 2MHZ. En frecuencias debajo de 2MHz.
Espiral
onda se le refiere por lo general como antena de Hertz. Una antena espiral es un tipo de antena de radiofrecuencia y microondas, cuya forma consiste en una espiral de dos o más brazos.
Microstrip
Consiste en un parche muy fino que se coloca a pequeña fracción la longitud de onda sobre un plano de tierra. El parche y el plano de tierra son separados por un dieléctrico. Normalmente el parche es de cobre y puede asumir cualquier forma
Espira
Una antena espiral es un tipo de antena de radiofrecuencia y microondas, cuya forma consiste en una espiral de dos o más brazos.
Fácil de fabricar a bajo Presenta una costo y además, en base polarización de tipo a este diseño es circular, el sentido de la relativamente fácil polarización es derecha a fabricar antenas con izquierda. ganancias diferentes ya que se aumenta la ganancia simplemente aumentando el número de espiras. Puede ofrecer es su -Baja eficiencia -Patrón de radiación: tendencia a ser cada vez -Baja potencia Enfire más pequeñas, ya que -Pobre pureza de -Ganancia: Media cada vez se polarización. -Directividad: Media miniaturizan más y los -Banda estrecha -Polarización: Lineal componentes usados -Radiación espuria -Impedancia: 75 Ohmios para su fabricación son de las líneas. cada vez más livianos, fáciles de integrar tanto en superficies planas como no planas. Además su producción es muy sencilla y por tanto se fabrican en masa. Las antenas espirales Esto es, su polarización, suelen ser de tamaño diagrama de radiación e reducido, debido a la impedancia permanecen estructura compacta de constantes en una banda sus brazos, lo cual muy ancha. Debido a su supone una ventaja diseño de polarización frente a otras antenas de circular y de baja banda ancha. ganancia, aunque pueden ser dispuestas en forma de array para aumentar la ganancia total.
Entre 450 y 800 MHz.
Utilizada en comunicaciones para el telecontrol de satelitales y actualmente es muy difundida entre las radiofrecuencias.
470 MHz-746 MHz.
Aeronáutica, la aviación, satélites, aplicaciones en misiles, dispositivos móviles y en general comunicaciones móviles y para frecuencias elevadas principalmente en los rangos de ondas milimétricas y microondas.
2 Ghz. (Este tipo Una aplicación de antenas se importante de las suele clasificar antenas espirales como antenas con las independientes comunicaciones de de la frecuencia, banda ancha. Otra ya que son aplicación donde capaces de estas antenas son funcionar en un muy útiles es en la rango muy monitorización del amplio de espectro, por lo que frecuencias). son frecuentes en equipos SDR y en analizadores de espectros.
3. El estudiante explica la importancia de las magnitudes logarítmicas para el estudio de pérdidas y ganancias en un radioenlace.
La conversión de unidades de potencia y dBm resulta fundamental a la hora de realizar cálculos de enlaces. D urante los cálculos de radioenlaces encontramos 3 tipos de unidades logarítmicas: a. dB (decibel) Utilizado para medir pérdidas en los cables y conectores o ganancias de antenas y amplificadores. E l decibel es una unidad de medida correspondiente al logaritmo decimal del cociente de 2 valores de potencia.
= ∗
Los db son positivos cuando se refieren a una ganancia, por ejemplo, la de una antena o un amplificador, y son negativos cuando estos corresponden a una atenuación, por ejemplo, la de un cable. b. dBm: (dB referido a un mW) Para este caso, el dBm es una unidad logarítmica referida a la potencia de 1 mili Watt (0.001). Por lo tanto, mide la potencia absoluta. Cuando es positivo se refiere a calores superiores a 1 mW y negativo para valores inferiores a 1mW, como los valores correspondientes a potencias recibidas.
= . = ∗.
c. dBi: (decibel respecto a la isotrópica) E s empleado para expresar la ganancia de una antena en comparación con una antena isotrópica, es decir, aquella que irradia en todas las direcciones con la misma intensidad. E s importante tener en cuenta que cuando se usa el dB para calcular la potencia debemos recordar lo siguiente: Duplicar la potencia es igual a agregar 3 dB. Reducir la potencia a la mitad es igual que restar 3 dB. E n los sistemas de comunicaciones es común utilizar magnitudes logarí tmicas en lugar de las magnitudes a que estamos acostumbrados. H ay, entre otras, dos razones para ello, una de carácter histórico que se remonta a los orígenes de la telefonía, en que se observó que la respuesta del oído humano a la intensidad sonora es de tipo logarítmico y otra de carácter práctico, ya que en comunicaciones se manejan magnitudes de voltaje, corriente y potencia en rangos muy amplios, por ejemplo, el voltaje de entrada a un receptor puede ser de unas fracciones de micro voltios y la salida, de varios voltios, lo que representa un rango de la señal de más de seis órdenes de magnitud que hace muy difícil la representación gráfica en una escala lineal. Algo similar ocurre con los rangos de potencia, corriente y frecuencia que se manejan en comunicaciones.
Fase Dos 1. El estudiante solicita al tutor el Kit de Antenas “Antenna Training System AT3200” si no cuentan con el Kit, deberá desarrollar desde el punto 2 1.1 Armar el Kit de Antenas 1.2 Instalar el Software Antenna Trainer que viene con el Kit. Servirá para medir la Ganancia, el Ancho de Banda y el tipo de polarización. 1.3 Describir el siguiente gráfico. Computador
Transmisor
Main Controller
Receptor
E l gráfico anterior indica la forma en que se deben realizar las conexiones de los equipos del Kit de Antenas, con el fin de controlar su funcionamiento y observar los resultados de los datos obtenidos en cada una de las pruebas de las antenas. E l computador es la interfaz entre el controlador y l usuario. E l controlador genera la señal que controla la antena y proporciona la frecuencia de la señal. E l transmisor es el encargado de modificar la información original de tal maneta de adecuarla para su transmisión. E l receptor convierte a la información o señal recibida a su forma original para enviar a su destino en forma final. 2. Con orientación del tutor, el estudiante descarga e instala los siguientes programas: 2.1 Google Earth en https://www.google.es/earth/index.html 2.2 Radio Mobile http://www.cplus.org/rmw/download/download.html 2.2.1 Otra opción. Registrarse en Xirio Online http://www.xirio-online.com/ 3. En Google Earth ubique dos puntos que se encuentran separados a una distancia de 55 Km. Con la opción “Marca de Posición” marque los dos puntos y con la opción “Regla” únalos
para conocer la distancia exacta entre los dos puntos
Teniendo los dos puntos unidos, observe el Perfil de Elevación. ¿Qué puede concluir?
Lo que puede ocurrir en este caso es que tengamos un buen radio enlace, ya que la antena trasmisora se puede instalar en la parte alta y la receptora en la parte baja, como en la mitad no hay mayores elevaciones es posible el radio enlace, en caso de que en el medio de las 2 antenas se encontrara una elevación superior, podría obstruir la comunicación entre las antenas. 4. De acuerdo a la distancia, la normatividad y el análisis realizado al perfil de elevación; explique en forma argumentativa qué antenas deben utilizar para diseñar un radioenlace y a qué frecuencia deben trabajar.
La antena a utili zar es de la marca Ubiquiti, Grid parabolic antenna TL-ANT2424B F recuencia de operación 2.4-2.4835 Ghz.
Ganancia 24dBi I mpedancia 50 Ohms Potencia admitida 100 W Polarización vertical u horizontal.
Para un mejor análisis, realicen el siguiente ejercicio: 4.1 Un radioenlace está formado por dos antenas de 3 dB de directividad separadas a 10 km. Si el Transmisor tiene una potencia de 1kW y trabaja a una frecuencia de 100Mhz, calcúlese la potencia de señal a la salida de la antena receptora.
= +∗+ =. =+∗ + . ++ = . = + . + . = +. + = .
De esta forma, la potencia de la señal a la salida de la antena receptora sería:
Fase Tres 1. Según la información del Kit, complete la siguiente tabla. Si no cuentan con el Kit, trabajar desde el punto dos (2). 1.2 Teniendo en cuenta las antenas que hacen parte del Kit y la información obtenida en la solución de las tablas uno y dos, realizarán un envío de señales entre: Dos antenas con iguales características Dos antenas con diferentes características.
Importante: método de desarrollo Ubique todos los elementos necesarios para el desarrollo de la práctica. Tener claridad sobre la información que han dado en las tablas uno y dos. Ubicar bien las antenas (una frente a la otra) a una distancia entre 1 a 2 metros Ubicación de equipos. Computador
Transmisor
Main Controller
Receptor
El computador debe quedar un poco retirado de los demás elementos para evitar algún tipo de interferencia Tener presente que el control total de la experiencia está dado por el software. El software de adquisición de datos tiene diferentes campos que deben ser configurados. Toma de datos. Cuando todo esté listo (conexiones y equipos configurados) de inicio a la toma de datos que realiza el Software, dando clic sobre la opción “Auto”
1.3 Realizar mínimo tres pruebas (antenas con iguales características. Antenas con diferentes características)
En este caso, la tabla se elimina ya que el grupo colaborativo realizó la práctica con cada una de las antenas disponibles del kit y se plasma en las imágenes a continuación, compilando los puntos 1.1., 1.2. y 1.3. de esta fase. ANTENA DE TRANSMISIÓN TIPO DIPOLE Y LA RECEPTORA LA ANTENA YAGI DE 500 MHz. Grafica de transmisión según el programa.
Plano E Para una antena polarizada linealmente , este es el plano que contiene el vector de campo eléctri co (a veces llamado abertura E) y la dir ección de máxima radiación. E l campo
eléctri co o el plano " E " determina la polarización u orientación de la onda de radio. Para una antena polarizada verticalmente, el plano E generalmente coincide con el plano vertical / elevación. Para una antena polarizada horizontalmente, el E -Plane generalmente coincide con el plano hori zontal / azimutal. E l plano E y el plano H deben estar separados por 90 grados. Plano H E n el caso de la misma antena polarizada linealmente, este es el plano que contiene el vector del campo magnético (a veces llamado la abertura H) y la dirección de la radiación máxima. E l campo de magnetización o el plano " H" se encuentra en un ángulo recto con el plano " E " . Para una antena polarizada verticalmente, el plano H generalmentecoincide con el plano horizontal / azimutal. Para una antena polarizada horizontalmente, el plano H generalmente coincide con el plano vertical / elevación. Imagen grafica en Plano E
Imagen grafica en Plano H
PRUEBAS EN ANTENAS YAGI DE 500MHz A YAGI DE 500MHz. Grafica en Plano E
Grafica en Plano H
Prueba en 2GHz. Antena Espiral (Transmisora) – Monopole ( Receptora) Grafica en Plano E
Grafica en Plano H
Prueba en 2GHz. Monopole (Transmisora) - Antena Espiral (Receptora) Grafica en Plano E
Grafica en Plano H
Prueba en 10GHz. Helical ( Transmisora) – Rectangular patch (Receptora) Grafica en Plano E
Grafica en Plano H
Prueba en 10GHz. Rectangular patch ( Transmisora) – Helical (Receptora) Grafica en Plano E
Grafica en Plano H
1.4 Socializar las conclusiones “Resultados obtenidos”
Con los valores obtenidos en la simulación efectuada con el kit de antenas pudimos observar los patrones de radiación características en cada uno de sus planos para cada tipo de antena, de acuerdo a su frecuencia y forma de configuración. 2. Teniendo en cuenta la solución de los puntos 2, 3 y 4 en la fase dos, diseñe el radioenlace. Es necesario elaborar el presupuesto de potencia, de acuerdo a las tres partes del radioenlace: Lado de Transmisión con potencia efectiva de transmisión. Pérdidas en la propagación. Lado de Recepción con efectiva sensibilidad receptiva
POSIBLE S PÉR DI DAS DEL E NLACE.
= =.+ ==... = í +í +í . = .∗ =.++. = í +í +í . = .∗ ++. = . = . + + = . + +. = . +. +. = . = +()
1. Convertimos la potencia que está en Watts a dBw y de dBw a dBm.
2. Calculamos la pérdida en la línea de transmisión:
3. Calculamos la pérdida en la línea de recepción: a. Para la zona minera 1.
4. Ganancia de las antenas transmisora y receptora es de 24 dBi. 5. Calculamos la pérdida de trayectoria libre:
6. Hallamos el margen de desvanecimiento:
= ..+(∗∗. ∗. ) = . = .+ . . +. = . = + + . = . .. + . + . . = . = . + = .
7. Calculamos la potencia recibida: Se debe partir de dBm o dBw.
3. Realizar la simulación. Comparar valores obtenidos en el presupuesto de potencia. Explicar cada valor obtenido.
E n la parte teórica tuvimos una potencia recibida de -75.94 dBm mientras que en la simulación obtuvimos -87 dBm, lo que indica que en la asignación de parámetros a la simulación elegimos algún dato del ambiente, lo cual afecta los resultados esperados, ya que la parte teórica se realiza para tener una idea general y saber si podemos tener un radio enlace, pero la parte simulada es más exacta y confi able.
Para profundizar en el diseño del radioenlace; es conveniente realizar el siguiente ejercicio: 3.1 Se conocen los siguientes datos para el diseño de un radioenlace: F= 200 MHz Distancia=25Km Ganancia de la antena Transmisora = 9.5 dB Sensibilidad del Receptor = 9.6 μV Si como antena receptora se utiliza un dipolo en λ /2 con Directividad de 1,64 impedancia Zo=73+j43Ω y eficiencia de pérdidas óhmicas igual a la unidad ¿Cuál debe ser la mínima potencia transmitida para el buen funcionamiento del radioenlace?
= − .∗ ∗ ∗ ⁄ = ∗Ω∗. ∗ − . ∗ . ∗ = . . = . ∗− ∗ (.) = .∗−∗. = . ∗−
CONCLUSIONES
Profundizamos y adquirimos conocimientos sólidos para la realización de los cálculos de un radioenlace.
Logramos la comunicación entre antenas con una distancia de 58.36 km.
Comprendimos el funcionamiento de las diferentes antenas que se utilizan al momento de realizar un radioenlace.
Analizamos las diferentes magnitudes que se utilizan en el estudio de un radioenlace.
Fortalecimos nuestros conocimientos en la utilización del simulador radio Mobile.
