República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Nacional Bolivariana San Tomé – Edo Anzoátegui
Materia: Lab. Antenas Práctica I
Profesor: ING. Luis Suárez
Bachilleres:
7º semestre. Telecomunicaciones. Sección (D - 01) GRUPO Nº 3
20.738.051 Almeida Solennys 20.739.720 Santana Geraldine 20.547.964 Quijada Emilyn 20.286 Noguera Astrid 21. Mezones Luis A. San Tomé, 25/04/2012
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Índice General INTRODUCCIÓN ............................................. .................................................................... ........................................... .................... 03
CAPITULO I MARCO TEÓRICO .......................................... ................................................................ ............................... ......... 05 LISTA DE DE MATERIALES MATERIALES ...................................................... ............................................................... ......... 11
CAPITULO II PROCEDIMEINTO EXPERIAMENTAL ....................................... 12 METODOLOGÍA
........................................... .................................................................. ................................ ......... 13
DISEÑO DE DE LA ANTENA ............................................................ ................................................................ 15 CÁLCULOS ANALÍTICOS ........................................................... ............................................................... 18 RESULTADOS ................................. ....................................................... ............................................ ............................ ...... 19 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS .......................................... .............................................. 23
CAPITULO III CONCLUSIONES ............................................................................. 24 ANEXOS .................................... .......................................................... ............................................ ................................... ............. 26 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................... .......................................... 28
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Introducción Las comunicaciones son una parte necesaria de todos los seres humanos, en la cual se puede expresar ideas, pensamientos y muchas cosas más con el fin de que exista un intercambio de información entre dos o más personas. Las antenas permiten la comunicación a largas distancias, ya que son dispositivos diseñados con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Existe una gran variedad de antenas, las cuales cada una de ellas fue creada según sea el uso y las necesidades. Una de ellas es el monopolo vertical, donde se compone por un brazo rectilíneo que irradia en posición vertical y es alimentada por la base. La fabricación de la antena monopolo vertical de λ¼ radica en estudiar el
comportamiento de la misma, partiendo de el factor más importante como lo es el ROE o VSWR. Este no es más que una medida de la relación de desajuste entre la impedancia de la línea de transmisión y la antena; se deseada idealmente que este factor sea ≤ 1,5.
Partiendo de un hilo de cobre de 30cms colocándolo en una base imantada, conectándolo a un tester de antena para observar la gráfica, la frecuencia en la cual opera, entre otros aspectos como la relación de onda estacionaria. De esta manera, se pueden establecer las relaciones existentes entre las frecuencias y longitud de onda; para la obtención de una magnitud mínima de VSWR. Las características de las antenas dependen de la correlación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son más pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones del Lab. Antenas
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orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho mayor que la longitud de onda son directivas. Un cuarto de onda seria de un mínimo a un máximo, entonces a la respectiva antena le está llegando los campos electromagnéticos radiados de ¼ de onda, es decir, no está recibiendo toda la longitud de onda completa.
Porque
las
señales
electromagnéticas
y
los
campos
electromagnéticos se propagan en el medio (aire, espacio libre), como tal las ondas están propagándose, las señales que se propagan en el medio (señales electromagnéticas) son simplemente senos y cosenos que tienen una longitud de onda, entonces esas longitudes de ondas son las que se propagan. A raíz de ello, las antenas sirven para capturar esas señales, ya sea que capture una onda completa, media onda, o simplemente capturar un cuarto de onda a esa frecuencia.
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Marco teórico Antena
Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas. Las antenas son utilizadas para conectar las líneas de transmisión con el espacio libre y viceversa. Es decir, que la línea de transmisión acopla la energía de un transmisor o de un receptor con la antena, que a su vez acopla la energía con la atmosfera terrestre, y de la atmosfera terrestre a una línea de transmisión. De igual manera, se define a la antena como un circuito oscilante cuyo propósito es irradiar o recibir ondas electromagnéticas, por lo que se diseñan con el fin de que irradien o reciban la mayor cantidad de energía posible para una frecuencia determinada. Antena Monopolo Vertical
El monopolo vertical o antena vertical, es una antena constituida de un solo brazo rectilíneo irradiante en posición vertical. Se considera que el monopolo no es una antena completa, y que necesita ser completada por un plano de masa para poder funcionar correctamente. Ese plano de masa puede ser natural (una superficie de agua salada), o bien artificial (una serie de conductores que se unen en la base del monopolo). El monopolo se alimenta en la base. La alimentación es asimétrica, es decir, cuando uno de los conductores del monopolo está a masa y el otro experimenta las variaciones de tensión, se dice que la alimentación es asimétrica. y habitualmente se alimenta con cable coaxial.
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ROE
La relación de onda estacionaria es una medida de la relación de desajuste entre la impedancia de la línea de transmisión y de la carga (antena). También se expresa con la relación que existe entre los valores máximos y mínimos de voltaje y corriente de radio frecuencia en la línea. Polarización Vertical
Es un tipo de polarización de las antenas, en la cual las líneas del campo eléctrico se encuentran de manera perpendicular al plano del suelo. Frecuencia
Es una magnitud que se encarga de medir el número de repeticiones por unidad de tiempo que se presenta en cualquier fenómeno. Impedancia Característica
Es la relación existente entre la diferencia de potencial aplicada y la corriente absorbida por la línea. La impedancia característica es independiente de la frecuencia de la tensión aplicada y de la longitud de la línea, por lo tanto aparecerá como una carga resistiva y no se producirá desadaptación de impedancias, cuando se le conecte a ella un generador con igual impedancia a su impedancia característica. Lab. Antenas
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Longitud de onda
Es la distancia que transita la onda en un intervalo de tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos. Es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo que a mayor frecuencia menor será la longitud de onda y viceversa. Se representa con la letra griega lambda λ. Ganancia
La ganancia de una antena es la medida de concentración del poder entregado por la antena. Ancho de Banda
Es la escala de frecuencias en la cual opera la antena sin que ésta se sobrepase una magnitud determinada de relación de ondas estacionarias que surja en la línea de transmisión. Eficiencia
Es la relación entre la potencia radiada y la potencia entregada de la antena ó la relación entre la ganancia y la directividad. Medidor de antenas (Bird AT-400)
Es un dispositivo denominado Tester de antenas que se utiliza para medir los diferentes factores y características que poseen las antenas, el cual arroja a través de una pantalla LCD las magnitudes de las mismas. Tiene la capacidad de probar una banda completa en cuestión de segundos, con resultados precisos, independientemente de la longitud del cable de antena. El Bird AT-400 posee un menú impulsado, definido por software distintos botones de selección con el fin de seleccionar de manera inmediata el modo de funcionamiento, y establecer los parámetros de Lab. Antenas
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prueba. Además, tiene una fuente de RF autónomos que se precisa la frecuencia de prueba, un built-in de antena adaptable jack compañeros de una amplia gama de conectores de RF estándar. Este Tester de antena es principalmente utilizado para la aeronáutica, radio móvil, FM y TV. Opera en un rango de frecuencia desde 65-520 MHz. Descripción de los botones:
1. Display LCD: Pantalla de cristal líquido retroiluminada. 2. Conector DC externo: Conexión para el adaptador de CA o el adaptador de mechero. Externo alimentación funcionan la unidad y la carga la batería interna. 3. Teclas de Cursor:
Flecha izquierda: Permite mover el cursor a la izquierda en el modo de frecuencia de barrido.
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Flecha derecha: Permite mover el cursor a la derecha en el modo de frecuencia de barrido.
Flecha arriba: Mueve el cursor al máximo punto de la traza mostrada. Pulsar durante la entrada de datos para aumentar datos numéricos.
Flecha abajo: Mueve el cursor al mínimo punto de la traza mostrada. Pulsar durante la entrada de datos para disminuir datos numéricos.
4. Tecla de retroiluminación: Enciende la luz de fondo encendida o apagada. Luz de fondo está en un temporizador para aumentar la duración de la batería. 5. Clave: Enciende el medidor, pulse y mantenga para apagar el tester. 6. Tecla +/-: Alterna entre los números positivos y negativos. 7. Enter Key: Finaliza la entrada de datos. 8. Tecla ESC: Haga copias de seguridad a través de la estructura del menú. En el nivel superior del menú, el menú en blanco. Sale introducción de datos sin guardar los cambios. 9. Tecla de Menú: Muestra el menú del software y permite menú de teclas de selección. 10. Selección Clave: Permite parámetro actual, indicado por cursor parpadeante, para ser cambiado. Pulsar de nuevo para permitir que el siguiente parámetro a ser cambiado. 11. Teclas numéricas: Permite ingresar los valores numéricos. 12. Menú Select Keys: Se utiliza para acceder a las secciones del menú descrito directamente por encima de ellos. También se puede utilizar para desplazarse por disposición configuración de un parámetro en particular. 13. Puerto de prueba: Se conecta la antena o el cable de la antena. Lab. Antenas
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14. Puerto Serial: Conector para el cable de comunicación para permitir la transferencia de datos a un PC.
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Materiales y Equipos utilizados
Alambre fino de 25 cm Cinta métrica Piquetas Pinza punta larga Tester óhmico Medidor de antenas
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Procedimiento Experimental
Antena Monopolo vertical de ¼ de onda, evidentemente es una antena simple. La práctica consiste en agarrar los 25 cm e ir ajustando la longitud o el tamaño del alambre hasta acoplarlo a una frecuencia de operación específica. Cómo es eso que la longitud de un alambre que está relacionado con una antena y la frecuencia de operación de la misma. Bueno, si lo está, porque hay una expresión que nos indica que la longitud de onda va hacer igual a la velocidad de la luz sobre la frecuencia. Expresando en mega hertz (MHz) la velocidad de la luz y la frecuencia en la cual se desea operar nos quedaría, definido la longitud de onda en metros (m), de la siguiente manera:
Como se va a trabajar con una antena de ¼ de onda para una frecuencia de operación de 300 MHz, gracias a la expresión anterior, fácilmente se puedo determinar la longitud o tamaño específico del alambre.
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Entonces con 30 cm nos sería suficiente para hacer la prueba que se desea comprobar con esa antena. Metodología:
1. La práctica consiste en la utilización de un medidor de antena, el cual el mismo tiene un conector de entrada de 50 ohmios, allí a través de una línea de transmisión, se va a conectar la antena. 2. Se va a evaluar diferentes cortes, es decir se va a cortar la antena a distintas medidas, y se va a medir sus características. Para ver a qué frecuencia está operando la antena. Básicamente, se buscará cumplir con la expresión anteriormente descrita. Enfatizando, que la teoría reseña que una antena de Monopolo vertical de ¼ de onda específica que el tamaño de la antena está íntimamente relacionado con su longitud de onda y el acople de la misma tiene que ver con la longitud de onda de la frecuencia. Si se hace el tamaño de antena exactamente al mismo tamaño de la frecuencia, se tendrá máximo acople de un cuarto de onda. Porque si es otra frecuencia se va a salir, es decir, va hacer más de ¼ si es una frecuencia más baja, y menos de ¼ si es una frecuencia más alta. Esto debe a que son inversamente proporcional, a medida que la frecuencia es mayor la longitud de onda es menor; e inverso cuando la frecuencia es más bajas la longitud de onda tiende ser mayor. Es por ello, que las frecuencias más bajas llegan más lejos, tienen menor atenuación. 3. Evaluar un parámetro que se llama VSWR ó ROE que es la relación de Onda Estacionaria. Siempre que queremos pasar de un medio a otro, necesitamos un acople de impedancias ideal. Según, el principio de máxima transferencia de potencia especifica que si desea entregar toda la potencia de un medio a otro se necesita que la impedancia de Lab. Antenas
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los dos medios sean iguales. Si se entrega toda la potencia no se tendría reflejada porque ninguna se regresa, en este caso el ROE sería mínimo, y el menor ROE es 1, lo que indica que se entrego toda la potencia, caso ideal, debido a que nunca se logra tener las impedancias iguales. Otro aspecto, es un ROE aceptable es de 1,5, menor a este valor; porque valores mayores a 1,5 no se tendría una mayor eficiencia de la antena debido a que se tiene mucha potencia reflejada. 4. Seguidamente comprobar que los cables tenga una impedancia de 50 ohmios y la antena 50 ohmios y la impedancia del generador es de 50 ohmios también. Todo esto se debe a que cada uno de estos elementos tiene componentes tanto capacitivas como inductivas. 5. Realizar la curva de corte o la carta de corte, el cual es una grafica que refleja la relación de la longitud de la antena con respecto a la frecuencia. Lo que indica que la curva característica del comportamiento de la antena tiende ser una línea recta. Básicamente, esta gráfica demuestra el comportamiento de una antena Monopolo vertical, gracias a que a medida aumento la frecuencia más pequeños son los valores de la longitud de onda.
Diseño de la antena
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Para la elaboración de antena Monopolo vertical con ¼ de onda de fabricación cacera, se procedió a doblarle en un extremo del alambre de cobre (como especie de un rabito de cochino) para que este haga contacto en vivo con la contacto vivo de la superficie metálica. El alambre de cobre se hizo pasar por una base pequeña que tiene una gomita que tiene un orificio para ajustar dicha antena. Superficie metálica ó Base imantada que nos permitió montar nuestro diseño de antena de Monopolo vertical, el cual tiene en su extremo un conector se que va colocar en un Tester. Primeramente se midió que el vivo de la base metálica y el otro extremo del alambre de cobre tuvieran los 50 ohmios; para así saber que hacían contacto. En el primer intento no reflejo ningún valor, sin embargo, para el segundo intento se procedió a quitar un poco el esmalte del alambre de cobre y se midió continuidad extremo con extremo (punta de rabito de cochino). Finalmente, la impedancia reflejada fue: Rg= 54,8 Ω Seguidamente, con la cinta métrica se mide la longitud del alambre fino de cobre, reflejando exactamente 28,5 cm. Se realizo las mediciones correspondientes a esta longitud. Para calcular la frecuencia de operación la fórmula se resumió en 28,5*4, después 300 MHz entre el resultado anterior. Y así sucesivamente, para todos los estudios de corte del alambre de cobre. Una vez colocada la antena en su base de tierra procedimos a disminuir cada 3 cm las longitudes del alambre de cobre, para obtener la relación de onda estacionaria adecuada para nuestro sistema.
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Estudio 1:
= 28,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROE
Frecuencia de operación
263,5 MHz
200- 300 MHz 259-263 MHz
1,33 1,28
263,13 MHz 261 MHz
Se evaluó la posibilidad de conseguir un menor ROE, lo que permitió cambiar a un rango de frecuencias de 259- 263 MHz, debido a que para 261 MHz tengo un mejor ROE, mostrando un valor del mismo para este caso de 1,28 a una frecuencia de operación de 261 MHz. Evidentemente, en el estudio analítico, se observa que en la aplicación de la fórmula de /4 se acopla a una frecuencia menor a 263,13 MHz debido a que hay factores que afectan, es por ello, que el factor de corrección va indicar que teóricamente la antena no cumple con esos valores, porque la frecuencia analíticamente es 263,13 MHz sin embargo, la antena trabaja mejor a una frecuencia dos MHz por debajo de la misma. Estudio 2:
= 25,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROE
294 MHz
300- 310 MHz 283- 290 MHz
1,7 1,09
Estudio 3:
284,93 MHz
99,9%
= 22,5 cm
Frecuencia de operación analítica 333,33 MHz
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η Frecuencia de operación (eficiencia)
Rango de frecuencia
ROE
Frecuencia de operación
300- 315 MHz
1,11
306.97 MHz
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Estudio 4:
= 19,5 cm
Frecuencia de operación analítica 384,61 MHz Estudio 5:
ROE
Frecuencia de operación
340- 360 MHz
1,20
351,69 MHz
Rango de frecuencia
ROE
Frecuencia de operación
400- 450 MHz
1,11
423,48 MHz
= 16,5 cm
Frecuencia de operación analítica 454,54 MHz
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Rango de frecuencia
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Cálculos Analíticos
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Resultados
Tabla de Resultados Frecuencia de Rango de operación frecuencia analítica = 28,5 cm 200- 300 MHz 263,5 MHz 259-263 MHz
= 25,5 cm 294 MHz
ROE
300- 310 MHz 283- 290 MHz
Frecuencia η de operación (eficiencia)
1,33
263,13 MHz
-
1,28
261 MHz
-
1,7
-
-
1,09
284,93 MHz
99,9%
= 22,5 cm
333,33 MHz
300- 315 MHz
1,11
306.97 MHz
-
= 19,5 cm
384,61 MHz
340- 360 MHz
1,20
351,69 MHz
-
= 16,5 cm
454,54 MHz
400- 450 MHz
1,11
423,48 MHz
-
Cálculo de Ancho de Banda operativo:
ROE
Frecuencia inferior
Frecuencia superior
387 MHz 1,49
435,56 MHz 1,51
Ancho de banda: 435,56 – 387 = 47,68 MHz
Estas frecuencias son los extremos en las cuales la antena va a operar óptimamente, comparando con los ancho de banda para una antena de un ¼ Lab. Antenas
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de onda nos permite denotar que son 47,68 MHz el margen de frecuencias que facilita el trabajo por ese canal. Carta de Corte:
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Práctica para una antena de fabricación industrial:
Se realizó unas pruebas a la Antena de fabricación industrial, y de igual manera se observo que había dentro de la misma estructura plástica. La característica de esta antena es que ella es un Monopolo vertical de ¼ de onda, que trabaja en la banda de UHF, es decir, en la banda de 450 a 470 MHz, garantiza un ROE menor a 1,5, éstas antenas necesitan un plano de tierra. Se procedió a evaluar el comportamiento de las características de esta antena con un plano de tierra que no es correcto (madera) con respecto a un plano de tierra (como fue el marco de la ventana, superficie metálica). Para garantizar una buena eficiencia de la antena. Y si no se garantiza un buen plano de tierra cualquier factor que este a su alrededor hace variar sus propiedades como tal. En cambio, cuando lo colocamos en el plano de tierra no se afecta en gran medida, garantiza mayor estabilidad. Paso1. Medir la impedancia del generador. Se coloco en modo apagado para no afectar el equipo. Se procedió a medirlo con un dispositivo que actúa como generador (Tester óhmico) Nota: El Tester va a generar una señal, este dispositivo actúa como generador después se cambia a modo recepción, con el objetivo que parte de la señal que el generó se le regrese. Eso él lo compara y manda una relación de VSWR, es decir cuánto nivel de señal se regresa. Es por ello, que en la práctica se logro obtener una resistencia del generador, midiendo el vivo de la base imantada con el vivo del generador. Dio un valor de: Rg = 54,7 Ω
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Comportamiento de la Antena de fabricación: Rango de frecuencias
400- 450 MHz 450- 470 MHz
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ROE- VSWR No plano Plano de de tierra tierra
2,90 2,55
1,37
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Frecuencia de Operación
η (eficiencia)
427 MHz
-
460 MHz
97,3%
Análisis de Resultados:
Comparando efectivamente la frecuencia de operación analítica con respecto al valor de ROE que indicaba, en estudios como 1 y 2, nos arrojo a la idea de buscar un mejor ROE es por ello que a frecuencias de 261 MHz 284,93 MHz, respectivamente, amerita entonces de sacar el factor de corrección, valor donde nos indica que muchas veces la frecuencia analítica no es exactamente el valor que indique un excelente ROE para dicha frecuencia de operación. Para el diseño de la Carta de Corte es indudable detallar que la gráfica refleja la relación de la longitud de la antena con respecto a la frecuencia. Lo que indica que la curva característica del comportamiento de la antena tiende ser una línea recta. Básicamente, esta gráfica demuestra el comportamiento de una antena Monopolo vertical, gracias a que a medida que aumento la frecuencia más pequeños son los valores de la longitud de onda. Con respecto al análisis de los resultados de el comportamiento de la antena de fabricación industrial se observo que al colocar la antena en un plano de tierra reflejo primeramente 1,67 el valor del ROE, se tuvo que cambiar el lugar. Hasta conseguir una mejor valor, tal es el caso cuando reflejo los 1,37; valor que se considero ideal para que la antena trabajara de forma eficiente (97,3%).
Se destapó la antena de fabricación industrial,
se observo que tiene un alambre fino de cobre, lo que constituye la antena de Monopolo vertical, también tiene un capacitor el cual va a eliminar las pérdidas de acople en las superficies de reactancias, se elimina con un capacitor para esa frecuencia especifica de 450- 470 MHz.
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Conclusión Al denotar la relación de la longitud de onda con la frecuencia de operación de una antena, se especifica que si se hace el tamaño de antena exactamente al mismo tamaño de la frecuencia, se tendrá máximo acople de un cuarto de onda. Porque si es otra frecuencia se va a salir, es decir, va hacer más de ¼ si es una frecuencia más baja, y menos de ¼ si es una frecuencia más alta. Esto debe a que son inversamente proporcional, a medida que la frecuencia es mayor la longitud de onda es menor; e inverso cuando la frecuencia es más bajas la longitud de onda tiende ser mayor. Es por ello, que las frecuencias más bajas llegan más lejos, tienen menor atenuación. Según, el principio de máxima transferencia de potencia especifica que si desea entregar toda la potencia de un medio a otro se necesita que la impedancia de los dos medios sea igual. Si se entrega toda la potencia no se tendría reflejada porque ninguna se regresa, en este caso el ROE sería mínimo, y el menor ROE es 1, lo que indica que se entrego toda la potencia, caso ideal, debido a que nunca se logra tener las impedancias iguales. Otro aspecto, es un ROE aceptable es de 1,5, menor a este valor; porque valores mayores a 1,5 no se tendría una mayor eficiencia de la antena debido a que se tiene mucha potencia reflejada. Es importante denotar en cuanto al uso del medidor de antenas, que gracias a su versatilidad se pueden obtener valores tanto de la eficiencia, ROE, impedancias como pérdidas por atenuación. Para el caso de la antena ya diseñada analizada con plano de tierra (superficie de metal) y sin plano de tierra (superficie de madera), se obtuvo Lab. Antenas
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dos diferentes ROE, para la de plano de tierra fue de 1,37. Para el caso numero 2, sin plano de tierra, el ROE obtenido fue de 2,55. De ahí la importancia del plano de tierra en las antenas monopolos, ya que si el ROE no está entre los parámetros requeridos el índice de reflexión podía dañar el equipo transmisor.
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Anexos
Medidor de antenas Bird AT-400
Base imantada
Utilización del Tester Óhmico
Pinzas, cinta métrica, cable bifilar
Conexión de la antena monopolo con el medidor de antenas.
Plano de tierra para la antena de fabricación industrial
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Componentes internos de la antena de fabricación industrial
Diseño de la antena de fabricación casera colocada en la pequeña base
Primer corte de 3 cm
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Bibliografía
WAYNE, Tomasí. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas. 4ta ed. Person Educación, 2003, 948 p.
http://www.birdtechnologies.com/~/media/bird/files/pdf/discontinu edManuals/920-at400.ashx
http://translate.google.co.ve/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.w iscointl.com/bird/others/at400.htm&prev=/search%3Fq%3Dbird%2B at%2B400%26hl%3Des%26biw%3D1280%26bih%3D705&sa=X&ei=vxzUa6ZFozc8AS1w4G4Cw&sqi=2&ved=0CDsQ7gEwAQ
http://es.wikipedia.org/wiki/Antena#Eficiencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Impedancia_caracter%C3%ADstica
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