ANTENA HELICE Karol Amézquita Murillo Estudiante Ing. Telecomunicaciones, Telecomunicaci ones, UdeM Medellín, Colombia
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En esta práctica los estudiantes conocen la antena hélice y aprenden a diferenciar sus tipos de polarizaciones a derechas o izquierdas, con el fin de analizar y comparar sus respectivos patrones de radiación, los cuales se obtienen a partir de distintos montajes que cumplen con determinadas especificaciones respecto a distancia y polarización de las antenas. Abstract —
Keywords: hélice, bocina, distancia, antena, derechas, izquierdas, software, plano E, plano H, diagrama, I.
INTRODUCCIÓN
Jorge Iván Sánchez Estudiante Ing. Telecomunicaciones, Telecomunicac iones, UdeM Medellín, Colombia
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Polarización: es de tipo circular. Puede ser de mano derecha o izquierda, la antena puede recibir de cualquier antena polarizada vertical u horizontalmente sin embargo no de una polarizada en el sentido contrario que ella si es circular.
Impedancia: La impedancia de la antena hélice es baja. Por lo tanto, es preciso adaptarla a los 50 Ω de los transmisores con algún tipo de adaptador de impedancia, como por ejemplo un stub. Este tipo de antena es una de las más utilizadas en la actualidad, usándose en routers, radios portátiles, al igual que en recepción satelital en la banda UHF.
En la presente práctica se desea comprender y analizar el funcionamiento de la antena helicoidal o antena hélice, cuando se establece un enlace entre ésta y una bocina piramidal, esta última con polarización horizontal y vertical. El trabajo principal consiste en estudiar el patrón de radiación mediante el software Lvdan-Ant, el cual permite comparar los obtenidos de cada uno de los montajes. También es importante reconocer la polarización circular a derecha y diferenciarla de la polarización circular a izquierda, observando de igual forma su ineficiencia en un montaje conjunto.
II.
Figura 1. Antena helicoidal
MARCO TEORICO
Antena Helicoidal o Antena Hélice Es una antena con forma de solenoide. Es una evolución del monopolo vertical, en la cual este ha sido modificado para tomar tomar la forma de un solenoide. Este tipo de principales:
antena
tiene
como
características
Las antenas helicoidales pueden operar en uno de los dos principales modos: el modo normal o el modo axial. En el modo normal, las dimensiones de la hélice son pequeñas en comparación con la longitud de onda. La antena actúa de manera similar a un corto eléctricamente monopolo o dipolo, y el patrón de radiación, similar a estas antenas es omnidireccional, con la radiación máxima en ángulo recto con el eje de la hélice.
En el modo axial, las dimensiones de la hélice son comparables a una longitud de onda. La antena funciona como una antena direccional que irradia un haz de los extremos de la hélice, a lo largo del eje de la antena. Se irradia ondas de radio polari zadas circul ar men te .
Figura 4. antena Bocina Piramidal Esta es utilizada para realizar mediciones de ganancia de otras antenas, al igual que, conociendo sus dimensiones, la directividad puede ser calculada con gran precisión. De igual manera es usada para medir niveles de interferencia electromagneticas.
Figura 2. Modos de operación de la antena helicoidal Parámetros de la antena Estos sirven para construir la antena helicoidal que se desea obtener. •
•
•
•
• • • •
D = Diámetro de la hélice = C = Circunferencia de la hélice = S = Espacio entre vueltas =
También se debe tener en cuenta que para diseñar una bocina piramidal se requiere que su garganta coincida con la guía rectangular de alimentación.
Patrón de radiación de apertura El patrón de radiación de una antena tipo bocina piramidal, la cual es de apertura esta representado por un lóbulo mayor que radia la mayor cantidad de potencia transmitida.
= Angulo de inclinación. L = Longitud de una vuelta = N = Número de vueltas. A = Longitud axial = NS d = Diámetro del conductor de la hélice.
Figura 5. Patrón de radiación bocina piramidal. Figura 3. Parámetros de una antena helicoidal Bocina Piramidal Es el tipo de antena tipo bocina más utilizado debido a que permite radiar haces tanto en el plano E como en el plano H.
Polarización Circular Se habla de polarización circular cuando el campo eléctrico, en cualquier punto dado del espacio, en vez de oscilar en una dirección del plano transversal, mantiene su módulo pero gira en dicho plano. Este tipo de polarización se presentan cuando el campo oscila a derecha, es decir en el sentido de las manecillas del reloj, o a izquierdas, en sentido contrario.
¿Cuál es la relacion entre la polarizaciones eliptica, lineal y circular? La polarización lineal se presenta cuando el campo eléctrico transversal va acompañado de un campo magnético en fase o contrafase, mientras que en la polarización circular ambas componentes presentan un desfase de 90°, teniendo amplitudes iguales. De igual forma la polarización elíptica se presenta cuando las componentes del campo eléctrico y el campo mágnetico presentan un desfase entre 0° y 180°, al igual que el valor de amplitud de ambas es distinto.
Software LVDAM-ANT: El software LVDAM-ANT cuenta con una caja de herramientas que se utiliza para controlar la rotación de la antena y la adquisición de datos, así como la visualización de las características medidas de la antena en los planos E y H. A partir de los resultados de esas mediciones, es posible obtener diferentes tipos de representaciones en 2D y 3D. El software LVDAM-ANT también incluye los algoritmos que permiten evaluar la abertura del haz y la dirección.
Figura 6.Antena hélice
Figura 7.Antena bocina Ajustes en el generador RF: Modo de oscilador 10GHz………………………1KHz Potencia de RF del oscilador 1GHz…………no emite
Figura 6. Software LVDAM-ANT III.
PROCEDIMIENTO
Equipos y antenas utilizados para la práctica N°7: Antena Hélice Antena piramidal Generador RF Orientador de antena Mástil Cable SMA
Potencia de RF del oscilador
10GHz………..no emite
MONTAJES En la práctica N°7 se realizan los siguientes montajes:
Flexometro
Atenuador de 10dB
Software LVDAM-ANT.
1-Bocina horizontal. Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza horizontalmente y la antena RX con polarización circular a izquierdas, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano E.
Montaje 1.RX polarización circular a izquierdas 2-Bocina vertical. Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza vertical y la antena RX con polarización circular a izquierdas, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano H
Montaje 3.RX polarización circular a derechas 4- Bocina vertical. Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza vertical y la antena RX con polarización circular a derechas, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano H
Montaje 2.RX polarización circular a izquierdas 3-Bocina horizontal. Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza horizontalmente y la antena RX con polarización circular a derechas, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano E.
Montaje 3.RX polarización circular a derechas 5-Polarización circular a derechas con rotación de 45°.Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza horizontalmente y la antena RX con polarización circular a derechas con rotación de 45°, se
separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano E.
DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO Cálculos preliminares
6- Polarización circular a derechas con rotación de 45°.Se instala la antena bocina como transmisora usando
a. utilice la ecuación siguiente para calcular la ganancia
el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza verticalmente y la antena RX con polarización circular a derechas con rotación de 45°, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano H.
D=8.4mm N=15 espiras S=6.1mm A=13°
7- Polarización circular a izquierdas con rotación de 45°.Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza horizontalmente y la antena RX con polarización circular a derechas con rotación de 45°, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano E.
8- Polarización circular a izquierdas con rotación de 45°.Se instala la antena bocina como transmisora usando el cable SMA más largo y la antena hélice como receptora usando el cable SMA más corto y el atenuador de 10dB en el puerto de entrada de RF. Las antena TX se polariza verticalmente y la antena RX con polarización circular a derechas con rotación de 45°, se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano H.
9-Tx y Rx polarización circular a derechas. Se instala la antena hélice en el Tx y en el Rx cada una con polarización a derechas; se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano E.
10- Se instala la antena hélice en el Tx con polarización circular a derechas y en el Rx con polarización a izquierdas; se separan a una distancia de 1m para almacenar el diagrama de radiación como plano E.
IV.
de la antena hélice:
D G 8,3
N 2 1
NS
0 ,8
tan12.5 tan
N
2
G =12,14dB b. Calcule la relación axial teórica de la antena hélice
2 N 1 1,03 2 N
RA
RAdB
20log( RA) 0,256dB
Patrones de radiación polarizaciones asociadas
obtenidos
con
las
Atenuación utilizada=7dB Antena hélice receptora en polarización circular a izquierdas y antena bocina transmisora tanto en polarización vertical (azul) como horizontal (rojo).
Ancho de haz antena hélice receptora en polarización circular a izquierdas y antena bocina transmisora tanto en polarización vertical
Antena hélice receptora en polarización circular a derechas y antena bocina transmisora tanto en polarización vertical (rojo) como horizontal (azul).
Ancho de haz antena hélice receptora en polarización circular a derechas y antena bocina transmisora tanto en polarización vertical Ancho de haz antena hélice receptora en polarización circular a izquierdas y antena bocina transmisora tanto en polarización horizontal
Ancho de haz antena hélice receptora en polarización circular a derechas y antena bocina transmisora tanto en polarización horizontal
Antena hélice receptora en polarización circular a derechas con rotación de 45° y antena bocina transmisora tanto en polarización vertical (rojo) como horizontal (azul).
Antenas hélices en polarización circular a derechas tanto la de transmisión como la de recepción incluyendo el ancho de haz
Antena hélice transmisora en polarización circular a derechas y antena hélice receptora en polarización circular a izquierdas.
Antena hélice receptora en polarización circular a izquierdas con rotación de 45° y antena bocina transmisora tanto en polarización vertical (rojo) como horizontal (azul).
V.
ANALISIS DE RESULTADOS
1-¿Depende la ganancia del número de espiras de la antena hélice?
R/ De acuerdo a la siguiente fórmula:
D G 8,3
N 2 1
NS
0 ,8
tan12.5 tan
N
2
Por tanto, es claro que la antena hélice si depende del número de espiras. A mayor número de espiras mayor ganancia de la antena.
2-¿Qué función cumple el radomo?, ¿afecta las características eléctricas de la antena? R/ Un radomo,es el recubrimiento de una antena, utilizado con el fin de protegerla, sin que ello afecte a sus propiedades electromagnéticas, siendo transparente a las ondas de radio. Por ejemplo, en radares montados al exterior, en aviones, como en equipos estáticos, mejora y protege la instalación electromecánica y reduce el efecto del viento, lluvia, granizo, nieve, es decir de los efectos ambientales.
VII. CONCLUSIONES
3-Comparaciones de los diagramas obtenidos R/ En los patrones de radiación obtenidos en la práctica se observó que tanto para polarización circular a derechas o izquierdas de la antena hélice, teniendo la antena de bocina grande como transmisora, los diagramas de radiación presentan mucha semejanza; lo que sucede también cuando se rota la antena hélice a 45°, esto se presenta debido a la polarización circular de esta. Cuando se transmite y recibe con la antena hélice polarizada a derechas se presenta un patrón de radiación muy definido el cual tiene un lóbulo principal que posee mayor concentración de potencia. Por el contrario cuando se polariza la antena transmisora a derechas y la antena receptora a izquierdas se presenta un patrón de radiación muy ineficiente, logrando comprender que para este tipo de antenas no es recomendable utilizar en un enlace diferentes tipos de polarización.
VI.
OBSERVACIONES
-Es importante identificar correctamente el tipo de polarización circular de la antena hélice para evitar errores en las mediciones. -Es primordial guardar los diagramas de radicación en el plano correcto. -Es de gran importancia leer la guía del laboratorio antes de comenzar a realizar la práctica propuesta para evitar confusiones en el desarrollo de esta. -Las antenas deben estar alineadas correctamente sobre el eje de rotación para evitar errores al momento de obtener las mediciones respecto a los patrones de radiación de cada montaje. -Se debe asegurar que todos los equipos utilizados en la práctica, estén conectados adecuadamente antes de iniciar las adquisiciones.
la polarización de la antena hélice permite establecer enlaces con otras antenas sin depender de su polarización. Los patrones de radicación obtenidos en plano E y plano H de la antena hélice son muy parecidos debido a la polarización circular de la antena. La antena hélice tiene una gran ventaja ya que al variar el número de espiras solo se modifica su ganancia sin afectar otros parámetros de la antena. La rotación en determinado ángulo de la antena hélice no afecta su patrón de radiación.
