Proyecto Antena Lazo Cuadrado

Antena de Lazo Cuadrada. Arnaldo André Abad Gómez. Jorge Augusto Espinoza Vinueza. Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación. Escuela uperior !olitécnica del "itoral. Guaya#uil$ Ecuador. arnaldo%&&'()otmail.com *orge+',-%()otmail.es *orge+',-%()otmail.es

esumen.

En este mini proyecto de simulación de antenas, se pretende crear una antena de lazo de tipo cuadrado eléctricamente larga, es decir la longitud total del cable de la antena será igual a la longitud de onda para la frecuencia utilizada por la antena que es de 2.4 GHz. or sus s us caracter!sticas esta tipo de antena es muy fácil de realizar si se pretende implementarla, además de no ser tan costosa, también su resistencia de radiación no es tan ba"a como las eléctricamente peque#as. ara este mini proyecto solo se mostrará la parte de simulación utilizando el soft$are %nsoft H&'' ( Hig) &recuency 'tructural 'imulator* con el cual se procede a modificar los parámetros efecti+os de la antena y +er as! qué cambios originan ciertos efectos, también se pretende mostrar gráficas como la pérdida de retorno a tra+és de la frecuencia, as! como la carta de 'mit) para +er la impedancia acoplada a la antena antena y por ultimo ultimo obser+ obser+ar ar el patrón patrón de radiac radiación ión que tiene tiene nuestra nuestra antena antena de lazo cuadrad cuadrado o y +er su directi+idad en los di+ersos planos. Palabras Claves: Antena$ lazo cuadrado$ impedancia acoplada$ patrón de radiación.

Abstract. n t)is mini simulation pro"ect antennas is to create create a square loop antenna electrically electrically large type, t)e total cable cable lengt) of t)e antenna is equal to t)e $a+elengt) for t)e frequency used by t)e antenna is 2.4 GHz. -ue to its c)aracteristics t)is type of antenna is +ery easy to do if $e are to implement it, besides not being so epensi+e, also t)eir radiation resistance is not as lo$ as t)e electrically small. &or t)is mini pro"ect only t)e part simulation is displayed using t)e %nsoft H&'' (Hig) &requency 'tructural 'imulator* soft$are $it) $)ic) it is necessary to modify t)e actual parameters of t)e antenna and t)us see $)at c)anges cause certain effects, it also aims to s)o$ grap)s as return loss o+er t)e frequency as $ell as t)e 'mit) c)art to see t)e impedance coupled coupled to t)e antenna and finally obser+e t)e pattern of radiation )a+ing our square loop antenna antenna and see its directi+ity at +arious +arious le+els.

1. 1. Introducción 2.

-. El presente proyecto se basa en las Antenas de Espira o de "azo$ en especial la cuadrada/ para esto es necesario saber un poco de este tipo de antenas. 0. "as antenas de espira como su nombre lo indica est1n compuesta de al menos una espira como conductor$ se la considera también como un dipolo en donde los brazo se *untan )asta 2ormar una espira ya sea circular$ cuadrada o de distintas 2ormas. 3na de los aspectos de estas antenas es #ue son altamente direccionales siendo mayor la #ue se encuentra en el plano de la espira y menor en su plano perpendicular. 4. "a mayoría de las antenas de espira utilizadas en recepción$ son de apro5imadamente un décimo de la longitud de onda 6eléctricamente pe#ue7as8$ por lo tanto como se describió anteriormente nuestro proyecto se basa en una antena de espira o lazo eléctricamente larga 6longitud de la espira es igual a la longitud de onda8 así #ue nuestra antena ser1 una antena transmisora a una 2recuencia de ,.0 G9z #ue es una 2recuencia utilizada popularmente en tecnologías como :luetoot) y ;iFi. 9ay #ue tener en cuenta #ue en las antenas de espira$ la geometría de la 2orma es muy importante por#ue de ésta . ?tro aspecto #ue se toma en cuenta es #ue por su directi
9. 2. Objetivo(s) %'. %%. En este proyecto se pretende analizar el patrón de radiación de la antena en los di
los e2ectos presentados y comparar con los par1metros establecidos al comienzo. %-. B también
1. !. "eor#a 1$. %>. !.1. Antenas de Lazo Cuadrada %@. %&. 3na antena de lazo cuadrada o también llamada Dagnetic "oop est1 constituida por una o m1s espiras conductoras 2ormando un cuadrado$ con dimensiones 2ísicas #ue pueden
2!. %i&ura 1. Antena Lazo Cuadrado' *ia + #nia radiación.

,0. ,4. En los centros de los lados
,>. 2,. %i&ura 2. Patrón de radiación de la antena de lazo cuadrado.

,&. !-. !.1.1 "ios de antenas de Lazo Cuadrado. 9ay tres tipos de antenas de "azo Cuadrada • Antena !e#ue7a de :ucle$ es a#uella cuya longitud total es m1s pe#ue7o #ue una longitud de onda$ poseen una ba*a e2iciencia y es aplicada en recepción de ba*as 2recuencias$ es muy utilizada por los radioa2icionados de ba*o per2il operati
el conductor #ue la 2orma y también las de su capacitor de sintonía. -4. El cuadro es un circuito resonante serie$ puesto #ue para #ue su rendimiento sea ele. ,

/r = -,'π

0

 %   ,   λ 

-@. -&. 0'. Londe 0%. A M es el 1rea del lazo cuadrado y 0,.  M es la longitud de onda de la se7al transmitida o recibida. 0-. 00. !ara conocer las pérdidas resisti
ρl

RCA = 0=.

πd

√

2 ρ

ωμ

0>. 0@. CA M esistencia en corriente alterna. 0&. ρ M esisti 5 %'N@ ?)mNm8. 4'. µ M permeabilidad del conductor 6Cobre M 0 5 !i 5 %'N> 8. 4%. ω M !ulsación M , 5 π 5 2 62 en 9z8. 4,. l M longitud del conductor en metros. 4-. d M di1metro del conductor en metros. 40. 44. 3na
del capacitor. "a e2iciencia de la antena se calcula del modo tradicional a saber 4=. 4>.

R R∗100 Ef = R R + R p

4@. 4&. E2 M E2iciencia e5presada en porcenta*e. ='.  M esistencia de radiación calculada con la ecN%. =%. ! M esistencia de pérdidas totales$ en nuestro caso la de radiación m1s las resisti
=4.

Prad=i R R

==. =>. Londe =@. !rad es la potencia radiada por la antena en Oatts y =&.  es la resistencia de radiación calculada en la primera ecuación e i es la corriente de la antena en el punto de alimentación. >'. >%. i se #uiere saber cómo ,. En caso #ue realicemos una combinación de la radiación de cuatro dipolos$ siendo dos )orizontales y dos -.

75. 0$. %i&ura !. Antena de Lazo Cuadrado con varias esiras. 77.

>@. e tiene resultante >&.

E θ

=

entonces

un

campo

ω 6 t −r H c 8

%,'π , ,o% ⋅ e "

eléctrico

cosϕ

λ , ⋅ r

80. @%.

,2. . Clculos teóricos del diseo de la antena ,!. @0. !ara esta sección se realizan los c1lculos teóricos para la 2recuencia a la cual
@=.

2

c 3 x 10 m / s λ = = =125 mm f 2.4 x 10 9 Hz

@>. @@.

perimetro = λ=125 mm

@&.

( )

2

0.125

&'.

4

R R =320 π

4

( 0.125 )

2

K Ω

= 124

&%. &,. 1

( 0.125 )

7

5.8 x 10

RCA=

π ( 0.00032 ) &-.

74.

&0.

Ef =

√

2

(

1 7

5.8 x 10

(

9

2 π 2.4 x 10

124∗100

(

K Ω

= 1.42

124 + 124 + 1.42

)

)

) ( 1)

= 49.72

&4. &=. !ara las simulaciones se pretende cambiar los .

9,. . 3iulaciones del diseo

99. %''.e procedió a usar el so2tOare Anso2t 9F para elaborar nuestra antena tipo lazo cuadrado con las dimensiones especi2icadas en la )o*a del e5perimento$ para la espira conductora se tiene las siguientes medidas • Conducti m)o H m • "ongitud de onda  M %,4 mm • !erímetro p M %,4mm • "ado s M -%.,4mm • adio de alambre  M .-,mm %'%.Adaptación de impedancia línea de dimensión • "ongitud "% M =$@ mm 6conectado al conductor interior de la alimentación de la sonda8 • "ongitud ", M >$@ mm 6conectado al conductor e5terno o a tierra8 %',.3n conector 4'R DA es también parte de la simulación de la antena$ #ue est1 dada por • Conductor interno Altura M %%mm %'-. adio M '.=mm • Lieléctrico interior Altura M %'mm %'0. adio M ,.% mm %'4.Con estos par1metros se construyó una antena de la siguiente manera

%%=.

110. %i&ura $. Observación del aterial diel7ctrico de nuestro cable coa*ial. %%@. El dieléctrico usado en medio del cable coa5ial 2ormado con una constante dieléctrica de ,.% siendo el material usado !oly2lon Cu2lon.

%%&. %,'.Es claro notar #ue nuestra antena se encuentra encerrada dentro de un cilindro #ue nos permitir1 tener la radiación para #ue el programa 9F nos permita simular. Este cilindro es de aire y solo se lo utiliza con el 2in antes mencionado. %,%. Radiation Pattern 3 Curven!o

0 -30

"ag#r$%&eta' Setu(1) *ast+da(tive Fre,2.4/HP&i0deg

30 4.00

"ag#r$%&eta' Setu(1) *ast+da(tive Fre,2.4/HP&i90deg

3.00 -60

60 2.00 1.00

-90

90

-120

120

106.

-

%,,. 12!. %i&ura 0. Patrón de radiación de 8 (ϴ ) ara un valor constante de . %,0. e tiene #ue  es 'U y &'U con un barrido del 1ngulo ϴ de ' a -='U. -

%,4. Radiation Pattern 4 0

Curven!o

-30

"ag#r$P&i' Setu(1) *ast+da(tive Fre,2.4/H%&eta0deg

30 4.80

"ag#r$P&i' Setu(1) *ast+da(tive Fre,2.4/H%&eta90deg

3.60

%'>. %'@. %i&ura . Antena de lazo cuadrada 4orada con el so4t5are 6%33. %'&. !osición de la antena paralela al e*e S y perpendicular al plano TB$ con las dimensiones establecidas. 110.

-60

60 2.40 1.20

-90

90

-120

120

-

%,=. 120. %i&ura ,. Patrón de radiación de 8 () ara un valor constante de ϴ. %,@. !ara cuando ϴ es 'U y &'U y se tiene un barrido del 1ngulo . -

%,&. Radiation Pattern 1 0 -30

Curven!o

30 5.00

r$%ota Setu(1) *ast+da(tive Fre,2.4/HP&i0deg

4.00


-60

60 3.00 2.00

%%%. %%,. %i&ura . Observación del aterial conductor (cobre). %%-. Londe se
-90

90

-120

120

-

%-'. %-%. %i&ura 9. Patrón de radiación del cao el7ctrico total ara un valor constante de . %-,. Vista completa del campo para cuando  est1 en 'U y &'U -

%--.

Radiation Pattern 2

media onda si se corta al patrón *usto en  igual 'U es notorio los dos círculos de radiación característicos del dipolo. A parte si
0 -30

Curven!o

30

r$%ota Setu(1) *ast+da(tive Fre,2.4/H%&eta0deg

5.00 4.00 -60


60 3.00 2.00

-90

90

-120

120

1!. 0. =odi4icaciones de las caracter#sticas 4#sicas de la antena

-

%-0. %-4. %i&ura 1-. Patrón de radiación del cao el7ctrico total ara un valor constante de ϴ. %-=. Vista completa del campo para cuando ϴ est1 en 'U y &'U -

%40. %44. !ara esta parte se cambiar1 las dimensiones de la antena de tipo cuadrada para )acerla una eléctricamente pe#ue7a$ en donde el perímetro de la espira cuadrada ser1 de %H%' de la longitud de onda a la #ue estamos traba*ando. %4=.

137.

%4>.

perimetro = λ=12.5 mm

%4@. %4&.

%-@. %-&. %i&ura 11. Patrón de radiación del cao el7ctrico total en !. %0'. Vista completa del campo eléctrico.

4

R R =320 π

%0%. %0,. 7 Pot 1

-1.50

HFSSDesign1

( ) 4

( 0.0 125 )

=12 . 4 7 M Ω

2

ANSOFT

Curven!o d#S#11'' Setu(1) See(

-2.00

-2.50

%='. %=%.

-3.00

1

' ' 1 6 1 #

-3.50

S # 5 d

( 0.0125 )

7

-4.00

5.8 x 10

R CA=

-4.50

-5.00

- .

2

0.0 125

.

.

.

.

.

.

%0-. %i&ura 12. P7rdidas de retorno ara 4recuencias cercanas a 2. ;6z %00. !érdidas en decibelios para un rango de 2recuencias cercanas a la 2recuencia operacional. %04. S"it& C&art 1 110

90 80 1.00

100

120 130

Curven!o

0 60

0.50

2.00

S#11' Setu(1) See(

50

140

π ( 0.00032 ) %=,. %=-.

√

2

(

30

160 0.20

5.00 20

10

10 0.20

0.50

1.00

2.00

5.00

Ef =

0

-10

-10

-160 -0.20

6

+

7

5.8 x 10

(

12.47 x 10 12.47 x 10

1

9

2 π 2.4 x 10

40

150

0.00 180 0.00

.

= 141.77

)

) ( 1)

6

∗100

( 12.47 x 10

6

+ 141.77

)

-5.00 -20

-150

-30

-140

-40 -0.50

-

-2.00

-

-

-

%=0.

-

- .

%0=. %0>. %i&ura 1!. Carta de 3it< %0@. ?bser
-

-

-

%0&.

1-. $. Anlisis de datos de las siulaciones %4%. %4,. Como se
%=4.

Ef =50

%==.

1$0. ,. 3iulaciones de las odi4icaciones 4#sicas de la antena. %=@. Radiation Pattern 1

Curven!o

0 -30


30 0.29


0.26 -60

60 0.24 0.21

-90

90

-120

%=&.

120

-

Ω

%>'. %i&ura 1. Patrón de radiación del cao el7ctrico total ara un valor constante de  ara la antena tio lazo cuadrada el7ctricaente e>uea. %>%. Vista completa del campo para cuando  est1 en 'U y &'U %>,. %>-.

%@@.

1,9. 9. Anlisis de las siulaciones con las nuevas caracter#sticas 4#sicas de la antena

Radiation Pattern 2 Curven!o

0 0.30


0.2


-30

30

-60

60 0.25 0.22

-90

90

-120

120

-

%>0. %>4. %i&ura 1. Patrón de radiación del cao el7ctrico total ara un valor constante de ϴ ara la antena tio lazo cuadrada el7ctricaente e>uea. %>=. Vista completa del campo para cuando ϴ est1 en 'U y &'U 177. -

%>@. %>&. %i&ura 1$. Patrón de radiación del cao el7ctrico total en ! ara la antena tio lazo cuadrada el7ctricaente e>uea . %@'. Vista completa del campo eléctrico. %@%. 7 Pot 1

-0.050

HFSSDesign1

ANSOFT

Curven!o d#S#11'' Setu(1) See(

-0.055

-0.060

' ' 1 6 1 #

S # 5 d

19. 1-. e*eriento.

-0.065

-0.00

- .

19-. %&%. e )a modi2icado el e5perimento anterior$ se )a puesto a)ora una antena de lazo cuadrada pero cuya longitud total del cable de la espira es un décimo de la longitud de onda$ pero se )a mantenido la 2recuencia de operación de ,.0G9z y las dem1s características como el dieléctrico usado$ el radio del alambre de la espira$ pero se tu
.

.

.

.

.

.

%@,. %i&ura 10. P7rdidas de retorno ara 4recuencias cercanas a 2. ;6z ara la antena tio lazo cuadrada el7ctricaente e>uea. %@-. !érdidas en decibelios para un rango de 2recuencias cercanas a la 2recuencia operacional.

%@0. S"it& C&art 1 110

90 80 1.00

100

120 130

Curven!o S#11' Setu(1) See(

0 60

0.50

2.00

50

140

40

150

30

160 0.20

5.00 20

10 180

10 0.00 0.00

0.20

0.50

1.00

2.00

5.00

0

-10

-10

-160 -0.20

-5.00 -20

-150

-30

-140

-40 -0.50

-

%@4.

-2.00

-

-

- . -

-

-

-

-

%@=. %i&ura 1!. Carta de 3it< ara la antena tio lazo cuadrada el7ctricaente e>uea %@>. ?bser
.

Pre&untas

del

19$.

190. 1-.1. e4inir el ecaniso de radiación de una antena de lazo cuadrado. %&@. %&&.

Lepende de #ué tipo de antena de cuadro se tenga$ por e*emplo si es una antena de lazo cuadrada eléctricamente pe#ue7a el patrón de radiación es di2erente$ es decir no )ay radiación en el plano perpendicular al lazo mientras #ue se concentran en el plano de la espira *unto con su polarización. i es una antena de lazo cuadrada el diagrama de radiación es di2erente por#ue se aseme*a muc)o al de un dipolo de media onda y no )ay radiación o su mínima radiación se encontrara en los bordes del lazo mientras #ue el plano perpendicular al 1rea de la espira

se podr1
2-1. 1-.2. ? Por >u7 e l7ctricaente antenas de cuadro &rande son ejores >ue las de cuadro e>ueo@ 2-2. ,'-. !or#ue tiene una sensibilidad mayor por su 1rea e2ecti
2-. 1-.! ?Cóo se uede ejorar la resistencia a la radiación + la e4iciencia de radiación de la antena de cuadro e>ueo@ ,'=. Cambiado la 2recuencia de traba*o$ por#ue la resistencia de radiación est1 relacionada con la longitud de onda y ésta a su .

2-,.

11. /e4erencias.

,'&.%W ;iXipedia$ Espira+6antena8. Fec)a de la ltima actualización. Lisponible en ,%'.)ttpsHHes.OiXipedia.orgHOiXiHEspira+6antena8 ,%%.,W Dartinez 9. 6"3 &L8$ Diguel . G)ezzi$ "a Antena de Cuadro o Dagnetic "oop ?"VEGJ Comunicaciones. ,'''$ pp. , Y =. ,%,.-W ?rnetta V$ Cobe7as C.$ Arellano J.$ odriguez E.$ medina !.$ Lise7o e implementación de Antena de Cuadro para adio de ?nda Dedia 3ni. ,%-.0W Antenas. Fec)a de la ltima actualización. Lisponible en ,%0.)ttpHHOOO%.2rm.utn.edu.arHcomunicacionesHa ntenas.)tml[-.% ,%4.4W Locumentos con acceso en el ;orld ;ide ;eb 6;;;8 ,%=.Antenas de ?nda Completa. ecuperado el ,= de octubre de ,'%'$ de )ttpHHOOO.radioa2icion.comH9amZeOsHarticl esH%4,%NantenasNdeNondaNcompleta.)tml ,%>. 218.

219.

Proyecto Antena Lazo Cuadrado

Recommend Documents