FACULTAD DE CIENCIAS
“PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
SOBRE ANTENA YAGI EN GUIA DE ONDA”
DESARROLLO DEL APRENDIZAJE MTRA. ANEL PUENTE LOREDO ESQUERRA IBARRA HUÁSCAR WALDEMAR FECHA: 16 DE MAYO DE 2011.
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Ín di ce Prólogo..……………………………………………………………… Prólogo..………………………………………………………………
Pág. 2
Introducción………………………………………………………….. Introducción…………………………………………………………..
Pág. 3
Capítulo Capítulo I. Aplicaciones de Telecomun Tele comunicacio icaciones nes en la banda UHF…. UHF….
Pág. 6
Capítulo Capítulo II. Revisión de los Textos Textos………………………………….. …………………………………..
Pág. 10
Capítulo Capítulo III. Definiciones Definiciones y conceptos sobre antenas……………….. antenas………………..
Pág. 13
Capítulo Capítulo IV. Desarr Desarrollo ollo y Diseño……………………………………. Diseño…………………………………….
Pág. 19
Capítulo Capítulo V. Pruebas Pr uebas y Resultados Res ultados…………………………………… ……………………………………
Pág. 22
Capítulo Capítulo VI. Conclusiones…………………………………………… Conclusiones……………………………………………
Pág. 27
Bibliografía……………………………………………………………
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Prólogo El trabajo de investigación que se presenta a continuación está formado por tres etapas, el diseño, la construcción y la caracterización de antenas Yagi para la banda de UHF (300MHz - 3GHz). El primer paso fue comprender los conceptos básicos de antenas, la división del espectro electromagnético y el de radiofrecuencia, así como conocer algunas de las aplicaciones que trabajan con frecuencias de la banda de UHF. También temas muy específicos de antenas, tales como antenas, sus características y modelos y aprender a utilizar simuladores de ondas electromagnéticas. A continuación se comenzó con el diseño. Una vez que se obtuvieron las mejores características se continuó con el diseño de los demás elementos de la antena, el reflector y los directores, ya que algunos parámetros como ancho de banda y ganancia dependen de estos elementos parásitos de la antena Yagi. Después se construyó una de las configuraciones diseñadas y simuladas, pero al no obtener buenos resultados en las mediciones experimentales, se optó por realizar una antena con características especiales, que nos permitieran modificar los elementos parásitos de la antena, y con esto el dese mpeño de la antena.
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Introducción “La mayoría de las aplicaciones de la electrónica buscan la transmisión de la información y la teoría de la relatividad nos dice que no hay otra forma más rápida para transmitir esta información que por medio de ondas electromagnéticas”.i
Lo anterior es real ya que en algunos casos el tender una línea de cable o de fibra óptica es difícil, impráctico o hasta imposible. Hoy en día las comunicaciones mundiales necesitan de una transmisión y recepción de información de manera confiable y de calidad. Esto lo logran con el conocimiento acerca de la transmisión y recepción de las ondas electromagnéticas. Es por eso que las antenas son el instrumento ideal para transmitir información, ya que, además de que el receptor y el emisor no necesitan estar conectados físicamente, podemos variar su tipo, sus parámetros, y con esto su costo, su versatilidad, etc., y poder diseñar antenas de la mejor calidad y que sean adecuadas para muchas aplicaciones. Al final del proyecto se muestra como en base a algunos de los parámetros es como al final de la investigación práctica, se definirán qué relación tienen los parámetros de la antena Yagi. Con todo lo anterior es inminente la justificación que tiene la realización de este proyecto; pero si queda alguna d uda podemos ver el crecimiento de las comunicaciones inalámbricas hoy en día: A diferencia de cualquier otro servicio en el planeta, las comunicaciones inalámbricas son ya necesarias para el funcionamiento de empresas, para el desempeño de actividades diarias en las ciudades, para el abastecimiento de recursos a los países a través de medios marítimos y aéreos, y también para cosas tan pequeñas como poder comunicarnos con nuestros amigos en otros continentes. A continuación podemos describir de manera general un sistema de comunicaciones como se muestra en la Figura 1, formado por una fuente que es la que brinda la información a transmitir, un transmisor, el canal, el receptor y el destino, que es el que recibe la información transmitida. Podemos ver que existe una fuente de ruido dentro del canal.
Figura 1. Arquitectura de un sistema genérico de comunicaciones.
La parte del espectro electromagnético que se utiliza para las comunicaciones inalámbricas es el espectro de radiofrecuencia que abarca desde los 30 KHz hasta los 30 GHz, ya que las frecuencias que se encuentran dentro de este espectro tienen la característica de que si se [3]
aplica una corriente alterna a una antena, ésta es capaz de generar un campo electromagnético donde se puede transmitir información de manera inalámbrica. Así dentro del espectro de radiofrecuencia se encuentra la banda de frecuencias ultra altas (UHF – Ultra High Frequency) que corresponde a frecuencias entre los 300 MHz y los 3 GHz. En esta banda podemos encontrar aplicaciones múltiples como televisión, telefonía móvil, radar, RFID, puntos de venta y verificadores de precios, aplicaciones militares, comunicaciones punto a punto (en el capítulo 2 se especifican las frecuencias de operación de estas aplicaciones). Ahora bien, podemos definir una antena como un dispositivo formado de un material conductor que, unido a un generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o que conectado a una impedancia, sirve como receptor de onda de una fuente lejana. Funciona cuando la potencia de radio frecuencia que la antena emite genera una pequeña corriente, así esta corriente genera un campo electromagnético en el espacio libre. Este campo electromagnético induce pequeñas corrientes en el conductor que alcance. Y éstas son idénticas a la corriente original de la antena transmisora. A continuación se mencionan los tipos de antenas que existen como son: dipolar, de lazo, helicoidal, de apertura, de trompeta, de microstrip, de reflexión y arreglos de antenas. Entre los arreglos más importantes podemos encontrar la antena Yagi y la logarítmica. Entonces ahora describimos el tipo de arreglo de antena que se estudió en este proyecto de investigación, la antena Yagi, es una antena conformada por varios elementos que pueden ser: directores, activos y reflectores. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. Un esquema general de la antena Yagi se muestra a co ntinuación.
Figura 2. Esquema general de una antena Yagi.
Para realizar este arreglo primero se tiene que diseñar el elemento activo que es un dipolo que funcione a la frecuencia deseada, y una vez que se tiene el elemento activo se obtienen los demás elementos que confor marán la antena. Además de que hoy en día este tipo de arreglo tiene un gran futuro en las comunicaciones, esto debido a que hay una demanda creciente en aplicaciones de ondas milimétricas y de banda ultra-ancha. Este futuro promisorio se debe también a que los efectos de pérdidas por propagación pueden ser reducidos a través de diferentes técnicas como lo es la recepción de línea de vista de ondas a ángulos laterales para video inalámbrico, ondas milimétricas, [4]
redes de sensores ad-hoc, y links punto-multipunto de banda ancha. Esto nos habla de que esta antena puede ser utilizada como puente entre dos redes o para comunicaciones punto a punto, incluso para aplicaciones WLAN a 5.8 GHz.
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Capí tul o I . Apl i caci ones de Telecomunicacion es en la banda U HF 1.1 Transmisión de ondas electromagnéticas (Características)
Definición
Lo primero que es necesario definir en este capítulo es una onda electromagnética. Podemos decir que se considera una función matemática, f(r, t) , como la representación de una onda física, esta función debe satisfacer la ecuación de onda:
Ec. 1
Donde: ν = velocidad de propagación de la onda κ = factor de a mortiguamiento La función más simple que satisface la ecuación de onda es una sinusoidal en una dimensión espacial, llamada también “onda armónica”:
Ec. 2
Donde: A = Amplitud de la onda. Valor máximo de ésta, y en general puede ser función de las coordenadas espaciales y el tiempo. Sus unidades serás las de la onda. k = Número de onda de una dimensión, y vector de onda en las tres espaciales. Apunta en la dirección de propagación de la onda. Su magnitud está relacionada con la longitud de onda:
Sus unidades serán m-1.
Ec. 3
v = velocidad de propagación de la onda, relacionada a la frecuencia de la onda (f) y a la longitud de onda (λ):
Ec. 4 Las unidades de la velocidad de propagación son m/s. ω = frecuencia angular, en unidades de s-1, relacionada a la frecuencia de onda:
Ec. 5 T = periodo de la onda; tiempo que tarda en completar un ciclo completo, y medido en segundos. Está relacionado con otros parámetros por: [6]
Ec. 6
φ = Ángulo de fase. Indica qué tanto está atrasada una onda, en relación al tiempo o a la posición, con respecto a otra. Es una cantidad adimensional. Basados en el análisis de Fourier, podemos afirmar que cualquier onda se puede representar por una suma de funciones sinusoidales (senos y cosenos), por lo que podemos obtener toda la información necesaria usando esta simple función, Ec. 2. En general, podemos hacer combinaciones lineales de onda viajando a la derecha y a la izquierda; signo negativo en el término (y – vt) indica que la onda se propaga a la derecha, y debe cambiar a positivo para una que se propaga hacia la izquierda. Una onda armónica, propagándose a lo largo del eje y, también se puede escribir entonces:
Ec. 7
Clasificación de Ondas
Las ondas reales pueden clasificarse de varias maneras, sin embargo, para propósitos del tema del proyecto es suficiente clasificarlas en dos grupos generales: longitudinales y transversales. Las ondas longitudinales son aquellas en las que la perturbación es en la misma dirección que la de propagación. Las ondas transversales son en las que la perturbación es en dirección perpendicular a la dirección de propagación. En realidad las ondas electromagnéticas son esféricas, la perturbación se extiende en dirección radial desde el punto en donde se origina, en todas direcciones, pero matemática mente es más fácil tratarlas como ondas planas.
Figura 1.1. Onda plana y onda esférica. [10]
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1.2 Definiciones y conceptos sobre las diferentes aplicaciones en UHF
El espectro electromagnético es aquel conjunto de ondas electromagnéticas que existen con diferentes frecuencias y diferentes longitudes de onda. A continuación se muestra la tabla del espectro electromagnético. f (Hz)
Radiación
λ (m)
1022 1018 1016 1015 1014 1013 1011 1010 109 108 107 106 105 104 101
Rayos Gamma Rayos X Ultravioleta Lejano Ultravioleta Cercano Visible Infrarrojo Ondas Milimétricas Comunicación Satelital Telefonía Celular, Radar Microondas FM, TV AM, TV, Banda Civil RF Policía, Servicios Onda Larga Energía Eléctrica
3 × 10 -14 3 × 10 -10 3 × 10 -8 3 × 10 -7 3 × 10 -6 3 × 10 -5 3 × 10 -3 3 × 10 -2 3 × 10 -1 3 × 10 0 3 × 10 1 3 × 10 2 3 × 10 3 3 × 10 4 3 × 10 7
Figura 1.2 Tabla del Espectro Electromagnético.
Dentro del espectro electromagnético se encuentra el espectro de RF (Radio Frecuencia) que como ya se había mencionado en el capítulo anterior, son las frecuencias en las cuales al aplicarle una corriente alterna a una antena, ésta produce un campo electromagnético en el cual se pueden transmitir datos. Está conformado por las ondas de radio, es decir las que se utilizan para las telecomunicaciones. Frecuencia (f) 30 KHz a 300 KHz 300 KHz a 3 MHz 3 MHz a 30 MHz 30 MHz a 300 MHz 300 MHz a 3 GHz 3 GHz a 30 GHz
Banda LF - Low Frequency (frecuencias bajas) MF - Medium Frequency (frecuencias medias) HF - High Frequency (frecuencias altas) VHF -Very High Frequency (frecuencias muy altas) UHF -Ultra High Frequency (frecuencias ultra altas) SHF -Super High Frequency (frecuencias súper altas)
Longitud de onda (λ) 10 Km a 1 Km 1 Km a 100 m 100 m a 10 m 10 m a 1 m 1m a 10cm 10 cm a 1 cm
Figura 111.3 Tabla del Espectro Radioeléctrico.
Al gunas Apli caciones en U H F
Telefonía móvil: Europa: 500 MHz (Radiocom 2000 en Francia y NMT en Escandinavia) o GSM : 900 MHz o DCS: 1800 MHz o [8]
GSM en América: 1.9 GHz (PCS1900) Televisión: 512 MHz – 806 MHz (Canales 14 – 69). [12] Radio: Radioaficionados en EU y Europa: 430 MHz, 440 MHz y 1200 MHz. [13] Radar Puntos de venta y verificadores de precios Microondas: o
EUA
UE, OTAN
Banda L: 800 MHz – 1.5 GHz: Long wave (onda corta) Banda S: 2 GHz – 4 GHz: Short wave (onda larga)
Banda B: 250 MHz – 500 MHz Banda C: 500 MHz – 1 GHz Banda D: 1 GHz – 2 GHz Banda E: 2 GHz – 3 GHz
Antenas para Aplicaciones de Tránsito y Ferroviarias RFID’s en tarjetas de crédito y matrículas de coches Aplicaciones militares Comunicaciones de punto a punto
1.3 Evolución de servicios de UHF
Una de las aplicaciones en donde las antenas han tenido mayor demanda ha sido la telefonía celular. En los últimos años la telefonía celular ha tenido un desarrollo impresionante, esto debido a que a diario forma importante de la vida de las personas.
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Capítul o I I . Revisión de los Textos
ii
2.1 Parasitic Elements: Uda – Yagi Antennas (Simon R. Saunders)
Otro enfoque conjunto basado en la mejora de la directividad de antenas dipolo es utilizar elementos parásitos. Los elementos parásitos se montan cerca del dipolo impulsado y no están conectados directamente a la fuente. En cambio, el campo de radiación del elemento activo induce corrientes en los parásitos, haciendo que se irradian a su vez. Si la longitud y posición de los elementos parásitos son elegidos apropiadamente, entonces la radiación de los parásitos y el elemento activo añadir constructivamente en una sola dirección, produciendo un aumento de la directividad. La forma clásica de la antena es la Uda-Yagi, o simplemente la antena Yagi, ilustrado en la Figura 3.5 y ampliamente utilizada como una antena de recepción de televisión. Normalmente, el elemento activo que se haga un poco más cortas queλ /2, para permitir un buen partido de 50Ω. Los elementos de la dirección de radiación, llamado directores, se hacen un poco más cortos que el elemento conductor, y un elemento muy cerca de λ /2 se coloca detrás y se llama reflector. Aumentar el número de directores aumenta la ganancia, a pesar de la mejora disminuye en cuanto el director se maleja del elemento activo. Un arreglo Yagi de 4 directores puede tener una ganancia de hasta alrededor de 12 dBi. 2.2 Microwave waveguides and antennasiii (Joseph J. Carr)
Las pérdidas en líneas coaxiales de transmisión a grandes distancias son motivo de preocupación, incluso por bajas que sean como en la región de los 400 MHz. Además, debido a que las pérdidas aumentan, disminuye la capacidad de manejo de energía a altas frecuencias. Por lo tanto, a frecuencias de microondas más altas, o en largos recorridos de líneas coaxiales, o cuando los niveles de alta potencia sobrecalienten el cable coaxial, las pérdidas por atenuación son inaceptables, por lo que las guías de onda se utilizan en lugar de líneas de transmisión. Pero, ¿qué es una guía de onda? Considerando una analogía de un tubo de luz, representado en la figura. 2.1. Una linterna nos sirve de "fuente de RF", que no es del todo razonable. En la figura. 2.1A la fuente irradia hacia el espacio libre y se extiende en función de la distancia. La intensidad por unidad de superficie, en el destino (una pared), está en función de la distancia ( D) de acuerdo a la ley del inverso del cuadrado (1/D2). Pero ahora consideremos la figura 2.1B La onda de la luz se propaga hasta la distancia D, pero ahora se limita al interior de un tubo de espejo. Casi toda la energía se entrega al final de la salida, donde la intensidad prácticamente no ha disminuido. Aunque no es perfecta, la analogía del tubo de luz resume claramente, en un nivel simple, la operación de guías de onda de microondas.
[10]
D
A
Haz difuso grande "Tubo de luz"
B
Haz difuso pequeño Figura 2.1 Analogía de una guía de onda con un tubo de luz.
2.3 Yagi Uda Array of Linear Elements
iv
(Constantine A. Balanis)
Otro radiador muy práctico en las gamas HF, VHF y UHF es la antena Yagi Uda. Esta antena consiste en una serie de elementos dipolo lineal, como se muestra en la Figura 2.2, uno de los cuales se activa directamente por una línea de transmisión de alimentación, mientras que el otro acto como radiadores parásitos cuyas corrientes son inducidas por acoplamiento mutuo. El elemento más común para alimentar a una antena Yagi Uda es un dipolo doblado. Este radiador está diseñado exclusivamente para funcionar como un arreglo de radiación longitudinal, y esto se logra teniendo los elementos parásitos delante del haz como directores mientras que los elementos posteriores actúan como reflectores. El arreglo Yagi Uda es ampliamente utilizado como antena de televisión casera, así que debe ser familiar para la mayoría de los lectores, no así para el público en general.
Figura 2.2 Configuración de antena Yagi Uda.
2.4 Yagi Uda Antennas (Warren L. Stutzman)
Las antenas Yagi Uda (o simplemente Yagi), son muy populares por su simplicidad y relativamente alta ganancia. La primera investigación realizada sobre antenas Yagi Uda fue desarrollada por Shintaro Uda en la Universidad de Tohoku en Sendai, Japón, en 1926; y fue publicada en japonés entre 1926 y 1927. El trabajo de Uda fue revisado en un artículo escrito en inglés en 1928 por el profesor de Uda: H. Yagi. [11]
La unidad básica de una Yagi constará de tres elementos. Para comprender los principios de operación para de tres elementos Yagi vamos a comenzar con un elemento activo (o "conductor") y añadir los parásitos a la matriz. Consideremos un elemento activo que es un dipolo resonante de media longitud de onda. Si un elemento parásito es espaciado muy cerca de él, se excita por el elemento activo con una amplitud más o menos igual. Un considerable trabajo teórico y experimental se ha realizado para ampliar el arreglo Yagi más allá de la unidad base de tres elementos. Se ha encontrado que más de un reflector provee de una pequeña mejora. Por otra parte, al agregar más conductores incrementa la ganancia. Por lo general, un arreglo Yagi incluye varios conductores, como se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3 Configuración de antena Yagi Uda.
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Capí tul o I I I . Definiciones y conceptos sobre antenas 3.1 Definición de antena Defi ni ción de antena
Como primera definición tenemos que una antena es un dispositivo que convierte las ondas dirigidas presentes en una guía de onda, microstrip o línea de transmisión, en ondas radiadas, viajando por el espacio libre o viceversa. 3.2 Parámetros de diseño y caracterización de antenas
A continuación se enlistan los parámetros de diseño más importantes de una antena y se define cada uno de ellos.
Patrón de radiación Potencia radiada Intensidad de radiación Anchos de haz Resistencia de radiación Directividad Eficiencia Ganancia
Patrón de r adiación
Es la representación tridimensional del valor promedio del vector de Poynting asociado a una antena. Se divide en “lóbulos”, regiones cerradas donde la radiación es continua. Los lóbulos están separados por puntos donde no hay radiación llamados “nulos” del patrón de radiación. El lóbulo con la mayor parte de la radiación es el lóbulo principal y puede haber más de uno con igual magnitud. Si hay más lóbulos se llaman secundarios y dependiendo la posición donde se presenten, se llaman laterales o posteriores. Para ciertas aplicaciones es requerido reducir la magnitud de los lóbulos secundarios, esto se logra con un diseño adecuado.
Figura 3.1 Patrón de radiación para una antena. [13]
Potencia r adiada
Es la integral del vector de Poynting en una superficie cerrada que envuelve totalmente la fuente de radiación (antena).
Ec. 8
La potencia radiada es una cantidad compleja, la parte real es la potencia radiativa (P rad ) y la parte real es la potencia reactiva (P x ). La potencia radiativa se transfiere a un medio y la reactiva no. Ésta última no se puede aprovechar para transmitir energía. En el campo cercano la mayor parte de la potencia es reactiva y no hay transferencia al medio, en el campo lejano la potencia es fundamentalmente radiativa y se puede transmitir al medio. La región entre estos dos campos es la del campo intermedio, donde las magnitudes de las dos componentes de potencia son similares. I ntensidad de r adiaci ón
Es la potencia radiada, parte real de la potencia, por una antena en dirección dada por unidad de ángulo sólido. Sus unidades son W/steradian, y está definida de la siguiente manera:
Ec. 9
Donde: U = Intensidad de radiación r = Radio de la superficie de la que se calcula la intensidad de radiación S = Densidad de potencia Anchos de haz
Hay algunos parámetros que ayudan a comparar los patrones de radiación y están definidos como sigue: Ancho de haz entre los primeros nulos (FNBW): Es el tamaño angular del lóbulo principal,
como se muestra en la Figura 3.3. Ancho de haz de media potencia (HPBW): medida angular en la cual se radía el 50% de la
potencia, de igual manera se muestra en la Figura 3.3.v
Figura 3.3. Anchos de haz [14]
Resistencia de r adiaci ón
El circuito equivalente de un transmisor y su antena asociada es mostrado en la Figura 3.4. La parte resistiva de la impedancia de la antena es en dos partes, una resistencia de radiación R R y una resistencia perdida R 1. La potencia disipada en la resistencia de radiación. Para tener una máxima transferencia de potencia se debe de acoplar la impedancia de entrada con la de la línea de transmisión. Es una componente ficticia como se muestra en el circuito a continuación:
Figura 3.4. Resistencia de radiación
Directividad
La definición literal de la directividad es: “razón de la intensidad de radiación en una dirección dada a la intensidad de radiación promediada en todas direcciones.” La directividad D de una antena, es una función de la dirección, definida por:
Ec. 10
Eficiencia
Medida de las pérdidas de potencia en una antena por: Disipación en conductores y dieléctrico Reflexión por mal acoplamiento Polarización inadecuada Área eléctrica menor a la física 0≤e≤1
Ganancia
La ganancia de una antena es el producto de la directividad por la eficiencia: Ec. 11 3.3 Arreglos de antenas (Ventajas y Características) Cuando se desea mejorar alguna o varias de las características de una antena se pueden modificar sus dimensiones físicas, el material del que está hecha o en general el diseño que se utilizó para fabricarla. Pero en algunas ocasiones se obtienen mejores resultados, en las mejoras o cambios que se quieren realizar, si se utiliza un arreglo de antenas. Esto ya que cada uno de los elementos del arreglo contribuye a mejorar las características de la antena. [15]
Antenas Yagi
Un mejoramiento basado en un arreglo para mejorar la directividad de la antena de dipolo es usar elementos parásitos. Los elementos parásitos son montados cerca al dipolo conductor y no están conectados directamente a la fuente. Al mismo tiempo, el campo de radiación de un elemento conductor produce corrientes en ellos, causando que estos radien por turno. La forma clásica de esa antena es la Uda-Yagi, o simplemente antena Yagi. Como se muestra en la Figura 3.5. Típicamente el elemento conductor (activo) está hecho un poco más corto que λ/2, para permitir una buena coincidencia a los 50Ω. Los elementos en la dirección de la radiación, llamados directores, son hechos un poco más pequeños que el elemento conductor, y un elemento muy cercano a λ/2 está situado a un lado y es llamado reflector. Incrementando el número de directores incrementa la ganancia, aunque el mejoramiento disminuye de acuerdo a que tan lejos el reflector está del elemento conductor. Una Yagi de 4 directores puede tener una ganancia algo arriba de alrededor 12dbi. El análisis convencional el cual considera la antena Yagi estrictamente como una antena resonante es adecuado para el diseño práctico de antenas Yagi cortas que consten de tres o cuatro elementos directores. En el caso de antenas Yagi largas, donde el número de elementos tal vez sea grande, el diseño de la antena de acuerdo a este método se torna complicado, sino es que imposible. Como sea, la antena Yagi larga y uniforme tiene que ser diseñada de una manera simple, considerándola como una antena de propagación de ondas. Se puede mostrar que cuando la antena es diseñada para tener la máxima ganancia, el nivel del lóbulo lateral en su patrón de radiación baja 9.32dB, sin tener que ver la longitud de la antena. Esta razón de cambio deberá ser mejorada arriba de un límite teórico de 13.2dB, pero con un considerable sacrificio en la ganancia de la antena.
Figura 3.5. La antena Uda-Yagi
Antenas Logar ítmicas
Esta configuración de antena es muy cercana al concepto de antenas de frecuencia independiente, que son antenas cuya geometría es únicamente definida por ángulos. Ya que la forma completa de una antena logarítmica no puede ser especificada solamente por ángulos, no es totalmente una antena de frecuencia independiente. Esta estructura fue introducida por DuHamel e Isbell. En la Figura 3.6 se muestra la estructura de una antena logarítmica, así como el patrón de radiación sugerido para la estructura. [16]
Figura 3.6. Estructura de la antena logarítmica y su patrón de radiación.
Consiste de tiras de metal, en el caso de las antenas logarítmicas microstrip, cuyas orillas están especificadas por el ángulo α/2. Sin embargo, para poder especificar la distancia del origen a cualquier parte de la estructura, una distancia de la característica debe ser incluida. 3.4 Antenas de Microstrip Así como se ve en la Figura 3.7 este tipo de antenas están basadas en la tecnología de circuito impreso para crear estructuras radiantes planas sobre un dieléctrico, un plano de substratos de tierra. El atractivo de dichas estructuras está en permitir antenas compactas con costo de manufacturación bajo y alta confiabilidad.
En el parche rectangular, la longitud L es típicamente arriba de la mitad de la longitud de onda del espacio libre. La onda incidente suministrada en la línea de alimentación crea una resonancia fuerte dentro del parche, llevando a una distribución específica de los campos en la región del dieléctrico inmediatamente debajo del parche, en el cual los campos eléctricos son aproximadamente perpendiculares a la superficie del parche y los campos magnéticos paralelos a ella. Los campos alrededor de las orillas del parche crean la radiación, con contribuciones de las orillas, agregando como si constituyeran un arreglo de cuatro elementos. El patrón de radiación resultante puede ser variado sobre un rango amplio alterando la longitud L y el ancho W , pero un patrón típico es mostrado en la siguiente figura. Además de que se muestra también una antena microstrip de parche.
Figura 3.7. Antena microstrip de parche.
[17]
Figura 3.8. Patrón típico de radiación de la antena de parche.
Antena Yagi M icrostr ip
La antena Yagi microstrip ha sido utilizada en muchas aplicaciones en los últimos 15 años. John Huang introdujo el primer diseño de estándar en 1989 para aplicaciones satelitales móviles (MSAT), que requirieron una antena de bajo costo, de perfil bajo, que cubriera una amplitud de rayo de 40º entre 20º a 60º en el plano de elevación. Las principales ventajas de un arreglo Yagi impreso son la facilidad de integrarlo con otra circuitería de RF y la habilidad de producir radiación “quasi-endfire”. La antena impresa microstrip Yagi convencional consiste de cuatro elementos parche: un parche reflector, un elemento conductor, y dos parches directores. Los elementos son puestos en una línea uno seguido del otro en el siguiente orden: reflector – conductor (activo) – director 1 – director 2. La distancia entre los elementos tiene que ser cercana suficiente para acoplar los campos electromagnéticos del elemento conductor a los elementos restantes. El espacio centro a centro entre los elementos es una función de la longitud de onda del espacio libre, λ0, no la longitud de onda guiada, λg. Esto está asociado con la radiación en el espacio libre de la antena. Mucho progreso en el diseño de microstrip Yagi se ha hecho en los años después de que el estándar de microstrip Yagi fue propuesto, incluyendo el manejo mecánico de la transmisión, el manejo eléctrico de la transmisión, el estudio paramétrico de los arreglos Yagi, etc. A pesar de estos avances, muchos de los diseños presentados han sido prácticos para aplicaciones debajo de los 15GHz. Guí a de On das
Las antenas se utilizan en las comunicaciones y los sistemas de radar en frecuencias desde la más baja hasta la más alta. Tanto en la teoría como en la práctica, las antenas se usan para llegar de las frecuencias de luz infrarroja hasta la luz visible. Las microondas son una región de transición entre las ordinarias "ondas de radio" y las "ondas ópticas", así que (como era de esperar) la tecnología de microondas hace uso de técnicas de ambas ondas. Por ejemplo, los dipolos y reflectores parabólicos se utilizan en sistemas de microondas. El propósito de una antena es la de actuar como un transductor entre las líneas de transmisión o guías de onda y una onda de propagación electromagnética en el espacio libre. Una función principal de la antena es la de actuar como un emparejadora de impedancia entre la guía de onda, o la línea de transmisión, la impedancia y la impedancia de espacio libre. [18]
Capí tul o I V. Desarrollo y Diseño
4.1 Elección del tipo de antenas En el capítulo anterior se mencionaron las características de las antenas, con el fin de conocer las ventajas y desventajas de cada una de ellas, ya que en el momento de realizar pruebas y obtener resultados, se puede saber en qué se falló o que se puede modificar para obtener mejores resultados. En el caso de las ventajas de la antena elegida (antena de guía de onda), podemos decir que es fácil de armar, que surgió de mejorar y aumentar la intensidad de la señal de una red WiFi, además, la posibilidad de alcanzar distancias mucho mayores de cobertura. El material que se utilizará para la construcción de nuestra antena es el siguiente: Cantidad
1 2 5 4 1 1 1 1.5m 1 1 1
Componente
Barra roscada de 140 mm de largo y 3mm de grosor Tuercas de fijación de 3 mm Arandelas de 30 mm de diámetro y 3mm de diámetro central Tubos metálicos huecos de 30mm de longitud y como mínimo 3mm de diámetro interior Conector Hembra-Hembra SMA Conector SMA Macho Conector SMA Macho Inverso (RP-SMA) Cable Coaxial RG78 Lata de papas Pringles (El sabor es indiferente, ya que no influye en la señal) Disco de plástico desechable de 75 mm (vale la tapa de otra lata de papas) Trozo de alambre de cobre de aprox. 5 cm.
4.2 Diseño de la antena (Cálculos matemáticos) Es importante mencionar que para poder llevar a cabo el desarrollo y el diseño de las antenas, se tuvo que tomar en cuenta la caracterización del material principal con el que se construyeron las antenas, ya que para los cálculos de diseño es necesario tomar en cuenta algunas características del material. Las medidas de la lata no son aleatorias sino que siguen una fórmula matemática. La longitud de la lata (3/4 de la longitud de onda, Lg) y la posición del conector (1/4 de la longitud de onda desde la base) depende de la frecuencia a la que se trabaje y del diámetro interior de la lata. Aunque estas distancias no tienen por qué ser exactas, es aconsejable que sean lo más aproximadas posibles a las indicadas. Si se requiere hacer otros cálculos, se puede usar la formula siguiente: vi
[19]
El conector tipo N Hembra (Fig. 2.1) de chasis debe situase en el lateral a una distancia de Lg del fondo de la lata (se le llama fondo al lado tapado). Al conector se le debe prolongar la espiga central con un trozo de cable de cobre de forma que la medida total sea aproximadamente de 31 mm (1.21 pulgadas). Esta distancia está en base a la longitud de onda de la señal, dependiendo del canal en el que se esté transmitiendo. No se cuenta desde el lateral sino solo se debe contar el trozo de cobre más la parte saliente del conector N Hembra donde se suelda el cable (espiga central).
Figura 4.1. Conector Tipo N Hembra
• Diseño de la antena Yagi Una vez que se obtuvo el diseño completo del elemento activo de la antena Yagi, se diseñaron los demás elementos que conformarán la antena. Lo primero es saber la distancia a la que estarán separados los elementos parásitos y conductores de nuestra antena. La respuesta está en la longitud de onda de la señal, por ejemplo del canal 1, que tiene una frecuencia de 2.412 GHz.vii
ID Canal
US/Canadá
España/Europa
Japón
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462
2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472
2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472 2482
Tabla de Frecuencia de Canales WiFi
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Veamos cual es la longitud de onda para la señal correspondiente al canal 1(para nuestro caso utilizaremos las mismas frecuencias de EU y Canadá):
Por lo tanto, un cuatro de la longitud de onda será: w/4= 3.1 cm = 31 mm Calculemos ahora cuál sería la longitud del cuarto de onda para una señal del canal más alto, el canal 11 a 2462 GHz:
Entonces la longitud del cuarto de onda será de nuevo: w/4= 3.02 cm = 30.2 mm Como se puede observar la diferencia en la longitud del cuarto de onda de un canal a otro es de 0.3 milímetros, precisión que no lograremos con nuestra herramienta, puesto que la hoja de nuestra sierra será de cómo mínimo 1 mm de grosor. Es por eso que estimamos suficiente que la longitud del cuarto de onda para cualquiera de los 13 canales es de 30 mm.
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Capí tul o V. Pruebas y Resultados 5.1 Construcción e Implementación de la antena Como introducción a este capítulo se describen cada uno de los pasos seguidos en la construcción de la antena. El inicio de este capítulo es la construcción de la antena diseñada en el capítulo anterior, así que a continuación se describen cada uno de los pasos que se siguieron en la elaboración de la antena Yagi. Pr oceso de F abricación:
1. Lo primero fue saber las diversas versiones que existen sobre la antena que vamos a realizar para poder escoger el más apropiado a nuestros intereses. 2. Una vez elegido el diseño más adecuado, fue necesario conseguir el material necesario, ya que los conectores requeridos podrían ser lo más difíciles de conseguir. 3. Cortamos 140 mm de la barra roscada, puesto que las arandelas que vamos a usar tienen un grosor de 1.6 mm, las tuercas 2 mm y la tapa 0.5 mm, tendremos lo justo para montarlo según la figura 5.1 y sujetarlo mediante las tuercas:
Figura 5.1 Diagrama de conexión
4. Para montar el colector delantero según el esquema anterior, hacemos un agujero en el centro de la tapa de la lata y pasamos la barra roscada y ponemos una tuerca en el extremo exterior. 5. Apretamos las tuercas de los extremos para fijar todo el conjunto, una en un sentido y la otra en el contrario. El resultado final es el siguiente:
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Figura 5.2 Fotografía de la antena Yagi ya construida
La tapa de plástico colocada en medio tiene como función mantener el colector en el centro una vez dentro de la lata, para ello utilizamos otra tapa 6. Para la lata, medimos 80 mm desde el fondo de la lata, y usando un punzón realizamos un primer orificio, luego con ayuda del cúter ajustamos el agujero para que encaje perfectamente el conector Hembra. 7. Para hacer la espiga central generalmente usamos un trozo de cobre lo más recto posible soldada al conector. A continuación introducimos el conector en la lata y cuidamos que quede justo debajo de la mitad de la lata. (Figuras 5.2 y 5.3)
Figura 5.2 Conector con el trozo de cobre soldado.
Figura 5.3 Fotografía de la parte interior de la lata.
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8. Para la construcción del pigtail usamos cable coaxial fino, concretamente el RG-58, el cual como sabemos tiene una característica de pérdida de este tipo de cable es de 81 dB cada 100 metros. Los conectores que hemos utilizado en los extremos son SMA Macho Invertido y Tipo N Macho. 9. Lo siguiente es pelar el cable para introducirlo en los conectores, soldarle las puntas y crimparlo, esto es, sujetar los conectores fuertemente al cable. 10. Por último, introducimos el colector dentro de la lata, asegurándonos que el colector no toque la espiga interior, pero que queden cerca. Conectamos un extremo del cable a la antena armada y el otro a la tarjeta inalámbrica. Como se puede observar en las Figuras 5.4 y 5.5 está la antena Yagi terminada y vista por la parte superior e inferior. En la Figura 5.5 se muestra cómo fue que se colocó el conector coaxial en la antena, el cual nos enviará la señal a nuestra PC.
Fig. 5.4 Antena armada y guía de onda
Fig. 5.5 Antena finalizada
5.2 Pruebas y Mediciones En este tema hablaremos del funcionamiento del programa analizador de red utilizado para realizar las mediciones a la antena y también se mostrarán las gráficas obtenidas de este programa, estas gráficas indican la medición de la magnitud de la antena. Los resultados de las pruebas realizadas a continuación mostrados y descritos corresponden a la antena construida, que se muestra en la Figura 5.5.
Figura 5.6. Programa para analizar redes
Se coloca el cable en la tarjeta de red, este cable tiene una terminación con entrada SMA, esto quiere decir que es compatible con el conector coaxial que se le colocó a la antena.
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Figura 5.7 Conector de la tarjeta de red para la antena
A continuación se muestran las gráficas obtenidas en el analizador de red de la antena Yagi que ya se tenía construida. Como se puede observar en la Figura 5.8, al trabajar con la antena original de la tarjeta, trabajamos alrededor de los -30dB. Al cambiar a la antena construida, la señal tuvo su pico más bajo en aproximadamente -78 dB hasta regresar casi a los -35dB.
Señal original
Figura 5.8 Gráfica de la señal con la antena comercial
En la figura 5.9 seguimos trabajando con la antena casera, pero podemos observar como las redes que nos captaba la antena comercial, no las detecta nuestra antena, o como se observa, la amplitud está en los -70dB para la segunda señal (INFINITUM9495).
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Figura 5.9 Gráfica de la magnitud de la señal con la antena Yagi
Señal original con antena comercial
Figura 5.10 Gráfica de la magnitud de la señal con la antena comercial nuevamente
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Capí tul o VI . Conclusiones Durante el desarrollo de este proyecto de investigación se pudo concluir acerca de temas generales como lo es que la construcción, las características, y de los elementos que conforman antena Yagi, así como la forma en que actúan las guías de onda. Como primer paso se investigaron todas las fuentes posibles y los diversos diseños existentes para después realizar un diseño de antena propio que trabajara a una frecuencia de 2.4GHz y se simuló para poder saber si realmente cumplía con las características deseadas, como un buen acoplamiento con una impedancia de entrada de 50 Ω, y que su frecuencia de resonancia fuera si no exacta, cercana a 2.4 GHz. Al principio se diseñó el elemento activo con fórmulas pero ya que no se lograba la resonancia en la frecuencia deseada se modificó el diseño y se trabajo con un tamaño de λ/2. Cuando se armó la primera antena con todos los elementos ya diseñados, no se obtuvieron los resultados deseados en cuanto a ancho de banda. Se obtuvo una amplitud (como se mostró en la imagen) muy por debajo de lo esperado. Esto ya que como la antena Yagi es una antena de banda ancha, se esperaba un buen ancho de banda, así que se concluyó que lo que debía modificarse era el diseño de la antena, pero ahora se utilizaron como elementos de separación los trozos de tubo a la distancia calculada (31mm). También se aprendió a utilizar el analizador de red para obtener las gráficas de magnitud de la antena y conocer su frecuencia real de resonancia y su ancho de banda. Así mismo debemos hacer notar que todas las mediciones del ancho de banda con la antena comercial fueron a -30 dB. Para tratar de mejorar la señal recibida, se forró la antena en su interior con papel aluminio, con lo que la amplitud de la señal aumentó casi a lo dado por la antena comercial, pero la diferencia con esta estuvo en que las redes vecinas no se detectaron con la misma potencia, inclusive algunas de ellas no aparecieron en el analizador de redes. Por otra parte, la señal de la red principal se atenuó un poco, pero al mover la antena en diferentes posiciones, pudimos obtener una amplitud en dicha red de casi -35dB. Se concluye también que de acuerdo a las pruebas que se realizaron con la antena de fabricada se observó cómo el ancho de banda de una antena Yagi está definido por sus elementos reflectores y sus elementos directores, y también por la distancia entre el reflector y el activo; entre el activo y el director; y entre los directores, y que una variación mínima de las distancia entre ellos aumentaba o disminuía considerablemente el ancho de banda de la antena. En las pruebas prácticas se obtuvo una amplitud de -35dB, solo 5dB por debajo de la antena comercial pero esta medición se obtuvo hasta que se forró el interior de la lata con papel aluminio, cuya función es mejorar las ondas dentro de la lata que actúa como guía de onda. Ya al tener la antena armada, pudimos comprobar si en realidad lo mostrado en textos y páginas de internet era realidad, utilizando un Software para medir la intensidad de las señales de las redes llamado InSSIDer. [27]
Bi bli ografí a
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“Diseño, Construcción y Caracterización de antenas para UHF” Sánchez Ibarra, Diana Universidad de las Américas Puebla. 2007 ii
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Practical Antenna Handbook Fourth Edition, Págs. 369, 370. Joseph J. Carr McGraw-Hill , 2001 iv
Antenna Theory Analysis and Design Constantine A. Balanis John Wiley & Sons, Nueva York, EUA, 1982. v
“Diseño y construcción del radiotelescopio de centelleo interplanetario en Teoloyucan Estado de México, Cap.3: Teoría de antenas.” Págs. 66 y 67 http://prospero.igeofcu.unam.mx/apache2-default/americo/estudiantes/ernesto/capitulo3.pdf Ernesto Andrade Mascote. DF, México., 2000. vi
“Construir una antena. Antena guía-ondas” http://hwagm.elhacker.net/calculo/antenas.htm 2006
vii
“Manual paso a paso Antena Pringles” http://www.zero13wireless.net/wireless/Antenas/Antena_Pringles_Cantenna/Manual_paso_a_paso_Ant ena_Pringles.pdf Atis Tirma, 2005
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