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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE ANTENA DIPOLO BANDA ANCHA TIPO CORBATIN Milena Flórez Gahona, Carlos Augusto Londoño Morales y Sebastián Vargas Gantiva Especialización en Telecomunicaciones Móviles - Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Resumen— Las antenas cumplen un papel muy importante dentro de las radiocomunicaciones y radiodifusiones, de acuerdo a la definición de la IEEE define una “antena como aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas (IEEE Std. 145-1983)”. [1] Sus formas son muy variadas, y todas ellas tienen como común denominador ser una transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y el espacio libre, a la vez que distribuye la energía radiada en las distintas direcciones del espacio con un cierto carácter direccional, que dependerá de la aplicación específica para la cual se requiere. Por ejemplo en comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en radioenlaces fijos interesará que las antenas sean direccionales. La banda de frecuencia de trabajo va a definir el tipo de antena a utilizar, e incluso sus propiedades más importantes, porque estas propiedades van a depender del tamaño eléctrico de las antenas, es decir, de la relación entre su longitud (en antenas lineales) y la longitud de onda (λ). Actualmente sus aplicaciones son múltiples de acuerdo a necesidades tales como antenas miniaturizadas para uso principalmente en dispositivos portables como es el caso de los móviles y antenas con un mayor ancho de banda con el propósito de captar las diferentes bandas de operación de los sistemas de telecomunicaciones. Palabras Claves--. Antena banda ancha, frecuencia, ROE, ganancia, radiación, polarización, impedancia, SWR Abstract- Antennas play a very important role in radiocommunications and broadcasting, according to the definition of the IEEE defines an "antenna as that part of a transmitter or receiver system designed specifically to radiate or receive electromagnetic waves (IEEE Std 145-1983 ) ". [1] Their forms are very varied, and all have as their common denominator a transition between an area where there is a guided electromagnetic wave and free space, while distributing radiated energy in the different directions of space with a certain directional character, which will depend on the specific application for which it is required. For example in mobile communications you will want to radiate over the coverage area in an omnidirectional way, while in fixed radio links the antennas will be directional.
The frequency band of work will define the type of antenna to be used, and even its most important properties, because these properties will depend on the electrical size of the antennas, the relationship between their length (in linear antennas) and the wavelength (λ). Currently, its applications are multiple according to needs such as miniaturized antennas for use mainly in portable devices such as mobile phones and antennas with a higher bandwidth in order to capture the different bands of operation of telecommunications systems.
Key words-. Broadband antenna, frequency, ROE, gain, radiation, polarization, impedance, SWR.
I. INTRODUCCIÒN
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as antenas de banda ancha surgieron por la necesidad de reducir y simplificar el número de sistemas radiantes embarcados en aeronaves, “comunicaciones en distintas bandas de frecuencia, sistemas de radionavegación, altímetros etc., de modo que se realizó un esfuerzo importante para desarrollar antenas que permitieran cubrir grandes márgenes de frecuencias” [2] Con el diseño de una antena de banda ancha aprenderemos acerca de su funcionamiento en varias bandas de frecuencia, su importancia especialmente en las aplicaciones celulares, donde el creciente número de tecnologías y bandas de operación hacen necesario el diseño de antenas que las soporten y como se buscan antenas con un ancho de banda amplio , generalmente usadas para realizar pruebas de compatibilidad electromagnética, apoyar la gestión del espectro y realizar certificación de sistemas de comunicación a nivel regional y nacional, como lo son los sistemas de radiodifusión y televisión terrestre. Las técnicas de diseño de antenas de banda ancha, consisten en la modificación estructural de una antena de banda angosta, el uso de arreglos de antenas con sus redes de alimentación, y el uso de redes de acople para modificar la impedancia a la entrada del sistema. [3] En este artículo se realiza el diseño para dipolos de banda ancha tipo corbatín, entre el rango de frecuencia de 806 MHz y 900 MHz para obtener un BW>35 %, con unos parámetros recomendados para la geometría de la antena y el diámetro del conductor. De esta manera se toma los resultados de la
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geometría mediante el simulador MMA-GAL, en los cuales se determina las reglas de diseño para obtener mejores resultados en ganancia y SWR. Además se tomaran estos parámetros que nos permitan posteriormente la construcción física de la antena.
II. OBJETIVO Realizar el diseño de una antena banda ancha tipo corbatín dentro del rango de frecuencias de 806 MHz y 900 MHz, analizando sus parámetros y logrando así una comparación ente los datos simulados y los datos que se obtendrán más adelante al momento de su fabricación.
III. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar los cálculos de longitudes y ángulos requeridos para modelar la antena propuesta. Simular el diseño de la antena en el software “MMANA-GAL “analizando los resultados obtenidos para optimizar al máximo la antena. Analizar los resultados obtenidos por la simulación, para identificar posibles soluciones. Obtener una antena que radie dentro de la frecuencia 806MHz – 900MHz, para un S11 ≤ -10dB. Evidenciar de qué manera afecta el cambio de longitudes, ángulos y grosor del conductor, en la radiación de la antena.
Este tipo de antenas se caracterizan por los campos eléctricos y magnéticos de la apertura, variables armónicamente con el tiempo.
Agrupaciones de antenas: En ciertas aplicaciones se requieren características de radiación que no pueden lograrse con un solo elemento; sin embargo, con la combinación de varios de ellos se consigue una gran flexibilidad que permite obtenerlas. Estas agrupaciones pueden realizarse combinando, en principio, cualquier tipo de antena.
Dentro de sus principales características encontramos: Patrón de radiación: es una función matemática que describe las propiedades de radiación de una antena en función de las coordenadas espaciales. Es un valor normalizado y generalmente se determina únicamente en campo lejano. De acuerdo a su patrón de radiación las antenas pueden ser: Isotrópicas como se puede observar en la figura 1 que hace referencia a antenas que radian de igual manera hacia todas las direcciones. Generalmente estas antenas se usan como referencia teórica de algunos parámetros de mérito de las antenas, sin embargo existen implementaciones de arreglos que se usan para emular este comportamiento. Omnidireccionales: que son antenas que sobre un plano, radian de igual manera sin importar a dirección. Estas son antenas que se utilizan mucho en soluciones de radiodifusión. Directivas: son antenas que radian principalmente en una sola dirección determinada. Una de sus aplicaciones es en el uso de algunas técnicas de radiolocalización.
IV. ESTADO DEL ARTE
La misión de la antena es radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas a la aplicación, la cual impondrá unos requisitos sobre la zona del espacio en la que desea concentrar la energía. Una forma amplia en la cual se pueden agrupar:
Antenas alámbricas: Se distinguen por estar construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden están formadas por hilos rectos (dipolos, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y hélices. Este tipo de antenas se caracterizan por corrientes y cargas que varían de forma armónica con el tiempo y con amplitudes que también varían de forma armónica con el tiempo y con amplitudes que también varían a lo largo de los hilos. Antenas de apertura y reflectores: Antenas de apertura y reflectores: En ellas la generación de la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen excitar con guías de ondas. Son antenas de apertura las bocinas (piramidales y cónicas), las aperturas y las ranuras sobre planos conductores, y las bocas de guía.
Figura 1. Patrones de radiación a) isotrópica b) omnidireccional c) Directiva. Directividad: es la razón entre la intensidad de radiación en una dirección dada de la antena y la intensidad de radiación promedio sobre todas las direcciones.
Eficiencia: es la relación entre la potencia que consume la antena y la potencia que radia
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Este parámetro indica que tanta de la potencia que llega a la antena se reflejará. Lo que se busca es que este valor sea tan cercano a cero como sea posible. La relación de onda estacionaria (VSWR o ROE) se relaciona con el coeficiente de reflexión como: Ganancia: La ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia a una distancia dada y la densidad de potencia que radiaría a esa misma distancia una antena isótropa. La ganancia de potencia está dada por: Ancho de Banda: Describe el rango de frecuencia en que la antena recibe o emite la energía de forma apropiada. Normalmente se describe en términos del ancho de banda fraccionario, que corresponde a la diferencia entre la frecuencia más alta y la menor que soporta la antena, divido la central. Impedancia: Un sistema de comunicaciones puede representarse como el modelo mostrado en la Figura 2, está formado por un generador (fuente de información), una línea de transmisión y la antena que es representada como la carga del sistema con una impedancia ZA. La impedancia de la antena ZA, está formada por la resistencia RL, que representa las pérdidas de conducción y dieléctrico asociadas con la antena, la resistencia de radiación Rr y la componente imaginaria XA, que representan la energía en la antena. Idealmente se busca que toda la energía producida por la fuente sea desarrollada sobre la Rr la cual representa la energía radiada por la antena.
Figura 2. Modelo de sistema de comunicaciones [4] Polarización: es la figura que va trazando el vector de campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar en el tiempo y dirección. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica.
ANTENAS DIPOLO BANDA ANCHA Por antenas de banda ancha se entienden, como “aquellas antenas que mantienen alguno de sus parámetros (impedancia, dirección del haz principal, directividad, etc.) constantes o con variaciones pequeñas en un margen de frecuencias grande (por ejemplo, dos o más octavas). Otro concepto asociado es el de antenas independientes de la frecuencia; en este caso se trata de antenas con un comportamiento que no varía con la frecuencia. Teóricamente, esto puede conseguirse con ciertas antenas de dimensión infinita.”[5] En la realización práctica de una antena independiente de la frecuencia es necesario acotar sus dimensiones, lo que producirá una variación de los parámetros con la frecuencia; con todo, es posible conseguir mantener las especificaciones de la antena dentro de cotas pequeñas de variación en márgenes de frecuencias.
Pueden construirse dipolos de banda ancha teniendo en cuenta, que cuanto más grueso es un dipolo menos varía su reactancia de entrada respecto a la frecuencia. Estos dipolos se utilizan en los sistemas emisores de radiodifusión y en algunos radares de UHF. Antena Bicónica:
La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas, según el sentido de giro del campo. Por lo general, la polarización circular, puede ser considerada como un caso particular de la elíptica. Reflexión y VWSR: el coeficiente de reflexión en la entrada de una antena referido a una impedancia de referencia η0 se define como:
La antena bicónica, es una modificación de la antena dipolo, que consiste en reemplazar los alambres que conforman el dipolo, por unos conos conductores. Un ejemplo se muestra en la figura 3. En este caso lo que ocurre es que las corrientes se mueven a lo largo de la superficie del cono, debido esta nueva estructura, los campos y por ende la impedancia se ve alterada con respecto a la de un dipolo tradicional. Este tipo de antenas también se implementa basándose en un monopolo. Generalmente, esta antena se utiliza en aplicaciones GPR (Ground Penetrating Radar) [6].
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Antena Bow-Tie:
final en una alteración del ancho de banda como se observa en la figura 5.
La antena bicónica se ha considerado como una antena con una buena respuesta de banda ancha, pero su estructura puede llegar a ser muy grande y en algunas ocasiones difícil de implementar. Como alternativa surgen antenas como la antena Bow-Tie como se observa en la figura 4, que es una implementación que sigue el principio de la antena bicónica, pero es construida sobre una lámina conductora pero que termina teniendo un ancho de banda más angosto que la bicónica.
Figura 5. Ejemplo de dipolo doblado OTRAS ANTENAS DE BANDA ANCHA
Se utilizan dipolos derivados de la línea bicónica, dos ejemplos de los cuales se pueden observar en la figura 6, uno de ellos tiene forma plana y se conoce en inglés con el nombre de bowtie, pajarita, por su forma, mientras que el otro es una combinación de un disco y un cono, que pueden ser fabricados como superficies sólidas o con varillas. Figura 3. Geometría de la antena biconica
Figura 6. Agrupación de dipolos de banda ancha para la difusión de TV (izquierda) y antena discono (derecha) [7]
Figura 4. Antena Bow-Tie
Dipolo doblado: La técnica del dipolo doblado consiste en modificar la forma del dipolo convencional para formar un loop rectangular muy delgado. Al utilizar este tipo de estructura, la antena empieza también a comportarse como un transformador de impedancias lo que le permite alterar la impedancia de entrada, resultando al
Al igual que ocurre con los dipolos, las ranuras delgadas poseen anchos de banda pequeños, pero si se agrandan, por ejemplo mediante una especie de abocinamiento, se logran grandes anchos de banda. Una estructura de este tipo, construida sobre un sustrato dieléctrico, se representa en la figura 7 y recibe el nombre de antena Vivaldi.
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Figura 7. Antena Vivaldi (izquierda) y bocina con doble cresta (derecha) [8]
También se puede aumentar el ancho de banda de una guía y, en consecuencia, de una bocina, introduciendo longitudinalmente en el plano central de simetría dos crestas (ridges, en inglés) que progresivamente van reduciéndose al ir abriendo la bocina. En las bocinas linealmente polarizadas, que se derivan de una guía rectangular, las crestas se sitúan paralelas a la cara estrecha de la guía, mientras que en las bocinas duales en polarización, tanto las derivadas de guía cuadrada como de guía circular, se sitúan en dos planos ortogonales. La figura 7 muestra un ejemplo de una bocina de banda ancha de este tipo.
ANTENAS DIPOLOS PARA TELEFONICA CELULAR
Las antenas para terminales móviles son un reto tecnológico pues aparte de tener que satisfacer los requisitos de miniaturización y multioperación, las antenas deben radiar poco hacia la cabeza, deben ser robustas al cuerpo humano, deben ser fáciles de integrar entre los principales aspectos a destacar. Debido a la gran demanda de mercado, el diseño de este tipo de antenas es un reto en constante evolución. En este sentido se ha propuesto una nueva tecnología de antenas capaz de substituir las antenas actuales por unos elementos muy compactos, fáciles de integrar, y que pueden ser utilizados como elementos estándar [9].
Hélices: Un tipo de antena que presenta un comportamiento de banda ancha es la hélice, cuya geometría se representa en la figura 8 Una hélice es el resultado de bobinar un hilo conductor sobre un cilindro de diámetro constante. Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son: su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas. Figura 10. Prototipos de antenas multifrecuencias para teléfono móvil [10]
Figura 8. Parámetros geométricos de una hélice
Antenas fractales
Figura 11. Antena Microstrip con comportamiento multibanda [11] Antenas eléctricamente pequeñas, multifrecuencia y alta directividad:
Algunas formas fractales tienen unas propiedades geométricas que permiten construir antenas con un comportamiento multifrecuencia. Ciertas formas fractales ideales son auto similares. De forma intuitiva un objeto es auto similar cuando está formado por copias de él mismo a una escala más reducida. Un ejemplo clásico de geometría fractal auto similar es la alfombra de Sierpinski.
Figura 9. Construcción de la alfombra de Sierpinski.
Figura 12. (Izquierda) dipolo inspirado en el fractal de Sierpinski. El uso de una geometría auto similar permite
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diseñar antenas que pueden operar a varias bandas frecuenciales. [12]
Se realiza archivo de Excel y de acuerdo a los cálculos realizados se obtiene los siguientes resultados:
V. PARAMETROS Y ANALISIS DE DISEÑO Se realizara el diseño de un dipolo de banda ancha utilizando una estructura con forma corbatín, que trabaje dentro de las frecuencias de 806Mhz y 900Mhz, para esto se encuentra su frecuencia central y así se halla su longitud eléctrica (λ)
𝑓𝐶 =
𝑓𝑚𝑎𝑥 + 𝑓𝑚𝑖𝑛 2
=
900+1806 2
= 𝟖𝟓𝟑𝑴𝑯𝒛
300 λ= = 𝟎, 𝟑𝟓𝟏𝟕𝟎 𝐦𝐭𝐬 853 Se realizan los cálculos para determinar las longitudes de X, W y el gap de acuerdo a las recomendaciones de la figura 13.
Tabla 1: Cálculos coordenadas antena Corbatín
Al realizar la simulación en el MMANA-GAL de las coordenadas calculadas en la Tabla 1se obtiene la figura simétrica de la antena solicitada. Figura 14. Ahora se procederá a validar los parámetros de BW, SWR, impedancia de entrada, rango de frecuencias y modificación del radio del material para obtener los parámetros requeridos para su diseño. Como resultado obtenemos el siguiente patrón de radiación.
Figura 13. Diagrama antena corbatín
X1, W1 = 0,118 ∗ 0.35170 = 0,0415005861664713 mts X2, W2 = 0,13 ∗ 0.35170 = 0,0457209847596717 mts X3, W3 = 0,026 ∗ 0.35170 = 0,00914419695193435 mts
X2 X1 X3 X2" X1" X3" W2 W1 W3 W2" W1" W3"
CALCULOS REALIZADOS Y1(m) Z1(m) 0,041596 0,022860 0,077536 0,002110 0,068392 0,002110 0,041596 -0,022860 0,077536 -0,002110 0,068392 -0,002110 -0,041596 0,022860 -0,077536 0,002110 -0,068392 0,002110 -0,041596 -0,022860 -0,077536 -0,002110 -0,068392 -0,002110
Figura 15. GAP/2 = 0.002 mts
Para ingresar las coordenadas para el diseño de la antena en el Software MMANA-GAL, se realizaron los siguientes cálculos: 𝑝𝑖 𝑿𝟐 = (0.13λ ∗ sen ( )) + 0.002 3 𝑝𝑖 𝑝𝑖 𝑿𝟏 = (0.13λ ∗ sen ( )) + (0.118λ ∗ sen ( )) + 0.002 3 3 𝑝𝑖 𝑝𝑖 𝑿𝟑 = ((0.13λ ∗ sen ( )) + (0.118λ ∗ sen ( )) + 0.002) 3 3 − 0.026λ
ANTENA TIPO CORBATIN MMANA-GAL
R(mm) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
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Figura 16. Tabla de coordenadas con R (mm) = 0.5 𝑍 = 67.37 − 𝑗35,64 𝑆𝑊𝑅 = 1,96 𝐵𝑊 = 18,13% Figura 14. Diagrama antena corbatín simulada en MMANA-GAL
Figura 15. Patrón de radiación.
Figura 17. Resultado de parámetros Z, SWR, I
VI. RESULTADOS SIMULADOS
Prueba No 1: Con radio 0.5 mm se obtiene los siguientes resultados: Geometría:
Figura 18. SWR
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Al cambiar el diámetro del conductor se observó que se disminuyó el SWR y la reactancia. Prueba No 3: Con radio 2.5 mm se obtiene los siguientes resultados:
Figura 19. Ganancia Figura 22. Tabla de coordenadas con R (mm) = 2.5
Prueba No 2: Con radio 1 mm se obtiene los siguientes resultados:
𝑍 = 67.37 − 𝑗13.39 𝑆𝑊𝑅 = 1,46 𝐵𝑊 = 19,2%
Figura 20. Tabla de coordenadas con R (mm) = 1.0 𝑍 = 67.49 − 𝑗26,18 𝑆𝑊𝑅 = 1,70 𝐵𝑊 = 19% Figura 23. SWR Prueba No 4: Con radio 3.5 mm se obtiene los siguientes resultados:
Figura 21. SWR
Figura 24. Tabla de coordenadas con R (mm) = 3.5
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𝑍 = 65.84 − 𝑗6.84 𝑆𝑊𝑅 = 1,35 𝐵𝑊 = 21%
𝑍 = 59.37 − 𝑗1.14 𝑆𝑊𝑅 = 1,32 𝐵𝑊 = 21,2%
Figura 25. SWR Figura 28. SWR
Figura 29. Diagrama de campo lejano
Figura 26. Ganancia Prueba No 5:
Para encontrar los BW de cada grafica se tomo como referencia el valor de SWR: 1,92, encontrado de la siguiente manera. 𝑅𝐿 = 10 −𝑅𝐿
Con radio 4.5 mm se obtiene los siguientes resultados:
𝑅𝐿𝑛 = 10 20 = 0,316 1 + 𝑅𝐿𝑛 𝑉𝑆𝑊𝑅 = = 1,925 1 − 𝑅𝐿𝑛
VII. DISEÑO SIMULADO FINAL
De acuerdo a las modificaciones y análisis realizados se procederá a realizar la implementación con los siguientes cálculos: Figura 27. Tabla de coordenadas con R (mm) = 4.5
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X2 X1 X3 X2" X1" X3" W2 W1 W3 W2" W1" W3"
CALCULOS REALIZADOS Y1(m) Z1(m) 0,041596 0,022860 0,077536 0,002110 0,068392 0,002110 0,041596 -0,022860 0,077536 -0,002110 0,068392 -0,002110 -0,041596 0,022860 -0,077536 0,002110 -0,068392 0,002110 -0,041596 -0,022860 -0,077536 -0,002110 -0,068392 -0,002110
R(mm) 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
Figura 32. Diagrama de campo lejano
Tabla 2. Cálculos de distancias en base al diseño final simulado. Con radio 8 mm se obtiene los siguientes resultados:
Figura 30 Tabla de coordenadas con R (mm) = 8 Figura 33. Diagrama de radiación
Figura 31 Validación de Z (Ohm) y SWR
𝒁 = 𝟔𝟑. 𝟓𝟗 − 𝒋𝟐. 𝟗𝟏 𝑺𝑾𝑹 = 𝟏, 𝟐𝟖 𝑩𝑾 = 𝟐𝟒. 𝟔𝟏%
Figura 34 SWR VS Frecuencia (BW)
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VIII. PROCEDIMIENTO DE IMPLEMENTACION Y MEDICION (RESULTADOS EXPERIMENTALES) Para la construcción de la antena se hace uso de los siguientes elementos: - Lámina de Cobre calibre 0.20 - Cable RG-58u - Conector N-Male - Base de madera liviana Se traza la figura de la antena con sus respectivas medidas y ángulos sobre la base de madera liviana con el fin de crear un orificio en esta misma que sirva como molde para poder introducir la lámina previamente cortada al ancho de 8 mm, con el fin de generar una mayor estabilidad en la antena respecto a los ángulos y posición de las láminas. El cable RG-58u se poncha en un extremo con el conector NMale y en el extremo opuesto se conecta a la antena con su respectivo Balum con medida ligeramente mayor a λ/4.
Figura 35. Antena Corbatín ensamblada MEDICION PARAMETRO S11 LOG MAGNITUD Ya teniendo lo anterior se procede a realizar las respectivas mediciones en cámara anecoica y con el instrumento ANRITSU MS2036A bajo el modo de operación VNA (vector network analyzer), definiendo una frecuencia inicial de 500 Mhz y una frecuencia final de 1.3 Ghz. Se procede con la respectiva calibración del instrumento y posteriormente a la medición del parámetro S11 LOG MAGNITUD. Se realiza un auto ajuste de escala y se ubican respectivos markers a -10dB sobre la curva obtenida lo que nos determina una frecuencia superior e inferior y a partir de las anteriores la frecuencia central y a su vez el ancho de banda del dispositivo como se observa en la siguiente figura obtenida por el instrumento:
Figura 36. Curva medida del parámetro S11 Log Magnitud de la Antena Corbatín.
Figura 37. Foto tomada en tiempo real de la medición del parámetro S11 Log Magnitud de la Antena Corbatín en el instrumento de medición ANRITSU. Los datos relacionados con frecuencia superior e inferior de la curva, obtenidos del archivo .VNA que se anexa en un archivo excel (Fila 310-862) a este documento fueron los siguientes:
Frecuencia (Mhz) Potencia Reflejada (dB) 581,454546 -10,02268208 904,363637 -10,01061414 Tabla 3. Frecuencia superior e inferior correspondiente a la curva medida S11 Log Mag de la Antena Corbatín. Tenemos entonces una frecuencia central y un ancho de banda determinado por lo siguiente: 𝐹𝐻 = 904,363637 𝑀ℎ𝑧 ; 𝐹𝐿 = 581,454546 𝑀ℎ𝑧
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(𝐹𝐻 + 𝐹𝐿 ) = 742.9090 𝑀ℎ𝑧 2 𝐹𝐻 − 𝐹𝐿 𝐵𝑊 = ∗ 100% = 43.46% (𝐹𝐻 + 𝐹𝐿 ) 2 𝐹𝑐 =
MEDICION DIAGRAMA DE RADIACION Posteriormente se procede a realizar la medición del diagrama de radiación de la antena corbatín bajo lo siguiente: - La antena receptora (nuestra antena corbatín) se debe conectar y centrar sobre la plataforma giratoria para antenas 737-405. - La antena transmisora (para este caso se hace uso de una antena Wilson 304411 – Yagi direccional, 50 ohm, con rango de operación entre 700 – 2700 Mhz y ganancia de 10.5 dBi) será conectada a un generador de señales con una señal modulada a la frecuencia central de 742 Mhz. - Se apunta la antena transmisora hacia la antena receptora ambas con la misma altura. - La mediciones son realizadas por el modulo giratorio que gira 360º por pasos de 2º y que está conectado por RS232 a la computadora para extraer imágenes con el software CASSY LAB 2.
Figura 39. Montaje de la antena Transmisora y Receptora para la medición del diagrama de radiación. Finalmente el diagrama de radiación en plano H normalizado obtenido en el software CASSY LAB 2 fue el siguiente:
Figura 40. Diagrama de radiación medido en plano H de la antena corbatín.
Figura 38. Montaje de la antena Receptora para la medición del diagrama de radiación.
A partir de los datos obtenidos por el archivo VNA y por medio de la herramienta Excel y uso de fórmulas básicas para el cálculo de VSWR, reflected power (%) es posible obtener las curvas siguientes:
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balum permitieron que se introdujera un error de aproximadamente 12% entre frecuencia central teórica y práctica. El ancho de banda medido supero de manera significativa el ancho de banda simulado, ya que se evidenció un incremento del 18%, incremento atribuido a mejoras y optimización en la elaboración de la antena como en la medición de la antena y calibración del instrumento de medida.
Figura 41. VSWR Medido de la antena corbatín.
Como se puede observar en las gráficas de VSWR y potencia reflejada en porcentaje, en ese ancho de banda del dispositivo, que aproximadamente fue medido y calculado en 42%, tan solo se refleja entre el 0% y el 10% de la señal, siendo más exactos en la frecuencia central tan solo se refleja el 2.54% de la potencia transmitida y con un valor de VSWR de 1.37, y en las frecuencias superiores e inferiores se refleja el 9,95% con un valor de VSWR de 1.92; la frecuencia en la cual se evidencia la menor reflexión de potencia posible es en 820 Mhz con un valor de 0,02% (36.04 dB) y un VSWR de 1.0320. El diagrama de radiación medido con respecto al simulado sufre una ligera disminución del ancho de haz de media potencia (HPBW) y por ende experimenta un mínimo aumento en la directividad con un valor de 2,71 y a su vez la ganancia de la antena, aunque tiene una relación adelante atrás (FTBR) y el patrón de radiación bastante cercano al esperado ya que es un dipolo de banda ancha con H=λ/2 aproximadamente con un valor de 48º para el Δθ-3dB. X. CONCLUSIONES
Figura 42. Reflected Power (%) medido de la antena corbatín.
A partir de los cálculos y diseño de la antena tipo corbatín se llegamos a las siguientes conclusiones: o
IX. ANALISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION En la medición del parámetro S11 Log Magnitud como en el diagrama de radiación se observa un comportamiento adecuado y estable, lo anterior gracias a la elaboración de la antena, ya que se tuvo la idea de introducirla en un soporte no variable como lo es la madera liviana, permitiendo así estabilidad total en los ángulos y en la antena en general.
o
La mejor medición de ancho de banda se logró gracias a múltiples variaciones de la longitud del balumpor medio de un elemento temporal que permitiera realizar corto circuito entre el vivo y la tierra del balum, logrando un aumento significativo de 38% a 42% aproximadamente.
o
Se observa además que la relación entre frecuencia central simulada y frecuencia central obtenida en medición, experimentó un desplazamiento o disminución ya que el corrimiento se dio desde 853 Mhz hasta 743 Mhz para una disminución de 110 Mhz, esto se puede atribuir a que los cortes de la lámina referente a su longitud total y el gap no fueron exactos junto con la variación experimental de la longitud del
o
Con cada una las pruebas realizadas se comprobó que el diámetro de la antena afecta directamente el desempeño de la antena, tanto en ganancia como en SWR, de esta manera es un parámetro crítico que se debe tener en cuenta en la geometría de la antena. Las pruebas nos permitieron comprobar por medio del simulador como alcanzar los parámetros deseados y aplicar los cálculos para lograr las dimensiones recomendadas. Aprendimos sobre el principio básico de las antenas de banda ancha y su aplicación en las comunicaciones móviles. Logramos comprender el correcto funcionamiento del Software MMANA-GAL, específicamente para el diseño de una antena corbatín
Y referente a la implementación y medición de la antena
El correcto uso de los instrumentos de medición como lo es el equipo ANRITSU MS2036 tanto para el proceso de calibración y toma de medidas, permitió un correcto análisis del comportamiento de la antena para el parámetro S11 y así determinar con gran exactitud valores del ancho de banda, perdidas de inserción,
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frecuencia central de operación, y la deducción de otros a partir de estos mismos. En el proceso de elaboración de la antena es muy importante tener en cuenta la impedancia del cable a conectar a la antena ya que este permite una mayor adaptación entre la antena y el instrumento de medida, así como el conector para no tener inconvenientes de conexión, y algún tipo de base que permita total estabilidad de los ángulos de la antena. A pesar de que el parámetro de adaptación S11 sea correcto, es necesario realizar la medición del diagrama de radiación para verificar de manera completa la eficiencia de la antena y su correcto comportamiento. Herramientas de software tales como Cassy Lab y Anritsu Master Software Tools permiten un análisis más profundo y por ende una mejor interpretación de los valores obtenidos en la práctica. Tanto el montaje para la medición del parámetro S11 como el diagrama de radiación requieren exactitud y todas las medidas preventivas para que no se introduzcan errores humanos en la medición, tales como la incorrecta orientación de las antenas, el no uso de cámara anecoica, correcta calibración y configuración de equipos. Para entender de manera correcta el comportamiento de la antena es necesario tener claros todos los conceptos y fundamentos que actúan sobre ellas, y comprender que la geometría de la antena es fundamental para indicar el comportamiento del diagrama de la antena. Una correcta optimización de ángulos, longitud y ancho de los brazos de la antena, longitud del balum, gap, permiten que se logre un alto valor de ancho de banda sin disminuir la eficiencia ni adaptación de la antena.
XI. REFERENCIAS
[1]http://ocw.upm.es/teoria-de-la-senal-y-comunicaciones1/radiacion-propagacion/contenidos/apuntes/tema1_2004.pdf [2]Cardama Aznar, Antenas 2a Edición, Editorial Alfaomega, 2004 [3]https://repository.javeriana.edu.co/bitstream/handle/10554/ 12704/RodriguezPaezJuanSebastian2013.pdf?sequence=1 [4]C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc, 1997. [5]Cardama Aznar, Antenas 2a Edición, Editorial Alfaomega, 2004 [6]D. Yu, W. Zhai, G. Xie y L. Zhang, «A novel omnidirectional UWB biconical antenna with band-notched, » de Radar (Radar), 2011 IEEE CIE International Conference on (Volume: 2 ), Chengdu, 2011.
[7-8]Cardama Aznar, Antenas 2a Edición, Editorial Alfaomega, 2004 [9]J. Anguera, A. Andújar, C. Puente, and J. Mumbrú, “Antennaless Wireless Device Capable of Operation in Multiple Frequency Regions”, Patent Appl. WO2010/015364, July 31.2009. [10][11][12]http://web.salleurl.edu/~jaumean/Teoria-Antenasby-Jaume%20Anguera.pdf
