Laboratorio 6. Fundamentos de antenas

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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA II PROF.: ING. WILLIAM MARIN MORENO.. 1. OBJETIVO GENERAL Laboratorio 6. Fundamentos de antenas Al finalizar el experimento el estudiante estará en capacidad de describir los conceptos de acoplamiento, polarización y patrones de onda estacionaria en tres antenas básicas. 2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 2.1. Dibujar tres tipos de antenas básicas y describir su estructura geométrica Explicar el concepto de polarización de las ondas de campo Describir los tipos de acoplamiento de antenas básicas a la correspondiente línea de transmisión Dibujar los patrones de onda estacionaria de voltaje y corriente a lo largo de la antena Operar un transmisor de alta frecuencia y hacer evaluaciones de la potencia radiada. 3. CUESTIONARIO PREVIO 3.1. Explique qué significa que una onda electromagnética presenta polarización elíptica. Aclare mediante un diagrama y mencione un caso práctico en el que se da esta polarización Un dipolo paralelo al plano de tierra está polarizado: (vertical-horizontalmente) Qué condiciones físicas y eléctricas deben cumplirse para que una antena trabajando en modo recepción no irradie la energía al espacio? 3.4. Es necesario conectar un acoplador-simetrizador para acoplar una antena Yagui_Uda a la línea de transmisión coaxial? Justifique Cuál es el nivel de desacople que se obtiene al conectar una antena monopolar de altura h = λ / 4 a una línea RG-58. Consulte el apartado 4.2 del material adjunto a este experimento (Antenna Fundamentals). Calcule el ROE Qué indica el factor de pérdidas por polarización FPP? No describa la fórmula matemática Calcule el FPP si una antena receptora dipolo está en el eje x pero la antena transmisora tiene su eje en la dirección: 0.42z x donde z y x son vectores unitarios.

2 4. EQUIPO 1 Transmisor de UHF, marca LN, modelo SO A 1 Dipolo full-wave 1 Antena doble 1 Monopolo con plano conductor 1 Sensor de corriente SO D 1 Sensor de voltaje SO E 1 Cable coaxial RG-58 1 cinta métrica (La debe llevar el grupo) Nota: Dado que en este experimento se montarán tres tipos de antena se le ruega a los estudiantes tener cuidado de no extraviar o dañar las piezas mecánicas que forman parte de los ensambles El transmisor Genera una frecuencia de 434 MHz. La potencia de salida (P out ) puede variarse entre 0 y 2W. El medidor indica la potencia de salida cuando el interruptor S 1 se encuentra en la posición P out, véase la figura 1. Para las mediciones de acoplamiento, el transmisor está provisto de un desacoplador direccional entre la unidad del transmisor y la salida BNC, como se puede observar en la figura 2. La conmutación al voltaje progresivo U F (Forward Voltage) desacopla parte de la energía de la onda progresiva que fluye hacia la salida y la posición en U R (reflected Voltage) toma una muestra de la energía de la onda reflejada. Si los interruptores se encuentran en P out y U F, el medidor indica el flujo de potencia progresiva relativo a un resistencia real terminal de 50 Ω. Las escalas del medidor permiten hacer lecturas de la razón de onda estacionaria SWR (Standing Wave Ratio) y del factor de reflexión Γ en porcentaje Ajuste y medición de potencia de salida a. Antes de encender ponga los interruptores S 1 en P out y S 2 en U F. b. Encienda el transmisor y espere unos 5 minutos para el tiempo de calentamiento, pues durante ese intervalo el valor ajustado estará subiendo lentamente. c. Lleve la perilla 1 (P out ) al valor indicado Medición de SWR y Γ a. Primero que todo lleve la perilla (2) de Sensibilidad (SENS) al mínimo. b. Pase el interruptor S 1 a la posición SWR. c. El siguiente ajuste debe hacerse con mucho cuidado ya que la perilla reacciona bruscamente al mínimo movimiento. Ajuste la sensibilidad (2), al 100 % de la escala. d. Ahora cambie el interruptor S 2 a U R. e. En la posición de la aguja lea el valor de la razón de onda estacionaria en la escala SWR y en la escala inferior el factor de reflexión en %. f. Para volver a leer potencia pase primero S 2 a U F y luego S 1 a P out.

3 g. Opcional: también puede realizar las mediciones de SWR y Γ con el analizador de espectros Agilent N1996a-506. Para hacerlo consulte el documento: Stimulus_Response_Measurement_Suite.pdf disponible en la página web del curso. Con este aparato puede guardar las imágenes en pantalla en una memoria flash USB Antenas Tres tipos de antenas forman parte de este experimento: a. Un dipolo de onda completa (full-wave) para acoplar a una línea coaxial (asimétrica) de 50 Ω mediante una sección stub de λ/2. b. Un dipolo doble formado por dos dipolos lineales que también pueden ser conectada a un cable coaxial por acoplamiento parcial inductivo y transformación de impedancia en el alimentador, como se muestra en la figura 3. En este arreglo los dipolos tienen largos diferentes y la antena manifiesta propiedades unidireccionales. c. Antena monopolar sobre plato conductor. La antena está SOLDADA al conector sobre el plato conductor de modo que bajo ninguna circunstancia se debe intentar SEPARAR el monopolo del plato o TOMAR el arreglo por el monopolo. 5. PROCEDIMIENTO 5.1. Geometría de las antenas Dibuje cada antena especificando sus dimensiones en cm Relacione los largos y separaciones con la longitud de onda para la frecuencia de operación Presente estos esquemas como resultados experimentales Medición del nivel de acoplamiento Ensamble el mástil y monte el dipolo de onda completa en posición vertical. Conecte la antena con un cable coaxial RG-58 a la salida del transmisor Ajuste la potencia de salida a 0.5 W Mida el factor de reflexión Γ en % como se especifica en el apartado Calcule la potencia reflejada Pr Γ = P R = Γ 2 P out = Determine la potencia transmitida Pt P T = P out - P R =.

4 Obtenga por cálculo el SWR a partir del valor de Γ : SWR =. Compare este valor con el leído de la carátula Evalúe el nivel de acoplamiento de la antena a la línea en función de los valores ya calculados y en función de la cantidad de potencia irradiada Llene los valores correspondientes de la tabla Tome el dipolo doble y muévalo paralelamente al dipolo de onda completa acercándolo y separándolo lentamente en el mismo plano en que se encuentra el dipolo de onda completa y observe las variaciones de la potencia reflejada, (S 1 en P out y S 2 en U R ). Anote sus observaciones (Resultados Experimentales). Mida la distancia entre las antenas cuando observe un máximo o un mínimo y relaciónela con λ (l/λ).trate de explicar este fenómeno. Qué influencia está ejerciendo la antena doble sobre el dipolo de onda completa? Qué está sucediendo con el campo radiado por el dipolo de onda completa? Relacione con la Rrad del dipolo doble Repita las mediciones y cálculos de al punto de igual forma para la dipolo doble y el monopolo. Para este último puede subir la potencia a 1W si fuera necesario Polarización Con 0.5W de potencia de salida, tome el sensor de voltaje y establezca el plano de polarización a una distancia de 1 m aproximadamente de la antena de prueba. Al inicio, la antena del sensor debe ubicarse paralelamente al dipolo de onda completa Gire la antena del sensor 90, describa y justifique lo que sucede. Anote sus resultados en la tabla Cuando realice esta medición para el dipolo doble, mida la propiedad direccional de la siguiente forma: Mida la polarización por el lado del dipolo más corto. Gire la antena 180 y mida la polarización por el lado del dipolo más largo. Hacia qué lado está irradiando el dipolo doble más energía? Explique con un esquema y preséntelo en los resultados experimentales Esta medición debe ejecutarse para las tres antenas de prueba Patrones de tensión NOTAS: Inicie esta medición con el dipolo doble. Sean cuidadosos en las mediciones de los patrones para poder detectar posibles asimetrías.

5 Baje la potencia de salida a P out = 0.3 W Mueva el sensor de tensión a lo largo de cada varilla de la antena con una separación de aproximadamente 1 cm como se muestra en la figura Ajuste la sensibilidad del sensor a un valor apropiado en los máximos Esboce el patrón de onda estacionaria de tensión en cada varilla del dipolo doble, vea el punto 6 y grafique directamente en los ejes mostrados. Identifique cada curva Compare sus resultados con la distribución mostrada en la figura 3 (hojas en inglés). Comente las diferencias y adjunte un dibujo en los resultados experimentales Repita esta medición para el dipolo de onda completa y el monopolo Patrones de corriente Aumente la potencia de salida a 0.5 W Desplace el sensor de corriente a lo largo de las varillas de la antena como se muestra en la figura 5. Busque la posición de la espira que permita la mejor lectura. No contacte las varillas de la antena Gradúe la sensibilidad para los máximos y grafique el patrón de onda estacionaria de corriente en los ejes que para tal efecto se muestran en la figura 6. Identifique cada curva V ó I Compare sus gráficos con los teóricos presentados en la figura 3, hojas en inglés Comente las diferencias y adjunte un dibujo en los resultados experimentales Repita esta medición para el dipolo de onda completa y el monopolo. 6. RESULTADOS EXPERIMENTALES λ = cm λ/2 = cm λ/4 = cm Dipolo full-wave Dipolo doble Antena monopolar Tabla 1. Mediciones de acoplamiento Γ P R ( W ) P T ( W ) SWR

6 Dipolo full-wave Tabla 2. Mediciones de polarización Plano de polarización Valor medido en el sensor (horizontal/vertical) de E (sólo dipolo doble)* Dipolo doble (lado corto) Dipolo doble (lado largo) Antena monopolar *) Para esta medición no cambie la ubicación del sensor en el espacio, gire la antena ANALISIS DE RESULTADOS Y EVALUACION Comente las mediciones en el mismo orden en que aparecen en el instructivo. No redunde Cuáles son las longitudes eléctricas de los dipolos, del monopolo, así como de la separación entre los elementos del dipolo doble? Explique porqué el dipolo full-wave y el dipolo de onda completa necesitan simetrizadores y acopladores? Cuál de las tres antenas presentó el mejor acople, cuál el peor? Justifique Refiérase al punto del procedimiento. Conteste a las preguntas formuladas.? Se observó algún patrón de onda estacionaria en dicha medición? Justifique Qué se entiende por polarización de una onda plana, y por polarización horizontal de una antena? Explique qué significa el factor de pérdidas por polarización FPP. Si el FPP = 0.92 En qué ángulo en grados habrá que corregir la posición de la antena? Cuáles antenas mostraron mayor direccionalidad, porqué? Cómo actuó el elemento más corto? Qué puede Ud. concluir al observar los patrones de onda estacionaria de voltaje y corriente a lo largo de los elementos de las antenas probadas? A partir del gráfico de la figura 14 (Vea el material adjunto: Antenna Fundamentals) calcule la resistencia de radiación al pie de la antena monopolar a la frecuencia de 400 MHz si el largo h = cm y v = Relacione las longitudes eléctricas con el factor de acortamiento. Referirse a los gráficos de Antenna Fundamentals Con qué cable se lograría un mejor acople, el RG-58 ó el RG-59? Qué se requeriría adicionalmente para un funcionamiento óptimo de esta antena? Explique porqué la impedancia mostrada en la figura 14 (material en inglés) presenta máximos y mínimos. Haga un esbozo para más aclaración Explique gráficamente la diferencia entre medir el patrón de onda estacionario de voltaje a lo largo de los brazos de un dipolo y determinar la polarización. Muestre claramente la posición del sensor, como se giró y la distancia de éste respecto a la antena.

7 Figura 1. Panel frontal del transmisor UHF. Figura 2. Diagrama de bloques del transmisor. Figura 3. Antena de dipolo doble. Figura 4. Posición del sensor de tensión con respecto a la antena.

8 Figura 5. Posición del sensor de corriente con respecto a la antena. Figura 6. Patrones de onda estacionaria para a) dipolo doble, b)dipolo full-wave y c) monopolo con plato conductor