Laboratorio 1 Antenas

Transcripción

1 Departamento de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniría Universidad de Concepción Concepción, Chile. Laboratorio 1 Antenas Determinación de ganancia estándar usando dos antenas horn iguales Ayudantes: Julio Santana, Octavio Zapata 26 de diciembre de 2011

2 Índice 1. Objetivos Objetivos generales Objetivos específicos Conocimientos requeridos Restricciones Fundamentos teóricos Introducción Teoría de antena horn Procedimiento Equipamiento General Diagrama de radiación de la antena Mediciones de ganancia de las antenas idénticas Cálculo de ganancia Comparación de resultados Autores. 8 0

3 1. Objetivos Objetivos generales. Conocer y comprender los métodos para determinar el diagrama de radiación, ganancia y ancho de haz (-3dB) de una antena. Manejar los conceptos de campo cercano y campo lejado y sus relaciones. Conocer y comprender los principios de operación de un sistema de microondas con antenas Objetivos específicos. Dominar la escala logarítmica para hacer cálculos rápidos sin uso de calculadora. Conversión de unidades mw, dbm, db. Conocer los rangos de funcionamiento, restricciones y precauciones de los dipositivos e instrumentos a usar en el laboratorio. 2. Conocimientos requeridos. Los contenidos entregados en la asignatura de antenas referentes a: Ganancia, Directividad, Diagramas de radiación, ancho de haz, atenuación y polarización. Conocimiento del porqué el setup a utilizar. 3. Restricciones. Conocer las normas de seguridad al manipular energía electromagnética. Considerar siempre, a pesar de que los niveles de potencia de los equipos usados en los laboratorios son muy bajos y normalmente no son peligrosos, el ojo humano es especialmente susceptible a la radiación de microondas. Por precaución: Nunca mires directamente en una guía de ondas energizada o te expongas al diagrama de radiación de las antenas. 1

4 4. Fundamentos teóricos Introducción. Una antena es un dispositivo que conecta dos sistemas y un medio. Por ejemplo, una antena transfiere energía entre un transmisor y un receptor a través del medio. Pequeñas distancias y bajas frecuencias favorecen el uso de líneas de transmisión y guías de onda, mientras que grandes distancias y altas frecuencias el uso de antenas. Dependiendo de la aplicación, uno de los medios de propagación puede ser más adecuado. Una de las características más importantes en el diseño de toda antena es el patrón de la antena (Antenna Pattern) y con ello su ganancia. Si la línea de transmisión por la cual se propaga la energía está abierta en uno de sus extremos, entonces habrá radiación en éste. La guía de onda abierta actúa como antena. En el caso de una guía de onda rectangular esta antena tiene una relación de onda estacionaria de 2:1 (ROE=2) y radia en todas las direcciones. La relación será mejorada si la guía de onda abierta termina con una geometría de tipo corneta (Horn) Teoría de antena horn. Una fuente puntual, por ejemplo un radiador isotrópico ideal, radiará energía con un frente de onda plana en el espacio. Esto sin embargo es una situación ideal, una antena real favorece ciertas direcciones sobre otras. El diagrama de radiación es una representación del campo emitido o dicho de otra manera, la intensidad de potencia con respecto a un ángulo de referencia a una distancia constante de la antena emisora. El diagrama de una antena receptora es idéntico al de una antena transmisora (principio de reciprocidad). En general el diagrama es dibujado en forma polar con mediciones de potencia relativa en db. El diagrama de radiación es tridimensional pero por razones prácticas es presentado como dos cortes transversales, un plano en azimut y otro en elevación, considerándose como información suficiente por cada una de las polarizaciones, vertical, horizontal, dual. Cuando la polarización es circular los fabricantes la describen con un corte en azimut y elevación para la componente vertical y horizontal. En las antenas de tipo horn se habla de plano eléctrico E y plano magnético H para referirse a los patrones de radiación, en la figura (1) se puede ver un ejemplo. Figura 1: Plano eléctrico y magnético de la antena horn. 2

5 El patrón de radiación de una antena puede tener varios lóbulos (2) la radiación más fuerte estará concentrada en el llamado lóbulo principal, mientras que los demás son llamado lóbulos laterales y posteriores. En general es deseable que los lóbulos laterales y posteriores sean lo más pequeño posible en comparación al lóbulo principal. Estas características son denominas relación frontal lateral para referirse a la relación entre el lóbulos principal y laterales y eficiencia direccional para la relación entre el lóbulo principal y lóbulo trasero, todos estas relaciones son expresadas generalmente en db. line propagating energy one end there will be radiend. The open waveguide nna. In the case of a recuide this "antenna" presmatch of about 2:1 it radiates in many direch will be improved if the is given a "horn" shape. sult in a more concentrateca use of the larger radiperture. See figure 1. attern of an antenna is a field strength, or more ofintensity as a function of le at a constant distance ng antenna. If the antenna ntenna the diagram will be show the receiving sensidirection. ttern is of course three difor practical reasons it is ted as a two dimensional or several planes. These a rectangular horn antenna d the H-plane. lejano. See figure pattern consists of several n lobe, side lobes and the major power is concenain lobe and it is normally ep the power in the side R 2D back lobe as low 2 /λ. as poss- RoIotivo powor o}~~----- Moin Loboof ontenno with 90;n G d B S;d. lobo Bock Lobo Figura Figure2: 3. Patrón Antenna de radiación pattern y sus lóbulos. El ancho de haz es el ángulo entre dos puntos sobre el lóbulo principal donde la intensidad de potencia decae a la mitad de la máxima intensidad. En inglés esto es llamado como Half Power Beamwidth (HPBW). La ganancia es la máxima Definitions: intensidad (se edefigure potencia3) comparada a la intensidad que emitiría una fuente isotrópica ideal, con la misma potencia de alimentación. Los campos que emiten una antena se dividen en campos cercanos (campo de inducción) y campo lejano (campo de radiación). Normalmente, las medidas de antenas consideran el campo Gain G = the power intensity at the maximum of the main lobe compared to the power intensity achieved from an imaginary omnidirectional antenna (radiating equally in all directions), with the same power fed to the antennas. 3 db-beamwidth 0 = the angle between the two points on a main lobe where the power intensity is half the maximum power intensity. La condición que debe cumplir un frente de ondas para ser considerado como campo lejano es que: a una distancia dada desde la fuente, la fase de la onda incidente sobre una antena difiera en el extremo y su centro por menos de λ/16, donde λ es la longitud de onda de la señal. Como se puede observar en la figura (3) Como se ve en la figura (3), con R = R R y utilizando el teorema de Pitágoras, se tiene 3

6 Figura 3: Ilustración de la definición campo lejano. La potencia recibida P R, en la antena receptora es proporcional a la potencia transmitida P T ; el área efectiva A E de la antena receptora e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia R 2. P R = G T A ER P T 4πR 2 (1) Donde 4πR 2 es el área de una esfera a la distancia R así la relación porción de energía recibida emitida por la fuente a la distancia R. Utilizando la fórmula de área efectiva: A E 4πR 2 corresponde a la A E = Gλ2 4π utilizando la ecuación (1) y (2) se tiene: (2) ( ) 2 P R λ = G 1 G 2 (3) P T 4πR donde G 1 Y G 2 son las ganancias de la antena transmisora y antena receptora. Como se puede desprender desde las ecuaciones antes citadas, no es necesario conocer la potencia absoluta, solo basta conocer la razón entre ambas potencias (P R /P R ). Esta información puede ser medida por un detector de ley cuadrática en el caso de guías de ondas u otros dispositivos, lo importante es que permita medir potencia de la señal recibida. El diagrama de bloques para la medición de ganancia y el patrón de radiación son idénticos, como lo muestra la siguiente figura (4). Fuente de Señal Atenuador Aislador Antena transmisora Antena Receptora Medidor de potencia Figura 4: Diagrama de bloques del setup. Si las antenas transmisoras y receptora son idénticas G 1 = G 2 = G la ganancia estándar puede ser determinada directamente por las mediciones de potencia P R Y P T según la formula (3), resultando (4): 4

7 G = 4πR PR (4) λ P T Conociendo la ganancia de las antenas horn (compensadas por desigualdades) y utilizando esta ganancia estándar como una referencia, podemos determinar la ganancia de una antena desconocida. En todas las mediciones en esta serie de experimento, la principal fuente de errores es las múltiples reflexiones de objetos cercanos, obstáculos y la tierra. Por lo que es muy importante reducir las reflexiones al mínimo posible. Esta experiencia debe ser repetida usando diferentes posiciones espaciales de la antena con el objetivo de obtener una mejora en la precisión de las mediciones. Las antenas deben estar separadas por una distancia mínima de R = 2D 2 /λ. La altura mínima sobre el suelo debe ser h = D 2 /d, donde D y d son las dimensiones más largas de transmisión y recepción respectivamente. 5. Procedimiento Equipamiento. Tabla 1: Equipamiento de laboratorio. Cantidad Dispositivo u/o equipo Modelo 1 Sintetizador de frecuencias 8672A 1 Analizador de espectro Banda X 1 Aislador de ferrita PM7045X 1 Atenuador de aspas rotatorias PM7101x 2 Antenas Horn PM7320X/01 1 Guía de onda cuadrada PM7336X 2 Guía de ondas portadora PM Rotary joint PM7888X 1 Guía de onda twist PP4035X 1 E-bend PP4025X 1 Huincha de medir Genérica 5.2. General. Proponga el setup de medición. Recuerde que la guía es una ayuda para determinar el setup. Para una mayor información recurra a los manuales de los dispositivos y equipos disponibles en el laboratorio. Ajuste el atenuador de aspa rotatoria en 20 db. Conecte el aislador de ferrita. 5

8 Conecte el sintetizador de señal a la guía de ondas que tiene un conector de tipo N. Conecte el analizador de espectros a través de una guía de ondas para verificar la potencia en la guía de ondas posterior al atenuador. Encienda el generador de señal y sintonizado en la banda X (frecuencia 9.5GHz) de operación de las antenas. Registre la potencia de alimentación de la antena. Retire el setup para medición de la potencia de alimentación de la antena. Conecte la antena al setup de transmisión Diagrama de radiación de la antena. Arme el setup de medición de señal recibida usando el analizador de espectro como equipo de medición. Separe las antenas a la distancia necesaria para trabajar con campos lejanos (registre el valor estimado). La escala en la unión rotatoria debe indicar 0 o cuando las antenas horn estén alineadas. Cerciórese de un preciso alineamiento de las antenas. Minimice las fuentes de reflexión alrededor del setup. Mida la potencia recibida y ajuste el atenuador de aspas rotatorias en un nivel de señal de por lo menos 20 db sobre el piso de ruido del analizador de espectros, registre el nivel de señal recibido en este ángulo. Gire la antena de transmisión en pasos de 5 o hacía la derecga y observe la lectura en el analizador de espectros. Continúe hasta 90 o con respecto a la posición inicial. Registre los datos en la tabla Mediciones de ganancia de las antenas idénticas 1. Reemplace la unión rotatoria por una E-bend. La razón es que existe la posibilidad de error en el ángulo si la unión no está alineada. 2. Ajuste el atenuador de aspa rotatoria a un nivel adecuado de señal. 3. Mida la potencia de alimentación de la antena, para estos debe sacar la antena y medir en la guía de ondas que la alimenta. 4. Conecte la antena horn de transmisión. 6

9 Tabla 2: Registro mediciones de potencia recibida. Plano de azimuth Plano de elevación Grados Potencia mw Potencia dbm Grados Potencia mw Potencia dbm : : : : Mueva el stand vertical y horizontalmente en el trípode hasta alcanzar la máxima medición en el analizador de espectro, utilizando la separación mínima entre antenas según sus cálculos previos. 6. Mueva levemente en dirección horizontal el trípode hasta alcanzar la máxima lectura en el analizador de espectro. 7. Mida la potencia en la antena receptora y registre el valor en la tabla (3). 8. Mida la distancia de separación R 1 entre apertura y apertura. Registre en la tabla (3). 9. Repita los pasos anteriores para una distancia mayor a 2.5 m. 10. Repita los pasos del 1 al 8 pero con la antena rotada en 90 o con el fin de cambiar la polarización de la onda. Tabla 3: Mediciones de ganancia. Frecuencia Distancia Atenuador P T az P R az P T el P R el R 1 = R 2 = 5.5. Cálculo de ganancia. 1. Aplicando logaritmo en base diez a la ecuación (3) podemos calcular la ganancia de la antena como: 7

10 G db = 1 ( ) 4πR 2 (P R P T ) + 10 log λ (5) 2. Ingrese sus datos en la tabla (4), Ḡ corresponde al promedio de las ganancias. Tabla 4: Cálculo de ganancia. 1 Polarización {P 1 2 R 1 P T } {P 2 R 2 P T } 10 log ( ) 4πR λ Vertical Horizontal G R1 G R2 Ḡ 5.6. Comparación de resultados. Compare su resultado de ganancia con la ganancia especificada en la hoja de datos de la antena horn. Compare la ganancia obtenida con los resultados teóricos de ganancia para este tipo de antenas. 6. Autores. Esta guía ha sido modificada u/o mejorada por los siguientes ayudantes de antenas. 2009).- Cristian Duguet. 2010).- Franklin Urra, Cesar Vergara. 2011).- Julio Santana, Octavio Zapata. 8