Laboratorio 2 Antenas

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1 Departamento de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniría Universidad de Concepción Concepción, Chile. Laboratorio 2 Antenas Determinación de ganancia y patrón de radiación de antenas parabólica y ranurada Ayudantes: Julio Santana, Octavio Zapata Profesor: Vladimir Chtcherbakov 29 de diciembre de 2011

2 Índice 1. Objetivos Objetivos generales Objetivos específicos Conocimientos requeridos 1 3. Restricciones 1 4. Conocimientos teóricos Introducción Ranuras Reflectores parabólicos Método de las tres antenas Procedimiento General Patrón de radiación para antena parabólica Patrón de radiación para antena guía de onda ranurada Medición de ganancia utilizando el método de las tres antenas Preguntas Autores. 10 0

3 1. Objetivos 1.1. Objetivos generales Conocer y comprender los métodos para determinar el diagrama de radiación, ganancia y ancho de haz (-3dB) de una antena parabólica y guía de onda ranurada. Manejar los conceptos de campo cercano, campo lejano y cuando aplicarlos. Conocer y comprender el los principios de operación del setup del laboratorio, sus características de funcionamiento, en especial de los componentes nuevos del setup como la antena parabólica y la guía de onda ranurada 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. Comprender el método de tres antenas para determinar la ganancia, de las antenas parabólicas y la guía de onda ranurada. 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. Conocimientos teóricos 4.1. Introducción Ranuras Una antena ranurada es un corte en un conductor metálico que se alimenta conectando en sus bordes una línea de transmisión bifilar,coaxial o bien mediante una cavidad. Las antenas guía de ondas ranuradas son antenas resonantes las cuales tiene un margen de frecuencia de operación bien reducido. Una guía de ondas es una línea de transmisión de bajas pérdidas, lo que permite la propagación de los campos por varias ranuras de manera que cada ranura radie una pequeña parte de la energía alimentada. La alimentación de la guía de ondas puede ser realizada mediante una sonda coaxial, lo que facilita su uso. Por otro lado las ranuras pueden ser organizadas mediante un patrón lineal de modo que todos los campos radiados se sumen en fase logrando una alta ganancia con un ancho de has muy estrecho en el plano de azimut, como se muestra en la figura 1. Figura 1: Diagrama de radiación antena ranurada. Los diagramas de radiación, directividad y el área efectiva de una ranura radiando en todo el espacio son los mismos que el dipolo de λ/2 y la longitud efectiva es el doble. Es posible ver una ranura como una antena físicamente complementaria a un dipolo consistente de los laminas de metal de la misma longitud forma y tamaño que la ranura. De acuerdo al principio de Babinet s los campos producidos por una antena de ranura pueden ser obtenidos directamente por el dipolo complementario a la ranura. Una relación derivada de ese principio es la impedancia de la ranura ecuación (1): Z ranura = 1 η 2 Z λ/2 4 donde η es la impedancia intrínseca del medio y Z λ/2 la impedancia del dipolo complementario. Si consideramos que la impedancia del dipolo es aproximadamente 73 +j42.5 Ω obtenemos: (1) 2

5 Z ranura = (376.7) j Ω 4(73 + j42.5) lo que corresponde una impedancia muy alta. Las admitancias equivalentes Y i de ranuras en guías de onda dependen de la inclinación y posición de las ranuras. La guía de ondas presenta la propiedad de que cada media onda (λ g /2) la impedancia se repite, como resultado las admitancias de todas las ranuras aparecen en paralelo como se muestra en la figura 2 donde cada resistencia representa a una ranura. Hay que recordar que la longitud de onda dentro de la guía de ondas esta dada por: λ g = 1 ( ) 2 ( 1 λ 0 ) 2 1 λ c donde λ 0 es la longitud de onda de la fuente de señal, y λ c la longitud onda de corte, equivalente a dos veces el lado más ancho de la guía de ondas. Para la adaptación de la guía de onda en uno de los extremos se utiliza un transformador de lambda cuarto en corto circuito. Figura 2: Modelo de la antena guía de ondas ranurada. En las antenas ranuradas en guías de onda figura 4 la excitación de las ranuras se produce cuando éstas interceptan líneas de corriente. Así, las ranuras situadas longitudinalmente sobre la línea central de la cara ancha de la guía o transversalmente sobre la cara estrecha, no radiarán. Al separar la ranura del eje central de la cara ancha o inclinarla en la cara estrecha, sí se produce radiación y se puede controlar su nivel mediante un mayor o menor desplazamiento o inclinación. Las ranuras son usualmente cavidades retro excavadas para encerrar el campo y restringir la radiación de un lado del plano metálico. Para lograr una forma de emisiones más estrechas, muchas ranuras son cortadas en la guía de onda. Las ranuras son cortadas en una guía de onda media onda aparte y en lados opuestos de ejes simétricos para lograr coherencia de fase de los campos radiados. Un tipo de antena de impedancia más baja es la ranura doblada figura 3 que tiene un cuarto de la impedancia de la ranura convencional. Las ranuras también se utiliza extensamente como radiadores (en VHF y UHF) como ranuras axiales sobre cilindros circulares conductores, que producen polarización horizontal y situando adecuadamente varias ranuras colineales, se obtiene un diagrama con un haz vertical estrecho y omnidireccional en el plano horizontal Reflectores parabólicos Un reflector diédrico presenta, en general, una ganancia muy reducida y se requieren grandes superficies y ángulos reducidos para conseguir una directividad apreciable. Una configuración 3

6 Figura 3: Ranura doblada alimentada por coaxial. Figura 4: Linea de transmisión rectangular con ranuras excavadas en sus paredes. que permite obtener una directividad elevada utiliza un reflector parabólico como superficie reflectante. El principio de su funcionamiento, heredado de la óptica, consiste en focalizar la potencia incidente en el reflector sobre una fuente primaria situada en su foco. En la figura 5 se muestran cuatro clases de reflectores parabólicos. Figura 5: Reflectores parabólicos Análisis geométrico: La geometría de un reflector parabólico queda totalmente caracterizada por un corte que comprende el eje, cuya forma es la de una parábola: curva que equidista de un punto (foco) y una recta (generatriz). Su ecuación, referida a la figura 6, es: en coordenadas cartesianas : y 2 = 4f(f z ) en coordenadas polares : r = f/cos 2 (θ /2) { y = 2f tg(θ /2) en coordenadas paramétricas : z = f(1 tg 2 (θ /2)) Consideremos la parábola de la figura 6 caracterizada por una distancia focal f. Se establecerá mediante una aproximación de óptica geométrica que cualquier onda emitida del foco será reflejada en el reflector de acuerdo con la ley de Snell, de lo que resulta que la dirección de salida es paralela al eje y que además, los caminos recorridos son iguales, lo que da origen a una onda plana en frente del paraboloide. Esta aproximación equivale a despreciar localmente la curvatura de la parábola al calcular la reflexión de cada rayo. Esta aproximación es suficientemente buena si el radio de curvatura es mayor que λ, lo que siempre sucede en los reflectores parabólicos convencionales. 4

7 Figura 6: Parámetros geométricos de una parábola. Verificamos primero la igualdad de caminos. La tangente a la parábola en un punto P, representada por AP forma un ángulo con el eje dado por las relaciones. tan(α) = dy dz = 2f y = De la que se obtiene, teniendo en cuenta que: y 2 = 4f(f z ) a = f z y a + f z La distancia recorrida desde el foco al punto de incidencia es: r = F P = y 2 + z 2 = 4f(f z ) + z 2 = 2f z = f + a Y la distancia total desde el foco hasta la apertura del reflector: r + (f z a) a = (f + a) + (f z a) a = 2f z a = cte De donde se desprende la igualdad de caminos, de forma consistente con el punto anterior Método de las tres antenas La ganancia de una antena puede obtenerse con la ayuda de una segunda antena idéntica a la primera, sin embargo cuando no se dispone de dos antenas iguales para medir la ganancia se recurre al método de las tres antenas, siendo estas tres diferentes entre si. El esquema de configuración se muestra en la figura 7. Comenzando las mediciones con la antena A y B, intercambiando la B por la antena C, y finalmente cambiando la antena A por la B, teniendo la precaución de que la distancia R de separación y la longitud de onda sea constante para las tres medidas, se obtendrán las siguientes tres ecuaciones: 5

8 Figura 7: Método de las tres antenas. G AG B = G AG C = G BG C = ( ) 2 4πR P R λ P T (2) 1 ( ) 2 4πR P R λ P T (3) 2 ( ) 2 4πR P R λ (4) 3 P T Si ahora transformamos las ecuaciones a 10log 10 () podemos sumar y restar para encontrar la ganancia en cada una de las antenas, obtendremos G A, como ejemplo: Consideraremos K = 20log 10 ( 4πR) y λ G A + G B = K + (P R P T ) 1 (5) G A + G C = K + (P R P T ) 2 (6) G B + G C = K + (P R P T ) 3 (7) Restando las ecuaciones (6) - (7) G A G B = (P R P T ) 2 (P R P T ) 3 (8) ahora (8) + (5) y despejando G A : G A = 1 2 (K + (P R P T ) 1 + (P R P T ) 2 (P R P T ) 3 ) (9) 5. Procedimiento Para la ejecución de laboratorio se debe contar con los equipos u/o materiales indicados en la tabla 1. 6

9 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 Carga ajustables PM7216X 2 Antenas Horn PM7320X/01 2 Antena Parabólica SL Antena Ranurada SL 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 5.1. 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. 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 sintonizado en 9.5 GHz, frecuencia 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 Patrón de radiación para antena parabólica 1. Separe las antenas apropiadamente y alinee el sistema para máxima indicación en el analizador de espectro. [Nota]: La onda debería teóricamente ser plana después de reflejarse 7

10 en el paraboloide y la condición normal de separación de distancias no es necesaria, no así en antenas ranuradas. 2. Minimice las fuentes de reflexión alrededor. 3. Mida el patrón de radiación como lo realizó durante el laboratorio 1 y registre los datos en la tabla 2. [Nota]: Sea cuidadoso de no rotar la antena parabólica más de 90 o, de otra manera la aguja de la unión rotatoria puede rayar la antena. 4. Dibuje el patrón de radiación de la antena con las medidas de la tabla Mida el ángulo de donde la potencia recibida decae 3 db con respecto a al máximo valor registrado, registre este valor. s Tabla 2: Registro mediciones de potencia recibida. Plano de azimuth Plano de elevación Grados Potencia mw Potencia dbm Grados Potencia mw Potencia dbm : : : : Patrón de radiación para antena guía de onda ranurada. 1. Implemente el setup apropiado, incorporando la antena ranurada y la carga adaptable. 2. Encienda el sintetizador de microondas y ajuste la frecuencia a 9.5 GHz. 3. Separe las antenas a la distancia de campos lejanos y alinee el sistema para máxima indicación en el analizador de espectros. La escala de la unión rotatoria debe mostrar 90 o cuando las antenas estén alineadas. 4. Sintonice la antena ranurada con el terminal adaptable para tener máxima indicación en el analizador de espectros. 8

11 5. Mida el diagrama de radiación como en la experiencia anterior, pero continúe no más allá de 60 o desde el principio. Registre (tome como referencia la tabla 2). 6. Dibuje e patrón de radiación. 7. Para medir la ganancia de las antenas, conecte la transmisora con una E-BEND, para fijar su dirección, y alinee correctamente Medición de ganancia utilizando el método de las tres antenas 1. Prepare el setup según su diseño incorporando una antena parabólica en el lado transmisor y una antena horn en el lado receptor. La unión rotatoria es reemplazada por la E-BEND. 2. Encienda el sintetizador de frecuencias sintonizado en 9.5 GHz. 3. Separe las antenas por lo menos a 2 metros (apertura a apertura) y alinea el sistema para máxima lectura en el analizador de espectro. La escala de la unión rotatoria debe mostrar 90 o cuando las antenas estén alineadas. 4. Ajuste apropiadamente el atenuador de aspa rotatoria. 5. Mida en el analizador la potencia recibida y registre. 6. Reemplace la antena horn por la antena ranurada, modifique la distancia mínima de separación entre las antenas. Repita los pasos del 3 al 5. Registre en la tabla 3. Tabla 3: Potencia recibida, en cada configuración de antenas. Parabólica-Horn Parabólica-Ranurada Horn-Ranurada Frecuencia [MHz] Pot. Transmisión P r [dbm] P r [dbm] P r [dbm] Reemplace la antena horn por la antena ranurada. Desconecte la antena horn de recepción. Conecte la antena ranurada mediante una E-BEND a stand adaptor para que las ranuras apunten directamente el transmisor. [Nota]: Mantenga la distancia R constante. 8. Repita los pasos anteriores y registre en la tabla Intercambie la antena parabólica por la antena horn y repita nuevamente los pasos anteriores. Registre en la tabla Mida la potencia de alimentación de la antena. 11. Calcule la diferencia entre potencia recibida y transmitida, (P R P T ), para cada combinación de antenas. ( 12. Calcule K en db, K = 20 log 4πR ) 10 λ. 13. Complete la tabla 4, donde G A, G B y G C son las ganancias de la antena parabólica, antena horn, y antena ranurada, respectivamente. 9

12 6. Preguntas Tabla 4: Resumen de ganancias de cada Antena Ecuación G B = K + (P R P T ) 1 G A G C = K + (P R P T ) 2 G A Valor [db] Durante el desarrollo de su informe, debe responder las siguientes preguntas: Cómo afecta la atenuación del atenuador de aspas rotatorias al experimento? Por qué no debe variarse la distancia entre antenas, para medir ganancia? Comparar las características entre las antenas Ranurada y Parabólica? 7. 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. 10