Laboratorio 3 Antenas

Transcripción

1 Departamento de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniría Universidad de Concepción Concepción, Chile. Laboratorio 3 Antenas Antenas helicoidales y polarización Ayudantes: Julio Santana, Octavio Zapata Profesor: Vladimir Chtcherbakov 15 de enero de 2012

2 Índice 1. Objetivos Objetivos generales Objetivos específicos Conocimientos requeridos 1 3. Restricciones 1 4. Conocimientos teóricos Introducción Polarización Procedimiento Equipamiento General Patrón de radiación para antena helicoidal Ganancia de la antena helicoidal Estudio de antenas con polarización circular en sentidos opues-tos Medición de polarización 9 7. Preguntas 9 8. Autores 9 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 helicoidal. Determinar la polarización de una antena desconocida. Manejar los conceptos de campo cercano, campo lejano y cuando aplicarlos. Conocer y comprender los principios de operación del setup del laboratorio, sus características de funcionamiento, en especial de los componentes nuevos del setup como la antena helicoidal y espejo reflector 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 para determinar la polarización de una antena desconocida. 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 Nunca mires directamente en una guía de ondas energizada o te expongas al diagrama de radiación de las antenas. 4. Conocimientos teóricos 4.1. Introducción Una antena helicoidal (fig. 1 )es probablemente una de las estructuras de antenas más simples de construir. Especialmente cuando se requiere de polarización circular. Mantiene su impedancia 1

4 y sus características de radiación sobre un ancho de banda importante. La antena helicoidal tiene muchos modos de radiación, pero los más comunes son el modo axial y el modo normal de radiación. El modo normal de radiación se presenta cuando el largo de onda es mucho mayor a las dimensiones de la antena y se caracteriza por tener un campo radiación máximo en el plano perpendicular al eje y mínimo en el eje de la antena. El modo axial de radiación se presenta cuando el perímetro de espira que forma el helicoide es cercano a un largo de onda. Al contrario del modo normal se caracteriza por tener un campo radiado máximo en su eje y lóbulos menores a los lados. La antena antena helicoidal debe ser vista como un tipo básico de antena, con su familiar más cercano las antenas tipo loop. Figura 1: La Antena Helicoidal y sus componentes en un loop De acuerdo a la figura 1 la linea axial de largo l igual a la distancia entre las espiras radia como un dipolo eléctrico, y la espira plana de área A, normal al eje, irradia como un dipolo magnético. La radiación de cada tipo es proporcional al momento del dipolo. Una corriente alterna de amplitud I, frecuencia ω, que fluye en un conductor corto de largo l produce un dipolo eléctrico de momento: Idt = Il (1) jω El correspondiente momento magnético de un dipolo de área A en un medio de permeabilidad magnética µ, es IAµ. Los campos de radiación resultantes a una distancia dada R, para ambos dipolos tiene una proporción determinada por el cociente de los momentos de los dipolos. El cociente de los componentes unidos en los ejes de los dipolo es: jωµh m jωɛe e = IAµ Il/jω Dado que Ee H e = Em H m = µ = Z, donde H ɛ e y E m son, respectivamente, la intensidad magnética para el dipolo eléctrico y la intensidad eléctrica para el dipolo magnético, entonces el cociente de las intensidades es: E e = H m = Z H m = jµωa (3) E m H e E e Zl Esto muestra que los correspondientes campos de dos ondas de polarización cruzadas están en cuadratura de fase. (2) 2

5 CD La condición para la igualdad de componentes cruzados se cumple si A = ld, donde d es la longitud radial, con d = 1/(ω ɛµ) Polarización El campo eléctrico instantáneo de una onda plana viajando en la dirección negativa z puede ser escrito como: donde los componentes pueden ser escritos como: E(z, t) = E x (z, t)ˆx + E y (z, t)ŷ (4) E x (z, t) = E x cos(ωt + kz + φ x ) (5) E y (z, t) = E y cos(ωt + kz + φ y ) (6) E x y E y corresponden a las máximas magnitudes del campo en ambos componentes. De aquí es posible obtener tres clases de polarizaciones dependiendo de las diferencias de fase φ = φ x φ y. E y B C E(z,t) E x AB D A Figura 2: Descomposición en el plano del vector instantáneo de campo eléctrico de un frente de onda plano. Polarización lineal: Ocurre cuando la diferencia de fase entre los componentes es múltiplo de π, equivalente a tener uno de los componentes nulo. φ = φ x φ y = nπ, n=0, 1, 2,... 3

6 Polarización circular: Esta polarización puede ser lograda solo cuando los componentes son de igual magnitud y la diferencia de fase entre ellos es un múltiplo impar de π/2. Esto es: E x = E y = E La ecuación 4 puede ser escrita como: E(z, t) = E cos(ωt + kz)ˆx + Esen(ωt + kz)ŷ, RHCP (7) E(z, t) = E cos(ωt + kz)ˆx Esen(ωt + kz)ŷ, LHCP (8) RHCP se refiere a Right Hand Circular Polarization y LHCP a Left Hand Circular Polarization. Polarización elíptica: Esta polarización se logra solo cuando la diferencia de fase entre ec. 5 y ec. 6 es un múltiplo impar de π/2 y además: E x E y La ecuación 4 puede ser escrita como: E(z, t) = E x cos(ωt + kz)ˆx + E y sen(ωt + kz)ŷ, RHCP (9) E(z, t) = E x cos(ωt + kz)ˆx E y sen(ωt + kz)ŷ, LHCP (10) Para la polarización elíptica la curva trazada a una posición dada como función del tiempo es una elipse inclinada como la mostrada en la figura 2. E y E y E y E(z,t) E x E(z,t) E x E(z,t) E x Lineal Circular Elíptica Figura 3: Vector de campo para las polarizaciones lineal, circular, y elíptica. En la figura 3 se muestra el vector de campos para cada una de las polarizaciones. Es posible obtener polarización elíptica con la suma de dos ondas de polarización circular RHCP y otra 4

7 LHCP de diferente magnitud. Del mismo modo es posible obtener una polarización lineal con la suma de dos ondas de polarización circular RHCP y LHCP de igual magnitud. Como hemos visto la polarización se ha expresado en términos de componentes de campo eléctrico, pero para polarización de una antena generalmente es definida en término de la orientación del vector de campo eléctrico en la dirección de máxima radiación. La reflexión de una onda incidente sobre una placa metálica causa una rotación de 180 o en el vector de campo eléctrico, por lo que una onda de polarización circular con sentido RHCP (mano derecha), cambiará a RHCP (mano izquierda). La ganancia de una antena no lineal puede ser obtenida midiendo la ganancia parcial de cada componente ortogonal donde la ganancia de la antena corresponderá a la suma de las ganancias parciales. 5. Procedimiento 5.1. Equipamiento Para la realización del laboratorio se requiere los siguientes equipos u/o materiales. 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 1 Guía de onda cuadrada PM7336X 2 Soporte guía de ondas PP4000X 2 Rotary joint PM7888X 1 Guía de onda twist PP4035X 3 E-bend PP4025X 1 H-bend PM7350X 1 Huincha de medir Genérica 2 Antenas helicoidal RHCP 1 Antenas helicoidal LHCP 3 Adaptador guía de ondas a N 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. 5

8 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 helicoidal 1. En la sección de transmisión conecte la antena RHCP, y en el lado del receptor la antena RHCP. 2. Separe las antenas apropiadamente y alinee el sistema para máxima indicación en el analizador de espectro. 3. Minimice las fuentes de reflexión alrededor. 4. Mida el patrón de radiación como lo realizó durante el laboratorio 1 y registre los datos en la tabla 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. 7. Modifique el setup para realizar mediciones en elevación y repita los pasos anteriores Ganancia de la antena helicoidal 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 esto debe sacar la antena y medir en la guía de ondas que la alimenta. 4. Conecte la antena helicoidal RHCP. 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 una separación adecuada entre las antenas. 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 entre las antenas. Registre en la tabla (3). 9. Repita los pasos del 1 al 8 pero con la antena rotada en 90 o. Esto es con el objetivo de determinar la ganancia parcial en el otro componente. 10. Calcule la ganancia de la hélice como G = G 0 + G 90. Tabla 3: Mediciones de ganancia. Rotación Atenuador Distancia P T P R 20 log ( 4πR λ 0 ) 0 o R = G 0 = 90 o R G 90 = Ganancia parcial 5.5. Estudio de antenas con polarización circular en sentidos opuestos Arme el setup utilizado para la medición de ganancia pero use en ambos lados la antena RHCP. 7

10 Con las antenas alineadas y separadas a 1 [m], ajuste la atenuación a un valor adecuado. Registre la potencia recibida en la tabla 4. Cambie la antena de recepción por la helicoidal de polarización LHCP y registre en la tabla 4. Utilizando una placa metálica plana refleje la onda incidente en 90 o de manera que el receptor y transmisor esten alineados con respecto al rayo reflejado, figura 4 a). Registre los valores de potencia recibida para manteniendo la misma distancia para las combinaciones RHCP-RHCP, y RHCP-LHCP. Modifique el setup para que las antenas queden en paralelo como muestra la figura 4 b) y mida las potencias recibidas a una distancia de separación de 10, 20 y 30 cm. Placa metálica 45 o 10, 20, 30 cm a) b) Figura 4: Setup mediciones reflexiones y acoplamiento en paralelo. Tabla 4: Registro mediciones de potencia recibida. Combinación P T X db P RX db P T X P RX db RHCP-RHCP RHCP-LHCP RHCP-RHCP RHCP-LHCP RHCP-RHCP Alineadas de frente Con reflector metálico En paralelo 8

11 6. Medición de polarización 1. Arme nuevamente el setup para mediciones de patrón de radiación pero esta vez cambie la antena receptora con una antena horn. 2. Fije una potencia de transmisión adecuada utilizando el atenuador de aspa rotatoria. 3. Registre la potencia recibida en función del ángulo de azimut en saltos de 10 o. 4. Gire la antena horn 90 o de manera tal que sea posible realizar mediciones de la componente horizontal del campo y repita los pasos anteriores. 5. Repita los paso anteriores para la antena helicoidal con polarización LHCP. 6. Construya un gráfico del diagrama de radiación con respecto al ángulo de giro para cada una de las polarizaciones. 7. Describa como sería la polarización teórica de una antena de polarización circular perfecta. 8. Realice conclusiones. 7. Preguntas Durante el desarrollo de su informe debe responder las siguientes preguntas: Es posible determinar la polarización de una antena desconocida con una antena helicoidal, o con dos?. Explique. Enumerar y describir algunas aplicaciones comerciales de las antenas helicoidales. Porqué las antenas helicoidales son útiles para la reducción de efectos por múltiples trayectorias? 8. 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. 9