Laboratorios de Antenas - Pruebas de ROS y patrones de radiación
1. Laboratorios de
Antenas
Pruebas de Relación de onda Estacionaria y
Patrones de Radiación.
Edgar Ferney Mancipe – Leandro Alfonso González – Julián Patiño Bernal
Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica
Bogotá D.C.
2. 1. Objetivos
Analizar los conceptos de radiocomunicación por medio de la práctica de laboratorio.
Elaborar los patrones de radiación de las antenas estudiadas en clase.
Lograr gráficas de patrones que asemejen las gráficas teóricas de las antenas.
Analizar los conceptos de radiocomunicación por medio de la práctica de laboratorio.
Medir la resistencia de radiación de las antenas del laboratorio.
Obtener la gráfica entre relación de onda estacionaria y frecuencia.
2. Marco teórico
Radiocomunicación
Es el proceso de transmisión de señales por medio de modulación de ondas electromagnéticas.
Estas radiaciones no requieren un medio físico de transporte, por lo que pueden propagarse tanto
a través del aire como del espacio vacío.
¿Qué es un radioenlace?
Se denomina radio enlace a cualquier interconexión entre los
terminales de telecomunicaciones efectuados por ondas
electromagnéticas. Es el conjunto de equipos de transmisión y
recepción necesarios para el envío vía radio de una señal de uno a
otro nodo o centro de una red.
Un radioenlace consta de un equipo transmisor/receptor en
ambos lados más los accesorios necesarios (fuentes de
alimentación o baterías, torres, cables y accesorios menores). Un
radioenlace puede trasladar sólo una señal o varias de forma
simultánea, según cuál sea su diseño.
¿Qué es una impedancia?
La impedancia es la resistencia que opone un componente PASIVO (resistencia, bobina,
condensador) al paso de la corriente eléctrica alterna.
Vamos a decir que la impedancia (que es en realidad un número complejo y se representa con la
letra Z) tiene 2 partes, una real (la resistencia) y otra imaginaria (la reactancia).
3. La impedancia de una resistencia, es el valor mismo de la resistencia
La impedancia de un inductor es:
La impedancia de un capacitor es:
En ambas, y (F es la frecuencia de trabajo en hertz).
La reactancia de un capacitor la cual se expresa con Xc se calcula de la siguiente forma:
Xc se expresa en ohms y es la reactancia CAPACITIVA.
La reactancia de un inductor la cual se expresa con Xl se calcula de la siguiente forma
Xl se expresa en ohms y es la reactancia INDUCTIVA.
Nótese la diferencia de signos.
En electrónica adaptar o emparejar las impedancias, consiste en hacer que la impedancia de salida
de un origen de señal, como puede ser una fuente de alimentación o un amplificador, sea igual a la
impedancia de entrada de la carga a la cual que se conecta. Esto con el fin de conseguir la máxima
transferencia de potencia y aminorar las pérdidas de potencia por reflexiones desde la carga. Este
sólo aplica cuando ambos dispositivos son lineales.
Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de
entrada. Z=V/I. La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina
Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de
la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes
cuando se anula su reactancia de entrada.
4. 3. Montaje y medición
Laboratorio No. 1. Relacion de onda
estacionaria.
Se realizará el montaje para la elaboración de los patrones de radiación de las antenas estudiadas
en clase. Para esto, vamos utilizar los siguientes elementos:
Antena de Dipolo invertido
Antena Plano de Tierra
Vatímetro para RF DRAKE W-4
Transmisor-receptor YAESU FT 101-B
Analizador Vectorial de Redes ANRITSU
Las diferentes antenas estudiadas en clase:
o 1 antena Yagi grande
o 1 antena Yagi pequeña
o 1 antenas Dipolo λ/2
o 1 antena Dipolo 3 λ /2
o 1 antena Dipolo 3 λ /4
o 1 antena Gregoriana
Con la ayuda del Analizador Vectorial de redes se procede a medir la impedancia de cada una de
las antenas del laboratorio.
Antena Yagi Grande
7. Antena Gregoriana
Utilizando el vatímetro, el transmisor YAESU y la antena de polarización horizontal se realizará un
barrido de frecuencia para medir la potencia incidente y potencia reflejada.
10. Empleando la frecuencia 14.130 MHZ se realiza una llamada desde HK3EMB a TI3VWR
Cálculo del recorrido que realiza la onda.
Para calcular el trayecto que viaja la radiación entre Bogotá D.C., Colombia y la ciudad de Atenas
en Costa Rica, es necesario conocer la distancia que separa a las dos ciudades. Utilizando la
herramienta Web Daft Logic, obtenemos dicho recorrido teniendo en cuenta la curvatura de la
tierra.
Los valores que se utilizarán serán los siguientes:
Radio de la tierra (r) = 6380km.
Longitud de arco entre Bogotá D.C. y Atenas (la): 1285.5Km.
Distancia a la ionosfera (d): 400Km.
Primero se calcula el ángulo que forman las dos ciudades con respecto al centro de la tierra.
la r * r
1.285x106 m r * 6.380 x106 m
11. 1.285 x10 6 m
r 0.201rad
6.380 x106 m
Empleando el Teorema del Seno
a r
SenA
Sen
2
a 6.380 x10 6 m
Sen(0.201rad )
Sen rad
2
6.380 x10 6 m
a Sen(0.201rad ) * 6.416 x10 6 m
Sen rad
2
Por Teorema de Pitágoras, se calcula la distancia c
c r 2 a2
c (6.380 x106 m) 2 (6.416 x106 m) 2 6.347 x106 m
f d e
e (r d ) c
e (6.380 x106 m 4.00 x105 m) 6.347 x106 m 4.324 x105 m
f 4.00 x105 m 4.324 x105 m 8.323x105 m
l1 f 2 a2
l1 (8.323x105 ) 2 6.416 x106 ) 2 1.050 x106 m
l1 1050.969Km
Como
l1 l 2
La distancia que viaja la radiación es de 2101.939 Km.
12. Laboratorio No. 2. Patrones de
radiacion.
Con el siguiente laboratorio se realizará el montaje para la elaboración de los patrones de
radiación de las antenas estudiadas en clase. Para esto, vamos utilizar los siguientes elementos:
Fuente de 310 MHz UHF
Antena direccional de 6 elementos (antena Yagi grande)
Analizador de espectros ANRITSU
Las diferentes antenas estudiadas en clase:
o 2 antenas Dipolo l/2
o 1 antena Dipolo 3l/2
o 1 antena Yagi pequeña
o 1 antena Gregoriana
o 1 antena Log Periódica
a. Conexión.
Para la primera parte vamos a conectar la antena que
emplearemos como la antena direccional al cual va a
irradiar el tono que se produce por la fuente de 310
MHz. El espacio de ubicación debe ser amplio para
evitar posibles interferencias con alguna
infraestructura. Para este caso, la antena que
emplearemos como directiva es una Antena Yagi de 6
elementos, que debe ajustada de manera horizontal
respecto a la superficie. La imagen anexa muestra la
posición de la antena instalada con el generador
conectado.
b. Instalación de antenas
Después de instalarse la antena direccional, vamos a comenzar a instalar las antenas a las que les
vamos a hacer el análisis del patrón de radiación. Las antenas quedaran dispuestas al frente de la
direccional a una distancia que será la distancia mayor de la distancia de campo cercano. Como se
recuerda, el campo cercano se despeja con la siguiente ecuación:
Distancia de campo cercano ⁄
13. Como la frecuencia de nuestro generador es , entonces podemos despejar de la
siguiente ecuación:
Longitud de onda ⁄ donde ; entonces decimos que
Ahora con el valor de despejamos el valor de ⁄
De esta manera, podemos ubicar las antenas a una distancia superior de 15.40 cm. En este caso, la
ubicación de las antenas será a una distancia de 2 m.
Ahora, vamos a colocar las antenas a las que
queremos diseñar los patrones de radiación, en un
soporte elaborado con el fin de poder hacer una
medición del valor , el cual corresponde al valor de
azimut de la antena. Este soporte consta de una guía
hecha con alambre y una circunferencia con unas
marcas de ángulos con separación de 10°. Así
mismo, tiene en la base una balinera que permite
que el eje se pueda rotar y así nuestra antena podrá
girar sobre el eje Z. La figura de este soporte se
encuentra en la imagen adjunta.
La medición se realizará con cada una de las antenas, comenzando en 0° hasta dar un giro
completo (360°). La rotación del ángulo se realizará cada 10° para que las mediciones nos
arrojen valores cercanos a los reales.
c. Mediciones
Ubicando las diferentes antenas frente a la direccional,
vamos a comenzar a hacer una medición de la
potencia recibida en el analizador de espectros
Anritsu. Este analizador cuenta con una gran
sensibilidad que permite capturar valores muy exactos
en un Span horizontal bastante amplio.
A medida que comenzemos a rotar la antena cada 10°
sobre el eje Z, podemos observar que los valores de la
potencia medida por el analizador cambia. Los valores obtenidos se consignan en una tabla
tabulada en Excel, para después poder normalizar y graficar los datos resultantes. Estos valores
graficados, serán los que determinen si el patrón de radiación se asemeja a los patrones reales de
los tipos de antenas o no.
14. d. Resultados
Después de realizar el proceso de medición, se organiza la información en una tabla que permita
ajustar los valores obtenidos en dBm a unos valores en W (vatios) con el fin de normalizar los
valores. Cuando miramos la tabla resultante, los valores expresados en vatios son valores muy
pequeños, entonces para efectos de graficar dichos resultados, vamos a dejar los rangos de
valores expresados entre 0 (cero) y 1 (uno). Para esto, vamos a buscar el valor máximo obtenido
en la antena y después ese valor lo vamos a dividir entre los demás valores; al hacer esto, el valor
máximo obtendrá el valor de 1 (uno), y los demás pues serán los valores inferiores de 1 (uno).
Entonces, los valores obtenidos se muestran a continuación.
Antena /2
Ángulo Pot Pot Normalizado 180 -7,94 0,00016069 0,02393316
[dBm] [W] 190 -1,96 0,0006368 0,09484185
0 -16,07 2,4717E-05 0,00368129
200 1,19 0,00131522 0,19588447
10 -16 2,5119E-05 0,00374111
210 3,86 0,0024322 0,362243
20 -2,86 0,00051761 0,07709035
220 5,46 0,0035156 0,52360044
30 0,12 0,00102802 0,15310875
230 6,41 0,00437522 0,65162839
40 1,43 0,00138995 0,20701413
240 7,56 0,00570164 0,84918048
50 4,5 0,00281838 0,41975898
250 8,08 0,00642688 0,95719407
60 5,84 0,00383707 0,57147864
260 8,27 0,00671429 1
70 7,2 0,00524807 0,7816278
270 8,23 0,00665273 0,99083194
80 7,57 0,00571479 0,85113804
280 7,61 0,00576766 0,85901352
90 7,98 0,00628058 0,93540567
290 6,7 0,00467735 0,69662651
100 7,98 0,00628058 0,93540567
300 5,29 0,00338065 0,50350061
110 7,45 0,00555904 0,82794216
310 3,54 0,00225944 0,33651157
120 6,16 0,00413048 0,61517687
320 1,03 0,00126765 0,18879913
130 4,68 0,00293765 0,43752211
330 -1,86 0,00065163 0,097051
140 3,19 0,00208449 0,31045596
340 -6,12 0,00024434 0,0363915
150 -0,08 0,00098175 0,14621772
350 -12,01 6,2951E-05 0,00937562
160 -2,58 0,00055208 0,08222426
360 -12,62 5,4702E-05 0,00814704
170 -8,87 0,00012972 0,01931968
19. Patrón Log Periódica
0
350 360 10 20
340 30
330 40
320 50
310 60
300 70
290 80
280 90 Log Periódica
270 100
260 110
250 120
240 130
230 140
220 150
210 160
200 190 180 170
4. Análisis de resultados
Tras obtener los valores del analizador de espectros y tras hacer la medición, hemos podido
observar las gráficas resultantes de los patrones de radiación de cada una de las antenas. En este
caso, podemos ver que las antenas han trabajado de manera correcta y nos han mostrado los
patrones más similares a los reales. Sin embargo, podemos detallar algunas irregularidades que
describiremos a continuación:
a. Las gráficas no muestran los patrones exactamente a los idénticos: Esto se debe a
diferentes problemas o inconvenientes durante la práctica, como la inclinación de la
antena al momento de rotarla sobre el eje Z esto debido a problemas de peso de la
misma, o en el momento de hacer los giros el cable que iba conectado entre la antena y el
analizador se enrollaba sobre el eje, lo cual también podía convertirse en una interferencia
sobre la señal. Otra situación es que al momento de girar, el mismo compañero que se
encargaba de realizar los giros en las antenas podía generar una interferencia, por lo que
eso también esto genera unos cambios en los valores.
b. Los detalles de las gráficas no son precisos: En algunas gráficas se perdieron varios detalles
que permitieran tener una gráfica más completa, esto pues por la cantidad de grados
escogidos al momento de realizar el experimento. Si los valores de los grados se hubiesen
reducido a la mitad, es decir, 5° (cinco grados), los resultados se hubiesen evidenciado con
gráficas más completas.
20. c. El patrón de la antena Gregoriana no corresponde al patrón real de una antena parabólica:
Lo sucedido con esta antena es que en la parte posterior de la antena, también tenía
conectada una pequeña antena Dipolo Whip, el cual se dejó estirada. Sin embargo, la
funcionalidad de la antena es mínimo, pues podemos verificar con la gráfica que quien
recibía la radiación de la antena direccional era el dipolo que se encontraba en la parte
posterior y no el plato.
Aun con estos problemas que representaron un inconveniente al momento de realizar la práctica,
se puede pensar que el laboratorio es más que satisfactorio: los resultados adquiridos son unos
valores bastante aproximados a los valores reales. Los patrones si bien presentan algunas
deformaciones en los lóbulos, se pueden apreciar con bastante detalle, por lo que sí tienen
semejanza los patrones adquiridos en laboratorio con los correspondientes a las antenas reales.
5. Conclusiones
Después de revisar la información obtenida en el laboratorio, podemos llegar a las siguientes
conclusiones:
A pesar de no contar con un laboratorio diseñado para antenas, se pueden realizar
prácticas educativas con elementos básicos y lograr resultados bastante precisos y
exactos.
La exactitud del analizador de espectro permitió que al momento de tabular la
información adquirida reflejara los resultados que se querían obtener: patrones de
radiación semejables a los patrones reales de las antenas estudiadas.
En el momento de realizar la práctica, elementos como el cable, interferencias causadas
por los compañeros o el mismo salón, ruidos externos causados por celulares u otros
dispositivos, generan un gran impacto que hacen que los valores obtenidos hayan
presentado algunas irregularidades o hayan variado en el momento de la medición.
La fabricación de un soporte mejorado para las antenas receptoras podría permitir que los
valores obtenidos pudiesen ser mejores, ya que la inestabilidad de la base también causo
algunas irregularidades en el momento de realizar la medición de la antena.
Una antena de polarización horizontal, permite que se pueda usar la ionosfera para
incrementar el alcance de las comunicaciones de radio.
Utilizando el Vatímetro de RF para medir los niveles de potencia incidente y potencia
reflejada, se puede establecer el valor de la relación de onda estacionario para diferentes
frecuencias.