Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
Teoría de Radiadores Electromagnéticos Práctica 1 Teoría de Elementos, Descripción y Operación del Equipo de Laboratorio
Grupo: 5CM6
Profesora: M en C. Pilar Gpe. Gutiérrez Moreno Integrantes del equipo Moreno Ramírez Luis David
2013300742
Saldaña Jiménez Daniel
2013301736
Iván Mendoza Bernal
2013300182
Antonio Pelaes Misael
2013300524
Calificación:_______ México, D.F., a 26 de Junio de 2015
Objetivo Que el alumno se familiarice y a prenda a utilizar el equipo de laboratorio de teoría de radiadores, así mismo se le enseñara 2 tipos diferentes de acoplamientos para poder revisar las siguientes prácticas y configuraciones de antenas de laboratorio. Introducción teórica Antenas Una antena es un dispositivo diseñado con la finalidad de emitir o recibir ondas electromagnéticas, las cuales son parte de un sistema transmisor y receptor. Es el dispositivo más importante en la red. Su principal función de la antena es radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas a la aplicación, su otras función son transmitir y recibir, imponiendo cada aplicación condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar, frecuencia de trabajo y otros parámetros que definiremos posteriormente. Las antenas se pueden clasificar de distintas maneras de acuerdo a su funcionalidad es así como nos podemos encontrar con antenas que deben expandir la potencia radiada (es decir que no tengan una dirección definida), las cuales se usan en emisoras de radio por ejemplo. Pero también las antenas pueden canalizar la potencia en una dirección de tal manera que no intervenga con otros servicios (como es el caso de antenas entre estaciones). En la actualidad las antenas son muy utilizadas por el ser humano, tanto en la vida cotidiana como para el uso científico e industrial. En específico las antenas se utilizan siempre que se necesita hacer un intercambio de información de forma inalámbrica. En un hogar común se pueden encontrar diversos ejemplos del uso de antenas, como lo son las antenas de celulares, las antenas en los modem y routers de internet, antenas de teléfonos inalámbricos, antenas satelitales para la
recepción de televisión, étc. A continuación se nombrarán los usos más comunes que se le dan a las antenas:
Radiodifusión y Televisión Radares Celulares y teléfonos inalámbricos Radioastronomía Transmisión de Wi-Fi Comunicación inalámbrica en general.
Parámetros Diagrama de Radiación Es un gráfico (generalmente en coordenadas polares o esféricas) que representa las características de la radiación en una antena. Generalmente ene l diagrama de radiación se gráfica la potencia irradiada por la antena y su escala en decibeles, pero también existen otros tipos de diagramas como diagramas de polarización y de fase. Es común que en los diagramas de radiación solo se presente el efecto de los campos lejanos ya que estos son los más influyentes a grandes distancias para las cuales se aplican usualmente las antenas. Del diagrama de radiación se pueden obtener la dirección de mayor radiación de la antena, lo que se conoce como lóbulo principal, otras direcciones de alta radiación, los lóbulos secundarios y las direcciones donde la radiación es mala, llamadas nulls, también se puede calcular el ancho de haz. Todos estos parámetros caracterizan completamente las direcciones de radiación de la antena.
Figura 1 - Ejemplos de diagramas de radiación. Tipos de Polarización La polarización de una antena corresponde a la polarización de los campos irradiados por estar, evaluados en un campo lejano. Normalmente se clasifican en: polarización lineal o circular o elíptica. Es importante hacer esta clasificación ya que por ejemplo una antena con polarización horizontal no se podrá comunicar con una vertical. Por reciprocidad las antenas deben transmitir y recibir de la misma manera. Si dos antenas linealmente polarizadas están rotadas en un cierto ángulo, habrá una pérdida de potencia dada por la expresión PLF (factor de pérdida por polarización).
Figura 2- Polarización Lineal, Circular, Eliptica. Antena Monopolo Es una antena solo presenta un cable, que es el encargado de la radiación, la otra parte de la alimentación está conectado a tierra. Generalmente el cable tiene un largo de un cuarto de longitud de onda, por las mismas razones que la antena de dipolo de media longitud de onda. Gracias al método de imágenes se puede demostrar que la antena monopolo tiene el mismo comportamiento que la antena de dipolo, pero irradia la mitad de la potencia. La ventaja de estas antenas es que tiene una construcción más simple y tienen más estabilidad en las superficies que la antena de dipolo. Una gran utilidad que tienen en las torres de transmisión, de emisoras de radio, televisión o celulares, donde básicamente toda la estructura metálica actúa como la antena.
Figura 3 – Monopolos en la práctica y diagrama del mismo.
Figura 4 - Diagrama de radiación de una antena monopolo en 3D con MATLAB
Desarrollo experimental Descripción del equipo Plano de tierra Muchas antenas necesitan de un plano de tierra, en nuestro caso en particular al ser una antena tipo monopolo esta requiere de uno. El plano de tierra que se encuentra en el laboratorio es una lamina galvanizada, un ejemplo de plano de tierra usado en la práctica, es el techo de un automóvil, como por ejemplo las antenas tipo monopolo que se colocan en la parte superior de los taxis, ya que ellos necesitan comunicarse vía radio y esta antena les es muy útil. El plano de tierra del cual disponemos posee un sintonizador, el cual es una perilla de control. Nuestro plano de tierra está dirigido para hacer pruebas de laboratorio, por lo tanto en la parte superior de este, se encuentran dos orificios en los cuales se pueden conectar diferentes tipos de antenas. El plano de tierra que se encuentra en el laboratorio se muestra en la figura 5.
Figura 5 – Plano de tierra, se observa en la parte superior el lugar donde se colocan las varillas que funcionan como antenas y en la parte de enfrente el sintonizador.
Generador de radiofrecuencia El generador de radiofrecuencia mostrado en la figura 6, consiste en un aparato que produce señales de radio, esto con el fin de verificar el equipo de transmisión y recepción. Este aparato cuenta con un medidor analógico el cual nos permite realizar mediciones rápidas de cuál es la potencia transmitida o reflejada según sea el caso.
Figura 6 – Generador de radiofrecuencia.
Detectores de voltaje-corriente y radiación El generador de radiofrecuencia, además de contar con un medidor de potencia, también tiene dos detectores los cuales deben de estar conectados al generador para que estos se carguen. Una vez cargados estos se pueden desconectar y realizar mediciones de voltaje y corriente al mismo tiempo o de la radiación que emite la antena, ya que estos aparatos cuentan con una batería propia, podemos alejar mucho el detector de radiación y aun así funcionaria, pues este dependerá de que tanto radie la antena. En el caso del detector de voltaje y corriente se tiene que acercar a las varillas y asi se puede conocer de manera rápida estos dos parámetros, ya que estos aparatos nos muestran mediciones de forma cuantitativa al encender pequeñas luces que indican el nivel de voltaje o corriente, según sea el caso. Estos 2 aparatos se pueden observar en la figura 7.
Figura 7 – A la izquierda se observa un detector de radiación, el cual enciende un foco que se encuentra en la parte posterior de este cada que detecta radiaciòn y a la derecha un detector de voltaje y corriente, las líneas indican que tanta corriente o voltaje hay en la antena. Caja de accesorios En la figura 8 podemos apreciar los elementos que se encuentran en la caja de accesorios los cuales son distintos componentes que se complementan al momento de tomar las mediciones -1 pila de 5V -Alambre en espiral con terminación banana-banana. -Puntas para unión de varillas -Seguros sujetadores de varillas -Separadores -Transportador -Flexómetro
Figura 8 – Elementos que componen la caja de accesorios. Varillas (antenas) En las paredes del laboratorio hay mostradores con diferentes tipos de varillas (como el mostrado en la figura 9), las cuales nos serviran durante el transcurso del curso para armar distintos tipos de antenas.
Figura 9 – Mostrador el cual contiene varillas que sirven como antenas. Material empleado En la presente practica se usaron los siguientes materiales e instrumentos. -
Plano de tierra Generador de radiofrecuencias Detector de corriente – voltaje Detector de radiación 2 varillas del núm. 21 1 varillas del núm.13 1 varillas del núm. 4 Caja de accesorios Transportador
Operaciòn y ajuste de demostrador – Acoplamiento A 1.
Observar la perilla del plano de tierra este en 5.
2.
Observe que el indicador de color verde este encendido.
3.
Observe que la palanca este en foward.
4.
Colocar la varilla núm. 13 en el orificio de en medio del plano de tierra
5.
Ajuste el generador de RF a 0.5 W en P.D. (potencia directa).
6.
Regrese la palanca a reverse y tome lectura de 0.3
7.
Ajuste con la perilla del plano de tierra a modo que en el generador nos de lectura de 0.
8.
Regrese la palanca a forward y reverse y si tomamos lectura de 0.5 será indicio de que está acoplado.
Operaciòn y ajuste de demostrador – Acoplamiento B 1.
Colocar una varilla del Núm. 13 del lado izquierdo del plano de tierra.
2.
Observar que la perilla del plano de tierra se encuentre en 5
3.
Observar que el botón verde este presionado y encendido
4.
Observar que la palanca del generador se encuentre en foward (Potencia Directa).
5.
Encienda con la perilla negra del generador y ajustar en 0.5 w
6.
Regresar la palanca en reverse y de forward aumento a 0.7w
7.
La perilla de PDT ajustar hacia mayor y mínimo de modo que en el generador ajuste 0.
8.
Desconectar el detector de i y U y colocar la pestaña en la varilla.
Una vez realizados estos pasos, procedimos a medir radiacion en diferentes angulos, usando uno de los detectores. Los valores obtenidos se muestran en la siguiente tabla. Ángulo de
Distancia de
Tipo de Polaridad Se traslapo con radiación radiación 0 1.75m Lineal 90 2.60 Lineal 220 1.88 Lineal Mesa 2 340 2.82 Lineal Tabla 1 – Detecciòn de radiacion en cuatros angulos diferentes tomando como eje el dipolo.
Nombr
Aa
Bb
P.D
P.T
e Iván x 0.5 3 David X 0.5 4 Misael x 0.5 3.5 Daniel X 0.5 3.5 Tabla 2 – Acoplamientos A y B P.D. (Potencia Directa) Forward 0.50 W Tabla 3 – Potencia.
R.R
ángulo distancia
Observaciones
.1 .1 0.1 0.1
30 90 180 180
Regular Buena Regular mala
1.85 2.08 1.30 50
P.R. (Potencia Reflejada)
Plano de tierra
Reverse 0.11W
3.8W
Nota: Es importante acoplar la antena así como las variaciones de la señal emitida ya que esto se reduce en una señal limpia y sin perdidas que abarca una amplia región, en cambio si realizamos un acoplamiento deficiente de intensidad
de la señal ocupará una región más pequeña. A un cierto ángulo la señal se traslapa con otra señal emitida por una antena cercana.
Experimento 1
Para este primer experimento usamos el una varilla del nùmero 13, la cual colocamos en el plano de tierra y en la cual usamos el acoplamiento “B”. Alrededor de la varilla colocamos un transportador de la caja de accesorios para facilitar las mediciones. Ademas de que se uso un flexometro de la misma caja para medir la distancia maxima de radiaciòn de la antena. Una vez acoplada la antena, procedimos a medir voltaje y corriente en 3 distintos puntos de esta, los cuales se muestran en el diagrama de la figura 10.
P.D. (Potencia Directa) 0.60
P.R. (Potencia Reflejada) 0.1
Plano de Tierra 3
Tabla 4 – Potencia
Punto 1 2 3
Corriente (I) 5 1 0
Voltaje (V) 0 1 3
Tabla 5 - Detección de corriente, Voltaje, en 3 diferentes puntos.
Figura 10 – Diagrama que muestra los puntos en los que se detecto voltaje y corriente en la antena monopolo
Figura 11 – Usando el detector de radiacion en la antena monopolo.
Esta antena posee una polarizaciòn de tipo lineal, en la practica la señal en el angulo de 220º, la señal se nos traslapo con la mesa 2, nosotros estabamos en la la mesa izquierda, enfrente del pizarròn, la mesa con la que hubo un traslape, fue la mesa que se encuentraba a nuestra derecha. En la siguiente tabla se muestran las detecciones de radiaciòn hechas por el equipo, mientras que en la imagen 12 se aprecia al equipo midiendo estos parametros.
Ángulo de Distancia de Tipo de ¿Se traslapo en radiación (grados) radiación (metros) Polarización otra mesa? 0 2.90 Lineal 90 2. 73 Lineal 220 3.15 Lineal Sí, con la mesa 2 320 3.00 Lineal Tabla 5 – Detecciones de radiaciòn hechas por el equipo, se puede notar un traslape con la mesa 2.
Figura 11 – Usando el detector de radiaciòn para medir la distancia de radiaciòn en cuatro angulos distintos.
Es importante mencionar que el acoplamiento se debe de realizar correctamente para obtener mediciones aceptables, ya que incluso la señal se nos traslapo con otra mesa, pues en un principio no estabamos acoplando bien el equipo y al momento de medir la radiaciòn en ciertos puntos de la antena, esta nos daba valores muy pequeños, al volverla a acoplar nuevamente, siendo muy cuidadosos al hacerlo para ahora si obtener buenas mediciones. Cabe mencionar que a pesa de volver a re-acoplar el equipo, no se forzaron valores de potencia.
Experimento 2 Para este segundo experimento, usamos una varilla del numero 4, la cual tiene la peculiaridad de tener focos integrados en el cuerpo de la varilla. El diagrama de la antena con la cual se trabajo se muestra en la figura 12, en el cual tambien se observa los puntos donde se midio la relaciòn corriente-voltaje.
Figura 12 – Antena con focos en su cuerpo para facilitar la toma de datos. Una vez que colocamos la varilla en el plano de tierra, procedimos a acoplarla, quedándonos los siguientes valores mostrados en la tabla 6.
P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) Plano de Tierra 1 .3 3 Tabla 6 – Mediciones de potencia que nos quedo después de realizar el acoplamiento. El siguiente paso en la práctica fue realizar mediciones de voltaje y corriente en diferentes puntos de la antena, de lo cual obtuvimos los resultados mostrados en la tabla 7. Punto Corriente (I) Voltaje (V) 1 4 1 2 4 2 3 .5 1 Ya que teníamos los valores de la corriente y el voltaje, procedimos a medir la radiación en distintos puntos tomando como eje obviamente a la antena. Los
valores obtenidos fueron los siguientes. En esta ocasión la mesa con la cual hubo traslape fue nuevamente la mesa 2.
Ángulo de Distancia de Tipo de Polaridad Se traslapo con radiación radiación 0 1.75m Lineal 90 3.01 Lineal 220 1.85 Lineal Mesa 2 340 2.82 Lineal Tabla 8 – Detecciones de radiación y corriente para la antena con focos.
Experimento 3 Para este experimento usamos un copete capacitivo en la parte superior de la misma antena usada en el experimento 1 (varilla del numero 13), quedándonos una antena la cual aumenta su longitud eléctrica. La antena en la cual realizamos mediciones se muestra en la figura 13.
Figura 13 – Varilla del número 13 con un copete capacitivo en su parte superior.
Nuevamente procedimos a acoplar ahora esta antena, quedándonos los siguientes valores en el acoplamiento. P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) Plano de Tierra 1 .3 5 Tabla 9 – Acoplamiento de la antena con copete capacitivo en su parte superior.
Punto Corriente (I) Voltaje (V) 1 5 1 2 3 1 3 1 3 Tabla 10 – Detecciones de voltaje y corriente en distintos puntos de la varilla. Después de realizar las mediciones de voltaje y corriente, procedimos a realizar mediciones de radiación en distintos ángulos de la antena. Ángulo de
Distancia de
Tipo de
¿Se traslapo en
radiación (grados) radiación (metros) Polarización otra mesa? 0 1.75 Horizontal 90 2 Horizontal 220 2.10 Horizontal Sí, con la mesa 5 320 3.2 Horizontal Tabla 11 – Detecciones de radiación, se observa que la mesa se traslapa con la mesa 5. OBSERVACIONES Al colocar el copete capacitivo observamos que la corriente es la variante en este experimento cuando marcamos el máximo corriente al nivel del plano de tierra y disminuyo mientras elevábamos el detector de radiación.
Experimento 4 Para el ultimo experimento volvimos a realizar el acoplamiento para la antena que en esta ocasión era la varilla del experimento 2, la cual tiene focos, la diferencia es que agregamos un copete capacitivo en la parte superior de esta, al igual que lo hicimos con la antena del experimento 3, quedándonos los siguientes resultados.
Figura 14 – Diagrama de la antena usada en este exprimento. Acoplamiento P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) 1.3 0.5 Tabla 12 – Valores obtenidos al acoplar la antena.
Plano de Tierra 4.7W
Punto Corriente (I) Voltaje (V) 1 5 0 2 4 0 3 1 1 Tabla 13 – Mediciones de voltaje y corriente en distintos puntos de la antena. Posteriormente procedimos a realizar detecciones de radiación en distintos puntos de la antena, quedándonos los siguientes resultados.
Nombr e
AB
Ángul
Distanci
Potencia
Potencia
Plan
Corrient
o
a
Incident
Reflejad
o de
e
(metros) e a tierra Iván x 270 2.35 .5 w 0w 1 David x 30 3.19 .5 w 0w 1 Misael x 40 1.41 .5 w 0w 1 Daniel x 160 1.65 .5 w 0w 1 Iván Traslape 150 2.21 .5 w 0w 1-4 Tabla 14 – Detecciones de corriente para la antena del experimento 4.
2 2 2 1 1-1
Voltaje
1 1 1 1 1
Observaciones Cuando usamos el copete capacitivo provoco que la distribución de voltaje y corriente a lo largo de la varilla fuera uniforme. Conclusión: Como conclusión podemos tomar muchas cosas, primero que para obtener buenas mediciones el equipo debe de estar bien acoplado, si esto no se logra, entonces, se debe de forzar aumentando la potencia en el generador. Afortunadamente nosotros no tuvimos que forzar el equipo y nuestras mediciones fueron buenas. Otro punto importante es que existen muchos tipos de antenas y es importante el estudio de estas, ya que cada una tiene un uso distinto en la vida real, como por ejemplo el monopolo, el cual se usa en radio comunicación en automóviles, mientras que la antena de copete capacitivo se usa en torres de radio comunicación.
