INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco. Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica.
LABORATORIO LABORATORIO DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS PRACTICA #2
Monopolo y dipolo GRUPO: 5CM1 GRUPO: 5CM1
Fecha de realización: 20 de septiembre del 2016
Radiadores electromagnéticos
Monopolo y dipolo OBJETIVO: !escri"ir la polari#ación de un elemento radiador medido en el la"oratorio. MATERIAL Y EQUIPO:
-
Un plano tierra per$ectamente conductor
-
Un generador de radio$recuencias
-
Un detector de %olta&e y corriente
-
Un detector de radiación
-
Una ca&a de accesorios
-
' %arillas del no. '1
-
' %arillas del no. 1(
-
' %arillas del no. '
-
' %arillas del no. 1)
INTRODUCCION TEORICA
Monopolo simple Una antena monopolo es la mitad de una antena dipolo* casi siempre montado so"re una especie de plano de tierra. El caso de un monopolo de longitud + monta so"re un in$inito plano de tierra se muestra en la ,igura 1 -a.
Radiadores electromagnéticos
,igura 1. Monopolo por encima de un /EC -a* y la $uente e0ui%alente en espacio li"re -". Usando la teoría de la imagen* los campos por encima del plano de tierra se puede encontrar utili#ando el e0ui%alente $uente -antena en el espacio li"re como se muestra en la ,igura 1 -". Esto es simplemente una antena de dipolo del do"le de la longitud. +os campos por encima del plano de tierra en la ,igura 1 -a son idénticos a los campos en la ,igura 1 -"* 0ue se conocen y se presenta en la dipolo. +os campos por de"a&o del plano de tierra en la ,igura 1 -a son cero. El patrón de radiación de los monopolos por encima de un plano de tierra tam"ién son conocidos por el resultado de dipolo. El nico cam"io 0ue 2ay 0ue tener en cuenta es 0ue la impedancia de un monopolo es la mitad de la de una antena de dipolo completo. /or un monopolo de cuarto de onda - + 3 .'5 4 * la impedancia es la mitad de la de un dipolo de media onda* por lo 0ue Zin 3 (*5 6 &'1.'5 o2mios. Esto se puede entender ya 0ue sólo la mitad de la tensión se re0uiere para conducir un monopolo a la misma corriente como un dipolo -0ue de un dipolo como tener 6 7 8 ' y 7 8 ' se aplicarán en sus e9tremos* mientras 0ue un monopolo sólo tiene 0ue aplicar 6 7 8 ' entre el monopolio y la tierra para conducir la misma corriente. !esde Zin 3 7 8 I* la impedancia es la mitad. El directi%idad de una antena monopolo está directamente relacionada con la de un antena dipolo . Si la directi%idad de un dipolo de longitud '+ tiene una directi%idad de !1 :d;<* a continuación* la directi%idad de una antena monopolo de longitud + tendrá una directi%idad de !1 ( :deci"elios<. Es decir* la directi%idad -en unidades lineales de un monopolo es el do"le de la directi%idad de una antena de dipolo del do"le de la longitud. +a ra#ón de esto es simplemente por0ue no la radiación se produce por de"a&o del plano del suelo* por lo 0ue la antena es realmente el do"le de =directi%a=.
Radiadores electromagnéticos
Monopolos son la mitad del tama>o de sus 2omólogos dipolo* y por lo tanto son atracti%os cuando una antena más pe0ue>a es necesaria. ?ntenas de telé$onos celulares %ie&os eran típicamente monopolos* con un plano de masa in$inito apro9imada por una pe0ue>a placa de metal por de"a&o de la antena.
Efe!os "e #n $%i&n "e !$m$'o fini!o "e !ie(($
En la práctica* los monopolos se utili#an en los planos de tierra de tama>o $inito. Esto a$ecta a las propiedades de la antenas monopolo. +a de una antena monopolo es mínimamente a$ectada por una placa de masa $inita de tama>o de los planos de tierra de longitudes de onda por lo menos algunos en tama>o en todo el monopolo. Sin em"argo* el patrón de radiación para el monopolo se encuentra $uertemente a$ectada por un plano de tierra de tama>o $inito. El patrón de radiación resultante irradia en un =sesgada= la dirección* le&os del plano 2ori#ontal. Un e&emplo del diagrama de radiación durante un cuarto de longitud de onda monopolo antena -orientado en la dirección 6 #@dirección en un plano de tierra con un diámetro de ( longitudes de onda se muestra en la siguiente $iguraA
Benga en cuenta 0ue el patrón de radiación resultante es an omnidireccional. Sin em"argo* la dirección de má9ima radiación 2a cam"iado desde el plano 9y a un ángulo de ele%ación de ese plano. En general* el gran plano del suelo es* la menor
Radiadores electromagnéticos
esta dirección de má9ima radiación* como el plano del suelo en$o0ues tama>o in$inito* la radiación el patrón se acerca a un má9imo en el plano 9y.
Dipolo +as antenas dipolo son las más sencillas de todas. Consiste en un 2ilo conductor de media longitud de onda a la $recuencia de tra"a&o* cortado por la mitad* en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión -7er imagen in$erior. .
+a longitud de un dipolo de"e ser por tantoA + 3 15 8 $ siendo $ la $recuencia en mega2ercios. ?l estar construido con algn material -generalmente co"re y terminarse en dos puntas 0ue introducen una cierta capacidad 0ue no e9iste en el conductor continuo* para o"tener la resonancia se de"e acortar ligeramente esta longitud de"ido al mismo e$ecto 0ue el $actor de propagación de las líneas de tranmisión. /ara todos los e$ectos prácticos* sal%o para dipolos en $recuencias muy ele%adas en las 0ue el diámetro del 2i&o puede tener in$luencia* se puede considerar 0ue acortando la longitud un 5 se consigue la condición de resonancia. /or lo tanto* la $órmula 0uedaA + 3 1D'*5 8 $ Dis!(i)#i&n "e o((ien!e * !ensi&n en #n "ipolo
+a distri"ución de corriente y tensión en un dipolo es tal como se muestra en la $igura 1". En el centro tenemos una tensión reducida y una intensidad ele%ada* mientras 0ue en las puntas se produce una tensión muy ele%ada y una intensidad nula. Esto 0uiere decir 0ue 2ay 0ue tener cuidado con la su&eción de esos puntos. Si el aislador no es de "uena calidad* la ele%ada tensión e9istente en las puntas puede producir grandes pérdidas. Bam"ién 2ay 0ue tener en cuenta el 2ec2o de 0ue incluso con potencias pe0ue>as se pueden producir 0uemaduras en caso de tocar accidentalmente esas puntas.
Radiadores electromagnéticos
Impe"$ni$ "e #n "ipolo
+a impedancia nominal de un dipolo es de ( o2mios. Sin em"argo* en un dipolo real situado a una cierta distancia del suelo la impedancia %aría considera"lemente. Este e$ecto no tiene demasiada importancia si se puede aceptar una FGE má9ima en la línea de transmisión de 'A1. Si se 0uiere anular esta FGE sólo podemos 2acerlo %ariando la altura del dipolo. Cuanto más alto se encuentra el dipolo respecto a tierra* menor es la %ariación de impedancia y más se apro9ima al %alor nominal de ( o2mios. Un dipolo colocado a una altura de (8) de la longitud de onda tendrá una impedancia de )1 o2mios apro9imadamente. Conectándolo a una línea de 5 o2mios* la FGE será )185 o sea 1*)A1* 0ue es muy pe0ue>a. Si el dipolo se encuentra a más de media longitud de onda de altura so"re el suelo a la $recuencia de tra"a&o* la FGE 0ue 2a"rá en la línea será insigni$icante. En $recuencias "a&as* donde la longitud de onda es grande* sí 0ue resulta importante la altura a la 0ue se coloca el dipolo. Supongamos un dipolo en la "anda de ) metros de los radioa$icionados -(*5 a () MH#* media longitud de onda son D metros* altura 0ue es muy di$ícil de lograr en la mayoría de los casos. Si colocamos el dipolo a 185 de longitud de onda* %eremos 0ue la impedancia del dipolo es de unos 5 o2mios* por lo tanto* si el dipolo anterior se coloca a 1 metros y se alimenta con una línea de 5' o2mios e9isitrá un acoplamiento per$ecto. En cual0uier caso -e9cepto el mencionado anteriormente* alimentando un dipolo con una línea de 5' o2mios 2a"rá 0ue aceptar una FGE de 1*5A1 apro9imadamente. ?demás con%iene e%itar las alturas comprendidas entre un poco más de 18D y un poco menos de 18' de longitud de onda. Como norma general* un dipolo no de"e montarse a alturas in$eriores a 18D de longitud de onda* ya 0ue la impedancia "a&a muy rápidamente y como %eremos en el apartado siguiente su $uncionamiento se %uel%e totalmente intil. RADIACION DE UNA ANTENA DIPOLO
+a radiación de un dipolo en el espacio li"re es tal como se indica en la $igura 1' en un plano perpendicular a la dirección del 2ilo del dipolo. Fadia e9actamente igual en todas direccionesA mientras 0ue en el plano del dipolo radia con un má9imo en la dirección perpendicular al 2ilo y un mínimo en la dirección del 2ilo. G
Radiadores electromagnéticos
sea 0ue el dipolo es ligeramente directi%o y como ya di&imos anteriormente tiene una ganancia respecto a una antena isotrápica de '*( d; en direcciones perpendiculares al 2ilo del dipolo. ? e$ectos prácticos puede decirse 0ue el dipolo es omnidíreccional* e9cepto para direcciones 2acia las puntas o muy pró9imas a ellas.
DESARROLLO Monopolo 1. Se cali"ra el e0uipo para poder o"tener los resultados deseados
'. Se colocó un mopolo
(. /or medio del detector de radiación se $ue siguiendo la trayectoria 0ue tenía este tipo de antena.
Radiadores electromagnéticos
+a trayectoria o"ser%ada $ue la siguienteA z
X
Dipolo
D. Se colocó el dipolo
Radiadores electromagnéticos
5. Se o"ser%ó con el detector de radiación la trayectoria 0ue tenía el dipolo
Radiadores electromagnéticos
+a trayectoria o"ser%ada $ue la siguienteA z
X
COMPARACION PRACTICA+TEORIA
+a radiación emitida por las di$erentes antenas %a a depender de la geometría del esta* así como tam"ién su espectro por donde se radia cam"ia de acuerdo a tam"ién las condiciones mencionadas. OBSERVACIONES
Se o"ser%ó 0ue la radiación 0ue genera cada antena cam"ia dependiendo de su geometría* así como tam"ién la distancia a la 0ue llega cam"ia de acuerdo de esta.
CONCLUSION !e esta práctica podemos llegar a la conclusión de 0ue de"ido a la $orma de la antena con la 0ue se este tra"a&ando será la radiación y la distancia. Es por eso muy importante estudiar con detalle este tipo de $enómenos para poder entender el comportamiento de las antenas y así 2acer un "uen mane&o de estas. BIBLIOGRA,IA •
•
;alanis* Constantine ?. ?ntenna B2eoryA ?nalysis and !esign* Jo2n Kiley and Sons* Inc.* US?* 1LL* L(1 pp. raus* Jo2n !. N Mar2e$Oa* Fonald J.* ?ntennas $or all applications* Mc. PraQ@Hill* Mé9ico* 1LLL* L pp