4 Ta Lab Oratorio

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA DEPARTAMENTOS ACADÉMICOS

experiencia de laboratorio de microondas

Ing. Víctor Córdova Bernuy 1/12

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MEDICION DE ANTENAS: PATRON DE ANTENA, GANANCIA Y POLARIZACION

1.- Objetivo: Medir el patrón de radiación en coordenadas polares y la ganancia de una guía de la antena HORN.

2.- Fundamento Teórico: Una antena es el dispositivo de conexión entre 2 sistemas y un medio, en otras palabras, una antena transfiere energía entre un transmisor y un receptor a través de un medio. Unos se preguntan ¿cuándo el uso de antenas es necesario? Sin considerar los casos obvios de transmisión y/o recepción móviles, parece que pequeñas distancias y bajas frecuencias tienden a favorecer a la línea de transmisión y guía de onda, mientras que para grandes distancias y altas frecuencias tienden a favorecer a la antena. Dependiendo de la aplicación, una cierta característica puede tener mayor o menor importancia. Una de las características interesantes en todo diseño de antenas es el patrón de antenas y de este su ganancia.

Si la energía que se propaga a través de la Línea de Transmisión se lleva hacia afuera por uno de sus extremos (terminales) entonces la energía será radiada por este terminal. La guía de onda abierta actúa como una antena. En el caso de una guía de onda rectangular, esta “antena” presenta una desadaptación cercana a un valor de 2:1 (SWR = 2) radiando en muchas direcciones (ver figura 1a).

La adaptación será mejorada si a la guía de onda abierta se le da una forma de “Horn” (bocina). Esto traerá una mayor concentración de la radiación; como consecuencia de la gran área de radiación o apertura (figura 1b) la concentración de la energía en una sola dirección equivale a una antena de gran ganancia.

(a) (b) Guía de onda abierta Línea de guía de onda terminada en bocina (horn)

Figura 1




4 ¡PRECAUCION! Aun cuando los niveles de potencia son bajos en estos experimentos, jamás

vea el interior de la apertura de la antena cuando está funcionando. -Una fuente puntual, por ejemplo un radiador isotrópico, irradia potencia de modo igual a todo el espacio. Este sin embargo, es una situación ideal: una antena real favorece ciertas direcciones antes que otras. El diagrama de radiación (patrón de antena) es una representación de la intensidad de campo, o frecuentemente la intensidad de potencia versus el ángulo de la antena, para una distancia constante de la antena radiante. El patrón de antena, de una antena receptora es idéntico al de una antena transmisora, con la diferencia de que se muestra la sensibilidad de recepción en varias direcciones. -Frecuentemente el diagrama de esta en una forma polar con la potencia relativa media en dB. Un patrón de antena es naturalmente de tres dimensiones, pero por razones prácticas es normalmente presentado como un patrón de 2 dimensiones en uno o varios planos. -Para un antena rectangular “Horn” estos planos son el plano E y el plano “H”, indicada en la figura 2. Normalmente los patrones del plano E y H difieren para una antena dada. -Una patrón de antena consiste en varios lóbulos tal como se indica en la figura 3. La mayor cantidad de potencia es concentrado en el lóbulo principal y generalmente es deseable mantener la potencia de los lóbulos laterales y lóbulos posteriores tan baja como sea posible. Estos lóbulos laterales y posteriores vienen a ser en realidad segmentos de radiación en el caso de un transmisor o área de recepción, en el caso de un receptor. Los lóbulos posteriores de una antena de radioastronomía, por ejemplo, se convierten en muy perjudicial, desde que parte la señal recibida es proveniente de fuentes en la tierra detrás de la antena, adicionándose a la señal del cielo. Estas fuentes de tierra, producen en contribución no deseable a todo el ruído de fondo. EL ANCHO DE BANDA DE 3dB (Ө): Es el ángulo entre 2 puntos de un lóbulo principal donde la intensidad de potencia es la mitad de la máxima intensidad de potencia. Ver figura 3.




4 GANANCIA (G): Es la intensidad de potencia máxima del lóbulo principal comparado con la intensidad de potencia de una antena omnidireccional (isotrópico) imaginaria; ambos alimentados con la misma potencia. Note que la ganancia toma en consideración las pérdidas de las antenas. El campo de una antena consiste en 2 partes, el campo cercano (campo de inducción) y el campo lejano (campo radiante). Normalmente las mediciones de antena tienen lugar en el campo lejano. Especificaremos la condición de campo lejano, siendo R la distancia entre antenas cuando la diferencia de fase de la onda incidente difiere en 16/o entre el borde

exterior y el centro de la antena receptora como se muestra en la figura 4. ( RRR l ,

use la relación de Pitágoras y desprecie 2R ).

oDR /2 2 . (1) La potencia recepcionada en la antena receptora (PR) es proporcional a la potencia transmitida (PT); a las áreas efectivas AET y AER de la antena transmisora y receptora e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia R.

2

..

R

PAAP TERET

R (2)

Fig 4 Distancia mínima de separación Con la verdadera fórmula general:

4

.. OE

GA (3)




4 tendremos:

21

2

..4

GGP

P O

T

R

(4)

Donde G1 y G2 son las ganancias de las antenas transmisora y receptora respectivamente, como podemos ver de la anterior fórmula. No es necesario conocer los valores absolutos de PT y PR, necesitamos únicamente la razón entre ellos. Este puede ser medido en un detector de ley cuadrada (adaptada). El diagrama de bloques para el medidor de ganancia y patrón de antena se puede ver en la figura 5.

Fig 5 Diagrama de bloques para la medición de antenas Si las dos antenas son idénticas, la anterior fórmula se reduce:

T

R

O P

PRG

.4 (5)

Tomamos el logaritmo a ambos lados de la expresión 5 y expresando en dB la ganancia tendremos:

O

dBTRdB

RPPG

.4log10

2

1 (6)

Conociendo las ganancias de las antenas Horn (bocinas) (compensado por no ser exactamente iguales) y usando esta “ganancia patrón” como referencia podemos fácilmente determinar la ganancia de una antena desconocida. Ver figura 6. G G PT PR R Fig. 6

FUENTE

DE

SEÑAL

ATENUADOR

Vano Rotante

ANTENA

TRANSMISOR

ANTENA

RECEPTORA DETECTOR




4 -El método anterior es uno de los métodos usados en las mediciones de antenas. Otro método es usar dos antenas idénticas una como antena transmisora y otra como antena receptora. -Para las mediciones de antenas en esta experiencia, las antenas deberán estar separadas por lo menos.

2

min

2

O

DR

(Para tener el patrón de campo lejano) (7)

-Además la altura mínima por encima de la tierra deberá ser:

2

mind

Dh (8)

Donde: D: es la dimensión más grande de una de las paredes de la apertura Horn.

O : longitud de onda en el espacio libre.

-En la medición de antena es muy importante evitar disturbios por reflexiones. Estas mediciones son hechas generalmente en campo abierto o en las llamadas cámaras especialmente revestidas de material absorbente.

3.- Equipamiento y Accesorios:

Equipamiento 1 Oscilador Gunn. 73701 1 Fuente de alimentación Gunn con medidor de ROE

(a la que se denominará en adelante unidad básica) 737021 1 Aislador 73706 1 Detector coaxial 73703 1 Transición de guía de onda/coaxial 737035 1 Guía de onda de sección recta 73712 2 Antenas Horn 73721

Accesorios requeridos

02 Cables BNC, 2m 501022 01 Detector coaxial 73703

4.- Procedimiento experimental:




4 4.1. GRAFICO DEL DIAGRAMA DE ANTENA. 4.1.1. Establecer el equipo como se muestra en la figura 5, utilizando las antenas Horn. La escala en la juntura rotante debe indicar 90° cuando los Horns están en línea. Nota: Para evitar disturbios por reflexiones, asegurarse que los objetos no estén cercanos al camino de propagación. 4.1.2. Colocar el atenuador vano rotante a un valor de manera que la señal en el receptor pueda ser visualizada a un nivel adecuado.

4.1.3. Energice la fuente Gunn con una tensión de 8 voltios.

4.1.4. Girar la antena Horn receptora hacia la izquierda, en pasos de 10° y anote los valores de tensión que observa en el osciloscopio y realice su conversión a dB para anotarla en la tabla 1. 4.1.5. Repita el paso 4.1.4 pero esta vez girar el Horn a la derecha. 4.1.6. Use los valores obtenidos en la tabla 2 y 3 para dibujar el diagrama de antena en una hoja polar indicadas en las figuras 7 y 8.

4.1.7. Repita los pasos 4.1.1 al 4.1.6 pero utilizando esta vez como antena una guía de onda abierta.

4.1.8. Determine el ancho a 3dB de cada diagrama en forma gráfica y experimentalmente.

4.1.9. Para observar el efecto de la transmisión por trayectoria múltiple coloque en línea las antenas Horn, mueva su mano lentamente hacia atrás y hacia delante en la línea central que une el transmisor y receptor. Note que máximos y mínimos de potencia transferidos están siendo recibidos en el receptor. Esto es debido a la adición constructiva y destructiva de potencia en el receptor causada por las 2 señales que llegan al receptor. Una de las señales es transmitida por la línea directa, mientras que la segunda señal es la que está siendo reflejada por la mano del operador como la trayectoria más grande tiene una fase diferente suma y resta de la potencia principal de transmisión, causando por lo tanto variación de la potencia recepcionada.

4.2. MEDICIÓN DE GANANCIA: 4.2.1. Establecer el atenuador de guía de onda a un valor adecuado y que sea visualizado en la fuente de alimentación Gunn con medidor de ROE (a la que se denominará en adelante unidad básica) y realizar el enlace punto a punto a una distancia R, según la figura 1.




4 4.2.2. Obtener una deflexión completa en el SWR-METER(0 dB) en el rango de 50 dB, cuando los Horns están alineados.

4.2.3.Reemplazar la antena transmisora por el detector y la unidad básica que se encuentra conectado a la antena receptora.

4.2.4.Restablecer el voltaje del oscilador Gunn. Disminuir la ganancia del “SWR – METER” moviendo el botón correspondiente (¡No tocar la perilla de GAIN!) para conseguir que la deflexión esté dentro de la escala. Anote la medida de dB leído, además del rango de ganancia en la Tabla II.

4.4.5.Calcule la ganancia en dB entre la potencia medida en los pasos 4.2.1 y 4.2.4.

Ejemplo: Supóngase que se obtuvo una deflexión de 5 dB en el rango de 20dB en el paso 4.2.1. La diferencia entre 4.2.1 y 4.2.4 es: 50 – (20 + 5) = 25 dB. Convirtiendo los dB en una razón de potencias.

3161010

25

T

R

P

P (9)

Calcule la ganancia como:

T

R

O P

PRG

.4 (10)

Donde: O = 3.33 cm a 9 GHz (longitud de onda en el espacio libre)

R = 150 cm (separación entre antenas) Por ejemplo:

8,31316

1

33,3

150*4

G (11)

Convertir G en dB para nuestro ejemplo:

dBxG 15502,1108,31log10 (12)

Compara el resultado con la ganancia especificada para la Horn dBG 15 .




4

Tabla 1. MEDICIÓN DE GANANCIA

4.3. MEDICIÓN DE POLARIDAD: 4.3.1. Utilice una rejilla metálica e introduzca en un enlace punto a punto para visualizar la

polarización de la antena Horn. 4.3.2. Coloque la rejilla metálica en forma horizontal y vertical y observe la posición donde

la señal se anula.

5) CALCULOS Y RESULTADOS: 5.1. ¿Los diagramas obtenidos en las figuras 7 y 8 son los mismos?

5.2. ¿Debería haber alguna diferencia entre estos resultados?

5.3. Suponga que usted desea una antena que dé un lóbulo más estrecho, ¿escogería una antena más pequeña o más grande?

5.4. Explique con sus propias palabras, ¿por qué la deflexión del medidor SWR cambia cuando usted se mueve cerca de la antena montada? 5.5. Sugerir algunas causas de error en las mediciones de ganancia. 5.6. Indique la polarización de las antenas Horn y explique teóricamente la anulación de la señal.

DEFLEXION DEL SWR – METER

PR/PT (adimensional)

R(cm) λo(cm)

G

G(dB)

PR PT

RANGO DEFLEXION RANGO DEFLEXION

(50 dB) 0




4 Table 2. PUNTOS PARA EL DIAGRAMA DE ANTENA HORN Determinar la razón de potencia con respecto al nivel de la señal recibida a 0° de la antena Horn. Para cada dirección dada en el azimut de la ANTENNA indicada en la columna θ de la tabla I registre el nivel de la señal de recepción SR(θ) y calcule la razón de potencia en dB con SR(0°) como referencia, como la indicada en fila 1.

Indicación de Azimut de ANTENA

Θ

Nivel de señal recibida

SR(θ)

Razón de potencia

SR(θ)-SR(0°)


θ


SR(θ)

Razón de potencia

SR(θ)-SR(0°)

Grados dB dB Grados dB dB

0 -30.0 0.0 180

10 190

20 200

30 210

40 220

50 230

60 240

70 250

80 260

90 270

100 280

110 290

120 300

130 310

140 320

150 330

160 340

170 350




4 Fig 7– Patrón de radiación de Antena Horn.




4 Tabla 3. PUNTOS PARA EL DIAGRAMA DE ANTENA BOCINA Determinar la razón de potencia con respecto al nivel de la señal recibida a 0° de la antena Horn. Para cada dirección dada en el azimut de la ANTENNA indicada en la columna θ de la tabla I registre el nivel de la señal de recepción SR(θ) y calcule la razón de potencia en dB con SR(0°) como referencia, como la indicada en fila 1 .


Θ


SR(θ)

Razón de potencia

SR(θ)-SR(0°)


θ


SR(θ)

Razón de potencia

SR(θ)-SR(0°)

Grados dB dB Grados dB dB

0 -30.0 0.0 180

10 190

20 200

30 210

40 220

50 230

60 240

70 250

80 260

90 270

100 280

110 290

120 300

130 310

140 320

150 330

160 340

170 350




4 Fig 8– Patrón de radiación de antena de abertura.

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