Actividad No. 14: Trabajo Colaborativo No. 2-Diseño y simulación de antenas-

INTRODUCCION

Preparar al estudiante para la implementación de una antena Yagi de 4 elementos que trabaje a la frecuencia de 1,2GHz caracterizada con sus parámetros básicos, y la simulación con el software 4NEC2X , que implemente el Método de los Momentos y cuya función sea simular las características de radiación y otros parámetros de antenas Yagi.

Con el programa de simulación 4NEC2X se halla el patrón de radiación y la impedancia de entrada de la antena. Con la antena Yagi implementada y con su puesta a punto de funcionamiento, se validan los resultados simulados. Se recomienda las Lecturas Complementarias de la Unidad 3, para la recolección y organización de la Información y en aquellos ítems donde se necesite una verificación de cálculos utilizando el recurso virtual Simulación Cálculos de Antenas .

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OBJETIVOS

* Diseñar con el simulador 4NEC2X una antena YAGI de 4 elementos

* Aprender a operar el simulador 4NEC2X.

MARCO TEORICO

CÁLCULO DE ANTENAS TIPO DIPOLO Y YAGI

Los ejemplos de cálculo de antenas que siguen sólo tienen por objeto mostrar el funcionamiento de algunos casos y el origen de la ganancia y de la impedancia. Los cálculos son aproximados y no tienen en cuenta, por ejemplo, el grueso de los elementos de la antena, que aquí son considerados como finos. Tampoco se tiene en cuenta la influencia de la Tierra. Las longitudes de los dipolos y sus separaciones son arbitrarias y no tienen tal vez ninguna utilidad en la realidad. Los cálculos obtenidos con los programas dados como enlaces externos son probablemente más útiles en la práctica.

Salvo indicación contraria, todos los ángulos están en radianes.

* Dipolo cuarto de onda

Una antena o "cuarto de onda" es una antena de de largo colocada verticalmente sobre un plano dieléctrico o conductor que le sirve de reflector.

La imagen de la antena parece recorrida por una corriente que tiene el mismo sentido que la de la antena real. El conjunto forma una antena pero que solo radia, por supuesto, hacia arriba. Es preferible que el plano sea conductor, porque un dieléctrico solo refleja bien las ondas electromagnéticas que cuando la incidencia es rasante.

Pero en el buen lado del reflector (hacia arriba) el campo eléctrico y luego la potencia por metro cuadrado es el mismo que el producido por un dipolo alimentado con la misma corriente. Pero como la potencia total es la mitad de la que emitiría el dipolo , la resistencia en serie de la impedancia de la antena es igual a la mitad de la resistencia de un dipolo . Es decir ohmios, ya que la parte reactiva también esta dividida por dos. La ganancia de la antena es la misma que la de un dipolo o sea 2,14 dBi.

Cuando la tierra no es utilizable, como en un vehículo, se puede utilizar el techo metálico de este mismo como plano de tierra. En otros casos se puede simular un plano de tierra con una rejilla conductora o simplemente con varillas

radiales al pie del cuarto de onda. Ese tipo de antena se llama ground-plane. Modificando la inclinación de las varillas se modifica también el diagrama de radiación y, por supuesto, la impedancia.

La antena y su imagen forman un dipolo que solo radia hacia arriba.* Dipolo con diedro reflector

Si, en lugar de colocar una superficie plana como reflector, se utiliza un diedro formado por superficies o rejillas metálicas las ondas emitidas por el dipolo se reflejan una o dos veces en las superficies y el resultado es equivalente a añadir antenas imágenes suplementarias. En el ejemplo de la derecha, el ángulo escogido para el diedro es de 90°. Eso hace aparecer dos imágenes de un solo reflejo y otra de dos reflejos. Si el ángulo hubiese sido 60° habrían aparecido 5 imágenes: 3 negativas y dos positivas.

De izquierda a derecha:-- Dipolo con un diedro reflector. El ángulo del diedro es de 90°.-- En punteado las imágenes de las superficies reflectoras. Dos imágenes de antenas están en oposición de fase y la de la izquierda está en fase ya que es el resultado de dos reflejos.-- Diagrama de radiación en el plano perpendicular al dipolo.-- Diagrama de radiación en el plano que contiene el dipolo y el vértice del diedro.

En este ejemplo, hemos puesto la separación entre el dipolo y el vértice del diedro . La distancia entre la antena 1 (el dipolo) y la antena 3 es de .

La distancia entre el dipolo y las antenas 2 y 4 es de .

Como en el caso precedente solo necesitamos la primera ecuación del sistema de la describe ya que conocemos las corrientes:

Sabemos que:

Luego:

La impedancia es

En las mismas curvas que en el caso precedente encontramos:ohmios ohmios ohmios

Eso nos da una impedancia de la antena:

ohmios

El campo eléctrico lejano es:

En estas ecuaciones, es el campo producido por un dipolo solo. En la mejor dirección, para , ese campo vale:

Lo que nos permite de calcular la ganancia:

dBi

* Antena Yagi-Uda a dos elementos

Antena Yagi-Uda comportando solo un elemento alimentado y un director.

En el ejemplo de la derecha hemos construido un caso simple de antena Yagi-Uda. Este ejemplo solo comporta un elemento alimentado de y un director de de largo a de distancia. Buscando en las curvas adecuadas encontramos:

El sistema de ecuaciones es:

De la segunda ecuación deducimos:

Vea que, en este caso particular, la corriente en el elemento parásito es más grande que en el elemento alimentado.

El campo lejano de la antena será la suma de los campos producidos por el dipolo alimentado y por el director, pero teniendo en cuenta el desfase:

Donde es el avance de la señal de 2 con respecto a 1 del hecho que el 2 está más cerca del punto de observación que 1:

donde es la separación entre los dos dipolos.

pero

Como solo nos interesamos a la amplitud:

Diagrama de radiación del ejemplo. Solo el término debido a la interferencia está representado.

En el dibujo

precedente solo hemos representado el término debido a la interferencia, es decir, la raíz cuadrada en la última fórmula. Para obtener el diagrama final aun habría que multiplicarlo por el diagrama de radiación de un dipolo .

Hacia la mejor dirección (para ) el campo lejano vale:

Calculemos la impedancia de la antena:

El cálculo da:

ohmios.

La ganancia de la antena es:

dBi

* Antena Yagi-Uda a tres elementos

Antena Yagi-Uda con un director y un reflector.

En el dibujo de la derecha, figura una antena Yagi-Uda de tres elementos:

* el elemento alimentado de de longitud. * un director de situado delante el elemento alimentado. * un reflector de situado a detrás del elemento alimentado.

En las curvas encontramos:

El sistema de ecuaciones es:

Deducimos:

Después de largos y fastidiosos cálculos con números complejos, obtenemos:

El campo lejano será:

donde y .

Tomando como referencia la fase del elemento alimentado, la fase del director es:

y la fase del reflector es:

El campo lejano de la antena es:

Y su amplitud será:

Para obtenemos . La impedancia de la antena es:

ohmios.

La ganancia es:

dBi.

Estos pesados cálculos muestran el mérito de quienes los hicieron cientos de veces, décadas antes de la aparición de computadoras y calculadoras.

Diagrama de radiación de la antena Yagi-Uda del ejemplo. Solo está representada la parte debida a las interferencias.

Yagi: Antenas constituidas por varios Tensión de Alimentación = 1 V.Número de elementos = 4Número del elemento Activo = 2Radio de los elementos = 0.005 metros.

Junto con las respectivas longitudes de los elementos y las distancias entre éstos:

Longitud elemento 1 = 0.114 metros Longitud elemento 2 = 0.108 metros Longitud elemento 3 = 0.1 metros Longitudelemento 4 = 0.1 metrosDistancia entre elemento 1 y 2 = 0.0415 metros Distancia entre elemento 2 y 3 = 0.0365 metros Distancia entre elemento 3 y 4 = 0.0415 metrosEn la ventana principal entramos a menú-> Settings y alli escogemos“geometric Edit” (ctrl+F3) .

Aquí podemos dibujar la antena, y/o ingresar los datos de cada elemento.

Con F7 se activa la ventana para generar los datos de salida y aparecen en la ventana PrIncipal.

Descripción de la antena:

Aquí tenemos el Patrón de Radiacion

Diagrama de Smith para la antena:

Y por ultimo una descripción física en 3D para la antena diseñada:

CONCLUSIONES

* Aprendimos a Diseñar con el simulador 4NEC2X una antena YAGI de 4 elementos

* Aprender a operar el simulador 4NEC2X.

* Conocimos a fondo este tema y aprendimos a operar este simulador tan importante para nuestras carreras.

BIBLIOGRAFIA

* Modulo microondas UNAD Corozal 2009

* http://www.swisswireless.org/wlan_calc_en.html#Presenta

elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores.* Utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas, comúnmente en frecuencias de 30 MHz y 3 GHz, (canal 2 al canal 6 de 50 MHz).* Ganancia elevada: 8-15 dB* Para el servicio 802.11 pueden tener ganancias entre el dB 12 y 18. manejan una impedancia de 50 a 75 Ohms* Desventajas: direccionarlas en la posición correcta no son tan difícil como una antena parabólica, pero aun así puede llegar a ser difícil.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD

Procedimiento:

Para esta práctica se utilizará el programa 4NEC2X que permite simular la radiación de antenas.Pulse sobre la ventana de presentación del programa y realice los siguientes representaciones.El software 4NEC2 cuenta con una interfaz gráfica donde el usuario tiene la opción de introducir los valores de las longitudes de los elementos y las distancias entre estos ya sea por

medio de las coordenadas de los elementos, o directamente dibujando la antena completamente en la interfaz. El punto de resonancia de una antena es la frecuencia a la que la parte imaginaria de la impedancia se anula (se hace 0). Esto ocurre a la frecuencia a la que la antena tiene una longitud eléctrica de λ/4.Obtener para unos nuevos valores de alimentación y frecuencia donde se muestre el valor de la impedancia de entrada, el patrón de radiación de plano vertical.

Los parámetros introducidos son: Frecuencia de trabajo = 1200 MHz