Manual de Laboratorio Antenas

Manual Medios de Transmisión

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA

CENTROAMERICANA

UNITEC

FACULTAD DE INGENIERÍAS

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

MANUAL DE LABORATORIO PARA

LA CLASE DE MEDIOS DE

TRANSMISIÓN

ELABORADO POR:

JOSÉ CARLOS PÉREZ


INTRODUCCIÓN

Los siguientes laboratorios se enfocan en el área de Antenas y Microondas. Al

final de este laboratorio, el estudiante será capaz de:

Comprender los parámetros básicos que caracterizan a una antena.

Conocer los diferentes tipos de antena, con sus respectivos parámetros y

variables de diseño.

Realizar mediciones sencillas con antenas utilizando equipo de

telecomunicaciones.

Familiarizarse con los enlaces de microonda y los equipos requeridos

para su montaje.

Como el estudiante no ha recibido un curso formal de antenas, el laboratorio

combina tanto el aprendizaje de teoría como la realización de prácticas con

equipo real. La teoría de antenas se aprenderá a través del uso de un programa

simple de Análisis de Antenas.

En este manual, se tienen las siguientes prácticas:

1. Introducción a Antenas y sus Parámetros

2. Antenas Alámbricas: el Dipolo y el Monopolo

3. La Antena de Bocina

4. Reflectores Diédricos y Parabólicos

5. Enlaces de Microonda


GUÍA 1

Introducción a Antenas y sus

Parámetros OBJETIVOS

Asegurar que el estudiante comprenda y maneje la escala de dB, dBW y

dBm.

Familiarizar al estudiante con el concepto de las regiones de campo, el

patrón de radiación de una antena, y su ancho de haz.

Observar las implicaciones de la polarización de los campos generados

por una antena, utilizando una antena de bocina.

LISTA DE MATERIALES

1 multímetro (que pueda medir AC)

1 generador de microondas con Klystron

1 antena de bocina con transmisor de microondas

1 antena de bocina receptora.

1 dipolo receptor

2 bases con trípode

Adaptador BNC

3 reglas de 1 m.

Cables conectores para el multímetro

1 transportador

1 escuadra

TEORÍA

¿Qué es una antena?

El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE por sus siglas en

inglés) define una antena como aquella parte de un sistema transmisor o

receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas

electromagnéticas. Kraus nos define la antena como “la estructura asociada


con la región de transición entre una onda guiada y una onda en espacio libre,

o viceversa”, así como se muestra en la Figura 1. Las antenas deben irradiar y

captar potencia con las características de direccionalidad apropiadas para la

aplicación deseada.

Figura 1: Antena como estructura de transmisión

Regiones de Campo

Antes de hablar sobre patrones de radiación, se debe tocar el tema de las

regiones de campo. Los campos irradiados por una antena se dividen en tres

regiones distintas:

Región de campo cercano reactivo

Región de campo cercano de radiación, o región de Fresnel


Región de campo lejano, o región de Fraunhofer

La región de mayor interés para nosotros es la región de campo lejano. En esta

región, la forma de los campos radiados ya no varía con la distancia desde la

antena. Los campos se podrán hacer más débiles con la distancia, pero su

forma no cambia. Los límites de esta región están dados por:

donde λ es la longitud de onda a la que está operando la antena, y D es la

dimensión más grande de la antena. Por ejemplo, en un reflector parabólico, D

sería el diámetro. En una antena de dipolo (que sólo es un alambre), D sería la

longitud del alambre.

Patrón de radiación

El patrón de radiación es una gráfica que describe como varía la potencia o los

campos radiados por una antena en función de la dirección.

Hay que tener en mente dos cosas importantes en cuanto al patrón de

radiación:

El patrón de radiación sólo toma en cuenta los campos de la región

lejana.

Está en coordenadas esféricas. El patrón de radiación es una función de

la dirección, o sea que depende de dos ángulos: el ángulo de elevación θ

y el ángulo de azimut φ. En resumen, el patrón es una función F(θ, φ).

Los patrones de radiación se pueden graficar en tres dimensiones, así como se

mira en la Figura 2(a). Pero en este laboratorio, se trabaja sobre todo con

patrones de radiación en dos dimensiones. En lugar de graficar un patrón en

tres dimensiones; sólo se representan dos cortes bidimensionales del diagrama

en coordenadas polares. El primer corte es en el plano horizontal de la antena,

también conocido como plano de azimut. El segundo corte es en el plano

vertical, conocido como plano de elevación. En la Figura 2(b) se puede

observar un patrón de radiación en el plano vertical, y en la Figura 2(c), un

patrón de radiación en el plano horizontal, para la misma antena.


Figura 2: Patrón de radiación para un dipolo en (a) tres dimensiones, (b) plano de

elevación y (c) plano de azimut

El lector atento notará que el patrón de la Figura 2(c) es un círculo. Éso quiere

decir que, en el plano horizontal, la antena irradia la misma cantidad de

potencia en todas direcciones. Ése es un patrón omnidireccional. Para los que

trabajan en áreas como radiodifusión, es de mucho interés que el patrón sea

omnidireccional, porque garantiza cobertura en todas direcciones.

Pero si se quiere hacer un enlace de microondas punto a punto, no interesa

tanto la cobertura. Lo que interesa concentrar toda la energía en un solo punto

(el receptor). Entonces necesito una antena con un patrón direccional como

los reflectores parabólicos.

Polarización

La polarización puede ser un concepto un poco difícil de entender al principio.

Descrito en pocas palabras, la polarización describe la posición del campo

eléctrico de una onda en la dirección de propagación. La polarización es

básicamente la forma que trazaría el campo eléctrico si lo vemos de frente,

avanzando hacia nosotros.

Así como se ve en la Figura 3, puede haber varios tipos de polarizaciones. En

general, si el campo eléctrico forma una línea recta al propagarse, se dice que

tiene polarización lineal. Esa línea puede ser horizontal, como se mira en la

Figura 3(b). En ese caso, sería polarización horizontal. También puede haber

una polarización vertical, como la de la Figura 3(c). El campo eléctrico

también podría formar un círculo. Ésa es la polarización circular.


Figura 3: Polarización (a) lineal, (b) horizontal, (c) vertical y (d) circular.

Un parámetro importante de las antenas es la polarización de los campos que

emiten y reciben. Si la antena de recepción no tiene la misma polarización que

la antena de transmisión, habrá mucha pérdida y difícilmente se podrá recibir

una señal. Una antena verticalmente polarizada no podría recibir bien la señal

de una antena transmisora que está horizontalmente polarizada. La

polarización es lo que explica porque a veces se puede tener mejor recepción

si se pone el celular a un ángulo distinto.


PRÁCTICA

El generador de microondas que se está utilizando tiene una frecuencia de

9.45 GHz, así que la longitud de onda es de 3.18 cm.

1. Conecte la antena transmisora a su generador de microondas, y la

antena receptora al multímetro, así como se muestra en la Figura 4.

Asegúrese que el generador utilice una modulación senoidal e interna

(usando los botones que se encuentran arriba del botón verde de on/off).

Figura 4: Montaje transmisor y receptor de microondas.

2. Complete la siguiente tabla, midiendo el voltaje recibido como función

de la distancia entre las antenas. Auxíliese de la regla para medir

distancias.

Distancia (m) Voltaje recibido (V) Voltaje normalizado

recibido (dB)

10λ

15λ


20λ

25λ

30λ

35λ

40λ

45λ

50λ

55λ

60λ

NOTA: En cada caso es necesario medir el voltaje de ruido (fuente

apagada), y restarlo del voltaje medido en la recepción.

El voltaje normalizado que se pide, es un voltaje normalizado con

respecto al valor máximo encontrado, VdB = 20*log(V/Vmáx).

3. Coloque el transportador en la base de la antena receptora, así como se

muestra en la Figura 5, y ubique la antena receptora a una distancia de

800 mm del transmisor.

Figura 5: Colocando el transportador en la base del receptor.


4. Gire la antena de recepción sobre su propio eje, y observe cómo cambia

la potencia recibida en función del ángulo de recepción. Puede

auxiliarse de la escuadra para medir el ángulo. Complete la siguiente

tabla:

Ángulos (º) Voltaje recibido (V) Voltaje normalizado

recibido (dB)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

NOTA: En cada caso es necesario medir el voltaje de ruido (fuente

apagada), y restarlo del voltaje medido en la recepción.

El voltaje normalizado es igual que en el paso 3, VdB = 20*log(V/Vmax).

5. Cambie la antena de bocina receptora por el dipolo receptor, así como

se muestra en la Figura 6. Asegúrese que el dipolo esté colocado

verticalmente.


PRECAUCIÓN: Este dipolo está compuesto por un diodo RF muy

sensible a la electricidad estática. No toque el diodo, ya que podría

descargar su electricidad estática en él y averiarlo.

Figura 6: Uso de dipolo corto como antena receptora.

6. Sitúe el dipolo a 700 mm de distancia de la antena transmisora y anote

el voltaje recibido.

7. Coloque el dipolo de forma horizontal. Observe y anote el voltaje

recibido.

RESULTADOS A ENTREGAR EN REPORTE

1. Grafique (en coordenadas cartesianas) el voltaje recibido (V) en función

de la distancia. ¿La variación de campo con la distancia es lineal?

2. Grafique (en coordenadas cartesianas) el voltaje normalizado recibido

(dB) en función de la distancia.

3. Grafique (en coordenadas polares) el voltaje normalizado recibido (dB)

en función del ángulo φ.

4. Compare los valores de voltaje recibidos con el dipolo posicionado

verticalmente y horizontalmente. ¿Existe una diferencia entre ambos

valores? ¿Por qué?


CUESTIONARIO

1. ¿Desde qué distancia empieza la región de campo lejano para esta

antena de bocina? Utilice la condición explicada en la teoría de esta

guía.

2. Investigue el concepto de ancho de haz a media potencia (half-power

beam width en inglés). En base a las mediciones realizadas en el paso 4

de la Práctica, estime el ancho de haz de la antena de bocina utilizada.

Se le recomienda hacer una interpolación lineal para tal estimación.

3. ¿Qué clase de patrón de radiación exhibe la antena de bocina?

¿Omnidireccional o direccional? Utilice las gráficas obtenidas en los

Resultados para justificar.

4. En base a las mediciones realizadas en los pasos 6 y 7, explique qué

tipo de polarización presenta la antena transmisora.

TRABAJO PREVIO A REALIZAR

Antes de la práctica, deberá entregar a su instructor (de manera

individual), una hoja que contenga las siguientes preguntas, con sus

respectivas respuestas.

1. ¿Qué es un decibelio (dB)? ¿Cómo se define matemáticamente?

2. ¿Por qué se utilizan los decibelios en medidas de voltaje y potencia,

si las unidades de éstos son Voltios y Watts, respectivamente?

3. ¿Cuál es la ganancia en dB de cada bloque del sistema? ¿Cuál es la

ganancia total de todo el sistema?

4. ¿Qué es un dBm, y qué es un dBW? ¿Cuál es la conversión entre

dBm y dBW?

5. ¿Qué diferencia existe entre la conversión de Watts a dB y la

conversión de Voltios a dB?


GUÍA 2

Antenas Alámbricas: Dipolo y Monopolo

OBJETIVOS

Familiarizar al estudiante con el uso del Programa de Análisis de

Antenas.

Conocer las variables de diseño de la antena Dipolo, y observar cómo

afectan las características de radiación y funcionamiento de la antena.

Observar las características de un Dipolo corto.

Observar las características de un Dipolo de media longitud de onda.

Comprender las diferencias entre el Dipolo y Monopolo.

Observar las características del Monopolo de un cuatro de longitud de

onda.

LISTA DE MATERIALES

1 computadora cargada con el software Análisis de Antenas

TEORÍA

Programa Análisis de Antenas

La herramienta Análisis de Antenas es un programa sencillo que calcula y

grafica los parámetros característicos de 7 diferentes tipos de antena en base a

sus variables de diseño. El programa se creó con el objetivo de enseñar a los

estudiantes los fundamentos del diseño de antenas de una manera más

intuitiva y sencilla, buscando que el estudiante aprenda rápidamente cómo es

que las variables de diseño de una antena afectan sus características de

radiación.

Así como se muestra en la Figura 1, la interfaz del programa es sencilla. Sólo

tiene que introducir los valores pedidos en el panel de Variables de Diseño, y

presionar el botón de Calcular. Posteriormente podrá ver las características de

la antena, como la directividad, ancho de haz, ancho de banda e impedancia de

entrada de la antena.


Figura 1: Interfaz del Programa “Análisis de Antenas”

Antenas alámbricas

Las antenas alámbricas están compuestas por 1 o más hilos conductores. Las

antenas de alambre podrán ser las más viejas, más baratas y más simples, pero

su versatilidad para una variedad de aplicaciones las hace fundamentales para

las comunicaciones modernas.

El Dipolo

La expresión para el patrón de radiación de un Dipolo es la siguiente:

El lector atento habrá notado un detalle interesante: este patrón de campo sólo

es una función de θ, no de φ. Ésto quiere decir que, en un plano horizontal,

donde θ es constante, F tendrá la misma magnitud para toda dirección de φ. La

antena Dipolo es, entonces, un ejemplo de antena omnidireccional. En la

Figura 1, puede apreciarse los patrones de radiación, tanto en el plano

horizontal cómo en el plano vertical, respectivamente.


Figura 2: Patrones de radiación para una antena Dipolo: (a) horizontal y (b) vertical

El Dipolo Corto

El primer caso especial del Dipolo que se explorará es el Dipolo corto, la más

simple de todas las antenas. Se clasifica a un Dipolo como “Dipolo corto”,

cuando su longitud L es menos de una décima de longitud de onda λ (o sea,

L<10 λ).

Estas antenas tienden a ser poco eficientes, y presentan una impedancia de

entrada que dificulta mucho la adaptación a una línea de transmisión. Se

utilizan en aplicaciones de banda estrecha.

El Dipolo de Media Longitud de Onda

El Dipolo de λ/2 es la antena Dipolo más utilizada. Por ejemplo, si se

transmite a 300 MHz, la longitud de onda sería λ =c/f =1 m, y la longitud del

Dipolo de λ/2 sería de 0.5 m.

La gran ventaja del Dipolo de λ/2 es que al hacer un poco más corto el Dipolo

(alrededor de 0.47 λ ó 0.48 λ), éste se vuelve resonante (la reactancia XA= 0),

y su impedancia total ZA se acerca a los 70 Ohms, lo cual implica que la

antena se puede adaptar muy bien por sí sola a las líneas de transmisión

estándar de 50 y 75 Ohms.


Monopolo

La antena Monopolo se define de manera muy sencilla: es un Dipolo cortado a

la mitad y montado sobre un plano conductor aterrizado, desde donde es

alimentada la antena. Asumiendo que el plano es infinito y un conductor

perfecto, se puede usar la Teoría de Imágenes para encontrar los campos sobre

el plano conductor utilizando la antena equivalente en el espacio libre, así

como se ve en la Figura 3(b). Ese equivalente es una antena Dipolo de dos

veces la altura h del Monopolo.

Figura 3: (a) Antena Monopolo sobre un plano conductor perfecto y (b) su imagen

equivalente

Las corrientes en el Monopolo son las mismas que en su Dipolo equivalente,

pero el voltaje entre terminales de entrada de la antena sólo es la mitad. Por lo

tanto, la impedancia de entrada de un Monopolo es la mitad que la de su

Dipolo equivalente:

La forma del patrón de radiación será idéntica que la del Dipolo, con la

salvedad que el Monopolo sólo radia en el hemisferio superior. Como sólo hay

campos radiados en la mitad superior, la potencia total radiada es la mitad de

la del Dipolo, lo cual implica que la directividad del será el doble:


Ya que el Monopolo es la mitad del tamaño que su contraparte en Dipolo,

éstos son atractivos cuando se necesita una antena más pequeña. El Monopolo

de cuarto de longitud de onda es tal vez la antena más utilizada en los sistemas

de comunicación inalámbricos y es utilizada en automóviles, trenes, teléfonos

inalámbricos, y era la antena de elección para los teléfonos celulares

(actualmente se le está reemplazando por la antena de Parche y sus

variedades). La antena equivalente para este Monopolo es el Dipolo de media

longitud de onda

PRÁCTICA

1. Inicie el programa Análisis de Antenas. Asegúrese de que esté

seleccionada la antena Dipolo.

2. Ingrese en el panel de Variables de Diseño las siguientes entradas y

presione Calcular.

NOTA: Utilizando la combinación Ctrl+S, puede realizar una captura

de pantalla.

Pregunta 1: En base a lo discutido en la teoría, ¿por qué se puede decir que

éste es un Dipolo Corto?

Pregunta 2: ¿Cuál es la directividad (en dB) de este Dipolo corto? ¿Cuáles

son sus anchos de haz?


Pregunta 3: ¿Por qué el ancho de banda de este Dipolo corto aparece como

0%? Pista: Revise la impedancia de entrada y compárela con la impedancia

de la línea de transmisión que ingresó.

3. Ahora, en el panel de Variables de Diseño, cambie la longitud del

Dipolo de 0.01λ a 0.5 λ. Vuelva a presionar Calcular.

Pregunta 4: ¿Cuál es la directividad (en dB) de este Dipolo de media longitud

de onda, y cómo se compara con la del Dipolo corto que analizó

anteriormente? ¿Cuáles son sus anchos de haz?

Pregunta 5: ¿Cuál es la impedancia de entrada para un Dipolo de media

longitud de onda? ¿Es más o menos ventajosa esta impedancia que la del

Dipolo corto? ¿Por qué?

4. En el panel de Variables de Diseño, cambie la longitud del Dipolo de

0.5λ a 0.48 λ.

Pregunta 6: ¿Qué sucedió con la impedancia de entrada?

5. Ahora, modifique la longitud del Dipolo en variaciones pequeñas (en el

orden de 0.001), hasta que la parte reactiva de la impedancia sea muy

cercana a cero.

Pregunta 7: ¿Por qué es bueno que la parte reactiva de la impedancia sea casi

cero?

6. Ahora, introduzca en el panel de Variables de Diseño las siguientes

entradas:


Pregunta 8: ¿Cómo se compara este ancho de banda con el ancho de banda

obtenido en el paso 3?

7. Ahora cambie el radio de Dipolo de 0.001λ a 0.01λ.

Pregunta 9: ¿Qué sucedió con el ancho de banda ahora? ¿En base a lo

observado, qué relación puede decir que existe entre el radio del Dipolo y su

ancho de banda?

8. Ingrese en el panel de Variables de Diseño las siguientes entradas:

Pregunta 10: ¿Qué sucedió con la impedancia de entrada? ¿Qué clase de

problemas nos daría una impedancia de este valor?

Pregunta 11: Compare las directividades obtenidas en los pasos 2,3 y 8.

¿Cuál es la relación entre la directividad de la antena y su longitud?

9. Ahora cambie la selección de antena a Monopolo. Escriba las siguientes

entradas.


Pregunta 12: Compare las características de este Monopolo de λ/4 con las

características del Dipolo de λ/2. ¿Se ajustan los resultados a lo discutido en la

teoría del Monopolo? ¿Por qué?


1. Las capturas de pantalla de los pasos 2, 3, 8, y 9.

2. Las 12 preguntas con sus respectivas respuestas.

3. Usando la información obtenida del programa, complete la siguiente

tabla:

Dipolo corto

Dipolo de

L=λ/2 Dipolo de L= λ

Monopolo de

L=λ/4

Directividad

Ancho de haz horizontal

Ancho de haz vertical

Impedancia de entrada

Ancho de banda (%)


Antes de empezar esta práctica, deberá entregar a su instructor (de manera

individual) una hoja que contenga las siguientes preguntas, con sus respectivas

respuestas:

1. Investigue sobre las aplicaciones de las antenas Dipolo y Monopolo en

las telecomunicaciones actuales. Enumere 5 aplicaciones para cada una.

2. ¿Qué quiere decir que una antena sea más directiva que otra?

3. ¿Qué es un dBi?


GUÍA 3

Antenas de Bocina OBJETIVOS

Comparar el ancho de haz teórico de una antena de Bocina con su ancho

de haz real.

Conocer las variables de diseño de la antena de Bocina, y observar

cómo afectan las características de radiación y funcionamiento de la

antena.

Aprender sobre el diseño de una Bocina óptima.

LISTA DE MATERIALES


1 multímetro (que pueda medir AC)

1 generador de microondas con Klystron

1 antena de bocina con transmisor de microondas

1 antena de bocina receptora.

2 bases con trípode

Adaptador BNC

3 reglas para montaje

Cables conectores para el multímetro

1 transportador

1 escuadra

1 metro

TEORÍA

Las bocinas son una de las antenas de microondas más comunes, sobre todo

para los casos en que se utilizan guías de onda. Y es que en esencia, la antena

de Bocina es una guía de onda cuyas paredes fueron dobladas hacia afuera.

Las bocinas se utilizan como elementos de alimentación para reflectores

parabólicos y lentes, y también sirven como el estándar universal para

calibración y medidas de ganancia de otras antenas. Su uso tan extendido se


debe a su relativamente sencilla construcción, fácil alimentación, versatilidad,

ancho de banda extenso, bajo VSWR y buena ganancia.

Para esta práctica de laboratorio, nos interesa analizar una Bocina Piramidal,

como la que se mira en la Figura 1.

Figura 1: Geometría de la Bocina piramidal

La ganancia de la antena de Bocina Piramidal está dada por:

donde A y B representan las dimensiones de la boca de la antena, y εap

representa la eficiencia de la apertura. Para una bocina piramidal diseñada de

manera óptima, esta eficiencia es del 51%.

Para diseñar una antena de Bocina, se debe saber la ganancia G deseada y las

dimensiones a y b de la guía de onda. El objetivo del diseño es determinar el

resto de las dimensiones de la antena (A , B, RE, RH,E

, H

) de tal manera que

la ganancia sea óptima.

Las dimensiones óptimas A y B de la apertura, para una longitud ya dada de R1

y R2 están dadas por las siguientes fórmulas:


Para que una Bocina Piramidal sea físicamente realizable, RE = RH.

Considerando esta condición y las fórmulas dadas anteriormente, se puede

obtener la siguiente ecuación:

La cual se conoce como la Ecuación de Diseño de la Bocina Piramidal

Óptima.

PRÁCTICA

El generador de microondas que se está utilizando tiene una frecuencia de

9.45 GHz, así que la longitud de onda es 3.18 cm.

1. Conecte la antena transmisora a su generador de microondas, y la

antena receptora al multímetro, así como se muestra en la Figura 1. La

antena de recepción debería tener un transportador en su base.

Asegúrese que el generador de microondas utilice una modulación

senoidal e interna (usando los botones que se encuentran arriba del

botón verde de on/off).

Figura 1: Montaje transmisor y receptor de microondas.


2. Apunte la antena de recepción exactamente en la dirección de 0º del

transportador.

NOTA: Si apuntó correctamente la antena, el voltaje recibido debería

ser el máximo posible, comparado con otros ángulos de apuntamiento.

3. Apunte el voltaje recibido en la primera fila de la Tabla 1.

Tabla 1

Voltaje máximo (V)

Voltaje de media potencia (V)

Vmedia=Vmáx*0.7071

4. Multiplique el voltaje máximo por 0.7071, y anote el valor en la Tabla 1

5. Gire la antena de recepción sobre su propio eje, y busque el ángulo para

el cual el voltaje recibido sea igual al voltaje de media potencia que

calculó en el paso anterior. Puede auxiliarse de la escuadra para medir

el ángulo.

6. Una vez que haya encontrado el ángulo, multiplíquelo por dos para

encontrar el ancho de haz horizontal de la antena. Anote este valor en la

Tabla 2.

Tabla 2

Ancho de haz medido (º)

7. Apague y guarde todo el equipo, a excepción de la antena de Bocina

receptora. Utilice el metro para medir las dimensiones de antena. Debe

medir:

a. El ancho de la apertura (A)

b. La altura de la apertura (B)

c. El ancho de la guía de onda (a)

d. La altura de la guía de onda (b)

e. El radio R1

f. El radio R2

Estas dimensiones pueden verse en la Figura 1.


NOTA: No puede medir directamente R1 y R2. Para encontrarlos,

deberá medir primero RE y RH. Una vez que los haya encontrado,

calcule R1 y R2 con las siguientes fórmulas:

8. Complete la siguiente tabla.

Tabla 3 Longitud (en cm) Longitud (en λ)

Ancho de apertura (A)

Altura de apertura (B)

Ancho de guía de onda (a)

Altura de guía de onda (b)

Radio R1

Radio R2

9. Abra el programa Análisis de Antenas y seleccione la antena de Bocina

del menú. En el panel de Variables de Diseño, ingrese los datos

anotados en la Tabla 3 (recuerde que el programa le pide ingresar los

datos en términos de λ). Presione Calcular.

10. Observe el valor de Ancho de haz horizontal, y anótelo en la Tabla 3.

Tabla 3

Ancho de haz calculado (º)

Pregunta 1: ¿Corresponde el ancho de haz medido de la Tabla 2, con el ancho

de haz calculado de la Tabla 3? Si no es así, ¿qué podría haber afectado su

medición?

11. Ahora escriba los siguientes datos en el panel de Variables de Diseño,

y presione Calcular.


12. Anote el valor de directividad dado, en la primera fila de la Tabla 4.

Tabla 4

Directividad de bocina con

R1=R2=6λ

Directividad de bocina óptima Directividad de bocina con

R1=R2=12λ

13. Utilizando las fórmulas de Bocina óptima especificadas en la teoría,

calcule los valores óptimos de A y B.

14. Substituya esos valores de A y B en el panel de Variables de Diseño

del programa, y presione Calcular.

15. Anote el nuevo valor de directividad dado en la segunda fila de la

Tabla 4.

Pregunta 2: ¿Qué sucedió con la directividad al utilizar las dimensiones A y B

de una Bocina óptima?

Pregunta 3: ¿Para qué sirven entonces las fórmulas para A y B de la Bocina

óptima?

16. Ahora pruebe hacer la bocina un poco más larga, aumentando los

valores de R1 y R2 en el programa a 12λ. Presione Calcular.

Pregunta 4: ¿Qué sucedió con la directividad al aumentar R1 y R2?



1. Las capturas de pantalla de los pasos 9, 11, 14 y 16


3. Todas las tablas completadas.

CUESTIONARIO

1. Se pretende diseñar una Bocina Piramidal óptima en la banda X, a una

frecuencia de 9.45 GHz y con una ganancia de 20 dB. Las dimensiones

estándar para una guía de onda rectangular en esta banda son de 0.9x0.4

pulgadas. Utilizando la Ecuación de Diseño de la Bocina Piramidal,

calcule las dimensiones A, B, RE, RH óptimas.

2. En una Bocina Piramidal óptima, al aumentar las dimensiones de la

boca (A, B), manteniendo sus longitudes R constantes,

a. La directividad aumenta

b. La eficiencia aumenta

c. La directividad disminuye

d. El área efectiva se mantiene constante

3. En una Bocina Piramidal óptima con A=B.

a. R1=R2

b. 2*R1=3*R2

c. 3*R1=2*R2

d. R1=2*R2

4. Investigue un poco sobre las bocinas corrugadas. ¿Cuál es su principal

ventaja sobre las bocinas convencionales? ¿Cuál es su aplicación

principal en las telecomunicaciones?


Entregue a su instructor (individualmente), una hoja que contenga las

siguientes preguntas, con sus respectivas respuestas:

1. Investigue las aplicaciones de la antena de Bocina.

2. ¿Qué es una guía de onda?

3. ¿Qué son los modos de propagación? ¿Cuál es el modo dominante de

una guía de onda rectangular?


GUÍA 4

Reflectores Diédricos y Parabólicos

OBJETIVOS

Conocer las variables de diseño de un Reflector Diédrico, y observar


antena.

Conocer las variables de diseño de un Reflector Parabólico, y observar


antena.

LISTA DE MATERIALES


TEORÍA

Para comunicaciones a grandes distancias y radares de alta resolución, se

necesitan antenas de muy alta ganancia que produzcan un haz estrecho. Para

aumentar la ganancia, se necesitan geometrías que permitan focalizar la

energía radiada en regiones angulares cada vez más pequeñas. Con ese

propósito es que se utilizan los reflectores: se colocan frente a un radiador

primario (dipolo, boca de guía, bocina) y concentran la energía de ese radiador

en un haz más estrecho, de alta directividad. Los sistemas de reflector se

emplean en una variedad de aplicaciones, como enlaces de microonda, rastreo

y comunicaciones satelitales, radares y radio astronomía.

Reflector Diédrico

Una forma sencilla de concentrar la radiación de un Dipolo es mediante un

Reflector Diédrico. Para la mayoría de aplicaciones prácticas, el reflector

presenta un ángulo de 90º entre placas. Estos reflectores se utilizan como


elementos receptores para televisión.

Figura 1: Geometría para el reflector diédrico de 90º grados: (a) vista de perspectiva,

(b) vista de lado, (c) reflector con sus imágenes

La geometría del problema puede apreciarse en la Figura 1(a) y 1(b).

Asumiendo placas conductoras perfectas de tamaño infinito (o cuando menos,

muy grande comparado con λ), se puede analizar este problema utilizando la

Teoría de Imágenes. Para el análisis de un reflector con un doblez de 90º, se

utilizan 3 imágenes, así como se ve en la Figura 1(c). Para cumplir con las

condiciones de frontera del problema, las corrientes de los elementos 1 y 3

están en fase con el Dipolo original, mientras que las corrientes de los

elementos 2 y 4 tienen un desfase de 180º con respecto a original.

La directividad de este sistema incrementará hasta unos 9-12 dBi,

dependiendo de la separación s entre el Dipolo y la arista. Una separación más

pequeña da mayor directividad, pero reduce el ancho de banda, mientras que

una separación más grande reduce la directividad. Cuando se tiene una

separación mayor a 0.7λ, comienzan a aparecer lóbulos secundarios

indeseados en el patrón de radiación. Por estas razones, se recomienda

mantener la separación s entre 0.25 λ y 0.7λ. Una separación de 0.5 λ

representa un buen balance entre ancho de banda y directividad (que llega casi

a 12 dBi), y es la que normalmente se utiliza.


Reflector Parabólico

Sin lugar a dudas, los reflectores más populares son los Reflectores

Parabólicos, que pueden lograr ganancias superiores a los 30 dBi. El principio

de su funcionamiento, heredado de la óptica, consiste en concentrar la

potencia incidente en el reflector sobre una fuente primaria situada en su foco.

La fuente primaria (el alimentador) es habitualmente una antena de Bocina de

apertura circular, en especial las conocidas como Bocinas corrugadas.

A diferencia de las antenas resonantes como el Dipolo, cuya longitud

usualmente es de media longitud de onda, los Reflectores Parabólicos son

mucho más grandes que su longitud de onda de operación. La distancia entre

el alimentador y el reflector también es de varias longitudes de onda. Las

típicas antenas Parabólicas pequeñas operan a frecuencias de 2 a 28 GHz.

Pueden llegar a operar incluso en la región VHF (30-300 MHz), pero

necesitarían ser reflectores bastante grandes.

Figura 2: Geometría para el reflector parabólico

Los parámetros fundamentales de una parábola son su diámetro d y el foco f.

La parábola tiene dos propiedades fundamentales que dan lugar a su patrón de

radiación altamente directivo:

• Todos los rayos originados desde el punto focal O viajan hacia una misma

dirección luego de ser reflejados por la parábola. En otras palabras, los rayos

reflejados son paralelos entre sí. Se dice que los rayos están colimados.


• La distancia que cada rayo viaja desde el punto focal al reflector y de vuelta

al plano de apertura es la misma para todo rayo. Esta distancia se mantiene

siempre constante a 2f.

Como resultado, los ondas en la apertura del reflector estarán en fase y

viajando en la misma dirección. Ésto es lo que da lugar a un patrón de

radiación tan directivo. Los reflectores tienen un ancho de banda muy amplio.

Es más, en la práctica, el ancho de banda de un sistema de reflector

usualmente se ve limitado por el ancho de banda de la antena alimentadora.

La ganancia del reflector parabólico puede calcularse aproximadamente con la

siguiente ecuación:

donde εap es la eficiencia de la apertura, cuyo valor usualmente estará entre 0.6

y 0.7 para una reflector bien diseñado. Un parámetro clave para determinar

esta eficiencia de antena es la relación entre el foco y el diámetro de la antena,

f/d. Tanto una relación f/d muy baja como una muy alta disminuyen la

eficiencia de antena. Por eso se recomienda un f/d entre 0.25 y 0.5

PROCEDIMIENTO A - DIPOLO C/REFLECTOR

1. Inicie el programa Análisis de Antenas. Asegúrese de que esté

seleccionada la antena Dipolo c/Reflector.

2. Ingrese en el panel de Variables de Diseño las siguientes entradas y

presione Calcular.


NOTA: Puede utilizar la combinación Ctrl+S para obtener una captura

de pantalla del programa. Anote los valores de directividad y ancho de

banda en la Tabla 1.

Tabla A1

Directividad (dBi) (s=0.5λ)

Ancho de banda (%) (s=0.5λ)

Pregunta 1: ¿En qué se diferencia este patrón de radiación con el patrón de un

Dipolo normal?

Pregunta 2: ¿Por qué esta directividad es mayor que la directividad de un

Dipolo normal?

3. Ahora, en el panel de Variables de Diseño, cambie la distancia del

reflector de 0.5λ a 0.3 λ. Vuelva a presionar Calcular.

4. Anote los valores en la Tabla 2.

Tabla A2

Directividad (dBi) (s=0.3λ)

Ancho de banda (%) (s=0.3λ)

Pregunta 3: ¿Qué sucedió con la directividad al aumentar el ancho de banda?

Pregunta 4: ¿Recomendaría utilizar el sistema de reflector con una separación

de 0.3λ? ¿Por qué?

5. En el panel de Variables de Diseño, cambie la distancia al reflector de

0.3λ a 1λ.

6. Anote los valores de directividad y ancho de banda en la Tabla 3.

Tabla A3

Directividad (dBi) (s=1λ)

Ancho de banda (%) (s=1λ)


Pregunta 6: ¿Recomendaría utilizar el sistema de reflector con una separación

de 1λ? ¿Por qué?

PROCEDIMIENTO B – REFLECTOR PARABÓLICO

1. Seleccione el tipo de Antena de Reflector Parabólico.

2. Introduzca en el panel de Variables de Diseño las siguientes entradas y

presione Calcular:

NOTA: En los campos de Offset y Tilt feeder escriba 0.00001 en lugar de sólo

0. El programa está validado para no aceptar ceros.

3. Repita el paso 2 para valor de Foco y Distancia feeder de 0.4, 0.5, 0.6,

0.8 y 1 m. Asegúrese que los valores de Foco y Distancia feeder

siempre sean iguales. Complete la siguiente tabla:

Tabla B1

Relación f/d Directividad


Pregunta 1: ¿Cuál parece ser el valor de la relación f/d que da una mayor

directividad?


Pregunta 2: ¿Qué sucede cuando la Distancia de feeder no es la misma que la

del Foco? ¿Por qué?


Pregunta 3: ¿Qué diferencia nota en el patrón de radiación de la antena con

estos parámetros, comparado con el patrón de las antenas en los pasos

anteriores?


6. Cambie el valor de Tilt feeder a 0º y presione Calcular. Observe los

resultados. Repita para un ángulo de 30º.

Pregunta 4: ¿Cómo se afecta el patrón de radiación y la directividad de la

antena si el Tilt feeder no es de 45º? ¿Por qué?

Pregunta 5: En base a los resultados obtenidos en esta práctica, ¿qué puede

concluir sobre la colocación del alimentador (feeder)?

7. Ingrese las siguientes entradas en el panel de Variables de Diseño, y

presione Calcular:

8. Repita el paso 7 para valores de frecuencia de 1, 1.5, 2, 2.5 y 3 GHz.

Complete la siguiente tabla:

Tabla B2

Frecuencia (GHz) Directividad

0.5

1

1.5

2.5

3

Pregunta 6: ¿Como varía la directividad en relación a la frecuencia de

operación?



4. Las capturas de pantalla de los pasos A2, A3, A5, B2, B4, B5, B7.


6. Todas las tablas de datos completadas.


Antes de empezar esta práctica, deberá entregar a su instructor (de manera

individual) una hoja que contenga las siguientes preguntas, con sus respectivas

respuestas:

1. ¿En qué se diferencian las antenas de Reflector de las antenas que se

han visto anteriormente en este laboratorio?

2. ¿Cuál es la antena de Reflector más grande que ha visto? ¿Por qué tiene

que ser tan grande?


GUIA 5

Enlaces de Microonda

OBJETIVOS

Establecer un pequeño enlace de microondas para comunicación digital

entre dos computadoras.

Familiarizarse con antenas parabólicas reales.

Familiarizarse con los conectores y cables utilizados en

radiofrecuencias.

LISTA DE MATERIALES

2 computadoras (necesitará acceso de administrador para ambas

computadoras, ya que se modificarán las direcciones IP de ambas.

2 tarjetas de Wi-Fi 802.11b para PC, marca ORiNOCO (Lucent).

2 Outdoor Router, marca ORiNOCO. Estos “routers” sirven como un

chasis en el cual se colocará la tarjeta Wi-Fi.

2 cables de conector tipo MC (macho) a conector tipo N (macho).

2 antenas parabólicas de rejilla, 24 dBi

2 adaptadores de tipo N (hembra) a tipo N (hembra).

2 cables Ethernet (directos).

2 Power Supply DC para el Outdoor Router. Output: 5 V DC, 5 Amps.

TEORÍA

Enlaces de Microonda

Los enlaces de microonda con línea de vista (o line of sight, LOS), proveen

conectividad de banda ancha usualmente con frecuencias portadoras

superiores a 900 MHz. En la mayoría de aplicaciones, estos enlaces sólo son

una parte de una red de telecomunicaciones, y pueden transportar los

siguientes tipos de información:


Canales telefónicos

Datos

Video, en especial para teleconferencia

Canales de televisión

Telemetría

Actualmente la mayoría de estas aplicaciones son de microondas digitales, o

sea que se envía un mensaje digital en una portadora analógica. La única

excepción notable son las señales de televisión.

Los enlaces de microonda pueden venir en todos los tamaños y formas.

Pueden ser tan pequeños como medio kilómetro, y tan grandes como 150 km.

PRÁCTICA

1. Introduzca la tarjeta Wi-Fi en una de las dos ranuras del Outdoor

Router. Conecte el puerto Ethernet del Outdoor Router al puerto

Ethernet de una de las computadoras.

2. Conecte el power supply al Outdoor Router, y al tomacorriente.

La conexión de los pasos 1 y 2 se puede ver la Figura 1.

Figura 1: Conexiones desde el Outdoor Router


Utilice el cable de tipo MC a tipo N para conectar la tarjeta Wi-Fi con la

antena. La conexión se puede ver en la Figura 2 y en la Figura 3.

NOTA: La antena parabólica podría tener un conector tipo N macho o

hembra. En caso de que tenga un tipo N macho, debe utilizar un

adaptador de tipo N hembra a tipo N hembra.

3. Repita los pasos 1 y 2 para montar una segunda estación Wi-Fi,

conectada a la segunda computadora.

Figura 2: Conexión a la tarjeta Wi-Fi usando un conector MC (Lucent)

Figura 3: Antena conectada a la tarjeta Wi-Fi


El enlace inalámbrico está listo para usarse. Ahora sólo queda hacer las

pruebas en red de las computadoras.

TRANSFERENCIA DE ARCHIVO

Configurando direcciones IP

1. Busque el ícono de conexión que está en la esquina inferior derecha

de la pantalla. Haga click derecho en ese ícono y busque la opción de

Estado de conexión, lo cual mostrará una ventana con la información

básica sobre su conexión actual.

2. En esa ventana, haga click en el botón de Propiedades y en la

siguiente ventana seleccione Protocolo de Internet versión 4

(TCP/IPv4). Luego presione el botón de Propiedades.

3. Seleccione Usar la siguiente dirección IP, y escriba la dirección IP

estática que va a utilizar para esa computadora, y su respectiva

máscara de red.


Probando el ping

A una computadora se le asigna una dirección IP de 192.168.1.1. A la otra se

le asigna como dirección 192.168.1.2.

Previo a realizar la transferencia de archivos, se debe revisar la conectividad

entre ambas máquinas por medio de un ping, como se puede ver en la

siguiente imagen. Recuerde deshabilitar el Firewall de Windows antes del

ping, ya que éste puede bloquear las solicitudes ICMP.

Activando el protocolo FTP

Habiendo utilizado el ping exitosamente para comprobar la conectividad entre

computadoras, se procede a habilitar el protocolo FTP en las computadoras.

Para ello, debe seguir estos pasos (para Windows XP):


1. Entre a la ventana de Conexiones de red y busque el adaptador

que dice Conexión de área local, o sea, su adaptador de cable

Ethernet. No escoja los adaptadores inalámbricos. Haga click

derecho en el adaptador y busque la opción de Propiedades.

2. En Propiedades, haga click en el tab que dice Opciones

avanzadas

3. En la sección de Conexión compartida a Internet, presione el

botón de Configuración.

En la siguiente imagen puede ver la representación de los pasos 1, 2

y 3.

4. En esta ventana se muestran los servicios que se pueden ejecutar

en su red. Para nuestro caso, seleccione la opción de Servidor de

FTP. Una vez seleccionado, apriete el botón de Modificar.

Paso 1

Paso 2

Paso 3


5. Lo único que debe hacer en esta ventana es escribir la dirección

IP de la computadora con la que va a transferir archivos.

Carpeta compartida para transferir archivos

Una vez que se complete la configuración del FTP, puede ir a sus Sitios de

Red e identificar el nombre de la computadora a la que se quiere conectar.

Ahora que el FTP está habilitado, ambas computadoras pueden utilizar las

carpetas compartidas que se encuentran por defecto en Windows para

transferirse archivos entre ellas.

Paso 4

Paso 5


Para Windows 7

Para compartir archivos en Windows 7, deberá crear un HomeGroup (Grupo

Hogar). Se le recomienda revisar el siguiente enlace de la página de

Microsoft: http://windows.microsoft.com/es-MX/windows7/help/home-sweet-

homegroup-networking-the-easy-way


1. Descripción de las actividades realizadas en la práctica y problemas

encontrados.

2. Capturas de pantalla de la transferencia de archivos.

CUESTIONARIO

1. ¿Por qué el Reflector Parabólico que utilizamos es una rejilla en lugar

de ser una superficie sólida?


Entregue a su instructor (individualmente), una hoja que contenga las

siguientes preguntas, con sus respectivas respuestas:

1. Enumere y describa 8 tipos de conectores utilizados comúnmente en el

área de Radiofrecuencias (RF). Se recomienda incluir una imagen de

cada tipo.

http://windows.microsoft.com/es-MX/windows7/help/home-sweet-homegroup-networking-the-easy-way

http://windows.microsoft.com/es-MX/windows7/help/home-sweet-homegroup-networking-the-easy-way


BIBLIOGRAFÍA

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Villa, F. J., y González, A. S. (s.f.). Prácticas de Laboratorio de Microondas,

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Manual de Laboratorio Antenas

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