INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA II Profs.: Ing. Aníbal Coto C.

Laboratorio 6 Caracterización de Antenas

1. Objetivo general

Al finalizar este experimento el estudiante estará en capacidad de realizar mediciones de patrones de radiación de antenas, así como de calcular a partir de estos el ángulo de media potencia, la relación frente-espalda y la ganancia de la antena respecto a una antena de referencia. Además se caracterizará la respuesta en frecuencia de la antena. 2. Objetivos específicos 2.1. Definir los conceptos de ganancia de antena, relación frente espalda y ángulo de media potencia. 2.2. Explicar cómo se mide el patrón de radiación horizontal y vertical de una antena. 2.3. Describir las características principales de los patrones de radiación de las

antenas dipolo doblado de λ/2, simple y con reflectores, y la antena dipolo de λ de gran ancho de banda. 2.4. Determinar la frecuencia de operación óptima de una antena.

3. Cuestionario previo 3.1. Dos antenas A y B tienen exactamente la misma geometría y se midieron bajo las mismas condiciones. Justifique por qué razón las ganancias de potencia

son diferentes, ya que dBGA 5.3= y dBGB 7.2= .

3.2. La figura 1, presenta el patrón de radiación vertical de una antena muy direccional. La medición fue hecha a una distancia de km10 de la antena. El plano xy constituye el plano de tierra:

3.2.1. Obtenga del diagrama el ángulo de media potencia AMP del lóbulo principal. Márquelo en una copia de la figura 1.

3.2.2. Calcule la relación frente-espalda: ( )LSLP PPRFE log10= , donde LSP

es la densidad de potencia máxima del lóbulo-espalda y LPP es la

densidad de potencia máxima del lóbulo principal. Recuerde además que

η2

EPvr

= , para valores rms de campo; η corresponde a la impedancia

intrínseca del espacio.

Figura 1. Patrón de radiación vertical donde 150MAXrms

E mV m=v

, para la pregunta 3.2.3.

3.2.3. Calcule la densidad de potencia recibida a km5 en º80=θ . Use el sistema estandarizado de coordenadas esféricas.

3.2.4. ¿A qué distancia sobre el plano º90=θ se mide la misma densidad

del punto 3.2.3? Considere que ( ) ( )φθ ,FrkP =r

, donde ctek = , r es la

distancia de la fuente al punto de medición y ( )φθ ,F es el factor de

direccionalidad (finalmente un número).

3.3. La expresión

−

=θ

βθ

β

θsen

BE o

2coscos

2cos

ll

, donde λ

πβ

2= ,

da el campo eléctrico ( )θθE de una antena dipolo de largo total l muy delgada

colocada a lo largo del eje z . 0B es una constante:

3.3.1. Grafique en coordenadas polares la magnitud del campo eléctrico

θEv

según se varía el ángulo º180º0 << θ para los dipolos más usados:

2λ=l y λ=l (dos gráficos). Normalice haciendo 10 =B .

3.3.2. Determine e indique en los mismos gráficos, los ángulos de media potencia AMP en grados. Anote esos valores en la tabla 2 como AMP teórico. ¿Cuál dipolo es más direccional?

3.4 Leer el documento: "Stimulus_Response_Measurement_Suite.pdf" disponible en la web del curso. Es el documento que explica como hacer las mediciones de respuesta en frecuencia de un dispositivo. Leer especialmente las secciones correspondientes al one port insertion loss y al return loss.

4. Equipo

1 Transmisor S0 4100-1A 1 Receptor S0 4100-3A 1 Analizador de espectros Agilent N1996a-506 2 Cables RG-58 1 Antena dipolo doblado 1 Antena dipolo doble 1 Antena dipolo doblado con reflectores 1 Antena dipolo de λ de gran ancho de banda (onda completa o full wave) 1 cortocircuito 1 Llave USB para grabar las imágenes en el analizador de espectros N1996A-506

5. PROCEDIMIENTO NOTAS PREVIAS

• Durante el experimento, mantenga la potencia de transmisión constante.

• Durante las mediciones no debe haber cambios en la posición de objetos y personas dentro del cubículo.

• Hagan un ESQUEMA del cubículo con las antenas transmisora y receptora.

Indique la posición de la antena receptora para el ángulo de arranque (0°) y la distancia eléctrica del Transmisor al Receptor. Indique dónde se encuentran grandes superficies reflectoras, como por ejemplo las verjas de las ventanas.

• El valor del campo a medir varía, así que deberá tomar un promedio de esas fluctuaciones.

5.1. Respuesta en frecuencia de la antena 5.1.1 Conecte las antenas a utilizar al analizador de espectros para obtener la respuesta en frecuencia de cada antena y las pérdidas por reflexión. 5.1.2 Determine la respuesta de frecuencia en el rango de 100Mhz a 1GHz . Para

esto siga las indicaciones del documento: "Stimulus_Response_Measurement_Suite.pdf" disponible en la web, utilizando la prueba: One Port Insertion Loss. Haga una prueba en el rango de frecuencias indicado, y haga una prueba en un rango de frecuencias más corto alrededor de la frecuencia de operación de la antena. Recuerde grabar en una llave USB las imágenes obtenidas. Determine las frecuencias de operación de la antena. 5.1.3 Determine la frecuencia de operación de la antena, haciendo un barrido en las frecuencias indicadas arriba utilizando la prueba Return Loss. ¿Qué valor de SWR debe presentar el ensamble en la frecuencia de operación? ¿Porqué? Determine el coeficiente de reflexión máximo, mínimo y en la región de interés. Determine las frecuencias de operación.

5.2. Patrón de radiación horizontal 5.2.1. Use la antena Yagi en el transmisor montada horizontalmente como se muestra en la figura 2. 5.2.2. Como primera antena de prueba ensamble el dipolo doblado en el mástil del receptor también en polarización horizontal. 5.2.3. Se medirá la señal recibida conectando la antena receptora directamente al analizador de espectros. 5.2.4. Ajuste el transmisor a mW200 y alinee ambas antenas para máxima recepción. Dirija la antena Yagi del transmisor hacia el punto de recepción antes de tomar valores. 5.2.5. Busque la frecuencia del transmisor, MHz433 , con un SPAN de MHz10 . Use la escala lineal (mV). Para la lectura de las amplitudes use el MARKER.

Seleccione un ancho de banda BW adecuado. 5.2.6. Busque la dirección en que se obtiene la máxima radiación e inicie las

mediciones asignando a dicha dirección el ángulo de 0°.

5.2.7. Rote la antena receptora en pasos de 10° desde 0 hasta 350°°°°. Anote en la tabla 2 el ángulo y el valor de voltaje respectivo medido en el analizador de espectros. Identifique claramente la tabla. 5.2.8. Mientras se ejecuta la medición, la potencia de salida del transmisor debe mantenerse constante, así que se recomienda que un estudiante esté permanentemente junto a la antena transmisora controlando ese valor sin moverse mucho. Nota importante: después de girar cada ángulo, retire la mano de la base del receptor antes de tomar la medición. 5.2.9. Mida la distancia de la antena transmisora a la receptora. Este dato debe aparecer en el reporte. Esta distancia no se debe cambiar al realizar las mediciones para diferentes antenas. 5.2.10. Reemplace el dipolo doblado por el dipolo doblado con reflectores en polarización horizontal y repita la medición y llene la columna respectiva de la tabla 2.

5.2.11. Finalmente monte la antena dipolo de longitud λ (full wave) en el receptor y repita la medición. Compare el valor de voltaje máximo recibido con los casos anteriores para potencia transmitida constante ( mW200 ). Anote los valores medidos en la tabla 2.

5.3. Patrón de radiación vertical 5.3.1. Monte la antena de dos elementos en el transmisor en posición vertical y en el receptor ensamble el dipolo doblado con reflectores, también verticalmente. Vea la figura 3. 5.3.2. Proceda como se hizo en los puntos de 5.1.3 a 5.1.8 del apartado anterior. Llene la tabla 2 y registre el diagrama de radiación vertical.

5.4. Procesamiento de los datos

5.3.1 Agilice la elaboración de diagramas empleando la graficación polar en EXCEL® o en Matlab®. Realice un diagrama por hoja, evite figuras muy pequeñas. Adjunte las tablas de datos en el informe. Grafíquense los valores tomados en mW .

6. ANALISIS DE RESULTADOS Y EVALUACION 6.1. Describa e interprete el significado de las imágenes obtenidas en el punto 5.1. Compárelas en cuanto a respuesta de frecuencia y frecuencia de operación. ¿Qué conclusiones logra obtener?

6.2. Obtenga e indique claramente para cada diagrama:

a. El ángulo de media potencia AMP experimental, definido entre los valores correspondientes a 0.707 del valor máximo de voltaje medido en el lóbulo principal. El AMP teórico se obtuvo en el cuestionario previo, así que ya ese valor debe estar en la tabla 1.

b. El valor en decibeles de la relación frente espalda RFE . Use la expresión

( )LSLP VVRFE log20= , donde LPV es la tensión del lóbulo principal y LSV la

del lóbulo secundario. c. La ganancia G en la dirección de máxima radiación de cada antena

respecto al dipolo doblado de 2λ sin reflectores, usada aquí como

antena de referencia. Use la expresión ( )2maxlog20 λVV donde maxV es el

voltaje máximo recibido para la antena de prueba en su lóbulo principal y

2λV es el voltaje en la dirección de máxima radiación del dipolo doblado de

2λ sin reflectores.

NOTA: Recuerde que los cálculos comparativos entre diferentes antenas sólo son válidos si la distancia del transmisor al receptor y la potencia de transmisión se han mantenido constantes.

6.3. Llene la tabla 1 con todos los resultados que permitan una rápida visualización de las características de cada antena como se muestra a continuación. Anote en la tabla 1 los valores correspondientes a las mediciones para polarización horizontal únicamente.

6.4. ¿Por qué la ganancia de la antena dipolo de λ (full-wave) es menor que las otras? Compare la forma geométrica y analice la definición de la ganancia de antena. Considere la capacitancia distribuida C ′ de esa antena y su relación con la atenuación α por efecto del conductor.

6.5. A partir de las mediciones hechas en los puntos 5.2 y 5.3, compare y comente los patrones de radiación vertical y horizontal de la antena dipolo doblado con reflectores. ¿Se muestra direccionalidad en ambos?

6.6. ¿Es la antena dipolo de λ más direccional que el dipolo doblado? Justifique en base a lo que establece la teoría de dipolos, use la expresión de campo vista en el curso de teoría. Compare los AMP teóricos (cuestionario previo) con los

experimentales para las antenas dipolos de λ y 2λ .

Figura 2. Arreglo de medición del patrón de radiación horizontal.

Figura 3. Arreglo de medición del patrón de radiación vertical.

Tabla 1 Valores característicos de las antenas, polarización horizontal

Separación antena transmisora – antena receptora: md _______________=

Potencia del transmisor: mWP _______________=

ANTENA AMP

teórico [°]

AMP exper

[°] RFE [ dB ]

G [ dB ]

Dipolo doblado

Dipolo doblado con reflectores

Dipolo de λ (full-wave)

Tabla 2 Intensidad recibida en el analizador de espectros en mV .

Polarización horizontal

Polarización vertical

Angulo [º]

Dipolo doblado Dipolo doblado con reflectores

Dipolo de onda completa

Dipolo doblado con reflectores

0 ó 360 10 20 30

40 50 60 70 80 90

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280

290 300 310 320 340 350