PYA_G6[Antenas de Bocina]_01_2007

Guía
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Facultad: Ingeniería.
Escuela: Electrónica.
Asignatura: Propagación y Antenas.
Título: Antenas de Bocina.
Lugar de Ejecución: Telecomunicaciones
Objetivos específicos
•
•
Describir las características de las antenas de bocina.
Efectuar las medidas de ganancia y diagramas de radiación.
Introducción Teórica
Generalidades
Las antenas de bocina están constituidas por una guía de onda que se ensancha con forma de
bocina; la misma puede ser de tipo piramidal, sectorial o cónica (Figuras 1a, b y c).
La ganancia G de la antena de bocina depende de la relación entre la superficie de la apertura de la
bocina, y la longitud de onda de trabajo se puede aumentar ensanchando la bocina misma. De
todas formas, la ganancia de las antenas de bocina de uso práctico está limitada a un máximo de
alrededor de 20 dB.
Las antenas de bocina se utilizan solas, en aplicaciones en donde no se precisan ganancias
elevadas, o bien en combinación con reflectores parabólicos \(Figura 2). En este segundo caso la
antena de bocina constituye el denominado alumbrador (o FEEDER), mientras que el reflector
parabólico sirve para aumentar la directividad y la ganancia del conjunto.
Figura 1 Antenas de bocina: a) piramidal; b) sectorial; c) cónica.
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Guía
Figura 2 Antenas de bocina con reflector parabólico.
Figura 3 Diagramas de radiación.
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2
Guía
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Diagrama de radiación
El diagrama de radiación de una antena de bocina depende de la ganancia y de la forma de la
antena misma. Al aumentar la ganancia se reduce el ancho del haz y la antena aumenta su
directividad.
Como ejemplo, en la figura 3 se muestra la forma de los lóbulos principales en los planos E y H de
una antena de bocina trapezoidal y de dos antenas de bocina sectoriales. Obsérvese que en la
antena sectorial el lóbulo principal es más angosto en el plano en donde el flanco de la boca es
inferior.
Ganancia
La ganancia teórica G de una antena de bocina se obtiene de la relación siguiente (Expresión 1):
G≈
10 A
λg
2
≈
6.4 A
λ0 2
GdB = 10 log(G )
Expresión 1 Ecuación para obtener la Ganancia Teórica para una Antena de Bocina.
λg = longitud de onda en la guía;
λ0 = longitud de onda en el espacio libre;
A = superficie (a x b) de la apertura de la antena de bocina.
Donde:
Materiales y equipos
•
•
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•
•
•
•
Transmisor de diodo Gunn mod. MW/TX con fuente de alimentación
Medidor mod. MW/ME
Detector de cristal mod. MW/02
Antenas de bocina, ganancia de 15 dB, mod. MW/12
Antena de bocina, ganancia de 10 dB, mod. MW/13
Antena de bocina sectorial mod. MW/14
Base móvil mod. MW/16
Soportes
Cables BNC / BNC
Procedimiento
Tenga en cuenta que la presencia de superficies metálicas, que pueden provocar
reflexiones no deseadas, puede alterar los resultados de los ejercicios.
Cálculo de la ganancia
1. Medir los lados a y b de la apertura de la antena de bocina MW/12.
2. Calcular la ganancia GdB de la antena a la frecuencia de 10.5GHz, utilizando la fórmula (1).
3. Efectuar el mismo cálculo también para la antena de bocina MW/13 y para la antena de
bocina sectorial.
3
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Medida de la ganancia: Método de la comparación
Considérese que se utiliza como antena isotrópica a una guía abierta. El comportamiento de la guía
abierta en realidad se aproxima al de una antena isotrópica, pero es suficiente para describir y
utilizar el método de medida.
1. Predisponer los componentes como se muestra en la Figura 4a:
• Transmisor MW/TX conectado a la guía rectilínea MW/01 y montado sobre soporte fijo.
• Antena de bocina MW/12 conectada al detector MW/02 y montada sobre soporte fijo
MW/16.
• Poner el extremo de la guía MW/01 a una distancia de alrededor de 20cm de la apertura de
la antena de bocina (D en la figura 4a).
• Predisponer el medidor MW/ME en VOLTAGE y “+”, y poner GAIN en posición intermedia.
• Alimentar a +12Vcc el transmisor y regular BIAS en posición intermedia.
• Alinear la estación transmisora y la estación receptora para obtener la lectura máxima en el
medidor. ¡CUIDADO! DURANTE LAS MEDIDAS EL GAIN YA NO PODRÁ VARIARSE.
Figura 4 Medida de Ganancia, por Método de Comparación.
4. De la ecuación de transmisión de una antena se obtiene:
⎡ λ ⎤
PR = ⎢ 0 ⎥ GW GR PT
⎣ 4π D ⎦
2
Expresión 2 Ecuación para obtener la Propagación para una Antena de Bocina.
Donde:
PT = potencia transmitida;
PR = potencia recibida;
GW = ganancia de la antena transmisora;
GR = ganancia de la antena receptora;
λ0 = longitud de onda en el espacio libre.
4
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Considerando la guía abierta como una antena isotrópica (GW = 1), la relación anterior se vuelve:
⎡ λ ⎤
PR = ⎢ 0 ⎥ GR PT
⎣ 4π D ⎦
2
Expresión 3 Ecuación para obtener la Propagación para una Antena de Bocina
Isotrópica.
5. Quitar la guía de onda e instalar la antena de bocina MW/12 (Figura 4b). Alejar la estación
receptora hasta que en el medidor se obtenga la misma lectura de antes (0.4). Registrar la
nueva distancia D1 entre las aperturas de las dos antenas. En esta situación se recibe la
misma potencia PR del caso anterior, pero desde una distancia distinta:
2
⎡ λ ⎤
PR = ⎢ 0 ⎥ GMW 13GR PT
⎣ 4π D1 ⎦
Expresión 4 Ecuación para obtener la Propagación para una Antena de Bocina con
Ganancia Menor.
6. Quitar la antena MW/13 e instalar la antena MW/12 (Figura 4c). Alejar la estación receptora
hasta que en el medidor se obtiene la misma lectura anterior (0.4). Registrar la nueva
distancia D2 entre las aperturas de las dos antenas. En esta situación se recibe la misma
potencia PR de los casos anteriores, pero a una distancia aún distinta:
2
⎡ λ ⎤
PR = ⎢ 0 ⎥ GMW 12GR PT
⎣ 4π D2 ⎦
Expresión 5 Ecuación para obtener la Propagación para una Antena de Bocina con
Ganancia Mayor.
7. La ganancia de la antena MW/13 se calcula dividiendo miembro a miembro la Expresión 4
entre la Expresión 3. Se obtiene:
2
⎡D ⎤
GMW 13 = ⎢ 1 ⎥
⎣D⎦
GMW 13 (dB) = 20 log( D1 / D)
Expresión 6 Ecuación para obtener la Ganancia para una Antena de Bocina.
El resultado obtenido se aleja en algunos dB de la ganancia nominal, ya que la guía abierta no es
una antena isotrópica real.
8. La ganancia de la antena MW/12 se calcula dividiendo miembro a miembro la Expresión 5
entre la Expresión 3. Se obtiene:
2
⎡D ⎤
GMW 12 = ⎢ 2 ⎥
⎣D⎦
GMW 12 (dB) = 20 log( D2 / D)
Expresión 7 Ecuación para obtener la Ganancia para una Antena de Bocina.
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Medida de la ganancia: Método de las 2 antenas
9. Se
en
•
•
•
•
utilizan las 2 antenas de bocina MW/12. Predisponer los componentes como se muestra
la Figura 5a:
Transmisor MW/TX conectado a la antena MW/12.
Antena de bocina MW/12 conectada al detector MW/02.
Fijar una distancia de 100cm (D en la Figura 5a) entre las aperturas de las antenas.
Predisponer el medidor MW/ME en VOLTAGE y “+”, y poner GAIN en posición
intermedia.
• Alimentar a +12Vcc el transmisor y regular BIAS en posición intermedia.
• Alinear la estación transmisora y la estación receptora para obtener la lectura máxima
en el medidor.
• Variar GAIN del medidor para obtener una lectura específica (por ejemplo 0.4).
¡CUIDADO! DURANTE LAS MEDIDIAS EL GAIN YA NO PODRÁ VARIARSE.
Figura 5 Medida de la ganancia: Método de las 2 antenas.
10. La ganancia GMW12 de la antena se calcula utilizando la relación siguiente:
2
GMW 12
2
⎡ 4π D ⎤ PR
=⎢
⎥ ⋅
⎣ λ0 ⎦ PT
Expresión 8 Ecuación para obtener la Ganancia para una Antena de Bocina.
11. La relación PT / PR se puede evaluar de la manera siguiente:
• Quitar la antena transmisora y conectar al transmisor el atenuador variable MW/08 y el
medidor MW/02 (figura 5b).
• Insertar el atenuador hasta que en el medidor se obtenga la misma lectura (0.4) que
en el paso 10 anterior.
La atenuación introducida AdB suministra la relación en decibelios entre PT y PR
12. La Expresión 8 expresada en decibelios se vuelve entonces:
GMW 12 = 10 log(4π D / λ0 ) − AdB / 2
Expresión 9 Ecuación para obtener la Ganancia para una Antena de Bocina.
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Guía
Conociendo:
AdB (lectura del atenuador)
D = 100cm.
Y considerando una longitud de onda en el espacio libre equivalente aproximadamente a 2.86cm (f
= 10.5GHz), se puede calcular la ganancia de la antena a medir.
Diagramas de radiación
13. Predisponer los componentes como se muestra en la Figura 6:
• Transmisor MW/TX conectado a la antena MW/12 y montado sobre soporte fijo.
• Antena de bocina MW/12 conectada al detector MW/02 y montada sobre la base móvil
MW/16.
• Fijar una distancia de alrededor de 50cm entre las dos antenas.
• Predisponer el medidor MW/ME en VOLTAGE y “+”, y poner GAIN en posición
intermedia.
• Alimentar a +12Vcc el transmisor y regular BIAS en posición intermedia.
• Alinear la estación transmisora y la estación receptora para obtener la lectura máxima
en el medidor.
Variar GAIN del medidor para obtener una lectura de Vref = 1. ¡CUIDADO! DURANTE LAS MEDIDIAS
EL GAIN YA NO PODRÁ VARIARSE
14. Girar hacia la derecha y hacia la izquierda la antena receptora y leer en el medidor la señal
recibida V. Anotar los valores en la Tabla 1.
Calcular para cada posición la ganancia relativa en decibelios ( Grel
= 10 log(V / Vref ) ).
15. Graficar en la Figura 7 la marcha de Grel en función del ángulo. Se obtiene el diagrama de
radiación de la antena.
Ángulo
[°]
0
+1
+2
+3
+4
+5
+6
+7
+8
+9
+10
+11
+12
+13
+14
+15
Tensión
medida
[V]
V/
Vref
Vref
1
20 log
V
Vref
(dB)
0
Ángulo
[°]
Tensión
medida
[V]
V/
Vref
20 log
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
Tabla 1 Medición de Valores para Diagrama de Radiación.
V
Vref
(dB)
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Figura 6 Conexión para obtener el Diagrama de Radiación.
Figura 7 Diagrama de Radiación para una Antena de Bocina.
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Análisis de resultados
1. Describa, en forma breve, cómo funciona un reflector parabólico.
2. Cuál es el objetivo del mecanismo de alimentación en una antena de reflector parabólico.
Investigación complementaria
1.
2.
3.
4.
Investigue el método de las tres antenas para obtener la ganancia de una antena.
Qué quieren decir área de captura de una antena parabólica.
Describa cómo funciona una alimentación de Cassegrain con un reflector parabólico.
En su forma simple qué es una guía onda.
Bibliografía
•
•
WAYNE TOMASI, Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, 4º Edición, Capítulo 10 –
Antenas y Guía Onda.
MICROONDAS Y ANTENAS. TOMO I: FUNDAMENTOS. ELETTRONICA VENETA.
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