ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES COMPONENTE: ANTENAS PROFESIONALES EN FORMACIÓN: Max Alejandro Granda Reyes. José Daniel Sánchez Cruz. TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ANTENA EGG-BEATER PARA OPERAR EN LA FRECUENCIA CENTRAL DE 435 MHZ Introducción La antena "Egg Beater" es una antena omnidireccional que emplea polarización circular para maximizar la captura de señal desde satélites de órbita terrestre baja (LEO). Es, básicamente, solo dos anillos de onda completa alimentados en cuadratura. La versión “hogareña” emplea una línea de "fase" de 90 grados para proporcionar una polarización circular derecha (RHCP). También utiliza, opcionalmente, un par de elementos reflectores parásitos para enfocar más la sobrecarga del patrón de radiación. Este efecto lo convierte en una antena de "ganancia", pero esa ganancia es a expensas de la recepción a baja elevación. [1] La antena Egg Beater es usada para transmisión satelital de alta velocidad especialmente utilizada para cubrir la necesidad en zonas montañosas o estaciones que cuenten con un número elevado de obstáculos. [2] La antena implementada en el siguiente informe está diseñada para trabajar en la banda de 435MHz, es de polarización circular y es omnidireccional. 1. Diseño y cálculos: La antena esta echa de dos anillos completos, montados en ángulos rectos entre sí, luego acoplados juntos 90 grados sobre un reflector circular horizontal de un 1/8 de longitud de onda. Con esta configuración la antena es omnidireccional y circularmente polarizada. Para el diseño de la antena Egg Beater se utiliza las propiedades de un cuarto de longitud de onda, una línea coaxial para lograr una diferencia de fase de 90 grados. [1] Variable Formula 1005 𝐹𝑟𝑒𝑐 Valor en pies Valor en cm 2.31 70.4 Radio del anillo 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 2𝜋 0.37 11.27 Línea de fase 0.486 14.8 Longitud reflectores 246 ∗ 𝑉𝐹 𝐹𝑟𝑒𝑐 𝐿𝑎𝑚𝑏𝑑𝑎 4 0.56 17.2 Longitud línea de transmisión 300e6 ∗ VF 𝐹𝑟𝑒𝑐 1.47 45 Distancia antena a reflector 𝐿𝑎𝑚𝑏𝑑𝑎 8 0.26 8 Largo del anillo *VF (Factor de velocidad del cable) 2. Simulación Para la simulación del diseño, se hizo uso del software FEKO en su versión 2017.1. FEKO es una completa herramienta de software de simulación electromagnética para el análisis de campo electromagnético de estructuras 3D [3]. El diseño realizado en CADFEKO es el siguiente: Fig. 3. Diseño de la antena a simular [Diseño de autores]. El patrón de radiación obtenido es el siguiente: Fig. 4. Patrón de radiación de la antena [Diseño de autores]. Fig. 5. Patrón de radiación de la antena en dBi [Diseño de autores]. Los diagramas polares obtenidos en la simulación: Fig. 6. Diagramas polares de ganancia [Diseño de autores]. Fig. 7. Diagramas polares de campo eléctrico [Diseño de autores]. Coeficiente de reflexión: Fig. 8. Valores del coeficiente de reflexión [Diseño de autores]. ROE: Fig. 9. Valores de ROE [Diseño de autores]. Impedancia: Fig. 10. Valores de impedancia [Diseño de autores]. 3. Diseño mecánico Para el diseño de toda la estructura de la antena, se optó por realizarlo en el software SolidWorks 2018, el cual brinda herramientas de software 3D completas para crear, simular, publicar y administrar los datos [4]. Para el diseño de la antena se hará uso de cañería de cobre de 3/16” de diámetro, se usará la misma cañería para el diseño de los reflectores. Fig. 11. Diseño del anillo [Diseño de autores]. Fig. 12. Diseño de reflectores [Diseño de autores]. Para lograr una estructura más robusta, en la parte interior del tubo de PVC se coloca una unión de aluminio [Anexo 1], donde irán asegurados los reflectores. Fig. 13. Diseño de unión de reflectores [Diseño de autores]. Para lograr una polarización circular, la conexión entre los elementos debe ser como se detalla en la figura 14, para la línea de desfase se usará una línea de ¼ de longitud de onda. Fig. 14. Conexión interna de los elementos [2]. Se hizo uso de un conector tipo PL hembra, además se colocó un aislante en la separación entre los elementos. Fig. 15. Conector tipo PL hembra [Diseño de autores]. Se debe asegurar la unión de la antena con la estructura base, por tal motivo se usará terminal tipo talón [Anexo 1] y perno de 3/8”x1/2” con su respectiva tuerca. Fig. 16. Conector tipo talón [Diseño de autores]. Fig. 17. Unión de los anillos con la base [Diseño de autores]. El diseño final de la antena queda de la siguiente manera: Fig. 18. Vista frontal de la antena [Diseño de autores]. Fig. 19. Vista superior de la antena [Diseño de autores]. 4. CONSTRUCCIÓN Los materiales y costos de construcción de la antena son los siguientes: Material Descripción de venta Cantidad Costo 3 Costo unitario $2.50 Cañería de cobre 3/16” Terminal Talón Perno con tuerca Prisionero Milimétrico Tubo PVC Tapa para tubo PVC Terminal tipo ojo Unión reflectores Termo retráctil Cinta Auto fundente Conector Cable 92 Ohms Cable coaxial Diseño y Construcción 1 metro de longitud 3 cm 3/16”x1/2” 3/16” * 1/2” 4 4 12 $0.60 $0.20 $0.05 $2.40 $0.80 $0.60 2” * 1m 2” 1/4" N/A 1 metro 10 metros PL Hembra RG-62(1 metro) RG-8U (1 metro) N/A 1 2 4 1 1 1 1 1 1 1 $0.75 $0.30 $0.05 $20.00 $1.00 $8.00 $8.00 $5.00 $3.00 $29.00 $0.75 $0.60 $0.20 $20.00 $1.00 $8.00 $8.00 $5.00 $3.00 $29.00 TOTAL $7.50 $86.85 Fig. 20. Corte de reflectores y anillos [Diseño de autores]. Fig. 21. Unión de anillos a la base de la antena [Diseño de autores]. Fig. 22. Unión de cables en su respectiva posición [Diseño de autores]. Fig. 23. Unión de reflectores a la base de la antena [Diseño de autores]. Fig. 24. Construcción final de la antena [Diseño de autores]. Fig. 25. Proceso de medición [Diseño de autores]. Fig. 26. Resultados obtenidos en el analizador de antenas. 5. Conclusiones - Se pudo observar que los resultados obtenidos en simulaciones distaban mucho de la realidad, ya que al momento de realizar la construcción de la antena se tuvo que reducir medidas con respecto a la simulación. - Se pudo constatar mediante las simulaciones realizadas la relación existente entre ganancia y ángulo de apertura, conforme optimizamos las medidas, logramos que el ángulo de apertura incrementase, a cambio de una disminución en ganancia. - Para lograr una polarización circular, los elementos deben estar ubicados físicamente formando un ángulo recto y eléctricamente deben estar desfasados 90°, esto se logra agregando una línea de ¼ de longitud de onda. 6. Recomendaciones - - - Es importante tener las mediadas de materiales más grandes a las obtenidas en simulación, ya que al momento de acoplar la antena se requiere hacer cortes para obtener la frecuencia de operación. Es de suma importancia realizar el soldado del cable con el conector y con los terminales de una manera correcta, debido a que se pueden producir errores en el acoplamiento. Al momento de realizar el acoplamiento de la antena, es importante tener paciencia ya que se requiere hacer cortes milimétricos, y mucho tiempo de medición para lograr llegar a la frecuencia requerida. 7. Bibliografía [1] Anónimo, “EGG BEATTER” [Online]. http://wb5rmg.somenet.net/k5oe/Eggbeater_2.html [2] “ANTENA EGG BEATER” [Online] .Available: http://on6wg.pagespersoorange.fr/Doc/Antenne%20Eggbeater-Engl-Part1-Full.pdf [3] HyperWorks, “Overview of FEKO https://altairhyperworks.com/product/FEKO [4] “Información de la empresa SOLIDWORKS.” http://www.solidworks.es/sw/183_ESN_HTML.htm 8. ANEXOS —.” [Online]. [Online]. Available: Available: Available: Resumen de características de la antena Egg Beater CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Modelo Egg Beater Frecuencia central (MHz) 435 Ganancia (dBi) 5 Ancho de Banda (MHz) 20 en -14 dB Impedancia nominal (Ω) = ̃ 100 ROE 1.2 Pérdida por retorno (dB) 14.9 Coeficiente de reflexión 0.1807 (-15 dB) Apertura de lóbulo (-3dBi) 136.555° Polarización Circular CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Material utilizado Cobre Diámetro 3/16” Número de elementos 2 Longitud del reflector (cm) 17 Tipo de conector PL (hembra) Altura (cm) 39.5 Peso aproximado 0.5 Kg
