Experiencias con instrumentacin para campos em Gua virtual

Experiencias con instrumentación para campos em: Guía virtual de un Laboratorio de Microondas CARACTERIZACIÓN DE ANTENAS Proyectos de Innovación Educativa y Mejora de la Calidad Docente 1

Caracterización de una antena ØLas antenas son un tipo particular de circuitos cuya misión es generar ondas radiadas con alto rendimiento ØLa forma que puede tomar una antena es muy variada: hilos formando monopolos o dipolos, parabólicas, de parche, etc. ØSuponiendo que la antena se sitúa en el origen y utilizando coordenadas esféricas, el campo eléctrico radiado se puede escribir en general como: donde I es la corriente de excitación y son las coordenadas del punto donde se mide el campo. üLas funciones contienen la dependencia angular ; normalmente se expresan en d. B y normalizadas a un valor máximo. 2

Diagramas de radiación ØLa densidad de potencia radiada por una antena es proporcional al cuadrado del campo eléctrico, por lo que se suele utilizar para representarla la función: Midiendo esta función para distintas posiciones angulares se obtiene el DIAGRAMA DE DENSIDAD DE POTENCIA NORMALIZADA ØEstos diagramas se suelen representar en 2 D manteniendo Bocina piramidal Ø Nosotros vamos a caracterizar Antena de parche Antena logoperiódica 3

Parámetros a determinar üDirectividad: cociente entre la densidad media de potencia en la dirección de máxima radiación y la densidad de potencia promediada a todas las direcciones. üLóbulo principal: margen angular comprendido entre lo rodean y los mínimos que üAncho de haz a -3 d. B: Margen angular entre las dos direcciones próximas al máximo principal, cuya amplitud está a 3 d. B por debajo del mismo üNivel de lóbulo principal a secundario: el mayor de los máximos secundarios medido con respecto al máximo principal, en d. B üAncho de banda: relación entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central 4

Práctica 1: Medida del diagrama de radiación de una antena de bocina Permite adaptar la impedancia de una guía de ondas a la del medio libre, separando las paredes y formando una estructura piramidal, cónica, etc. El montaje es el que se muestra en el siguiente esquema: Vatímetro Antena transmisora Antena a medir Aislador Diodo detector Distancia r Generador Medidor de ángulos 5

Etapas del proceso: 1) Situar la antena cuyo diagrama se desea medir a una distancia siendo L una longitud característica de la antena. Ello nos asegura que estamos midiendo en la zona de radiación 2) Seleccionar en el generador la frecuencia de 9 GHz 3) Rotar la antena a medir hasta detectar un máximo de señal. Ajustarla para que coincida con el nivel de referencia (0 d. B) 4) Repetir la medida para incrementos sucesivos de rotación de la antena (p. ej. 5º) anotando la posición y el nivel de señal relativa 5) Representar los resultados en diagramas polar y cartesiano. Calcular los parámetros de la antena 6

Diagrama cartesiano: plano H üLa dirección del máximo de señal es üSe detectan varios lóbulos secundarios 7

üLóbulo principal: 59º üAncho de haz a -3 d. B: 26º üNivel de lóbulo principal a secundario: 23 d. B üDirectividad: (fórmula empírica, Ref. [1]) aa 1 b a 8

Práctica 2: caracterización de una antena de parche Consiste en un parche metálico dispuesto sobre un sustrato dieléctrico colocado encima del plano metálico a tierra. Ventajas: § Bajo coste § Peso muy ligero Limitaciones § ancho de banda reducido, ya que se trata de una estructura resonante § baja eficiencia, puesto que de la energía acumulada en la cavidad, sólo una pequeña fracción es radiada PARCHE RECTANGULAR: La altura h del dieléctrico en relación con la lef es: Los sustratos suelen tener una constante dieléctrica en el rango 9

Medida del parámetro S 11 de una antena de parche La antena se conecta a un analizador vectorial de redes. Se mide el módulo y fase del coeficiente de reflexión, haciendo un barrido en frecuencia desde 50 MHz a 4, 45 GHz. El montaje es el que se muestra en el siguiente esquema: Analizador de redes Antena a medir 10

Módulo de S 11 para la antena medida üS 11 es mínimo en fr = 2, 91 GHz (resonancia) con una caída de 12 d. B üAncho de banda: rango de frecuencias en torno a fr en el que 11

Diagrama de Smith Resonancia 12

ANTENAS LOGOPERIÓDICAS: PRINCIPIOS BÁSICOS ¿Qué significa Logoperiódica? Logoperiódica hace referencia a que sus parámetros de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Son estructuras auto-escalables, de forma que sus propiedades a una frecuencia f 2 van a ser las mismas que a la frecuencia f 1, siendo f 2 = k f 1 y k una constante mayor que la unidad. ¿Para qué se utilizan? Las antenas logo periódicas se utilizan para conseguir un ancho de banda grande, teóricamente infinito. En la práctica, el ancho de banda depende del tamaño. Principio de funcionamiento Las características de una antena son función de la relación de su tamaño a la longitud de onda y no de sus dimensiones físicas absolutas. Si tenemos un comportamiento a cierta frecuencia y al variar ésta, la antena se re-escala para mantener la misma relación de sus dimensiones a la longitud de onda, se tendrá el mismo comportamiento a la nueva frecuencia

ANTENAS AUTO-ESCALABLES Principio de Rumsey: Una antena tendrá una impedancia y unas propiedades de diagrama independientes de la frecuencia si la forma de la antena está únicamente definida a partir de ángulos En efecto, supongamos que la estructura geométrica de la antena es: Si la antena r se re-escala en un factor k, la nueva antena será: La antena r’ será k veces mayor que r y resonará a una frecuencia k veces más pequeña. La forma de radiar y la impedancia de entrada serán iguales. El principio de Rumsey se aplica al caso en que r = r’, lo que se puede conseguir con una rotación, o sea, La antena es auto-escalable y tiene el mismo comportamiento a f que a f /k

ANTENAS LOGOPERIÓDICAS Definición y estructura La antena logoperiódica es un caso particular de antena autoescalable donde la antena no lo es para cualquier factor de escala k sino para un determinado conjunto de valores. El ejemplo más común es la agrupación logoperiódica de dipolos Estrictamente la antena no es independiente de la frecuencia sino más bien multifrecuencia. La estructura de la izquierda (a) es autoescalable (y para b = 90 o auto-complementaria) pero para una dimensión radial finita, aparecerán ondas estacionarias y dependencia con f. Si se introducen discontinuidades, derecha (b), la radiación aumenta, la corriente disminuye con r y el efecto del truncamiento se atenúa

AGRUPACIÓN LOGOPERIÓDICA DE DIPOLOS Rn Estructura a Ln 2 dn n+1 Sn 2 an n Todas las dimensiones se escalan por t Otros parámetros característicos son el ángulo a y el espaciado relativo s (1)

Alimentación La agrupación se alimenta por el vértice y cada dipolo se alimenta con un desfase relativo de 180 o; esto se consigue cruzando los cables. Funcionamiento: • A una frecuencia dada, el dipolo que sea resonante , radiará la mayor parte de la potencia. Dipolo resonante • Los dipolos de longitud mayor actúan como reflectores y los de longitud menor como directores. • El diagrama de radiación tendrá su máximo en la dirección del vértice. • El ancho de banda está fijado por las longitudes de dipolos menor y mayor • La polarización es lineal directores región activa reflectores

Diseño Para las frecuencias (o l. d. o. ) que se quieren abarcar, los dipolos más cortos y más largos tendrán longitudes: donde B es el ancho de banda relativo de la agrupación. Por otra parte, De ambas ecuaciones obtenemos el número de elementos. En la práctica, la zona activa no se reduce a un solo dipolo resonante y los dipolos más corto y más largo deben tener longitudes algo menores que l/2, lo que equivale a introducir un factor k en la ec. (2)

Empíricamente, También empíricamente o por simulaciones numéricas se encuentra la relación de la directividad con el factor de escala t y el espaciado relativo s (figura) Contornos de directividad constante Por último, de la ec. (1):

A partir del ángulo y las longitudes de dipolos más largo y más corto, obtenemos la longitud de la agrupación: Resumen de los parámetros de diseño: Longitudes de dipolos Factor de escala Número de elementos Espaciadodirectividad Tablas o gráficas semi-empíricas Ángulo

BIBLIOGRAFÍA 1) ANTENAS, Ángel Cardama Aznar y otros. Ediciones UPC, 2005 2) ANTENNA THEORY. Analysis and design. Constantine A. Balanis. Wiley, 1997 3) ANTENNA THEORY AND DESIGN. W. L. Stutzman y G. A. Thiele. Wiley, 1998 4) ANTENNAS. J. D. Kraus y Ronald J. Marhefka. Mc. Graw Hill, 2002 21