Fabricacion de Antenas

Fabricacion de Antenas

Resumen

Las antenas han sido de gran utilidad enlos ultimos años debido a que han incrementado la capacidad de transmitir y recibir informacion a distancia con bastante precision.Particularmente las antenas Yagi-Uda han tenido un gran uso debido asus caracteri­sticas y la posibilidad de ser utilizadas para una gran variedad de aplicaciones como son la radio aficionada y la television.

En el presente documento se analizara el diseño, construccion y caracteri­siticas de una antena Yagi-Uda que funciona en la banda de174MHz a 216MHz, la cual esta determinada para la transmision de television de los canales 7 al 13.

Introduccion

Una Antena es un elemento que convierte la energi­a electrica de altafrecuencia, entregada por el transmisor, en ondas electromagneticas que pueden viajar por el espacio, llevando la informacion hacia uno o varios receptores. Cuando Hertz realizo sus primeros experimentos sobrela transmision inalambrica de ondas electromagneticas, empezo a utilizar las antenas.

Pero las antenas, tal como las conocemos hoy, se originaron en los experimentos de Marconi y Popov, que desarrollaron las primeras tecnologi­as sobre este importante aspecto de las radiocomunicaciones. Una antena es basicamente un pedazo de material conductor que esta conectado al transmisor. Este conductor es generalmente un alambre de cobre o una varilla de aluminio, material muy utilizado debido a su buena resistencia y bajo peso. Para que una antena cumpla su funcion correctamente, debe tener un determinado tamaño, forma y estar construida con materiales especiales.

Marco teorico


Las antenas se basan en el principio de la radiacion producida al circular una corriente electrica por un conductor. Esta corriente produce un campo magnetico alrededor del conductor, cuyas li­neas de fuerza estan en angulo recto con respecto al conductor y su direccion esta determinada por la direccion de la corriente. Este campo magnetico es variable y sigue las mismas ondulaciones de la corriente electrica de alta frecuencia que se le entrega a la antena. Cuando el transmisor entrega la señal de corriente alterna, esta aumenta desde cero voltios hasta su maximo valor hasta al llegar al pico maximo de voltaje,la antena adquiere una carga electrica positiva. Esta carga produce a sualrededor un campo electrico. Cuando la señal de corriente alterna empieza a decrecer de su maximo valor hacia cero, el campo electrico tambien decrece. Por lo mismo se puede concluir que en una antena existen un campo electrico y un campo magnetico simultaneos que siguen las variaciones de la señal entregada a ella, y que ademas sonperpendiculares entre si­.




Figura 1. Ondas Electricas y Magnéticas.

Asi resulta una radiacion de energias electrica y magnetica que se unen para formar las ondas electromagneticas.

El tipo de antena mas sencillo consiste en un conductor de suficiente longitud para permitir que la carga electrica se desplace de un extremo a otro y viceversa durante cada ciclo de la señal de radiofrecuencia.Se dice entonces que ese conductor es una antena de 1/2 longitud de onda. Hay dos tipos principales de antenas:

La antena tipo Hertz, que consiste en una antena horizontal aislada de la tierra con un tamaño de1/2 longitud de onda de la frecuencia que se desea transmitir. Esta antena esta formada por dos alambres y recibe popularmente el nombre de antena dipolo.

La antena tipo Marconi, que utiliza como uno de sus polos la tierra, y mide 1/4 de la longitud de la onda para transmitir. Este tipo de antena se monta en forma vertical (l/4).

Las antenas poseen diferentes caracteristicas con las cuales se puede medir su calidad. Las principales caracteristicas que se deben tener encuenta son:

Impedancia
directividad
ganancia
polarizacion
ancho de banda.
Impedancia de una Antena

El valor de la impedancia de una antena es la resistencia que esta presenta en su punto de conexion a la señal de corriente alterna que le llega del transmisor por la li­nea de transmision. Esta impedancia debe ser igual a la impedancia de la li­nea de transmision para que haya una maxima transferencia de energia.

Cuando la impedancia de la antena es de un valor diferente se utilizan bobinas o transformadorescon el fin de acoplar esas impedancias.

Directividad

De acuerdo a su posicion y forma, una antena irradia la energia entregada por el transmisor en una disposicion especifica. Esta disposicionrecibe el nombre de patron de radiacion o directividad. Segun este parametro, existen dos grupos de antenas:

Las antenas omnidireccionales: que son las que irradian las ondas en forma casi uniforme en todas las direcciones

las antenas direccionales: que concentran la energi­a en una sola direccion. Este patron de radiacion se refiere teoricamente al espacio libre sin tener en cuenta los obstaculos que pueda encontrar la señal.




Figura 2. Patrones de Radiación y Directividad

Ganancia

Teniendo en cuenta el patron de radiacion, se dice que una antena tiene ganancia no en el sentido que amplifica la señal recibida del transmisor, si no que la concentra hacia una sola direccion, o que hace ver como si laseñal fuera emitida con una potencia mayor. Este es el caso de las antenas direccionales que dirigen sus ondas hacia un solo sector,llegando la señal con mas fuerza que si fuera emitida por una antena omnidireccional.

Para determinar la ganancia se establece la intensidad en un punto, irradiada por una antena omnidireccional sin ganancia y la intensidad de la señal emitida por la antena direccional.La relacion de estas señales se utiliza para obtener los decibeles de ganancia.

Polarizacion

La polarizacion de una antena se refiere a la direccion del campo electrico dentro de la onda electromagnetica emitida por esta.


Las antenas verticales emiten un campo electrico vertical y se dice que estan polarizadas verticalmente.

Las antenas horizontales tienen, por lo tanto, polarizacion horizontal.

Para que haya una buena comunicacion entre dos estaciones, estas deben tener el mismo tipo de polarizacion. Por ejemplo en el caso de la Banda Ciudadana, se utilizan preferiblemente las antenas verticales tanto para las estaciones fijas, como para las estaciones moviles.

Antenas Yagi-Uda

Las antenas Yagi-Uda estan constituidas por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamenteen la recepcion de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo electrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. Los elementos no activados se denominan parasitos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parasitos.


Su ganancia esta dada por:

G = 10 log n

donde n es el numero de elementos por considerar.

Por ejemplo para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de 0.15 , y entre el activo y el director esde 0.11 . Estas distancias de separacion entre los elementos son las que proporcionan la optima ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferiri­an destructivamente entre si­, bajando la ganancia. Como se puede observar, este diseñoo de antena yagi resulta ser de ancho de banda angosto, ya que el elemento dipolar esta cortado a una sola frecuencia que generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos de TV; es decir, del canal 2 alcanal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es posible cubrir varios canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razon se utiliza la denominada antena yagi debanda ancha, la cual puede cubrir varios canales a la vez aunque sacrificando la ganancia. Para considerar una antena yagi de banda ancha es necesario, entonces, hacer ajustes en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia optima. Se recuerda que para un arreglo de antenas en las cuales todos los elementos van alimentados se obtiene mejor ganancia para el denominado "en linea".

A continuacion se hara el analisis matemetico para hallar las expresiones particulares de campo electrico en la region de radiacion de la antena.


La Figura 3 muestra la geometri­a utilizada para el desarrollo de las ecuaciones.




Figura 3. Geometri­a de la antena.

De acuerdo con esta geometri­a las ecuaciones que definen el potencial magnetico para cualquier punto P (x,y,z) en el espacio estan representadas por.




Una vez el vector de potencial magnetico A ha sido calculado para un punto de observacion
P (x,y,z), es posible obtener el vector de campo magnetico H producido en el mismo punto de observacion mediante la siguiente ecuacion:




Por lo tanto el campo electrico se define como:

Suponiendo Az y Ay iguales a cero, y desarrollando las expresiones de campo electrico y magnetico en funcion de Ax se puede llegar a la expresion final de campo electrico y por consiguiente hallar su magnitud por medio de la siguiente ecuacion:

De igual forma se pueden obtener las expresiones para la impedancia de entrada de la antena y ganancia:


Con base en estas ecuaciones se hizo una simulacion en MatLab para poder hallar de forma teorica el patron de radiacion de la antena, su impedancia de entrada y su ganancia.


La Figura 4 muestra el patron de radiacion obtenido con la simulacion.

Zin=47.7372 - 8.8190i

G=9.0891 dBi




Figura 4. Patron de Radiacion

PROCEDIMIENTO

La antena elegida para realizar fue la Yagi-Uda, con un ancho de banda que abarca frecuencias desde 174MHz hasta 216MHz, frecuencias asignadas a los canales del 7 al 13 para la radiodifusion de television. Como frecuencia central se eligio 187.5MHz

Se decidio construir una antena con 5 elementos: un elemento activo el cual es un dipolo doblado trombon, un reflector y tres directores. Este tipo de antenas fueron ampliamente usadas para la recepcion de television.

La Figura 5 muestra las consideraciones de dimensiones que deben ser tomadas encuenta para la construccion de una antena yagi de 5 elementos.




Figura 5. Consideraciones.

La Tabla 1 muestra las longitudes de los elementos y espaciamientos para la antena realizada.

Tabla 1. Longitudes y Espaciamientos

Elemento
Longitud
Espaciamiento al siguiente Elemento

Reflector
80 cm
30 cm

Trombon
75 cm
20 cm

Director 1
70 cm
25 cm

Director 2
65 cm
25 cm

Director 3
65 cm



Una vez hallados las longitudes respectivas se procedio a construir la antena. Para el eje o Boom se utilizo alumino cuadrado de 1/2 pulgada,con una longitud de 1 m. Para los elementos se utilizo aluminio cili­ndrico de 1/4 de pulgada de diametro. Para los soportes de los elementos se utilizaron soportes de plastico. Finalmente los elementos fueron unidos al boom mediante tornillos.

Despues de la construccion de la antena se procedio a comprobar su funcionamiento. El montaje aproximado se muestra en la Figura 6.




Figura 6. Montaje Usado

Se conecta la antena al generador. La antena fue apuntada hacia el analizador de espectro y esta fue rotada para poder ver la magnitud endecibles que se obtenia en el analizador de espectro para asi poder comprobar la ganancia y directividad de la antena. Los resultados semuestran a continuacion.

RESULTADOS

Los resultados se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Resultados de las Mediciones

Angulo (°)
Amplitud (dB)
R*Cos( )
R*Sen( )

0
-20,80
1,000
0,000

10
-20,83
0,978
0,062

20
-22,00
0,713
0,146

30
-24,60
0,361
0,117

40
-37,10
0,018
0,015

50
-40,35
0,007
0,010

60
-42,60
0,003
0,010

70
-42,52
0,002
0,008

80
-41,74
0,001
0,003

90
-29,45
0,000
0,003

100
-30,10
-0,020
0,004

110
-35,80
-0,011
0,004

120
-34,10
-0,023
0,004

130
-33,40
-0,035
0,009

140
-32,50
-0,052
0,015

150
-31,60
-0,072
0,020

160
-30,75
-0,095
0,022

170
-29,50
-0,133
0,017

180
-28,40
-0,174
0,000

190
-29,50
-0,133
-0,017

200
-30,75
-0,095
-0,022

210
-31,60
-0,072
-0,020

220
-32,50
-0,052
-0,015

230
-33,40
-0,035
-0,009

240
-34,10
-0,023
-0,004

250
-35,80
-0,011
-0,004

260
-30,10
-0,020
-0,004

270
-29,45
0,000
-0,003

280
-41,74
0,001
-0,003

290
-42,52
0,002
-0,008

300
-42,60
0,003
-0,010

310
-40,35
0,007
-0,010

320
-37,10
0,018
-0,015

330
-24,60
0,361
-0,117

340
-22,00
0,713
-0,146

350
-20,83
0,978
-0,062

360
-20,80
1,000
0,000


Haciendo un grafico en Microsoft Excel se obtiene un bosquejo del patron de radiacion como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Patron de Radiacion Obtenido

A continuacion se presentan los calculos de ganancia de la antena:

Nivel de potencia en el receptor: -20,8dBm

Potencia en el receptor PRX: 8.2 Watts

Nivel de potencia en el trasmisor: 10dBm

Potencia en el trasmisor: 16mW

Densidad de Potencia de una antena Isotropica:

Pa=Pr /(4 r2) = 16mW / (4 (4m)2) = 79.58 W/m2

Densidad de Potencia captada por dipolo:

Altura efectiva: he = hf / 2 = 30cm / 2 = 15cm

Resistencia de radiacion:

Rr = 5 ( l)2 = 5((2 / ) * /7))2 = 4.028

Area efectiva: Ae = (Zi * (he)2 ) / Rr = 0,526m2

Densidad potencia receptor:

PaRX = PRX / Ae = 15,59 W / m2

Por lo tanto se tiene que :

Ganancia antena: Pa / PaRX = 5.1

Ganancia en dB: 7,08dBi

CONCLUSIONES

De la practica realizada en el laboratorio, se pueden obtener las siguientes conclusiones:

La practica es esencial para el aprendizaje de toda ciencia, y su complemento con la teori­a debe ser fundamental para la comprension afondo de la asignatura.

El analizador de espectros puede resultar en una herramienta de trabajo muy poderosa cuando se esta haciendo diseño e implementacion de antenas, redes inalambricas, y otro tipo de aplicaciones en las que se trabaje en frecuencias correspondientes a la banda de radiofrecuencia.

Determinar correctamente el ancho de banda de trabajo de una antenta es muy necesario en el momento de utilizarla para cualquier tipo de aplicacion, debido a que es necesario conocer las limitaciones del elemento usado.

El calculo y posteriormente la obtencion del patron de radiacion de una antena es muy importante para poder realizar montajes o redes con la misma, ya que el patron de radiacion indica, la direccion o direcciones en las cuales, la antena debe ser orientada para poder obtener la maxima señal posible de ella.

Bibliografia

KRAUS, John D. Antennas. New York: McGraw Hill, 1950. 553 p.

BALANIS, Constantine A. Antenna Theory: Analisis and Design. New York: John Wiley and Sons, 1997. 941 p.