contruccion del dipolo

8/6/2019 Contruccion Del Dipolo

1/13

Capitulo 2

2

CAPITULO 2

DIPOLOS: DISEO, CONSTRUCCIN Y CARACTERSTICAS.

2.1 El DipoloEl tipo de antena escogido para implementar la configuracin del mdulo detransmisin en banda ancha correspondi a una antena del tipo Dipolo de /2. Sedecidi utilizar este modelo de antena por su fcil diseo y construccin. Adems,tiene la ventaja de que el campo irradiado que entrega, tanto en polarizacin verticalcomo en horizontal, es simple y resulta apropiado para la realizacin de lasmediciones.

El diagrama de radiacin terico de una antena dipolo de /2 es el siguiente:

El diagrama tiene simetra radial, y slo se presenta un dibujo de ste en los planosX,Y y Z para mayor claridad.

La forma del campo de irradiado depende bsicamente de la longitud de la antenamedida en longitudes de onda y de las terminaciones que determinan el grado deadaptacin que tiene la antena, lo que se traduce en una mayor o menor cantidad deprdidas. Segn esto ltimo la forma del lbulo puede cambiar, variando en suanchura o extensin.

Figura 2.1: Diagrama de Radiacin de un Dipolo de /2


2/13

Capitulo 2

3

El objetivo es que los diagramas de radiacin de ambas antenas sean lo ms parecidoa la forma terica para que las mediciones que se realicen con el equipo resulten loms exactas posibles.

En el plano azimuth (polarizacin Vertical), el dipolo presenta un campo

omnidireccional, y en el plano de elevacin (polarizacin Horizontal) el campo esdireccional y est compuesto por dos lbulos. La figura siguiente muestra el campode radiacin tericos para ambos casos de polarizacin.

2.2 Construccin

Los materiales necesarios para la construccin de cada uno de los dipolos fueron dostrozos de varillas de cobre de longitud /4 y 2[mm] de dimetro cada uno y unsegmento de material semirgido con un conector SMA en un extremo.

El clculo de , longitud de onda, se obtiene de la ecuacin:

f

c= [Ec.2.1]

donde c : velocidad de la luz (300 [Mt/s]) f: frecuencia de trabajo

Figura 2.2: Campo de radiacin de radiacin del dipolo para polarizacin

vertical y horizontal.


3/13

Capitulo 2

4

Como se disearon los dipolos para una frecuencia de trabajo igual a 890[Mhz] seobtiene que el valor de la longitud de onda, es igual a 0.33 mts y cada dipolo debetener en consecuencia, un largo de 0.16 mts.

El procedimiento para construir ambos dipolos consisti en soldar un trozo de

semiconductor al ncleo del semirgido y el otro a la cubierta o carcaza del cablesemirgido, quedando armadas las antenas. Para proporcionar mayor rigidez a losdipolos se aplic una capa de silicona sobre la soldadura.

2.3 Evaluacin de las caractersticas de las antenas

A continuacin se detallan los parmetros tericos bsicos ms importantes de laantena que fueron evaluados en forma experimental.

Con la obtencin de estos parmetros se tiene un conocimiento ms completo delfuncionamiento del dipolo.

2.3.1 R.O.E (Razn de onda estacionaria)

La razn de onda estacionaria es una caracterstica de la antena que indica el grado deadaptacin de la antena con el resto del medio. Mientras mayor sea el grado deadaptacin, menor potencia ser reflejada y, por lo tanto mayor cantidad de sta serirradiada por la antena al espacio libre. La ROE depende del coeficiente de reflexinde voltaje (v), y estn relacionados por la siguiente ecuacin:

ROE =v1

v1

+[Ec. 2.2]

Figura 2.3: Dibujo del dipolo, componentes y dimensiones.

Capa de Silicona

0.15[mts]

Varilla deCobre

Cubiertadel Cable

Nucleo

ConectorSMA

0.16[mts]


4/13

Capitulo 2

5

Un valor de ROE igual a uno implica que la antena est completamente adaptada yun 100% de la potencia est siendo transmitida. Esto ocurre en un caso ideal.

En la prctica, un buen nivel de adaptacin se logra con un ROE igual a 2, queequivale a que un 90% de la potencia transmitida est siendo irradiada por la antena.

Por lo tanto se debe tener un valor para la ROE menor o igual a 2 para considerar alas antenas con un buen nivel de adaptacin.

Medicin de ROE y adaptacin de antenas.

Para medir el valor de la ROE se utiliz el siguiente esquema:

Se ajust en el generador de RF una potencia de salida igual a 10[dBm] la cual se

inyect a la entrada de la copla. A la salida de sta estaba conectada la antena.Con el Analizador de Espectros se midi la potencia reflejada y la potencia incidentede la antena en los terminales respectivos de la copla. Con estos valores se calcul elcoeficiente de reflexin con la siguiente ecuacin:

v=inc

ref

P

P

[Ec 2.3]

Con el valor de v se obtuvo el valor de la ROE por medio de la ecuacin 2.2. Losprimeros clculos entregaron valores de ROE mayores que 2, por lo que fue necesarioadaptar las antenas.

El proceso de adaptacin consisti bsicamente en disminuir levemente el largo deldipolo en ambos extremos con el fin de que la longitud de ste sea lo ms cercano a/2, de manera que la distribucin de corriente a travs del dipolo sea lo ms parecidoa un caso ideal. Este procedimiento se realiz hasta que se obtuvo un valor de ROEaceptable.

Figura 2.4: Esquema utilizado para obtener R.O.E.


5/13

Capitulo 2

6

Los valores finales obtenidos fueron los siguientes:

Pot. Incidente[dBm]

Pot. Reflejada[dBm]

Coeficiente deReflexin

ROE

Dipolo 1 -10.4 -22.8 0,23 1.63

Dipolo 2 -10.4 -23.0 0,23 1,61

2.3.2 Diagramas de radiacin

Los diagramas de radiacin son representaciones por medio de grficas polares, uotras coordenadas, que indican la intensidad del campo irradiado en diversasdirecciones por una antena.

Para obtener los diagramas de ambos dipolos se realiz el siguiente procedimiento:

Se conectaron los equipos tal como en el caso de la figura 2.6.

El lugar elegido para realizar las mediciones fue una cancha de ftbol, ya que all sepresentan las condiciones ms adecuadas para tener un enlace sin obstculos.

La antena receptora se gir en 360 grados a partir de la posicin inicial. Cada 5grados se tom una muestra por medio del analizador de espectros de la potenciarecibida. De esta manera se obtuvieron los puntos suficientes para poder graficar eldiagrama de la antena.

Luego se repiti el procedimiento cambiando la antena transmisora por la receptora yviceversa, as se obtuvieron los valores para el diagrama de la segunda antena.

A continuacin se presentan los diagramas obtenidos para ambos dipolos, conpolarizacin paralela y perpendicular.

Adems se muestran superpuestas las curvas tericas para dichos diagramas,suponiendo una ganancia de 1.5[dBm] y una eficiencia del 100%.

Para poder graficar los diagramas experimentales junto con los tericos y poderobservar las diferencias entre ellos se opt por trabajar con valores positivos de

potencia, para lo cual se tuvo que modificar la escala de los valores medidos en formaprctica.

La mxima diferencia que se produjo para el caso de polarizacin vertical, entre elvalor terico y el medido fue de 2.1[dB] y 2.5[dB] para los dipolos 1 y 2respectivamente. Sin embargo, como se explicar ms adelante esta diferencia depotencia no influir en los resultados de las mediciones.


6/13

Capitulo 2

7

0

10

20

30

40

Diagrama Terico

Diagrama Experimental

0

180

90270

dBm

dBm

dBm

dBm

0

0

10

20

30

40

Diagrama Terico

Diagrama experimental

dBm

dBm

dBm

dBm

0

180

90270

Diagrama de RadiacinPolarizacin Horizontal Dipolo 1 (Tx)

Diagrama de RadiacinPolarizacin Horizontal Dipolo 2 (Rx)

Figura 1.5-A: Diagramas de Radiacin para Polarizacin Horizontal

0

10

20

30

40

Diagrama Terico


0

180

90270

dBm

dBm

dBm

dBm

Diagrama de RadiacinPolarizacin Vertical Dipolo 1 (Tx)

Diagrama de RadiacinPolarizacin Vertical Dipolo 2 (Rx)

0

10

20

30

40

Diagrama Terico


dBm

dBm

dBm

dBm

0

180

90270

Figura 1.5-A: Diagramas de Radiacin para polarizacin Vertical

Figura 2.5-A: Diagramas de Radiacin para polarizacinvertical

Figura 2.5-B: Diagramas de radicacin para polarizacin Horizontal


7/13

Capitulo 2

8

2.3.3 Directividad, Ganancia y Eficiencia

Directividad.

Primeramente, antes de definir ganancia, es conveniente mencionar el concepto

Directividad.Al contrario de lo que sucede con una antena isotrpica que irradia igual cantidad deenerga en todas direcciones, en la prctica una antena irradia ms energa haciaalgunas direcciones y se dice entonces que dicha antena es "directiva"o que tienecierta "Directividad".

Ganancia directiva:

La ganancia directiva de una antena es definida para una determinada direccincomo la razn de potencia irradiada por dicha antena, a cierta distancia con respecto ala potencia irradiada en la misma direccin por una antena isotrpica. Para ladefinicin se considera slo la potencia radiada efectivamente, o sea se excluyen lasprdidas debido a, por ejemplo, a valores de ROE diferentes de uno. Esta gananciacomo depende de cada direccin puede tener distintos valores para cada una de ellas.Comnmente se habla de Directividadrefirindose a la mxima ganancia directivade la antena

El valor terico de laDirectividadpara las antenas dipolo es de 1.64 .

Debido a que las formas de los diagramas de radiacin obtenidos para los dipolosresultaron ser similares a las tericas, es posible asumir y utilizar dicho valor (1.64)como valor de la directividad. Este valor nos es til para la obtencin de la gananciay eficiencia de los dipolos.

Ganancia y Eficiencia

Para una cantidad dada de potencia de entrada a una antena, la intensidad de potenciarecibida en un punto en el espacio depende de la Ganancia de la antena, que es igualal producto de la Directividad por la Eficiencia de la antena .

Entonces tenemos la siguiente ecuacin para el clculo de la ganancia:

oantena DEGantena= [Ec. 2.4]

Donde E = Eficiencia de la antenaDo = Directividad de la antena (1.64)


8/13

Capitulo 2

9

Adems, de acuerdo a la ecuacin de Friis tenemos :

2

2

)4()(

d

PtGtGrdPr

= [Ec 2.5]

Donde =)(Pr d Potencia recibida por la antena Rx

=)(Pt d Potencia transmitida por Antena Tx

=tG Ganancia antena Tx

=rG Ganancia antena Rx

=d distancia entre ambas antenas

Para simplificar los clculos se asume que ambas antenas tienen la misma ganancia,lo cual es lgico suponer, pues ambas antenas fueron construidas de igual manera yson prcticamente similares. De lo contrario resultara bastante ms complicadoobtener el clculo.

De esta manera tenemos la siguiente relacin:

( )2

22IN

r

4

***E*P=P

d

DoErt

[Ec 2.6]

Donde =)(Pr d Potencia recibida por la antena Rx

=)(Pt d Potencia transmitida por Antena Tx

tE = Eficiencia de la antena Tx rE = Eficiencia de la antena Rxd = distancia usada para el clculo de la ganancia.

De esta ltima relacin es posible despejar la Ganancia que es el parmetro que nosinteresa conocer.


9/13

Capitulo 2

10

Procedimiento para la Medicin de Ganancia

Para calcular la relacin entre potencia recibida v/s potencia. inyectada se realiz elsiguiente procedimiento:

Se conectaron los equipos como lo ilustra la figura:

Se transmiti una potencia determinada. La antena receptora se gir a partir de laposicin inicial 20 grados para la derecha, tomando una muestra de la potenciarecibida cada 5 grados. Luego se repiti la misma operacin, pero rotando la antenahacia la izquierda.

La figura presenta una vista superior de lo mencionado anteriormente:

Una vez obtenidos los datos, se obtuvo un promedio de la potencia recibida y dichovalor se introdujo en las frmulas para calcular la ganancia de la antena.

De los datos podemos obtener, por medio de la ecuacin 2.6 y de la ecuacin 2.5, laEficiencia y la Ganancia respectivamente para ambas antenas.

Figura 2.7: Vista superior del esquema utilizado para obtener

ganancia de los dipolos.

Figura 2.6: Esquema utilizado para obtener la Ganancia

DGenerador de RF

Dipolo Tx

CableSMA

Analizador

de espectros

Dipolo Rx

CableSMA


10/13

Capitulo 2

11

Los valores obtenidos son los siguientes:

EFICIENCIA 92.20%

GANANCIA 1,55818

El valor de eficiencia obtenido es bastante cercano al valor que se puede obtenertericamente por medio del valor de la R.O.E, los cuales son 93.7% y 93.9% para losdipolos 1 y 2 respectivamente. Cabe recordar, que este valor de eficiencia se obtuvocon las antenas apuntndose entre s, con una variacin de slo 20 de la direccinentre ellas, ya que con variaciones mayores la eficiencia podra ser menor.

2.3.4 Ancho de Banda

Todas las antenas estn limitadas a un rango de frecuencias dentro del cual pueden

operar satisfactoriamente. Este rango de frecuencias es determinado por ciertascaractersticas de la antena las cuales conforman un standard especfico. Dichorango es llamadoAncho de banda de la antena.

Las caractersticas involucradas en la descripcin del ancho de banda sonprincipalmente la impedancia de la antena, eficiencia de radiacin, ganancia, anchodel haz y su direccin. El standard especfico abarca a todas estas caractersticas enconjunto, e implica valores aceptables de cada una para un funcionamientosatisfactorio de la antena.

Obtencin del Ancho de banda

Para el clculo del ancho de banda se utiliz el esquema utilizado para medir la ROE(fig. 2.4)

El generador de seales se ajust una potencia de 10[dBm] a 890[MHz]. Luego seprocedi a variar la frecuencia, aumentndola primero y luego disminuyndola, hastaobtener en cada caso, por medio de la copla, un valor de ROE igual a 2, lo quesignifica que un 90% de la potencia est siendo irradiada por la antena, (valoraceptable para un buen funcionamiento de la antena). Con esto encontramos lasfrecuencias que limitan el ancho de banda.

Debido a que el generador de seales de RF alcanza una frecuencia mxima de990[MHz], se calcul el ancho de banda asumiendo simetra para ambos rangos defrecuencia.


11/13

Capitulo 2

12

A continuacin se presentan los grficos que representan el valor de ROE conrespecto a la variacin de la frecuencia, donde se destaca la frecuencia lmite para ladeterminacin del ancho de banda. Ntese que por las limitaciones del generador deseales empleado no fue posible determinar la frecuencia de corte superior.

El ancho de banda (BandWidth, BW) se obtiene entonces mediante la siguienteaproximacin:

Bw = (frec.max - fc)*2 [Ec. 2.7]

Donde:frec.

max: frecuencia encontrada de la antena, con ROE igual a 2.

fc : frecuencia de trabajo (890 [MHz]).

Grafico Roe v/s FrecuenciaAntena 1

11,21,41,61,8

22,22,4

700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900

Frecuencia (Mhz)

ROE

Grafico Roe v/s FrecuenciaAntena 2

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900

Frecuencia (Mhz)

ROE


12/13

Capitulo 2

13

Los valores obtenidos para cada antena se presentan a continuacin:

FREC. MX(ROE=2).[MHz]

ANCHO DE BANDA

Dipolo 1 730 320[MHz]

Dipolo 2 720 340[MHz]

2.3.5 Polarizacin

El tipo de polarizacin que presenta una antena, o de la onda electromagntica questa irradia est determinado por la posicin del vector E (vector del campo elctrico)con respecto a una superficie reflectora, la que generalmente es la superficie terrestre.

En el caso del Dipolo, para conseguir polarizacin vertical se debe ubicar el dipolo enposicin vertical con respecto a la tierra y para conseguir polarizacin horizontal se

debe ubicar en posicin vertical con respecto al plano tierra.En la figura se ilustra un caso de polarizacin vertical, con el vector de campoelctrico (E) paralelo al dipolo:

Conforme a esto, las antenas fueron montadas en estructuras que fueron diseadasespecialmente para obtener el tipo de polarizacin deseado.

El material de estas estructuras es acrlico, pues este material presenta caractersticasde reflexin bastante favorables.

Figura 2.8: Ejemplo de un dipolo con polarizacin vertical.


13/13

Capitulo 2

14

Para obtener polarizacin vertical la antena se dispuso de la siguiente manera:

Para la polarizacin horizontal, el dipolo se utiliz de la siguiente manera:

Para el caso de polarizacin horizontal, el dipolo se ubic sobre una base quecontena un rea con los ngulos marcados, de manera que en las mediciones sepudiera ir girando la antena gradualmente a medida que se vare el ngulo deincidencia, con el fin de que siempre se encuentren las dos antenas frente a frente

para que ambos lbulos coincidan en el punto de mxima amplitud.

Figura 2.9: Diagrama del Dipolo dispuestopara polarizacin vertical.

Figura 2.10. Dipolo con polarizacin horizontal, y vistasuperior de la superficie graduada.

contruccion del dipolo

Documents