Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica ctrica Unidad Zacatenco Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Laboratorio Teoría de Radiadores Electromagnéticos Integrantes del equipo: Ávila Betancourt Diego García Manzanares Hermes Raúl Hernández Ceballos José Irving Rodríguez Mendoza Pabel Sánchez Ramírez Jay Sánchez Sandoval Jesús Jair Docente: Dr. Salvador Ricardo Meneses González Grupo: 5CM3 Práctica 1 Circuito Extendido INTRODUCCIÓN La circulación de corriente de alta frecuencia por una antena da lugar a una radiación de energía de alta frecuencia (RF). Esta energía radiada crea un campo electromagnético formado, como su nombre sugiere, por un campo eléctrico y otro magnético entrelazados y perpendiculares entre sí y que se reparten entre cada uno la energía efectivamente radiada. La intensidad de ese campo depende de dos magnitudes: la longitud por la que circula la RF y la intensidad de ésta. La intensidad de la corriente de RF y por lo tanto el campo creado son máximos cuando la antena es resonante a la frecuencia de trabajo. El campo electromagnético se propaga por el espacio a la velocidad de la luz, y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Materiales: Generador de Radio Plano tierra Detector de Radiación Detector de Campo eléctrico Tubo fluorescente Inductor de 5 vueltas Circuito 1: 1.- Conectamos Inductor a la tierra. 2.- Potencia utilizada a 3 watts. 3.- Acoplamos el inductor. 4.- Introducimos el tubo fluorescente por el inductor .Con ayuda del detector de campo medimos el plano vertical con respecto al plano tierra. Obteniendo como resultado: . 1.. 3..Conectamos una antena al plano tierra. 2.Acoplamos la antena.Observado: Se demuestra la existencia de un Campo Eléctrico radiado por el inductor. Estiramos el cable del inductor convirtiéndolo en un monopolo. rodeamos la antena.Ajustamos la potencia a 3 watts. 4. Circuito 2: Circuito Extendido.. . PATRON DE RADIACIÓN . Comprobando así las leyes de la propagación y de la potencia radiada.html http://www. CONCLUSIONES Se comprobó que un conductor acoplado a una frecuencia genera su propio campo electromagnético. provoco que no se pudiera observar algunos cambios significativos.es/antenas/Tema_2/Campos_radiados.phy- astr.gsu.edu/hbasees/quantum/radfrac.htm . Como lo fue en el caso del inductor y la lámpara fluorescente. pero si se pudieron detectar los máximos y los mínimos en el detector de campo. La única observación. Referencias: http://hyperphysics. el equipo al estar en contacto con diferentes frecuencias (producidas por las demás mesas de trabajo). Con ayuda del detector de campo Eléctrico se pudo observar en la practica el patrón de radiación de una antena monopolo.upv. Práctica 2 Antena dipolo y monopolo . INTRODUCCIÓN TEORÍCA: Monopolo . así como las características que rigen el comportamiento en función de la altura del monopolo. OBJETIVO: Describir la diferencia del comportamiento electromagnético alrededor de un monopolo. la cual se divide en: longitud física. longitud eléctrica. Dipolo En su versión más sencilla. Longitud física: se refiere a la medida de la longitud entre sus extremos en cualquiera de las unidades existentes. Longitud angular: Es otra forma de representar la longitud eléctrica. ya que la existencia de cargas va más allá de la longitud física del radiador. En la formulación se representa por H0. al mismo tiempo se produce un alargamiento virtual del radiador a efectos eléctricos que varía en función de la relación longitud/diámetro. el dipolo consiste en dos elementos conductores . se establece una distribución de cargas eléctricas a lo largo del conductor.Longitudes del monopolo Al estudiar las características de un radiador vertical uno de los parámetros más importantes a considerar es su longitud. longitud angular y su relación con la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento. Longitud eléctrica: Al alimentar un monopolo o cualquier radiador de carácter lineal. considerando que una longitud de onda entera corresponde a 360º o 2 π radianes. en el que la acumulación de las mismas es máxima en su extremo. Esta vez se toma como hipótesis que la corriente es máxima en el centro del dipolo (en donde está alimentada) y que decae linealmente hacia cero a las extremidades del dipolo. Se puede encontrar el cálculo de los campos radiados a partir de la distribución de corriente en la antena. Para el caso del dipolo /2. sino que tiene un carácter sinusoidal. Se ha visto cuál era el procedimiento para calcular los campos radiados a partir de la distribución de corriente sobre la antena. o sea la dirección de la corriente). Un dipolo corto es un dipolo realizable prácticamente formado por dos conductores de longitud total muy pequeña comparada a la longitud de onda . alimentados en el centro. El resultado estará dado en metros. El dipolo eléctricamente corto. La longitud del dipolo es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de resonancia del dipolo. Hay que notar que la corriente circula en la misma dirección en los dos brazos del dipolo: hacia la derecha en los dos o hacia la izquierda en los dos. El procedimiento para calcular los campos radiados para antenas comparables con y en particular para dipolo /2 es el mismo.rectilíneos coloniales de igual longitud. El campo lejano de la onda electromagnética radiada por este dipolo es: La emisión es máxima en el plano perpendicular al dipolo y cero en la dirección de los conductores. Entonces. la integral utilizada para calcular el vector de radiación N es más complicada. A partir de este campo eléctrico se puede calcular la potencia total radiada por este dipolo y de ella calcular la parte resistiva de la impedancia en serie de este dipolo: ohmios (si ). la distribución de corriente sobre la . Los dos conductores están alimentados en el centro del dipolo (ver dibujo). En la imagen de la derecha el dipolo es vertical y está en el centro del toro. y puede calcularse como 150/frecuencia(MHz). Lo único que ahora cambia es que la distribución de corriente no es uniforme. El diagrama de emisión tiene la forma de un toro de sección circular (imagen de izquierda) y de radio interno nulo. y de radio mucho menor que el largo. la distribución de corrientes presenta un nulo en los extremos y un máximo en el centro Para un dipolo de longitud L alineado con el eje Z: z ' h l 2 L jk z z ' N x y z ' h zsenˆ k 2 ( x ') ( y ') e l z e jk x x ' jk y y ' e dx ' dy ' dz ' 2 j jk y y ' L L z k z' jk x ' ( y ') e N zˆ ( x ')e x dx ' dy ' 2 L sen k e z dz ' x y z ' 2 2 Quedando. polarización y resistencia de radiación. Representación de las corrientes en el dominio temporal. De hecho. 1 se observa cómo la distribución de corrientes por el dipolo π/2 tiene un nulo en los extremos y máximo en el centro. Fig. 1 Distribución de corrientes y diagrama total de radiación sobre un dipolo /2. el potencial vector A y los campos radiados de igual forma que se ha . T es el periodo de oscilación. se calcula el vector de radiación N. una forma de saber qué distribución tiene la antena es utilizar el modelo de línea de transmisión. por tanto: L L jk z ' e N zˆ 2 L sen k z z dz ' z ' 2 2 Operando para L=/2 se obtiene: cos cos 2 (1) 2 N zˆ2 ksen A partir de la ecuación (1) se puede calcular el campo radiado. Para una línea de transmisión de longitud /2. A partir de las corrientes. Simulación realizada mediante el método numérico de los momentos (MoM). En la Fig. Se observa el sentido vectorial de la corriente alineada con el eje de la antena.antena es una parte de sinusoide y es nula la corriente en los extremos. diagrama. 2 Simulación utilizando FDTD de la radiación de un dipolo π/2.realizado para el caso del dipolo elemental. Se representa la radiación en plano E y plano H observando la naturaleza omnidireccional de la antena. Esto resulta en una antena muy eficiente dónde este valor es en general más grande que la resistencia de pérdidas óhmicas (R).5 del dipolo elemental. El diagrama es omnidireccional teniendo el máximo en el plano que divide la antena por la mitad y presenta un nulo en la dirección axial. La radiación representada utiliza la resolución directa de las ecuaciones de Maxwell mediante una discretización espacio-tiempo. Podéis encontrar las distribuciones de corrientes. muy similar al D=1. El campo radiado se obtiene directamente de la intensidad del campo en la zona de campo lejano. igual que lo que sucede con el dipolo elemental. La directividad es D=1. mucho más elevada que la de un dipolo elemental. Fig.64. Para el dipolo π/2 es interesante destacar que: Tiene polarización lineal y orientada con el eje de la antena igual que sucedía para el dipolo elemental. forma . En esta sección presentamos las principales características radioeléctricas de un dipolo operando en otras frecuencias. La resistencia de radiación es de 73Ω. como se muestran en la Fig. resistencia de radiación y polarización tal y como se ha precedido por el dipolo de media longitud de onda. puede calcularse el diagrama de radiación. 3 Distribución de corrientes por dipolos de diferente longitud eléctrica calculados a partir del modelo línea de transmisión. se considera que la distribución de corrientes en el dipolo es la misma que existe en una línea de transmisión terminada en circuito abierto y que presenta la misma longitud que el dipolo. fruto de la condición impuesta por el circuito abierto en el extremo de la línea. Fig.del diagrama. 3 . anchos de eje. Se puede comprobar que en todas hay un nulo de corriente en los extremos. 3 muestra la distribución de corrientes para dipolos de diferente longitud eléctrica a partir de un modelo línea de transmisión. directividad y resistencia de radiación para las longitudes más significativas. A partir de la integración de la corriente a lo largo del cable. La Fig. A partir del conocimiento de la distribución de corriente. es decir. La corriente a lo largo del hilo se puede aproximar por I(z’) =sin(k(L/2-|z’|)). pueden calcularse todos los parámetros radioeléctricos como directividad. Escala en dB con un margen dinámico de 30dB. .Fig. 4 Cortes del diagrama de radiación normalizados. Foto 1. Se utilizó el detector de radiación para determinar la forma de radiación electromagnética del Monopolo y con ayuda del detector de voltaje y corriente se tomó lectura de voltajes y corrientes a diferentes alturas en la varilla #1. Medición de la corriente y voltaje en la parte inferior de la varilla #1. . DESARROLLO PRIMERA PARTE Se muestra la antena # 1 que fue utilizada para las siguientes mediciones. Se observa que el voltaje es una barra más intensa que la corriente. Medición de la corriente y voltaje en la parte media de la varilla #1. Medición de la corriente y voltaje en la parte inferior de la varilla #1. En este caso la corriente supera al voltaje. Foto 3. Foto 4. .Foto 2. Se presenta un voltaje máximo y una corriente mínima. Medición de la corriente y voltaje en la parte media de la varilla #1. A continuación.. se realizaron las mediciones de radiación en la varilla monopolo #1 Foto 7. Medición de la corriente y voltaje en la parte superior de la varilla #1 se observa que a esta altura el voltaje es máximo y la corriente es mínima. Medición de la corriente y voltaje en la parte superior de la varilla #1 con un voltaje casi máximo y corriente mínima. . Foto 6. Se detectó la radiación en la antena monopolo de manera vertical ya que esta polarizada verticalmente. Foto 5. SEGUNDA PARTE . Las lecturas de corriente y voltaje no fueron las que se pensaron. pero nuestras teorías fueron erróneas. esto debido al largo de la antena. La lectura de radiación horizontal no tuvo lugar debido a la condición de polarización de la antena. Era muy larga para cumplir con requisitos que dábamos por hecho. OBSERVACIONES En el experimento se observó que la antena monopolo tenía una polarización vertical lineal. Foto 8. Se detectó la radiación en la antena monopolo de manera horizontal y no fue posible detectarla ya que la antena monopolo esta polarizada verticalmente. Al contrario de la imagen anterior se puede observar que la radiación es máxima en los extremos cuyos ángulos son 90 y 270 grados . Como se puede observar en la imagen.Para el dipolo: Se colocó la antena dipolo de esta manera y se procedió a medir el voltaje y la corriente. el patrón de radiación no cubre los ángulos 0 y 180. así como el patrón de radiación. También podemos comprobar que la corriente es máxima en el centro y el voltaje es mínimo. En la última parte de la practica pudimos apreciar los efectos y funcionamiento de dichas antenas por medio de adaptaciones con focos Por ultimo aquí podemos observar los patrones de radiación de un monopolo y un dipolo . En esta imagen se puede apreciar que en los extremos de la antena el voltaje es máximo pero la corriente es mínima. El monopolo y el dipolo tienes distintas formas de radiación electromagnética una de las diferencias que se pudieron apreciar en esta práctica es que el dipolo posee una radiación electromagnética de mayor radio o alcance que la de un monopolo. . CONCLUSIÓN Los puntos en donde encontramos los puntos máximos de corriente y de voltaje son en los extremos ya sea en un monopolo o un dipolo. Fig. Muestra la potencia directa con la que trabajamos a lo largo de la práctica realizada. 2on Edition John Wiley.BIBLIOGRAFÍA 1.A. 1997 . Revision of ANSI/IEEE Std 145-1973. 2. C. “Antenna Theory: Analysis and Design”. Std 145-1983. IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas.Balanis. Práctica 3 Antenas cargadas Objetivo: Observar por medio de las siguientes configuraciones el patrón de radiación a diferentes ángulos. Introducción teórica: Antenas cargadas. . Si la antena es pequeña. la impedancia de entrada tendrá un carácter inductivo y será necesario colocar un condensador en serie con la antena para hacerla resonante. . Si queremos hace una antena resonante tendremos que colocar una bobina que cancele el efecto capacitivo de la impedancia de entrada de la antena. la longitud efectiva y sobre todo en la parte imaginaria de la impedancia de entrada. Por lo tanto. Este tipo de soluciones. y la reactancia de entada aumenta rápidamente y presenta un carácter capacitivo. etc. si la longitud de la antena es tal que λ/4<H<λ/2. Desarrollo experimental: Materiales: Generador de Radio Plano tierra Detector de Radiación Detector de Campo eléctrico Kit de materiales de laboratorio 1 Colocar nuestra antena como se muestra en la figura y observar el patrón de radiación de manera horizontal y vertical. Ello hace que la distribución de corriente de la antena no se anule en el extremo y aparezca. lo cual es inconveniente para alimentar la antena. como la distribución de una antena más larga. uno de los problemas que surge es la resistencia de radiación de la antena disminuye rápidamente al disminuir la frecuencia. ninguno de sus parámetros. como resistencia de Radiación. Esto se realiza mediante un disco o sombrilla de conductores que se pone en el extremo de la antena y donde se puede acumular la carga. Los efectos más nobles se encuentran en la resistencia de radiación. por ser externas a la antena.En baja frecuencia en muy común no poder realizar antenas grandes ni tan solo comparables a λ/4. Otras soluciones usadas en antenas muy cortas como por ejemplo los monopolos usados en rediofusión a bajas frecuencias. por lo tanto. no modifican su distribución de corriente y. el diagrama apenas se verá modificado. vista desde la entrada. girando sobre un mismo radio. es cargarlas capacitivamente. directividad. Observaciones: si tomamos como referencia un Angulo de 0 grados al estar frente a frente con la antena. Patrón de radiación en horizontal . podemos notar que en 0 y 180 grados existe mayor voltaje que corriente. de forma vertical fue completamente lo contrario a 90 y 270 grados se pudo observar la máxima radiación a diferencia de los demás puntos donde disminuía hasta llegar a cero. en cambio a 90 y 270 grados se observó que la corriente era mayor al voltaje estos casos suceden como en forma horizontal y vertical. Pero en los patrones de radiación observamos que de manera horizontal en 0 y 180 grados existe una máxima radiación y en los demás puntos fue disminuyendo. Patrón de radiación en vertical . el ovalo se alarga por lo que aumenta el campo. aumenta más la intensidad.2 Elementos pasivos: En esta parte colocamos una antena con una longitud de onda. Observaciones: Por el tamaño de las antenas y la posición. a la cual se le acercan dos elementos conductores y se observa los puntos de radiación. . Edicions UPC. . Antenas. Barcelona.Conclusión: Aquí logramos apreciar los diversos puntos en los cuales los patrones de radiación aumentaban y disminuía al igual en diversos puntos el voltaje era mayor que la corriente y en otros la corriente se vuelve mayor al voltaje. Referencias: Ferrando Bataller Miguel (2002). Práctica 4 Arreglos lineales Objetivo: Observar el patrón de radiación en el plano horizontal y vertical de algunos arreglos de antenas. . del tipo broadside y endfire. entre ellas. y lo que caracteriza principalmente a este arreglo es que la distancia de separación entre las antenas es una distancia igual a un cuarto de la longitud de onda. Un arreglo lineal es un arreglo compuesto de varios elementos colocados en línea recta. Este tipo de arreglo se conoce también como arreglo transversal. los elementos están igualmente separados a lo largo de una línea recta. Se considera como un filtro espacial que pasa las señales de una cierta dirección y rechaza las señales de otras direcciones. Este arreglo se conoce también como arreglo axial. es decir α=0 y la distancia de separación entre cada antena es de media longitud de onda d= λ/2. es decir d=λ/4. Sus principales características son: Las corrientes que circulan están en fase. Además. Además. Arreglos broadside.Introducción teórica. Al igual que en el caso de broadside se pueden calcular donde ocurren los ceros y máximo principal. es así que se considera que los máximos se encuentran en los ángulos de 90° y -90° y los ceros en los ángulos de 180° y 0°. que en este tipo de arreglo ocurre para ф=0°. su patrón de radiación nos indica la distribución en magnitud del campo eléctrico relativo en los diferentes ángulos de ф. Un arreglo lineal uniforme es aquel en el que los elementos que los conforman son alimentados con corriente de igual magnitud. Arreglo endfire. con un desfase uniforme y progresivo a lo largo de la línea. el desfase entre las corrientes es α=-Bd. En este tipo de arreglos es interesante conocer en donde ocurren los máximos y ceros primarios y secundarios. Patrón de radiación broadside . . el cual estará alimentado al plano tierra. 1. Patrón de radiación endfire Materiales: Generador de Radio Plano tierra Detector de Radiación Detector de Voltaje y corriente Diversos elementos de antena Desarrollo Experimental. se arma un arreglo lineal tipo broadside como se muestra en la siguiente imagen..Con ayuda del material del laboratorio. observando en donde ocurre una máxima iluminación de nuestro detector y en que posiciones no. .Haciendo pasar el detector de radiación en el arreglo “broadside” observamos el patrón de radiación de dicha antena. . armamos un arreglo de antena llamado “endfire” el cual presenta la misma alimentación y se analizará su espectro de radiación como fue el caso del arreglo “broadside”.Cambiando los elementos utilizados en la demostración anterior..2. Por último.3.. armamos la antena de la siguiente imagen y analizamos su espectro de radiación como en los experimentos anteriores. . utilizando un elemento de antena tipo circular. pdf . se observa que se detecta una mayor radiación en los puntos de alimentación de la antena tanto en el plano horizontal como vertical. el mínimo principal se puede apreciar en el otro lado del arreglo. Al analizar el patrón de radiación del elemento circular se puede considerar como un tipo de antena dipolo doblado. Arreglos Broadside y endfire. esto quiere decir que el patrón esta sobre la línea del arreglo y siendo más estrictos podemos concluir que su máximo se encuentra en un ángulo de 0 grados. https://www. Referencias.ar/electronica/catedras/mediosdetransmision/files/informacion %20adicional/arregos%20antenas. El cual se observa que radia más cuando el detector se coloca enfrente de dicha antena en una posición horizontal. observamos que el patrón de radiación se aprecia mas tanto de forma horizontal como vertical en la parte derecha del arreglo.edu. Por ultimo en el arreglo endfire. donde se observó que es prácticamente nula la radiación. http://www3.Conclusiones.pdf tipos de patrón de radiación de arreglos lineales.fi. y que en los extremos de la misma existen mínimos de radiación que en su conjunto con los demás nos ayudan a comprobar que el patrón de radiación ocurre de forma perpendicular a la línea del arreglo. con un ancho de banda agrandado y cuyos extremos la corriente aumenta. En el caso del arreglo broadside.cl/usuario/9553d43f5ccbf1cca06cc02562b4005e/mi_blog/r/Informe_A ntenas.ucursos. el cual presenta un patrón de radiación.mdp.
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