Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO“La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica “ANTENA ESPIRAL” Ayuda a un esimio y sube tus practicas a Scribd Prof. BOTELLO GARCIA JOSE CARMEN “Antena Espiral” p. 1 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS INDICE OBJETIVO……………………………………………………………… 3 INTRODUCCION TEORICA…………………………………..…………………………..3 CAMPO ELECTRICO Y MAG……………………………………………………………..4 POTENCIA……………………………………………………..……………………………..5 RECISTENCIA DE RADIACION……………………………………………………….. 6 PARON DE RADIACION………………………………………………………..6 GANACIA REACTIVA Y DE POTENCIA……………………………………………………….. 7 AREA EFECTIVA……………………………………………………….. 7-8 INTERVALO DE FRECUENCIA ……………………………………………………….. 8 – 9 TIPOS DE ELEMENTOS ……………………………………………………….. 10 CIRCUITO EQUIVALENTE……………………………………………………….. 11-12 CONCLUCIONES…………………………………………………….. 12 BIBLIOGRAFIA…………………………………………………….. 12 “Antena Espiral” p. 2 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS OBJETIVO: Con los conocimientos adquiridos en el curso de teoría de radiadores electromagnéticos, lograr que nosotros como alumnos nos familiaricemos con el armado y cada una de las partes que comprenden a la antena. Armaremos una antena logarítmica periódica, así como observar y comprender sus patrones de radiación. INTRODUCCIÓN TEORICA: Antenas Las antenas son elementos pasivos cuyas características pueden considerarse bidireccionales, es decir, que permiten también la transición de una onda no guiada que se propaga en el espacio, a una onda guiada en una línea de transmisión conectada a un receptor. Cuando la antena es utilizada para radiar ondas electromagnéticas al espacio, cumple el papel de antena emisora o transmisora y cuando se emplea para interceptar o capturar ondas que se propagan en el espacio y convertirlas en energía útil, aprovechable por un receptor, cumple la función de antena receptora. Antenas Espirales Es una antena espiral que puede formarse a partir de cuatro espirales convenientemente rotadas, pertenece a la familia de las antenas independientes, la antena puede ser auto-complementaria o no, dependiendo de cuanto están rotadas las diferentes espirales que la definen. Es necesario saber que se construyen plana o sobre un cono. La espiral cónica se considera una espiral plana que se ha envuelto alrededor de un cono dieléctrico, consiguiendo así mayor directividad. Se alimenta por un cable coaxial pegado a una cinta conductora, con su conductor interno unido a la otra cinta en el vértice. Características: • Todas las antenas espirales tienen polarización circular. • La impedancia de una antena espiral de 2 brazos es de 70ohm a 100ohm. • El ancho de banda está en la relación 0.5 (base a vértice). “Antena Espiral” p. 3 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS CAMPO ELECTRICO Y MAGNETICO Debemos tomar en cuenta que un campo electromagnético variable en el tiempo puede ser propagado por el espacio libre a la velocidad de la luz. Es por ello que, la onda electromagnética así propagada está constituida por campos eléctricos (E) y campos magnéticos (H). Entonces la onda electromagnética plana puede ser representada en función de sus campos. Se dice que la onda esta polarizada verticalmente cuando su campo eléctrico es vertical y esta polarizada horizontalmente cuando su campo magnético es horizontal. El camino del rayo de energía desde la fuente productora hasta cualquier punto de la esfera es una línea recta y a una distancia grande el frente de la onda no se percibe esférico, sino que aparentemente se percibe como una superficie plana. La onda electromagnética viajando por el espacio libre es muy difícil de entender sin recurrir a las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman la herramienta máxima para el estudio de problemas de ondas electromagnéticas. Los campos radiados tienen una componente, por lo que la polarización es lineal. El diagrama es similar al del dipolo elemental, pero la polarización es ortogonal. Se produce un nulo de radiación en la dirección perpendicular a la espira y el máximo está en el plano de la misma. Para una espira situada en el plano XY, el plano E es el mismo, y el plano H es cualquier plano que contenga al eje z. “Antena Espiral” p. 4 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS POTENCIA El sistema de coordenadas utilizado habitualmente en antenas es el esférico. Para especificar una dirección del espacio se utilizan los dos ángulos θ, φ. En este sistema de coordenadas se definen los vectores unitarios que forman una base ortogonal. La orientación de los vectores se determina mediante la intersección de una esfera de radio r, un cono de ángulo θ y un semiplano que pasa por el eje z. La onda electromagnética radiada se compone de un campo eléctrico y uno magnético; ambos son magnitudes vectoriales y están ligados por las ecuaciones de Maxwell. A partir de los valores eficaces de los campos se obtiene la densidad de flujo por unidad de superficie mediante donde se ha supuesto para los campos una variación temporal armónica y los símbolos *, Re y H denotan el complejo conjugado, la parte real y el producto vectorial. Para los campos radiados, los módulos del campo eléctrico y del campo magnético están relacionados por la impedancia característica del medio η, que en el vacío vale 120π Ω. Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede calcular a partir de las componentes transversales del campo eléctrico La potencia total radiada se puede obtener como la integral de la densidad de potencia en una superficie esférica que encierre a la antena La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección; sus unidades son vatios por estereorradián y a grandes distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se encuentre la antena. La relación entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada es y la potencia total radiada también se puede calcular integrando la intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio al ser el diferencial de ángulo sólido en coordenadas esféricas “Antena Espiral” p. 5 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS RECISTENCIA DE RADIACION La resistencia de radiación resulta ser proporcional a la cuarta potencia de las dimensiones de la espira. La espira es un radiador muy poco eficiente comparado con el dipolo, ya que éste último tiene una resistencia de radiación que es proporcional al cuadrado de sus dimensiones. Esta diferencia es debida a que en las espiras tienen forma de contorno cerrado y para cada elemento de corriente existe otro en sentido contrario. La radiación se debe a las diferencias de fase de las ondas producidas por elementos de corriente opuestos PATRON DE RADIACION El diagrama de la antena espiral posee un lóbulo frontal y un lóbulo posterior. Siendo el lóbulo frontal mayor que el lóbulo posterior; además pueden presentarse lóbulos laterales los cuales son también de menor tamaño que el lóbulo frontal. “Antena Espiral” p. 6 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS GANANCIA REACTICA Y DE POTENCIA Un segundo parámetro directamente relacionado con la directividad es la ganancia de la antena G. Su definición es semejante, pero la comparación no se establece con la potencia radiada, sino con la entregada a la antena. Ello permite tener en cuenta las posibles pérdidas en la antena, ya que entonces no toda la potencia entregada es radiada al espacio. La ganancia y la directividad están relacionadas, en consecuencia, por la eficiencia de la antena. Si la antena no posee pérdidas, cosa habitual a altas frecuencias, ambos parámetros son equivalentes. AREA Y LONGITUD EFECTIVA La antena extrae potencia del frente de onda incidente, por lo que presenta una cierta área de captación o área efectiva Aef, definida como la relación entre la potencia que entrega la antena a su carga (supuesta para esta definición sin pérdidas y adaptada a la carga) y la densidad de potencia de la onda incidente . que representa físicamente la porción del frente de onda que la antena ha de interceptar y drenar de él toda la potencia contenida hacia la carga. La definición anterior lleva implícita la dependencia del área efectiva con la impedancia de carga, la adaptación y la polarización de la onda. donde se ha introducido un nuevo parámetro, la longitud efectiva Ref, mediante la relación entre la tensión inducida en circuito abierto en bornes de la antena y la intensidad del campo incidente en la onda “Antena Espiral” p. 7 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS De nuevo esta definición lleva implícita una dependencia con la polarización de la onda. La longitud y el área efectiva están definidas a partir de magnitudes eléctricas y no coinciden necesariamente con las dimensiones reales de las antenas, si bien en algunos tipos de ellas guardan una relación directa. El área y la longitud efectiva se han definido para la dirección en la que la antena receptora capta máxima señal. El área efectiva dependerá de la dirección angular en la que incidan las ondas, de una forma similar a la directividad. La longitud efectiva también variará proporcionalmente al diagrama de radiación del campo. INTERVALO DE FRECUENCIA Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias. Este intervalo de frecuencias, en el que un parámetro de antena determinada no sobrepasa unos límites prefijados, se conoce como el ancho de banda de la antena. El ancho de banda (BW) se puede especificar como la relación entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central. Dicha relación se suele expresar en forma de porcentaje. En antenas de banda ancha se suele especificar en la forma El ancho de banda de la antena lo impondrá el sistema del que forme parte y afectará al parámetro más sensible o crítico de la aplicación. Para su especificación los parámetros pueden dividirse en dos grupos, según se relacionen con el diagrama o con la impedancia. En el primero de ellos tendremos la directividad, la pureza de polarización, el ancho de haz, el nivel de lóbulo principal a secundario y la dirección de máxima radiación. En el segundo, la impedancia de la antena, el coeficiente de reflexión y la relación de onda estacionaria. El coeficiente de reflexión de la antena respecto a la línea de transmisión o generador es “Antena Espiral” p. 8 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS La relación de onda estacionaria se puede calcular a partir del coeficiente de reflexión Las antenas de banda estrecha se pueden modelar con un circuito resonante serie, con una expresión de la impedancia de entrada de la forma Q es el factor de calidad del circuito y Si se especifica como ancho de banda el margen de frecuencias donde la relación de onda estacionaria es menor que un determinado valor S, a partir de las ecuaciones anteriores se puede deducir que Cuando la resistencia de la antena coincide con la impedancia característica de la línea de transmisión, el ancho de banda se puede expresar como “Antena Espiral” p. 9 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS TIPOS DE ELEMENTOS Dipolo de media onda Se considera un dipolo de media onda (L = λ/2). Esta antena produce ondas de polarización lineal y opera en banda angosta (prácticamente a una sola frecuencia). Para cambiar la frecuencia de trabajo hay que modificar la longitud L Elementos parásitos El caso más simple de agrupación con elementos parásitos es el formado por un dipolo activo y uno parásito. Si el dipolo activo es de media onda (λ/2), pueden obtenerse tres tipos de diagrama de la agrupación según sea la longitud del dipolo parásito ligeramente superior, igual o ligeramente inferior a la del activo. Elementos directores La directividad coincide con la del dipolo elemental, ya que el diagrama de radiación es idéntico. “Antena Espiral” p. 10 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS CIRCUITO EQUIVALENTE “Antena Espiral” p. 11 Instituto Politécnico Nacional ESIME ZACATENCO “La técnica al servicio de la patria” Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica. TEORIA DE RADIADORES ELECTROMAGNETICOS CONCLUSIONES: Logramos el objetivo final de nuestro proyecto, que es el mejor entendimiento de la ante espiral, así como ver el funcionamiento de la antena, también comprendimos que los dipolos de este tipo de antenas producen una radiación muy específica a la de otras . BIBLIOGRAFÍA: R.C. Johnson,Antenna Engineering Handbook , 3aed., McGraw-Hill. http://antenasies.blogspot.mx/2012/11/dipolo-de-media-onda.html https://es.slideshare.net/edisoncoimbra/65-tipos-mas-comunes-de-antenas https://es.slideshare.net/rosanazl/tema-iv-antenasbandancha https://es.wikipedia.org/wiki/Antena_espiral#Elementos http://campus.fi.uba.ar/file.php/204/jornadas2011/A_10_Tempone.pdf https://hellsingge.files.wordpress.com/2014/08/antenas-cardama-jofre-rius-romeu-blanch-ferrando.pdf https://www.slideshare.net/orlando6211/prelabpractica5labdemedios http://www.upv.es/antenas/Tema_3/Directividad_espira.htm https://es.scribd.com/document/89889364/Antenas-Elementales https://es.scribd.com/document/94207818/antena-espiral “Antena Espiral” p. 12