ANLISIS PATRON DE RADIACIN Y COMPORTAMIENTO DE LA ANTENA TIPO BOCINA

ESTUDIANTECAROL VIVIANA AMADO MONTGENEGROCDIGO: 20141373021

DOCENTE EDGAR JAVIER MANTILLA BAUTISTA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOS DE CALDASFACULTAD TECNOLGICABOGOT D.C.JULIO 2015

INTRODUCCIN El patrn de radiacin es una representacin grfica de las propiedades de radiacin de la antena en funcin de las coordenadas espaciales. En la mayora de los casos, el patrn de radiacin es determinado para la regin de campo lejano.Esta representacin generalmente se hace para campo lejano. Su representacin puede ser en cartesiano, dos dimensiones o tres dimensiones.1. Patrn de RadiacinEl parmetro ms importante de las antenas es el patrn de radiacin, definindose as como la representacin espacial de la energa que es radiada por una antena y/o la representacin de las intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones angulares en relacin con una antena.Cuando la representacin del patrn de radiacin es en tres dimensiones existen dos planos sobre los cuales se grafican los puntos correspondientes a la energa radiada de la antena: el plano Azimutal y el plano de elevacin. El plano Azimutal es aquel que est en funcin del ngulo (f()) y puede verse como un plano horizontal, mientras que el plano de elevacin es aquel que est en funcin del ngulo (g()) y puede verse como un ngulo vertical [2] (Figura 1). En dicha figura se pueden apreciar tambin las dimensiones para considerar el patrn de radiacin de una antena (coordenadas esfricas): el radio donde se mide la radiacin (r),el diferencial del plano azimutal (d), el diferencial del plano de elevacin (d), el diferencial de rea esfrica (dA) as como los vectores unitarios de las coordenadas esfricas (r, y ).

Figura 1. Representacin patrn de radiacin de forma tridimensional.El patrn de radiacin se puede presentar en tres formas posibles: patrn isotrpico (aquel en el cual una antena hipotticamente sin prdidas irradia igual energa hacia todas las direcciones), patrn direccional (la energa puede depender de la direccin angular en el plano Azimutal (f()), en el plano de elevacin (g()) o ambos) y patrn omnidireccional (presenta un patrn no direccional en un plano y un patrn direccional en otro. (Figura 2 representa los tipos que hay)

Figura 2. Tipos de patrn de radiacin.

2. Lbulos del Patrn de Radiacin En el patrn de radiacin de cualquier antena se pueden apreciar los llamados lbulos de radiacin, los cuales se definen como el rea del patrn de radiacin rodeada por regiones de relativamente baja intensidad de radiacin [2]. Los lbulos de radiacin de las antenas se pueden clasificar en dos tipos: lbulos principales y lbulos secundarios. A su vez los lbulos secundarios pueden subdividirse en lbulos laterales y lbulos posteriores. (En la figura 3 se muestra un patrn de radiacin direccional con sus lbulos)

Figura 3. Lbulos del Patrn de Radiacin

Figura Patrn de radiacin direccional con sus lbulos conteniendo su lbulo principal, lbulos secundarios, lbulos laterales y lbulo posterior.3. AntenaUna antena es un dispositivo capaz de radiar y recibir ondas de radio que adapta la entrada/ salida del receptor/ transmisor al medio. 3.1 Antena Tipo Bocina o AperturaConceptos bsicosLas antenas de Apertura se caracterizan por radiar la energa al espacio que las rodea a travs de una abertura (apertura) en algunos casos la apertura est perfectamente limitada por paredes metlicas conductoras (Bocinas y ranuras cortadas sobre planos, cilindros, guaondas, etc.).Mientras que en otros casos (reflectores y lentes) la apertura se define como la porcin de la superficie frontal plana en la que los campos de la onda colimada por aquellos toman valores apreciables.Las antenas de bocina son muy utilizadas en las bandas de frecuencia de microondas porque proporcionan alta ganancia, baja onda estacionaria, ancho de banda relativamente grande y son relativamente fciles de construir. Adems los clculos tericos concuerdan muy exactamente con las medidas de sus parmetros elctricos. Las bocinas rectangulares se alimentan con una gua rectangular que se orienta normalmente para su anlisis con la cara ancha horizontal. El modo dominante en la gua (TE10) tiene entonces el campo elctrico vertical (plano E) y el campo magntico horizontal (plano H). Si la bocina ensancha la cara ancha de la gua sin cambiar las dimensiones de la cara estrecha se le llama Bocina Sectorial Plano H. Si la bocina sirve para ensanchar las dimensiones del plano E se llama Bocina Sectorial Plano E. Cuando se ensanchan ambas dimensiones se habla de una Bocina Piramidal.

Figura 4. Tipos de Bocina

3.2 Bocina PiramidalEs la forma ms comn de bocina rectangular. Como muestra la figura se ensancha tanto en el plano E como en el H, lo que permite radiar haces estrechos en ambos planos.

Figura 5. Bocina Piramidal3.3 Formulas Las constantes que ms influyen en el desarrollo matemtico para el diseo, fabricacin y aplicacin son patrn de radiacin, directividad, realizabilidad y ganancia entre otras.El campo elctrico en la apertura se obtiene como combinacin de los resultados para las sectoriales del plano E y H:

Para obtener el patrn de radiacin plano E y plano H deben utilizarse as los diagramas universales Normalizados de las bocinas sectoriales plano H, utilizando como variables A y t los siguientes valores:

Se lograr el diseo de una antena ptima (mxima ganancia para mnimas dimensiones) aplicando a ambas dimensiones de la apertura las condiciones derivadas para la bocina sectorial plano H.

La distribucin de campo en la apertura es de tipo separable y coincide para cada plano principal con las propias de las bocinas sectoriales plano E y plano H. De esto modo el diagrama plano E de la bocina piramidal puede obtenerse de los diagramas universales de las bocinas sectoriales plano E y el diagrama plano H de los diagramas universales de las sectoriales plano H.De esto modo el diagrama plano E de la bocina piramidal puede obtenerse de los diagramas universales de las bocinas sectoriales plano E y el diagrama plano H de los diagramas universales de las sectoriales plano H.La directividad de la bocina piramidal se puede demostrar que vale:

Donde los trminos entre parntesis se obtienen de las curvas de directividad de las bocinas sectoriales sustituyendo a por A y b por B. Los valores de ganancia obtenidos con la expresin anterior coinciden relativamente bien con las medidas. Incluyen los campos de ptica geomtrica y los difractados en los bordes de las bocinas. La inclusin de trminos de difraccin mltiple y de reflexiones del interior de la bocina produce pequeas oscilaciones de la ganancia en funcin de la frecuencia, entorno a los valores predichos por la expresin anterior. Esto se puede detectar a travs de medidas que ponen de manifiesto errores respecto a la frmula presentada que no suelen superar los 0,3 dB.Diseo:El diseo de una bocina piramidal requiere que su garganta coincida con la gua rectangular de alimentacin para lo que se requiere que:

Condicin de Realizabilidad

Las bocinas piramidales se suelen utilizar como patrones de comparacin en las medidas de ganancia. En este caso suelen construirse bajo la condicin de que sean ptimas (mnimas dimensiones para mxima ganancia), esto es:

La apertura efectiva de estas bocinas piramidales ptimas vale aproximadamente el 50 % de su apertura fsica, de modo que:

Falta la ultima ecuacin!!!!

4. Aplicaciones Las antenas de apertura incluyen distintos radiadores elementales tales como: extremos abiertos de guas de ondas bocinas reflectores lentes de muy diversos tipos. Las antenas de apertura se usan en muchas aplicaciones. Para evitar perturbaciones aerodinmicas en los aviones, las antenas de apertura se pueden integrar directamente en la superficie metlica externa, equipadas con ventanas dielctricas. Entonces se podra considerar que el revestimiento metlico constituye la placa base de una antena de apertura. Otros reconocidos representantes de las antenas de apertura son las antenas de reflector alimentadas con radiador de bocina (ya que consta de una antena de espejo y otra de alimentacin, preferimos denominar a este tipo como no elementales.) Con frecuencia se usa la antena de tipo parablica como antena de radar para navegacin marina o aviacin. Otros importantes campos de aplicacin de este tipo de antena son los enlaces por microondas, la radioastronoma, la tecnologa de medicin y el control policial del trfico. Ms adelante se investigan las caractersticas de este tipo de antena de espejo con aperturas grandes. Las caractersticas de emisin y recepcin de las antenas de apertura estn determinadas por la distribucin del campo (es decir, por la distribucin de la corriente de desplazamiento) en la apertura. Recordemos: en las antenas de hilos estas caractersticas estn determinadas por la distribucin de la corriente en los hilos. Normalmente se considera que los campos (incluidas las corrientes de desplazamiento) son iguales a cero fuera de la apertura. El debate sobre las antenas de apertura es similar al del problema ptico de la difraccin de la luz en un diafragma. Dado que las dimensiones de un diafragma ptico son mucho mayores respecto de la longitud de onda de la luz que las dimensiones de la apertura en comparacin con la longitud de onda de una microonda emitida, los resultados y las conclusiones obtenidos en ptica slo pueden considerarse como una aproximacin inicial en la tecnologa de antenas. Esto es particularmente cierto en el caso de las antenas ranuradas cortas, las cuales se pueden manejar mejor, en los trminos de una antena dipolo, utilizando el principio de Babinet. Las limitaciones mencionadas arriba al transferir los resultados obtenidos en ptica a la tecnologa de las microondas tambin se aplican al tamao de la placa base. En ptica, el supuesto popular es que la placa base se puede extender infinitamente. Este supuesto no se cumple en el caso de las microondas. La difraccin en los bordes de la placa base afecta al diagrama direccional de la apertura emisora. Este efecto es incluso mayor mientras ms pequeas sean las dimensiones de la placa base en relacin con las longitudes de onda. Guas de ondas abiertas y bocinas Las antenas de bocina y las guas de ondas de extremos abiertos son radiadores de apertura muy utilizados. Se las emplea principalmente como elementos de alimentacin en diversas antenas de tipo reflector. El extremo abierto de la gua de ondas en s, que gua la onda fundamental, acta como radiador de apertura. Las lneas de campo salen hacia el libre espacio desde este extremo abierto. Por lo tanto, se podra esperar que la potencia alimentada a la gua de ondas sea irradiada o emitida. La radiacin es mxima en la direccin longitudinal de la gua de ondas. La onda emitida no se concentra dentro de un haz enfocado en forma particular, porque las dimensiones de la apertura son menores en comparacin con la longitud de onda. Por lo tanto, se emite slo una porcin de la onda, mientras que la porcin restante se refleja en el plano de la apertura. Este tipo de desadaptacin se puede reducir utilizando un elemento adaptador, es decir, una triple rama de sintonizacin o un transformador de tornillo deslizante. El diagrama direccional de una gua de ondas abierta est determinado no slo por las dimensiones de la apertura, sino tambin por el plano de tierra (Antenas de hilo y de apertura infinitamente extendido). En la prctica real, los efectos de la difraccin en los bordes de la placa reflectora distorsionan el diagrama direccional. Tienen un impacto particularmente importante sobre los lbulos laterales. Los efectos de la difraccin en los bordes se pueden minimizar equipando las bridas con choques. As, en las guas de ondas de extremos abiertos en modo TE11, son comunes las bridas estriadas (ver Fig. 6). Este tipo se emplea con frecuencia para el alimentador primario de antenas parablicas de TV.

Figura 6. Choque en forma de brida acanalada o estriada. La baja concentracin del haz de la gua de ondas abierta es favorable para esta aplicacin porque permite una iluminacin casi homognea de la antena parablica. Para otras aplicaciones, la concentracin del haz de la gua de ondas abierta es demasiado baja. Esto se puede mejorar levemente colocando en el extremo una prolongacin en forma de embudo.

En la Figura 7. se muestra la distribucin del campo en una gua de ondas rectangular excitada con el modo fundamental TE10.

Figura 8. Distribucin de los campos E y H en una bocina sectorial E y H (con caras planas). a: Bocina sectorial E b: Bocina sectorial H Si se prolonga la gua de ondas de alimentacin en los planos E y H se obtiene la bocina piramidal. Adicionalmente, si se prolonga una gua de ondas circular, se obtiene una bocina cnica. En la Figura 9 se presentan las antenas de bocina ms importantes.

Figura 9: Antenas de bocina tpicas (con caras planas) a: Bocina sectorial E b: Bocina sectorial H c: Bocina piramidal d: Bocina cnica e: Antena de embudo.5. Desarrollo de la practica:La prctica de laboratorio se llev a cabo en las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Facultad Tecnolgica, en los Laboratorios de Electrnica con el equipo de antenas marca Leybold Didactic y su software Cassy Lab.5.1 ComponentesLos materiales para desarrollar esta prctica son: Oscilador Gunn. Detector coaxial. Juntura gua de onda. Modulador Pin. Lnea unidireccional. Gua de onda 200 nm. Transformador de 3 tornillos. Soporte para componentes de gua de onda. Antena de bocina pequea y grande. Juego de absorbentes para microondas. Plataforma giratoria para antena. Cables BNC, L= 1m y 2m. Pies de soporte multifuncional. Computador con software Cassy Lab.

5.2 Montaje del experimento

Diagramas horizontales de la antena de bocina pequea y grande.

5.3 Desarrollo de la prctica

Para desarrollar este momento de la prctica propuesta se deben seguir los siguientes pasos:

Las antenas de bocina pequea actan como antenas de prueba, las antenas de prueba y fuente emiten ondas polarizadas horizontalmente.Se hace necesario para el anlisis de los patrones de radiacin efectuar el siguiente montaje.

Figura 10. Montaje a implementar para el desarrollo de la prctica. Seleccionar plataforma giratoria en el software CassyLab. Ajustar parmetros para registrar el diagrama direccional segn lo plantea la gua de laboratorio. Seleccionar el punto de movimiento de la plataforma (0.5, 1 2 grados). La bocina emisora debe estar en posicin vertical. Diagrama horizontal girar sobre el plano E. La bocina de la antena de prueba (receptora) debe estar en posicin cero con respecto a la plataforma giratoria. Iniciar medicin. Se debe considerar que para la antena de prueba se debe intentar ubicar en el mximo del lbulo principal, porque de no ser as se va a generar una adaptacin defectuosa y esta con lleva a una reduccin de la potencia de recepcin. Cambiar a coordenadas cartesianas y determinar el ancho de banda a 3dB. Guardar la medicin realizada.(Imgenes de la prctica en Anexos)

5.4 Resultados obtenidos

Figura 11. Horizontal bocina pequea

Figura 12. Horizontal bocina grande

Figura 13. Vertical bocina pequea

Figura 14. Vertical bocina grande.

6. Graficacin del Patrn de radiacin

Para obtener el algoritmo para graficar el patrn de radiacin en 3D se deben seguir algunos pasos: Se controla la resolucin de la figura fijando claramente el de puntos que se debern graficar en cada una de las direcciones. n = 20 n = 15 Con estos valores se pueden generar un rango de valores de ngulos de y teniendo en cuenta que cada uno de ellos se valora sobre las coordenadas esfricas. Luego se hallan los valores de x y z en coordenadas cartesianas a partir de la transformacin desde coordenadas esfricas. Teniendo esto ya se puede graficar en 3D.

la idea es crear un patron de radiacion en 3d como se ve en la imagen.Para ilustrar lo facil que se hacen este tipo de patrones con matlab voy empezar con un dipolo largo, aunque es posible para cualquier otra antena o arreglo de antenas.los pasos son los siguietes:1. conocer el patron:para este caso el campo generado por un dipolo largo es de la siguiete forma:

dondeBes la constante de fase es decir 2*pi/lambda.yles la longitud del dipolo, y "theta" es el angulo medido sobre el eje Z.para este casol=3*lambda/22. crear un archivo .m3.escribimos el codigo:enel cdigo se crean las variables y se grafica el campo.

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%variablesla=1; %lambdab=2*pi/la %betal=3*la/2 %longitud del dipolo% creacion del los angulos.fi=(0:.01:1)*2*pi; %fiteta=(0:.01:1)*pi; %theta

% en 2D%grafica del campo en el plano E.E=abs((cos(b.*l./2.*cos(teta))-cos(b.*l./2))./sin(teta));polar(teta,E)

%en 3D% creacion del meshgrid tipica para crear graficas en 3d.[FI,TETA]=meshgrid(fi,teta);%creacion del campo.E=abs((cos(b.*l./2.*cos(TETA))-cos(b.*l./2))./sin(TETA));

%cambio de coordenadas esfericas a rectangulares que son las que se usan para graficas en %3d en matlab.

X=E.*sin(TETA).*cos(FI);Y=E.*sin(TETA).*sin(FI);Z=E.*cos(TETA);

% grafica en 3d y ubicacion de la camara y luces.S=surface(X,Y,Z,(abs(E)));axis equalaxis offlighting gouraud;shading interpview(0,40)

ANEXOS