LABORATORIO #05: ANTENA YAGUI
La antena Yagi o antena Yagi-Uda es una antena direccional inventada por el Dr.Shintaro Uda de
la Universidad Imperial de Tohoku y en menor parte, el Dr.Hidetsugu Yagi (de ahí al nombre Yagi-Uda).
Esta invención de avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple
de dipolo, combinada con elementos parásitos conocidos como reflector y directores, se pudiera
construir una antena de muy alto rendimiento.
La invención del Dr. Uda (patentada en 1926) no fue usada en Japón en un principio, ya que el diseño
original de la antena tenía como objetivo la transmisión inalámbrica de energía. Sin embargo fue
aceptada en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó a la producción comercial, de los sistemas
de difusión, TV y otros.
El uso de esta antena en Japón solo comenzó a utilizarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando
fue descubierto que la invención de Yagi era utilizada como antena de radar por los ejércitos aliados.
LABORATORIO: EQUIPOS REQUERIDOS1. Generador de señal de RF de 750 Mhz : DTR-3 antenna Trainer2. Medidor de campo eléctrico : DTR-3 RF Detector 3. Mástil Goniómetro y pedestal Transmisor: Tranmitting Mast4. Mástil y pedestal Receptor : Receiving Mast 5. Antena Yagui con dipolo simple λ/2 (TX) :Yagui Simple dipole λ/2 6. Antena dipolo plegado λ/2 receptora : Folded dipole λ/2
EXPERIMETO 1: MEDICIONES DE POTENCIALa potencia a transmitir es función de la corriente, y de la resistencia de radiación del medio atmosférico (μ, ε) expresada por la ecuación:
1. acerque la antena a 30 cm y gradualmente aumente el nivel de RF y observe Las lecturas de ambos display, deben situarse entre 20 – 35 microamperios2. alinee la marca de la flecha en el disco con cero de la escala del goniómetro. 3. desplace la antena receptora y anote las lecturas de corriente para distancias de: 60 cm, 90, 120, 150 cm4. trace el grafico: Microamperios = f(distancia).
30 35 40 45 50 55 60 65 700
5
10
15
20
25
30
35
Series1Series2Series3
Distancia uA30 29,735 30,540 20,145 14,350 13,855 1760 20,465 1970 16,4
P tot=12I 2maxR radiacion
EXPERIMENTO 3: DIAGRAMAS DE RADIACION La figura Muestra el diagrama de radiación de una antena Yagui
Para establecer el diagrama de radiación de una antena se debe medir la intensidad del campo eléctrico Y representar los valores en coordenadas polares.
PROCEDIMIENTO1. Realice los pasos 1 al 7 del set up de antenas. 2. Gire la antena a intervalos de 10 grados y anote los valores indicado por el detector3. Convierta las lecturas de microamperios del detector en “db” según carta adjunta De conversión de μA a db(μA)=20log(Corriente μA/1μA)
Conclusiones
Se pudo observar la gran potencia de irradiación de la antena yagi durante el desarrollo del laboratorio
dB0 1 010 0,174532925 0,984807753 -0,00664854120 0,34906585 0,939692621 -0,02701418430 0,523598776 0,866025404 -0,06246936840 0,698131701 0,766044443 -0,11574603350 0,872664626 0,64278761 -0,19193250360 1,047197551 0,5 -0,30102999670 1,221730476 0,342020143 -0,46594831580 1,396263402 0,173648178 -0,7603297790 1,570796327 6,12574E-17 -16,21284128100 1,745329252 -0,173648178 #¡NUM!110 1,919862177 -0,342020143 #¡NUM!120 2,094395102 -0,5 #¡NUM!130 2,268928028 -0,64278761 #¡NUM!140 2,443460953 -0,766044443 #¡NUM!150 2,617993878 -0,866025404 #¡NUM!160 2,792526803 -0,939692621 #¡NUM!170 2,967059728 -0,984807753 #¡NUM!180 3,141592654 -1 #¡NUM!190 3,316125579 -0,984807753 #¡NUM!200 3,490658504 -0,939692621 #¡NUM!210 3,665191429 -0,866025404 #¡NUM!220 3,839724354 -0,766044443 #¡NUM!230 4,01425728 -0,64278761 #¡NUM!240 4,188790205 -0,5 #¡NUM!250 4,36332313 -0,342020143 #¡NUM!260 4,537856055 -0,173648178 #¡NUM!270 4,71238898 -1,83772E-16 #¡NUM!280 4,886921906 0,173648178 -0,76032977290 5,061454831 0,342020143 -0,465948315300 5,235987756 0,5 -0,301029996310 5,410520681 0,64278761 -0,191932503320 5,585053606 0,766044443 -0,115746033330 5,759586532 0,866025404 -0,062469368340 5,934119457 0,939692621 -0,027014184350 6,108652382 0,984807753 -0,006648541360 6,283185307 1 0
Por medio de los gráficos realizados se observa que la gran direccionalidad que proporciona la antena yagi
Se trabajó con distintas antenas yagi y se observó que cuanto más componentes de direccionalidad existe mejor direccionado esta la señal.
Las antenas tienen que tener la misma polarización (vertical-vertical ó horizontal-horizontal) tanto de la antena transmisora como la de la receptora.
LABORATORIO #06: ANTENA LOGARITMICA
Una antena de tipo logarítmica periódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Con una construcción similar a la de la antena Yagui, solo que las diferencias de longitudes entre los elementos y sus separaciones siguen una variación logarítmica en vez de lineal.
La ventaja de la antena logarítmica sobre la Yagui es que aquélla no tiene un elemento excitado, sino que recibe alimentación en todos sus elementos. Con esto se consigue un ancho de banda mayor y una impedancia pareja dentro de todas las frecuencias de trabajo de esta antena.
Funcionamiento: La receptora de la señal o su región activa cambia continuamente dependiendo de la frecuencia, donde en la frecuencia más baja de operación, el elemento largo es el resonante y el resto de elementos actúan como directores. En la frecuencia más alta, el elemento más corto resuena y los otros elementos (más largos) actúan como reflectores en el centro de la banda de frecuencia.
Antena banda ancha: con dipolos resonando en diferentes frecuencias estrechas, en una misma antena, conseguimos abrir el ancho de banda de la antena. Antena multibanda: con dipolos resonando en diferentes bandas, podemos obtener una antena capaz de ser multibanda.
Estas antenas pueden proveer hasta 10 dB más de ganancia que una antena de 1/4 de onda, a la vez que pueden atenuar hasta 30 dB fuentes de interferencia provenientes de otras direcciones. La longitud del
elemento horizontal y el número de elementos transversales determinan el ancho de banda y la direccionalidad de la antena.
Se utilizan principalmente para transmitir señales de TV, FM y para comunicaciones militares.
OBJETIVO: REALIZAR MEDICIONES DE POTENCIA RADIADA Y DIAGRAMAS DE RADICACION DE UNA ANTENA LOGARITMICA
Es una antena que consiste de un arreglo de dipolos cuyas longitudes aumentan en forma logarítmica no tiene elementos parasíticos todos están energizados desde el dipolo de menor longitud, con el objetivo de producir un lóbulo de radiación en la dirección del dipolo de longitud más corta longitud y así forma un haz unidireccional. La gran ventaja de este tipo de antena reside en que puede operar en diferentes bandas de RF al haber dipolos energizados de distinta longitud, por lo cual es una antena de “banda ancha”.
La relación entre la separación y la longitud de los dipolos dado por la ecuación
dn2Ln
=σ
Las longitudes sucesivas de los dipolos forman una progresión geométrica con una relación “t”<1 llamado factor escala.
XnXn+1
=LnLn+1
=τ<1
Se define como factor auto escalable a: k=τm→m=1,2,3…
Por la anterior ecuación establecemos que el comportamiento de la antena para diferentes frecuencias
están relacionadas por: f m=f 0 τm
Aplicando logaritmo a esta ecuación se obtiene: log ( f m )=mlog (τ )+ log ( f o)
Esta es la ecuación de “Rumsey” que dice que la antena logarítmica es una estructura auto escalable y que son antenas aptas teóricamente independientes de la frecuencia, concepto que debe interpretarse que la antena opera en un gran ancho de banda. La ganancia comparada con una antena isotrópica es del orden de 12db, y su diagrama de irradiación de esta antena es un diagrama denominado “Ultra.Broadband”
EXPERIMENTO 1: MEDICIONES DE POTENCIA
La potencia a transmitir es función de la corriente, y dela resistencia de radiación del medio atmosférico (µ, ε) expresada por la ecuación:
Ptot=12I 2max Rradicion
1. Acerque la antena a 30 cm y gradualmente aumente el nivel de RF y observe las lecturas de ambos display, deben situarse entre 20-35 microamperios.
2. Alinee la marca de la flecha en el disco con cero de la escala del goniómetro.3. Desplace la antena receptora y anote las lecturas de corriente para distancias de: 60cm, 90,
120, 150cm.4. Trace el grafico: microamperios= f(distancia).
EXPERIMENTO 3: DIAGRAMAS DE RADICACION
Trace el grafico polar en grados de rotación de la antena en función de las lecturas convertidas en dbµA
Logarítmica Array Dipolo simpleθ corriente dB corriente dB corriente dB0 30.00 29.5424251 21.1 26.4856491 29.4 29.366946610 26.60 28.4976327 16.4 24.296877 29 29.2479620 25.10 27.9934744 13.7 22.7344113 32.2 30.157117430 22.80 27.1586969 11.9 21.5109392 29.2 29.30765740 20.10 26.0639211 10.8 20.6684751 22.5 27.043650450 16.00 24.0823997 22 26.8484536 16.9 24.557734160 10.00 20 29.7 29.455129 11.2 20.984360570 7.00 16.9019608 31.3 29.9108868 1.3 2.2788670580 7.00 16.9019608 35.4 30.9800652 0.8 -1.93820026
90 4.50 13.0642503 27 28.6272753 1.2 1.58362492100 1.60 4.08239965 14.8 23.4052343 5.5 14.8072538110 1.80 5.1054501 5.4 14.6478752 16.3 24.2437521120 0.60 -4.43697499 4.3 12.6693691 13.7 22.7344113130 1.20 1.58362492 13.6 22.6707782 17.2 24.7105689140 1.70 4.60897843 31.6 29.9937417 21.2 26.5267172150 2.10 6.44438589 34.5 30.7563819 35.6 31.029160 2.80 8.94316063 29.3 29.3373524 38 31.5956719170 4.10 12.2556771 21.6 26.689075 30.2 29.6001389180 3.50 10.8813609 13.8 22.7975817 29.2 29.307657190 3.60 11.12605 6.7 16.5214961 21.8 26.7691299200 2.40 7.60422483 4.6 13.2551566 20.9 26.4029257210 1.10 0.8278537 9.9 19.9127039 13.3 22.4770328220 0.40 -7.95880017 5.9 15.4170402 10.9 20.74853230 0.50 -6.02059991 7.3 17.2664572 7.5 17.5012253240 0.80 -1.93820026 10.4 20.3406668 2.8 8.94316063250 0.50 -6.02059991 12.5 21.9382003 1.4 2.92256071260 0.50 -6.02059991 16.9 24.5577341 0.5 -6.02059991270 0.40 -7.95880017 28.2 29.0049822 0.2 -13.9794001280 0.60 -4.43697499 25.9 28.2659953 0.8 -1.93820026290 1.00 0 24.3 27.7121255 2.7 8.62727528300 3.50 10.8813609 20.3 26.1499208 6.5 16.2582671310 6.00 15.563025 15.4 23.7504144 11.3 21.0615689320 9.40 19.4625571 10.8 20.6684751 16.2 24.1903003330 15.20 23.6368718 7.2 17.1466499 20.9 26.4029257340 21.40 26.6082755 6.1 15.7065967 25.6 28.1647993350 27.00 28.6272753 5.3 14.4855174 26.7 28.5302252360 30.00 29.5424251 21.4 26.6082755 28 28.9431606
CONCLUSIONES
Se hizo mediciones de los distintos tipos de antenas y comprobar la directividad característica de cada antena.
Se vio experimentalmente que la antena dipolo λ/2 y la antena logarítmica tienen mayor directividad que las demás antenas ya estudiadas.
La antena rómbica trabaja en la bandas de low frecuency (LF) y médium frecuency (MF) ya que son antenas que funcionan en el entorno terrestre.
La antena logarítmica en la banda de high frecuency (HF), inosfera.
La antena parabólica trabaja en las bandas very high frecuency (VHF) y super high frecuency (SHF), troposfera.
LABORATORIO #07: ANTENA HELICOIDAL
Las antenas helicoidales son sumamente utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. En efecto, el hecho de enrollar el monopolo en forma de hélice reduce sensiblemente el largo de la antena, reduciéndola a dimensiones razonables; así, una antena monopolo vertical que mediría 17 cm para la banda de radioaficionados de 70 cm, mide apenas cinco o seis en su forma helicoidal. La antena está enrollada en una vaina de caucho, lo que la hace flexible y evita que se rompa fácilmente.
Otras antenas helicoidales son utilizadas en UHF para recibir señales satelitales (1575.42Mhz). En efecto, la polarización de la antena helicoidal es circular, lo que es sumamente favorable para la recepción de satélites. Estas antenas se fabrican con las espiras separadas un poco menos que el diámetro mismo de la hélice.
Características principales :
La polarización de la antena helicoidal es de tipo circular (horizontal y vertical por partes iguales).
La impedancia de la antena hélice es baja. Por lo tanto, es preciso adaptarla a los 50 Ohmios de los transmisores con algún tipo de adaptador de impedancia.
La antena hélice es resonante a una frecuencia fundamental.
Experimento 1: Mediciones de potencia
Experimento 2: Diagramas de radicación
40 50 60 70 80 90 100 11005
101520253035
Helicoidal
Helicoidal
Antena Helicoidal
Distancia Microamperes
40 26.6
50 29.3
60 33.3
70 11.7
80 5.1
90 3.7
100 8.1
110 4.8
0 10 2030
4050
607080
90
100
110120
130140
150160170180190200210
220230
240250
260
270
280
290300
310320
330340
350360
0
20
40
Series1
LABORATORIO #08: ANTENA PARABOLICA
Las antenas parabólicas son antenas de alta ganancia, constructivamente disponen de una alimentador o fuente que hace que los rayos de las ondas
Helicoidal
O corriente db
0 32.6 30.264352
10 33.6 30.5267855
20 29.6 29.4258342
30 28.1 28.9741264
40 25.3 28.0624104
50 19 25.575072
60 12.3 21.7981022
70 4.7 13.4419572
80 4.3 12.6693691
90 3.6 11.12605
100
3.2 10.1029996
110
2.5 7.95880017
120
1.9 5.57507202
130
3.6 11.12605
140
1.4 2.92256071
150
1.3 2.27886705
160
1.1 0.8278537
170
3.8 11.5956719
180
3.2 10.1029996
190
3 9.54242509
200
2.9 9.24795996
210
2.9 9.24795996
220
2.2 6.84845362
230
1.8 5.1054501
240
3.2 10.1029996
250
4.6 13.2551566
Electromagnéticas incidentes sobre el plato se reflejen en forma paralela A lo largo del eje principal. El elemento radiante puede ser un dipolo de λ/2 Fig1. Otro tipo de antena parabólica es la antena Cassegrain centrado, con un alimentador también parabólico, estas antenas son de muy alta ganancia del orden de los 60 dB. La polarización depende del alimentador Fig2
Fig 1 Fig2
De la fig 1 la relación entre la distancia focal , profundidad de antena y diámetro de la antena esta dado por la ecuaciones:
Donde fc es la distancia focal, D diametro del reflector, y c la profundidad.
La ganancia de esta antena esta dado por la ecuacion:
Ga (dBi) = 10 log10 η [ 4 π A / λ2 ]
Siendo η la eficiencia del plato reflector que es del orden del 55%, A es el area efectiva de la apertura de la antena, y λ la longitud de onda. El ancho del Haz es mas angosto a mayor diametro del reflector, y esta dado por la ecuacion:
Experimento 1: Mediciones de potencia
θ=70 λD
La potencia a transmitir es función de la corriente, y de la resistencia de radiación del medio atmosférico (µ, ε) expresada por la ecuación:
Ptot=12I 2max Rradicion
5. Acerque la antena a 30 cm y gradualmente aumente el nivel de RF y observe las lecturas de ambos display, deben situarse entre 20-35 microamperios.
6. Alinee la marca de la flecha en el disco con cero de la escala del goniómetro.
7. Desplace la antena receptora y anote las lecturas de corriente para distancias de: 60cm, 90, 120, 150cm.
8. Trace el grafico: microamperios= f(distancia).
A continuación mostramos la tabla de resultados de las corrientes para cada valor de las distancias; además del grafico resultante de las corrientes vs distancias Cabe resaltar que en esta experiencia se determino las mediciones de potencia de un dipolo simple para luego hacer una comparación de resultados con la antena parabólica.
λ/2 λ/2 con reflector
Distancia Microamperes Microamperes
30 31.6 31.9
40 27.1 28.1
50 21.5 29.1
60 19.8 30.2
70 8.8 18.4
80 5.4 14.2
90 9.4 15.6
100 5.3 17.7
110 2.9 9.8
Experimento 2: Diagramas de radicación
λ/2 con reflector λ/2
O corriente db corriente db
0 38 31.59567193 11.9 21.51093923
10 42.2 32.50624902 10.1 20.08642748
20 37.3 31.43417664 9.6 19.64542466
30 36.7 31.29332129 8.2 18.27627705
40 29.2 29.30765703 6.3 15.98681099
50 25.7 28.19866247 4.2 12.46498581
60 24.6 27.81870214 3.7 11.36403448
70 12.3 21.79810223 2.8 8.943160627
80 7.8 17.84189205 3.7 11.36403448
90 2.6 8.299466959 3.4 10.62957834
100 2.9 9.247959958 2.4 7.604224834
110 3.5 10.88136089 1.7 4.608978428
120 3.1 9.827233877 0.9 -0.915149811
130 1.4 2.922560714 0.7 -3.0980392
140 1.5 3.521825181 1.1 0.827853703
150 2.6 8.299466959 1.8 5.105450102
160 1.5 3.521825181 3.5 10.88136089
170 0.9 -0.915149811 4.6 13.25515663
180 0.5 -6.020599913 6.3 15.98681099
30 40 50 60 70 80 90 1001100
5
10
15
20
25
30
35
λ/2λ/2 con reflector
190 1.3 2.278867046 5.7 15.11749711
200 1.8 5.105450102 7.6 17.61627185
210 2.3 7.23455672 4.5 13.06425028
220 1.7 4.608978428 2.9 9.247959958
230 3.6 11.12605002 2 6.020599913
240 4.8 13.62482475 1.6 4.082399653
250 5.9 15.41704023 1 0
260 3.3 10.3702788 0.9 -0.915149811
270 5.8 15.26855987 1 0
280 6.7 16.52149605 1.5 3.521825181
290 8.2 18.27627705 1.7 4.608978428
300 7.9 17.95254183 2.4 7.604224834
310 8.1 18.16970038 3.7 11.36403448
320 9.9 19.91270389 3.5 10.88136089
330 14.9 23.46372537 4.5 13.06425028
340 20.7 26.31940691 8.5 18.58837851
350 30.5 29.68599679 9.4 19.46255707
360 32.1 30.13010065 10.1 20.08642748
0 10203040
50607080
90
100110
120130
140150160170180190200210220
230240
250260270
280
290300310
320330
340350360
-50
0
50 λ/2 con reflector
λ/2
INVESTIGACION COMPLEMENTARIA
Las aplicaciones de esta antena fundamentalemnte es en sistemas satelitales, sistemas mediante radares, radioastronomia, entre otros.
La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico. Su nombre proviene de la similitud a la parábola generada al cortar un cono recto con un plano paralelo a la directriz. Las antenas parabólicas pueden ser usadas como antenas transmisoras o como antenas receptoras. En las antenas parabólicas transmisoras el reflector parabólico refleja la onda electromagnética generada por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del reflector parabólico, y los frentes de ondas que genera salen de este reflector en forma más coherente que otro tipo de antenas, mientras que en las antenas receptoras el reflector parabólico concentra la onda incidente en su foco donde también se encuentra un detector.
Tipos de antenas parabólicas:
Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parabólicas, los más extendidos son los siguientes:
La antena parabólica de foco centrado o primario, que se caracteriza por tener el reflector parabólico centrado respecto al foco.
La antena parabólica de foco desplazado u offset, que se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto al foco. Son más eficientes que las parabólicas de foco centrado, porque el alimentador no hace sombra sobre la superficie reflectora.
La antena parabólica Cassegrain, que se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras.
CONCLUSIONES
Se comprobó mediante mediciones experimentales de los diagramas de radiación que la antena parabólica es más directiva que la antena dipolo simple.
Se pudo apreciar en nuestra grafica resultante referente a las mediciones de potencia radiada que la gráfica de la antena dipolo simple y la de la antena parabólica se interceptan por un punto en común y luego ambas decaen.
Las antenas parabólicas pueden ser usadas como antenas transmisoras o como antenas receptoras.
Las antenas parabólicas suelen ser utilizadas a frecuencias altas.
Tienen una ganancia muy elevada.
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