CARACTERIZACIÓN DE ANTENAS Experiencias con instrumentación para campos em: Guía virtual de un Laboratorio de Microondas CARACTERIZACIÓN DE ANTENAS Proyectos de Innovación Educativa y Mejora de la Calidad Docente

Caracterización de una antena Las antenas son un tipo particular de circuitos cuya misión es generar ondas radiadas con alto rendimiento La forma que puede tomar una antena es muy variada: hilos formando monopolos o dipolos, parabólicas, de parche, etc. Suponiendo que la antena se sitúa en el origen y utilizando coordenadas esféricas, el campo eléctrico radiado se puede escribir en general como: donde I es la corriente de excitación y son las coordenadas del punto donde se mide el campo. Las funciones contienen la dependencia angular ; normalmente se expresan en dB y normalizadas a un valor máximo.

Diagramas de radiación La densidad de potencia radiada por una antena es proporcional al cuadrado del campo eléctrico, por lo que se suele utilizar para representarla la función: Midiendo esta función para distintas posiciones angulares se obtiene el DIAGRAMA DE DENSIDAD DE POTENCIA NORMALIZADA Estos diagramas se suelen representar en 2D manteniendo Bocina piramidal Nosotros vamos a caracterizar Antena de parche Antena logoperiódica

Parámetros a determinar Directividad: cociente entre la densidad media de potencia en la dirección de máxima radiación y la densidad de potencia promediada a todas las direcciones. Lóbulo principal: margen angular comprendido entre y los mínimos que lo rodean Ancho de haz a -3dB: Margen angular entre las dos direcciones próximas al máximo principal, cuya amplitud está a 3dB por debajo del mismo Nivel de lóbulo principal a secundario: el mayor de los máximos secundarios medido con respecto al máximo principal, en dB Ancho de banda: relación entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central

Práctica 1: Medida del diagrama de radiación de una antena de bocina Permite adaptar la impedancia de una guía de ondas a la del medio libre, separando las paredes y formando una estructura piramidal, cónica, etc. El montaje es el que se muestra en el siguiente esquema: Vatímetro Antena a medir Aislador Generador Antena transmisora Diodo detector Medidor de ángulos Distancia r

Etapas del proceso: Situar la antena cuyo diagrama se desea medir a una distancia siendo L una longitud característica de la antena. Ello nos asegura que estamos midiendo en la zona de radiación 2) Seleccionar en el generador la frecuencia de 9 GHz Rotar la antena a medir hasta detectar un máximo de señal. Ajustarla para que coincida con el nivel de referencia (0 dB) 4) Repetir la medida para incrementos sucesivos de rotación de la antena (p.ej. 5º) anotando la posición y el nivel de señal relativa Representar los resultados en diagramas polar y cartesiano. Calcular los parámetros de la antena

Diagrama cartesiano: plano H La dirección del máximo de señal es Se detectan varios lóbulos secundarios

Nivel de lóbulo principal a secundario: 23dB Ancho de haz a -3dB: 26º Nivel de lóbulo principal a secundario: 23dB Directividad: (fórmula empírica, Ref. [1]) a a1 b1 b

Práctica 2: caracterización de una antena de parche Consiste en un parche metálico dispuesto sobre un sustrato dieléctrico colocado encima del plano metálico a tierra. Ventajas: Bajo coste Peso muy ligero Limitaciones ancho de banda reducido, ya que se trata de una estructura resonante baja eficiencia, puesto que de la energía acumulada en la cavidad, sólo una pequeña fracción es radiada PARCHE RECTANGULAR: La altura h del dieléctrico en relación con la lef es: Los sustratos suelen tener una constante dieléctrica en el rango

Medida del parámetro S11 de una antena de parche La antena se conecta a un analizador vectorial de redes. Se mide el módulo y fase del coeficiente de reflexión, haciendo un barrido en frecuencia desde 50 MHz a 4,45 GHz. El montaje es el que se muestra en el siguiente esquema: Analizador de redes Antena a medir

Módulo de S11 para la antena medida S11 es mínimo en fr = 2,91 GHz (resonancia) con una caída de 12 dB Ancho de banda: rango de frecuencias en torno a fr en el que

Diagrama de Smith Resonancia

¿Qué significa Logoperiódica? ANTENAS LOGOPERIÓDICAS: PRINCIPIOS BÁSICOS ¿Qué significa Logoperiódica? Logoperiódica hace referencia a que sus parámetros de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Son estructuras auto-escalables, de forma que sus propiedades a una frecuencia f2 van a ser las mismas que a la frecuencia f1, siendo f2 = k f1 y k una constante mayor que la unidad. Las antenas logo periódicas se utilizan para conseguir un ancho de banda grande, teóricamente infinito. En la práctica, el ancho de banda depende del tamaño. ¿Para qué se utilizan? Principio de funcionamiento Las características de una antena son función de la relación de su tamaño a la longitud de onda y no de sus dimensiones físicas absolutas. Si tenemos un comportamiento a cierta frecuencia y al variar ésta, la antena se re-escala para mantener la misma relación de sus dimensiones a la longitud de onda, se tendrá el mismo comportamiento a la nueva frecuencia

Principio de Rumsey: ANTENAS AUTO-ESCALABLES Una antena tendrá una impedancia y unas propiedades de diagrama independientes de la frecuencia si la forma de la antena está únicamente definida a partir de ángulos En efecto, supongamos que la estructura geométrica de la antena es: Si la antena r se re-escala en un factor k, la nueva antena será: La antena r’ será k veces mayor que r y resonará a una frecuencia k veces más pequeña. La forma de radiar y la impedancia de entrada serán iguales. El principio de Rumsey se aplica al caso en que r = r’, lo que se puede conseguir con una rotación, o sea, La antena es auto-escalable y tiene el mismo comportamiento a f que a f /k

Definición y estructura ANTENAS LOGOPERIÓDICAS Estrictamente la antena no es independiente de la frecuencia sino más bien multifrecuencia. La antena logoperiódica es un caso particular de antena autoescalable donde la antena no lo es para cualquier factor de escala k sino para un determinado conjunto de valores. El ejemplo más común es la agrupación logoperiódica de dipolos Definición y estructura La estructura de la izquierda (a) es auto-escalable (y para b = 90o auto-complementaria) pero para una dimensión radial finita, aparecerán ondas estacionarias y dependencia con f. Si se introducen discontinuidades, derecha (b), la radiación aumenta, la corriente disminuye con r y el efecto del truncamiento se atenúa

Estructura AGRUPACIÓN LOGOPERIÓDICA DE DIPOLOS 2an dn Ln 2 n+1 a Sn Rn Estructura Todas las dimensiones se escalan por t Otros parámetros característicos son el ángulo a y el espaciado relativo s (1)

Alimentación Funcionamiento: La agrupación se alimenta por el vértice y cada dipolo se alimenta con un desfase relativo de 180o; esto se consigue cruzando los cables. Alimentación Funcionamiento: A una frecuencia dada, el dipolo que sea resonante , radiará la mayor parte de la potencia. Los dipolos de longitud mayor actúan como reflectores y los de longitud menor como directores. El diagrama de radiación tendrá su máximo en la dirección del vértice. El ancho de banda está fijado por las longitudes de dipolos menor y mayor La polarización es lineal Dipolo resonante reflectores directores región activa

Diseño Para las frecuencias (o l.d.o.) que se quieren abarcar, los dipolos más cortos y más largos tendrán longitudes: donde B es el ancho de banda relativo de la agrupación. Por otra parte, De ambas ecuaciones obtenemos el número de elementos. En la práctica, la zona activa no se reduce a un solo dipolo resonante y los dipolos más corto y más largo deben tener longitudes algo menores que l/2, lo que equivale a introducir un factor k en la ec. (2)

Empíricamente, También empíricamente o por simulaciones numéricas se encuentra la relación de la directividad con el factor de escala t y el espaciado relativo s (figura) Contornos de directividad constante Por último, de la ec. (1):

Resumen de los parámetros de diseño: Longitudes de dipolos A partir del ángulo y las longitudes de dipolos más largo y más corto, obtenemos la longitud de la agrupación: Resumen de los parámetros de diseño: Longitudes de dipolos Factor de escala Número de elementos Espaciado-directividad Ángulo Tablas o gráficas semi-empíricas

BIBLIOGRAFÍA 1) ANTENAS, Ángel Cardama Aznar y otros. Ediciones UPC, 2005 2) ANTENNA THEORY. Analysis and design. Constantine A. Balanis. Wiley, 1997 3) ANTENNA THEORY AND DESIGN. W.L. Stutzman y G.A. Thiele. Wiley, 1998 4) ANTENNAS. J.D. Kraus y Ronald J. Marhefka. McGraw Hill, 2002