Download - Informe de Practica I de ANTENAS
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República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Nacional Bolivariana
San Tomé – Edo Anzoátegui
San Tomé, 25/04/2012
Índice General
Lab. Antenas
Materia:Lab. AntenasPráctica I
Bachilleres:
20.738.051 Almeida Solennys20.739.720 Santana Geraldine20.547.964 Quijada Emilyn 20.286 Noguera Astrid21. Mezones Luis A.
Profesor: ING. Luis Suárez
7º semestre. Telecomunicaciones. Sección (D - 01)GRUPO Nº 3
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INTRODUCCIÓN ....................................................................... 03
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO ......................................................... 05
LISTA DE MATERIALES ................................................... 11
CAPITULO II
PROCEDIMEINTO EXPERIAMENTAL ................................. 12
METODOLOGÍA ............................................................ 13
DISEÑO DE LA ANTENA .................................................. 15
CÁLCULOS ANALÍTICOS .................................................. 18
RESULTADOS ................................................................. 19
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ..................................... 23
CAPITULO III
CONCLUSIONES ............................................................. 24
ANEXOS ......................................................................... 26
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................... 28
Introducción
Las comunicaciones son una parte necesaria de todos los seres
humanos, en la cual se puede expresar ideas, pensamientos y
muchas cosas más con el fin de que exista un intercambio de
información entre dos o más personas. Las antenas permiten la
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comunicación a largas distancias, ya que son dispositivos diseñados
con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el
espacio libre.
Existe una gran variedad de antenas, las cuales cada una de ellas
fue creada según sea el uso y las necesidades. Una de ellas es el
monopolo vertical, donde se compone por un brazo rectilíneo que
irradia en posición vertical y es alimentada por la base.
La fabricación de la antena monopolo vertical de λ¼ radica en
estudiar el comportamiento de la misma, partiendo de el factor más
importante como lo es el ROE o VSWR. Este no es más que una
medida de la relación de desajuste entre la impedancia de la línea de
transmisión y la antena; se deseada idealmente que este factor sea ≤
1,5.
Partiendo de un hilo de cobre de 30cms colocándolo en una base
imantada, conectándolo a un tester de antena para observar la
gráfica, la frecuencia en la cual opera, entre otros aspectos como la
relación de onda estacionaria. De esta manera, se pueden establecer
las relaciones existentes entre las frecuencias y longitud de onda;
para la obtención de una magnitud mínima de VSWR.
Las características de las antenas dependen de la correlación
entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de
radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la
antena son más pequeñas que la longitud de onda las antenas se
denominan elementales, si tienen dimensiones del orden de media
longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es mucho
mayor que la longitud de onda son directivas.
Un cuarto de onda seria de un mínimo a un máximo, entonces a la
respectiva antena le está llegando los campos electromagnéticos
radiados de ¼ de onda, es decir, no está recibiendo toda la longitud
de onda completa. Porque las señales electromagnéticas y los
campos electromagnéticos se propagan en el medio (aire, espacio
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libre), como tal las ondas están propagándose, las señales que se
propagan en el medio (señales electromagnéticas) son simplemente
senos y cosenos que tienen una longitud de onda, entonces esas
longitudes de ondas son las que se propagan. A raíz de ello, las
antenas sirven para capturar esas señales, ya sea que capture una
onda completa, media onda, o simplemente capturar un cuarto de
onda a esa frecuencia.
Marco teórico
Antena
Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y
capturar ondas electromagnéticas. Las antenas son utilizadas para
conectar las líneas de transmisión con el espacio libre y viceversa. Es
decir, que la línea de transmisión acopla la energía de un transmisor o
de un receptor con la antena, que a su vez acopla la energía con la
atmosfera terrestre, y de la atmosfera terrestre a una línea de
transmisión.
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De igual manera, se define a la antena como un circuito
oscilante cuyo propósito es irradiar o recibir ondas electromagnéticas,
por lo que se diseñan con el fin de que irradien o reciban la mayor
cantidad de energía posible para una frecuencia determinada.
Antena Monopolo Vertical
El monopolo vertical o antena vertical, es
una antena constituida de un solo brazo rectilíneo irradiante en
posición vertical. Se considera que el monopolo no es una antena
completa, y que necesita ser completada por un plano de masa para
poder funcionar correctamente.
Ese plano de masa puede ser natural (una superficie de agua
salada), o bien artificial (una serie de conductores que se unen en la
base del monopolo).
El monopolo se alimenta en la base. La alimentación
es asimétrica, es decir, cuando uno de los conductores del monopolo
está a masa y el otro experimenta las variaciones de tensión, se dice
que la alimentación es asimétrica. y habitualmente se alimenta
con cable coaxial.
ROE
La relación de onda estacionaria es una medida de la relación
de desajuste entre la impedancia de la línea de transmisión y de la
carga (antena). También se expresa con la relación que existe entre
los valores máximos y mínimos de voltaje y corriente de radio
frecuencia en la línea.
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Polarización Vertical
Es un tipo de polarización de las antenas, en la cual las líneas
del campo eléctrico se encuentran de manera perpendicular al plano
del suelo.
Frecuencia
Es una magnitud que se encarga de medir el número de
repeticiones por unidad de tiempo que se presenta en cualquier
fenómeno.
Impedancia Característica
Es la relación existente entre la diferencia de potencial aplicada
y la corriente absorbida por la línea. La impedancia característica es
independiente de la frecuencia de la tensión aplicada y de la longitud
de la línea, por lo tanto aparecerá como una carga resistiva y no se
producirá desadaptación de impedancias, cuando se le conecte a ella
un generador con igual impedancia a su impedancia característica.
Longitud de onda
Es la distancia que transita la onda en un intervalo de tiempo
transcurrido entre dos máximos consecutivos. Es inversamente
proporcional a la frecuencia, por lo que a mayor frecuencia menor
será la longitud de onda y viceversa. Se representa con la letra griega
lambda λ.
Ganancia
La ganancia de una antena es la medida de concentración del
poder entregado por la antena.
Ancho de Banda
Es la escala de frecuencias en la cual opera la antena sin que
ésta se sobrepase una magnitud determinada de relación de ondas
estacionarias que surja en la línea de transmisión.
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Eficiencia
Es la relación entre la potencia radiada y la potencia entregada
de la antena ó la relación entre la ganancia y la directividad.
Medidor de antenas (Bird AT-400)
Es un dispositivo denominado Tester de antenas que se utiliza
para medir los diferentes factores y características que poseen las
antenas, el cual arroja a través de una pantalla LCD las magnitudes
de las mismas. Tiene la capacidad de probar una banda completa en
cuestión de segundos, con resultados precisos, independientemente
de la longitud del cable de antena. El Bird AT-400 posee un menú
impulsado, definido por software distintos botones de selección con el
fin de seleccionar de manera inmediata el modo de funcionamiento, y
establecer los parámetros de prueba. Además, tiene una fuente de RF
autónomos que se precisa la frecuencia de prueba, un built-in de
antena adaptable jack compañeros de una amplia gama de
conectores de RF estándar.
Este Tester de antena es principalmente utilizado para la
aeronáutica, radio móvil, FM y TV. Opera en un rango de frecuencia
desde 65-520 MHz.
Descripción de los botones:
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1. Display LCD: Pantalla de cristal líquido retroiluminada.2. Conector DC externo: Conexión para el adaptador de CA o el
adaptador de mechero. Externo alimentación funcionan la
unidad y la carga la batería interna.
3. Teclas de Cursor:
Flecha izquierda: Permite mover el cursor a la izquierda
en el modo de frecuencia de barrido.
Flecha derecha: Permite mover el cursor a la derecha en
el modo de frecuencia de barrido.
Flecha arriba: Mueve el cursor al máximo punto de la
traza mostrada. Pulsar durante la entrada de datos para
aumentar datos numéricos.
Flecha abajo: Mueve el cursor al mínimo punto de la traza
mostrada. Pulsar durante la entrada de datos para
disminuir datos numéricos.
4. Tecla de retroiluminación: Enciende la luz de fondo encendida o
apagada. Luz de fondo está en un temporizador para aumentar
la duración de la batería.
5. Clave: Enciende el medidor, pulse y mantenga para apagar el
tester.
6. Tecla +/-: Alterna entre los números positivos y negativos.
7. Enter Key: Finaliza la entrada de datos.
8. Tecla ESC: Haga copias de seguridad a través de la estructura
del menú. En el nivel superior del menú, el menú en
blanco. Sale introducción de datos sin guardar los cambios.
9. Tecla de Menú: Muestra el menú del software y permite menú
de teclas de selección.
10. Selección Clave: Permite parámetro actual, indicado por
cursor parpadeante, para ser cambiado. Pulsar de nuevo para
permitir que el siguiente parámetro a ser cambiado.
11. Teclas numéricas: Permite ingresar los valores numéricos.
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12. Menú Select Keys: Se utiliza para acceder a las secciones
del menú descrito directamente por encima de ellos. También
se puede utilizar para desplazarse por disposición configuración
de un parámetro en particular.
13. Puerto de prueba: Se conecta la antena o el cable de la
antena.
14. Puerto Serial: Conector para el cable de comunicación
para permitir la transferencia de datos a un PC.
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Materiales y Equipos utilizados
Alambre fino de 25 cm
Cinta métrica
Piquetas
Pinza punta larga
Tester óhmico
Medidor de antenas
Procedimiento Experimental
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Antena Monopolo vertical de ¼ de onda, evidentemente es una
antena simple. La práctica consiste en agarrar los 25 cm e ir
ajustando la longitud o el tamaño del alambre hasta acoplarlo a una
frecuencia de operación específica.
Cómo es eso que la longitud de un alambre que está relacionado
con una antena y la frecuencia de operación de la misma. Bueno, si lo
está, porque hay una expresión que nos indica que la longitud de
onda va hacer igual a la velocidad de la luz sobre la frecuencia.
Expresando en mega hertz (MHz) la velocidad de la luz y la
frecuencia en la cual se desea operar nos quedaría, definido la
longitud de onda en metros (m), de la siguiente manera:
λ=c∗106(m /s)f∗106(1/ s)
(m)
Como se va a trabajar con una antena de ¼ de onda para una
frecuencia de operación de 300 MHz, gracias a la expresión anterior,
fácilmente se puedo determinar la longitud o tamaño específico del
alambre.
Entonces con 30 cm nos sería suficiente para hacer la prueba que se
desea comprobar con esa antena.
Metodología:
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1. La práctica consiste en la utilización de un medidor de antena,
el cual el mismo tiene un conector de entrada de 50 ohmios, allí
a través de una línea de transmisión, se va a conectar la
antena.
2. Se va a evaluar diferentes cortes, es decir se va a cortar la
antena a distintas medidas, y se va a medir sus características.
Para ver a qué frecuencia está operando la antena.
Básicamente, se buscará cumplir con la expresión
anteriormente descrita. Enfatizando, que la teoría reseña que
una antena de Monopolo vertical de ¼ de onda específica que
el tamaño de la antena está íntimamente relacionado con su
longitud de onda y el acople de la misma tiene que ver con la
longitud de onda de la frecuencia.
Si se hace el tamaño de antena exactamente al mismo tamaño
de la frecuencia, se tendrá máximo acople de un cuarto de
onda. Porque si es otra frecuencia se va a salir, es decir, va
hacer más de ¼ si es una frecuencia más baja, y menos de ¼ si
es una frecuencia más alta. Esto debe a que son inversamente
proporcional, a medida que la frecuencia es mayor la longitud
de onda es menor; e inverso cuando la frecuencia es más bajas
la longitud de onda tiende ser mayor. Es por ello, que las
frecuencias más bajas llegan más lejos, tienen menor
atenuación.
3. Evaluar un parámetro que se llama VSWR ó ROE que es la
relación de Onda Estacionaria. Siempre que queremos pasar de
un medio a otro, necesitamos un acople de impedancias ideal.
Según, el principio de máxima transferencia de potencia
especifica que si desea entregar toda la potencia de un medio a
otro se necesita que la impedancia de los dos medios sean
iguales. Si se entrega toda la potencia no se tendría reflejada
porque ninguna se regresa, en este caso el ROE sería mínimo, y
el menor ROE es 1, lo que indica que se entrego toda la
potencia, caso ideal, debido a que nunca se logra tener las
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impedancias iguales. Otro aspecto, es un ROE aceptable es de
1,5, menor a este valor; porque valores mayores a 1,5 no se
tendría una mayor eficiencia de la antena debido a que se tiene
mucha potencia reflejada.
4. Seguidamente comprobar que los cables tenga una impedancia
de 50 ohmios y la antena 50 ohmios y la impedancia del
generador es de 50 ohmios también. Todo esto se debe a que
cada uno de estos elementos tiene componentes tanto
capacitivas como inductivas.
5. Realizar la curva de corte o la carta de corte, el cual es una
grafica que refleja la relación de la longitud de la antena con
respecto a la frecuencia. Lo que indica que la curva
característica del comportamiento de la antena tiende ser una
línea recta. Básicamente, esta gráfica demuestra el
comportamiento de una antena Monopolo vertical, gracias a
que a medida aumento la frecuencia más pequeños son los
valores de la longitud de onda.
Diseño de la antena
Para la elaboración de antena Monopolo vertical con ¼ de onda de
fabricación cacera, se procedió a doblarle en un extremo del alambre
de cobre (como especie de un rabito de cochino) para que este haga
contacto en vivo con la contacto vivo de la superficie metálica. El
alambre de cobre se hizo pasar por una base pequeña que tiene una
gomita que tiene un orificio para ajustar dicha antena.
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Superficie metálica ó Base imantada que nos permitió montar
nuestro diseño de antena de Monopolo vertical, el cual tiene en su
extremo un conector se que va colocar en un Tester.
Primeramente se midió que el vivo de la base metálica y el otro
extremo del alambre de cobre tuvieran los 50 ohmios; para así saber
que hacían contacto. En el primer intento no reflejo ningún valor, sin
embargo, para el segundo intento se procedió a quitar un poco el
esmalte del alambre de cobre y se midió continuidad extremo con
extremo (punta de rabito de cochino). Finalmente, la impedancia
reflejada fue:
Rg= 54,8 Ω
Seguidamente, con la cinta métrica se mide la longitud del alambre
fino de cobre, reflejando exactamente 28,5 cm. Se realizo las
mediciones correspondientes a esta longitud. Para calcular la
frecuencia de operación la fórmula se resumió en 28,5*4, después
300 MHz entre el resultado anterior. Y así sucesivamente, para todos
los estudios de corte del alambre de cobre.
Una vez colocada la antena en su base de tierra procedimos a
disminuir cada 3 cm las longitudes del alambre de cobre, para
obtener la relación de onda estacionaria adecuada para nuestro
sistema.
Estudio 1: = 28,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROEFrecuencia
de operación
263,5 MHz200- 300 MHz 1,33 263,13 MHz259-263 MHz 1,28 261 MHz
Se evaluó la posibilidad de conseguir un menor ROE, lo que
permitió cambiar a un rango de frecuencias de 259- 263 MHz, debido
a que para 261 MHz tengo un mejor ROE, mostrando un valor del
mismo para este caso de 1,28 a una frecuencia de operación de 261
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MHz. Evidentemente, en el estudio analítico, se observa que en la
aplicación de la fórmula de /4 se acopla a una frecuencia menor a
263,13 MHz debido a que hay factores que afectan, es por ello, que el
factor de corrección va indicar que teóricamente la antena no cumple
con esos valores, porque la frecuencia analíticamente es 263,13 MHz
sin embargo, la antena trabaja mejor a una frecuencia dos MHz por
debajo de la misma.
Estudio 2: = 25,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROEFrecuencia
de operación
η (eficiencia
)
294 MHz300- 310 MHz 1,7 -283- 290 MHz 1,09 284,93 MHz 99,9%
Estudio 3: = 22,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROEFrecuencia
de operación
333,33 MHz 300- 315 MHz 1,11 306.97 MHz
Estudio 4: = 19,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROEFrecuencia
de operación
384,61 MHz 340- 360 MHz 1,20 351,69 MHz
Estudio 5: = 16,5 cm
Frecuencia de operación analítica
Rango de frecuencia
ROEFrecuencia
de operación
454,54 MHz 400- 450 MHz 1,11 423,48 MHz
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Cálculos Analíticos
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Resultados
Tabla de Resultados
= 28,5
cm
Frecuencia de
operación analítica
Rango de frecuenci
aROE
Frecuencia de
operación
η
(eficiencia)
263,5 MHz
200- 300 MHz
1,33263,13
MHz -
259-263 MHz
1,28 261 MHz -
= 25,5
cm294 MHz
300- 310 MHz
1,7 - -
283- 290 MHz
1,09284,93
MHz99,9%
= 22,5
cm
333,33 MHz
300- 315 MHz
1,11306.97
MHz-
= 19,5
cm
384,61 MHz
340- 360 MHz
1,20351,69
MHz-
= 16,5
cm
454,54 MHz
400- 450 MHz
1,11423,48
MHz-
Cálculo de Ancho de Banda operativo:
Frecuencia inferior
Frecuencia superior
387 MHz 435,56 MHzROE 1,49 1,51
Ancho de banda: 435,56 – 387 = 47,68 MHz
Estas frecuencias son los extremos en las cuales la antena va a
operar óptimamente, comparando con los ancho de banda para una
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antena de un ¼ de onda nos permite denotar que son 47,68 MHz el
margen de frecuencias que facilita el trabajo por ese canal.
Carta de Corte:
Práctica para una antena de fabricación industrial:
Se realizó unas pruebas a la Antena de fabricación industrial, y de
igual manera se observo que había dentro de la misma estructura
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plástica. La característica de esta antena es que ella es un Monopolo
vertical de ¼ de onda, que trabaja en la banda de UHF, es decir, en la
banda de 450 a 470 MHz, garantiza un ROE menor a 1,5, éstas
antenas necesitan un plano de tierra.
Se procedió a evaluar el comportamiento de las características de
esta antena con un plano de tierra que no es correcto (madera) con
respecto a un plano de tierra (como fue el marco de la ventana,
superficie metálica). Para garantizar una buena eficiencia de la
antena. Y si no se garantiza un buen plano de tierra cualquier factor
que este a su alrededor hace variar sus propiedades como tal. En
cambio, cuando lo colocamos en el plano de tierra no se afecta en
gran medida, garantiza mayor estabilidad.
Paso1. Medir la impedancia del generador. Se coloco en modo
apagado para no afectar el equipo. Se procedió a medirlo con un
dispositivo que actúa como generador (Tester óhmico)
Nota: El Tester va a generar una señal, este dispositivo actúa como
generador después se cambia a modo recepción, con el objetivo que
parte de la señal que el generó se le regrese. Eso él lo compara y
manda una relación de VSWR, es decir cuánto nivel de señal se
regresa.
Es por ello, que en la práctica se logro obtener una resistencia del
generador, midiendo el vivo de la base imantada con el vivo del
generador. Dio un valor de:
Rg = 54,7 Ω
Comportamiento de la Antena de fabricación:
Rango de frecuencias
ROE- VSWRFrecuencia de
Operaciónη (eficiencia)No plano
de tierraPlano de
tierra400- 450
MHz2,90 427 MHz -
450- 470 MHz
2,55 1,37 460 MHz 97,3%
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Análisis de Resultados:
Comparando efectivamente la frecuencia de operación analítica
con respecto al valor de ROE que indicaba, en estudios como 1 y 2,
nos arrojo a la idea de buscar un mejor ROE es por ello que a
frecuencias de 261 MHz 284,93 MHz, respectivamente, amerita
entonces de sacar el factor de corrección, valor donde nos indica que
muchas veces la frecuencia analítica no es exactamente el valor que
indique un excelente ROE para dicha frecuencia de operación.
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Para el diseño de la Carta de Corte es indudable detallar que la
gráfica refleja la relación de la longitud de la antena con respecto a la
frecuencia. Lo que indica que la curva característica del
comportamiento de la antena tiende ser una línea recta.
Básicamente, esta gráfica demuestra el comportamiento de una
antena Monopolo vertical, gracias a que a medida que aumento la
frecuencia más pequeños son los valores de la longitud de onda.
Con respecto al análisis de los resultados de el comportamiento de
la antena de fabricación industrial se observo que al colocar la antena
en un plano de tierra reflejo primeramente 1,67 el valor del ROE, se
tuvo que cambiar el lugar. Hasta conseguir una mejor valor, tal es el
caso cuando reflejo los 1,37; valor que se considero ideal para que la
antena trabajara de forma eficiente (97,3%). Se destapó la antena
de fabricación industrial, se observo que tiene un alambre fino de
cobre, lo que constituye la antena de Monopolo vertical, también
tiene un capacitor el cual va a eliminar las pérdidas de acople en las
superficies de reactancias, se elimina con un capacitor para esa
frecuencia especifica de 450- 470 MHz.
Conclusión
Al denotar la relación de la longitud de onda con la frecuencia de
operación de una antena, se especifica que si se hace el tamaño de
antena exactamente al mismo tamaño de la frecuencia, se tendrá
máximo acople de un cuarto de onda. Porque si es otra frecuencia se
va a salir, es decir, va hacer más de ¼ si es una frecuencia más baja,
y menos de ¼ si es una frecuencia más alta. Esto debe a que son
inversamente proporcional, a medida que la frecuencia es mayor la
longitud de onda es menor; e inverso cuando la frecuencia es más
bajas la longitud de onda tiende ser mayor. Es por ello, que las
frecuencias más bajas llegan más lejos, tienen menor atenuación.
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Según, el principio de máxima transferencia de potencia especifica
que si desea entregar toda la potencia de un medio a otro se necesita
que la impedancia de los dos medios sea igual. Si se entrega toda la
potencia no se tendría reflejada porque ninguna se regresa, en este
caso el ROE sería mínimo, y el menor ROE es 1, lo que indica que se
entrego toda la potencia, caso ideal, debido a que nunca se logra
tener las impedancias iguales. Otro aspecto, es un ROE aceptable es
de 1,5, menor a este valor; porque valores mayores a 1,5 no se
tendría una mayor eficiencia de la antena debido a que se tiene
mucha potencia reflejada.
Es importante denotar en cuanto al uso del medidor de antenas,
que gracias a su versatilidad se pueden obtener valores tanto de la
eficiencia, ROE, impedancias como pérdidas por atenuación.
Para el caso de la antena ya diseñada analizada con plano de
tierra (superficie de metal) y sin plano de tierra (superficie de
madera), se obtuvo dos diferentes ROE, para la de plano de tierra fue
de 1,37. Para el caso numero 2, sin plano de tierra, el ROE obtenido
fue de 2,55. De ahí la importancia del plano de tierra en las antenas
monopolos, ya que si el ROE no está entre los parámetros requeridos
el índice de reflexión podía dañar el equipo transmisor.
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Anexos
Medidor de antenas Bird AT-400 Base imantada
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Utilización del Tester ÓhmicoPinzas, cinta métrica, cable
bifilar
Conexión de la antena monopolo con el medidor de antenas.
Plano de tierra para la antena de fabricación industrial
Componentes internos de la antena de fabricación industrial
Diseño de la antena de fabricación casera colocada en
la pequeña base
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Primer corte de 3 cm
Bibliografía
WAYNE, Tomasí. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas.
4ta ed. Person Educación, 2003, 948 p.
http://www.birdtechnologies.com/~/media/bird/files/pdf/
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http://translate.google.co.ve/translate?hl=es&sl=en&u=http://
www.wiscointl.com/bird/others/at400.htm&prev=/search%3Fq
%3Dbird%2Bat%2B400%26hl%3Des%26biw%3D1280%26bih
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26
%3D705&sa=X&ei=v-
xzUa6ZFozc8AS1w4G4Cw&sqi=2&ved=0CDsQ7gEwAQ
http://es.wikipedia.org/wiki/Antena#Eficiencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Impedancia_caracter%C3%ADstica
Lab. Antenas