Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

Teoría de Radiadores Electromagnéticos

Práctica 1

Teoría de Elementos, Descripción y Operación del Equipo de Laboratorio

Grupo: 5CM6

Profesora: M en C. Pilar Gpe. Gutiérrez Moreno

Integrantes del equipo

Moreno Ramírez Luis David 2013300742

Saldaña Jiménez Daniel 2013301736

Iván Mendoza Bernal 2013300182

Antonio Pelaes Misael 2013300524

Calificación:_______

México, D.F., a 26 de Junio de 2015

Objetivo

Que el alumno se familiarice y a prenda a utilizar el equipo de laboratorio de

teoría de radiadores, así mismo se le enseñara 2 tipos diferentes de acoplamientos

para poder revisar las siguientes prácticas y configuraciones de antenas de

laboratorio.

Introducción teórica

Antenas

Una antena es un dispositivo diseñado con la finalidad de emitir o recibir ondas

electromagnéticas, las cuales son parte de un sistema transmisor y receptor. Es el

dispositivo más importante en la red.

Su principal función de la antena es radiar la potencia que se le suministra con las

características de direccionalidad adecuadas a la aplicación, su otras función

son transmitir y recibir, imponiendo cada aplicación condiciones particulares

sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar,

frecuencia de trabajo y otros parámetros que definiremos posteriormente.

Las antenas se pueden clasificar de distintas maneras de acuerdo a su

funcionalidad es así como nos podemos encontrar con antenas que deben

expandir la potencia radiada (es decir que no tengan una dirección definida), las

cuales se usan en emisoras de radio por ejemplo. Pero también las antenas

pueden canalizar la potencia en una dirección de tal manera que no intervenga

con otros servicios (como es el caso de antenas entre estaciones).

En la actualidad las antenas son muy utilizadas por el ser humano, tanto en la

vida cotidiana como para el uso científico e industrial. En específico las antenas

se utilizan siempre que se necesita hacer un intercambio de información de forma

inalámbrica. En un hogar común se pueden encontrar diversos ejemplos del uso

de antenas, como lo son las antenas de celulares, las antenas en los modem y

routers de internet, antenas de teléfonos inalámbricos, antenas satelitales para la

recepción de televisión, étc. A continuación se nombrarán los usos más comunes

que se le dan a las antenas:

Radiodifusión y Televisión

Radares

Celulares y teléfonos inalámbricos

Radioastronomía

Transmisión de Wi-Fi

Comunicación inalámbrica en general.

Parámetros

Diagrama de Radiación

Es un gráfico (generalmente en coordenadas polares o esféricas) que representa

las características de la radiación en una antena. Generalmente ene l diagrama de

radiación se gráfica la potencia irradiada por la antena y su escala en decibeles,

pero también existen otros tipos de diagramas como diagramas de polarización y

de fase. Es común que en los diagramas de radiación solo se presente el efecto de

los campos lejanos ya que estos son los más influyentes a grandes distancias para

las cuales se aplican usualmente las antenas.

Del diagrama de radiación se pueden obtener la dirección de mayor radiación de

la antena, lo que se conoce como lóbulo principal, otras direcciones de alta

radiación, los lóbulos secundarios y las direcciones donde la radiación es mala,

llamadas nulls, también se puede calcular el ancho de haz. Todos estos

parámetros caracterizan completamente las direcciones de radiación de la antena.

Figura 1 - Ejemplos de diagramas de radiación.

Tipos de Polarización

La polarización de una antena corresponde a la polarización de los campos

irradiados por estar, evaluados en un campo lejano. Normalmente se clasifican

en: polarización lineal o circular o elíptica. Es importante hacer esta clasificación

ya que por ejemplo una antena con polarización horizontal no se podrá

comunicar con una vertical.

Por reciprocidad las antenas deben transmitir y recibir de la misma manera. Si

dos antenas linealmente polarizadas están rotadas en un cierto ángulo, habrá una

pérdida de potencia dada por la expresión PLF (factor de pérdida por

polarización).

Figura 2- Polarización Lineal, Circular, Eliptica.

Antena Monopolo

Es una antena solo presenta un cable, que es el encargado de la radiación, la otra

parte de la alimentación está conectado a tierra. Generalmente el cable tiene un

largo de un cuarto de longitud de onda, por las mismas razones que la antena de

dipolo de media longitud de onda. Gracias al método de imágenes se puede

demostrar que la antena monopolo tiene el mismo comportamiento que la antena

de dipolo, pero irradia la mitad de la potencia. La ventaja de estas antenas es que

tiene una construcción más simple y tienen más estabilidad en las superficies que

la antena de dipolo. Una gran utilidad que tienen en las torres de transmisión, de

emisoras de radio, televisión o celulares, donde básicamente toda la estructura

metálica actúa como la antena.

Figura 3 – Monopolos en la práctica y diagrama del mismo.

Figura 4 - Diagrama de radiación de una antena monopolo en 3D con MATLAB

Desarrollo experimental

Descripción del equipo

Plano de tierra

Muchas antenas necesitan de un plano de tierra, en nuestro caso en particular al

ser una antena tipo monopolo esta requiere de uno. El plano de tierra que se

encuentra en el laboratorio es una lamina galvanizada, un ejemplo de plano de

tierra usado en la práctica, es el techo de un automóvil, como por ejemplo las

antenas tipo monopolo que se colocan en la parte superior de los taxis, ya que

ellos necesitan comunicarse vía radio y esta antena les es muy útil. El plano de

tierra del cual disponemos posee un sintonizador, el cual es una perilla de

control. Nuestro plano de tierra está dirigido para hacer pruebas de laboratorio,

por lo tanto en la parte superior de este, se encuentran dos orificios en los cuales

se pueden conectar diferentes tipos de antenas. El plano de tierra que se

encuentra en el laboratorio se muestra en la figura 5.

Figura 5 – Plano de tierra, se observa en la parte superior el lugar donde se

colocan las varillas que funcionan como antenas y en la parte de enfrente el

sintonizador.

Generador de radiofrecuencia

El generador de radiofrecuencia mostrado en la figura 6, consiste en un aparato

que produce señales de radio, esto con el fin de verificar el equipo de transmisión

y recepción. Este aparato cuenta con un medidor analógico el cual nos permite

realizar mediciones rápidas de cuál es la potencia transmitida o reflejada según

sea el caso.

Figura 6 – Generador de radiofrecuencia.

Detectores de voltaje-corriente y radiación

El generador de radiofrecuencia, además de contar con un medidor de potencia,

también tiene dos detectores los cuales deben de estar conectados al generador

para que estos se carguen. Una vez cargados estos se pueden desconectar y

realizar mediciones de voltaje y corriente al mismo tiempo o de la radiación que

emite la antena, ya que estos aparatos cuentan con una batería propia, podemos

alejar mucho el detector de radiación y aun así funcionaria, pues este dependerá

de que tanto radie la antena. En el caso del detector de voltaje y corriente se tiene

que acercar a las varillas y asi se puede conocer de manera rápida estos dos

parámetros, ya que estos aparatos nos muestran mediciones de forma cuantitativa

al encender pequeñas luces que indican el nivel de voltaje o corriente, según sea

el caso. Estos 2 aparatos se pueden observar en la figura 7.

Figura 7 – A la izquierda se observa un detector de radiación, el cual enciende un

foco que se encuentra en la parte posterior de este cada que detecta radiaciòn y a

la derecha un detector de voltaje y corriente, las líneas indican que tanta corriente

o voltaje hay en la antena.

Caja de accesorios

En la figura 8 podemos apreciar los elementos que se encuentran en la caja de

accesorios los cuales son distintos componentes que se complementan al

momento de tomar las mediciones

-1 pila de 5V

-Alambre en espiral con terminación banana-banana.

-Puntas para unión de varillas

-Seguros sujetadores de varillas

-Separadores

-Transportador

-Flexómetro

Figura 8 – Elementos que componen la caja de accesorios.

Varillas (antenas)

En las paredes del laboratorio hay mostradores con diferentes tipos de varillas (como el mostrado en la figura 9), las cuales nos serviran durante el transcurso del curso para armar distintos tipos de antenas.

Figura 9 – Mostrador el cual contiene varillas que sirven como antenas.

Material empleado

En la presente practica se usaron los siguientes materiales e instrumentos.

- Plano de tierra

- Generador de radiofrecuencias

- Detector de corriente – voltaje

- Detector de radiación

- 2 varillas del núm. 21

- 1 varillas del núm.13

- 1 varillas del núm. 4

- Caja de accesorios

- Transportador

Operaciòn y ajuste de demostrador – Acoplamiento A

1. Observar la perilla del plano de tierra este en 5.

2. Observe que el indicador de color verde este encendido.

3. Observe que la palanca este en foward.

4. Colocar la varilla núm. 13 en el orificio de en medio del plano de tierra

5. Ajuste el generador de RF a 0.5 W en P.D. (potencia directa).

6. Regrese la palanca a reverse y tome lectura de 0.3

7. Ajuste con la perilla del plano de tierra a modo que en el generador nos de lectura de 0.

8. Regrese la palanca a forward y reverse y si tomamos lectura de 0.5 será indicio de que está acoplado.

Operaciòn y ajuste de demostrador – Acoplamiento B

1. Colocar una varilla del Núm. 13 del lado izquierdo del plano de tierra.

2. Observar que la perilla del plano de tierra se encuentre en 5

3. Observar que el botón verde este presionado y encendido

4. Observar que la palanca del generador se encuentre en foward (Potencia Directa).

5. Encienda con la perilla negra del generador y ajustar en 0.5 w

6. Regresar la palanca en reverse y de forward aumento a 0.7w

7. La perilla de PDT ajustar hacia mayor y mínimo de modo que en el generador ajuste 0.

8. Desconectar el detector de i y U y colocar la pestaña en la varilla.

Una vez realizados estos pasos, procedimos a medir radiacion en diferentes

angulos, usando uno de los detectores. Los valores obtenidos se muestran en la

siguiente tabla.

Ángulo de

radiación

Distancia de

radiaciónTipo de Polaridad Se traslapo con

0 1.75m Lineal

90 2.60 Lineal

220 1.88 Lineal Mesa 2

340 2.82 Lineal

Tabla 1 – Detecciòn de radiacion en cuatros angulos diferentes tomando como

eje el dipolo.

Nombre Aa Bb P.D P.T R.R ángulo distancia Observaciones

Iván x 0.5 3 .1 30 1.85 Regular

David X 0.5 4 .1 90 2.08 Buena

Misael x 0.5 3.5 0.1 180 1.30 Regular

Daniel X 0.5 3.5 0.1 180 50 mala

Tabla 2 – Acoplamientos A y B

P.D. (Potencia Directa)

Forward

P.R. (Potencia Reflejada)

Reverse

Plano de tierra

0.50 W 0.11W 3.8W

Tabla 3 – Potencia.

Nota: Es importante acoplar la antena así como las variaciones de la señal

emitida ya que esto se reduce en una señal limpia y sin perdidas que abarca una

amplia región, en cambio si realizamos un acoplamiento deficiente de intensidad

de la señal ocupará una región más pequeña. A un cierto ángulo la señal se

traslapa con otra señal emitida por una antena cercana.

Experimento 1

Para este primer experimento usamos el una varilla del nùmero 13, la cual

colocamos en el plano de tierra y en la cual usamos el acoplamiento “B”.

Alrededor de la varilla colocamos un transportador de la caja de accesorios para

facilitar las mediciones. Ademas de que se uso un flexometro de la misma caja

para medir la distancia maxima de radiaciòn de la antena. Una vez acoplada la

antena, procedimos a medir voltaje y corriente en 3 distintos puntos de esta, los

cuales se muestran en el diagrama de la figura 10.

P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) Plano de Tierra

0.60 0.1 3

Tabla 4 – Potencia

Punto Corriente (I) Voltaje (V)

1 5 0

2 1 1

3 0 3

Tabla 5 - Detección de corriente, Voltaje, en 3 diferentes puntos.

Figura 10 – Diagrama que muestra los puntos en los que se detecto voltaje y corriente en la antena monopolo

Figura 11 – Usando el detector de radiacion en la antena monopolo.

Esta antena posee una polarizaciòn de tipo lineal, en la practica la señal en el

angulo de 220º, la señal se nos traslapo con la mesa 2, nosotros estabamos en la

la mesa izquierda, enfrente del pizarròn, la mesa con la que hubo un traslape, fue

la mesa que se encuentraba a nuestra derecha. En la siguiente tabla se muestran

las detecciones de radiaciòn hechas por el equipo, mientras que en la imagen 12

se aprecia al equipo midiendo estos parametros.

Ángulo de radiación (grados)

Distancia de radiación (metros)

Tipo de Polarización

¿Se traslapo en otra mesa?

0 2.90 Lineal90 2. 73 Lineal220 3.15 Lineal Sí, con la mesa 2320 3.00 Lineal

Tabla 5 – Detecciones de radiaciòn hechas por el equipo, se puede notar un traslape con la mesa 2.

Figura 11 – Usando el detector de radiaciòn para medir la distancia de radiaciòn en cuatro angulos distintos.

Es importante mencionar que el acoplamiento se debe de realizar correctamente

para obtener mediciones aceptables, ya que incluso la señal se nos traslapo con

otra mesa, pues en un principio no estabamos acoplando bien el equipo y al

momento de medir la radiaciòn en ciertos puntos de la antena, esta nos daba

valores muy pequeños, al volverla a acoplar nuevamente, siendo muy cuidadosos

al hacerlo para ahora si obtener buenas mediciones. Cabe mencionar que a pesa

de volver a re-acoplar el equipo, no se forzaron valores de potencia.

Experimento 2

Para este segundo experimento, usamos una varilla del numero 4, la cual tiene la

peculiaridad de tener focos integrados en el cuerpo de la varilla. El diagrama de

la antena con la cual se trabajo se muestra en la figura 12, en el cual tambien se

observa los puntos donde se midio la relaciòn corriente-voltaje.

Figura 12 – Antena con focos en su cuerpo para facilitar la toma de datos.

Una vez que colocamos la varilla en el plano de tierra, procedimos a acoplarla,

quedándonos los siguientes valores mostrados en la tabla 6.

P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) Plano de Tierra

1 .3 3

Tabla 6 – Mediciones de potencia que nos quedo después de realizar el acoplamiento.

El siguiente paso en la práctica fue realizar mediciones de voltaje y corriente en

diferentes puntos de la antena, de lo cual obtuvimos los resultados mostrados en

la tabla 7.

Punto Corriente (I) Voltaje (V)1 4 12 4 23 .5 1

Ya que teníamos los valores de la corriente y el voltaje, procedimos a medir la

radiación en distintos puntos tomando como eje obviamente a la antena. Los

valores obtenidos fueron los siguientes. En esta ocasión la mesa con la cual hubo

traslape fue nuevamente la mesa 2.

Ángulo de radiación

Distancia de radiación

Tipo de Polaridad Se traslapo con

0 1.75m Lineal

90 3.01 Lineal

220 1.85 Lineal Mesa 2

340 2.82 Lineal

Tabla 8 – Detecciones de radiación y corriente para la antena con focos.

Experimento 3

Para este experimento usamos un copete capacitivo en la parte superior de la

misma antena usada en el experimento 1 (varilla del numero 13), quedándonos

una antena la cual aumenta su longitud eléctrica. La antena en la cual realizamos

mediciones se muestra en la figura 13.

Figura 13 – Varilla del número 13 con un copete capacitivo en su parte superior.

Nuevamente procedimos a acoplar ahora esta antena, quedándonos los siguientes

valores en el acoplamiento.

P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) Plano de Tierra

1 .3 5

Tabla 9 – Acoplamiento de la antena con copete capacitivo en su parte superior.

Punto Corriente (I) Voltaje (V)

1 5 1

2 3 1

3 1 3

Tabla 10 – Detecciones de voltaje y corriente en distintos puntos de la varilla.

Después de realizar las mediciones de voltaje y corriente, procedimos a realizar

mediciones de radiación en distintos ángulos de la antena.

Ángulo de

radiación (grados)

Distancia de

radiación (metros)

Tipo de

Polarización

¿Se traslapo en

otra mesa?

0 1.75 Horizontal

90 2 Horizontal

220 2.10 Horizontal Sí, con la mesa 5

320 3.2 Horizontal

Tabla 11 – Detecciones de radiación, se observa que la mesa se traslapa con la

mesa 5.

OBSERVACIONES

Al colocar el copete capacitivo observamos que la corriente es la variante en este

experimento cuando marcamos el máximo corriente al nivel del plano de tierra y

disminuyo mientras elevábamos el detector de radiación.

Experimento 4

Para el ultimo experimento volvimos a realizar el acoplamiento para la antena

que en esta ocasión era la varilla del experimento 2, la cual tiene focos, la

diferencia es que agregamos un copete capacitivo en la parte superior de esta, al

igual que lo hicimos con la antena del experimento 3, quedándonos los siguientes

resultados.

Figura 14 – Diagrama de la antena usada en este exprimento.

Acoplamiento

P.D. (Potencia Directa) P.R. (Potencia Reflejada) Plano de Tierra

1.3 0.5 4.7W

Tabla 12 – Valores obtenidos al acoplar la antena.

Punto Corriente (I) Voltaje (V)

1 5 0

2 4 0

3 1 1

Tabla 13 – Mediciones de voltaje y corriente en distintos puntos de la antena.

Posteriormente procedimos a realizar detecciones de radiación en distintos

puntos de la antena, quedándonos los siguientes resultados.

Nombr

e

AB Ángul

o

Distancia

(metros)

Potencia

Incidente

Potencia

Reflejada

Plan

o de

tierra

Corriente Voltaje

Iván x 270 2.35 .5 w 0 w 1 2 1

David x 30 3.19 .5 w 0 w 1 2 1

Misael x 40 1.41 .5 w 0 w 1 2 1

Daniel x 160 1.65 .5 w 0 w 1 1 1

Iván Traslape 150 2.21 .5 w 0 w 1-4 1-1 1

Tabla 14 – Detecciones de corriente para la antena del experimento 4.

Observaciones

Cuando usamos el copete capacitivo provoco que la distribución de voltaje y

corriente a lo largo de la varilla fuera uniforme.

Conclusión:

Como conclusión podemos tomar muchas cosas, primero que para obtener

buenas mediciones el equipo debe de estar bien acoplado, si esto no se logra,

entonces, se debe de forzar aumentando la potencia en el generador.

Afortunadamente nosotros no tuvimos que forzar el equipo y nuestras mediciones

fueron buenas.

Otro punto importante es que existen muchos tipos de antenas y es importante el

estudio de estas, ya que cada una tiene un uso distinto en la vida real, como por

ejemplo el monopolo, el cual se usa en radio comunicación en automóviles,

mientras que la antena de copete capacitivo se usa en torres de radio

comunicación.