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MANUAL DE PRÁCTICAS DE SIMULACION DE ANTENAS

MI ELIZABETH FONSECA CHAVEZ MI MARIO IBARRA CARRILLO

2015

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Índice Tabla resumen de prácticas ................................................................................................................ 5

Prólogo. ............................................................................................................................................... 6

FORMA DE TRABAJO: ...................................................................................................................... 6

Práctica no. 1. Parámetros de las antenas y simulación de antenas. ................................................. 7

Objetivos: ........................................................................................................................................ 7

Justificación. .................................................................................................................................... 7

Se espera en esta práctica que el alumno: ..................................................................................... 7

Introducción. ................................................................................................................................... 8

DESARROLLO: .................................................................................................................................. 8

PARAMETRO NO.1 FRECUENCIA (f). ............................................................................................ 13

Conclusión 1. ................................................................................................................................. 14

PARAMETRO NO.2 EXCITACION: VOLTAJE Ó CORRIENTE O CARGA............................................ 15

Conlusion2: .................................................................................................................................... 17

PARAMETRO NO.3 PATRON DE RADIACION, O DIAGRAMA DE RADIACION ............................... 18

El parámetro de directividad ......................................................................................................... 23

PARAMETRO NO. 4. RELACION DE ONDA ESTACIONARIA: .......................................................... 24

PARAMETRO NO.5 COEFICIENTE DE REFLEXION. ........................................................................ 27

PARAMETRO NO.6 IMPEDANCIA ................................................................................................... 28

EXAMEN1. ..................................................................................................................................... 32

Practica 2. Dipolos. ............................................................................................................................ 33

Objetivo: ........................................................................................................................................ 33

Introducción: ................................................................................................................................. 33

Se espera en esta práctica que el alumno: ................................................................................... 33

Desarrollo: ..................................................................................................................................... 34

Parte 1. ANALISIS DE EN LA VARIACION DE RADIO. ..................................................................... 40

Conclusión 1. ................................................................................................................................. 43

Conclusión 2. ................................................................................................................................. 43

Parte 2. Análisis en la variación de talla del alambre. ................................................................... 43

EXAMEN 2...................................................................................................................................... 49

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Practica 3. MONOPOLO .................................................................................................................... 50

Objetivo: ........................................................................................................................................ 50

Introducción: ................................................................................................................................. 50

Desarrollo. ..................................................................................................................................... 50

Examen3. ....................................................................................................................................... 53

Practica 4. Antenas parásitas. ........................................................................................................... 54

Objetivos ....................................................................................................................................... 54

Introducción: ................................................................................................................................. 54

Desarrollo: ..................................................................................................................................... 54

1. Realiza una antena dipolo ................................................................................................. 54

2. Parasito1............................................................................................................................ 55

Antena Yagui. ............................................................................................................................ 61

Conclusiones: ................................................................................................................................ 63

3. Examen4 ................................................................................................................................ 64

Practica 5. Acoplamiento mutuo. ...................................................................................................... 65

Objetivo: ........................................................................................................................................ 65

Objetivos: .................................................................................................................................. 65

Introducción: ................................................................................................................................. 65

Desarrollo. ..................................................................................................................................... 65

Examen 5 ....................................................................................................................................... 71

Practica 6. Síntesis de antenas. ......................................................................................................... 72

Objetivos: ...................................................................................................................................... 72

Introducción: ................................................................................................................................. 72

Desarrollo. ..................................................................................................................................... 73

1. Distribución Triangular. ................................................................................................. 75

2. Distribución de corriente Binómica ............................................................................... 76

Comparación entre patrones. ................................................................................................... 78

Conclusiones generales ............................................................................................................. 78

Examen 6. ...................................................................................................................................... 79

Practica 7. Arreglos lineales. ............................................................................................................. 80

Objetivo ......................................................................................................................................... 80

Introducción. ................................................................................................................................. 80

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Desarrollo: ..................................................................................................................................... 81

PRACTICA 8 CST. Antena dipolo ....................................................................................................... 84

Introducción. ................................................................................................................................. 84

Desarrollo ...................................................................................................................................... 85

Examen 8 ..................................................................................................................................... 100

Práctica 9. Armado y prueba de 2 antenas ..................................................................................... 101

Objetivo ....................................................................................................................................... 101

Desarrollo: ................................................................................................................................... 101

Practica 10. Antena logoperiodica .................................................................................................. 101

En construcción ........................................................................................................................... 101

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Tabla resumen de prácticas sesiones Practica 1. Parámetros de las antenas y simulación de antenas 1 Practica 2. Dipolos. 1 Practica 3.Monopolo. 1 Practica 4. Antenas parásitas. (Yagui UDA) 1 Practica 5. Acoplamiento mutuo 1 Practica 6. Síntesis de antenas 1 Practica 7. Arreglos lineales 1 Practica 8. CST dipolo 1 Practica 9. CST logo periódica 1 Practica 10. CST antenas de apertura 2 Practica 11. Medición de Frecuencia y patrón de radiación de monopolo y dipolo con aparatos de laboratorio

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Practica 12. Armado y prueba de 2 antenas diseñadas , simuladas y construidas por el alumno

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Total de sesiones 15

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Prólogo.

Como parte complementaria al laboratorio de antenas, se presenta esta opción por la cual el profesor podrá escoger y utilizar alguna o todas estas prácticas, así como combinarlas con las prácticas de laboratorio convencionales, para cumplir las 16 sesiones de prácticas previstas por semestre.

En algunos cursos de Europa, el curso de antenas se lleva a cabo con simulación, existen cámaras anecoicas como un laboratorio donde mandar a medir la antena, pero para nivel posgrado, ahí se tiene un técnico que coloca la antena dentro de la cámara, realiza las pruebas y entrega las graficas de patrón de radiación, impedancia, y demás en un papel.

En el laboratorio no se cuenta con cámara anecoica (solo en ciencias hay una pero no quieren prestarla), así que las pruebas que se realizan son poco fiables y aproximadas. Además, la forma de dar la práctica se resumen a, ver la práctica, pues de los 10 alumnos (o más) , solo uno se requiere para conectar y preparar el transmisor y su antena, y un segundo para preparar la receptora, luego, las mediciones ocupan todo el tiempo de su práctica.

Trabajar con antenas simuladas, genera que cada alumno vea y modifique los parámetros por el mismo, y más que mida, que entienda el comportamiento y pueda diseñar alguna.

El laboratorio ideal podría ser: 80% simulación y 10% practica en CAMPO (o al aire libre sino se cuenta con cámara anecoica), y 10% en salón con instrumentos pesados.

FORMA DE TRABAJO: En este manual se tiene esta forma de trabajar, 1) explicación, 2) ejemplo 3) examen de una variación del ejemplo y 4) entrega de practica con realización de ejemplo y examen más contestar cuestionario, esta puede ser impresa o electrónica. La forma de evaluar estos deberá referirse al profesor asignado.

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Práctica no. 1. Parámetros de las antenas y simulación de antenas. Objetivos: 1. Que el alumno reafirme y conozca los parámetros de antenas más comunes que se utilizan para diseñar o conocer una antena dada.

2. Que el alumno conozca uno, o los dos software de simulación que se utilizaran en el transcurso de las clases de laboratorio.

3. Que el alumno conozca las antenas de alambre en forma general

Justificación. su importancia: es posible trabajar en casa con simulación. No se requiere comprar, ni

armar antenas, ni una cámara anecoica para probar su funcionamiento, y los resultados son muy aproximados a la realidad, además se aprende más y mejor los conocimientos que se espera adquirir.

En la pruebas físicamente de antenas en el laboratorio, no se cuenta con cámara anecoica y por lo tanto los resultados son muy pobres pues tenemos muchos reflejos de la señal. Las pruebas se tardan mucho, ya que se requiere armar el sistema.

En la pruebas físicamente de antenas en el laboratorio. Solo se cuenta con un kit de pruebas de antenas, algunos alumnos se aburren recabando información

En la pruebas físicamente de antenas en el laboratorio. No se alcanza a probar muchas propiedades.

Se espera en esta práctica que el alumno: Se familiarice con el software, al abrir un ejemplo de antena dipolo, lista.

Se siguiere trabajar con un software ya sea CST o 4NEC Explicación de 4nec, después de instalado. http://www.dailymotion.com/video/x14tv57_simulacion-4nec2-1_tech Software: http://www.qsl.net/4nec2/ Dar click en Latest 4nec2 versión (5.8.11) se descarga 4nec2.zip

Dado el ejemplo, el alumno reafirmará (de su curso de teoría), en forma práctica, impedancia, voltaje, corriente, diagrama de radiación, directividad, polarización, ancho de banda como mínimo.

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Introducción. Software de simulación de antenas

La simulación de antenas se basa en los métodos de análisis y las técnicas de diseño de antenas, estas son solo aproximaciones de las ondas electromagnéticas, pero suficientes en algunos casos para comprender y hasta armar una antena física eficiente. Las ondas electromagnéticas se caracterizan en forma general con las ecuaciones de maxwell generando métodos numéricos para resolverlas. Los métodos más comunes son para dominio en el tiempo ó para dominio en la frecuencia, entre estos tenemos los métodos integrales como el “método de momentos” ej. Nec y su aplicación con 4NEC2; los métodos diferenciales como el “FDTD” (diferencias finitas en el dominio del tiempo); los métodos variacionales, por ejemplo por medio de polinomios de interpolación que se llama comúnmente. Método de elemento finito, ej. FDTD.

Para profundizar sobre estos métodos numéricos, puede dirigirse al libro: antenas, alfaomega, ediciones UPC, autores: Angel Cardamara Aznar y coautores; capitulo8.

De forma resumida los métodos más comúnmente utilizados, se muestran en la figura 1:

Figura 1. Tres métodos de simulación de software comúnmente utilizados

DESARROLLO: Software: 4NEC2

Para diseñar o conocer el funcionamiento de una antena de interés es importante saber sus parámetros, estos se explican a detalle en clase de teoría, aquí solo se verán algunos necesarios para las practicas.

A continuación se enlistara algunos parámetros que se utilizaran, en orden de utilización en el software:

En esta práctica aun no se diseñara ninguna antena, solo abriremos un ejemplo y el alumno identificara los parámetros de las antenas a utilizar en todo el curso.

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1. Buscar en escritorio o todos los programas el programa que dice: 4NEC2

2. El programa principal se muestra a continuación ,

3. en el menú FILE(o icono folder amarillo), abrimos un archivo

4. en la ruta: 4nec2,models,zz_EZnec,v3.0, abrir archivo llamado Dipole1.nec

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5. se presentaran varias ventanas.

6. Tenemos una ventana principal ó ”main”, y una ventana de la geometría de la antena dada, esta es un dipolo como se observa en la ventana de “geometry”, a su lado derecho superior se observara la frecuencia a la que esta simulada. En otra ventana tenemos el patrón de radiación con el nombre de “pattern”.

Para empezar a analizar esta antena, se realizaran 2 movimientos:

Primero se colocaran en menú setting, se deberá palomear “geometry edit”. Que es una opción de edición de la antena.

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Y después se abrirá el icono de edición de archivo NEC que se genera al crear un modelo de antena.

Mostrándonos la ventana siguiente:

Se les pide solo tener abiertas las ventanas de “main” y esta de “geometry edit”, las demás cerrarlas.

Explicación rápida de la vista.

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Para ver ó modificar sus parámetros es en los iconos de la derecha superior, para correr la simulación será con el icono, que parece calculadora: RUN NEC.

Para adicionar o solo seleccionar o quizá borrar

Para solo modificar el punto de vista

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Para agrandar o achicar con el zoom ,

Empezaremos con las variables que pueden afectar el comportamiento de una antena, se explicara al mismo tiempo con el simulador,para un mejor entendimiento esto llamado PARAMETROS de las antenas.

EJEMPLO A SEGUIR

Recuerda se debe repetir el ejemplo con capturas de pantalla y comentarios, asi como se debe estar pendiente pues despues del ejemplo hay un examen.

PARAMETRO NO.1 FRECUENCIA (f). ¿A qué frecuencia funciona la antena, o funcionará?

RESPUESTA:

Frecuencia =lambda/velocidad de la luz => lambda esta relaciona con las distancia, en antenas de alambre.

𝜆 = => 𝜆 = para antenas dipolos

Como utilizaremos 4nec2 que trabaja en el método de momentos: requeriremos informarle al software en cuantos segmentos dividirlo, si son pocos segmentos la aproximación es pobre, si son muchos segmentos la exactitud ya variara poco pero el consumo de tiempo de simulación será grande (con pérdida de tiempo); para nuestro caso la recomendación es la que está por default de 11 segmentos para dipolos, pero se puede probar con 21, o 31 segmentos; nótese que se trabajara con números nones, únicamente para las antenas dipolos pues al centro se colocarla su excitación, para monopolos podemos trabajar bien con segmentos par o impar, pues no importaría.

Tenemos un icono llamado “frecuency”, donde se colocar la frecuencia de interés, se auto calcula la longitud de onda o “wavelength.

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Conclusión 1. Podemos observar que esta antena es un dipolo; funciona a 299.79 mhz casi 300mhz con longitud de onda de 1 metro.

Ahora vamos a observar los números de segmentos que tiene: escogemos icono “geometry edit”, que será el lugar donde dimensionaremos el diseño de alguna antena en próxima clases; aquí se verá que distancia tiene, cuantos segmentos, y si fueran más de uno, que numero de alambre es.

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PARAMETRO NO.2 EXCITACION: VOLTAJE Ó CORRIENTE O CARGA. Estas podrán colocarse en formato polar ó rectangular, se escogerá entre tres opciones: voltaje, corriente o carga, variar magnitud, fase, real ó imaginario; la carga podrá ser alguna impedancia, resistencias y capacitancia dada. La mayoría de estas opciones se verán en el transcurso del curso de laboratorio.

En icono “v/i sources”, podemos ver o modificar estas variables, estas propiedades aparecen en el costado derecho para inferior.

Por ejemplo, aquí se escogió alimentar con corriente “current”, (se puede escoger voltaje),

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****************************************************************

IMPORTANTE: NO modificar el ejemplo, si se presiona la opción de “current” para ver que aparezca voltaje favor de regresarlo como estaba, para que continúe sirviendo como ejemplo. Si desea realizar una modificación se sugiere salvarlo con otro nombre y en otra carpeta.

**************************************************************

En la figura, primero debe escogerse el icono de “V/I sorces” y luego, escoger corriente o voltaje, el “tag”, es el numero de antena de alambre y la fuente se coloco en el segmento de alambre numero 6, que si el total es 11, notese que esta colocada a ala mitad, si se desea cambiar el numero de segmento para ver como cambia la ubicación de la fuente puede hacerlo, por favor regreselo al final con los valores iniciales.

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En la misma venta de V/I sources tenemos debajo de segmentos la forma de colocar los

coeficientes que pueden ser en forma rectangular ó polar

.

Conlusion2: Esta antena dipolo se excitó con una corriente a la mitad (segmento 6), no tiene desfase.

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PARAMETRO NO.3 PATRON DE RADIACION, O DIAGRAMA DE RADIACION Es la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular ó la variación de la potencia radiada por una antena en función de la dirección a la antena.

Por ejemplo, podemos ver los patrones de dos planos vertical y horizontal, parte derecha superior dice el plano.

En Pattern nos dice a qué frecuencia esta simulado el patrón.

Y podemos ver en que plano esta, ya sea vertical u horizontal

También será importante realizar comparación de patrones, primero se deberá guardar los ejemplos y luego comparar los archivos, directamente en menú: compare.

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Para el ejemplo de simulación escogido y ver el patrón de radiación tendremos que correr nuestra simulación con el icono de calculadora.

En la ventana de RUN NEC

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Se puede realizar tres tipos de simulaciones, por “Far Field pattern” o campo lejano, por “frequency sweep” o barrido de frecuencia y por campo cercano o “Near Field pattern” (este caso no se vera en estas prácticas).

Escogeremos FULL, o ambos patrones, no solo vertical u horizontal.

Para el caso de obtención de diagrama de radiación, se escogera patrón de radiacion de campo

lejano: , después oprimir boton de “Generate”. Notese en parte derecha superior que dice el plano vertical o “Vertical plane”, y lado izquierda dice frecuencia: 299.8Mhz.

Si se aprieta la barra espaciadora, será posible ver el plano Horizontal

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Por el momento podemos ver en el plano horizontal y vertical, el patrón OMNIDIRECCIONAL, pues como está colocada la antena en ambos planos se tiene una geometría similar. En la práctica siguiente modificaremos este punto de vista.

También es posible ver el diagrama de radiación en 3 dimensiones. Primero generamos la vista completa en 3d con FULL/3D en la opción de Frecuency Sweep.

Y nos vamos a la ventana “main”, ahí se escoge la opción 3D

Aparecerá asi

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Para que se vea el patrón debemos escoger pattern, para que se vea el patrón y no esté oculto (hide). Quedando asi

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Con el mouse se puede cambiar la vista, desplaza el mouse en el área interna.

Conclusión: vemos el diagrama de radiación en 3D como una dona, plano horizontal omnidireccional (un circulo) y en el plano del alambre un “8 interno”, (se verá más evidente en próxima práctica).

El parámetro de directividad se puede ver en el patrón de radiación como relación entre la

densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia. En este caso, la dirección máxima de radiación. En la siguiente figura se ve el “Ocho “ que se comentó. La distancia más larga será su directividad.

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Sin embargo no se muestra específicamente para este parámetro en 4nec2.

PARAMETRO NO. 4. RELACION DE ONDA ESTACIONARIA: ROE. SWR (EN INGLES: Standing Wave Ratio), ó VSWR.

La relación de onda estacionaria es respecto a dos ondas viajeras que se trasladan en sentidos opuestos, se encuentran enfasadas y parecen que están en el mismo lugar.

Para su interpretación práctica se espera idealmente que lo mismo que entra es lo mismo que sale: cantidad de entrada = cantidad de salida o si lo vemos como una función de transferencia, sobre el acoplamiento de dos impedancias.

𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 1

Si hablamos de ecuaciones de voltaje máximo entre voltaje mínimo.

Si resultado de un VSWR es el numero “1”, indica sin perdidas, sin embargo, cuando pasa el sistema por un proceso real, hay pérdidas y puede ser menor 1. (O en decibeles mayores a 1). Dependiendo del laboratorio de trabajo se fija los límites de trabajo, en general, se espera que las pérdidas sean hasta 2db (nótese que se anulan las unidades.)

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Por ejemplo, en la figura siguiente vemos la gráfica de una antena x que esta resonando a 300mhz, pues se encuentra debajo de 2db (1.44db específicamente); es la gráfica superior la que tiene que ver con el SWR o ROE, de color azul. De aquí podemos suponer que la antena está bien diseñada.

Ahora para el ejemplo de simulación de dipole1.nec, se escogerá otra vez la calculadora

Y para generar la corrida de simulación se escogerá “frecuency sweep”, y colocar el barrido de frecuencias desde una frecuencia inicial a una frecuencia final con incrementos dados y oprimir GENERATE.

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Por ejemplo esta antena dipolo, su frecuencia de interés es de 300mhz, se requirió colocar como frecuencia inicial: 200mhz, frecuencia final: 400mhz, realizando el barrido cada 1mhz, o sea 201, 202,…398,399 hasta 400 mhz. El resultado fue: (estos resultados deben coincidir con el software que está manipulando al mismo tiempo el aprendiz).

De esta grafica se observa que los 300mhz se encuentran arriba de 2db, para unos laboratorios se considera excesiva, con muchas pérdidas, quizá aceptable en otros laboratorios. En la práctica siguiente se aprenderá a mejorar el diseño.

Conclusión: La antena tiene un SWR= 2.35db puede mejorar.

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Es posible mover las regleta donde te informa a que frecuencia deseas saber, para hacer aparecer la regleta, colóquese el mouse dentro del espacio de grafica y aparecerá (aquí de color amarillo).

PARAMETRO NO.5 COEFICIENTE DE REFLEXION. Relaciona la amplitud de la onda reflejada con la amplitud de la onda incidente,

Y esta depende del ambiente que cruza, en general cuando cruza una parte se regresa y otra más reducida solo pasa.

También se anulan sus unidades y se espera que sea mayor o igual a 14dBs,(dependiendo el laboratorio)

Por ejemplo si se diseño una antena, para 286mhz, vemos que su coeficiente de reflexión es de mayor a 14dBs, muy aceptable.

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La grafica del coeficiente de reflexión, se encuentra en la opción de SWR/ref, en la parte de abajo. Chequemos como va nuestro ejemplo.

Es posible mover las regleta donde te informa a que frecuencia deseas saber, para hacer aparecer la regleta, colóquese el mouse dentro del espacio de grafica y aparecerá (aquí de color amarillo).

Conclusiones: El coeficiente de reflexión de esta antena dipole1.nec= -7.8db, muy mala, se esperaba mayor a 14dB ya se corregirá en la práctica siguiente.

PARAMETRO NO.6 IMPEDANCIA Esta impedancia puede presentarse en forma grafica en el software con valores rectangulares y polares, con la ecuación siguiente:

𝑍 = 𝑅 + 𝑋

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Para una antena que resuena, significa que esperaríamos resistencia máxima con reactancia

mínima; Por ejemplo si x=0; en la ec. Quedaría 𝑍 = √𝑅 => Z=R,

Dada la relación ideal de resistencia y reactancia (inductiva y capacitiva) respecto a esta ecuación, se muestra a continuación una gráfica para una antena dipolo que trabaja a 300mhz. Notesé en esta grafica que el color verde significa impedancia en magnitud: Z, y la fase en color morado. Aquí tendríamos: Z=72-j062 ohms. Con casi cero de reactancia.

Para el ejemplo de simulación de dipole1.nec, se escogerá otra vez la calculadora

Y para generar la corrida de simulación se escogerá “frecuency sweep”, y colocar el barrido de frecuencias desde una frecuencia inicial a una frecuencia final con incrementos dados y oprimir GENERATE.

Por ejemplo esta antena dipolo, su frecuencia de interés es de 300mhz, se requirió colocar como frecuencia inicial: 200mhz, frecuencia final: 400mhz, realizando el barrido cada 1mhz, o sea 201,

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202,…398,399 hasta 400 mhz. El resultado fue: (estos resultados deben coincidir con el software que está manipulando al mismo tiempo el aprendiz).

Es posible mover las regleta donde te informa a que frecuencia deseas saber, para hacer aparecer la regleta, colóquese el mouse dentro del espacio de grafica y aparecerá (aquí de color amarillo).

En esta interpretación vemos que esta grafica corresponde a “SWR” ,aquí seleccionaremos impedancia.

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Ahora, tenemos dos gráficas de impedancia, nótese que la de arriba, en su parte superior derecha dice R [ohms] y parte izquierda X[ohms]

Se refiere a una grafica con valores reales e imaginarios y la grafica inferior, que tiene Z y Phase

Corresponde a sus valores de magnitud y fase.

En su interpretación notamos que no tiene una resistencia máxima y que su reactancia no es cero, esto significa que no es un buen diseño, (en la práctica de dipolo, se mejorara este diseño de ejemplo). Por el momento solo está permitido ver y comprender sus parámetros.

Conclusiones: Z= 107+j144 ó Z=179.9 cis 53.2

FIN de ejemplo

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EXAMEN1. Abrir el archivo vert1.nec, que es un monopolo, presenta en captura de pantalla los parámetros de las antenas, con sus conclusiones, similar al ejemplo.

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Practica 2. Dipolos. Objetivo: que el alumno diseñe una antena dipolo y comprenda sus parámetros.

Introducción: Un dipolo viene de su origen de dos polos, pues su excitación se coloca a la mitad; se forman por consecuencia 2 alambres con radio mínimo y su disipación de corriente en cada alambre es opuesta.

Un dipolo esta por default en el espacio libre, y si no se dice lo contrario debe trabajar con lambda/2=Distancia. Es posible tener algunas otras variaciones, que no se verán en esta práctica.

Del libro de Balanis de antenas, una antena de media onda tiene Z= 73+j42 ohms.

Para mayor explicación favor de referirse a la materia de teoría o libros de antenas.

Se espera en esta práctica que el alumno: Realice una simulación de un ejemplo desde el inicio de una antena dipolo.

Por ejemplo: diseño de antena dipolo de

- f=300Mhz,

-Calculemos su lambda, poner la ecuación, que los alumnos la calculen.

-Calculen la distancia de ambos brazos y proponer las coordenadas en x,y,z para que después se inserten en el simulador.

-En el simulador, crear el dipolo e insertarle los datos, requeridos y verificar que funciona bien a esta frecuencia y no también para otras frecuencias.

- Checar los parámetros de las antenas de este diseño, y

-proponer realizar un diseño de un dipolo a otra frecuencia dicha por el profesor, para que lo realicen sin ayuda y entreguen como examen.

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Desarrollo: Objetivo: Diseñar una antena dipolo que trabaje a 300MHZ

1 Ecuaciones a utilizar y grafica con coordenadas.

Frecuencia =lambda/velocidad de la luz => lambda esta relaciona con las distancia, en antenas de alambre.

𝜆 = => 𝜆 = para antenas dipolos

Si f=300Mhz=3x10e6, c es velocidad de la luz 3x10e8 entonces lambda=1.

Los alumnos deben sacar sus calculadoras y verificar el cálculo.

Como trabajaremos con dipolos entonces

𝑑 =𝜆 = 1

2= 0.5

Donde d es la distancia de la antena completa. Como se dividirá en 2 polos nos queda la mitad para cada “brazo”= 0.25. De esta manera se puede ver, en la figura siguiente, como quedarían las coordenadas para colocar la antena dipolo en el eje Z.

2. Abrir 4nec2

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Siempre se abre con el último proyecto, no importa cuál sea. Damos click en icono “Edit NEC input

File”, . (Antes escoger geometry edit del menú Settings).

Debe aparecer así:

No importa que antena aparezca, pues en esta ocasión crearemos una nueva. Ahora solo en esta ventana trabajaremos. En menú File, escogemos NEW; ahora si debe estar con una visión cuadriculada solamente.

Cerremos todas las ventanas solo manteniendo el “main” y el de “geometry edit”.

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Salvar el archivo con el nombre de “midipolo” (un nombre arbitrario), sino estarías modificando el anterior. Se creara un archivo del mismo nombre con extensión .nec, que contiene los datos requeridos.

3. Diseñar antena dipolo de f=300mhz, para comenzar seleccionamos el icono de frequency, y en caja de dialogo de Frequency escribimos 300.

Quedando asi

No olvidemos oprimir “enter” en cada modificación.

4. Crear alambre “wire geometry”, y el icono de “ADD”, para poder dibujar.

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Con el mouse colocar un punto, oprimir mouse y desplazar sin soltar, y terminar. No importa como quede la línea, luego la arreglaremos.

Nos pide el radio del alambre automáticamente, debe ser muy delgado, escribir: .01 luego modificaremos para ver sus consecuencias.

Apretamos OK. Ahora modifiquemos coordenadas, yo coloque mi línea de forma arbitraria, pero debe aparecer: para un punto 0, 0, 0.25 y para otro punto 0, 0, -.25

Debe quedar así:

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5. Después adicionar el número de segmentos. (MUY IMPORTANTE!!!), colocaremos 11, pueden ser 21, 31, etc., pues su alimentación será en medio y se requiere simétrico.

6. Ahora se colocara la excitación de la antena. Escogemos icono “V/I sources” y “Add”

Colocamos el mouse más o menos a la mitad del alambre (después afinamos el dato), y apretamos el mouse de izquierda a derecha sin soltar en ese pedazo y debe aparecer un circulo listo para posicionarse. Debe quedarse dentro del alambre.

Ahora colocamos el numero de segmento donde se requiere: en el numero 6 (de 11 segmentos)

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7. Y debe estar al aire libre.(esto viene por default, pero chequenlo)

8. Ahora ya está listo para correr el NEC y ver resultados. En el icono de la calculadora, le damos click

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9. Se escoge opción Frequency Sweep, para hacer un escaneo de la frecuencia de 200 a 400 de 1 en 1 mhz, y apretamos botón: Generate

Parte 1. ANALISIS DE EN LA VARIACION DE RADIO. A primera instancia vemos que no está muy bien diseñado para 300mhz, pues se espera swr<2, y no lo está. El coeficiente de reflexión <-14 y tampoco, un patrón de radiación en ocho, que está bien.

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Pero también vemos que su impedancia es de 77+j45

Y la impedancia ideal de un dipolo es de 73+j42, casi cercana,

¿Qué radio se colocó? Si se quiere checar se debe colocar en el alambre y ahora colocarse en la flecha (no ADD) y tocar la antena. Entonces aparecerá abajo a la derecha los datos.

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Dice radio =0.01

¿En que afectaría la impedancia? Cambiemos el radio a 1 y corramos la simulación NEC.

Si se observa los valores de swr , coef. Refl. Y patrón se mantienen igual pero la impedancia

Antes era: 77.6+j45 ahora: 83.3+j47.8

Y si se coloca radio ni 1 ni 0.01 sino 0.001. Colocar el dato y correr la simulación.

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Para 0.0010 Nos dá un error de segmento, pero aparece la impedancia de 76.7+j45

Para 0.005=> z= 77.3+j45

Favor de ir haciendo las corridas y comprobar si los datos son casi iguales.

Para 0.009=> 77.6

Coloca otros dos datos que creas que son significativos para ofrecer una conclusión.

Radio: ______ Z= _______

Radio: ______ Z= _______

Conclusión 1. (Favor de llenarla, con estas opciones: “disminuye”, “aumenta” o similar)

La impedancia ___________conforme _________ el radio

Conforme el radio _____________ la impedancia __________

Entonces podemos ver una variación de la impedancia respecto al radio.

Conclusión 2. Respecto a la teoría de obtener para un dipolo ideal z= 73+j42, se obtuvo hasta z=______ con el mínimo radio.

Cuestionario 1. Hasta que tamaño de radio acepta el simulador si ofrecer una advertencia:________

Parte 2. Análisis en la variación de talla del alambre. La talla del alambre es de0.25, pues sus coordenadas quedaron para un punto inicial (0,0,.25) y para un punto final de (0,0.-.25). y con SWR, COEF. E Z conocidos

Talla 0

SWR Coef. Refl.

Z

0.25 2.30db -8db 77.6+j45

¿?

Qué pasaría si la recortamos un poco, solo modificando el 5. Por ejemplo 4,3 2 o 1 u otro valor.

Para modificar la talla nos colocamos en icono del alambre y cambiamos la coordenadas, por ejemplo: 0,0,0.24, y 0,0,-24 Siempre SIMETRICAMENTE. Correr el nec y ver resultados.

44

Para talla de 0.23

Talla:0.26

45

Observamos que, a 300mhz, la frecuencia de interés, los datos cambian. Chequemos resultados. En el último renglón coloca el valor más preciso para que la frecuencia de interés este exactamente en el pico más bajo del SWR.

300mhz

Talla

SWR Coef. Refl.

Z

Comentarios

0.25 2.30dB -8dB 77.6+j45 ohms

0.24 1.759 dB -11.2dB 69.1-j27.7 ohms Se pasó del pico de interés.

0.23 5.14dB -3.41dB 61.5-j101 ohms Muy adelantado del punto de interés

0.26 5.33dB -3.29dB 87.1+j118 Muy atrasado al punto de interés

0.2__ ______ _____ _______ ______

46

Cuestionario 2. ¿Con que talla te quedo la grafica así? ¿O quedo mejor?

A mí me quedo, una posibilidad factible con la talla:

SWR= 1.44dB < 2 Ok, Coef. Refl.=-14.7dB <14 ok, Z=72.4+j1.41 casi 73, casi reactancia cero(o sea en resonancia) OK. Diseño optimo LISTO.

Los resultados en impedancia, seleccionando la opción en vez de swr, la impendacia

47

Ahora chequemos el patrón de radiación. En la calculadora, seleccionamos “FAR Field pattern”, y generamos la corrida.

Con la barra espaciadora nos da el otro plano.

48

Y si no se imagina este patrón veamoslo en 3D.

Escogemos rastreo por frecuencia y ahí selecionamos FULL/3D y generamos,

Esperamos 0.5seg. y Luego en el main se escoge icono 3D

Aparecer un visualizador que se escoeger pattern (y quitar el hide u oculto)

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Entonces se verá la “dona” que se podrá rota con el mouse. Si en vez de “pattern”, se coloca “Transparent”, se podrá verificar el “ocho” del plano vertical y el circulo (omnidireccional) del plano horizontal.

EXAMEN 2: Crea un nuevo archivo NEC para el diseño OPTIMO de una antena dipolo que funcione a una frecuencia de 500Mhz, o la frecuencia que te diga el(a) profesor@. Preparar archivo WORD para entregar practica con las capturas de pantallas y conclusiones y muestra en el simulador la corrida final al instructor.

50

Practica 3. MONOPOLO Objetivo: Diseñar una antena monopolo

Introducción: Monopolo significa un solo polo, la mitad de un dipolo. Es un alambre que tiene una excitación y un plano de tierra, por default se trabaja a lambda/(2*2).

De libro de antenas de BALANIS Z=36.5+j21.25

Desarrollo. 1. Crear un nuevo archivo NEC. Llamarlo “mi_monopolo”. F=300mhz

2. Crear un alambre R=0.01, #segmentos=10 talla=𝑑 = ¿?d=_______

3. Asignar excitación en la parte de abajo. Debe quedar así.

Es posible que el profesor vaya haciendo el ejemplo con ustedes, sino checar prácticas 1 y 2. Se puede preguntar en este ejemplo, en el examen no.

4. Asignar plano de tierra (quitar free, escoger perf. Cond.) Para asignar plano de tierra escogemos icono “Ground params” que son los parámetros de planos de tierra.

51

Se escogerá: Perf. Ground, o tierra perfecta, o ideal.

Y nos modificará la geometría de esta manera. No olvide salvarlo a estas alturas.

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5. Correr NEC para presentar datos de SWR, coef. Refl., Z y patrón de radiación. Los resultados son los siguientes. Verifica que te salgan, recuerda que luego habrá un examen.

6. Observaciones:

La frecuencia de interés de 300mhz, no es la óptima, vemos el patrón de radiación en plano vertical cortado por el plano de tierra (no pasa energía hacia el plano se rebota).

SWR=1.76dB, Coef. Refl.=-11.39 Z=38.9+j22.3; donde el coef le falta, y Z está más alto que el ideal.

7. Optimizar la antena. Presenta resultados para los cambios en altura de antena: 0.25, 0.24, 0.23, y proponer una óptima. Llena tabla

300mhz

Talla

SWR Coef. Refl.

Z

Comentarios

0.25

0.24

0.23

0.26

53

0.2__ ______ _____ _______ ______

Una factible solución fue así.

Swr=1.37dB, coef. Refl.=-16.41, z=36.3+j0.42 con d=0.244m.

Examen3. Realiza el diseño óptimo de una antena monopolo f=400mhz (o la que diga el instructor).

54

Practica 4. Antenas parásitas. Objetivos: Que el alumno comprenda y explore la Antena yagui.(un reflector, un director).

Con carga, con excitación y sin excitación: parásitas; variación de talla respecto a la antena fundamental.

Esta práctica será guiada por el profesor, para que los alumnos vayan realizando las antenas dipolo, e ir adicionando una a una.

1) Antena dipolo sola, a una frecuencia de 300Mhz, excitada, checar que frecuencia en impedancia y que patrón trabajan óptimamente (mínimo). Antena fundamental

2) Adicionar a la antena hecha otra pero un poco más pequeña, checar impedancia y patrón de radiación. Sin carga

3) Adicionar a la antena hecha otra pero un poco más grande, checar impedancia y patrón de radiación. Sin carga

4) Adicionar a fundamental una más grande, una más chica y checar parámetros. Yagui. Sin carga

5) Comparar patrones de radiación. 6) Conclusiones de que vimos que se esperaba, por parte del profesor. 7) El alumno diseñara un grupo de antenas para reproducir un patrón o que funcione a una

frecuencia dada por el profesor, sin ayuda.(EXAMEN)

Introducción: Ya se observo cómo se comporta una antena aislada, ya sea dipolo o monopolo; pero ¿Qué pasa si tenemos otra antena en el área de radiación de mi antena?, ¿cómo se afectan? Pues efectivamente se afecta en sus parámetros si están muy cerca. El acoplamiento mutuo o impedancia mutua se ve directamente afectada, sin embargo este tema se estudiara con más profundidad en la próxima practica aquí se verá esta afectación, respecto a su excitación, para comprender las antena YAGUI básicas.

Una antena parásita es aquel alambre sin excitación de voltaje o corriente. Este alambre comienza a trabajar cuando le llega energía indirectamente por estar junto a otra antena excitada, lo interesante de estas parasitas, es que fortalecen el direccionamiento si son más pequeñas que la fundamental, o bloquean el flujo si no más grandes.

Desarrollo: 1. Realiza una antena dipolo que funcione a 300mhz de manera óptima. Llamarle:

fundamental.nec .

Debe quedar como se muestra en la figura

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Swr=1.44, coef. Refl. -14.7 z= 72.4+j1.41. o mejor.

Recuerde que la antena fundamental debe ser óptima. Sino no funcionara bien con los otros elementos. Guarde ARCHIVO.

Corramos su patrón de radiación: en la calculadora, escogemos far field y colocamos frec. inicial=200 frec.final=400 en incrementos de 1. Y generar.

2. Parasito1. Guardar el archivo con otro nombre: fundamental_con _parasito1.nec para que podamos comparar patrones. A este le adicionamos otro tag(u otro alambre junto.)

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a. Copiar el alambre y pegarlo, luego cambiar datos de coordenadas por la distancia entre antenas de x=lambda/2=0.25 y misma talla, en el menú EDIT

b. Correr y ver parámetros.

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Swr=1.8dB coef. =-10.2dB, Z=63.5+j153, notamos que al adicionar un parasite la frecuencia optima comienza a desplazar. La antena parasita está al lado derecho.

c. Patrones. Ahora comparemos patrones. Para esto requerimos del icono de la calculadora, la opción de far field. Guardar y luego adentro de la gráfica escoger “adicionar un nuevo patrón” en menú “compare”.

Aquí se presenta los patrones para las dos antenas.

Conclusiones: se nota en el plano horizontal, con una sola antena radia omnidireccionalmente, ahora con un parasito, empuja lo que le llega al parasito del lado izquierdo hacia el lado derecho.

Aquí se muestra la comparación entre una y dos antenas

58

Nota: si los patrones no salen como aquí, es muy posible que no se hayan guardado y tendrás que rehacer alguno y guardarlo con un nombre. Hay que tener cuidado. El abrir los archivos es del programa “main”.

d. Comparación entre patrones de radiación i. con Parasito más chico: 0.24

Y sus patrones de radiación.

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ii. Ahora para un parasito más grande:0.26

Con su patrón respectivo.

60

Así entonces, realizamos la comparación de estas tres situaciones.

Conclusiones: podemos ver en el plano horizontal, la fundamental que es omnidireccional, con el parasito más chico vemos que orienta el patrón en una dirección, y con el parásito más grande repele la energía y la empuja hacia otro lado.

Ahora se presentan además la comparación con el parasito de la misma talla que la antena fundamental.

61

Nótese que el parámetro de la misma talla, ofrece lóbulos secundarios y es menos direccional que el parasito chico y grande.

Antena Yagui. Para armar una antena básica, se va a requerir un parasito más pequeño y además un parasito mas grande. En este caso estos dos parásitos, van a permitir que la energía sea mejor controlada. La distancia entre parasitas siempre tiene que ser con múltiplos de lambda, y el valor de su talla varia pues es difícil realizar los cálculos para un especifico control, existe mucha literatura con ecuaciones o con tablas de ensayo/error publicadas para una utilización en especifico, no se tiene una ecuación general. En esta práctica, solo se mostrará su utilidad, sin especificar una ecuación.

3.1 Adiciona a la antena fundamental (Talla: 0.25) el parasito más chico del lado derecho, y el parasito más grande del lado izquierdo, con la misma distancia (lambda/2) y tallas (0.24 y 0.26) acordadas en puntos atrás. Compara patrones respecto a los anteriores y conclusiones respectivas.

62

Con su patrón respectivo. Verifica que se parezca.

Ahora se muestra la comparación respectiva.

63

Colocaremos antenas en tamaño exagerado para que podamos identificarlas.

Conclusiones: el parasito chico dirige al patrón de radiación, mientras que el parasito grande empuja la radiación; por lo tanto tenemos una antena más eficiente para dirigir el patrón de radiación

64

3. Examen4. Modifica tallas o distancias para: a. Optimizar la frecuencia a 300mhz, pues se ha desplazado un poco. b. Aumentar un poco más su direccionalidad a la derecha.(opcional) c. Empujar el haz hacia el otro lado (izquierdo)

Respuestas tips

65

Practica 5. Acoplamiento mutuo.

Objetivo: Conocer cómo trabajar y para que con inductancia mutua.

Objetivos: Zin, Z11, Z22, Z12, Z21 y teorema de reciprocidad. Con fuente de voltaje, circuito

abierto, cerrado y carga. Y dos dipolos, uno excitado y otro con carga o sin carga, con alimentación de corrientes o voltajes.

Se espera que el alumno comprenda para que sirve el teorema de reciprocidad y con cálculos mínimos, obtener datos de la simulación y saber sus impedancias propias y mutuas.

Introducción: La impedancia mutua entre dos antenas es

Podemos representar este sistema de antenas como un bipuerto ó cuadripolo.

La antena 1 tendrá una impedancia Z1 con voltaje V1 y corriente I1 mientras que

La antena 2 tendrá una impedancia Z2 con voltaje V2 y corriente I2. Mostrándose como un sistema de ecuaciones quedaría.

Si las antenas son iguales por el teorema de reciprocidad sus impedancias mutuas son iguales.

Un alambre puede ser una antena en circuito abierto, en corto circuito o excitada. La excitada solo es colocarle una fuente de voltaje o corriente. Para generar el circuito abierto requerimos provocar en el sistema una impedancia alta. Para generar el corto circuito generar una impedancia muy baja.

Desarrollo. 1. Dada una antena dipolo que funciona óptimamente a una frecuencia de 300mhz,

obtener su impedancia intrínseca.

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Su impedancia intrínseca es Z=72.4+j1.41

2. Trabajar con PAR de antenas, una fundamental, otra podrá ser: en cortocircuito o en circuito abierto.

a. Copiar y pegar otra antena en lambda/2 de misma talla, se llamará fundamental_cortocircuito.nec, esta segunda antena no llevara excitación.

67

Este resultado es una impedancia conjunta de la antena excitada y la antena parasita o de corto circuito. Z_Total=63.5+j34 Pero no podemos decir como contribuye cada una de ellas en energía.

b. Ahora otra vez utilizando la fundamental, copiar y pegar otra antena con distancia lambda/2 y misma talla, esta se llamara: fundamental_circuitoabierto.nec, esta segunda antena deberá llevar una carga grande para producir una impedancia alta y así generar un circuito abierto.

Ya teniendo la fundamental y la copiada, debe quedar así.

Adicionaremos la carga a la segunda antena que debe estar seleccionada (icono alambre), después escogemos icono “RLC loading”, y se oprime icono “Add”. Para ubicar la carga desplazamos el mouse sin soltar (como cuando se coloca la excitación).

Al momento de asignarle una carga debe aparecer un cuadrado, al cual le asignaremos una impedancia de 1000.

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Ahora solo falta correr el NEC y ver el resultado de los parámetros.

Esta impedancia es mutua. Nótese que la segunda antena esta en circuito abierto. La corriente de esta antena es mínima (casi cero), una alta impedancia.

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Tendríamos la corriente 2 es cero, y por lo tanto tenemos la impedancia mutua de 21.

Es decir esta ecuación

Z21=71.7+j1.4

3. Producir un sistema con estas dos antenas para saber la impedancia mutua Z21. a. Dejaremos ambas antenas del punto anterior en la misma posición con otro

nombre mutuaz21.nec b. Les quitaremos a ambas, la excitación y la carga con icono de fuente , por

supuesto antes debe seleccionarse la antena a operar, para quitar la excitación y oprimir “suprimir” en el teclado, y luego seleccionar carga para quitar la impedancia con la tecla “suprimir”

c. Ahora a la antena 1 le colocaremos la carga con impedancia de 1000 y a la

antena 2 la excitación.

70

d. Correr nec y ver resultados.

Aquí se tiene Z21=71.7+j1.4, que por el teorema de reciprocidad es igual a Z12.

Nótese que en la antena 1 la carga con impedancia grande produce una corriente casi cer0=> I1=0;

71

De esta ecuación conocemos Z12 y I1=0, cuánto vale V1 o I2?

Chequemos la ventana del main y leamos cuánto vale

Voltaje=84.7+j0volts corriente=1.18-j0.02Ampere, si dividimos nos da 71.7+j1.4 por lo tanto, aquí se informa V1=84.7+j0v y I2=1.18-j0.02ª

Examen 5. Dada una antena dipolo y una antena monopolo que funcionan a 300mhz, en forma

aislada, al momento de juntarlas a una distancia lambda/2, obtener los valores de impedancia mutua, propia o intrínseca, voltajes 1 y 2 así como corriente 1 y 2.

72

Practica 6. Síntesis de antenas.

Objetivos: conocer y utilizar las agrupaciones. Uniforme, triangular y binómica. Se cambia las

amplitudes de corriente de las antenas para reducir los lóbulos laterales.

Introducción:

Después de haberse visto el potencial de las antenas parasitas junto a una antena excitada, ha habido muchos experimentos adicionales, el tema mejor explorado de forma profunda se refiere a los grupos de antenas de alambre tipo dipolo, con alimentación variable en corriente.

La facilidad de trabajar con geometrías circulares ha hecho ideal el trabajar con las antenas dipolos en el plano donde precisamente nos da un círculo; la combinación de varias antenas da como resultado la sustracción de energía o la adición de energía en determinados lugares, donde se interceptan la radiación de cada una de ellas. El cálculo de las impedancias mutuas y sus ecuaciones son más complejos conforme aumenta el número de antenas juntas. Sin embargo se ha descubierto comportamientos con la alimentación por corriente bien definidos por ecuaciones conocidas.

Para varias antenas dipolos juntas en forma paralela a una distancia, múltiplo de lambda; de la misma talla, todas alimentadas por corriente pero de valores de amperes diferentes; tenemos las llamadas agrupaciones Uniformes, donde el valor de corriente para todas las antenas es de 1; también tenemos las agrupaciones triangulares donde los valores de la corriente forman un triángulo, o sea la antena centra tiene la mayor magnitud de corriente y las laterales en forma simétrica van reduciendo su valor respecto a la ecuación dada. Y otras básicas llamadas también “Binómica”, que siguen la ecuación del binomio, ofreciendo un máximo a las antenas centrales y disminuyendo su valor conforme se van colocando a la orilla. Existen otras agrupaciones, sin embargo solo se verán estas tres básicas en esta práctica, para una agrupación lineal de n elementos.

Estas distribuciones de corriente van a mantener el lóbulo en un mismo lado pero van a ir disminuyendo sus lóbulos secundarios, en uniforme aparecen grandes, en triangular se reducen un poco, y en Binómica desaparecen.

Los diagramas de agrupación se componen de la base del diagrama de la antena fundamental y se multiplica por un factor que depende de las interferencias entre antenas, dada la separación entre ellas y la frecuencia deseada; esta variación se le llama factor de agrupación.

73

Desarrollo.

1. Agrupaciones Uniformes. Distribución de corriente para una agrupación lineal de N elementos en forma uniforme. Significa que tienen todas las antenas la misma corriente.

Polinomio de agrupación (Checar libro de antenas para mayor información)

Y sus coeficientes son an=1, pues es un escalón unitario. El factor de agrupación es una sinc periodica.

Para un polinomio de 9 elementos seria N=9, a0=a1=…a8=1

a. Realizar el diseño y simulación ÓPTIMA de una antena dipolo a 3000mhz. b. Copiar y pegar 8 antenas más de la ÓPTIMA. Total 9. Distancia entre ellas

lambda/2. c. Alimentar por excitación de corriente cada una de ellas. Priemero seleccionar el

alambre, luego escoger el icono de excitación, y desplazar el mouse. Luego verificar que sea la antena dada o tag, verificar que está en el numero de segmento de en medio de 11, el de en medio es 6. Y finalmente cambiar de voltaje a corriente (current)

74

d. Con los resultados siguientes.

75

Si no sale de esta manera, es muy probable que algún segmento no esté alimentado por corriente y quedo por el default de voltaje, ir checando una a una. Otro problema común, que no se haya colocado la excitación o se haya colocado en un segmento diferente a 6.

Conclusiones: notamos que en el patrón de radiación el lóbulo direccional está orientado vertical respecto a la línea de alimentación de las antenas, contiene lóbulos secundarios.

1. Distribución Triangular. Distribución de corriente para una agrupación lineal de N elementos en forma triangular. Significa que tienen todas las antenas con una corriente de tipo triangular, el máximo valor del coeficiente en medio y bajando a los lados de valor.

Se tiene un polinomio, que es similar al uniforme pero al cuadrado.

Con los coeficientes dados.

𝑎 =𝑛 + 1 𝑛 <

𝑁

2

𝑁 − 𝑛 𝑛 >𝑁

2

Para una antena de 9 elementos, mantendremos las mismas antenas que para el punto anterior (uniforme), pero debemos cambiarle de nombre; por ejemplo: porcorriente_triang.nec

a. Calcular los valores de an=> n=0,1,..8(=N-1) N=9

Para la antena 0: 𝟎 <𝟗

𝟐= 𝟒. 𝟓 𝒗𝒆𝒓𝒅𝒂𝒅𝒆𝒓𝒐 => 0 + 1 = 1 => 𝒂𝟎 = 𝟏

Para la antena 1: 𝟏 <𝟗

𝟐= 𝟒. 𝟓 𝒗𝒆𝒓𝒅𝒂𝒅𝒆𝒓𝒐 => 1 + 1 = 2 => 𝒂𝟏 = 𝟐

Para la antena 5: 𝟓 <𝟗

𝟐= 𝟒. 𝟓 𝒇𝒂𝒍𝒔𝒐 => 5 >

𝟗

𝟐= 𝟒. 𝟓 𝑽𝒆𝒓𝒅𝒂𝒅𝒆𝒓𝒐 => 9 − 5 = 4 => 𝒂𝟓 = 𝟒

Llena la tabla siguiente con todos los coeficientes de las 9 antenas.

Ant0 Ant 1 Ant2 Ant3 Ant4 Ant5 Ant6 Ant7 Ant8 1 2 4

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Ahora vamos a colocar los coeficientes en los valores de las corrientes, despues de ingresar debemos poner un enter, y antes de correr verificar si quedo los numeros marcados. Por ejemplo para la antena A5 debemos colocar un valor de 4 en la corriente, ya sea en polar o cuadratica, aquí se dejo en la cuadratica(por default aparece abajo).

Como se trabaja con el cuadrado de la distribucion uniforme los lobulos se ensanchan mas, por el factor de agrupación. (checar de la teoria)

2. Distribución de corriente Binómica, que es precisamente del binomio de newton

77

Con los coeficientes dados

𝑎 =𝑁 − 1

𝑛=

(𝑁 − 1)!

𝑛! (𝑁 − 1 − 𝑛)!

Para probarlo con las 9 antenas que tenemos, se debe calcular los coeficientes.

N=9, n=0,1..8, entonces

𝑎 =9 − 1

0=

(9 − 1)!

0! (9 − 1 − 0)!=

8!

8!= 1

𝑎 =9 − 1

1=

(9 − 1)!

1! (9 − 1 − 1)!=

8!

7!= 8

𝑎 =9 − 1

5=

(9 − 1)!

5! (9 − 1 − 5)!=

8!

5! 3!= 56

Llena la tabla, con utilización de formula o por triangulo de pascal

Ant0 Ant 1 Ant2 Ant3 Ant4 Ant5 Ant6 Ant7 Ant8 1 8 56 8 1

Del triángulo de pascal.

Con los resultados siguientes.

78

Podemos notar que los lóbulos secundarios no existen.

Comparación entre patrones.

Conclusiones generales. En el caso de la distribución uniforme tiene mayor directividad pero se tiene 3 lóbulos secundarios, La distribución triangular su directividad es menor y tiene menos

79

(o más anchos) lóbulos secundarios respecto a la uniforme. La distribución binómica es la que tiene peor directividad pero no tiene lóbulos secundarios.

Examen 6. Realiza el análisis con las tres distribuciones vistas para 7 antenas dipolo a 300mhz, y compara patrones. Verifica si las conclusiones son similares a estas.

Fuente:

http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas_clase/Agrupaciones.pdf

o libro de antenas ed. Alfaomega, UPC, CArdana,Jofre,Rius

80

Practica 7. Arreglos lineales. (Broadside, Endfire.)

Objetivo: Conocer y utilizar los arreglos lineales más comunes como es Broadside y Endfire.

Introducción.

Las agrupaciones con máximo de radiación en plano perpendicular al eje, se llaman transversal o broadside y las agrupaciones con máximo respecto al eje de la agrupación o longitudinales se les llama Endfire.

Broadside: todos los elementos radian en fase y la fase progresiva es cero.

Endfire: Tienen una fase progresiva 𝛼 = ±𝑘𝑑 los defases en la dirección del eje se anulan.

Variable “k” es el número de onda 2pi/lambda su frecuencia angular omega=kd cos tetha

Variable “d” es la distancia entre antenas.

Esta información sale de un ángulo que representa la diferencia de fases entre las contribuciones en campo lejano de dos antenas cercanas.

Ψ = 𝑘 𝑑 cos 𝜃 + 𝛼

Y precisamente 𝑘 𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃 es el defase por diferencia de caminos y 𝛼 es la fase progresiva.

En la figura se observa los puntos que representan a las antenas dipolo vistos desde donde producen su patrón omnidireccional, dado un vector de análisis r0, n es la antena dada que puede ser 0 hasta N-1, donde N es el número de antenas.

Debe mantenerse el MISMO espacio entre antenas, y debe ser menor que la longitud de onda.

Si alfa es menor que k*d la directividad es 1 => patrón de radiación igual al patrón fundamental.

En agrupación transversal alfa=0.

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Desarrollo:

1. Broadside. Todos los elementos radian en fase y la fase progresiva es cero.

Es también un arreglo con distribución de corriente uniforme.

a. Hacer un diseño óptimo de antena fundamental a 300mhz b. Copiar y pegar 9 elementos iguales c. Alimentar a todos por corriente d. Fase mantenerla igual, en este caso a cero

e. Correr la simulación. f. Verificar que haya quedado así.

82

2. Endfire. Tienen una fase progresiva 𝛼 = ±𝑘𝑑 los defases en la dirección del eje se anulan.

a. Hacer un diseño óptimo de antena fundamental a 300mhz b. Copiar y pegar 9 elementos iguales c. Alimentar a todos por corriente d. Fase varia 𝑛 𝑑 cos 𝜃 o de otra manera Ψ = dependiendo del número de antenas

Para una agrupación de 9 antenas N=9, n=0,1…hasta 8 (N-1), 𝑑 = 𝜆/4

Para colocarla en el círculo unitario de la transformada Z o Ψ = = 40°, (para 360° seria

360/9=40°)

Para la antena n=0, tenemos su fase de 40

Para la antena n=1, tenemos su fase de 80

Para la antena n=2, tenemos su fase de 120

e. Utiliza tabla.

Ant0 Ant 1 Ant2 Ant3 Ant4 Ant5 Ant6 Ant7 Ant8 40 80 120 160 200

(-160)

240

(-120)

280

(-80)

320

(-40)

360

(0)

F. simular la agrupación de antenas. Ver plano horizontal

83

3. Examen7. Realiza una agrupación de 4 antenas endfire debe quedar así

Fuente: https://books.google.com.mx/books?id=r2sjWIcZhDQC&pg=PT165&dq=campos+radiados+por+agrupaciones&hl=es&sa=X&ved=0CBwQ6AEwAGoVChMIoMrN0MmKxwIVwdWACh2CqAzK#v=onepage&q=campos%20radiados%20por%20agrupaciones&f=false

O libro: de antenas ed. Alfaomega, UPC, CArdana,Jofre,Rius

84

PRACTICA 8 CST. Antena dipolo Introducción. ¿Qué es CST? método del elemento finito. Consiste en separar el espacio a trabajar en triángulos mínimos, los cuales se les aplica las 4 ecuaciones de maxwell a cada elemento triangular lineal.

CST: computer Simulation Technology

CST VERSION CST Studio student Edition 2009

85

Elementos del programa

Desarrollo Para la practica utilizaremos de todas las opciones del menú CST microwave studio

Como vamos a diseñar un dipolo escogeremos realizar antena de alambre

(wire en ingles)

86

Los pasos a seguir aparecen en el menú “solve”, primero asignar unidades (UNITS), luego asignar material, luego frecuencia, condiciones de borde, etc.

Para un dipolo requeriremos como Unidades: Longitud del dipolo en Metros frecuencia: en Mhz, el material será de: tipo conductor es decir algún “metal”, escogeremos FEC. Y estará al aire libre. Empecemos con las unidades. Menú solve, units, escogemos metros y Mhz

Cambiar el valor a MHZ

87

Si no se está seguro en los pasos podemos abrir una ayuda en menú help, nuestro trabajo se enfocara en un análisis transient(transitorio), y ahí te va diciendo si ya hiciste los pasos pedidos.

88

Ahora vamos a ingresar los datos en la parte de lista de parámetros, abajo, pestaña global F=300mhz, lambda=1 d=lambda/2=0.5, frec. Max 300+200, frec min 300-200, gap distancia al centro para que se separe los dos mono polos por alimentación.gap=L/200 aprox.

Continuamos con crear el alambre con una talla dada. Escogemos cilindro en icono a la derecha arriba. “create cylinder”

Nos ubicamos en el espacio para trazar el cilindro, no importa donde les des doble click, para centrarlo, en algún lugar colocar su radio, solo haz varios dobles click para centro, radio externo, altura, radio interno

89

Si tienes problemas y no puede acceder a esta ventana aprieta la tecla esc para salir de colocar el cilindro

finalmente aparece la caja de dialogo grande con los parámetros que podremos modificar a gusto. Lo colocaremos a lo largo de z, y a la orilla la distancia de un gap y la otra distancia L/2, solo crearemos un brazo del dipolo (un monopolo), la idea es copiarlo, desplazarlo exactamente enfrente el otro brazo.

90

SI TUVISTE UN ERROR Y QUIERES REALIZAR UN CAMBIO NECESITAS REGRESAR Y PARA ESO TIENES QUE REALIZAR ESTE PROCESOS .

Para ver mejor este primer alambre escoge :perspective

91

El segundo brazo lo que haremos será, copiarlo y pegarlo en espejo. Primero escogemos componentes, luego dipolo, luego dipolo1. Después escogemos el icono que dipolo “transform” enter , aparece caja de dialogo, escogemos Mirror, copy y Z=1

Checa que aparezca el otro brazo.

Ahora nos acercaremos, en modo zoom para que se vea el gap, pues debe aparecer ya que ahí colocaremos la alimentación.

92

Colocar alimentación. Primero escogemos “PICK circle center point”y luego movemos el mouse para tocar el borde de un mono polo con doble click y de aparecer un punto llamado p1, repetimos los mismo para el otro. Y luego escogemos “puerto discreto”, y se crea la alimentación.

93

Se coloca el valor de 75 OHMS

Asignamos frecuencia Frecuency range

Asignamos excitación por default

Se mantiene el mismo

94

Escogemos monitores para ver que queremos ver Ahora se crean los monitores que deseamos se usa el click derecho

Frecuency range seleccionar estas opciones y presionar Apply

95

Ahora que tenemos todo esto simulamos.

96

97

Luego vamos a solve

Checamos resultados

98

No es lo mejor. Entonces optimizamos el modelo

La Optimización se hará en talla de antena, por eso se escoge L.

Transient solver

99

Y se debe colocar la talla al mínimo.

Resultado de la optimización

100

Nótese que L se modificó a una talla más pequeña y ahora es óptima a 300mhz.

Examen 8: Realizar una antena dipolo para 500mhz, utilizando CST student.

101

Práctica 9. Armado y prueba de 2 antenas Practica ASK

modulacionFIUNAM.

Objetivo: El alumno realizara una antena dipolo y monopolo para los trasmisores que tenemos el a facultad: ASK-433 Mhz. (opcional con FSK- 915Mhz) .

Desarrollo:

El alumno solo adicionara alambritos (protoboard), cortados y unidos a los transmisores.

Se pide al profesor que cuiden los transmisores.

Practica 10. Antena logoperiodica En construcción