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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA II Laboratorio 7 Patrones de Radiación y Acoplamiento Mediante Stubs 1. OBJETIVO GENERAL Al finalizar este experimento el estudiante estará en capacidad de realizar mediciones de patrones de radiación de antenas, así como de calcular a partir de estos el ángulo de media potencia, la relación frente-espalada y la ganancia de la antena respecto a una antena de referencia. Además se determinará experimentalmente la respuesta en frecuencia de un sistema de acople con stub y la respuesta en frecuencia de una antena. 2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 2.1. Definir los conceptos de ganancia de antena, relación frente espalda y ángulo de media potencia. 2.2. Explicar cómo se mide el patrón de radiación horizontal y vertical de una antena. 2.3. Describir las características principales de los patrones de radiación de las antenas dipolo doblado de λ/2, simple y con reflectores, y la antena dipolo de λ de gran ancho de banda. 2.4. Determinar la frecuencia de operación óptima de una antena. 2.5. Determinar la frecuencia de operación de un sistema de acople con stub. 3. CUESTIONARIO PREVIO 3.1. Dos antenas A y B tienen exactamente la misma geometría y se midieron bajo las mismas condiciones. Justifique por qué razón las ganancias de potencia son diferentes, ya que G A = 3.5dB y G B = 2.7 dB . 3.2. La figura 1, presenta el patrón de radiación vertical de una antena muy direccional. La medición fue hecha a una distancia de 10km de la antena. El plano xy constituye el plano de tierra: 3.2.1. Obtenga del diagrama el ángulo de media potencia AMP del lóbulo principal. Márquelo en una copia de la figura 1. 3.2.2. Calcule la relación frente-espalda: RFE = 10 log(PLP PLS ) , donde PLS es la densidad de potencia máxima del lóbulo-espalda y PLP es la densidad de potencia máxima del lóbulo principal. Recuerde además que G K2 P = E η , para valores rms de campo; η corresponde a la impedancia intrínseca del espacio. K Figura 1. Patrón de radiación vertical donde E MAXrms = 150 mV m , para la pregunta 3.2. 3.2.3. Calcule la densidad de potencia recibida a 5km en θ = 80º . Use el sistema estandarizado de coordenadas esféricas. 3.2.4. ¿A qué distancia sobre el plano θ = 90º se mide la misma densidad G del punto 3.2.3? Considere que P = (k r )F (θ , φ ) , donde k = cte , r es la distancia de la fuente al punto de medición y F (θ , φ ) es el direccionalidad (finalmente un número). factor de 3.3. La expresión βA βA cos 2 cos θ − cos 2 , donde β = 2π , Eθ = Bo λ senθ da el campo eléctrico Eθ (θ ) de una antena dipolo de largo total A muy delgada colocada a lo largo del eje z . B0 es una constante: 3.3.1. Grafique en coordenadas polares la magnitud del campo eléctrico K Eθ según se varía el ángulo 0º < θ < 180º para los dipolos más usados: A = λ 2 y A = λ (dos gráficos). Normalice haciendo B0 = 1 . 3.3.2. Determine e indique en los mismos gráficos, los ángulos de media potencia AMP en grados. Anote esos valores en la tabla 2 como AMP teórico. ¿Cuál dipolo es más direccional? 3.4 Investigue como se realiza el acoplamiento mediante el método de 1 Stub utilizando la Carta de Smith. Presente una descripción del método. Ver documento: "Acoples_Stubs.pdf" disponible en la web del curso. 4. EQUIPO 1 Transmisor SO 4100-1A 1 Receptor SO 4100-3A 2 Cables RG-58 1 Antena dipolo doblado 1 Antena dipolo doble 1 Antena dipolo doblado con reflectores 1 Antena dipolo de λ de gran ancho de banda (onda completa o full wave) 1 Analizador de espectros HP 8591E y Agilent N1996A-506 Cables L1 y LS de 8 y 8.5 cm respectivamente. 1 unión T 1 cortocircuito 1 resistencia terminal de 50 Ω y de 75 Ω 1 regla graduada en cm 1 Llave USB para grabar las imágenes en el analizador de espectros N1996A-506 5. PROCEDIMIENTO NOTAS PREVIAS • • • • Para poder comparar la potencia radiada por los diferentes dipolos, debe mantener la potencia de transmisión constante. No exceda los 200mW en el transmisor. Durante las mediciones no debe haber cambios en la posición de objetos y personas dentro del cubículo. Hagan un ESQUEMA del cubículo con las antenas transmisora y receptora. Indique la posición de la antena receptora para el ángulo de arranque (0°) y la distancia eléctrica del Transmisor al Receptor. Note que por lo general a un lado está el conector y al otro los lazos de acople y simetrización. Indique dónde se encuentran grandes superficies reflectoras, como por ejemplo las verjas de las ventanas. El valor del campo a medir varía, así que deberá tomar un promedio de esas fluctuaciones. 5.1. Patrones de radiación horizontal 5.1.1. Use la antena Yagi en el transmisor montada horizontalmente como se muestra en la figura 2. 5.1.2. Como primera antena de prueba ensamble el dipolo doblado en el mástil del receptor también en polarización horizontal. 5.1.3. Se medirá la señal recibida conectando la antena receptora directamente al analizador de espectros. 5.1.4. Ajuste el transmisor a 200mW y alinee ambas antenas para máxima recepción. Dirija la antena Yagi del transmisor hacia el punto de recepción antes de tomar valores. 5.1.5. Busque la frecuencia del transmisor, 433MHz , con un SPAN de 10MHz . Use la escala lineal (mV). Para la lectura de las amplitudes use el MARKER. Seleccione un ancho de banda BW adecuado. 5.1.6. Busque la dirección en que se obtiene la máxima radiación e inicie las mediciones asignando a dicha dirección el ángulo de 0°. 5.1.7. Rote la antena receptora en pasos de 10° desde 0 hasta 350°. Anote en la tabla 2 el ángulo y el valor de voltaje respectivo medido en el analizador de espectros. Identifique claramente la tabla. 5.1.8. Mientras se ejecuta la medición, la potencia de salida del transmisor debe mantenerse constante, así que se recomienda que un estudiante esté permanentemente junto a la antena transmisora controlando ese valor sin moverse mucho. Nota importante: después de girar cada ángulo, retire la mano de la base del receptor antes de tomar la medición. 5.1.9. Mida la distancia de la antena transmisora a la receptora. Este dato debe aparecer en el reporte. Esta distancia no se debe cambiar al realizar las mediciones para diferentes antenas. 5.1.10. Reemplace el dipolo doblado por el dipolo doblado con reflectores en polarización horizontal y repita la medición y llene la columna respectiva de la tabla 2. 5.1.11. Finalmente monte la antena dipolo de longitud λ (full wave) en el receptor y repita la medición. Compare el valor de voltaje máximo recibido con los casos anteriores para potencia transmitida constante ( 200mW ). Anote los valores medidos en la tabla 2. 5.2. Patrón de radiación vertical 5.2.1. Monte la antena de dos elementos en el transmisor en posición vertical y en el receptor ensamble el dipolo doblado con reflectores, también verticalmente. Vea la figura 3. 5.2.2. Proceda como se hizo en los puntos de 5.1.3 a 5.1.8 del apartado anterior. Llene la tabla 2 y registre el diagrama de radiación vertical. 5.3. Procesamiento de los datos 5.3.1 Agilice la elaboración de diagramas empleando la graficación polar en EXCEL® o en Matlab®. Realice un diagrama por hoja, evite figuras muy pequeñas. Adjunte las tablas de datos en el informe. Grafíquense los valores tomados en mW . 5.4. Respuesta en frecuencia 5.4.1 Ensamble el sistema de acoples con stubs. Utilice la línea L1 para conectar la carga con el conector tipo T y la línea LS como el stub. Las líneas de transmisión son de 50 Ω y la carga a utilizar es de 75 Ω . Utilice un cable de 50 Ω para conectar el ensamble con el analizador de espectros Agilent N1996A-506. Mida cuidadosamente los largos reales de las líneas L1 y LS . Haga esto considerando las distancias desde las cargas (tanto de la línea L1 y LS ) hasta el centro del conector tipo T. 5.4.2 Determine la respuesta de frecuencia en el rango de 0 a 6 GHz del ensamble utilizando como carga del stub un cortocircuito. Para esto siga las indicaciones del documento: "Stimulus_Response_Measurement_Suite.pdf" disponible en la web, utilizando la prueba: Return Loss. Recuerde grabar en una llave USB las imágenes obtenidas. 5.4.3 Determine la frecuencia(s) de operación del ensamble. ¿Qué valor de SWR debe presentar el ensamble en la frecuencia de operación? ¿Porqué? 5.4.4 Repita los pasos 5.4.2 y 5.4.3 para una carga de stub infinita. 5.5.5 Determine la frecuencia(s) de operación para las antenas utilizadas. 6. ANALISIS DE RESULTADOS Y EVALUACION 6.1. Obtenga e indique claramente para cada diagrama: a. El ángulo de media potencia AMP experimental, definido entre los valores correspondientes a 0.707 del valor máximo de voltaje medido en el lóbulo principal. El AMP teórico se obtuvo en el cuestionario previo, así que ya ese valor debe estar en la tabla 1. b. El valor en decibeles de la relación frente espalda RFE. Use la expresión RFE = 20 log(VLP VLS ) , donde VLP es la tensión del lóbulo principal y VLS la del lóbulo secundario. c. La ganancia G en la dirección de máxima radiación de cada antena respecto al dipolo doblado de λ 2 sin reflectores, usada aquí como antena de referencia. Use la expresión 20 log(Vmax Vλ 2 ) donde Vmax es el voltaje máximo recibido para la antena de prueba en su lóbulo principal y Vλ 2 es el voltaje en la dirección de máxima radiación del dipolo doblado de λ 2 sin reflectores. NOTA: Recuerde que los cálculos comparativos entre diferentes antenas sólo son válidos si la distancia del transmisor al receptor y la potencia de transmisión se han mantenido constantes. 6.2. Llene la tabla 1 con todos los resultados que permitan una rápida visualización de las características de cada antena como se muestra a continuación. Anote en la tabla 1 los valores correspondientes a las mediciones para polarización horizontal únicamente. 6.3. ¿Por qué la ganancia de la antena dipolo de λ (full-wave) es menor que las otras? Compare la forma geométrica y analice la definición de la ganancia de antena. Considere la capacitancia distribuida C ′ de esa antena y su relación con la atenuación α por efecto del conductor. 6.4. A partir de las mediciones hechas en los puntos 5.1 y 5.2, compare y comente los patrones de radiación vertical y horizontal de la antena dipolo doblado con reflectores. ¿Se muestra direccionalidad en ambos? 6.5. ¿Es la antena dipolo de λ más direccional que el dipolo doblado? Justifique en base a lo que establece la teoría de dipolos, use la expresión de campo vista en el curso de teoría. Compare los AMP teóricos (cuestionario previo) con los experimentales para las antenas dipolos de λ y λ 2 . Figura 2. Arreglo de medición, a la izquierda la antena Yagi transmisora. Figura 3. Arreglo de medición de los patrones de radiación verticales, polarización vertical. Tabla 1 Valores característicos de la antenas, polarización horizontal ANTENA AMP teórico [°] AMP exper [ °] RFE [ dB ] G [ dB ] Dipolo doblado Dipolo doblado con reflectores Dipolo de λ (full-wave) Separación antena transmisora – antena receptora: d = _______________ m Potencia del transmisor: P = _______________ mW 6.6 Describa e interprete el significado de las imágenes obtenidas en el punto 5.4. Compárelas en cuanto a respuesta de frecuencia y frecuencia de operación. ¿Qué conclusiones logra obtener? 6.7 Analice teóricamente, mediante la Carta de Smith, el acople mediante stubs para carga de cortocircuito y circuito abierto a una de sus frecuencias de operación. Tabla 2 Intensidad recibida en el analizador de espectros en mV . Angulo [º] 0 ó 360 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 340 350 Polarización Polarización horizontal vertical Dipolo doblado Dipolo doblado Dipolo de onda Dipolo doblado con reflectores completa con reflectores