ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica Experiencia N°4 Caracterización de Antenas Objetivos 1. Conocer los fundamentos básicos, características, parámetros y aplicaciones de las antenas que forman parte de los sistemas de telecomunicaciones. 2. Aprender técnicas de medición de los parámetros básico de una antena, con aplicación en una antena patch y antena helicoidal. 3. Conocer y utilizar instrumentos e infraestructura para mediciones en RF, incluyendo el uso de un vector network analyzer (VNA) y cámara anecoica. 4. Medición del diagrama de radiación de diferentes antenas y realizar cálculos de parámetros de interés. 5. Contrastar resultados de mediciones con cálculos teóricos. Introducción Una de las tendencias preponderantes en el mundo de las telecomunicaciones hoy en día es proveer de acceso inalámbrico a los servicios que ofrece el mercado. Las comunicaciones inalámbricas, fijas y móviles, no sólo apuntan a aplicaciones como la telefonía, sino que también a la transmisión y recepción de datos, multimedia y redes de computadores en general. La transmisión vía radio se caracteriza por utilizar un medio de transmisión cuyo espectro radioeléctrico es un recurso escaso, que se comparte y reutiliza, y por lo tanto entre las numerosas y múltiples aplicaciones inevitablemente se produce algún grado de interferencia. Por este motivo, y también por razones como lo autonomía en el caso de los equipos móviles, subsistemas de telecomunicaciones como las antenas deben ser diseñados para hacer un uso eficiente de la potencia disponible, ya que estos elementos constituyen la interfaz entre el medio y los equipos de transmisión. Una antena se puede definir como un transductor (o elemento adaptador) entre una onda eléctrica (o electromagnética) que se propaga desde una línea de transmisión (o guía de andas) hacia el espacio en forma de onda electromagnética, y viceversa. El diseño o selección de las antenas debe considerar una serie de parámetros y características apropiados según la aplicación, que en conjunto definen el tipo, configuración y dimensiones de una antena, algunas de las características más relevantes a considerar son: frecuencia de resonancia, impedancia de entrada, ancho de banda, polarización y diagrama de radiación (distribución direccional de la potencia radiada) del campo electromagnético transmitido, ganancia, ancho de haz de -3dB y nulos del diagrama de radiación, etc., sin dejar de lado las dimensiones físicas, que por motivos obvios siempre es deseable que sean mínimas. Algunos ejemplos en que algunas características son más importantes de cumplir que otras son: antenas para transmisión de canales de televisión, cuyos significativos anchos de banda de resonancia se logran utilizando gruesos tubos conductores; antenas para radar y comunicaciones satelitales, donde la alta selectividad espacial y ganancia se logra con diagramas de radiación muy directivos (anchos de haz muy estrechos); antenas omnidireccioneles, cuyo diagrama de radiación ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica debe distribuir la potencia hacia todas las direcciones en un plano para dar cobertura simultánea a múltiples usuarios, como por ejemplo es el caso de la radiodifusión; antenas con polarización circular, apropiadas cuando uno o ambos extremos del enlace son móviles, sin requerirse alineación de polarización entre las antenas, etc. Una antena puede estar constituida a su vez por un conjunto de antenas, típicamente todas iguales, cuyas señales pueden ser ponderadas y combinadas para conseguir diagramas de radiación capaces de anular interferencias y reforzar las señales de interés, esto da lugar a las antenas tipo array adaptivo o inteligentes, que en base al procesamiento de la señal recibida y mediante algún algoritmo de seguimiento, pueden maximizar en forma dinámica la relación señal a ruido recibida, forzando nulos en el diagrama de radiación en las direcciones de las interferencias y máximos en las direcciones de las señales a recibir. Descripción de parámetros relevantes en antenas Se incluyen a continuación en forma resumida algunos de los parámetros y características relevantes de una antena. 1. Impedancia de entrada La impedancia de entrada en los terminales de entrada de una antena se puede representar de la siguiente forma: 𝑍𝑖𝑛 = 𝑅𝑖𝑛 + 𝑗𝑋𝑖𝑛 [] donde: (1) 𝑅𝑖𝑛 : resistencia de entrada, [] 𝑋𝑖𝑛 : reactancia de entrada, [] La resistencia de entrada está dada por: 𝑅𝑖𝑛 = 𝑅𝑟𝑎𝑑 + 𝑗𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠 [] (2) donde: 𝑅𝑟𝑎𝑑 : resistencia de radiación equivalente, asociada a la potencia que la antena entrega al medio de propagación en forma de onda electromagnética. 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠 : resistencia equivalente de pérdidas, asociada a la potencia que se consume en la propia antena en los conductores y en el material dieléctrico aislante. La reactancia 𝑋𝑖𝑛 de una antena está asociada a la potencia reactiva en sus terminales, y puede ser capacitiva o inductiva dependiendo del tipo de antena y de la frecuencia de excitación. Se dice que una antena está en resonancia cuando la reactancia en función de la frecuencia es nula (o mínima), es decir que prácticamente la totalidad de la potencia inyectada a la antena es radiada (la potencia disipada generalmente es pequeña). ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica 2. Diagrama de Radiación Es la representación tridimensional del valor promedio del vector de Poynting asociado a una antena. Se divide en “lóbulos”, regiones cerradas donde la radiación es continua. Los lóbulos están separados por puntos donde no hay radiación llamados “nulos” del patrón de radiación. El lóbulo con la mayor parte de la radiación es el lóbulo principal y puede haber más de uno con igual magnitud. Si hay más lóbulos se llaman secundarios y dependiendo la posición donde se presenten, se llaman laterales o posteriores. Para ciertas aplicaciones es requerido reducir la magnitud de los lóbulos secundarios, esto se logra con un diseño adecuado. Figura 1. Diagrama de radiación genérico de una antena Cuando se define el diagrama o patrón de radiación de una antena, generalmente se encuentran los términos de “plano azimutal” y “plano de elevación”. Éstos por lo general se definen como planos relativos a la posición final de la antena. El plano azimutal es comúnmente también denominado “plano horizontal”, mientras que el plano de elevación toma el nombre de “plano vertical”. Ambos planos son generalmente graficados en coordenadas polares, como muestra la Figura 2(a). Esto da la posibilidad de visualizar cómo la antena irradia en todas las direcciones. Nótese que dependiendo de la polarización de la antena y posicionamiento de éstas, ambos planos son generalmente también denominados “plano eléctrico” o “plano-E” y “plano magnético” o “plano-H”. Ocasionalmente, puede ser útil graficar los diagramas de radiación en coordenadas cartesianas (rectangulares), como muestra la Figura 2(b), especialmente cuando el diagrama contiene varios lóbulos laterales y es de interés visualizar correctamente la amplitud de éstos. Figura 2. Ejemplo de diagrama de radiación graficado en coordenadas polares y cartesianas ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica 3. Potencia radiada Es la integral del vector de Poynting en una superficie cerrada que envuelve totalmente la fuente de radiación (antena). 𝑃 = ∮ 𝑆 ∙ 𝑑𝑎 = 𝑃𝑟𝑎𝑑 + 𝑗𝑃𝑥 [] (3) La potencia radiada es una cantidad compleja, la parte real es la potencia radiativa (𝑃𝑟𝑎𝑑 ) y la parte real es la potencia reactiva (𝑃𝑥 ). La potencia radiativa se transfiere a un medio y la reactiva no. Ésta última no se puede aprovechar para transmitir energía. 4. Ganancia de la antena La ganancia de una antena se define la relación entre la densidad de potencia radiada por la antena en una dirección en particular y la densidad de potencia que radiaría en la misma dirección una antena de referencia a igual distancia y potencia entregada a la antena. Comúnmente, en esta definición se utiliza una antena isotrópica como referencia, la cual tiene un diagrama de radiación idealmente uniforme en todas direcciones. Eso significa que la ganancia de una antena isotrópica es G=1 (= 0 dB). Así, la unidad de medida de la ganancia de una antena generalmente se expresa en dBi (decibeles relativos a una antena isotrópica). 5. Ancho de haz a 3dB El ancho de haz a 3dB (o ancho de haz de media potencia) de una antena es típicamente definida para cada uno de los planos de radiación. Éste se define como el ángulo entre los puntos del lóbulo principal de radiación que contienen una ganancia superior a la mitad de la ganancia máxima del patrón, tal como se muestra en la Figura 2(a) con líneas azules. Así en el ejemplo de la figura, el ancho de haz en el plano graficado en la Figura 2 es de 37 grados aproximadamente. Antenas con un lóbulo de radiación ancho típicamente poseen baja ganancia, mientras que antenas con un angosto haz (lóbulo principal) de radiación poseen alta ganancia y suelen denominarse como antenas altamente directivas. Nótese que el ancho de haz también puede ser definido como el ángulo comprendido entre los primeros nulos del diagrama de radiación, a lo cual se le denomina “ancho de haz entre nulos”. Descripción de una antena parche (antena patch) Este tipo de antenas están basadas en la tecnología de circuito impreso o microstrip para crear estructuras radiantes planas sobre un dieléctrico y un plano de tierra conductor, tal como muestra la Figura 3. El atractivo de estas antenas microstrips está en permitir dimensiones compactas con un bajo costo de manufacturación y alta confiabilidad. ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica Figura 3. Ejemplo de antena parche o antena patch. En una antena de longitud L y ancho W, la onda incidente suministrada en la línea de alimentación crea una resonancia fuerte dentro del parche, resultando en na distribución especifica de los campos en la región del dieléctrico inmediatamente debajo del parche. Los campos eléctricos resultantes so aproximadamente perpendiculares a la superficie del parche, siendo las líneas de campo magnético paralelos a ella. El patrón de radiación resultante depende de la longitud L y ancho W, en relación a la longitud de onda de la señal a transmitir/recibir. El diagrama de radiación de potencia radiada relativa al plano del conductor radiante de una antena parche está dado por la siguiente representación gráfica en función espacial: 𝑘0 𝐿 𝑘 𝑊 𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜑) 𝑠𝑒𝑛 ( 0 𝑐𝑜𝑠𝜃) 2 2 𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑘0 𝐿 𝑘0 𝑊 𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜃 2 2 𝑠𝑒𝑛 ( 𝑃(𝜃, 𝜑) = (3) donde 𝜃 es el ángulo azimutal y 𝜑 es el ángulo de elevación en coordenadas esféricas, 𝐿 y 𝑊 son las dimensiones físicas de la antena y 𝑘0 es el número de onda de la señal. Informe Previo 1) Defina los siguientes conceptos asociados a antenas: Campo cercano y lejano Polarización ROE Directividad Eficiencia 2) Grafique con un programa matemático el diagrama de radiación de una antena patch en los dos planos de radiación principales (azimutal y elevación) y además de un gráfico 3D del patrón (escoja un ángulo adecuado para su gráfico, en modo que se pueda apreciar claramente la forma del diagrama en 3 dimensiones). Se sugiere utilizar Matlab y realizar los gráficos en coordenadas polares (para los planos 2D) y coordenadas esféricas (para el diagrama de radiación completo en 3D). ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica 3) Averigüe, idee y describa los métodos básicos y criterios de medición para determinar los siguientes parámetros de antenas. Considere que en lugar de un generador RF, analizador de espectros, acoplador (bi)direccional, etc., usted dispone de un instrumento VNA: vector network analyzer que incluye casi todo. Incluya diagramas de conexiones. ROE o coeficiente de reflexión. Ancho de banda. Diagrama de radiación en los planos de la antena. Ancho de haz a 3dB 4) Determine los factores que puedan inducir a errores en las mediciones y sugiera alguna forma que podría minimizarlos. 5) Investigue qué es y para qué se utiliza una Cámara Anecoica de radiofrecuencias (electromagnéticas). Describa sus principales funciones, características y aplicaciones. Describa cómo se utilizan para la caracterización de antenas. Asuma que dentro de la cámara existe una antena transmisora conocida en una posición fija y una antena de prueba (a caracterizar), cuya posición se encuentra controlada por un sistema mecánico que la hace rotar sólo en sentido azimutal. Incluya diagramas de cómo caracterizar la antena dentro de la cámara anecoica. Note que también existen cámaras anecoicas acústicas, las cuales NO son de interés en este caso. IMPORTANTE: Antes de la experiencia, lea el anexo con el Manual Básico de la Cámara Anecoica disponible en el Departamento de Electronica. El anexo se encuentra en AULA. Sin haber leído este documento, NO podrá realizar la experiencia el día dispuesto. Procedimiento de Laboratorio 1) Para el desarrollo de la experiencia se dispone de los siguientes elementos: Analizador de redes vectorial, VNA, Rohde&Schwarz, ZVRE, 9kHz a 4GHz. Dispone de interfaz para conexión a PC. Para medir impedancia de antena y/o coeficiente de reflexión, y diagramas de radiación. Una antena patch y una antena helicodal para caracterizar, además de una antena transmisora fija y conocida. Cámara anecoica para medir los diagramas de radiación de las antenas entregadas. Soporte y base giratoria controlada por PC para medir diagramas de radiación. Ubicado dentro de la cámara anecoica. Cables, conectores, computador, etc. 2) Mida en la cámara anecoica y con VNA los diagramas de radiación de la antena parche entregada. Mida los planos eléctrico y magnético. En este caso el VNA se usa para medir el coeficiente de transmisión entre una antena radiante y la antena bajo prueba, que es la que se hace rotar, así el resultado es una medida relativa de la ganancia vs dirección de la antena bajo prueba. Ponga atención en usar la polarización adecuada en cada caso. Justifique los resultados en relación a lo esperado teóricamente. Siga (parcialmente) las instrucciones del anexo con el Manual Básico de la Cámara Anecoica (consulte al ayudante y profesor por las diferencias en el procedimiento). ELO 253: Lab. de Líneas, Guías y Antenas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica 3) Mida y posteriormente calcule (en la cámara anecoica y con VNA) la diferencia de ganancia existente entre una recepción con polarización paralela y cruzada. Para ello, verifique la polarización de la antena transmisora y mida la potencia recibida cuando la antena receptora se alinea con la misma polarización que la transmisora. Posteriormente, gire la antena receptora en 90° y mida la potencia recibida (ésta corresponde a una medición con polarización cruzada perpendicular). En base a las mediciones, calcule la diferencia de ganancia entre ambas polarizaciones. 4) Mida en la cámara anecoica y con VNA los diagramas de radiación de la antena helicoidal entregada. Note que, dada la simetría del patrón de radiación de este tipo de antenas, en este caso es posible obtener un gráfico 3D del diagrama de radiación completo. Para medirlo, siga exactamente los pasos indicados en el anexo con el Manual Básico de la Cámara Anecoica. 5) Mida el coeficiente de reflexión y/o ROEV en función de la frecuencia para ambas antenas de prueba (parche y helicoidal). A partir de los gráficos obtenidos, estime el ancho de banda de cada antena. Informe Final 1) Presente, analice y comente los procedimientos y resultados obtenidos en el laboratorio. 2) Haga contrastaciones entre lo indicado en la teoría y lo observado en la práctica. 3) Haga sugerencias y/o comentarios respecto al trabajo previo y práctico realizado. Observación: Presente, analice y comente todos los resultados que estime conveniente, adicionalmente a lo que se pide en el informe final. Haga sugerencias y comentarios respecto al desarrollo de la experiencia. Bibliografía C. Balanis, “Antenna Theory“, John Willey & Sons, New York, 1997 Cardama, Jofré, Rius, Romeu, “Antenas”, Alfaomega, Barcelona, 2000 D.C. Green, “Radio Systems Technology”, Longman Scientific & Technical, New York, 1990. R. González, R. Rey, “Diseño y desarrollo de experiencias para el laboratorio de Líneas, Guías y Antenas”, Memoria de Título, UTFSM, 2001. Internet y artículos científicos (utilice fuentes confiables y repórtelas en sus informes)
