antenas_C5

1

UNIVERSIDAD DISTRITAL

FRANCISCO JOSE DE CALDAS

Antenas y propagación de ondasTema V

Por:Carlos A. Suárez F.


FRANCISCO JOSE DE CALDASCONTENIDO DEL CURSO

.Introducción, consideraciones generales y tipos de antenas.

.Parámetros de las antenas.

.Radiación de antenas de conductor simple.

.Análisis y diseño de antenas asistido por computador

Especialización en Telecomunicaciones Móviles Curso 2011/1 LIMER

.Agrupaciones de antenas.

.Bocinas, antenas impresas, reflectores.

.Antenas para terminales móviles.

.Antenas para estaciones base.


FRANCISCO JOSE DE CALDASInicios en antenas de alta ganancia

Monopolo de baja ganancia




Desarrollos actuales en antenas de alta ganancia

Reflector parabólico de alta ganancia


2



Generalidades sobre agrupaciones de antenas

Definición de agrupación




Elementos más usuales en una agrupación

Generalidades sobre agrupaciones de antenas




Tipos de Agrupación de antenas

Clasificación de agrupaciones de antenas




Agrupaciones Lineales



3



Agrupaciones lineales





Agrupación para cobertura en estaciones base





Agrupación plana de Parches





Agrupación plana para radar



4


FRANCISCO JOSE DE CALDASClasificación de agrupaciones de antenas

Agrupación plana (Radiotelescopios)




Agrupaciones Conformadas





Agrupaciones Conformadas





Agrupación logarítmica periódica



5



Agrupación (Yagi-Uda)




FRANCISCO JOSE DE CALDASFactor de agrupación

Parámetros para conformar diagrama de una agrupación

Configuración geométricaó

Separación entre elementos


de la agrupación

Amplitud de las corrientes Fase de las corrientes

Diagrama de radiación del elemento aislado



Agrupación lineal uniforme- Geometría

Factor de agrupación


Fase progresiva

nI a

Amplitudes iguales



1

cos0

0

Njn kd

nn

E r E r a e

Campo radiado por agrupación lineal



Diagrama de la antena básica Factor de agrupación

6



Factor de agrupación lineal - propiedades

1N

jnFA

coskd 1

00

Njn

nn

E r E r a e



Es una función periódica del ángulo ψ, T = 2π. Loscoeficientes de su serie de Fourier son los coeficientesde alimentación an

0

jnn

n

FA a e



Factor de agrupación lineal – margen visible





Como el factor de agrupación es periódico con período 2π, si elmáximo es ψmax, existen máximos periódicos en:

Factor de agrupación lineal - propiedades

2kd



max2m

Cuando estos máximos periódicos se encuentran dentro del margenvisible, aparecen múltiples máximos de radiación en el espacio real,denominados lóbulos de difracción (grating lobes)

m2kd



Relación entre factor de agrupación y diagrama

3

0

jn

n

FA e



4N 2d 2,0, 4

cos 2 cos 3 cos1 j j jE e e e

7


FRANCISCO JOSE DE CALDASContenido del curso

Antenas de banda ancha, agrupaciones de dipolos.- El dipolo plegado.Dipolo plegado sencilloDipolo plegado dobleEjemplo de Diseño

- Antena Yagi-Uda.C t í ti


Características.Campo radiadoDiseño N.B.SEjemplo de diseño

- Antena logarítmica periódicaCaracterísticas.Geometría (Isbell)Diseño CarrelEjemplo de diseño










Dipolo plegado-modelo equivalente

Antenas de banda ancha, agrupaciones de dipolos




Dipolo plegado-Modo línea de transmisión



2LTX

LTX

VI

Z

8


FRANCISCO JOSE DE CALDASAntenas de banda ancha, agrupaciones de dipolos

'0

0 0'

tantan

2tan

L

LTX

Z jZ kl lZ Z jZ k

Z jZ kl

Modo línea de transmisión (con corriente ILTX )



'0

2, 02tan

LL

l l ZZ jZ kl

2 21

0

2 22cosh ln

s s asZ

a a



2s a



2 2

0 10

2 2ln ln 0.733 log

s s a s sZ

a a a



Dipolo plegado-Modo antena


2a

d

VI

Z



Dipolo plegado-modo antena

Modo antena (con corriente Ia )

dZ Impedancia de dipolo con longitud l y radio ae

2sRadio


Radio equivalente ae = f(a)

ea as

Radio

9



Dipolo plegado-radio equivalente



ea as



Dipolo plegado-corriente total

2a

in LTX

II I

2a

d

VI

Z

2LTX

LTX

VI

Z


2

2 4 4d LTX

inLTX d LTX d

V Z ZV VI

Z Z Z Z

4

2LTX d

inin d LTX

Z ZVZ

I Z Z

d



Dipolo plegado-impedancia

42

1

din

d

LTX

ZZ

Z

Z


2l

LTXZ

4in dZ Z

0 tan2LTX

lZ jZ k



Dipolo plegado-factor diferente de 4

22

10 0 2

1 22

log1 log log

logf

s sR R R s

s


2

1 2

1 2.5s

y

2

1 1

1 2.5s

y

Condiciones

10



Dipolo plegado-factor diferente de 4




Dipolo plegado-ejemplo de diseño

15yagi iR

Dipolo sencillo


_y g

Acoplar la antenaa la línea de transmisión

0 75Z



Dipolo plegado-ejemplo

2 110 , 5d mm d mm

2 752 5

dk


2

1

2 515

y kd

2

8.75 8.75 10 87.5s

s mm mmd








11



Antena Yagi-Uda-geometría





Geometría


0.3 0.4iks 0.2 0.25R DAd


0.47 0.49DAl

0.4 0.45drl 0.5 0.525Rl



Campo radiado


'

'

1

cos 2 1 , 1,2,3,...M

n mnm n

zI z I m m

l

I

M modos


mnI Coeficiente complejo de la corriente In para el modo m

'

'

cos 's

4jkr jkz

kI r endE j e e dz

r

Campo eléctricolejano, radiado por un elementosimple



Campo radiado


2

'cos

2

s ' '4

ljkrjkz

l

keE j en I z e dz

r

Campo total radiado por cada elemento


0

2210

1 2 1 cos coss

4 22 1 cos

m njkr mnM

n nm n

lm I

keE j l en

r lm

0 cos cosr r xsen ysen sen z

12



Campo radiado


1

,4

jkrN

n Tn

eE E j F

r

Campo total radiado por N elementos


2

21 1

2 1 cos cos, 1

22 1 cos

n

nmnN M

mjT n

n m n

lm I

F sen l el

m

cos cosn n n nk x sen y sen sen z



Limitación en ganancia





Aplicaciones


HF(3-30MHz)

VHF(30-300MHz)

UHF(300-3000MHz)Radiodifusión de televisión, Estaciones de radioaficionados,Enlaces de radio punto a punto.


En la práctica 6 a 12 directores, algunas hasta 30 a 40 elementos con tamaños hasta de 6λ

Generalidades

El mejoramiento de parámetros como impedancia, ancho de banda, conduce al empeoramiento de otros como: ganancia, NLPS, FTBR.



Características generales


NLPS:

Ganancias: 05 18 iG dB

5 10dB NLPS dB


FTBR:

Impedancia de entrada:

5 15dB FTBR dB

Ancho de banda: 0 0 0 00.1 , 0.02f f f f f f

13



Ancho de banda Vs. directividad





Impedancia





Distribución de corriente





Diagramas



14



National Bureau Standards-diseño general


2 27.1 14.2dB dB

0.4 4.2L Tamaños:

Ganancias:


00.001 0.04d

Número de elementos:

Rango de diámetros:

3 17N



National Bureau Standards-diseño general





National Bureau Standards-ajuste de medidas




Diseño National Bureau Standards-ajuste por soporte


15



Ejemplo: Parámetros de diseño Yagi

Diseñar antena Yagi-Uda con ganancia:

Con ancho de banda para canales del 14 al 24 de UHF

0 11.0 iG dB


Con ancho de banda para canales del 14 al 24 de UHF

Excitada con línea de transmisión de 75Ω

469.8 532.44MHz BW MHz



El ancho de banda de una Yagi-Uda en el mejorde los casos está en el intervalo definido por:

Ejemplo: consideraciones de ancho de banda

0 0 0 00.1 , 0.02f f f f f f


Se elegirá una frecuencia de diseño de: 522cf MHz

469.8 532.44MHz BW MHz



De tabla NBS se extrae como posible solución diseñar unaYagi con 5 elementos cuya ganancia y geometría inicial es:

0 9.2 2.15 11.35i iG dB dB

Ejemplo: solución inicial N. B. S


1 3 20.8 , 0.482 , 0.428 , 0.424R D DL l l l

Esto para el caso en que: 0.0085d

Utilizando tubo de aluminio comercial de diámetro:

1 8'' 3.175mm



300 522 0.5747m m 0.005524 0.0055d Ejemplo: Ajuste inicial por materiales utilizados


' 0.484Rl

1 3' 0.437Dl

2' 0.434Dl

16



Utilizando tubo cuadrado de aluminio como soporte,debemos efectuar corrección por efecto del mismo:

1 2'' 12 7D mm

Ejemplo: Ajuste por empleo de soporte metálico


1 2 12.7D mm

1.27 57.47 0.022D

0.0151l



'' 0.484 0.0151 0.4991Rl ''

1 3 0.437 0.0151 0.4521Dl ''

2 0.434 0.0151 0.4491Dl

Ejemplo: medidas finales con correcciones


2D

Diseño de dipolo excitado

1 1 8'' 3.175d mm 1

11DA

DA

l dA

l d

0.5747 2 0.28735DAl m



Ejemplo: diseño de dipolo excitado0.9891A

' 0.48 0.9891 0.4747DAl


Diseño del dipolo plegado

_ 5

9.6 18.4 53.3 19.325.15

4inZ



Ejemplo: Diseño del dipolo plegado

753

25k 4k


2 1 1d d 2 1 0.5d d

1 1 8'' 3.175d mm 2 10.5 1 16 ''d d

17



2 1 0.5d d

Ejemplo: Diseño del dipolo plegado


753

25k

2

16.25 6.25 2.54 1

16

ss Cm Cm

d



Acople gamma




Antenas Yagi-Uda comerciales









18



Antena logarítmica periódica- geometría

Isbell - DuHamel




Características generales


NLPS:

Ganancias:

FTBR

2 0 26.5 10.5dB D dB En general no hay lóbulos secundarios

5 20dB FTBR dB


FTBR:

Impedancia de entrada:

Ancho de banda:

Hace parte del diseño

30 :1BW

Excitación: Balanceada/desbalanceada

5 20dB FTBR dB



Recomendaciones prácticas

2 0 26.5 10.5dB D dB

2 0 26.5 7.5dB D dB Práctico


2 0 26.5 7.5dB D dB

30 :1BW

Práctico

10: 1 Recomendable para diseñopropuesto por Carrel



TV en VHF (todos los canales)

TV en UHF (todos los canales)

C di l V t d l t d TV VHF UHF

Aplicaciones


Con dipolos en V, todo el espectro de TV: VHF-UHF

Estudio de espectro, (Monitoreo)

Enlaces ionosféricos en HF

Alimentadores de reflectores

19



Configuraciones de antena logarítmica periódica

Desfase de 180º


Desfase de 180º



Excitación no balanceada




Periodicidad de una Logarítmica

12 1

2

,f

f ff


22 1

1

1ln ln ln ln

ff f

f

2 1

1ln ln lnf f f



Variación de parámetros por ciclo

Ciclo Repetición


11 2

ff f f

1 1

1, 1, 2,3,...

n n

f ff n

20



Variación de la impedancia de entrada por ciclo




Variación de la ganancia y VSWR por ciclo




Geometría

Isbell


, , y



1 1 1 12 2 2 21 n n n nl X d sl X d s

Construcción geométrica

Geometría

Isbell


1

12n n

n

X X

l

1 1 1 12 2 2 2

1 1 1 1

n n n n

n n n nl l X X d d s s

1 1tan

4

21



1

12n n

n

X X

l

X X12

n

nl

Isbell

Geometría


1n n nX X

1 1cot

4 4tng

1 1tan

4



Resultados Isbell

10º 45º

Óptimos


10º 45º

0.7 0.95



Diseño Carrel

Carrel




Ecuaciones generales de diseño

21.1 7.7 1 cotraB

Ancho de banda de la región activa

Carrel


Ancho de banda de servicio

21.1 7.7 1 cots raB BB B

max

min

fB

f

22



Ecuaciones generales de diseño

Longitud total de la agrupación

max 11 cot

4L

B

max maxi

2 1.1c

lf


4 sB minf

ln1

ln 1sB

N

Número de elementos



Ecuaciones generales de diseñoImpedancia característica promedio de los elementos

120 ln 2.25na

lZ

d

max minl l

d d


nd max mind d

0cosh120

Zs d

Parámetros que definen impedancia de la agrupación

'



120 ln 2.25na

n

lZ

d

Diseño Carrel


'

0inR R

Z0



max0

0.5

tan N

lL X

Geometría


2 3 21 1 1 1 1... N

N N N N NL

1N

N

X

X

23



1

2 3 21 1

11 ...

1

NN

N NL

1

Geometría


1 1

1

1N NL

1

1

N

nn

L



Ejemplo de diseño

250 1000MHz BW MHz 0 7.5 iD dB 0 50R


0.82, 0.15



Ejemplo de diseño

1tan 0.3 16.7º , cot 3.33

4


2 21.1 7.7 1 cot 1.1 7.7 1 0.82 3.33 1.931raB

1000 250 4B MHz MHz

4 1.931 7.724s raB BB



Ejemplo de diseño

maxmin

3001.1 1.1 1.32

250

cm

f

1 1 32 1


max 1 1.32 11 cot 1 3.33 0.957

4 4 7.72s

L mB

ln ln 7.721 1 11.298

1ln 1 ln0.82

sBN

24



Ejemplo de diseño

max11

1.320.66

2 2l m

10 11 0.541l l m 9 10 0.444l l m 8 9 0.364l l m


7 8 0.298l l m 6 7 0.245l l m 5 6 0.201l l m

4 5 0.165l l m 3 4 0.135l l m 2 3 0.111l l m

1 2 0.091l l m



Ejemplo de diseño

1011 11 11 0.66 0.82 0.091l l m Prueba:

1 10 10

1 0.820.957 0.2

1 0 82N m


1 0.82

9 10 0.2 0.82 0.164m m

8 9 0.164 0.82 0.134m m

7 8 0.134 0.82 0.110m m

6 7 0.110 0.82 0.09m m



Ejemplo de diseño

5 6 0.09 0.82 0.074m m

4 5 0.074 0.82 0.061m m

0 061 0 82 0 05m m


3 4 0.061 0.82 0.05m m

2 3 0.05 0.82 0.041m m

1 2 0.041 0.82 0.034m m

Prueba:1

1

0.958N

nn

L m



Ejemplo de diseño

''1 16 1.5875mm ''1 2 12.7mm ''1 25.4mm

Tipos de tubos de aluminio

El á El á


Elementos máspequeños

Elementos másgrandes

Soporte

max

max

66051.97

12.7

l

d min

min

9157.32

1.5875

l

d

25



Ejemplo de diseño

660120 ln 2.25 204.077

12.7aZ


0 50R

0

204.0774.081

50aZ

R



Ejemplo de diseño

50R

' 0.15 0.82 0.1656

R R


0 50R

0 1.2 50 60Z

0

204.0774.081

50aZ

R

0inR R



Ejemplo de diseño

0 60cosh 25.4cosh 28.642

120 120

Zs d mm

Problema


Separación entre bordes de los tubos del soporte es 3.24mm !

Solución

25.4 0.29 25.4 7.366b mm a mm mm



Notas prácticas


Antena solo para transmisión Antena solo para recepción

26



Antena logarítmica periódica-Diseño comercial




GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Documents

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