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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA I ZTAPAL APA
M. en C. FAUSTO CASCO
c 151 . A S E S O R
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[DISENO Y CARACTERISTICAS DE ANTENAS Y TRASMISOR SEGUN SU USO PARA LA BANDA DE VHF 9
/ CARLOS ALBERTQ ORTIZ LIBREROS
2 JOSE ANTONIO NIETO IRIGOYEN JUAN CARLOS ROCHA LACKIZ
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA
PROYECTO TERMINAL DE INGENIERIA ELECTRONICA
COMUNICACIONES
TRIMESTRES 92-0 A 93-1
1 INTRODUCCION
1.1 Los orígenes de la teorla electromagnética
y las primeras antenas.
2. CONCEPTO8 BABICOB DE MIT-
2.1 Definiciones
2.2 Tipos de antenas
2.3 Parhetros de las antenas
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
2.3.8
Características de radiación
Directividad, ganancia y eficiencia
Ancho de banda
Polarización
Impedancia de entrada
Resistencia de radiación
Antenas con elemento de corriente
Antenas de abertura
1
5
7
8
8
9
12
13
14
15
15
16
3. ALQUEJAS MUESTRAS DE AMTBMAS
3.1 Antena tipo dipolo 17
3.2 Patrón de radiación vertical de una antena dipolar 18
3.3 Antena omnidireccional de 3 dB de ganancia 19
3.4 Patrón de radiación vertical de una antena
omnidireccional . 21
3.5 Antena direccional de polarización vertical (tipo Yagi) 22
3.6 Patrón de radiación horizonal de la antena direccional tipo Yagi 23
3.7 Antena omnidireccional de ganancia unitaria 24
3.8 Patrón de radiación de la antena omnidirecional unitaria 25
4. COSTOS Y CARACTERISTICAS DE AMTBMAS E# EL MERCADO
4.1 Antecedentes teóricos
4.2
4.3 Conclusiones
Analisis de costos y características
26
28
30
5. TRANSMISOR DE FM PARA PRUEBAS DE CAMPO
5.1 Tipo de transmisor usado 31
5.2 Descripción del cicuito transmisor 31
5.3 Importancia del blindaje del circuito de la emisora 35
5.4 Antena usada en la prueba 35
5.5 Resultados 36
5.6 Conclusiones 37
6.1 Espectro electromagnético
6.2 Diagrama del circuito transmisor de FM
6.3 Componetes del circuito
42
43
43
BIBLIOGRABIA
Desde Hertz y Marconi, las antenas han incrementado su
importancia para nuestra sociedad hasta ser indispensable el día de hoy.
Se encuentran en muchas partes : en nuestras casas y lugares de trabajo,
en los autos y las aeronaves, mientras que barcos, satélites y naves
espaciales están llenos de el las.
Aparentemente las antenas mantienen una sencilla arquitectura se
podría decir que solo existe una forma de el las. S in embargo solo
existe una enorme variedad de el las operando con los mismos principios
básicos de electromagnetismo.
1.1 Los Orígenes de la teoría electromagn6tica p las primeras
antenas.
E l orígen de l a teoría electromagnética se remonta a 600 años A.C.
donde nos encontramos con un matemátiico, fi lósofo y astrónomo griego de
nombre Thales de Mileto. E l notó que cuando e l ámbar era frotado con una
piel , se producía una chispa en e l momento de acercarlo a otro objeto, y
que además tenía un poder mágico de atracción de partículas.
De ésta forma, ámbar en Griego se denomina electrón y de ahí
provienen las palabras: electricidad, electrón y electr6nica. También,
Thales descubrió el poder de atracción entre partes de una roca de
propiedades magnéticas naturales que encontró en un lugar llamado
Magnesia y de ahí se deriva el magnetismo. Thales fue el pionero en la
electricidad y el magnetismo.
En el año de 1600 William Gilbert realizó
experimentos sistemáticos de fenómenos eléctricos
describiéndolos en su libro llamado De Magnate. En
los primeros
y magnéticos,
1750 Benjamin
Franklin realizó experimentos y estableció la ley de conservación de la
carga, determinando que existían cargas positivas y negativas.
En 1800 Alejandro Volta inventó la celda voltaica, conectando
varias celdas en serie, la batería eléctrica; con las baterías podían
producirse corrientes eléctricas. En 1819 Hans Christian Oersted
encontró un cable que conducía corriente producía un campo magnético,
antes de ésto se consideraban a la electricidad y al magnetismo
fenómenos independientes.
En 1831 Michael Faraday demostró que un campo magnético cambiante
producía una corriente eléctrica, ésto permitió a James Clerk Maxwell
establecer de una manera profunda la interdependencia de electricidad y
magnetismo fundado la teoría electromagnética, postulando además que la
luz era de naturaleza electromagnética y que la radiación
electromagnética de otras longitudes de onda podía ser posible. Una
década después Heinrich Rudolph Hertz se basó en las teorías de Maxwell,
extendiendo sus experimentos y demostrando la reflexión, refracción y
polarización, mostrando además que las ondas de radio eran similares a
la luz excepto por su mayor longitud.
A pesar de que Hertz fue el padre del radio sus inventos quedaron
como curiosidades de laboratorio por cerca de una década, hasta que un
joven llamado Guillermo Marconi se preguntó si estas ondas Hertzianas
podían usarse para mandar mensajes, repitiendo los experimento8 de Hertz
añadiéndoles un selector, una antena grande y sietemas terrestres para
mayores longitudes de onda, siendo capaz de mandar señales a grandes
distancias, demostrado que las ondas de radio podían viajar alrededor de
2
l a t ierra. Grabó eeñales Morse en una cinta que eran transmitidas desde
Inglaterra a través del atlántico y recibidas a bordo del barco SS.
Una antena típica de las estaciones de Marconi consistía en una
jaula cónica de cable, l a cual era sostenida por cuatro torres de madera
de eetenta metros. Una regla popular de ese tiempo era que e l rango de
distancia era igual a quinientas veces l a longitud de onda, por tanto,
para un rango de cinco m i l kilómetros se requerían longitudes de onda de
diez m i l metros. En longitudes de onda típicas de los 2000 a 20,000
metros las antenas eran de una fracción de l a longitud de onda en altura
y su resistencia de radiación sólo de un ohm o menos, Marconi se dio
cuenta de l a importancia de l a resistencia de radiación y del uso de
longitudes de onda más cortas, del orden de los 600 metros, a esta
longitud de onda una antena podía tener 100 veces sus resistencia de
radiación a 6000 metros. -- ~
I
ESTACIOll DE MARCONI DE JAULA COWICA
3
La era anterior a la primera guerra mundial fué de ondas largas de
chispas de arco y alternadores para transmisión, después de la guerra se
hicieron disponibles los tubos al vacio para transmisión, las ondas
continuas remplazaron a las chispas y la transmisión de radio comenzó en
el rango de los 200 a los 600 metros. En 1930 los laboratorios Bell
empezaron a estudiar la influencia de los cambios atmosféricos para
grandes longitudes de onda, especialmente durante el verano, y para
longitudes de onda más cortas el problema era menor.
A l realizar estos estudios notaron que aun en ausencia de
tormentas eléctricas y est8iticas similares, siempre había presente un
débil ruido o estática durante las 24 horas. Después de meses de
observación se concluyó que este ruido provenía de más allá de la tierra
y aGn del sol; esta era estática cósmica proveniente del centro de la
galaxia, eeto fue el descubrimiento de ondas de radio extraterrestres, y
el inicio de la radio-astronomía.
Con la llegada del radar durante la segunda guerra mundial la6
longitudes de ondas de centímetros, que hablan sido abandonadas a
principios de siglo finalmente fueron utilizadas y el espectro de radio
se abrió a un uso mas amplio. Cientos de satélites de comunicaciones
operando a longitudes de onda de centímetros rodean a la tierra a una
altura de 36,000 Kilómetros, explorando el sistema solar respondiendo a
nuestros comandos y enviándonos fotografías y datos con longitudes de
onda de centímetros, aunque les tome más de una hora a las ondas de
radio en viajar la distancia. Nuestros radios telescopios operando a
longitudes de onda desde milímetros hasta kilómetros reciben señales de
objetos tan lejanos que estas ondas han estado viajando por más de 10
billones de años.
Con las actividades del hombre expandiéndose al espacio, l a
necesidad del uso de antenas crecerá a un grado sin precedente.
4
2. CONCEPTOS BASIC08 DB AMTENAS
2.1 D E F I N I C I ~ S
Una antena de radio puede definirse como una estructura asociada
con la región de transición entre una onda dirigida y una onda en el
espacio libre. En conexión con esta definición es Útil lo que se
entienda por los términos línea de transmisión y resonador.
Una línea de transmisión es un dispositivo para trasmitir o guiar
energía de radio frecuencia de un punto a otro. Usualmente es deseable
trasmitir la energía con un mínimo de atenuación, y pérdidas por calor y
radiación. Un ejemplo de línea de transmisión son los cables bifilares,
los cables coaxiales, así como las guías de onda.
Un generador conectado a una línea de transmisión sin pérdidas e
infinita produce una onda viajera uniforma a lo largo de la línea, si
esta se encuentra en corto circuito, la onda viajera es reflejada,
produciendo una onda estacionaria debida a la interferencia entre la
onda uniforme y la onda reflejada. Una onda estacionaria tiene asociada
una concentración local de energla; s i la onda reflejada es igual a la
onda uniforme, se tiene entonces una onda estacionaria pura. Las
concentraciones de energía en tal onda oscilan desde enteramente
eléctricas a enteramente magnéticas dos veces por ciclo, tal
comportamiento de energía es característico de un circuito resonante o
resonador. A s í pues, las antenas radían (o reciben) energía las líneas
de transmisión guían la energía, mientrae que los resonadores almacenan
energía.
Hemos descrito a las antenas como un dispositivo transmisor,
como un dispositivo receptor la definición es al revés, y una antena es
la región de transition entre una onda en el espacio libre y una onda
guiada. Mientras las líneas de transmisión son hechas usualmente para
minimizar la radiación, las antenas son diseñadas para radiar o recibir
energía lo mas eficientemente posible. Las antenas son un dispositivo
5
de transformación que convierte fotones electromagnéticos a corrientes
de circuito o viceversa.
Considere una línea de transmieión conectada a un antena de
dipolo, esta actúa como una antena debido a que lanza una una onda al
espacio libre, además de que presenta muchas de las características de
un resonador porque la energía que se refleja desde los dipolos produce
una onda estacionaria y un almacenamiento de energía cerca de la antena,
así que un solo dispositivo, en este caso un dipolo, presenta
simultáneamente las características de una antena, una línea de
transmisión y un resonador.
Considerando una antena de dipolo, aparece como una línea de
transmisión con un circuito de dos terminales que tiene una impedancia 2
con un componente resistivo llamado resistencia de radiación Rr,
mientras desde el espacio, la antena se caracteriza por su patrón de
radiación.
La resistencia de radiación Rr no se encuentra relacionada
propiamente con ninguna resistencia de la antena, sino que es una
resistencia de acoplamiento entre la antena y su entorno con las
terminales de la antena.
Asociada también con la resistencia de radiación se encuentra la
llamada temperatura de antena Ta, la cual en una antena sin pérdidas no
tiene nada que ver con la temperatura.física de la antena, sino que esté
relacionada con la temperatura de distantes regiones de el espacio
acopladas con la antena por medio de su resistencia de radiación, o sea
que depende de la temperatura de la región hacia donde la antena este
"mirando". Tanto le resistencia de radiación como la temperatura de
antena son cantidades escalares, mientras que los patrones de radiación
envuelven tanto a la variación de el campo de potencia, siendo además
una funciones de las coordenadas esféricas.
6
2.2 TIPOS DE
Las antenas pueden clasificarse, en términos generales, ya sea por
el espectro de frecuencia en que suele aplicarse, o por su modo básicos
de radiación. En el primer tipo de clasificación, los tipos de antenas
obedecen a las asignaciones usuales de las bandas y se describen como
antenas de VLF, LF, MF, VHF, UHF y microondas, conforme a su frecuencia
de operación. En el segundo tipo de clasificacitSn, las antenas pueden
dividirse en cuatro grupos:
- De elemento de corriente. - De onda progresiva. - Múltiples. - De abertura.
1 4 6 5 3 2
Los cuatro grupos pueden distinguirse por el tamaño de la antena
medido en longitudes de onda, que a su vez, puede relacionarse con las
distintas regiones del espectro en las cuales suelen aplicarse las
antenas.
La clasificación de las antenas en éstos cuatro grupos es
solamente una aproximación, con bastantes excepciones. A pesar de ello,
constituye una forma conveniente de organizar el tema de los fundamentos
de las antenas.
En el análisis matem&tico de las antenas, la elección correcta del
sistema de coordenadas es a menudo un factor importante para simplificar
las expresiones de los campos y corrientes electromagnéticos asociados
con el sistema de la antena. Dependiendo de la configuración geométrica
implicada, es una práctica común utilizar los sistemas de coordenadas
cartesianas, polares, cilíndricas o esféricas.
7
2.3.1 CARACTBRfSTICAS DE RADIACIÓN.
La característica ( o diagrama) de radiación es el parhetro más
importante de una antena, ya que muchos de los demás par&netros suelen
deducirse a partir de éste. Debido al principio de reciprocidad, la
característica de radiación de una antena de transmisión es equivalente
a la característica de recepción de la misma antena cuando se utiliza en
el modo recepción. Por definición, la Característica de radiación
representa el cambio de la intensidad del campo eléctrico sobre la
superficie de una gran esfera de radio "rW centrada con respecto a la
antena radiante. En coordenadas esféricas, es una gráfica de la
intensidad del campo eléctrico E(%$) como función de las variables
direccionales.
En la práctica, ésta característica tridimensional se mide y se
registra en una serie de patrones bidimensionales. Sin embargo, en el
caso de las antenas direccionales de un sólo haz, puede obteneree
suficiente información acerca de las 'características tridimensionales a
partir de sólo dos patrones planos bidimensionales que incluyen la
dirección máxima del haz principal. Estos patrones planos se denominan
características de los planos principales de la antena. Para una antena
polarizada linealmente, las características de planos principales
también pueden denominarse características de plano E y de plano E,
siempre que un plano contenga el vector de campo E y el otro contenga el
vector de campo E.
La característica de radiación puede utilizarse para obtener el
ancho ( o abertura angular ) del haz principal y el nivel del lóbulo
lateral. El ancho del haz principal se especifica como l a diferencia
angular entre los dos puntos en la característica de radiación donde la
potencia ha caído a la mitad del valor de cresta ( 6 -3 dB en la escala
de decibeles). El nivel del lóbulo lateral representa el nivel del mayor
8
lóbulo menor como fracción del nivel del haz principal, y a menudo se
específica en decibeles.
El espacio que rodea a una antena suele subdividirse en tres
regiones :
1. Región reactiva de campo próximo
2. Región radiante de campo próximo ( o de Fresnel)
3. Región de campo lejano ( de Fraunhofer)
La primera de éstas regiones está muy cerca de la antena, donde
las componentes reactivas de los campos electromagnéticos son muy
grandes respecto a los campos radiantes. La segunda se encuentra
localizada entre la región activa de campo cercano y la región de campo
lejano, donde los campos radiantes predominan y donde la distribución
del campo angular depende de la distancia de la antena. La región de
campo lejano se define como la región donde la distribución de campo
angular es esencialmente independiente de la distancia a la antena; en
ésta región es donde la característica de radiación de la antena se
mide, calcula o ambas cosas.
2.3.2 DIRBCTIVIDAD,OAIW1CIA Y BFICIBHCIA.
La directividad de una antena es una medida de sus
propiedades direccionalea o de su capacidad de concentrar la potencia
radiada en distintas direcciones. Por lo general, la directividad se
especifica respecto a un radiador isotrópico, que es una antena
hipotética que radia uniformemente en todas las direcciones. Por tanto
la directividad D(8, +) en una dirección especifíca (e,+) está dada por la razón de la intensidad de radiación de la antena en la dirección
9
( e ,+ ) entre l a intensidad de l a radiación producida por un radiador
isotrópico:
En términos de l a intensidad de campo eléctrico lejano E ( , ), l a
directividad puede expresarse como:
D(e,O) = 1 mL@) I 4ií J J Ti 2ri l€(f3@)IZ =f+&d@
0 0
Aún cuando l a directividad puede especificarse en cualquier
dirección, se acostumbra hacer referencia a l valor de cresta asociado
con l a dirección de e l haz principal radiado por l a antena. Por
consiguiente, en cualquier referencia a l a directividad de una antena e l
factor de cresta Do suele estar implicado. Por ejemplo, un elemento de
corriente lineal corto (denominado Dipolo Hertz) tiene directividad de
cresta de 1.5 o 1 .76 dB con respecto a una fuente isotrópica, mientras
que e l dipolo de media onda mas largo tiene directividad de 1.64 o 2.14
dB .
Otra medida Ú t i l para describir e l rendimiento de una antena es l a
ganancia. Explica no sólo la8 propiedades direccionales de una antena
sino también su eficiencia. La ganancia de potencia G ( 8 , 4) en una
dirección dada se define como l a razón de l a intensidad de l a radiación
de l a antena en t a l dirección, entre l a intensidad de l a radiación
producida por una fuente isotrópica sin pérdidas que tenga l a misma
potencia total de entrada:
donde Pent es l a entrada de potencia total aceptadad por l a antena
procedente de un transmisor.
A diferencia de lo que ocurre en e l caso de l a directividad, en l a
expresión de l a ganancia de potencia se incluye e l efecto de las
pérdidas óhmicas. Sin embargo, no se incluyen las pérdidaa debidas a l
desacoplamiento de impedancia entre l a antena y l a línea de transmisión
o las pérdidas debidas a l desacoplamiento de polarización de una antena
receptora. En cualquier caso, l a ganancia de potencia es menor que l a
directividad por un factor igual a l a eficiencia de radiación n de l a
antena.
Tanto l a ganancia como l a directividad pueden estar referidas a
cualquier antena normal, t a l como un dipolo de media onda, o una bocina
en vez de a l radiador isotrópico utilizado aquí.
Aún cuando l a reciprocidad asegura que los valores calculados de
ganancia se aplican igualmente bien a una antena de transmisión o a una
de recepción, e l rendimiento de l a segunda también puede describirse en
términos de una sección transversal receptora o un área efectiva. Una
antena receptora reunirá energía efectiva de una onda plana incidente y,
s i se acopla adecuadamente, transferirá ésta potencia a una carga. La
proporción de energía incidente que será destinada a l a carga es una
función de las propiedades de polarización de l a antena y su ganancia en
l a dirección de l a onda plana
incidente. La abertura efectiva de una antena puede definirse como e l
área de una antena ideal que podría absorber l a misma potencia de una
onda plana incidente que l a antena en cuestión, e l área efectiva de una
antena receptora es función del ángulo de llegada de l a onda incidente y
esta relacionado con l a ganancia de potencia por:
11
dondebqes e l área efectiva de un radiador isotrópico. La eficiencia de
abertura evalúa l a abertura efectiva como fracción de l a abertura f ís ica
de l a antena. Esta idea es Ú t i l para antenas que tienen una abertura de
captación bien definida.
Este término se uti l iza para describir e l intervalo de frecuencias
sobre e l cual una antena funcionará satisfactoriamente. No existe una
definición Única para e l rendimiento satisfactorio, ya que t a l
rendimiento depende de l a aplicación de l a antena. Por lo general es
posible distinguir entre un ancho de banda determinado por
consideraciones de características de radiación y un ancho de banda
determinado por consideraciones de impedancia asociados con e l primer
caso están características como l a ganancia, nivel del lóbulo lateral,
e l ancho de e l haz, l a polarizaci6n y dirección del haz, mientras que
con e l segundo caso se asocian l a impedancia de entrada y eficiencia de
radiación.
En l a práctica, por lo general, uno o más parhetros de l a antena
son más sensibles a l cambio de frecuencia que otros, y por tanto puede
constituirse en el factor limitante de e l ancho de banda. Esto es cierto
sólo s i l a variación de tales parhetros está restringida por los
limites de funcionamiento impuestos por l a aplicación.
Para antenas de banda amplia e l ancho de banda suele expresarse
como l a razón de las frecuencias superior e inferior en l a banda
aceptable. Para antenas de banda estrecha e l ancho de banda se expresa
como un porcentaje de l a frecuencia de l a banda central. Los factores
f ísicos del diseño que limitan e l ancho de banda varían de una antena a
otra. En los elementos monopolares, dipolares, de ranura y de microcinta
(micro banda), las estructura8 son resonantes a frecuencias
particulares, y e l ancho, de banda se determina por las características
12
de impedancia en las terminales de entrada. Por otra parte, los
radiadores de bocina ( o embudo) están limitados en banda por la
naturaleza modal de la propagación de ondas en la estructura de la guía
de onda.
2.3.4 POLARISACI~N. 146532
La polarizacian en una onda electromagnética a una sola frecuencia
describe la forma de el lugar geométrico del extremo del vector de
campo eléctrico instantáneo como función del tiempo en una ubicación
fija en el espacio, y el sentido en que se traza el lugar geométrico
según se observa a lo largo de la dirección de propagación. Un sólo
elemento de corriente orientado a lo largo del eje X radiará una onda
linealmente polarizada con un vector de campo eléctrico orientado en la
dirección X. Una antena más complicada puede radiar una onda cuyo vector
de campo eléctrico tiene componentes X e Y. Si las dos componentes Ex y
Ey difieren en fase por O 6 180 grados, la onda seguirá estando
polarizada linealmente. Si las dos componentes tienen igual magnitud y
diferencia de fase de más menos 90 grados, el vector de campo eléctrico
resultante en un punto dado del espacio girará a velocidad angular w, de
tal modo que su extremo describirá una circunferencia. En éste caso se
dice que la onda está polarizada circularmente.En general, si las dos
componentes tienen amplitudes y diferencia de fase arbitrarias, el campo
eléctrico instantáneo describirá una elipse y la onda se denominará
polarizada ellpticamente. Además cuando la rotación alrededor de la
elipse o circunferencia es un sentido horario, la polarización se
denomina a la derecha (dextrógira); en caso contrario, se denomina a la
izquierda (levóngira).
Si la polarización de la onda incidente no coincide con la
polarización de la antena receptoGa, tiene lugar una pérdida de
polarization por desacoplamiento, que siempre debe ser tomada en cuenta
13
en el diseño de los cálculos del enlace, especialmente en aplicaciones
limitadas en cuanto a potencia.
2.3.5 II(PEDMC1A DE ENTRADA.
Una antena debe estar conectada a un transmisor por medio de una
llnea de transmisión o gula de ondas, a fin de ser excitada y producir
radiación. La impedancia de entrada de la antena presentada a la línea
de alimentación constituye un parámetro importante, cuyo valor es
necesario para el diseño de redes ( circuitos ) de acoplamiento
eficientes que aseguren la máxima transferencia de potencia. La
impedancia de entrada de la antena tiene en general una componente
resistivo y una reactiva.
Za = Ra + j Xa
Las componentes reactivas se deben a los campos de inducción de la
región próxima, debido a que tales campos producen un almacenamiento de
energla reactiva en la región que rodea a la antena. La componente
resistiva de la impedancia de entrada tiene contribuciones de todos los
diversos elementos que provocan una pérdida de energía de la antena. En
el caso de una antena en el espacio libre, donde no existe acoplamiento
mutuo de otras fuentes, la resistencia de una antena puede concebirse
como la suma de las resistencia de radiación R , y la reeistencia óhmica R :
Ra = Rr + R
14.
2.3.6 RESISTBNCIA DB RADIACI~N.
La resistencia de radiación se define como l a resistencia
equivalente que disiparía una potencia igual a l a potencia radiada
cuando l a corriente a través de l a resistencia es igual a l a corriente
en las terminales de entrada de l a antena. La resistencia óhmica
explica las pérdidas debidas a una conductividad f inita en l a estructura
de l a antena. Para una antena eficaz, l a resistencia de radiación debe
ser mucho mayor que l a resistencia óhmica. Por ejemplo, un dipolo
delgado práctico de media onda tiene una resistencia de radiación de 73
ohms y una resistencia óhmica de unos 2 ohms.
La medici6n de l a impedancia de- entrada a altas frecuencias suele
efectuarse midiendo e l coeficiente de reflexión y l a razón de voltajes
de ondas estacionarias (VSWR, de voltage standing wave ratio) . Esta
Última se relaciona con l a magnitud del coeficiente de reflexión por
medio de:
La impedancia de l a antena, Za, está dada por;
Estas antenas son los radiadores de m-yor u-D -n 1- actualidad, y
pueden ser de tipo de corriente eléctrica,como las de dipolo y cuadro, o
de tipo de corriente magnética, como l a antena de ranura. E l análisis se
limitará aquí a los dipoloe de longitud de onda corta y de longitud de
onda media.
15
2.3.8 -A8 DE ABERTURA.
Existe un gran número de tipos de antenas para las cuales el campo
electromagnético irradiado puede considerarse como si emanara de una
abertura física. Entre las antenas comprendidas en ésta clase se
incluyen varios tipos de reflectores, lentes y bocinas, por mencionar
unas cuantas. En general, la abertura es un orificio finito de un plano
infinito. El campo eléctrico, magnético, o ambos en la región de la
abertura se determinan en primer lugar por medio de métodos de
aproximación; después se calculan los campos radiados , utilizando como fuentes solamente los campos en la superficie de la abertura.
16
3.
3.1 AidTBNA TIPO DIPOLO
17
3.2 PATRON DE RADIACION VERTICAL DE UWA ANTENA DIPOLAR
18
3.3 AWTEMA OIQQIDIRECCI- DE 3 dB DE GANANCIA
I
19
20
3.4 PATRON DE RADIACION VBRTICAL DE LA ANTENA OIMIDIRECCIONAL
21
146532
3.5 AIITQU. DIRECCIOSOAL DE POLARI4ACION VERTICAL
22
3.6 PATRON DE RADIACION HORIIONTAL DE LA "A DIRBCCIONAL TIPO YAGI
23
3.7 OIQIIDIRECCIONAL DE GANANCIA UIJITARIA
24
i
3.8 PATRON DE RADIACIOW VISTO DESDE ARRIBA
25
4. COSTOS Y CARACTERISTICAS DE AIoTE#As EM EL MERCADO
4.1 Antecedentes Teóricos
%odelo de Radiación
El modelo de radiación de una antena esta definido como una
representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena
en función de las coordenadas espaciales.
En muchoe caeos, el modelo de radiación es determinado en la
región del campo ocupado y es representado como una función de l a
dirección de los ejes coordenados.
Las propiedades de radiación incluyen, la inteneidad de
radiación, el tamaño del campo y la fase o polarización. Las
propiedades de radiación están en consideración en la distribución
espacial tridimensional y la radiación de energía como una función de l a
posición del observador a lo largo de una radio constante.
Modelo Isotr6pico, Direccional y Omnidirectional
Una radiación isotrópica es definida como una antena que radia
en igual magnitud en todas direcciones. Una fuente puntual puede ser
un ejemplo de este tipo de radiación. Aunque este tipo de radiación es
ideal, y no es físicamente realizable, es muchas veces tomado como
referencia para expresar la direccionalidad en antenas prácticas.
Una antena direccional ee aquella que tiene la propiedad de
radiar o recibir ondas electromagnéticas de una manera más
eficiente hacia alguna direcciones que otras. El modelo
26
omnidireccional es aquella que no mantiene una direccionalidad en
particular de las ondas electromagnéticas.
Lóbulos de Radiacián
De otra forma, los modelos de radiación están referidos a los
lóbulos de radiación los cuales pueden ser subclasificados como
mayor, menor, lateral y "back" lóbulos. Un lóbulo de radiación es una
porci6n del espacio del modelo de radiación limitado por regiones
de relativa baja intensidad de radiación.
El lóbulo mayor es definido c8mo aquel lóbulo que mantiene la
dirección de la máxima ra diación. Los lóbulos menores son
referidos a una menor radiación en comparación al lóbulo
principal. Un lóbulo lateral es aquel lóbulo que emite su
radiación en otra dirección al lóbulo principal. El "back" lóbulo es
normalmente aquel lóbulo que ocupa el hemisferio en una
dirección opuesta a la del lóbulo principal.
La Antena Yagi
El tipo más corriente de conjunto de antena es el Yagi. Esta
antena, desarrollada ya en 1928, se ha empleado mucho en onda
corta. Una de las aplicaciones eapeciales durante la Segunda
Guerra mundial fue el radar, en el cual resultaba de gran
importancia su estrecho gráfico pol-ar . básicamente consiste en un
dipolo, de una longitud eléctrica equivalente a media longitud de onda,
uno o más reflectores y varios directores.
Cuando se emplea para transmitir, el elemento reflector
"devuelve" la energía del dipolo y loa directores l a guían en la misma
dirección. Cuando se emplea como antena de recepción la energía
recibida queda "guiada" hacia el dipolo por l o a directores, y
27
l a que pasa es devuelta a 61 por e l reflector. E l resultado de esta
accción conjunta es una gran ganancia (en comparación con un
dipolo simple) y un gráfico polar tan estrecho y selectivo que
permite excluir todas las fuentes de interferencia, una vez
apuntada directamente a l transmisor.
E l que un elemento determinado actúe como reflector o
dierector depende de su longitud con respecto a l dipolo. S i es
mayor tiende a comportarse como reflector; s i es mas corto, como
director. La separación entre los distintos elementos del dipolo
también tiene su importancia a l a hora de determinar e l
comportamiento de l a antena. Por eso, las antenas comerciales no se
deben modificar, excepto por expertos en antenas, ya que una
variación o alteración, por mínima que sea, puede implicar un
cambio profundo del comportamiento y características de l a antena.
Para l a V.H.F.,el dipolo ha de tener una longitud de 3.3 m lo que
significa que el reflector ha de ser de 3.6 m, y los
directores de 3 m. Como consecuencia de l a necesidad de reducir l a
sujecibn, en estos casos l a antena suele limitarse a un reflector, e l
dipolo y un director.
4.2 ANALISIS DE COSTOS Y CARACTBRISTICAS
Los precios a continuación fueron obtenidos por l a empresa
MOTOROLA de México S.A. División Comunicaciones.
Una de las antenas más representativas en cuanto fines prácticos de
transmisión o recepción de forma direccional es l a antena Yagi.
La empresa presenta l a antena Yagi 'TDC-6070A y l a TDD-6790A. Ambas
presentan una ganancia de de 7dB. Los tres elementos que l a
28
forman ofrecen un uso mayor de, la ganancia haciendo más
consistente su línea de vista.
Puede aer montada en la parte alta o en costado de una torre o de
una poste de madera. Para aumentar la ganacia, dos antenas se pueden
poner apiladas y se obtiene 10 DB de ganancia, con cuatro se logra 13
dB .
Entre otra antena direccional se encuentra la TDD-6800A la cual
opera en un rango de 150-174MHz con una potencia de 500 watts y una
ganancia de 8dB. Esta antena puede ser montada en la parte alta o en
un costado de una torre o de un poste de madera. Se pueden apilar
dos de ellas y obtener una gancia de 11 dB y con cuatro de ellas se
puede obtener 14 dB. Su costo asciende a los $771.00 USA.
TABLA 1.
ANTENA FRECUENCIA POTEWCIA -CIA VBRT It EORIB COSTO
DLLS
TDC- 60 70 72-76MHz 500watts 7dB 2.96 X 2.94M $675.00
TDD-6790 150-174MHz 5OOwatts 7dB 0.91 X 1.04M $417.00
$771.00 TDD-6800 150-174MHz 50Owatts 8dB -----------
Entre las antenas omnidireccionales tenemos las siguientes:
TABLA 2 .
TDD- 67 60A
TDD-6492A
TDD-6481A
TDD-7100A
TDD-6 7 50A
TDD-65 11A
TDD- 6 7 3 OA
FRBCUEMCIA -CIA GANANCIA COSTO
MES WATTS dB DLLS
146-174 500 MAX 6 748
150-174 500 MAX 3 461
150-160 500 MAX 6 835
150-174 500 MAX 12 2,180
164-174 500 MAX 3 351
150-160 500 MAX 7-9 1,410
146-160 500 MAX 3 592
29
De l a tabla anterir podemos hacer referencia entre l a antena de
mayor costo con l a de menor costo.
La TDD-7100A siendo de mayor costo mantiene una ganancia de 9dB y
con offset alcanza los 12 dB. Su rango de frecuencia va de 150 a 174
MHz. La TDD-6750A su máxima ganancia alcanza 3dB y su rango de
operaci6n va de 146 a 174 MHz.
4.3 c O l l c L U 8 1 ~ 8 t
A manera de conclusiones podemos mencionar que l a antena de mayor
precio asciende a N$6,649.00 (USA$2,180). Tratándose de una antena
omnidireccional con una ganancia de 9 a 12 dB. Con una capacidad de
500 watts. Podemos decir que en relación con l a capacidad, puede
cubrir una zona como e l área metropolitana de l a Cd. de México para
transmitir en VHF.
Las Yagi mantienen un precio que oscila entre N$2,058.75 y
N$1,271.85 dependiendo de l a frecuencia que se requiera. Estas
antenas tienen también una capacidad de 500 watts como máximo.
Se incluye e l presente reporte como investigación de precios
actuales de antenas que hay en e l mercado.
En nuestro proyecto considerariamos
omnidireccional para nuestra transmisión.
30
una antena
High Band
base station antennas
FOUR DIPOLE SlEEM0LE ANTENNAS FOUR DIPOLE STEERABLE Ahfl’ENNAS
6 dB Gain Rugged, lightweight, weather- proof and built to withstand the most severe environ- merits. Adjustable pattern di- poles can be orientated to provide pattern shaping. All metal construction ghnw su- perior lightning protection with DC grounding. specirv frequency when Oldtwing. TDDd7dOA 146-160MHz T00477fM 156-leS MHz TDD-á7boA 164-174MHz
Electrical Data Frequency: 146-174 MHz
Power: 500 Watts, Max. Gain: 6 dB, Omni
VSWR: 1 3 1 or less impedance: 50 Ohms, Nominal
Vertical Beamwidth: 16’ Lightning Protection: DC ground through
Flexible Termination: RG213/U, 24”
support pipe Termination: N-Female connector
Mechanical Data Rated Wind Velocity: 82 mph
Equivalent Flat Plate Area: 2.8 ft.* Lateral Thrust: 112 Ibs.
Bending Moment: 1098 ft. Ibs. Dimensions: 5 x 9 x 148”
Weight: 25 Ibs. Shipping Weight: 39 Ibs.
Support: Aluminum Tubing, 1%‘’ OD, 2” OD lower section 272” long
Available: 24” minimum Mounting: 2 heavy duty mest
Support Pipe Mounting Area
clamp (Includ@ ---..-------..----
TDD-6780A TDD-677OA TDD-6780A
lorizontal Field Pattern
Page 76 (revised 10-1-90)
f ,-‘ Horizontal Pattern Vertical Pattern
,
r
High Band
base - stat ion antennas
TWO WPOLE STEERABLE ANTENNA TWO MPOLE STEERABLE ANTENNA
TDD-6MOA TDD-6740A TDD-6750A I
, Horizontal Field Pattern
3 dB Gain Rugged, lightweight, weather- proof and built to withstand the most severe emiron- ments. Adjustable pattern di- poles can be orientated to provide pattern shaping. All metal construction gives su- perior lightning with DC grounding. specitv fmquwcy when 0 ~ ~ ~ . TDD.6730A 146-160 MHt TOO-67- 156-165MHz TDü-@iSOA 164-174 MHz
,;,-
Vertical Pattern
Electrical Data Frequency: 146-174 MHz
Power: 500 Watts, Max. Gain: 3 dB, Omni
VSWR: 1 5 1 or less Impedance: 50 Ohms, Nominal
Vertical Beamwidth: 34" Lightning Protection: DC ground through
support pipe
Flexible Termination: RG213/U, 24" Termination: N-Female Connector
Mechanical Data Rated Wind Velocitv: 93 mDh
Equivalent Flat Plate Ark: 1.3 ft:' Lateral Thrust: 52.8 Ibs.
Bending Moment: 258 ft. ibs. Dimensima: 5 x 9 x 148"
Welght: 13 Ibs. Shipping Welght: 23 Ibs.
Support: Aluminum Tubing, 1%' OD, 144" long
Available: 24" minimum Mounting: 2 heavy duty mast
Support Pipe Mounting Area
clamps recommended (included)
Horizontal Pat! rn
l$gh Band
base station antennas
PARA=CORNER REFLECTOR A"wA PARA-CORNER REFLECTOR ANTENNA
/ TDD-6800A
8 dB Gain, Can be mounted on the top or side of a tower or wood pole. For additional gain, two antennas can be stacked for 11 dü gain, and four antennas can be stacked for 14 dB gain. Caverage can be broadened by fanning the antennas apart; howewer, fonivard gain will be reduced somewhat. If desired, the antenna array can be used for a bidirectional pattern by mounting the antennas on opposite sides of the tower for 5 dB gain in each direction. It uses electrically flat reflector s c m s that perform like B parabolic plane. The radiating element is a centec fed dipole with a unique folded shape. These features give the anten- na a forward gain of 8 dB, a front to back ratio of 25 dB and a 24 MHz bandwidth with 1.51 or less VSWR. Includsd am stainless stesl V-bolts and 44lep" to fit round menibem up to 3" (76.2 mm) OD, angie members up to 2" (50.8 mm). specify frequency when ordering. TW)-6am 150-1 74 MHz
Electrical Data Frequency: 150-174 MHz
Power: 500 Watts, Max.
VSWR: 1.51 or less Gain: 8 dB (over half dipole)
Impedance: 50 Ohms, Nominal Bandwidth: 24 MHz
Horizontal Beamwidth: 60' (half power) Vertical Beamwidth: 66' (half power) Front to Back Ratio: 25 dB
Lightning Protection: Direct Ground
NIFemale attached to end of flexible lead
Termination: Captive Type
Mechanical Data Materials:
Reflector Support Booms (aluminum)-in. (mm): 1.5 x 2 (38.1 x 50.8)
with .O78 (1.98) wall Reflector Elements
(aluminum)-in. (mm): .75 (19.05) diameter Radiating Element Boom
(aluminum)-in. (mm): 1 (25.4) dia. with .O83 (2.1 1) wal I
Radiating Element (aluminum)-in. (mm): .375 (9.53) solid rod
Mounting Bracket: Galvanized Steel Mounting Clamps: Stainless Steel V-bolts
Maximum Exposed Area (flat
Survival without Ice-
Survival with .5" Radial
plate equivalent)-ft.' (m?: 3.2 (297)
mph (krnlhr): 125 (201)
Wind Rating:
Ice-mph (krnlhr): 85 (137)
Height-in. (mm): 48 (1219.2)
back)-in. (mm): 39 (990.06)
Dimensions:
Maximum Width-in. (mm): 75 (1905)
Net Weight - Ibs. (kg): 26 (1 1.79) Shipping Weight-lbs. (kg): 45 (20.41)
Maximum Depth (front to
-_ ,Vertical (elevation) Radiation Pattern
Horizontal (azimuth) Radiation Pattern
- 1 w - .-
I
L !
i
High Band
base station antennas
, BROADMNDAWtENWA
TOD-6511A
6.1 or 6.7 dB Gain Uses dual dipoles for higher gain. Mounts to the top or side of a tower and can be ad- justed to provide an omni or elliptical horizontal pattern. The basic antenna is a four- stack collinear array designed to provide broad 10 MHz band- width and minimum pattern distortion as weil as h@ gain. A binary &e hemess insures inphase signal distri- bution to all radiating sle-
poles positioned in line, collin- early, along the mast, an ellip tical pattern with 8.7 dü gain is produced. When the two dual dipoles at the top of the
6 antenna are aligned at a 90’ angle from the two at the bot- tom of the mast, an omnidi- rectional pattern with 6.1 dB gain results. When top m n t - ed, the omni and elliptical an- tennas produce similar radia- tion patterns, but when they
%)“ir are side mounted, the radia- tion patterns am algnificantly different. The antenna can be changed from om p.ttcan to the other in the fkM. For pro- tection against lightning and static, an aluminum m t with a pointed cap top, which also Serves as a hoiding hook, p w vides a low resistance path to the tower or ground system and all elements operate at DC ground. For ease of hand- ling, the mast is shipped in two sections. Mounting Clamps are included. Si& Mount Kit must be ordered separately. Specify frequency when cwdering.
mnts. When It tMs all dual di-
TDO4611A 1W-160 MHz 155-166 MHz 164-174 MHz
l ” - m 7 A Side Mount Kit
BROAD BAND ANTENNA
Electrical Data Frequency: 150-174 MHz
Power: 500 Watts, Max.
VSWR: 1.51 or less
Gain: (over half-wave dipole) see curves
Impedance: 50 Ohms, Nominal Bandwidth: 10 MHz
Vertical Beamwidth: 16’ (half power)
Lightning Protection: Direct Ground
Decoupling Between Antennas (dual): 30 dü Max.
Termination: Captive Type N-Female attached to end of flexible lead
__- Mechanical Data Materials:
Mast-Upper (Aluminum)- in. (mm): 2.5 (63.5) OD with .O85
(2.1 6) wall Mast-Lower (Aluminum)-
in. (mm): 2.75 (69.65) OD with .la (3.048) to .205 (5.207) wall
Radiating Elements (aluminum)-in. (mm): .5 (12.7) OD with .o58
(1.47) wall
Maximum Exposed Area (flat
Bending Moment at top clamp at 100 mph (161 kmlhr)-
ft. Ibs. (kg m): 1718 (237.77) Wind Rating:‘
Survival without Ice- mph (kmlhr): 100 (161)
Survival with .5”(12.7 mm) radial
Mounting Clamps: Galvanized Steel
plate equivalent)-ft.’ (m?: 4.85 (.45)
ice-mph (kmlhr): 74 (119) Overall Length-in. (mm): 260 (6,804)
Shipping Length-in. (mm): 144 (3,657) Net Weight (wlc1amps)-
Shipping Weight Ibs. (kg): 45 (20.41)
(wlc1amps)-lbs. (kg): 65 (29.48) ‘Top mounted antenna. Wind rating is greatly increased when antenna is side mounted with appropriate side mount kit.
(Omni) mounted on Side Mounting side of tower
I :i
!
i
i
i ‘ 4
base station antennas *
FOUR DIPOLE STEEM6l.E A."A FOUR DIPOLE STEERABLE ANTENNA
3 dB Gain Rugged, lightweight, weather- proof and built to withstand the most severe environ- ments. Adjustable pattern di- poles can be oriented to pro vide pattern shaping. Ail metal construction gives su- perior lightning with DC grounding. Speciíy frequency whn
Electrical Data Frequency:
Power: Gain:
VSWR: Impedance:
' Vertical Beamwidth: Lightning Protection:
Termination: Flexible Termination:
__-
146-174 MHz 500 Watts, Max. 3 dB, Omni 1.51 or less 50 Ohms, Nominal 34' DC ground through support pipe N-Female Connector RG213/U, 24"
Mechanical Data __._- ordering. TDD-67mASqf-= 146-1 60 MHz TDD-67- 155-165 MHz Rated Wind Velocity: 93 mph TDD-6750A 164-174 MHz Equivalent Flat Plate Area: 1.3 ft.?
Lateral Thrust: 52.8 Ibs. Bending Moment: 258 ft. Ibs.
Dimensions: 5 x 9 x 148" Weight: 13 Ibs.
Shipping Weight: 23 Ibs. Support: Aluminum Tubing, 1%"
OD, 144" long
Available: 24" minimum Mounting: 2 heavy duty mast
Support Pipe Mounting Area
clamps recommended (included)
Vertical Pattern
1 4 6 5 3 2
Horizontal Pattern
TDD-6730A TDD-6740A TDD-67WA
Horizontal Field Pattern
4igh Band
base station antennas , .
~ ~~
3ROAD BAND AJWENFSA BROAD BAND ANTENNA
TDD-7100A
a
9 or 12 dB Gain Can be mounted and phased to provide a 9 dB gain circular or a 12 dB gain offset horizon- tal pattern. The nomial mount- ing is half abow and half below the top of a touusr. An- tennas are mounted with the ends together, and the phas- ing harness is terminsted at the center. When the antenna is mounted with all dements pointed toward the towar, a circular pattern rswlts. when the e(ements am pointed away from the tower, an offset pattern occurs. The prttsm ciun be changed in the fieid by rotating the mast at 180'. An unusually broad band is achieved through the use of folded dipole elements fed by a binary cable harness. A mounting bracket, one sway brace and adjustable clamps for 12" to 36"(304.8 to 914.4 mm) between lower lags are inciudíd. The clamps tit
tower membra up to 3% .2 mm) OD, a m mem- bers up to 2.5" (63.5 mm). specHvfrrsguencyr*hen O M I l g . TDo.tídorA 1!50-1@ MHz
155-165 MHz 164-174 MHz
Horizontal Circular Pattern
Electrical Data Frequency: 150.174 MHz
Power: 500 Watts, Max. Gain: (over half dipole) Omni
pattern 9 dB, Offset pattern 12 d6
VSWR: 1.51 or less Impedance: 50 Ohms, Nominal Bandwidth: 10 MHz
Vertical Beamwidth: 8' (half power points) Lightning Protection: Direct Ground
Termination: Captive Type N-Female attached to end of a flexible lead.
Mechanical Data
I.
Materials: Radiating Elements
Maximum Exposed Area (flat
Lateral Thrust at 100 mph
Survival without Ice-
Suwlval with 5" (12.7 mm) radial ice-mph (kmíhr): 74 (119) Overall Length (150-174
Shipping Length-in. (mm): 148 (3,759) Net Weight (wlciamps,
Shipping Weight (wlclamps,
uolic The mechanical specillcations are degraded for the antenna covering fhe 120-150 MHz band.
(aluminum)-in. (mm): .5 (12.7) OD with .O58 (1.47) wai I
plate equivalent)-ft.' (m?: 7.3 (.68)
(161 kmlhr): 292 (132.45)
mph (kmlhr): 100 (161)
Wind Rating:
MHz)-mph (kmíhr): 488 (12,395)
brackets)-lbs. (kg): 72 (32.66)
brackets)-lbs. (kg): 142 (64.41)
i
High Band
base-station antennas
BROAD BAND ANTEWAS BROAD BAND ANTENNAS
i J
Y *kl
I
Ominidirectional, 6 or 9 dB Gain, Lightweight, high-gain anten- na has a boaá 10 d8 band- width, and providas optimum performance in a single or multi-frequency systems. Can be mounted on the top or side of a tower and arrayed to give a circular or offset horizontal pattern. its broaá response- 10 MHz or more in the 150-174 MHz rsng8-permits it to per- form efflciently on both transmit and recek frequen- cies. The radiators operated at DC ground, and the alumin- um mast with its pdnted top cap provides I poaltive low re- sistance discharge poth to the tower or ground system. When the four elements are positioned evenly, every 90 O ' s
around the mast, a 6 d8 gain circular pattern results. When the four elements are posi- tioned in fine, collinearly, a 9 dB gain offmt pattern is cre- ated. A unique center splice assures ploper alignment. Clamps for top mounting are supplied, bid. mounting kit must be ofdored separately. Specify tmqmcy when odering. T D D - m A 150-160 MHt T D 0 - m 155-165 MHt TDD-MOSA 384-174 MHt TPIiI-MA Side Mount Kit
Side Mounting Top Mounting 1 Mounted on side of tcwer Horizontal Pattwns
~~
Electrical Data Frequency: 150-174 MHz
Power: 500 Watts, Max.
VSWR: 1.51 or less
Gain: Omni pattern 6 dB, Offset pattern 9 dB
Impedance: 50 Ohms, Nominal Bandwidth: 10 MHz
(split models)áB: 35 Minimum
Standard Termination: Captive Type
Vertical Beamwidth: 16" (half power 'points)
Lightning Protection: Direct Ground
Decoupling Between Antennas
N-Female attached to end of flexible lead
-__-- Mechanical Data Materials:
Mast-upper (aluminum)- in. (mm): 1.75 (44.45) OD with
3.18) wall Mast-lower (aluminum)-
.187 (3.18 to 4.75) wall Radiating Elements
(aluminum)-in. (mm): .5 (12.7) OD with .o58 (1.47) wall
Mounting Clamps: Galvanized Steel Maximum Exposed Area (flat
plate equivalent)-ft.* (ml): 3.15 (292) Lateral Thrust at 100 mph
(161 kmlhr)-lbs. (kg): 126 (57.15)
Survival without Ice-
Survival with 5" (12.7 mm) radial ice-mph (kmlhr): 74 (119)
Overall Length-in. (mm): 255 (6477) Shipping Length-in. (mm): 148 (3759)
Net Weight (wlclamps)- Ibs. (kg): 32 (14.51)
Shipping Weight (wiclamps)- Ibs, (kg): 48 (21.77)
,062 to .125 (1.57 ta
in. (mm): 2 (50.8) OD with .125 to
Wind Rating:
mph (kmlhr): 100 (161)
Top mounted antenna. Wind mting is greatly increased when antenna is side mounted.
t
High Band
base station antennas
BROAD BAND As BROAD BAWD ANTENNAS
3 or 6 dB Gain @an be mounted on the top or side of a tower and arrayed to gtve a circular 01 offset hori- zontal pattern. The m t N C - tion of the antenna absurcw superior lightning protection. Ttre radiaton operated at üC ground, and the aluminum mria with its pointed top cap pIovw.6 a positive low d s t - anta discharge path to the tower or ground sysíem. For chcular horizontal p.tiem, the radiating dements are verti- cally sepuated on opposite sides of the mast, which gives a 3 di3 gain. For M offset pat- tern, the radiating elements are positioned in line, miline arfy. This provides a 6.0 dB forward gain with 2.5 dB on the dde and a minus 1.5 dB on the back. The antmna is shipped with the pattern sh.pe specified, but it cal be ch8nged on the field. Top mounting clamps supplied,
*ad, mount kit must be ordsrsd separately. specm fW-cY when
120-150 MHz ondbring. TDDa4)íA m-0401A 1500-174 MHz TDIiI-6O87A SMe Mount Kit
I
Page 70 b
Electrical Data ~~
Frequency: 120-174 MHz Power: 500 Watts, Max.
VSWR: 1.5:l or less
Gain: Omni pattern, 3 dB, Offset pattern, 6 dB
Impedance: 50 Ohms, Nominal Vertical Beamwidth: 38" (half power points) Lightning Protection: Direct Ground
Termination: Captlve Type N-Female attached to end of a flexible lead I
t Mechanical Data Materials:
Mast (aluminum)-in. (mm): 1.75 (44.45) with .O62 to .125 (1.57 to 3.18) wall
Radiating Elements (aluminum)-in. (mm): .5 (12.7) OD with .O58
(1.47) wall Mounting Clamps: Galvanized Steel
Maximum Exposed Area (flat plate equivalent)-ft.' (mí): 1.6 (.149) Lateral Thrust at 100 mph
(161 km/hr)-Ibs. (kg): 64 (29.03)
Survival without Ice- mph (kmlhr): 125 (201)
Survival with .5" (12.7 mm) radial ice-mph (kmlhr): 90 (145) Overall Length (150-174
MHz)- in. (mm): 127 (3226) Net We¡& (w/clamps)-
-"r Ibs. (kg): le(7.26) Shipping Weight
Wind Rating:'
(w/clamps)- Ibs. (kg): 30 (13.61) Side Mounting: The following shows
the approximate gains triangular towers measureing 18" to 24" (457.2 to 609.6 mm) between legs. O" plmuth is the direction the side mount arm points out from the tower.
Antenna Azimuth 180" 270 90'
OMNl 4.0dB 5.5dB -3.0 dB 5.5dB 'Top mounted antenna. Wind rating is gnvatiy increased when antenna is side mounted with approprlete side mount kit.
. O'
The mech.nical specification8 am degredsd for the antenne cowring the 120-150 MHz band.
k t
High Band
base station antennas , 9 ,
FOUR WBOLE ST FOUR DIPOLE STEERABLE ANTENNAS *
6 dB Gain Rugged, lightweight, westher- proof and built to withstand the most savere environ-
poles can be orientated to provide pattern shaping. All metal construction g h SU- perior lightning protection with DC grounding. slpecirv frequency nihen odering. tW)-we@A 146-leOMHz TD8a;nBA 156-1(35MHz
m t S . Ad}WtaWe pattern di-
1 0 0 - M 164-174 MHz
P r
TDD-6780A TDD-677OA TDD-6780A
iprizontal Field Pattern
page 76 1
Electrical Data Frequency: 146-174 MHz
Power: 500 Watts, Max. Gain: 6 dB, Omni
VSWR: 1 5 1 or less Impedance: 50 Ohms, Nominal
Vertical Beamwidth: 16' Lightning Protection: DC ground through
support pipe
Flexible Termination: RG213/U, 24" Termination: N-Female connector
Mechanical Data Rated Wind Velocity: 82 mph -
Equivalent Flat Plate AFea: 2.8 ft.' Lateral Thrust: 112 Ibs.
Bending Moment: 1098 ft. lbs. Dimensions: 5 x 9 x 148"
Weight: 25 Ibs. Shipping Weight: 39 Ibs.
Support: Aluminum Tubing, 1%" OD, 2" OD lower section 272" long
Available: 24" minimum Mounting: 2 heavy duty mast
clamps (included)
Support Pipe Mounting Area
--
Vertical Pattern Horizontal Pattern
i
5. TRAMSMISOR FM PARA PRUEBAS DE C-O
5.1 TIPO DE TRANSNISOR USADO
El transmisor utilizado para las pruebas de campo es una emisora de
FM con una potencia de emisión comprendida entre 500 mW y 1 W, con una
frecuencia de trabajo comprendida entre 85 y 110 MHz.
La potencia de salida a la antena es la adecuada para realizar
comunicaciones a corta distancia si interferir en las emisoras
comerciales o estatales de radio. El alcance depende del tipo de antena
utilizado, siendo este aproximadamente de 2 a 3 Km en el interior de
ciudades, pudiendo superarse esto eh condiciones de campo abierto y
obtener un alcance comprendido entre los 8 y 10 Km.
5.2 DBSCRIPCIOH DEL CIRCUITO T S M I S O R
Como se puede observar en el circuito eléctrico del transmisor
mostrado en el diagrama, a la izquierda se encuentran dos entradas para
señales de baja frecuencia que serán usadas para un micrófono y una
entrada directa de audio.
Las señales aplicadas a estas entradas pueden amplificarse, en forma
simultánea o independiente por medio de un amplificador operacional
TL081 de bajo nivel de ruido para controlar esto se dispone de los
31
-__.I ----.-
potenciómetros P1 y P2 con los que se pueden dosificar la amplitud de
las señales.
Los valores de las resistencias R3 y R5 se han seleccionado para
obtener una ganancia de tensión de 100 para el caso del micrófono, y de
3.5 para la seKal de audio. Estas seKales se aplican a la entrada
inversora del integrado, mientras que por medio de las resistencias R1 y
R2 se aplica a la entrada no inversora una tansión equivalente a la
mitad de la tensión de alimentación, 'pr medio del C1, puesto que no se
utiliza una tensión dual para la alimentación del integrado.
El capacitor C4, situado en el circuito de retroalimentación entre
R7 y R8 proporciona una corrección de la respuesta en frecuencia para
obtener una preacentuación de 50 microseg necesaria en la transmisión de
FM .
La señal amplificada procedente de la salida del integrado (pin 6)
se aplica por medio del capacitor C5 a la etapa osciladora mezclador. El
oscilador de radiofrecuencia esta formado por el transistor TR1 un
BF199, con una polarización directa de la base obtenida del divisor
formado por R12 y R13.
La oscilación se consigue por medio del circuito LC del colector,
formado por L1, C13, C12 y un diodo varicap D1. El capacitor C10
proporciona la adecuada retroalimentación de la base y C11 evita la
realimentación negativa en el emisor producida por la resistencia R14,
con el fin de obtener una oscilación estable.
La señal de baja frecuencia presente en el capacitor C5 se aplica,
después de pasar por el filtro formado por C6, R11, C7 y la bobina CH2,
se aplican al diodo varicap D1. Debido a las características del diodo
varicap, al ser polarizado inversamente se produce una variación en su
capacitancia la cual produce variaciones de la frecuencia de oscilación,
por lo que l a señal de audiofrecuencia generada por el TR1 se encuentra
modulada en frecuencia por la señal de audio aplicada en la entrada.
A l disponer en el circuito resonante del colector de TR1 de un
trimer (ver C13) podremos sintonizar el circuito en cualquier frecuencia
de FM comprendida entre los 85 y 110 MHz. La señal de audiofrecuencia
procedente de TR1 se aplica por medio de C14 a la base del transistor
TR2 que efectúa una primera amplificación de esta señal.
La polarización de la base de TR2 por medio del divisor R16 y R17
hace que este transistor trabaje en clase "A" es decir, con o sin la
señal aplicada en su base siempre tendremos corriente en el colector,
obteniendo de esta forma una amplificación menor que si trabajaramos en
clase B o en clase C, pero obteniendo en el colector una señal sin
distorsión, además de evitar la presencia de armónicos. Debido a esto el
amplificador TR2 así como el de la siguiente etapa amplificadora TR3, se
calienta durante su funcionamiento lo cual es normal.
La señal de audiofrecuencia presente en el colector de TR2 se
aplica, a través de C18 y L2, a la base del siguiente transistor
amplificador, polarizado en directa por medio del divisor formado por
R19 y R2O. Los capacitores compensadores C29 y C30 nos permiten adapatr
la impedancia de salida de esta etapa con la impedancia de entrada con
la etapa de amplificación final.
Esta Última etapa amplificadora utiliza el transistor 214427
trabajando en clase C, con lo que conseguimos un rendimiento superior al
50%. El transistor amplificador trabaja así sin un calentamiento
excesivo y sin necesidad de disipadores de calor.
Trabajando en esta clase solo existe corriente de colector en
presencia de suficiente señal de la base, por este motiivo, si el
transistor no se caliente podemos suponer que no le llega señal de
audiofrecuencia procedente del paso anterior.
Entre el colector de éste transistor y l a alimentación encontramos
los choques CH4 y CH3 y loe condensadores C31 a C35. Su misión en el
circuito consiste en evitar que la señal de audiofrecuencia presente en
el colector llegue a la alimentación, de tal forma que se evita una
33
elevada perdida de señal que no llegaría a la antena, y la posibilidad
de que Bata señal llegue por la alimentación a los pasos anteriores
produciendo una autooscilaci6n, siempre indeseable.
La razón de poner dos o incluso tres capacitores en paralelo es que,
a frecuencias altas un capacitor presenta una reactancia inductiva de un
elevado valor que dificulta el paso de la audiofrecuencia. Esta
inductancia es siempre mayor en los condensadores de papel. poliester y
electrolíticos, donde las placas del condensador están enrrolladas, por
lo que los condensadores de éstos tipos no pueden ser utilizados para
desacoplo de señales de alta frecuencia.
Por consiguiente, se utilizan para este fin condensadores cerhicos,
que comparativamente tienen una inductancia asociada muy baja. AGn así,
es preciso disponer de varios en paralelo y de valores escalonados para
evitar que se constituya un circuito resonante a una frecuencia
determinada.
La alimentacion de los colectores'TR2 y TR3 incorporan circuitos de
filtrado y desacoplo de la señal, mediante choques de radiofrecuencia y
condensadores cerhicos de desacoplo.
La señal de salida del colector se acopla a la salida de la antena
mediante el circuito sintonizado constituido por L5 y los compensadores
C36 y C37, mediante los cuales adaptamos la impedancia de salida del
transistor a la impedancia de la antena, en fase de ajuste. Con este
circuito sintonizado se obtiene una gran atenuación de todos los
armónicos de la frecuencia portadora, que se producen por trabajar esta
etapa en clase C.
El circuito está calculado para una antena con impedancia de 52
ohms, valor también utilizado para el cable de la antena con el fin de
evitar deasdaptaciones que se traducen en pérdidas y que originan ondas
estacionarias.
34
1
La tensión de la alimentación prevista para éste circuito está
comprendida entre los 12 y 18 volts. La tensión que aplicamos al
circuito oscilador y al integrado IC1 se mantiene estabilizada por medio
del diodo zener, señalado en el diagrama como D2, siendo R15, de 100
ohms, su Correspondiente resistencia de limitación.
5.3 IMPORTANCIA DEL BLINDAJE DEL CIRCUITO DE LA BNISORA
El circuito consiste de cuatro etapas, una primera etapa es la
preamplificación, la segunda un circuito de oscilación, igualmente la
tercera y la última la etapa de potencia. Para evitar inducciones de la
señal de una etapa sobre otra, se procede a montar los blindajes que
separan las diferentes etapas de la emisora que de no hacerlo,
provocarian oscilaciones y un mal funcionamiento del circuito
s.4 A#TILblA USADA BM LA PRUEBA
El mejor medio para lograr un rendimiento óptimo del equipo es
dotarle de una antena de las características adecuadas. Deberá situarse
en algun lugar libre de obstáculos próximos que impida una buena
propagación de las señales emitidas.
El modelo de antena más sencillo es de varilla. Su diseño es muy
simple, ya que puede utilizarse un hilo desnudo de 75 centimetros con la
suficiente rigidez para mantenerse vertical, o una antena telescópica,
de las utlilizadas por muchos receptores de radio con la altura
adecuada. La impedancia de esta antena es de 52 ohms aproximadamente.
35
I
La longitud del cables coaxial que enlaza con l a emisora no debe
sobrepasar los 20 metros de longitud.
I
Para nuestro proyecto tuvimos que calcular l a longitud de onda en
base a l a frecuencia, en este caso l a frecuencia de transmisión fué de
108 Mhz donde tuvimos que usar l a formula que relaciona l a velocidad de
l a luz entre l a frecuencia dando como resultado l a longitud de onda con
un valor de 2 .77 metros donde l a antena tiende una impedencia de 52 ohms
y e l cable coaxial (RG-8) también de 52 ohms, obteniendo e l acoplamiento
deseado de impedancias.
Otro tipo de antena que podemos utilizar y que presenta mejores
características que l a anterior, es l a de plano de tuerra o "paraguas".
Este modelo se compone de una vari l la vertical de 2 .70 metros de altura
y un plano de tierra, situado en e l extremo inferior de l a var i l la
vertical, constituido por tres o cuatro varil las idénticas a l a
anterior, equidistante8 e inclinadas por e l debajo del plano vertical en
un angulo de 40 grados; es decir que e l ángulo que forma l a var i l la
vertical con cualquiera de las varil las del plano de tierra sea de 130
grados aproximadamente. La impedancia de esta antena es de 52 ohms pero
con una precisión mayor que en e l caso anterior, con io que consigue un
nivel reducido de estacionarias. Esta antena puede ser construida con
relativa facilidad.
También puede utilizarse e l tipo de antena conocido como "dipolo" de
media onda. Este dipolo presenta una inpedancia de 75 ohms, debiéndose
emplear este mismo valor para e l cable coaxial que enlace con l a emisora
reajustar l a etapa final de l a misma. La onda estacionaria es algo
superior a l a del tipo plano de tierra.
5.5 RESULTADOS
Transmitimos en 108 MHz en F. M. con una antena de onda completa y
los resultados fueron los siguientes:
36
I
i
Alcance: 50 m en zona urbana.
Frecuencia estable.
Condiciones:
Altura de la antena: 3 m
Potencia del transmisor: 400 matts
Lugar: UAM Iztapalapa D.F.
Alcance: 200 m en campo libre
Frecuencia estable.
Condiciones:
Altura de la antena: 6 m
Potencia del transmisor: 400 matts
Lugar: Carretera Ajusco-Toluca D.F.
5.6 C O N C L U S I ~ S
A) Es importante considerar los factores que determinan la
implementación de un circuito de radiofrecuencia de F. M. en la banda de
VHF. Entre ellos debe de tomarse en cuenta las reactancias inductivas
que se generan en la terminales de las resistencias y los capacitores lo
cual es debido a la alta frecuencia que se maneja. La experiencia nos
mostro que lo más conveniente era el comenzar por los componentes de
menor tamaño esto debido a que en el momento de soldar el elemento
podlamos, con una ligera presión, mantenerlos cercanos al circuito
impreso.
En cuanto a las bobinas, algunos de los valores requeridos para el circuito son muy difíciles de encontrar en el mercado, debido a esto,
estas inductancias deben ser hechas manualmente y con el mayor cuidado
posible empleando el calibre adecuado.en cada caso.
Las diferentes etapas del circuito deben de aislarse por medio de
placas metálicas conectadas a tierra, ya que nos dimos cuenta que es
importante para l a estabilidad de l a frecuencia, debido que de esta
forma se evitan las inducciones entre una etapa y otra, lo cual
provocaría un mal funcionamiento del circuito.
B ) Una vez implementado e l circuito debe tenerse cuidado de no realizar
pruebas sin l a debida conexión de l a antena o a fa lta de esta uti l izar
un disipador de potencia para equipo-de radiofrecuencia, ya que así se
evita l a reflexión de ondas estacionarias hacia a l circuito, lo cual
provocaría un grave daño en e l circuito.
Es importante tomar en cuenta e l acoplamiento de impedancia8 entre
e l equipo transmisor, e l cable coaxial de conexón a l a antena y l a
antena misma.
En nuestro caso, e l cable usado en e l equipo transmisor fue un cable
coaxial de 52 ohms de impedancia.
C) A l realizar las pruebas de campo comprobamos e l hecho de que en un
campo abierto se obtiene un mayor alcance que en un lugar donde existan
construcciones elvadas (edificios, casas etc. ) . Esto por l a razón de l a
pérdida de potencia por efectos de choque de las ondas
electromagnéticas. Un factor que ayuda a obtener un mayor alcance y
evitar numerosas pérdidas es l a altura en l a cual se situa l a antena.
Desde luego, otro factor importante de ayuda es l a potencia de l a
emisora con l a cual se transmite. En nuestro caso nuestro transmisor de
400mWatts.
D ) La frecuencia a l a cual transmitimos fue aproximadamente en los 108
MHz. Aquí cabe mencionar las dificultades que se tuvieron para localizar
esta frecuencia por no haber conseguido un equipo de medición con e l
rango adecuado, conseguimos un frecuencímetro sin embargo, su rango no
alcanzaba más a l l á de los lOOMhz y se perdió mucho tiempo en poder
conseguir uno con un rango mayor.
38
E ) Resumiendo podemos mencionar que en un sistema de comunicación
debemos de tomar en cuenta lo siguiente:
1. Analizar las carcaterísticas de l a información a transmitir ya sea
voz o datos.
2 . Tomar en cuenta l a modulación adecuada para e l tipo de canal de
comunicación. Que en nuestro caso se trata de un canal de comunicación
no guiado para l a transmisión de voz y empleamos una modulación de FM en
l a banda de VHF.
3 . La distancia entre e l equipo transmisor y e l equipo receptor es un
factor importante para calcular l a potencia a l a cual debe funcionar e l
transmisor, as í como este factor delimita también las características
de l a antena a emplearse.
4. Otro factor importante es l a característica de l a zona por donde
transitará l a señal ( edificios, montañas, etc.) para asegurar una buena
recepción.
5 . Dada las necesidades de transmisión debe realizarse l a elección de l a
antena. S i l a comunicación se realiza entre dos puntos f i jos , debe
emplearse una antena direccional con una total línea de vista. Cuando
se requiera que uan señal sea recibida en diversos puntos a l a vez es
conveniente uti l izar una antena omnidireccional.
6. A continuación 88 mencionan en general algunos tipos de antenas en
función del uso requerido:
a) Antenas internas para l a recepción en lugares sin obstáculos,
señales muy fuertes (son las entenas tipo conejo)
b) Antenas externas multibandas para todos los canales, utilizadas
en regiones urbanas sin mayores problemas de recepción. Son antenas con
un número de elementos que dependen de l a ganancia deseada y las
condiciones específicas de l a recepción.
c) Antenas multibandas para largas distancias, para lugares lejanos
de las estaciones pero que no presentan problemas serios de recepción.
d) Antena específicas para FM que se emplean en distancias largas y
madias . e) Antenas específicas para bandas de canales para los casos en que
l a recepción es más crítica. En este grupo tenemos las antenas para loa
canales bajos y las antenas para loa canales altos.
39
f) Antenas direccionales para cada canal; son antenas construidas
especialmente para recibir las frecuencias de cada canal, cuando la
recepción no sea muy fácil.
g) Antenas UHF que son para lugares que reciben las señales de TV
por retotransmisoras de UHF. Estan pueden ser para una banda entera o
para una banda reducida, existiendo también la separación entre lo
canales bajos y los altos.
h) Antenas colectivas para FM, UHF y VHF. En edificios de
departamentos es conveniente comprar una buena antena para todos, porque
la colección de muchas antenas cercanas unas con otras presenta tambnién
ciertos problemas.
40
I
146532
41
6. APBMDICE
ESPECTRO ELECTROMAGNETIC0
DESIawACIOIP DE LA BANDA 1-V- DE FRBCUELJCIA 1-V- DE
LONGITUD DE
ONDA
> 100 Km Extremadamente baja
frecuencia ( ELF )
< 3 KHZ
Muy baja frecuencia
( VLF 1
Baja frecuencia
( LF 1
Frecuencia media
( m )
Alta fercuencia
( HF 1
3 - 30 KHZ
30 - 300 KHZ
300 KHZ - 3 M ~ z
3 - 30 MHz
Muy alta frecuencia 30 - 300 MHz
( VHF 1
Ultra alta frecuencia 300 MHz - 3 GHz ( UHF 1
Super alta frecuencia
( SHF 1
3 - 30 GHZ
42
10 - 100 Km
1 - 1 0 -
100 m - 1 Km
10 - 100 m
1 - 1 0 m
10 cm - 1 m
1 - 10 cm
Extremadamente alta
frecuencia ( EHF )
30 - 300 GHz
Infrarrojo 8 Ell - 4 E14 Hz
Luz visible 4 E14 - 7.5 E14 HZ
Luz ultravioleta 7.5 E14 - 1 E16 Hz
Rayos X rayos GAMMA 1 E16 - 1E20 HZ
Rayos cósmicos > 1 E20 Hz
1 - 1 o m m
80 - 400 microm
40 - 80 microm
1.2 - 40 microm
0.6 - 1.2 microm
< 0.6 microm
43
- L.( VU w r n 114 war 12 = 2.700 cjhm 114 wat 33 = 10.030 ohm 114 wat 14 - 2 2.200 ohm 1/4 wat 35 = %7C.OC,ü ohm 1/4 wat 36 = I fiO.000 ohm 1 /4 wat 17 :: 47O.OL'O ohm 1/4 wat 18 '=; 470.009 ohm 1/4 wat I9 = 22.000 ohm 1/4 wat 110 = 22.000 ohm 1/4 wat !I 1 = 47.000 ohm 1/4 wat 12 = 47.000 ohm 1/4 wat 13 = 22.GOO ohm 1/4 wat 74 - 120 ohm 1/4 wat 1s =-. 1013 dim 1/4 wat 16 = 1 t$.(iOr) ohm 1 /4 wat 17 = 10.000 ohm 1/4 wat 18 = 100 ohm 1/4 wat 19 1.890 ohm 1/4 wat 20 -- l . C i O 0 ohm 114 wat 21 -- 100 ntini 1/4 wat 22 = 1.209 ohm 1/4 wat 1 = 22.000 ohm pot. log. 2 7 1VO.000 ohm pot.log. . 1 = 1 I) mF elect 35 volt
(2 = 4,7 mF elet 35 volt C3 = 4,7 mF elect 35 volt C4 = 220 pF disco C5 = 4,7 mF elect 35 volt C6 = 10.000 pF disco C7 = 1 .O00 pF disco C8 = 10.000 pF disco C9 = 47 mF elect 35 volt C1 O = 56 pF díscq C11= 56 pF disco C12 = 18 pFdisco C13 = 2-1 O pF compensador C14 = 68 pF disco C15 = 1 .O00 pF disco C16 = 1 .O00 pF disco C17 = 10.000 pF disco C18 = 68 pF disco C19 =i 12 pFdisco C20 = 1 OQ.OOO pF disco C21 = 1 .O00 pF disco C22 = 4.700 pF disco C23 = 330 pF disco C24 = 1.000 pF disco C25 = 4.700 pF disco C26 = 1 .O00 pF disco
C27 = 10.000 pF disco C28 = 47 mF elect 25 volt C29 = 10-85 pF compensador C30 = 10-85 pF compensador C31 = 4.700 p f disco C32 = 1 .O00 pF disco C33 = 330 pF disco t34 = 4.700 pF disco C35 = 1 .O00 pF disco C36 = 10-85 pF compensador C37 = 10-85 pF compensadw CHI = impedancia 1,8 microH. CH2 = impedancia 1,8 microH. CH3-CH9 = impedancia VK200 L1 -L5 = ver texto D1 = diodo varicap BB.106 D2 = diodo zener BiX.79C1 O D3 = diodo led TR1= NPN tipo BF.199 TR2 = NPN tipo 2N.2369 TR3 = NPN tipo 2N.2369 TR4 = NPN tipo 2N.4427. IC1 =TL.081 S1 = interruptor
BIBLIOORAFIA
- ANTENNAS. AUTOR: JOHN D. KRAUZ. EDITORIAL: McGRAW-HILL. SEGUNDA EDICION
- ENCICLOPEDIA DE LA ELECTRONICA INGENIERIA Y TECNICA. AUTOR: C. BELOVE. EDITORIAL: OCEAN0 CENTRUM. 1990
- ANTENNA THEORY AUTOR: BALAWIS EDITORIAL JOHN WILEY Q SONS
- TV COLOR AUTOR: T. L. SQUIERES EDITORIAL: PARANINFO