sylabus antenas y lineas de transmision

F A C U L T A D D E C I E N C I A S Y T E C N O L O G I A

U N I V E R S I D A D D E A Q U I N O B O L I V I A

1

UNIDAD ACADEMICA SANTA CRUZ

Facultad de Ciencias y Tecnología.

Ingeniería de Telecomunicaciones

SÉPTIMO SEMESTRE

SYLLABUS DE LA ASIGNATURA ANTENAS Y LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Elaborado por: Ing. Rivera Q. Carmen Gestión Académica I/2009



2

UDABOL UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA

Acreditada como PLENA mediante R. M. 288/01

VISION DE LA UNIVERSIDAD

Ser la Universidad líder en calidad educativa.

MISION DE LA UNIVERSIDAD

Desarrollar la Educación Superior Universitaria con calidad y competitividad al servicio de la sociedad.

Estimado (a) alumno (a):

El Syllabus que ponemos en tus manos es el fruto del trabajo intelectual de tus docentes, quienes han puesto sus mejores empeños en la planificación de los procesos de enseñanza para brindarte una educación de la más alta calidad. Este documento te servirá de guía para que organices mejor tus procesos de aprendizaje y los hagas mucho más productivos. Esperamos que sepas apreciarlo y cuidarlo. Aprobado por: Ing. José Jaime Barrancos Fecha: diciembre del 2008 Jefe de Carrera de Ingeniería de Telecomunicaciones (Sello y firma)



3

SYLLABUS

Asignatura: Antenas y Líneas de Transmisión.

Código: ITT – 327.

Requisito: ITT – 227.

Carga horaria: 80 horas.

Horas teóricas: 60

Horas prácticas: 40

Créditos: 8.

I. OBJETIVOS GENERALES DE LA

ASIGNATURA.

Conocer la teoría de radiación electromagnética en las antenas lineales filamentales y sus arreglos. Conocer la teoría de los sistemas de radar y sus aplicaciones. Conocer la teoría de la propagación de la inda electromagnética en líneas de transmisión. Conocer las características de radiación electromagnética de antenas filamentales: elemental, dipolo corta y de media onda, así como sus arreglos lineales, uniformes y no uniformes. Conocer las características de propagación de señales de transmisión sin pérdidas y con pérdidas. Conocer la ayuda gráfica para resolver el problema de desacoplamiento en líneas de transmisión. II. PROGRAMA ANALÍTICO DE LA ASIGNATURA.

UNIDAD I: ONDAS DE RADIO.

TEMA 1. Radiación y propagación electromagnética. 1.1. Las ecuaciones de Maxwell. 1.2. Propagación de ondas en líneas de

transmisión. 1.3. Radiación electromagnética. 1.4. Reflexión, refracción y difracción de

ondas. 1.5. Propagación de ondas en el espacio

libre.

UNIDAD II: ANTENAS LINEALES.

TEMA 2. Parámetros circuitales de las antenas.

2.1. El dipolo de media onda. 2.2. Resistencia de radiación. 2.3. Longitud del dipolo. 2.4. Resonancia de la antena. 2.5. Q de la antena y ancho de banda. 2.6. Temperatura de la antena. TEMA 3. Parámetros espaciales de las antenas.

3.1. El radiador isotrópico 3.2. Patrón de radiación. 3.3. Ganancia y directividad. 3.4. Polarización. 3.5. Efectos del suelo. TEMA 4. Tipos de antenas lineales.

4.1. Dipolo plegado. 4.2. Antena monopolo. 4.3. Antena en bucle o cuadro. 4.4. Antena de 5/8 de longitud de onda. 4.5. Antena helicoidal. TEMA 5. Adaptación de antenas.

6. 1 La carta de Smith. 6. 2 Transformador de λ/4. 6. 3 Stub cortocircuitado. 6. 4 Transformador de impedancia. Balun. 6. 5 Sintonizador de antena. 6. 6 Carga inductiva y capacitiva. TEMA 6. Arreglo de antenas.

6. 1 Arreglo Yagi. 6. 2 Arreglo bipolar log-periodic. 6. 3 Arreglo monopolo en fase. 6. 4 Otros arreglos en fase. TEMA 7. Antenas para comunicaciones móviles.

7. 1 Antenas de sitio de celdas. 7. 2 Antenas móviles y portátiles.



4

UNIDAD III: ANTENAS DE MICROONDAS.

TEMA 8. Antenas de microondas.

8. 1 Antenas de baja frecuencia. 8. 2 Antena de bocina. 8. 3 Antenas parabólicas 8. 4 Antenas helicoidales 8. 5 Antenas bicónicas 8. 6 Antenas de ranuras. 8. 7 Antenas de parche. 8. 8 Antenas de lente de Fresnel. 8. 9 Antenas inteligentes para WiMAX. III. ACTIVIDADES A REALIZAR DIRECTAMENTE EN LA COMUNIDAD

i. Tipo de asignatura para el trabajo social.

Directamente vinculada

ii. Resumen de los resultados del diagnostico realizado para la

detección de los problemas a resolver en la comunidad.

Se ha evidenciado una falta de información en los ciudadanos respecto al tema de que si las radiaciones que reciben de los diferentes emisores como ser antenas de celulares o radio, son o no perjudiciales para la salud humana, por lo que se realizara un estudio para determinar si los límites suelen ser los recomendados por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Asociación Internacional para la Protección de Radiaciones (IRPA).

iii. Nombre del proyecto

Diagramas de Radiación

iv. Contribución de la asignatura al proyecto.

Medición efectiva del espectro electromagnético emitido por diferentes Antenas.

v. Actividades a realizar durante el semestre para la implementación del proyecto

Nombre del proyecto: DIAGRAMAS DE RADIACION

Trabajos a realizar por los estudiantes.

Localidad, aula o laboratorio-

Incidencia social Fecha

1.- Hacer un levantamiento de datos sobre las torres que soportan antenas de servicios de telecomunicaciones.

Barrio a designar. Semana 3

2.- Verificar, en coordinación con los técnicos de la Superintendencia de Telecomunicaciones, el cumplimiento de normativas que se refieren a la exposición electromagnética. Con base a esta información, elaborar las recomendaciones correspondientes.

Barrio a designar. Semana 4



5

IV. EVALUACIÓN DE APRENDIZAJES.

PROCESUAL. Durante el semestre se realizarán dos tipos de actividades: Las primeras serán de aula, que consisten en clases teóricas, exposiciones, ejercicios sobre casos y trabajos grupales (Work Paper’s y DIF’s). Las segundas serán fuera de aula, que consisten en la realización de proyectos de dispositivos que serán probados en laboratorio, y las Brigadas que consistirán en la investigación sobre la existencia y cumplimiento de normativas para la protección humana frente a la radiación electromagnética de los sistemas de telefonía celular.

Cada una se tomará como evaluación procesual calificándola entre 0 y 50 puntos independientemente de la cantidad de actividades realizadas por cada alumno.

DE RESULTADOS Se realizarán dos evaluaciones parciales con contenidos teóricos y prácticos. El examen final será escrito e integral de toda la materia. Los exámenes parciales y el examen final tendrán una calificación que oscila entre 0 y 50.

V. BIBLIOGRAFÍA.

BÁSICA

Frenzel. Sistemas Electrónicos de

Comunicaciones. Editorial Alfaomega.

España. 2003. (Signatura topográfica:

621.382 F88)

COMPLEMENTARIA

Blake Roy. Sistemas Electrónicos de

Comunicaciones. Editorial Thomson.

México 2004.

Krauss–Fleichbrault –Piat.

Electromagnetismo - con aplicaciones.

Editorial Mc Graw Hill. 2000.

I. CONTROL DE EVALUACIONES.

1° evaluación parcial Fecha Nota

2° evaluación parcial Fecha Nota

Examen final Fecha Nota



6

APUNTES

VII. PLAN CALENDARIO

SEMANA ACTIVIDADES OBSERVAC.

1 TEMA 1. Radiación y propagación electromagnética.



4 TEMA 2. Parámetros circuitales de las antenas.

5 TEMA 2. Parámetros circuitales de las antenas.

6 TEMA 3. Parámetros espaciales de las antenas.

7 TEMA 3. Parámetros espaciales de las antenas.

8 TEMA 3. Parámetros espaciales de las antenas. EVAL PARC I

9 TEMA 4. Tipos de antenas lineales. Presentación de notas

10 TEMA 4. Tipos de antenas lineales.

11 TEMA 4. Tipos de antenas lineales.

12 TEMA 5. Adaptación de antenas.

13 TEMA 5. Adaptación de antenas.

14 TEMA 5. Adaptación de antenas. EVAL PARC II

15 TEMA 6. Arreglo de antenas. Presentación de notas

16 TEMA 6. Arreglo de antenas.

17 TEMA 7. Antenas para comunicaciones móviles.

18 TEMA 8. Antenas de microondas.

19 EVALUACION FINAL

20 EVALUACION FINAL Presentación de notas

21 SEGUNDA INSTANCIA Presentación de notas



7

PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD

UNIDAD O TEMA: Líneas de Transmisión.

TITULO: Modelo eléctrico de una línea de transmisión.

FECHA DE ENTREGA: Semana 2.

PERIODO DE EVALUACIÓN: Primera etapa.

1. Campos eléctricos y magnéticos en una línea de transmisión Un La Figura 1 muestra que siempre que se aplica voltaje a una línea de transmisión de dos conductores, se genera un campo eléctrico. Al mismo tiempo, este voltaje hace fluir una corriente eléctrica en los conductores produciendo un campo magnético. Observe que en cualquier tiempo dado, los conductores tienen polaridades opuestas. Durante medio ciclo de la entrada de AC, un conductor es positivo y el otro negativo; durante el semiciclo negativo, la polaridad se invierte. Esto significa que la dirección del campo eléctrico entre los conductores se invierte una vez por ciclo. La Figura 1 es un ejemplo de un campo eléctrico entre conductores. También hay que observar que la dirección del flujo de la corriente en un conductor es siempre opuesta a la del otro conductor. Por lo tanto, los campos magnéticos se combinan, como muestra la Figura 1c. Las líneas del campo magnético se apoyan en forma directa unas a otras entre los conductores, pero a medida que las líneas de fuerza se separan, la dirección del campo magnético de un conductor es opuesta a la del otro conductor, de manera que los campos tienden a cancelarse entre sí. Dicha

cancelación no es completa y la fuerza del campo magnético resultante es muy pequeña. En tanto que los campos magnético y eléctrico se muestran separados en las Figura 1b y c por claridad, debe recordarse que aparecen de manera simultánea y en ángulo recto uno respecto del otro.

Figura 1.- Campos eléctrico y magnético alrededor de una línea de transmisión. 2. Parámetros distribuidos En el análisis de líneas de transmisión, es necesario utilizar constantes distribuidas en vez de concentradas. Los parámetros a considerar son los siguientes. Resistencia Primero, hay una resistencia de la línea, que se produce porque los conductores no son perfectos: presentan resistencia a la circulación de corriente, provocando pérdidas de potencia (efecto Joule). Esta idea es

WORK PAPER # 1



8

familiar por las aplicaciones de baja frecuencia, pero hay una diferencia: la resistencia aumenta con la frecuencia, Cualquier flujo de corriente en un conductor se asocia con un campo magnético, tanto dentro del conductor como en el espacio que lo rodea. A altas frecuencias, el campo magnético dentro del conductor causa que la mayor parte de la corriente fluya cerca de su superficie. A medida que aumenta la frecuencia, la región de densidad de corriente alta se hace más delgada, reduciendo el área de sección transversal efectiva e incrementando la resistencia del conductor. Debido a que la mayor parte de la corriente fluye en una región delgada que se asemeja a una "piel" cerca de la superficie del alambre, este fenómeno se conoce como efecto superficial (skin effect). El efecto superficial explica por qué la tubería hueca funciona tan bien como conductor sólido para aplicaciones como antenas televisión y las bobinas en los transmisores de radio para VHF y frecuencias superiores. Conductancia Además de la resistencia de los alambres, debe considerarse la conductancia del dieléctrico que separa a los conductores, el cual no es perfecto: provoca pérdidas de potencia debidas a corrientes de fuga (arcos eléctricos) entre conductores. A bajas frecuencias, la conductancia es tan pequeña que puede ignorarse. Sin embargo, los dieléctricos tienden a tener más pérdidas a medida que aumenta la frecuencia. Inductancia Cualquier conductor o combinación de conductores tiene inductancia así como resistencia. La inductancia está asociada al campo magnético H generado por las corrientes iguales y opuestas que circulan por los conductores. Capacitancia También hay capacitancia entre dos conductores cualesquiera separados un dieléctrico. La capacitancia está asociada al campo eléctrico E, creado por las cargas iguales y opuestas en los conductores.

Por consiguiente, cualquier modelo de línea de transmisión debe incluir resistencia, conductancia inductancia y capacitancia. Es difícil visualizar y trabajar con constantes distribuidas. Una manera de afrontar el problema es considerar una sección corta de la línea y asignarle varias constantes concentradas. Tal esquema es la base para la Figura 2, donde se ilustran el modelo para la línea no balanceada (como el cable coaxial). En la figura se considera R = la resistencia del alambre, G = la conductancia del dieléctrico, L = la inductancia en serie y C = la capacitancia en paralelo. Todas estas constantes se dan por unidad de longitud; por ejemplo, la resistencia se expresa en

/m. Sin embargo, la longitud de la línea que se está considerando es en realidad mucho más pequeña que un metro. De hecho, la idea es permitir que la sección se acorte hasta que su longitud sea infinitesimal.

Figura 2.- Modelo de una sección de línea de transmisión corta. A bajas frecuencias, la inductancia no tiene efecto debido a que su reactancia es muy pequeña comparada con la resistencia de la línea. De manera similar, la reactancia de la capacitancia en paralelo es muy grande, así que el efecto de la capacitancia también es insignificante. La línea se caracteriza por su resistencia y posiblemente por la conductancia del dieléctrico, aunque generalmente ésta puede ignorarse. Cuando aumenta la frecuencia, la inductancia y la capacitancia comienzan a tener efecto. Mientras mayor sea la frecuencia, más grande es la reactancia inductiva en serie y menor la reactancia capacitiva en paralelo. De hecho, a altas frecuencias a menudo es



9

posible simplificar los cálculos si se ignoran los elementos resistivos y se considera sólo la inductancia y capacitancia de la línea. A este tipo de línea se le conoce como línea sin pérdida, puesto que las reactancias inductiva y capacitiva almacenan energía pero no la disipan. Efectos de las frecuencias altas

No existe una clara distinción entre microondas y otras señales de frecuencia de radio. De común acuerdo, el límite inferior para las frecuencias de microondas se fija en 1 GHz. Se examina aparte a las microondas debido a que muchas técnicas ordinarias para amplificar y transmitir señales se vuelven menos efectivas cuando aumenta la frecuencia, en tanto que otras técnicas imprácticas a frecuencias menores se vuelven más útiles.

A medida que se incrementa la frecuencia, muchas de las suposiciones simplificadoras que funcionan a frecuencias más bajas se vuelven menos precisas.

A bajas frecuencias, se ignora la inductancia y la capacitancia de las terminales del componente. A frecuencias de microondas, incluso las terminales de conexión cortas tienen reactancia capacitiva e inductiva importantes, así que el diseño físico de los componentes debe cambiar.

A frecuencias en el intervalo de UHF y superiores, los conductores de incluso unos cuantos centímetros de largo, no pueden ser ignorados o tomar solo en cuenta su capacitancia e inductancia concentradas, Es necesario analizarlos como líneas de transmisión, en las cuales se incluyen las constantes distribuidas.

A frecuencias cercanas a la banda de UHF, comúnmente se ignora el tiempo que tardan los portadores de carga para moverse por dispositivos como diodos, transistores y tubos al vacío. Cuando el periodo de las señales se vuelve más corto, este tiempo de tránsito se vuelve una fracción importante de un ciclo completo.

Se rediseñaron algunos componentes ordinarios para reducir el tiempo de tránsito y algunos dispositivos activos a fin de incorporar los efectos de tiempo de tránsito en su operación.

Debido a las cortas longitudes de onda de las señales de microondas, las antenas de tamaño físico razonable pueden tener ganancia muy alta y los reflectores parabólicos se vuelven prácticos.

A frecuencias de microondas, las pérdidas en las líneas de transmisión ordinarias son bastante grandes, y las guías de ondas, que son imprácticas a frecuencias más bajas, toman su lugar. CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 1

1. Describa las distintas bandas de frecuencias de radio del espectro electromagnético.

2. ¿Cuál es la diferencia en el comportamiento en frecuencias altas y bajas de los siguientes componentes electrónicos discretos?

a) Resistor b) Capacitor c) Inductor d) Transistor

Dibuje el circuito equivalente en altas frecuencias de cada uno de ellos.

3. Explique ¿qué puede hacerse para disminuir el efecto de las frecuencias altas en dichos componentes?

4. Explique ¿qué se entiende por autoresonancia?

5. ¿Por qué son más simples de analizar las líneas de transmisión a bajas frecuencias que a frecuencias superiores?

6. Dibuje el circuito equivalente para una sección corta de línea de transmisión y explique el significado físico de cada elemento del circuito.



10

7. ¿Qué es el efecto superficial y qué lo causa?

8. ¿Qué dispositivos se utilizan en altas frecuencias para reemplazar a los capacitores e inductores concentrados utilizados en bajas frecuencias?

9. ¿Por qué las líneas de transmisión de dos conductores son reemplazadas por

guías de onda hueca en el intervalo de frecuencias de microondas?

10. ¿Compare física y eléctricamente las antenas utilizadas en los intervalos de frecuencias intermedias y en frecuencias de microondas.



11


UNIDAD O TEMA: LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.

TITULO: Acoplamiento de impedancias utilizando carta de Smith.



1. Acoplamiento de impedancia

Los desacoplamientos de impedancias tienen un efecto dañino en las líneas de transmisión: producen potencia que se refleja hacia la fuente y voltajes y corrientes mayores de lo normal que someten a esfuerzo a la línea y al equipo conectado. En general, se obtienen mejores resultados cuando la carga se acopla con la impedancia característica de la línea. Cuando este no es el caso, suele ser útil conectar algún tipo de red de adaptación para corregir el desacoplamiento. En microondas, las redes de adaptación o acoplamiento se construyen por medio de secciones de microlíneas o componentes de guía de ondas.

2. Carta de Smith

En enero de 1939, Philip H. Smith publicó la carta de Smith, una gráfica sofisticada que permite soluciones visuales de los cálculos de líneas de transmisión. A partir de entonces, se la ha utilizado para indicar impedancias y admitancias complejas y la forma en la que varían a lo largo de una línea, por lo tanto es posible usar la gráfica como ayuda para la adaptación o acoplamiento de impedancias. Puesto que el centro de la gráfica representa siempre la impedancia característica del sistema, acoplar una línea requiere mover su impedancia de entrada al centro de la gráfica, mientras más cerca esté del centro, mejor es el acoplamiento. La Figura 1 es una impresión de computador de un programa llamado

WinSmith, uno de los muchos que llevan a cabo los cálculos de la carta de Smith.

Figura 1. Carta de Smith (WinSmith).

3. Acoplamiento mediante una línea de

transmisión de /4

Una línea de transmisión de /4 también puede utilizarse como transformador. Un cuarto de

longitud de onda (0.25 ) a lo largo de una línea representa media rotación alrededor de la

carta, así que un /4 de la línea de la impedancia correcta puede transformar una impedancia real en otra (vea la Figura 2. La impedancia característica Zo' de la línea para el transformador se determina a partir de la siguiente ecuación:

WORK PAPER # 2



12

Figura 2. Transformador de /4.

CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 2.

1. ¿Qué se entiende por impedancia característica de una línea de transmisión?

2. Defina el factor de velocidad para una línea de transmisión y explique por qué nunca puede ser mayor que uno.

3. Compare las técnicas de construcción de línea de cinta y microcinta y dibuje un esquema de cada tipo.

4. Indique la fórmula matemática para calcular la impedancia característica de una línea de cinta y de una microlínea.

5. Explique qué se entiende por la SWR en una línea. ¿Cuál es su valor cuando una

línea esta perfectamente acoplada o adaptada?

6. ¿Por qué normalmente no es deseable un valor alto de SWR?

7. Trace un diagrama que muestre cómo varía la impedancia con la distancia a lo largo de una línea en cortocircuito sin pérdida.

8. Trace un diagrama que muestre cómo se

utiliza un transformador de /4 para adaptación de impedancia. ¿Está acoplado por si mismo el transformador?

9. ¿Por qué es circular la carta de Smith?

10. Encuentre la ubicación correcta y la impedancia característica de un

transformador de /4 requerido para

acoplar una línea de 50 con una

impedancia de carga de 75 + j25 .



13


UNIDAD O TEMA: ANTENAS LINEALES.

TITULO: Tipos de antenas lineales.


PERIODO DE EVALUACIÓN: Segunda etapa.

ANTENA DE 5/8 DE LONGITUD DE ONDA La antena de 5/8 λ es una antena de 3/4 λ que ha sido acortada por medio de una bobina. Eléctricamente, la antena tiene 3/4 de λ, pero una parte de esa longitud está constituida por una bobina de tal forma que el elemento radiante sólo tiene 5/8 de longitud de onda (figura 1).

Figura 1: La antena de 5/8 λ

La línea de transmisión se conecta a una espira de la bobina o bien entre la bobina y masa (Figura 1) para hacer el acoplamiento de impedancias. Su característica de radiación es muy similar a la antena de 1/2 λ, pero con la particularidad de que ahora no tenemos el problema del circuito resonante paralelo, sólo una bobina.

Figura 2. Sistema de adaptación de la antena de 5/8 λ

Construir una bobina de alta calidad y que soporte una cierta potencia no es difícil; en contrapartida la antena de 5/8 λ necesita un plano de tierra eficaz, ya que al ser una antena de 3/4 λ su impedancia es baja.

ANTENAS COLINEALES VERTICALES Las antenas verticales no pueden ponerse una encima de otra para conseguir aumentar la ganancia. El plano de tierra que necesitan lo impide.

Si prolongamos el conductor de una antena vertical para conseguir el mismo efecto de ganancia que con los dipolos, esa ganancia se producirá a lo largo del conductor, o sea hacia arriba lo que no interesa en absoluto. Para que una antena de hilo largo funcione en vertical, hay que conseguir que todos sus elementos radiantes estén en fase, por tanto se tendrán

WORK PAPER # 3



14

que suprimir los elementos que se encuentran en contrafase.

Figura 3. Distribución de corriente en un hilo de 1 1/4 λ

En la figura se ve la distribución de corriente en un hilo de 1 1/4 λ. Es necesario suprimir el tramo central de 1/2 λ ya que se encuentra en oposición de fase y no sirve, pero no es posible cortar el cable ya que entonces no llegaría la energía a la parte superior.

La solución consiste en doblar el trozo de 1/2 λ de tal forma que se transforme en una línea de transmisión de 1/4 λ (figura 4).

Figura 4. Stub para conseguir funcionamiento colineal.

A esta línea de un cuarto de onda se le denomina en inglés stub de 1/4 y es la palabra que más se emplea, ya que su denominación en castellano sería: línea de puesta en fase de un cuarto de onda.

Como vimos al estudiar las líneas de transmisión, las líneas no radian, o lo hacen muy poco; por tanto al colocar el "stub de 1 /4 de onda" habremos conseguido poner en fase los dos trozos que interesaban, eliminar la radiación del tramo central y no cortar la unión eléctrica de la antena. Colocando "stubs" cada

media onda se puede prolongar la antena, con tramos siempre en fase, todo lo que se quiera.

Las antenas colinejales presentan ángulos de radiación cada vez más bajos (figura 4) a medida que se aumenta el número de elementos en fase. En VHF y frecuencias superiores, donde la comunicación casi siempre es por vía directa (sin reflexiones), este tipo de antenas es muy popular, ya que tienen un ángulo de radiación muy bajo. En estas frecuencias cualquier ángulo de radiación por encima del horizonte supone energía perdida.

CONSTRUCCION DE UNA ANTENA VERTICAL

Las antenas verticales se suelen construir autoportantes, o sea la parte radiante de la antena se sujeta sólo soportada por la base. Se construyen normalmente con tubo de aluminio y como mínimo con dos trozos telescópicos para permitir ajustar su longitud total (figura 5).

Figura 5. Montaje de una antena vertical

En la base se suele colocar una pieza de material aislante (nylon o teflón) que aísla al mástil y permite fijarla a otro mástil que será el que la sujete, bien sea empotrado en el suelo o levantado convenientemente. A esta pieza se le añade un anillo metálico que permite conectar los radiales. La línea de alimentación



15

se conecta entre el mástil de la antena y el anillo de radiales.

ANTENAS MULTIBANDA

Los dipolos y las antenas verticales que hemos visto hasta ahora sólo pueden trabajar en la frecuencia para la que están diseñados. Si nos alejamos un 2 ó 3 % de la frecuencia de diseño la antena deja de trabajar correctamente.

Para los radioaficionados que tienen asignadas 9 bandas entre 1 y 30 MHz, o para cualquier otro uso en el que se precise utilizar varias frecuencias muy separadas entre sí, este hecho obliga a tener una antena separada para cada banda. Dado que tener tantas antenas supone un problema bastante grave, se ha intentado diseñar antenas que sirvieran para varias bandas, a la vez.

La antena multibanda más simple se basa en la propiedad que tienen algunas antenas de resonar, como se vio al hablar de los dipolos, con longitudes múltiples de media longitud de onda.

Figura 6: Antena multibanda formada por varias V invertidas montadas en una misma línea de transmisión

Supongamos un dipolo en la banda de radioaficionados de 40 metros cortado para el centro de la banda (7.050 kHz). La longitud de ese dipolo sería de 20,21 metros, según fórmula del dipolo. Esa misma longitud produce resonancia a 3/2 longitudes de onda en 21.300 kHz, que también está en una banda de radioaficionados. Por tanto puede verse que un dipolo cortado para una frecuencia determinada también funciona en

una frecuencia tres veces más alta. Desgraciadamente este fenómeno sólo es utilizable por los radioaficionados en el ejemplo que hemos mencionado entre las bandas de 3,5 y 10,1 M Hz, si bien concordancia no es tan exacta.

Evidentemente la antena también resuena en armónicas pares, pero, en este caso la impedancia es muy alta y por tanto no se adapta a la línea de transmisión.

Desgraciadamente para los radioaficionados que tienen asignadas excepto en los casos arriba mencionados anteriormente, son múltiples pares unos de otras: 1,8, 3,5, 7, etc., o, como en el caso de las nuevas bandas asignadas desde 1979, no guardan ninguna relación armónica con las otras.

Otro sistema que permite obtener una antena multibanda consiste en construir tantos dipolos como sea necesario y conectarlos todos a la vez a la misma línea de transmisión (figura 6).

El sistema funciona relativamente bien, ya que es imposible evitar una cierta interacción entre todos los dipolos y puede resultar un tanto difícil de ajustar. Se recomienda que las puntas de los dipolos estén al menos a 1 metro de distancia de cualquier otro.

Figura 7. Antena multibanda formada por varias V invertidas montadas en una misma línea de transmisión

El montaje también puede aplicarse a las antenas en V invertida. En este caso, y si el espacio lo permite, es mejor montar cada V invertida en una dirección distinta. De esta



16

forma la interacción entre ellas se reduce y son más fáciles de ajustar.

ANTENAS CON TRAMPAS

Otra solución consiste en conectar y desconectar trozos de hilo para que la antena tenga las medidas adecuadas en cada banda. Esto puede conseguirse colocando circuitos resonantes paralelo en la antena. El circuito resonante paralelo es una "trampa" para su propia frecuencia de resonancia, puesto que constituye un obstáculo que la corriente de radiofrecuencia no puede superar. Si la frecuencia es distinta de la de resonancia, las corrientes de radiofrecuencia no encuentran la "trampa" (no hay resonancia) y seguirán por el hilo.

Figura 8. Antena multibanda con trampas

Si en la figura 8 cortamos L1 y L2 para que resuenen a las frecuencias f1 y a f2 y hacemos que los circuitos resonantes resuenen en f1, la antena podrá funcionar en fl y en f2. O sea, la trampa resonante conecta o desconecta el tramo de antena que se encuentre más allá de ella.

Es evidente que podemos colocar varias trampas de este tipo en una sola antena, con lo cual se podrá trabajar en varias bandas (figura 9).

Figura 9. Antena multibanda con varias trampas

Este sistema puede ser empleado también con las verticales de 1/4 de onda.

LA ANTENA DE HILO LARGO

Este tipo de antena es de las más simples que pueden ser construidas por un radioaficionado.

Consiste en un hilo conductor cuyo extremo próximo se conecta a la emisora y el otro queda libre.

Este tipo de antena tiene tres condicionantes:

1. Su longitud debe ser al menos de 1/4 de longitud de onda a la frecuencia más baja a emplear.



17

2. Debe emplearse con un acopiador, ya que su impedancia es desconocida.

3. Si para alguna frecuencia su longitud es de 1/4 de longitud de onda o cualquier múltiplo impar, es necesario que la estación tenga una buena toma de tierra.

Como vemos, se trata de una antena muy simple que puede instalarse en cualquier sitio y que no tiene línea de transmisión. Sin embargo, presenta la desventaja de que hay que añadirle un acoplador y, al no existir línea de transmisión, la parte de la antena que se encuentra dentro del edificio puede ser un problema. Para los que viven en casas de campo o en los áticos de las ciudades, puede ser una antena ideal por su sencillez y facilidad de montaje.

Figura 10. Acoplador para obtener resonancia en la antena de hilo largo

Para conseguir la condición de resonancia se emplea un acoplador a base de bobina y condensador, como el de la figura 10. El ardid consiste en hacer un circuito resonante del que la antena forma parte y una vez obtenida la resonancia, adaptar la impedancia a la del transmisor.

Si la antena tiene una longitud de 1/4 λ ya es resonante, pero presenta muy baja impedancia, lo que obliga a tener una buena conexión a tierra para que no existan pérdidas. Si es posible conviene evitar esas longitudes.

Si queremos que una antena de este tipo funcione en las bandas de aficionado de 80, 40, 20, 15 y 10 metros, la longitud mínima será de 20 metros (1 /4 λ en 80 m), aunque es mejor una longitud algo mayor (25 metros por ejemplo) para evitar que en 80 m tengamos 1/4 de longitud de onda exacta.

También hay que tener en cuenta que para las frecuencias más altas, donde su longitud eléctrica es de varias longitudes de onda, la antena presenta directividad como los dipolos largos, o sea que hay que elegir, si es posible, la dirección del hilo.

ANTENAS CORTAS

En algunos casos resulta imposible instalar antenas cuya longitud sea la necesaria para obtener la condición de resonancia. Por ejemplo, un dipolo para la banda de 80 metros tiene unos 40 metros de largo, longitud que muchos edificios de viviendas no tienen. Otro caso sería el de las antenas verticales colocadas en automóviles, cuya longitud debe ser de 2 metros como máximo (longitud que es demasiado grande en algunos casos).

Colocando en la antena bobinas, condensadores o ambos a la vez, puede aumentarse la longitud eléctrica de la antena, o sea reducir su longitud física.

Cuando se emplea este tipo de antenas, siempre hay que tener en cuenta los siguientes puntos:

a) El rendimiento de cualquier antena acortada será siempre inferior al de una sin acortar.



18

b) La existencia de bobinas y condensadores limita la potencia que podemos emplear. Además, este tipo de componentes siempre introducen algunas pérdidas.

c) Su ancho de banda se reduce drásticamente. Si un dipolo completo se puede utilizar un 2 ó 3 % a cada lado de la frecuencia de diseño sin que la ROE en la línea sea un problema, un dipolo acortado sólo podrá utilizarse un 1 % o menos a cada lado de la frecuencia de diseño. El grado de "estrechamiento" de banda depende de la relación entre la longitud real y lo que se haya acortado. Cuanto más corta sea una antena respecto a su longitud real más estrecho será el ancho de banda.

Figura 11. Acoplamiento de dipolos por medio de bobinas

El método más empleado para acortar antenas es el de colocar bobinas. Si en un elemento radiante conectamos una bobina (figura 11), se

acorta la longitud total como mínimo en la longitud de hilo que se emplea en la bobina. Si la bobina se encuentra en la punta de la antena, acortaremos la antena casi exactamente en la longitud del hilo que se enrolle en la bobina. Si la bobina la desplazamos hacia el punto de alimentación, el efecto aumenta (en el punto de alimentación la intensidad es máxima) y la antena se acortará mucho más que el hilo empleado en la bobina. Sin embargo, la radiación de una antena es máxima en el punto de máxima intensidad, por lo tanto cuanto más hacia el punto de alimentación se conecte la bobina, menor será la radiación total. Una buena solución consiste en conectar la bobina en un punto intermedio, con lo que se tendrá una buena solución de compromiso.

Figura 12. Antena helicoidal

Otra solución, muy empleada en las antenas verticales para automóviles, consiste en enrollar todo el hilo de la antena en forma helicoidal de paso variable (figura 12). Con este sistema se consigue una bobina a lo largo de toda la antena, pero con influencia menor en el punto dé alimentación y mayor a medida que nos acercamos al extremo. En todos los casos, siempre se deja en la punta de la antena algún sistema que permita variar su longitud total con el fin de ajustarla exactamente a la frecuencia deseada.



19

CUESTIONARIO WORK PAPER No. 6 1. Cual es la razón para que una antena

vertical no se pueda poner una encima de otra para aumentar su ganancia.

2. Una antena espiral que tenga que cubrir

un ancho de banda de 1:10, con frecuencia inferior de 2 GHz y superior de 20 GHz, tendrá un factor de expansión dependiente del número de vueltas que queramos incluir en el espiral.

3. Cuales son los tipos de antenas

estudiados y para que frecuencias. 4. Si en una antena de onda progresiva de

hilo largo (Beverage) se aumente la longitud de hilo: a) La impedancia de entrada aumenta.

b) La impedancia de entrada disminuye.

c) La dirección del máximo se aproxima a la horizontal.

d) La dirección del máximo se aproxima a la vertical.

5. Un hilo recto de longitud 10 λ soporta una

onda progresiva. ¿Cual de las siguientes afirmaciones es incorrecta? a) Radia polarización lineal. b) Posee un nulo en la dirección del

hilo. c) El máximo de radiación se sitúa en

el plano perpendicular al hilo. d) La directividad es mayor que la del

mismo hilo con una distribución sinusoidal de corrientes.



20


UNIDAD O TEMA: ARREGLO DE ANTENAS.

TITULO: Arreglo Yagi.

FECHA DE ENTREGA: Semana 16 .

PERIODO DE EVALUACIÓN: Tercera etapa.

OBJETIVO Construir una antena Yagi para la recepción de TV, que permita al estudiante familiarizarse con los componentes necesarios usuales en la construcción de antenas lineales, como son los conectores, las herramientas y algunos conceptos técnicos. MARCO TEÓRICO Antena Yagi La antena Yagi es la más utilizada en recepción de TV. Está formada por un dipolo (elemento activo) y varios elementos pasivos. Su estructura básica se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Antena Yagi de 8 elementos. En la antena Yagi, el elemento excitado es un dipolo que tiene una longitud de reflector tiene una longitud un poco mayor (en un 5%), y los directores son ligeramente más cortos (en un 5%). La separación entre los

depende del fabricante. De hecho, cada fabricante tiene sus propios tipos en los que los directores y reflectores tienen una longitud y una separación determinada para conseguir la máxima ganancia y directividad. Cuantos más elementos tengan estas antenas, mayor es la ganancia y la directividad, aunque a partir de un número de elementos prácticamente no aumentan. El patrón de radiación para una antena Yagi ordinaria con 8 elementos, se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Patrón de radiación de una antena Yagi de 8 elementos. La antena Yagi es una de banda relativamente estrecha. Cuando se optimiza para ganancia, su ancho de banda utilizable es sólo cerca de

WORK PAPER # 4



21

2% de la frecuencia de operación. Al variar la longitud de los directores se obtiene un ancho de banda más amplio, haciéndolos más cortos conforme se incrementa su distancia a partir del elemento excitado. Esto es necesario, por ejemplo, cuando la antena Yagi se utiliza para recepción de televisión. De hecho, es común construir dos o tres Yagi en un soporte llamado brazo, con elementos intercalados, para las bandas de televisión de VHF, VHF alta o UHF, o ambas (vea la Figura 3). Por lo común se utiliza un dipolo doblado para el elemento excitado en una antena de TV porque su ancho de banda es más amplio que el de un dipolo ordinario.

Figura 3. Yagi apiladas. DESARROLLO Construcción. 1.- Construya la antena Yagi mostrada en la Figura 1. 2.- Monte una o más antenas Yagi en un soporte extensible, según se muestra en la Figura 3.

Pruebas de funcionamiento. 1.- Conecte la antena Yagi en un receptor de TV y sintonice el o los canales de su preferencia y para los que ha sido proyectada. Registre los canales sintonizados. 2.- Conecte el arreglo de la antena Yagi en un receptor de TV y sintonice el o los canales de su preferencia. Registre los canales sintonizados. CONCLUSIONES Organice los resultados obtenidos para presentarlos en un informe. BASES PARA CALIFICAR EL TRABAJO 50 puntos: contenido mínimo. Si se construyen las antenas según las especificaciones teóricas. 30 puntos: funcionamiento del receptor de TV. Si además del montaje, se demuestra el funcionamiento del receptor de TV. Se valorará la recepción de más de un canal. 10 puntos: presentación en documento. Se calificará el orden, coherencia y síntesis del documento escrito. Se valorarán los análisis y comentarios sobre el tema. 10 puntos: exposición del trabajo. Se calificará la creatividad en la presentación, calidad de la información y la claridad de la exposición. Se valorarán los análisis y comentarios individuales.



22


UNIDAD O TEMA: ARREGLO DE ANTENAS.

TITULO: Arreglo Log-periódica.


PERIODO DE EVALUACIÓN: Tercera etapa.

OBJETIVO Construir una antena log-periódica para la recepción de TV, que permita al estudiante familiarizarse con los componentes necesarios usuales en la construcción de antenas lineales, como son los conectores, las herramientas y algunos conceptos técnicos. MARCO TEÓRICO Antena log-periódica. Aunque las antenas log-periódicas toman muchas formas, quizá la más simple y más común es el arreglo dipolar, ilustrado en la Figura 1, formado por una serie de dipolos activos, cada uno sintonizado a una frecuencia distinta, por tanto, es una antena de banda ancha o multibanda. Es probablemente la antena más común para la recepción de televisión; se utiliza en las instalaciones donde el nivel de señal es bueno, ya que su ganancia es de unos 8 a 11 dB.

Figura 1. Arreglo bipolar log-periódico. Es una antena de elementos múltiples, alimentados todos en oposición de fase por una línea cruzada. Debe su nombre a que sus elementos tienen longitudes que aumentan en progresión geométrica, y por ello esta antena puede funcionar en una extensa gama de frecuencias. Si uno de los elementos entra en resonancia a una cierta frecuencia, los que le preceden hacen el oficio de directores, y los que le siguen hacen el oficio de reflectrores. Generalmente, la ganancia es razonable, cerca de 8 dBi, pero no tan buena como la de una Yagi con el mismo número de elementos. El diseño de una antena log-periódica se basa en varias ecuaciones. Se elige un parámetro

cuyo valor está entre 0.7 y 0.9. El valor es la relación entre las longitudes (L) y la

WORK PAPER # 5



23

separación (D) entre elementos adyacentes a

menos 30º. Existen programas de computadora para automatizar el procedimiento de diseño.

.

(1) DESARROLLO 1.- Construya la antena log-periódica mostrada en la Figura 1. Las dimensiones de los elementos se calcularán con las ecuaciones (1). 2.- Conecte la antena log-periódica en un receptor de TV y sintonice el o los canales de su preferencia. Registre los canales sintonizados.

CONCLUSIONES Organice los resultados obtenidos para presentarlos en un informe. BASES PARA CALIFICAR EL TRABAJO 50 puntos: contenido mínimo. Si se construye la antena según las especificaciones teóricas. 30 puntos: funcionamiento del receptor de TV. Si además del montaje, se demuestra el funcionamiento del receptor de TV. Se valorará la recepción de más de un canal. 10 puntos: presentación en documento. Se calificará el orden, coherencia y síntesis del documento escrito. Se valorarán los análisis y comentarios sobre el tema. 10 puntos: exposición del trabajo. Se calificará la creatividad en la presentación, calidad de la información y la claridad de la exposición. Se valorarán los análisis y comentarios individuales.



24


UNIDAD O TEMA: LINEAS DE TRANSMISIÓN.

TITULO: Parámetros de las líneas de transmisión.



Una línea de transmisión se puede definir como un dispositivo para transmitir o guiar energía de un punto a otro. Dentro de las líneas de transmisión existen líneas balanceadas y desbalanceadas, las balanceadas son de los tipos de conductores paralelos y las desbalanceadas con conductores concéntricos. Basado en las afirmaciones anteriores, se deben formar equipos de cuatro estudiantes, investigar y discutir los siguientes aspectos: ¿Cuáles son los parámetros para que sean líneas balanceadas o desbalanceadas?. ¿Por que una línea de mayor impedancia tiene menor perdida de cobre que una línea

de menor impedancia, manteniendo igual las demás características? Una línea de transmisión abierta puede comportarse como un resistor, un inductor, o un capacitor, dependiendo de su longitud eléctrica y si sabemos que la carga es resistiva y máxima. ¿como se comporta a un cuarto de λ y a media λ.? La potencia se transfiere a una carga, en forma más eficiente, cuando no hay ondas reflejadas, es decir, cuando la impedancia característica de la línea es igual a la impedancia de carga (se dice que la línea y la carga están acopladas), si esto no sucediera ¿Como se podría transferir máxima potencia a la carga?

CONCLUSIONES (deberán sintetizar la opinión del grupo):

COMENTARIOS (deberán sintetizar la opinión del grupo):

GRUPO (máximo cinco integrantes): AP. PATERNO AP. MATERNO NOMBRES FIRMA

DIF`S # 1



25


UNIDAD O TEMA: LINEAS DE TRANSMISIÓN.

TITULO: Carta de Smith.


PERIODO DE EVALUACIÓN: Segunda etapa.

La carta de Smith es una ingeniosa técnica gráfica que virtualmente evita todas estas tediosas operaciones con números complejos. Sabemos que un grafico nos ayuda a calcular las impedancias y admitancias complejas cuando varían a lo largo de la línea. Basado en las afirmaciones anteriores, se deben formar equipos de cuatro estudiantes, investigar y discutir los siguientes aspectos: ¿Que tipo de curvas son las que conforman el grafico y en base a que parámetro están diseñadas? Conocemos que al girar 360° en la carta de Smith representa en longitudes de onda, media longitud de onda; si nos movemos

en el sentido horario, vamos de la carga al generador y en sentido contrario, nos desplazamos del generador hacia la carga. ¿Para que nos sirve movernos en estas direcciones? Con la carta de Smith podemos realizar todos las operaciones que podrimos realizar con un calculo matemático, será posible hacer los cálculos de la adaptación de una línea con la carga a través de un transformador de cuarto longitud de onda, adaptación con un stub o doble stub. ¿A qué nos referimos cuando hablamos de adaptación de impedancias con elementos T y π?

CONCLUSIONES (deberán sintetizar la opinión del grupo):


GRUPO (máximo cinco integrantes): AP. PATERNO AP. MATERNO NOMBRES FIRMA

DIF`S # 2



26


UNIDAD O TEMA: ANTENAS LINEALES.

TITULO: El dipolo elemental.



El dipolo es la antena más elemental y a partir de ella se han desarrollado todo un conjunto de antenas. En un dipolo elemental los campos y parámetros de radiación de un elemento de corriente de longitud L, mucho menor que λ, tiene una gran importancia dentro del estudio de antenas Basado en las afirmaciones anteriores, se deben formar equipos de cuatro estudiantes, investigar y discutir los siguientes aspectos: ¿Que relación existe entre la antena de Marconi y la antena de Hertz? Un radiador isotrópico ideal irradia potencia eléctrica por igual en todas direcciones, se dice también que es una fuente puntual, ¿Que relación

encuentra con la ganancia de la antena, cuando esta expresada en dBi? La polarización de una antena sólo se refiere a la orientación del campo eléctrico radiado desde la misma antena. Investigar cuantas formas de polarización de una antena existe y para que tipos de antenas se aplica cada una de ellas. ¿Como podemos explicar los efectos de la tierra en las antenas? ¿Para que se utiliza la técnica llamada carga de la antena? ¿En qué consiste esta técnica y que variaciones existen?

CONCLUSIONES (deberán sintetizar la opinión del grupo)


GRUPO (máximo cinco integrantes):

AP. PATERNO AP. MATERNO NOMBRES FIRMA

DIF`S # 3

sylabus antenas y lineas de transmision

Documents