Resumen.

En el presente informe de laboratorio se

pretende mostrar los resultados medidos en la

práctica de laboratorio “Medición del Patrón

de Radiación” con su respectivo análisis y así

mismo dar los detalles del montaje realizado y

los equipos utilizados para desarrollar la

actividad propuesta. Es importante mencionar

a manera introductoria al tema los aspectos a

tratar a través de una elaborada investigación

sobre patrón de radiación, antenas y equipos

útiles para llevar a cabo este tipo de

mediciones, como el analizador de espectro

ANRITSU MS2724B. El análisis propuesto

conlleva a la interesante comprensión del

comportamiento y características de radiación

de las diferentes antenas medidas.

Palabras Clave.

Analizador de espectro, Antena, Patrón de

Radiación, Potencia promedio.

Equipos y Materiales.

Analizador de espectro ANRITSU

MS2724B

Antenas (λ/2, 3λ/4, 3λ/2, Yagui,

Gregoriana y Log Periódica)

Generador de UHF (310 MHz)

1. Introducción

El patrón de radiación es una característica

sumamente importante en las antenas ya que

conociéndolo se logra saber la posición en la

cual se debe colocar la antena con la cual se

vaya a radiar y sus características de potencia.

De esta forma, el presente documento muestra

la metodología y/o procedimientos realizados

para llevar a cabo la medición del patrón de

radiación de seis (6) tipos de antenas, para así

desarrollar el análisis y diseño de los gráficos

que muestran de manera algo didáctica el

comportamiento de potencia de cada una con

respecto al ángulo con el cual se adecúa.

El objetivo general del desarrollo de este tipo

de prácticas es el de observar y analizar los

diferentes tipos de comportamiento de las

antenas que se midan con respecto a su

potencia. A manera específica, la práctica tiene

como fin llevar a cabo las mediciones de

potencia radiada con respecto a un ángulo de

colocación para los diferentes tipos de antenas,

en este caso, seis (6). Además, se hace vital

extraer de dicha toma de medidas la gráfica

que caracterizará el campo de radiación de la

antena y la medición, incluso, de su ancho de

banda.

LABORATORIO N° 2 MEDICIÓN DEL PATRÓN DE

RADIACIÓN

Jaime Álvarez – Ruber Hernández –David Andrés Rincón López

20082273037 – 20102273020 –20102273005

“Universidad Distrital Francisco José de Caldas”

Facultad Tecnológica

Julio de 2011

2. Marco teórico

2.1. Antenas Las antenas son un componente muy

importante de los sistemas de comunicación.

Por definición, una antena es un dispositivo

utilizado para transformar una señal de RF que

viaja en un conductor, en una onda

electromagnética en el espacio abierto. Las

antenas exhiben una propiedad conocida como

reciprocidad, lo cual significa que una antena

va a mantener las mismas características sin

importar si está transmitiendo o recibiendo. La

mayoría de las antenas son dispositivos

resonantes, que operan eficientemente sólo en

una banda de frecuencia relativamente baja.

Una antena debe ser sintonizada en la misma

banda que el sistema de radio al que está

conectada, para no afectar la recepción y

transmisión. Cuando se alimenta la antena con

una señal, emitirá radiación distribuida en el

espacio de cierta forma. La representación

gráfica de la distribución relativa de la

potencia radiada en el espacio se llama

diagrama o patrón de radiación.

2.1.1. Parámetros de una

antena

Ancho de banda

Es el margen de frecuencias en el cual los

parámetros de la antena cumplen unas

determinadas características. Se puede definir

un ancho de banda de impedancia, de

polarización, de ganancia o de otros

parámetros.

Directividad

La Directividad (D) de una antena se define

como la relación entre la intensidad de

radiación de una antena en la dirección del

máximo y la intensidad de radiación de una

antena isotrópica que radia con la misma

potencia total.

Ganancia Se define como la ganancia de potencia en la

dirección de máxima radiación. La Ganancia

(G) se produce por el efecto de la directividad

al concentrarse la potencia en las zonas

indicadas en el diagrama de radiación.

La unidad de Ganancia (G) de una antena es el

dBm o dBi, dependiendo si esta se define

respecto a un dipolo de media onda o a la

isotrópica.

Eficiencia

Relación entre la potencia radiada y la

potencia entregada a la antena. También se

puede definir como la relación entre ganancia

y directividad. El parámetro e (eficiencia) es a

dimensional

2.2. Patrón de radiación

Los patrones o diagramas de radiación

describen la intensidad relativa del campo

radiado en varias direcciones desde la antena a

una distancia constante. El patrón de radiación

es también de recepción, porque describe las

propiedades de recepción de la antena. El

patrón de radiación es tridimensional, pero

generalmente las mediciones de los mismos

son una porción bidimensional del patrón, en

el plano horizontal o vertical. Estas

mediciones son presentadas en coordenadas

rectangulares, o en coordenadas polares. La

figura 1 muestra el diagrama de radiación en

coordenadas rectangulares de una antena

Yagui de diez elementos. El detalle es bueno,

pero se hace difícil visualizar el

comportamiento de la antena en diferentes

direcciones.

Figura 1: Diagrama de radiación de una antena

Yagi en coordenadas rectangulares

En los sistemas de coordenadas polares, los

puntos se obtienen por una proyección a lo

largo de un eje que rota (radio) en la

intersección con uno de varios círculos

concéntricos. En la figura 2 presentamos un

diagrama de radiación en coordenadas polares

de la misma antena Yagi de diez elementos.

Figura 2: Diagrama polar lineal de la misma

antena Yagi.

2.3. Analizador de Espectro

Anritsu.

El MS2724B es un pequeño y fácil de usar

analizador de espectros con capacidad de

medida de hasta 20 GHz Con un peso menor

de 3,5 Kgs. está igualmente indicado para su

uso en el banco de trabajo como en el exterior.

Está idealmente equipado para medir hasta el

quinto armónico de las estaciones base de

móviles 3G. Mediante una opción se le añade

el espectrograma, fuerza de la señal y RSSI.

Tiene también una opción para añadir un

escáner definible por el usuario que es

excelente para reducir interferencias en

entornos de RF muy complicados. Otras

opciones disponibles permiten medir señales

WCDMA. La detección de quasi-picos está

incluida junto con anchos de banda de

resolución CISPR.

El ANRITSU MS2724B realiza varias

medidas inteligentes, como la potencia del

canal, relación de potencia del canal

adyacente, relación entre portadora e

interferencia, y energía de campo. Lleva

incorporado un demodulador de AM/FM/SSB.

Las señales de moduladas pueden

monitorearse usando el altavoz interno o

usando unos auriculares con conector de 2,5 m

y 3 cables. El MS2724B tiene un bajo ruido de

fase de -104 dBm/Hz típico a 1 GHz y 10

KHz. de offset, rango de resolución de ancho

de banda (RBW) de 1 Hz. a 3 MHz. Y rango

de ancho de banda de vídeo de 1 Hz. a 3 MHz.

Tiene una velocidad de barrido más rápida que

cualquier otro analizador de espectros de su

clase.

2.3.1. Especificaciones Técnicas

Características.

* Equipo portátil, con funcionamiento por

baterías.

* Gran pantalla de color visible con luz del

día.

* Pre-amplificador hasta 4 GHz incorporado.

* Equipo ligero de sólo 3,4 Kgs. (típico).

* Promedio del nivel de ruido < -159 dBm

típico con 1 Hz de resolución y un ancho de

banda de 1 GHz

* Zoom +/- veloz, visualización en secuencia

1-2-5.

* RBWs: 1 Hz a 3 MHz en secuencia 1-3.

* VBWs: 1 Hz a 3 MHz en secuencia 1-3.

* Control automático o manual del atenuador.

* Medidas inteligentes dedicadas.

* Promedios de la señal.

* Muestra valores normal, máximo y mínimo

adquirido, promedios configurables por el

usuario (se pueden promediar más de 65.000

señales).

* Nivel de offset de referencia.

* Visualiza tres señales simultáneamente.

* Menús en varios idiomas (inglés, español,

francés, alemán, italiano, chino, Japonés).

* Almacena internamente hasta 1.000

configuraciones de pruebas.

* Almacena internamente hasta 1.000 señales.

* Salva directamente a memoria compact

flash.

* Etiquetado automático de las medidas

salvadas.

* Inserción automática de la hora y fecha a los

datos salvados.

* Batería de Iones de Litio recargable.

* 6 marcadores más 6 marcadores delta o

elección de un marcador con 6 marcadores

delta.

* Líneas límite superior e inferior multi

segmentadas.

* Interface estándar de 50 Ohms. (Capacidad

para usar 75 Ohms – el instrumento corrige

internamente la pérdida del adaptador).

* Interfaces USB 2.0 y Ethernet RJ45 10/100

Base-T

*Demodulación de AM, FM y SSB con

altavoz incorporado y toma de auriculares.

3. Desarrollo Práctico

3.1. Montaje y Mediciones

Para llevar a cabo la práctica de laboratorio en

primera medida se dispuso de un Generador

UHF con una potencia calculada en clase a

través de la fórmula de Fritz de Pt = 0.55 W y

con una frecuencia de 310 MHz. Se ubicó

junto a este generador la antena Yagui grande

y se colocaron a una distancia de dos (2)

metros las antenas a medir conectadas para

dicho efecto al analizador de espectro

ANRITSU. El diagrama de la figura 3 muestra

de manera general la disposición del montaje

para llevar a cabo la práctica de laboratorio.

Figura 3. Diagrama general disposición montaje

para medición del patrón de radiación

Las mediciones se consignaron a medida que

la antena conectada al analizador de espectro

se iba cambiando, eso si teniendo en cuanta la

rotación sobre su eje que con cada una se debía

realizar. Dichas mediciones se encuentran

presentadas en el archivo anexo en Microsoft

Excel y se muestra las figuras de radiación

para cada una de las antenas medidas.

3.2. Análisis de resultados

Con cada antena se realizó la toma de

mediciones de potencia para los diferentes

ángulos a los cuales era posicionada y los

patrones de radiación obtenidos aparecen en el

archivo anexo “Patrones de radiación.xlsx”.

Antena Dipolo λ/2:

Se observó que el patrón de radiación para esta

antena se reparte hacia dos direcciones,

obteniendo la máxima potencia a 90° y a 270°.

De esta manera se pueden observar dos

lóbulos en su forma de radiación repartidos

casi recíprocamente.

Antena Dipolo 3λ/2:

Se evidenció lo visto en clase, para lo cual,

cuando una antena dipolo supera el λ su patrón

tiende modificarse en cuanto a la uniformidad

presente en solo dos lóbulos de las antenas con

un λ inferior a uno (1). Es por esta razón que

se observan cuatro pétalos o lóbulos en el

patrón de la antena de 3λ/2, donde las

mayores potencias se encuentran en 50°,

130°, 220° y 320° aproximadamente.

Antena Dipolo 3λ/4:

Tal vez este es el patrón de radiación con más

tasa de error ya que se entiende que este

debiera ser muy parecido al de la antena dipolo

de λ/2 pero de alguna forma uno de los

lóbulos es mucho más pequeño que el

otros, habiendo así un lóbulo principal,

normalmente no presente en una antena

de estas características. La mayor

potencia según los datos medidos, aun

así, es alcanzada en 90° y 270°.

Antena Yagui:

Este es un patrón de radiación normal en una

antena Yagui, ya que esta presenta la

característica de ser direccional y es notable

como esa característica es cumplida alrededor

de los 70°, en donde se encuentra el lóbulo

principal, mientras que 160°, 220° y 310° se

observan los lóbulos secundarios que en

respecto al principal irradian una potencia casi

insignificante.

Antena Gregoriana:

La directividad presente en este tipo de antenas

es una característica que las hace ser

reconocidas. La dirección del plato de la

misma define el lugar hacia el cual va a radiar

mucha más potencia, es así como se observa

alrededor de los 110° la mayor potencia de

radiación de esta antena.

Antena Log Periódica:

Este es otro ejemplo de directividad. En el

gráfico de patrón de radiación se observa que a

270° aproximadamente esta antena radia

mucha más potencia que hacia cualquier otro

ángulo.

*Todos los datos de mediciones y gráficos

de patrones de radiación se encuentran

presentes en el archivo adjunto de

Microsoft Excel.

*Para cada una de estas antenas también se

realizó la simulación en el software

MMANA-GAL. Estas simulaciones se

encuentran en el blog del grupo, vinculo en

la web: http://davandrinlop.blogspot.com/

4. Conclusiones

Se consiguió llevar a cabo de manera

satisfactoria las mediciones y extracción de

graficas de patrón de radiación para las antenas

de λ/2, 3λ/2, 3λ/4, Yagui, Gregoriana y Log

Periódica. Se observó la manera en la

cual irradia cada antena y sus diferentes

comportamientos en respecto al ángulo

en que se mida su potencia.

Se analizaron los diferentes

comportamientos de las distintas antenas

medidas con el analizador de espectro

ANRITSU MS2721B y se observó la manera

en la cual el campo de radiación puede arrojar

el ancho de banda de una antena cualquiera.

De esta forma se evidenció la vital importancia

conocer y comprender las funciones básicas

del analizador de espectro, sobre todo cuando

se requiere conocer o analizar el estado del

espectro electromagnético, ruido, señales e

interferencias entre otros.

Los montajes realizados y el procedimiento

desarrollado fueron importantes para la

consigna de datos y mediciones referentes a la

práctica. Se conoció la manera básica de

instalación de un generador conectándolo a

una antena y la forma de operación

electromagnética de la antena cuando radia en

alguna dirección, reconociendo que estas

características son reciprocas tanto en

transmisión como en recepción. De ahí la

importancia de investigar sobre el tema

previamente.

Bibliografía

[1] Antenna Theory: Analysis Design, Third

Edition, by Constantine A. Balanis

[2]Antenas:

http://es.wikipedia.org/wiki/Antena

[3]ANTENAS: principios básicos, análisis y

diseños, José Abel Hernández Rueda,

universidad autónoma de baja california,1998,

pág. 34-39

[4]http://www.ensenadamexico.net/hector/it/re

porte_antenas.php

[5]http://spanish.alibaba.com/product-

tp/anritsu-ms2721b-spectrum-analyzers-

108881940.html