ANTENAS Y ATENUADORES

Objetivos:

Entender el funcionamiento básico de una antena.

Comprender las estructuras comunes de las antenas.

Medir los principales parámetros de las antenas utilizando

el analizador de espectros.

Comprender la operación básica de un atenuador.

Entender la configuración de un circuito atenuador.

Diseñar e implementar un circuito atenuador.

Tabla de contenido

1. Parámetros de las antenas………………………………………………………..4

1.1 Ganancia…………………………………………………………………4

1.2 Impedancia………………………………………………………………4

1.3 Eficiencia de radiación…………………………………………………..5

1.4 Patrón de radiación………………………………………………………6

1.5 Apertura de haz………………………………………………………….6

1.6 Lóbulos laterales………………………………………………………....7

2. Tipos de antenas………………………………………………………………...7

2.1 Antena Monopolo………………………………………………………..7

2.2 Antena Dipolo……………………………………………………………8

2.3 Antena Circular…………………………………………………………..8

2.4 Sheet Antena…………………………………………………………….9

3. Parámetros de los atenuadores………………………………………………….10

3.1 Ancho de banda…………………………………………………………10

3.2 Atenuación……………………………………………………………...10

3.3 Disipación de poder……………………………………………………..10

3.4 Impedancia……………………………………………………………...11

4. Tipos de atenuadores…………………………………………………………...11

4.1 Atenuadores tipo T……………..……………………………………….11

4.2 Atenuadores tipo T balanceado…………………………………………12

4.3 Atenuador tipo π………………………………………………………..13

4.4 Atenuador tipo π balanceado…………………………………………...14

5. Laboratorio……………………………………………………………………..15

6. Cuestionario………..…………………………………………………………..17

7. Montaje…………………………………………………………………………18

8. Referencias……………………………………………………………………..25

Lista de figuras

Figura 1. Patrón de radiación…………………………………………………………….6

Figura 2. Apertura de haz………………………………………………………………..6

Figura 3. Lóbulos laterales………………………………………………………………7

Figura 4. Monopolo……………………………………………………………………..7

Figura 5. Dipolo…………………………………………………………………………8

Figura 6. Antena Circular……………………………………………………………….8

Figura 7. Sheet antena…………………………………………………………………..9

Figura 8. Atenuador tipo T……………………………………………………………..11

Figura 9. Atenuador tipo T balanceado………………………………………………..12

Figura 10. Atenuador tipo π...........................................................................................13

Figura 11. Atenuador tipo π balanceado……………………………………………….14

Figura 12. Configuración analizador de espectros……………………………………..19

Figura 13. Atenuación de cables……………………………………………………….20

Figura 14. Atenuación de puente de retorno……………………………………………21

Figura 15. Frecuencia de resonancia…………………………………………………...22

Figura 16. VSWR modulo transmisor………………………………………………….23

Antenas

Una antena es un parte indispensable de un sistema de radiofrecuencia (RF). La función

principal de esta es enviar y recibir ondas electromagnéticas desde y hacia el aire. Es

decir, 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. [1]

Está constituida por un conjunto de conductores diseñados (forma y tamaño) para radiar

un campo electromagnético cuando se le aplica una fuerza electromotriz. De manera

inversa, en recepción, si una antena se coloca en un campo electromagnético, genera

como respuesta a éste una fuerza electromotriz alterna.

Cuando una antena es seleccionada apropiadamente ésta puede mejorar la distribución

de la señal, e incrementar la relación señal a ruido, ampliar el rango de cobertura e

incluso puede reducir la perdida de potencia.

1. Parámetros de las antenas:

1.1 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.[1][3]

La ganancia de la antena está definida como:

En la ecuación Pr es la densidad de potencia recibida en W/m2 a una distancia R

de la antena medida, y Pi es la potencia irradiada por la antena. Luego se tiene

que:

1.2 Impedancia: La impedancia de una antena se define como la relación

entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada.

Para lograr una mayor eficiencia en la transferencia de energía, el transmisor, la

antena y el cable de transmisión deben tener la misma impedancia.

Generalmente estos ítems están diseñados para una impedancia de 50Ω, si la

antena, el cable de transmisión o el transmisor tienen una impedancia diferente

se presentara una desadaptación, que afectará la eficiencia de la transmisión y se

debe utilizar un circuito para acoplar la impedancia.

Si al transmitir una onda no existe adaptación de impedancias, es decir si hay

una variación en la impedancia en algún punto del sistema, provoca que parte de

la señal que enviamos se refleje, la suma de estas dos ondas se conoce como

Onda Estacionaria (Standing Wave Ratio –SWR-); la diferencia en decibelios

(dBs), entre las amplitudes de la onda incidente y de la onda reflejada es lo que

se denomina pérdidas de retorno.

Relación entre el SWR y el coeficiente de reflexión

| |

| |

Cuando la onda es reflejada en su totalidad, es decir toda la energía rebota

SWR=∞ y | |= 1. Cuando el circuito esta acoplado, es decir, no hay onda

reflejada la relación SWR=1 y | |= 0.

El valor del ROE o VSWR es siempre superior a uno, de forma que un valor de

ROE igual a uno implica que la antena está completamente adaptada y un 100%

de la potencia está siendo transmitida. Esto ocurre en un caso ideal. En la

práctica, un buen nivel de adaptación se logra con un ROE menor de 2, que

equivale a que un 90% de la potencia transmitida está siendo irradiada por la

antena.

Aunque siempre existe cierta cantidad de energía que va a ser reflejada hacia el

sistema, una pérdida de retorno elevada implica un funcionamiento inaceptable

de la antena.

1.3 Eficiencia de radiación: Es la relación entre la potencia radiada y la

potencia entregada a la antena. También se puede definir como la relación entre

ganancia y directividad y está dada por:

1.4 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 bi-dimensional del patrón, en el plano horizontal o vertical.

Estas mediciones son presentadas en coordenadas rectangulares o en

coordenadas polares.

Figura 1. Patrón de radiación

1.5 Apertura del haz: Se toma como el ancho del haz a -3db, del lóbulo

principal de radiación, que es el intervalo angular donde la densidad de potencia

es la mitad de la potencia máxima.

Figura 2. Apertura de haz

1.6 Lóbulos laterales: Ninguna antena es capaz de radiar toda la energía

en una dirección preferida. Inevitablemente, una parte de ella es radiada en otras

direcciones. Esos picos más pequeños son denominados lóbulos laterales,

especificados comúnmente en dB por debajo del lóbulo principal.

Figura 3. Lóbulos laterales

2. Tipos de antenas

Existen 4 tipos básico de antenas: Antena de dipolo, antena monopolo, antena en espiral

y antena microstrip, a partir de estas se pueden formar antenas y arreglos de antenas más

complejos.

2.1 Antena Monopolo: Es una antena constituida de un solo brazo

rectilíneo irradiante en posición vertical, para mejorar su eficiencia la antena

necesita de un plano de masa que puede ser la misma tierra o alguna superficie,

Su uso principal es en VHF para aplicaciones de radio móvil en vehículos.

Figura 4. Monopolo

Lóbulo lateral

Lóbulo principal

2.2 Antena Dipolo: Esta antena está formada por dos partes, la longitud

de la antena dipolar es cercana a ½ longitud de onda, es la más fácil de diseñar,

construir y analizar teóricamente. La frecuencia de resonancia de esta antena es

de ½ longitud de onda.

Figura 5. Dipolo

2.3 Antena circular: Se comportan de manera similar al dipolo,

exceptuando el hecho de que los extremos del dipolo se tocan. La geometría

puede ser variable: un círculo, un triángulo (en cuyo caso se la llama antena

Delta), un cuadrado e incluso un octógono. Las antena de espira de geometría

circular tiene una ganancia mayor que las otras formas, ya que la ganancia de la

antena es directamente proporcional al área delimitada. Dada su directividad, las

antenas “loop” son inmunes al ruido. Su sensibilidad máxima se sitúa en el

plano de la espira, mientras que la sensibilidad mínima se encuentra en el plano

paralelo a la espira.

Figura 6. Antena Circular

2.4 Sheet antena: Es una superficie conductiva la cual está separada del

plano básico de tierra por medio de un medio eléctrico. Cuando una antena sheet

esta resonando, la distancia entre cada capa está separada por la mitad de la

longitud de onda.

Figura 7. Sheet antena

Atenuadores

Un atenuador es un componente RF diseñado para perder o disipar potencia. Una

resistencia es un ejemplo de un atenuador básico, en la práctica se utilizan arreglos

generalmente conectados en forma “pi” de varias resistencias para formar atenuadores

prácticos. Los principales usos para estos son:

Controlar el nivel de potencia: Para obtener una figura de ruido optima y una

conversión de perdida de frecuencia controlando la salida del oscilador local en

el receptor.

Desacoplar dispositivos: generalmente para separar el oscilador de la carga.

Estandarizar dispositivos: Funciona comparando niveles de potencia entre

distintos dispositivos.

Atenuador de salto: Funciona como un atenuador cuando una interferencia

externa es agregada a la señal.

3. Parámetros de los atenuadores:

3.1 Ancho de banda: El nivel de atenuación de un atenuador variará con

la frecuencia. Algunos atenuadores de RF donde el nivel absoluto de atenuación

es importante están provistos de tablas de calibración midiendo la atenuación

absoluta en frecuencias únicas diferentes a lo largo de una banda de frecuencia.

3.2 Atenuación: Es la principal característica de estos dispositivos y es la

relación entre el nivel de entrada y el nivel de salida de potencia, se expresa t en

decibelios, así 3dB reducen la potencia a la mitad, 6dB reducen la potencia a un

cuarto, 10dB a una décima parte, 20dB a una centésima parte. La relación se

puede describir:

A(dB) = 10 log ( )

( )

3.3 Disipación de poder: Un atenuador consume energía, la cual es disipada

en forma de calor, si llega más energía de la que puede manejar el atenuador se

destruirá por el calor, por tal motivo cada dispositivo trae de fábrica unos

parámetros definidos, generalmente estos dependen del material que están

construidos.

3.4 Impedancia: Los atenuadores vienen diseñados para impedancias de

50Ω o 75Ω, aunque también pueden armarse para otros parámetros, es muy

importante escoger el adecuado para evitar las ondas estacionarias.

4. Tipos de Atenuadores

Los parámetros para el diseño de un atenuador son las impedancias de la fuente y la

carga, los niveles de impedancias entre los que va a trabajar el atenuador y la atenuación

que se quiere introducir. Según su configuración geométrica los atenuadores pueden ser

tipo π o tipo T y cada uno de estos puede ser balanceado o desbalanceado, además a

partir de estos dos se pueden construir atenuadores más complejos. El diseño consiste

en obtener los valores de las resistencias que forman el atenuador.

4.1 Atenuador tipo T: Es un tipo de red, que consta de 3 elementos

resistivos conectados en configuración tipo “T” (de allí su nombre). En algunos

casos es conocida también como tipo “y”. generalmente R1 y R2 tienen los

mismos valores a no ser que se quiera hacer adaptación entre dos impedancias

diferentes. En el siguiente diagrama podemos ver la configuración cuando

utilizamos la misma impedancia entre la entrada y la salida y el atenuador no es

balanceado. Generalmente se utilizan en radiofrecuencia y líneas de transmisión

por cable coaxial.

Figura 8. Atenuador tipo T

Lo primero que se debe calcular es la constante K:

K= antilog

Cuando se habla de voltaje o corriente

K= antilog

Cuando necesitamos calcular potencia

Cuando las impedancias de entrada y salida son iguales se usaran las siguientes

ecuaciones:

R1 = R2 = Z (

)

R3= 2Z (

)

Cuando las impedancias de entrada y salida son diferentes se usaran las

siguientes ecuaciones:

R1= Z1 (

) - R3

R1= Z2 (

) - R3

R1= 2√ (

)

4.2 Atenuador tipo T balanceado:

Figura 9. Atenuador tipo T balanceado

Como se puede apreciar la resistencia R2 se puede sumar para formar una,

dando como resultado un arreglo de 5 resistencias, las ecuaciones para este

atenuador son:

R1 = ( ( )

( ))

R2 = (( )

)

4.3 Atenuador tipo π: Es uno de los atenuadores simétricos más

utilizados, puede alcanzar grandes niveles de atenuación en una sola etapa,

aunque para atenuaciones mayores a 30dB, se recomienda realizar circuitos en

cascada. Generalmente se utilizan en radiofrecuencia y líneas de transmisión por

microondas. Su diseño imita la letra griega π, (de ahí su nombre), y como se

puede ver en la figura consta de 2 resistencias en paralelo desde tierra hacia

entrada y salida además de un resistor en serie entre estos.

Figura 10. Atenuador tipo π

Cuando tenemos las mismas impedancias las ecuaciones que rigen el circuito

serán:

R1 = R3 = Z(

)

R2 = Z (

)

Cuando las impedancias son diferentes se utilizaran las siguientes ecuaciones:

R1 = Z1 (

√

)

R2=0.5√ (

)

R3= Z2 (

√ )

4.4 Atenuador tipo π balanceado:

Figura 11. Atenuador tipo π balanceado

Para calcular los parámetros de cada elemento resistivo, primero se calculan para

el circuito desbalanceado con impedancias iguales, con la salvedad de que el

valor de R2 se divide por dos colocando el valor en cada línea como se muestra.

Los valores para R1 y R3 se dejaran como se calcularon.

5. Laboratorio

Para el desarrollo del laboratorio se necesitaran los siguientes elementos:

Módulo GRF-3300, T-4 (Antena) y Módulo GRF-3300, R-1 (Antena)

Return Loss Bridge (RLB)

Adaptador N-SMA x 3

Cable RF 75cm x 1

Cable RF 10cm x 1

Antena encauchada

Antena metálica plegable

Analizador de espectros

6. Cuestionario

Responda las siguientes preguntas antes de comenzar con el montaje

Brevemente explique las estructuras básica de una antena

Describa el funcionamiento de una antena

Que otro tipos de antenas se encuentran en la industria?

Cuál es la principal función de un atenuador?

Que otros tipos de atenuadores se pueden encontrar?

Con la ayuda del analizador de espectros y el TG (Tracking Generator),

encuentre la resonancia del dipolo metálico.

Nota:

– El tracking Generator (Generador de Barrido) es un módulo del analizador

de espectros que se encarga de replicar la señal que se encuentra en la

entrada de este, el simula su frecuencia y su amplitud, aunque esta última se

puede variar. Su principal uso es medir la respuesta en frecuencia de

dispositivos pasivos, como filtros antenas, atenuadores, etc.

– El Return Loss Bridge (Acoplador direccional) es un dispositivo usado que

acopla parte de la potencia que trasmite hacia otro puerto, está formado por

dos líneas de transmisión lo suficientemente cercanas para inducir parte de la

potencia entre ellas. El puerto acoplado es usado para obtener la información

(por ejemplo frecuencia y nivel de potencia) de la señal sin interrumpir el

flujo de principal en el sistema (a excepción de una pequeña reducción de

potencia).

7. Montaje

Funcionamiento del Tracking Generator, para activar el TG siga los siguientes

pasos.

Paso1: Frecuencia inicial 10Mhz

Paso2: Frecuencia final 1200Mhz

Paso3: Cambiar el nivel de referencia a 10dBm

Paso4: Escoger el nivel de amplitud para el TG 0dBm

Paso5: Escoger el nivel de referencia para el TG 0dBm

Paso6: Activar el TG

Conectar el TG en la entrada del analizador de espectro con el cable Rf de 10cm

y los conectores N-SMA

Se debe obtener la siguiente gráfica:

10MHz

Figura 12. Configuración del analizador de espectros

Como se puede apreciar hay un descenso de -1.3dBm, esto se debe a la

atenuación del cable de 10cms.

a) Sustituya el cable de 10cms con el de 75cms y realice la medición

nuevamente. Cuál es el nivel de atenuación?

b) Calcule el valor de las resistencias para un atenuador no balanceado en

configuración π a 10dB, y de impedancia igual a Z1=Z2=50Ω

R1=96Ω

R2=71Ω

R3=96Ω

c) Calcule el valor de las resistencias para un atenuador no balanceado en

configuración T a 18dB, y de impedancia igual a 600Ω

R1= 466Ω

R2=466Ω

R3=154Ω

Realice las siguientes conexiones para medir los diferentes niveles de

atenuación, utilice el cable RF de 75cms

- Salida del TG a T-4 10dB ATT i/p

- Entrada del Analizador a R-1 10dB ATT o/p

Se debe obtener la siguiente grafica

Figura 13. Atenuación de cables

Como se puede ver hay -13dBm, 10dBm del atenuador y -3dBm de atenuación

en los cables.

a) Realice nuevamente el ejercicio cambiando el módulo T-4 del Transmisor

por el modulo R-2 del receptor, efectué las dos conexiones y dibuje las

gráficas.

Con la ayuda del analizador de espectros mida la frecuencia de resonancia de las

2 antenas.

- Salida del TG a Source del RLS

- Coupler del RLS a entrada del analizador

La grafica que debemos ver es la siguiente:

Figura 14. Atenuación de puente de retorno

Se puede apreciar que hay una atenuacion de aproximadamente -18dB que

proviene del RLB por tal motivo se deben de tener en cuenta a la hora de

calcular la perdida de retorno de las antenas y el nivel de resonancia de las

mismas.

a) Conecte la antena metálica plegada a Load en el RLB, encuentre la frecuencia

de resonancia

Figura 15. Frecuencia de resonancia antena plegable

Se puede observar que la frecuencia de resonancia de esta antena es de 467Mhz

aproximadamente.

b) Expanda la antena plegable y mida la frecuencia. Porque se presentó el cambio,

que pasa con la longitud de onda?

c) Realice el mismo procedimiento para la antena encauchada

Utilizando el analizador de espectros mida y luego calcule el VSWR para la

antena del módulo transmisor, del módulo receptor y la antena metálica en la

frecuencia de resonancia apropiada para cada una.

La grafica para el modulo transmisor t-4 se debe parecer a la siguiente:

Figura 16. VSWR modulo transmisor

Como se puede apreciar tenemos una perdida de -38.2dB pero de estos, 18

obedecen al RLB, por tanto la perdida es de aproximadamente -20 dB, utilizando

la formula podemos encontrar el factor de perdida.

Γ= 10x/20

VSWR=

x= Atenuacion de en dBm

a) Repita el procedimiento para el modulo del receptor y para la antena metallica,

luego realice los calculos correspondientes.

Referencias

[1] Telco Antennas Pty Ltd (c) 2010-2013, Telco Antennas the coverage experts,

Obtenida el 30 de marzo del 2012, de http://telcoantennas.com.au/site/towerlocating-

step5

[2] Adrio Communications Ltd and edited by Ian Poole, Radio-Electronics.com,

Obtenida el 2 de abril de 2012, de http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-

design/attenuators/rf-attenuators-basics-tutorial.php

[3] Constantino Pérez Vega, Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de

Cantabria, Circuitos pasivos, Obtenida el 5 de abril de 2012 de

http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH3ST_Web.pdf

[5] Wayne Storr, Basic Electronics Tutorial, Obtenida el 4 de mayo de,

http://www.electronics-tutorials.ws/attenuators

[6] Random Science Tools and Calculators, Obtenida el 6 de abril de 2012 de

http://www.random-science-tools.com/electronics/PI_attenuator.html