Marco Lema 509 Quinto a Resumen Antenas

8/15/2019 Marco Lema 509 Quinto a Resumen Antenas

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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE INFORMATICA Y ELECTRONICA

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA EN TELECOMUNICACIONES Y REDES

PROPAGACION Y ANTENAS

NOMBRE: Marco Lema

Código: 509

Paralelo: 5to “A”

DISEÑO DE ANTENAS LOGARITMO PERIÓDICAS

El tema de este documento es una clase de antenas llamadas Estructura Antenas Logarítmicamente Periódicas, para las

cuales el patrón y la impedancia son esencialmente independientes a la frecuencia para teóricamente ilimitados anchos de

banda.

Debido a estas características y a los diferentes tipos de polarizaciones que ofrecen este tipo de estructuras (Patrones de

polarización lineal uni, bi y circular omnidireccional) se llegó a la conclusión de que aplicaciones para ellas son cas

ilimitadas entre las que se cuentan en alta frecuencia, antenas ECM, fuentes primarias para reflectores y antenas tipo lente.

La característica de este tipo de antenas es que el patrón de radiación y la impedancia se repiten periódicamente con e

logaritmo de la frecuencia; para estructuras planas esto se consigue definiendo su forma de modo que Ɵ es igual a una

función periódica de Ln(r), donde Ɵ y r son las coordenadas polares en el plano. Ahora si Ln (Ƭ) es el periodo de Ln(r), la

operación de una estructura de extensión infinita va a ser la misma para cualquiera de 2 frecuencias relacionadas por algunaintegral potencia de Ƭ.

Las dos mitades de la antena son alimentadas de los vértices de las mismas con un alambre el balanceado de dos líneas o

con una línea coaxial. Para la estructura de la figura se encontró que la frecuencia límites inferior y superior cuando los

dientes más largo y más pequeño son aproximadamente de un cuarto de la longitud de onda. De esta forma la antena tiene

un patrón de polarización lineal bidireccional con un ancho de banda sobre una frecuencia base de 10:1 o mayor y con una


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impedancia de entrada de aproximadamente 170 ohms. Los ejes de los lóbulos son perpendiculares a los planos de la

estructura. El hecho de que las características eléctricas de este tipo de antenas se repitan hace que solo sea necesario

medirlas en medio o en un periodo en la mayoría de los casos.

Como se muestra en la figura se encontró que si se dobla la estructura dentada sobre un eje horizontal se obtiene una patrón

apuntando en la dirección positiva del eje y.

La figura muestra un esquema de una estructura dentada trapezoidal general y da una definición del sistema coordenado y

varios parámetros que serán usados más adelante para describir otras estructuras.

Comparando una estructura cortada de una hoja de metal de forma convencional de una estructura grabada en una placa

de circuito impreso dieléctrico de teflón, se encontró que los modelos de circuito impreso podían ser usados sobre los

3000mc sin que la presencia del dieléctrico fuera demasiado necesaria.

Dos modelos de estructuras planas (con ψ=180°) fueron construidas con los siguientes parámetros α=90°, β=30° para launa y β=15° para la otra, τ=0.5 y R1, la distancia perpendicular desde el vértice de una de las mitades de la estructura al

elemento más largo es de 12.75 cm. Los patrones fueron tomados sobre alrededor de un rango de frecuencia de 2:1 (900 a

2100mc). La siguiente figura muestra loa patrones típicos para este tipo de estructura; en esencia ambas estructuras son

independientes en frecuencia, tienen polarización lineal, y patrones bidireccionales.


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Sobre el rango de frecuencia establecido antes, el HPBW del plano E varia de 65° a 80° con un promedio en 71°, y el HPBW

del plano H varia de 60° a 69° con un promedio en 62°. De las dos antenas probadas, la que tiene la sección central más

angosta (β=15°) muestra una variación ligeramente menor del ancho de onda con la frecuencia.

Loa patrones fueron tomados para una estructura no plana con ψ=60° sobre un rango de frecuencia de 5:1. Los patrones

típicos son mostrados en la figura siguiente. Los patrones del plano E son unidireccionales con anchos de onda varían de

60° a 75° con un promedio en 65° y los patrones del plano H tienen anchos de onda varían de 80° a 110° con un promedio

en 85°. La razón front to back, debido al factor de polarización Eϴ, tienen un valor promedio de alrededor de 9 db; la razón

front to back, debido a una mayor polarización Eϴ, tiene un valor promedio de 13 db.

La Tabla 1 muestra como la impedancia de esta estructura en particular comparada con la estructura plana correspondiente

La impedancia de entrada Zo se reduce de 170 ohms a 105 ohms y el VSRW referente a sus respectivas impedancias de

entrada son aproximadamente las mismas. Por ello, la impedancia característica de una estructura dentada trapezoidal no

plana es considerablemente mejor que la de una estructura dentada curva.


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Otra posible estructura no plana es donde la estructura plana original es doblada sobre su eje vertical a un ángulo agudo x

incluido. Un ejemplo de esta estructura se presenta en la figura a continuación. Las impedancias y patrones son medidos de180°(bidireccional) a 60°(omnidireccional) con pasos de 30°, los patrones típicos para x=90° se muestran a continuación,

en general se puede decir que varían mucho dependiendo de la frecuencia.

La variación de la impedancia con respecto a x es inversamente proporcional y tiene el efecto contrario con respecto a ψ.

ESTRUCTURAS DE ALAMBRE

Estructura plana, dentada curva de alambre

La aproximación de estructuras laminares con estructuras de alambre fue investigada primero para una estructura dentada

circular, como se muestra en las figuras, en ellas se observa que todo el metal fue removido excepto por las delgadas barras

que bordean los dientes.


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Si nos fijamos en la primera imagen las barras horizontales varían su longitud proporcionalmente a la distancia desde e

centro y los miembros verticales son de forma triangular y pose una impedancia de 110 ohms. La segunda imagen es idéntica

salvo que todos sus elementos tienen la misma longitud y presenta una impedancia de 150 ohms.

Los patrones de las dos son similares, siendo en ambos casos esencialmente independiente a la frecuencia, siendo la

estructura de la primera imagen un poco menos sensible a ésta.

ESTRUCTURA NO PLANA, DENTADA TRIANGULAR DE ALAMBRE

Desde que las estructuras circulares descritas en la sección anterior demostraron un desempeño casi tan bueno como el de

las estructuras circulares clásicas, se usó este método para la construcción de estructuras dentadas trapezoidales como las

de las figuras. La diferencia entre ambas es que en la primera el ángulo β fue reducido a 0.

La siguiente tabla muestra como el ancho de onda, ganancia y proporción front-to-back son funciones de los parámetros de

la antena para muchas estructuras. De la tabla podemos observar que el ancho de onda en ambos planos E y H decrece

mientras la proporción de diseño de Ƭ aumenta. También podemos notar que a mayor ganancia requerida, se necesitará un

diseño más grande. Se encontró que el espaciamiento entre 2 elementos transversales adyacentes no debe ser mayor que 0.3

de la longitud del elemento más largo de lo contrario el patrón comienza a romperse. Otra observación importante es que

mientras tanto la proporción front-to- back y el ancho de onda del plano H se incrementan a medida que el ángulo ψ sereduce, el plano E es independiente a dicho ángulo. El ángulo α produce un efecto secundario en el ancho de onda, mientras

éste se incrementa también lo hacen los anchos de onda de los planos E y H.


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En la siguiente tabla se muestra la variación de la impedancia con respecto al ángulo ψ de un alambre típico para unaestructura dentada trapezoidal.


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A partir de los parámetros de la tabla 3, se diseña una antena con una ganancia relativamente alta. El modelo es el que se

muestra en la figura a continuación; los parámetros para este modelo en particular son: α=14.5°, β=0°, Ƭ=0.85, ψ=29° y

R1=60 cm. Con el fin de hacer que el espaciamiento vertical entre los elementos horizontales sea de la misma longitud de

las dos medias estructuras, aproximadamente el doble de la longitud de los elementos individuales, ψ fue establecido en

29°. R1 fue establecido en 60 cm de modo que el último elemento tenga una longitud de media longitud de onda a 1000mc.

Los patrones para esta antena se muestran a continuación. El promedio de ancho de onda de los planos E y H están a 59° y

38° respectivamente, la proporción front-to-back es de alrededor de 18db, la ganancia resultante de ésta antena es un poco

mayor a 10db sobre un dipolo y los patrones son extremadamente independientes a la frecuencia.

ESTRUCTURAS DENTADAS TRIANGULARES DE ALAMBRE

Otro paso hacia la simplificación de la construcción de estas estructuras logarítmicamente periódicas fue la estructura

dentada triangular o Zig-Zag mostrada en la figura, que tiene los mismos parámetros que una estructura dentada trapezoidal

antes vista.


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En general las características del patrón son una ligera mejora con relación a las de las estructuras dentadas trapezoidales.

El ancho de onda promedio de los planos E y H en este tipo de estructuras están en 70° y 89° respectivamente, comparados

a los 67° y 106° de las estructuras trapezoidales. La proporción front-to-back es de 14.4db en comparación a 14.9db de las

estructuras trapezoidales, además que también la impedancia de éstas estructuras es ligeramente menor que la de las

estructuras trapezoidales.

PRINCIPIO DE ROTACION DE FASE

Es una característica básica de éstas estructuras logarítmicas periódicas y ha sido verificada experimentalmente. Puede ser

mejor explicada de la siguiente manera: si una de éstas estructuras es alimentada y la fase del campo eléctrico a un distancia

dipolo es medida relativa a la fase de la corriente en el punto de alimentación de la estructura, la fase de la señal que se

recibe avanzará 360° a medida que la estructura se contrae a través de un periodo.

En otras palabras si la frecuencia de la señal de excitación se incrementa por un periodo, y la fase es medida en el dipolo

mientras se mantiene el dipolo a una distancia constante eléctrica de la estructura periódica, la fase se retrasará 360°, en

relación a la fase de la corriente de alimentación.

ESTRUCTURAS ONMIDIRECCIONALES

A veces se desea tener una antena de banda ancha que de patrones omnidireccionales. A la fecha la antena más común que

tiende a alcanzar dichos requerimientos es la antena bicónica, sin embargo el patrón rompe los límites del ancho de banda

de éstas antenas a 2 o 3 a 1.

Una forma sencilla de visualizar esta estructura es imaginar dos conos ubicados punta a punta en un eje común. Comenzando

en el vértice de cada cono, una espiral equiangular se ubica en el lado inclinado del cono con el eje de la espiral coincidiendo

con el eje del cono. La espiral de un cono está hecha en sentido horario y la otra en sentido anti horario partiendo del punto

donde ambos vértices coinciden.


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Los contornos de cuatro brazos de una estructura de cuatro brazos serían las líneas de intersección de los conos y dos planos

perpendiculares cada uno e intersectando en el eje de los conos.

La siguiente figura muestra una fotografía de este tipo de estructura y de los patrones característicos de la misma. Cuando

Ɵ=90°, los patrones de φ son omnidireccionales variables entre ±1.5db. Cuando φ=90°, los patrones de Ɵ son variables

bidireccionales y tiene un promedio de ancho de onda en alrededor de 65°.

ANTENAS POLARIZADAS CIRCULARMENTE

Una limitada investigación sobre este tipo de antenas se realizó, la más exitosa de varias técnicas probadas fue la de tomar

la estructura plana mostrada a continuación y situar las cuartas partes de la estructura en cada uno de los lados inclinados

de un pirámide. El ángulo entre lados inclinados opuestos de la pirámide es el ángulo ψ de la estructura.

Como se puede observar de la figura, una estructura es Ƭ^(1/4) de la otra. Un pequeño y bien definido haz de polarización

circular (a φ=90° y Ɵ=90°) se obtiene. La visión aumentada de la alimentación muestra que en general, 2 cuartos de


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estructura adyacentes son alimentadas contra los otros 2 cuartos de estructura, 2 y 3 son alimentados contra 1 y 4. EL sentido

de la polarización circular puede ser revertido simplemente variando el punto de alimentación, o alimentando 3 y 4 contra

1 y 2.

MEDIDAS DE DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE

Se realizó un intento de medir la magnitud y la fase de las corrientes que fluyen en los elementos de una típica estructura

dentada trapezoidal de alambre no plana. La distribución de corriente era muy compleja y los resultados no eran muy

concluyentes. Sin embargo se observó que, mientras la magnitud de las corrientes era medida desde el vértice hacia loselementos transversales más largos, se alcanzaba una magnitud máxima de corriente. Desde este punto, la Magnitud de la

corriente descendía más de 30db por debajo de su punto máximo.

Los elementos transversales a este punto de baja corriente eran mucho mayores que una mitad de la longitud de onda de la

frecuencia de operación. Esto tiende a demostrar que los efectos de borde en estas estructuras son despreciables, el cual es

el caso para operación en banda ancha. Como era de esperarse, el punto de máxima corriente varía hacia el vértice de la

estructura a medida que la frecuencia se incrementa.

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