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VICERRECTORADO DOCENTE

Código: GUIA-PRL-001

CONSEJO ACADÉMICO

Aprobación: 2016/04/06

Formato: Guía de Práctica de Laboratorio / Talleres / Centros de Simulación

FORMATO DE INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO / TALLERES / CENTROS DE SIMULACIÓN – PARA ESTUDIANTES CARRERA: Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones. NRO. PRÁCTICA:

2

ASIGNATURA: Laboratorio de Antenas.

TÍTULO PRÁCTICA: Dipolo.

OBJETIVO ALCANZADO:   

Analizar y comprender el funcionamiento de la antena dipolo. Obtener el patrón de radiación de un dipolo. Utilizar el software NEC-WIN para simular el patrón de radiación de una antena. ACTIVIDADES DESARROLLADAS

1.Conceptos. 1) Una antena dipolo es diseñada para un  = 30cm (1Ghz) y tiene una distancia D = 15.3cm. Calcular los radios de las zonas de campo lejano y campo cercano (R1 y R2). 2) Completar una tabla comparativa del dipolo y sus características

2. Simulación. Utilizar el software NEC-Win y simular el siguiente dipolo. 1) 2) 3) 4)

Mostrar el patrón de radiación en el plano horizontal (azimut). En qué direcciones su respuesta es máxima y mínima. Mostrar el patrón de radiación en el plano de elevación. Obtener el patrón de radiación tridimensional.

3. Experimentación. 1) 2) 3) 4) 5)

Características del Dipolo de Media Longitud de Onda Comprobación del nivel de potencia recibida Calcular las regiones de Campo Cercano y Campo Lejano Obtención del Patrón de Radiación Diseñar, calcular y simular un dipolo para una frecuencia de 1.2 GHz.

RESULTADO(S) OBTENIDO(S): 1. Conceptos. 1) Una antena dipolo es diseñada para un  = 30cm (1Ghz) y tiene una distancia D = 15.3cm. Calcular los radios de las zonas de campo lejano y campo cercano (R1 y R2).

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R1=0.62

√

D3 λ

R1=0.62

√

( 15.3∗10−2 )

3

−2

30∗10

R1=6.77 cm R2=

2 D2 λ

R 2=

2(15.3∗10 ) 30∗10−2

−2 2

R2=15.61 cm 2)

Completar una tabla comparativa del dipolo y sus características Dipolo Infinitesimal

Distribución de corriente

Dipolo Pequeño

I 0 =constante

Dipolo de media longitud de onda

2 l a^z I o 1− z ' , 0≤ z ' ≤ a^z I o sin l 2 ' ' ' ' ' ' I e ( x , y , z ) ={ I e ( x =0, y =0, z )={ 2 l a^z I o 1+ z ' ,− ≤ z' ≤0 a^z I o sin l 2

( (

Directividad

3 D= sin 2 θ 2

Ganancia máxima

3 G =1.8 dBi Gmax = =1.76091 dBi max 2

Resistencia de radiación

dl Rr =80 π λ

HPBW

90 °

2

3 D= sin 2 θ 2

2

( )

Rr =20 π

2

l λ

)

)

(

π 1.66 cos2 ( cos ⁡( θ)) 2 D= sin 2 θ

2

()

90 °

Gmax 2.158 dB Rr =73.128+0 i Ω 78 °

Tabla 1 Tabla comparativa del dipolo.

1. Simulación. Utilizar el software NEC-Win y simular el siguiente dipolo.

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Figure 1 Esquema del dipolo propuesto.

Figure 2 Diagrama de dipolo en el simulador 4nec2.

La Figura 2 muestra la estructura 3D en los ejes coordenados del dipolo, esto con el fin de dar a conocer una idea de la orientación de los patrones de radiación con respecto a una referencia dada.

1) Mostrar el patrón de radiación en el plano horizontal (azimut)

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Figure 3 Patrón de radiación plano de azimut.

2) En qué direcciones su respuesta es máxima y mínima. 

En el plano de elevación en 0 y 180 grados, en el plano de azimut en 0 grados, es decir en la dirección perpendicular a la dirección de dipolo.

3) Mostrar el patrón de radiación en el plano de elevación.

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Figure 4 Patrón de radiación plano de elevación.

4) Obtener el patrón de radiación tridimensional.

Figure 5 Patrón de radiación 3D .

Figure 6 Patrón de radiación 3D.

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Figure 7 Patrón de radiación 3D.

3. Experimentación. 1) Características del Dipolo de Media Longitud de Onda En la siguiente tabla colocar las características del dipolo. Características del Dipolo Longitud del dipolo 10cm Espesor 5mm Material Aluminio Tipo de Feeder Cable Coaxial Frecuencia 1.5GHz Tabla 2 Datos del equipo de experimentación.

2) Comprobación del nivel de potencia recibida 

La potencia recibida es de 7db es decir 5.01187W.

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Figure 8 Ventana que muestra a potencia recibida.

3) Calcular las regiones de Campo Cercano y Campo Lejano Región de campo cercano:

R1=0.62

R1=0.62

√ √

D3 λ 103 20

R1=4.384 cm Región de campo lejano:

R 1=

2 D2 λ

R1=

2¿ 10 20

2

R1=10 cm

4) Obtención del Patrón de Radiación Obtener el patrón de radiación del dipolo de media longitud de onda y analizar sus características (HPBW y Dmax) utilizando MATLAB.

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Figure 9 Patrón de radiación muestra 3.

Figure 10 Patrones de radiación del dipolo.

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Figure 11 Patrones de radiación del dipolo visto en el software.

Para la simulación del dipolo de media onda se usó el siguiente modelo matemático:

cos U ( θ )=

( kl2 cos ( θ ) )−cos ( kl2 ) sin ( θ )

Figure 12 Patrón de radiación del dipolo en MATLAB. Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

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Figure 13 Patrón de radiación muestra 2.

Figure 14 Patrones de radiación.

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Figure 15 Patrón de radiación del dipolo en MATLAB.

Figure 16 Patrones de radiación del dipolo en el software.

Reconstrucción del diagrama de potencia de radiación

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Tabla 3 Diagrama 3D, reconstruido a partir de la data obtenida experimentalmente.

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Tabla 4 Diagrama 3D, reconstruido a partir de la data obtenida experimentalmente.

Calculo de parámetros utilizando MATLAB. a) HPBW. Para el cálculo de este parámetro se usó el siguiente criterio

[

1 1 HPBW= max ( P lineal ) , para max ( Plineal ) −x i ≤ 0.0115 2 2

]

Donde



Plineal son los datos obtenido, los cuales están transformados a escala lineal, y luego normalizados.



x i es cada uno de los datos que se comparara en cada iteración.

PD. El valor de 0.0015 se obtuvo como el valor mínimo para poder determinar un valor valido. El algoritmo implementado se encuentra en el anexo1 donde se obtuvo el siguiente resultado.

HPBW=77 ° cuyo valores se dieron en 42° y 325° . Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

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b)

D max

Para el cálculo de este parámetro dos aproximaciones las cuales son:  McDonald.

D0 ≈

101 2 HPB W grados−0.0027 [ HPB W grados ] 

Pozar.

√

D 0 ≈−172.4+ 191 0.818+

1 HPB W grados

El algoritmo implementado se encuentra en el anexo1 donde se obtuvo el siguiente resultado.

McDonal−−−D0 =1.6560 , Pozar−−−D0=1.7127 A partir de la siguiente figura podemos concluir que la mejor aproximación

McDonal−−−D0 =1.6560.

Tabla 5 Curva relacional entre métodos de aproximación de directividad.

Comparación de los valores ideales con los calculados a partir de los datos adquiridos Valor Ideal

Directividad

1.643 ó 2.158 dB

HPBW

78 ° Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

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Experimental

1.6560 ó 2.1906 dB 77 °

Tabla 6 Comparativa entre valores ideales y experimentales.

Lo que indica que indica que los datos obtenidos pueden dar garantía el funcionamiento del dipolo de media longitud de onda, dado que el error que se presenta se debe a falla humanas de construcción. 5) Diseñar, calcular y simular un dipolo para una frecuencia de 1.2 Ghz. Primero calculamos la longitud de onda

c 3∗10 8 λ= = =25 cm f 1.2∗10 9 Por lo que se requiere un dipolo de 12.5cm para lograr un dipolo de media longitud de onda. Calculamos las regiones Región de campo cercano

√

D3 R1=0.62 λ R1=0.62

√

3

( 12.5∗10−2 ) −2

25∗10

R1=5.48 cm Región de ampo lejano 2

R2=

2D λ

R 2=

2(12.5∗10 ) 25∗10−2

−2 2

R2=12.5 cm Procedemos a simular el dipolo

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Figure 17 Diagrama del dipolo en el simulador 4nec2.

Donde obtenemos los diagramas de radiación.

Figure 18 Patrón de radiación plano de azimut.

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Figure 19 Patrón de radiación en plano de elevación.

Figure 20 Patrón de radiación en 3D.

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Figure 21 Simulación de patrón del dipolo de media longitud de onda..

Mediante el uso del algoritmo del anexo1 se obtuvo HPBW=78.0840 y Dmax=1.64. CONCLUSIONES: 



Cuando se está diseñando una antena tipo dipolo, se debe tener en cuenta a la frecuencia que va a trabajar puesto que esto llega a influir de manera directa al patrón de radiación que obtengamos, puesto que la longitud de onda es el factor más importante de este tipo de antena. La potencia recibida por la antena receptora, está en función tanto de los parámetros de radiación de la antena transmisora, para el caso del dipolo de la frecuencia en la que estamos trabajando, la potencia de la fuente y de las características constructivas de la misma, además de factores de propagación como con el medio, la distancia entre otros.

RECOMENDACIONES: BIBLIOGRAFÍA:

[1] B. Constantine, ANTENNA THEORY, ANALYSIS AND DESIGN., New Jersey.: John Wiley & Sons, Inc., 2005.

Nombre de estudiante: ____Christian Rafael Marca Guaraca_____

Firma de estudiante: _______________________________

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Anexo graficas de datos clear;clc;syms a a1 a2 a3 a4 a5 a6;close all; a=csvread('D1.csv'); a1=csvread('D2.csv'); a2=csvread('D3.csv'); a3=csvread('D4.csv'); a4=csvread('D5.csv'); a5=csvread('D6.csv'); ad1=a(1:360,1)*pi/180;rd1=a(1:360,2);rd1=10.^(rd1/10);rd1=rd1/10.^(5.6/10 ); ad2=a1(1:360,1)*pi/180;rd2=a1(1:360,2);rd2=10.^(rd2/10);rd2=rd2/10.^(5.6/ 10); ad3=a2(1:360,1)*pi/180;rd3=a2(1:360,2);rd3=10.^(rd3/10);rd3=rd3/10.^(5.6/ 10); ad4=a3(1:360,1)*pi/180;rd4=a3(1:360,2);rd4=10.^(rd4/10);rd4=rd4/10.^(5.6/ 10); ad5=a4(1:360,1)*pi/180;rd5=a4(1:360,2);rd5=10.^(rd5/10); ad6=a5(1:360,1)*pi/180;rd6=a5(1:360,2);rd6=10.^(rd6/10); j=polar(ad1,rd1); set(j,'LineWidth',2) title('Diagrama de radiación muestra 1') hold on; k=polar(ad2,rd2,'r'); set(k,'LineWidth',2) title('Diagrama de radiación muestra 2') l=polar(ad3,rd3,'k'); set(l,'LineWidth',2) title('Diagrama de radiación muestra 3') m=polar(ad4,rd4,'g'); set(m,'LineWidth',2) Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

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title('Diagrama de radiación muestra 4') title('Diagrama de radiación') z=polar(ad5,rd5); set(z,'LineWidth',2) title('Diagrama de radiación muestra 1') hold on x=polar(ad6,rd6,'r') set(x,'LineWidth',2) title('Diagrama de radiación muestra 2') title('Diagrama de radiación') f=1.2*10^6; lambda=3*10^8/f; b=2*pi/lambda; l=lambda/2; phi=(0:.0001:1)*2*pi; theta=(0:.0001:1)*pi; E=abs((cos(b.*l./2.*cos(theta))-cos(b.*l./2))./(sin(theta))); c=polar(theta,E) set(c,'LineWidth',2) [ck,dk] = angulos( E,theta ) syms thetah f=abs(ck(1)-ck(2)) f=@(th,ph) abs((cos(b.*l./2.*cos(th))-cos(b.*l./2))./(sin(th)).*sin(th)); D_0=4*pi*(max(E)/(integral2(f,0,pi,0,2*pi))) Anexo Reconstrucción. clear all close all clc clear;clc;syms a a1 a2 a3 a4 a5 a6;close all; a=csvread('D1.csv'); a1=csvread('D2.csv'); a2=csvread('D3.csv'); a3=csvread('D4.csv'); a4=csvread('D5.csv'); a5=csvread('D6.csv'); ad1=a(1:360,1)*pi/180;rd1=a(1:360,2);rd1=10.^(rd1/10);rd1=rd1/10.^(5.6/10 ); ad2=a1(1:360,1)*pi/180;rd2=a1(1:360,2);rd2=10.^(rd2/10);rd2=rd2/10.^(5.6/ 10); ad3=a2(1:360,1)*pi/180;rd3=a2(1:360,2);rd3=10.^(rd3/10);rd3=rd3/10.^(5.6/ 10); ad4=a3(1:360,1)*pi/180;rd4=a3(1:360,2);rd4=10.^(rd4/10);rd4=rd4/10.^(5.6/ 10); ad5=a4(1:360,1)*pi/180;rd5=a4(1:360,2);rd5=10.^(rd5/10); %rd5=rd5/10.^(6/10); ad6=a5(1:360,1)*pi/180;rd6=a5(1:360,2);rd6=10.^(rd6/10); %rd6=rd6/10.^(6/10); phi_1=linspace(0,2*pi,length(ad1)); ad=linspace(0,pi,length(ad1)); adK=linspace(0,2*pi,length(ad5)); [theta1,phi]=meshgrid(ad,ad6); [theta,E]=meshgrid(ad,rd4); x=E.*sin(theta).*cos(phi); y=E.*sin(theta).*sin(phi); Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

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z=E.*cos(theta); h=surf(x,y,z) set(h, 'FaceAlpha', 0.7) shading interp xlabel('X') ylabel('Y') zlabel('Z') axis vis3d grid on

Anexo 1 clear all close all clc clear;clc;syms a a1 a2 a3 a4 a5 a6;close all; a=csvread('D1.csv'); a1=csvread('D2.csv'); a2=csvread('D3.csv'); a3=csvread('D4.csv'); a4=csvread('D5.csv'); a5=csvread('D6.csv'); ad1=a(1:360,1)*pi/180;rd1=a(1:360,2);rd1=10.^(rd1/10);rd1=rd1/10.^(5.6/10 ); ad2=a1(1:360,1)*pi/180;rd2=a1(1:360,2);rd2=10.^(rd2/10);rd2=rd2/10.^(5.6/ 10); ad3=a2(1:360,1)*pi/180;rd3=a2(1:360,2);rd3=10.^(rd3/10);rd3=rd3/10.^(5.6/ 10); ad4=a3(1:360,1)*pi/180;rd4=a3(1:360,2);rd4=10.^(rd4/10);rd4=rd4/10.^(5.6/ 10); ad5=a4(1:360,1)*pi/180;rd5=a4(1:360,2);rd5=10.^(rd5/10); %rd5=rd5/10.^(6/10); ad6=a5(1:360,1)*pi/180;rd6=a5(1:360,2);rd6=10.^(rd6/10); %rd6=rd6/10.^(6/10); theta=linspace(0,pi,length(ad1)); polar(ad3,rd3) x1=rd3; angle=ad3; cont=1;co1=1;co2=1; conth=1; co11=2;co21=2; for i=2:1:length(x1) if abs(x1(i)-(1/(2)))