DISEÑO, CÁLCULO Y ELABORACIÓN DE UNA ANTENA TIPO DIPOLO HORIZONTAL CON PATRÓN DE RADIACIÓN OMNIDIRECCIONAL

DISEÑO, CÁLCULO Y ELABORACIÓN DE UNA ANTENA TIPO DIPOLO HORIZONTAL CON PATRÓN DE RADIACIÓN OMNIDIRECCIONAL

1.- INTRODUCCIÓN

Desde el inicio de la humanidad, la necesidad de comunicación de un individuo fue, es y será  indispensable en todo lugar y momento, siempre se ha tenido la necesidad de comunicarse y se ha realizado según la situación propia y posibilidades tecnológicas de cada época, lo que ha hecho posible crear redes sociales que han permitido expandir las comunicaciones cada vez más.

Dentro del campo de las telecomunicaciones, se requiere desarrollar, implementar y aplicar diversas técnicas que diseñen sistemas que permitan la comunicación a grandes distancias a través de la transmisión y recepción de señales, este tipo de comunicación puede realizarse mediante medios guiados (comunicación alámbrica) o medios no guiados (comunicación inalámbrica). En los medios no guiados, la trasmisión y la recepción de información se lleva a cabo mediante antenas.

Las antenas son de gran importancia, gracias a ellas somos capaces de comunicarnos sin necesidad de cables, tenemos acceso a todo tipo de información en cualquier lugar y en cualquier momento. En el momento de transmitir información, la antena irradia energía electromagnética en el medio, y en la recepción la antena capta las ondas electromagnéticas del medio que la rodea, las antenas son la interfaz entre las ondas guiadas en el cable y las ondas no guiadas en el espacio.

Las antenas son dispositivos pasivos y pueden ser de diversos tipos, dependiendo de su utilización; las características de estas, dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia que se va a trasmitir o recibir. Si la longitud de onda de la antena es mucho más grande que su dimensión, se denominan elementales; si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda, se llaman resonantes; y si sus dimensiones son mucho mayores que la longitud de onda, se llaman directivas. En el presente proyecto, se presentará el diseño, desarrollo e implementación de una antena tipo dipolo con una frecuencia de 250 Mhz, se explicará la construcción, los cálculos realizados y la utilización de este tipo de antena.

2.- MARCO TEÓRICO

La antena se considera en líneas generales como un dispositivo o estructura que actúa como una interfaz entre un medio guiado que transporta señal de corriente eléctrica y un medio no guiado que porta ondas de RF en el espacio, encargado de transmitir o enfocar una señal radioeléctrica en un área en particular la cual variará dependiendo del rango angular a la que se haya instalado. Asimismo la antena receptora es la encargada de realizar el proceso de demodulación de la señal entrante es decir realizar la operación inversa anteriormente mencionada.

Las antenas cuentan con una serie de características que son mencionadas a continuación:

1. Patrón de radiación

Los patrones de radiación suelen representarse mediante la energía radiada tridimensionalmente contando con un patrón de elevación y un patrón de azimuth, donde la primera nos muestra la energía radiada por la antena vista de perfil y el segundo nos muestra una posición desde las alturas , ambas deben combinarse para obtener el modelo de radiación de energía ideal.

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Fig.1. Patrón de radiación de la antena

1. Ganancia

Se calcula como la potencia entrante y la saliente del sistema. Las unidades son dBi la ganancia busca comparar la cantidad de energía saliente de la antena con la que saldría de una antena isotrópica de radiación esférica perfecta.

1. Directividad

Como se mencionó anteriormente representa la medida de la potencia radiada o concentrada en una zona en particular también es de compararse con la intensidad de directividad de una antena isotrópica.

1. Polarización

Orientación de las Ondas Electromagnéticas al salir de la antena, existen de tipo lineal y circular. Asimismo sirve para obtener el máximo rendimiento de la misma en cuanto ambas posea la misma posición física o polaridad.

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Fig.2. Tipos de antena

Banda de frecuencias de las antenas en el espectro[pic 4]

3.- TIPOS DE ANTENAS

Según su patrón de radiación, las antenas pueden ser de 2 tipos:

Antenas Direccionales:

Las antenas dirrecionales o directivas son aquellas antenas que concentra la mayor parte de la energía radiada de manera localizada, aumentando así la potencia emitida hacia el receptor o desde la fuente deseados y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas. Existen diversos tipos como la yagui, sectorial, bocina, etc.

Antenas Omnidireccionales:

Las antenas omnidireccionales son aquellas que pueden radiar igual cantidad de energía en un ángulo de 360º en el plano horizontal de la antena, tienen una mayor cobertura pero menor alcanze de recepción que una antena direccional. Existen de diversos tipos, siendo las más eficientes las de tipo dipolo.

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Fig.3. Tipos de antenas según su radiación

4.- ANTENA ELEGIDA PARA EL PROYECTO:

ANTENA TIPO DIPOLO DE λ/2

El tipo de antena escogido para la implementación del proyecto corresponde a una antena del tipo Dipolo de λ/2. Se decidió utilizar este modelo de antena por ser una antena eficiente y de fácil diseño y construcción. Además, tiene la ventaja de que el campo irradiado que entrega tanto en polarización vertical como en horizontal, es simple y resulta apropiado para la realización de las mediciones.

4.1.- CARACTERÍSTICAS

Una antena dipolo puede ser construida de alambre o tubo aluminio .Son consideradas antenas de alta frecuencia dado que trabajan en las bandas de UHF (300Mhz-3Ghz) y VHF (30 Mhz-300Mhz), asimismo se decidirá la frecuencia en base a la longitud de antena que se trabaje e incluso si se desea implementar un transformador de impedancias (balun).

En el caso de la orientación la dirección de máxima sensibilidad de la antena dipolo es ortogonal a su eje. Para el caso de construir una antena eficiente la transmisión de norte a sur implica que la configuración del dipolo sea de Este a Oeste. La antena dipolo ofrece el alcance de trabajar en múltiplos de la frecuencia a la cual fue diseñada inicialmente lo cual demuestra su enorme versatilidad.

Para el caso de posición de trabajo , la configuración de la antena dipolo es variada normalmente se erige aunque también se puede implementar en caso de una “V” invertida o “L” invertida, se le puede montar verticalmente también

 Ahora en caso se desee implementar varias antenas dipolares individuales se han de colgar juntos con la finalidad de formar un dipolo ventilador que se alimenta en el medio de una única conexión a la línea de alimentación.

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Fig.4. Antena dipolo de λ/2

El diagrama de radiación teórico de una antena dipolo de λ/2 es el siguiente:

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Fig.5. Diagrama de Radiación de un Dipolo de λ/2

El diagrama tiene simetría radial, y sólo se presenta un dibujo de éste en los planos X,Y y Z para mayor claridad.

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Fig.6. Dipolo de λ/2

La forma del campo de irradiado depende básicamente de la longitud de la antena medida en longitudes de onda y de las terminaciones que determinan el grado de adaptación que tiene la antena, lo que se traduce en una mayor o menor cantidad de pérdidas. Según esto último la forma del lóbulo puede cambiar, variando en su anchura o extensión.

El objetivo es que los diagramas de radiación de ambas antenas sean lo más parecido a la forma teórica para que las mediciones que se realicen con el equipo resulten lo más exactas posibles. En el plano azimuth (polarización Vertical), el dipolo presenta un campo omnidireccional, y en el plano de elevación (polarización Horizontal) el campo es direccional y está compuesto por dos lóbulos. La figura siguiente muestra el campo de radiación teóricos para ambos casos de polarización.

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Fig.7. Campo de radiación de radiación del dipolo para polarización vertical y horizontal.

Para nuestro proyecto hemos implementado 2 dipolos separados 90º uno de otro, con la finalidad de obtener una mayor eficiencia en la ganancia de la antena, ya que de esta forma se tendrá una mayor cobertura de recepción.

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Fig.8. Dos dipolos separados 90º y alimentados en fase.

4.2.- TIPOS DE ANTENAS DIPOLO

1. Antenas dipolo simple:

Dos elementos conductores rectilíneos colindares de igual longitud, alimentados en el centro, y de radio bastante menor que el largo.

1. Antenas dipolo V invertida:

Los brazos del dipolo han sido doblados el mismo ángulo respecto del plano de simetría. El dipolo en V invertida es ideal para radioaficionados que transmiten en expediciones, porque con un simple mástil de unos nueve metros, un poco de cable y de cuerda de nylon, es posible instalar rápidamente una antena transportable, liviana, y de poco volumen.

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