Laboratório 8 Diagramas de Radiação de uma Antena Yagi-Uda GUIA DE LABORATÓRIO

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GUIA DE LABORATÓRIO

LABORATÓRIO 8

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1. RESUMO

Determinação dos diagramas de radiação a f=9.4(GHz) de uma antena Yagi-Uda em várias configuração com 2, 3 e 6 elementos. Cálculo de alguns parâmetros das antenas.

2. INTRODUÇÃO

O objectivo deste trabalho é proporcionar aos alunos a medição dos diagramas de radiação de antenas Yagi-Uda com diferente número de dipolos. A sessão de laboratório permite confirmar alguns conceitos teóricos apresentados nas aulas.

2.1. FUNCIONAMENTO DA SECÇÃO DE LABORATÓRIO

As experiências são realizadas sob a forma de demonstração por um grupo de dois alunos que têm de apresentar os resultados aos colegas de turma. O grupo dispõe de 20 minutos para a realização das montagens e exposição da experiência. O presente guia de laboratório descreve a montagem base e os resultados essenciais que têm de ser apresentados. No entanto, os alunos podem realizar mais montagens, caso achem conveniente, desde que não excedam o tempo previsto. Com a entrega do guia de laboratório é marcada uma secção de apresentação do laboratório com o docente. Essa secção de apresentação dura cerca de 1 hora e visa familiarizar os alunos com os equipamentos do laboratório. Apôs o contacto inicial, os alunos devem utilizar autonomamente o laboratório de modo a prepararem a respectiva experiência. Na secção de apresentação é definido um horário de acesso ao laboratório para cada um dos grupos. Os alunos podem tirar dúvidas sobre o seu ensaio durante os horários de dúvidas da cadeira ou enviando as suas questões para o e-mail do docente (Jorge.Costa@iscte.pt).

Os alunos são aconselhados a utilizar material auxiliar durante a sua exposição, tais como, acetatos com os esquemas das montagens e/ou as expressões teóricas. Caso os alunos necessitem de um projector para computador devem avisar antecipadamente o docente de modo a providenciar-se a sua requisição. Os alunos serão avaliados com base:

 na capacidade de transmitir, aos colegas, os conhecimentos utilizados na experiência;  no nível de segurança, rigor e clareza na apresentação;

 na qualidade da exposição;

 na validade dos resultados obtidos.

2.2. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO

Em seguida apresenta-se uma breve descrição sobre os diferentes equipamentos utilizados nesta secção de laboratório.

 Plataforma rotativa para antenas, 737405. Suporte rotativo para medição do diagrama de radiação de antenas. A plataforma pode ser controlada manualmente ou por computador

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1. Prato rotativo com encaixe para colocação da haste de suporte da antena.

2. LED de controlo da rotação. O prato apenas poderá ser rodado manualmente se o LED estiver verde.

3. LEDs indicadores do sentido de rotação.

4. Unidade de transmissão com saídas para alimentar o oscilador díodo Gunn e o modulador PIN.

5. Conector RS232 para ligação ao computador de controlo.

6. LED de controlo para recepção de sinal. 7. Conector de alimentação de 12(V). Figura 1 – Plataforma rotativa para antenas.

 Oscilador díodo Gunn, 73701. Permite a geração de microondas electromagnéticas com potência reduzida <10(mW). O oscilador utilizado encontra-se sintonizado para 9.4±0.1(GHz).

Figura 2 – Oscilador díodo Gunn.

 Modulador PIN, 73705. Dispositivo de dois porto que irá modular a onda electromagnética com um sinal rectangular com 1(kHz) de frequência.

Figura 3 – Modulador PIN.

 Isolador, IFW 9.4. Pequeno troço de guia de ondas que só permite a passagem de campos electromagnéticos num dos sentidos longitudinais.

 Ondâmetro. Cavidade ressonante com dimensões alteráveis. A cavidade encontra-se acoplada ao guia por um pequeno orifício. Quando a frequência de funcionamento do guia coincide com a frequência de ressonância da cavidade, o sinal no guia perde parte da sua potência que é transmitida à cavidade.

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Figura 4 – Ondâmetro.

 Atenuador Variável. O atenuador variável produz uma redução na amplitude dos campos variando a posição de um plano absorvente no interior do guia. O atenuador variável é utilizado para controlar a potência do sinal e/ou para isolar a fonte da carga.

Figura 5 – Atenuador variável.

 Corneta, 73721. Antena corneta rectangular para a banda de frequências entre 8 a 12(GHz) com cerca de 15(dBi) de ganho a 10(GHz).

Figura 6 – Corneta.

 Módulo de antenas Yagi-Uda, 737432. Este módulo permite construir várias configurações de antenas Yagi-Uda com 2, 3 e 6 elementos mudando componentes na haste com dipolo de λ/2 e díodo detector (737412).

1. Suporte sem elementos

2. Suporte com 1 reflector

3. Suporte com 1 director

4. Suporte com 1 reflector e 1 director 5. Suporte com 1 reflector e 4 directores 6. Haste com dipolo de λ/2 e díodo detector 7. Suporte para diagramas horizontais 8. Suporte para diagramas verticais

Figura 7 – Módulo de antenas Yagi-uda e suportes para traçado de diagramas de radiação.

 Computador. Utiliza-se um computador (com Windows 7) com o programa CASSY Lab para comandar a plataforma rotativa para antenas através de uma ligação RS232 e desenhar os diagramas de radiação das antenas.

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2.3. SEGURANÇA

Apesar da potência dos campos electromagnéticos gerados pelo díodo Gunn ser baixa alguns cuidados devem ser tomados. Deve-se evitar olhar para dentro da corneta de emissão quando o díodo Gunn estiver ligado. Nenhum equipamento pode sair do laboratório.

3. ESQUEMA DA MONTAGEM

De seguida, enumeram-se os passos da montagem da experiência a realizar.

A. Assegure-se que a plataforma rotativa para antenas se encontra desligada da tomada. B. Aparafuse os elementos da montagem emissora como se mostra na Figura 8 (díodo Gunn

 isolado  ondâmetro  atenuador variável  modulador PIN  antena corneta) Tenha em atenção que o sentido de propagação no isolador deverá de ser do Gunn para o ondâmetro. Ligue o díodo Gunn e o modulador PIN através de cabos BNC às respectivas saídas de alimentação na plataforma rotativa. Ligue o cabo RS232 de 9 pinos entre o conector RS232 na plataforma e a porta COM1 do PC.

Figura 8 – Esquema da montagem.

C. Coloque um poste de 12(cm) num suporte e aparafuse na outra extremidade do poste o modulador PIN. Proceda da mesma forma para o díodo Gunn. Assegure-se que o lado menor da abertura da corneta fica paralelo com a mesa.

D. Monte a haste com dipolo de λ/2 e díodo detector (antena de teste) no suporte para diagramas horizontais e introduza o conjunto no encaixe central da plataforma rotativa. Certifique-se que o eixo da antena é paralelo e perpendicular às linhas de referência na placa giratória e que o conector BNC da antena de teste está orientada na direcção do terminal TEST ANTENNA IN da plataforma rotativa. Ligue-os através de um cabo BNC. E. Introduza o suporte com 1 reflector e 4 directores do módulo de antenas Yagi-Uda na

haste com dipolo de λ/2, como se mostra na Figura 8.

F. Separe as antenas de emissão e recepção de 75(cm). Assegure-se que não existem obstáculos num raio de, pelo menos, 1(m) das antenas. As antenas têm de estar alinhadas e à mesma altura.

G. Ligue a plataforma rotativa à tomada através de um transformador de 12(V). A placa giratória move-se para a posição inicial (180°).

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Settings (General) aparece. Seleccione “Rotating Antenna Platform (737 405)” na interface COM1. A Figura 9 apresenta a interface do programa.

Figura 9 – Programa CASSY Lab.

4. ESTRUTURA DA DEMONSTRAÇÃO

De seguida descrevem-se os resultados essenciais que devem ser apresentados pelos alunos.

4.1. DETERMINAÇÃO DA FREQUÊNCIA DE FUNCIONAMENTO

Sintonize o ondâmetro e meça a frequência de trabalho. Quando o ondâmetro está sintonizado à frequência de trabalho observa-se uma redução da potência emitida pela corneta (a amplitude da tensão contínua no programa CASSY lab diminui). Registe o valor de frequência indicado no ondâmetro. Volte a dessintonizar o ondâmetro.

4.2. DIAGRAMAS DE RADIAÇÃO

A. Plano Eléctrico

Dentro do programa CASSY Lab, verifique no menu “Settings Rotating Antenna Platform” que o varrimento será feito entre -180º e 180º com incrementos de 0.5º. Uma vez que está a utilizar o dipolo de λ/2 como elemento activo da Yagi-Uda certifique-se que o campo “Bias Current” está activo. O campo “Gunn Modulation” deve estar inactivo uma vez que a montagem inclui o modulador PIN. Sempre que achar necessário pode pressionar o botão “Approach Reference Point” para colocar o prato na posição inicial. O prato apenas poderá ser rodado manualmente se o LED estiver verde. Se o prato for rodado acidentalmente no decurso de uma série de medidas para o traçado do diagrama de radiação isto origina entradas incorrectas na tabela de medidas e no respectivo diagrama de radiação. O mesmo acontece se o prato não estiver na posição inicial antes do início da série de medidas. Neste caso, é preciso repetir o ensaio (pode utilizar “Stop Rotating Platform” para parar a plataforma e “Approach Reference Point” para colocar o prato na posição inicial).

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recepção. Caso o resultado obtido se desvie muito do previsto, repita o ensaio colocando o cabo noutra posição. Grave o diagrama para um ficheiro.

B. Plano Magnético

Rode a antena corneta de emissão de modo a que o lado maior da abertura da corneta fique paralelo com a mesa. Para o efeito, deve aparafusar os postes de 12(cm) ao modulador PIN e ao díodo Gunn de forma a conseguir manter o bloco de emissão estável sobre a mesa. Retire o suporte com 1 reflector e 4 directores do módulo de antenas Yagi-Uda da haste com dipolo de λ/2. Remova o cabo BNC que liga a antena de teste ao terminal TEST ANTENNA IN da plataforma rotativa. Retire o suporte para diagramas horizontais do encaixe central da plataforma rotativa e separe-o da haste com dipolo de λ/2. Aparafuse o suporte para diagramas verticais no encaixe junto ao terminal TEST ANTENNA IN da plataforma rotativa, como se mostra na Figura 10.

Figura 10 – Posicionamento do suporte para diagramas verticais na plataforma rotativa

Coloque a haste com dipolo de λ/2 no suporte vertical como se mostra na figura. Certifique-se que o dipolo de λ/2 fica alinhado com o centro da plataforma e que as antenas de emissão e recepção estão alinhadas e à mesma altura. Ligue a antena de teste ao terminal TEST ANTENNA IN da plataforma com o cabo BNC. Coloque o suporte com 1 reflector e 4 directores do módulo de antenas Yagi-Uda na haste com dipolo de λ/2. Obtenha o diagrama de radiação no plano magnético e sobreponha-o com diagrama do plano eléctrico, anteriormente determinado. Grave os diagramas num ficheiro e feche o programa de aquisição.

C. Análise dos Resultados

Através do programa ANTENNA TRAINER e dos diagramas de radiação obtenha o valor mais elevado da intensidade de sinal recebido. Compare esse valor com a intensidade de sinal recebida usando o dipolo de /2. Utilizando a fórmula de Friis estime o ganho da antena de Yagi-Uda, despreze quaisquer perdas nos cabos e nas junções de ligação.

Determine, no plano eléctrico e no plano magnético, a largura do lobo principal a meia potência e a largura entre nulos. Utilizando os resultados anteriores estime o ganho da antena de recepção assumindo que a sua eficiência de radiação é 100%. Compare e comente o resultado face ao valor obtido através da fórmula de Friis.

Determine a relação frente-trás da antena de recepção e, se possível, obtenha o seu nível de lobos secundários.

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largura do lobo principal. Compare os resultados com os valores da antena anterior. Determine a relação frente-trás da antena de recepção e, se possível, obtenha o seu nível de lobos secundários. Volte a repetir o ensaio para uma antena de recepção com 3 e 2 dipolos.

5. CONCLUSÃO DA SECÇÃO DE LABORATÓRIO A. Feche o programa CASSY Lab.

B. Apague do disco rígido todos os ficheiros criados na secção de laboratório. C. Desligue a plataforma rotativa e o computador.