Una antena helicoidal es una antena que consta de uno o más cables conductores enrollados en forma de hélice . Una antena helicoidal hecha de un cable helicoidal, el tipo más común, se llama monofilar , mientras que las antenas con dos o cuatro cables en una hélice se denominan bifilar o cuadrifilar , respectivamente.
En la mayoría de los casos, las antenas helicoidales direccionales se montan sobre un plano de tierra , mientras que los diseños omnidireccionales pueden no estarlo. La línea de alimentación está conectada entre la parte inferior de la hélice y el plano de tierra. Las antenas helicoidales pueden operar en uno de dos modos principales: modo normal o modo axial.
En el modo normal o antena helicoidal lateral , el diámetro y el paso de la antena son pequeños en comparación con la longitud de onda . La antena actúa de manera similar a un dipolo o monopolo eléctricamente corto , equivalente a una onda vertical de 1/4 y el patrón de radiación , [ cita requerida ] similar a estas antenas es omnidireccional , con radiación máxima en ángulo recto con el eje de la hélice. Para diseños monofilares, la radiación se polariza linealmente en paralelo al eje de la hélice. Estos se utilizan para antenas compactas para radios de dos vías portátiles y de montaje en vehículos móviles , y en mayor escala para antenas de transmisión de televisión UHF. En implementaciones bifilares o cuadrifilares, se puede realizar una radiación polarizada circularmente lateralmente .
En el modo axial o antena helicoidal de final de carrera, el diámetro y el paso de la hélice son comparables a una longitud de onda. La antena funciona como una antena direccional que irradia un haz desde los extremos de la hélice, a lo largo del eje de la antena. Irradia ondas de radio polarizadas circularmente . Se utilizan para la comunicación por satélite. El funcionamiento en modo axial fue descubierto por el físico John D. Kraus [1]
Helicoidal de modo normal
Si la circunferencia de la hélice es significativamente menor que una longitud de onda y su paso (distancia axial entre vueltas sucesivas) es significativamente menor que un cuarto de longitud de onda, la antena se denomina hélice en modo normal . La antena actúa de manera similar a una antena monopolo , con un patrón de radiación omnidireccional , que irradia la misma potencia en todas las direcciones perpendiculares al eje de la antena. Sin embargo, debido a la inductancia agregada por la forma helicoidal, la antena actúa como un monopolo cargado inductivamente ; en su frecuencia de resonancia es más corta que un cuarto de longitud de onda. Por lo tanto, las hélices de modo normal se pueden usar como monopolos eléctricamente cortos , una alternativa a las antenas de látigo cargadas en el centro o en la base , en aplicaciones donde un monopolo de cuarto de onda de tamaño completo sería demasiado grande. Al igual que con otras antenas eléctricamente cortas, la ganancia, y por lo tanto el rango de comunicación, de la hélice será menor que la de una antena de tamaño completo. Su tamaño compacto hace que los "helicoidales" sean útiles como antenas para equipos de comunicaciones móviles y portátiles en las bandas de HF, VHF y UHF. [ cita requerida ]
[ cita requerida ] La carga proporcionada por la hélice permite que la antena sea físicamente más corta que su longitud eléctrica de un cuarto de longitud de onda. Esto significa que, por ejemplo, una antena de 1/4 de onda a 27 MHz tiene 2,7 m (108 ”) de largo y es físicamente bastante inadecuada para aplicaciones móviles. El tamaño reducido de una hélice proporciona el mismo patrón de radiación en un tamaño físico mucho más compacto con solo una ligera reducción en el rendimiento de la señal.
Un efecto de usar un conductor helicoidal en lugar de uno recto es que la impedancia de adaptación cambia de 50 ohmios nominales a entre 25 y 35 ohmios de impedancia base. Esto no parece ser adverso para el funcionamiento o la coincidencia con una línea de transmisión normal de 50 ohmios , siempre que la alimentación de conexión sea el equivalente eléctrico de 1/2 longitud de onda en la frecuencia de funcionamiento. [ cita requerida ]
Helicoidales HF móviles
Otro ejemplo del tipo que se usa en las comunicaciones móviles es el "giro constante espaciado" en el que uno o más devanados lineales diferentes se enrollan en un solo formador y se espacian para proporcionar un equilibrio eficiente entre la capacitancia y la inductancia para el elemento radiante en un determinado momento. frecuencia de resonancia. Muchos ejemplos de este tipo se han utilizado ampliamente para radio CB de 27 MHz con una amplia variedad de diseños que se originaron en los EE. UU. Y Australia a fines de la década de 1960. Hasta la fecha, muchos millones de estas 'antenas helicoidales' se han producido en serie para su uso principalmente en vehículos móviles y alcanzaron la producción máxima durante el auge de la radio CB durante la década de 1970 hasta finales de la década de 1980 y se utilizaron en todo el mundo. Las versiones multifrecuencia con derivaciones manuales enchufables se han convertido en el pilar de las comunicaciones de HF con modulación de banda lateral única (SSB) multibanda con cobertura de frecuencia en todo el espectro HF de 1 MHz a 30 MHz con 2 a 6 puntos de derivación de frecuencia dedicados sintonizados en frecuencias dedicadas y asignadas en las bandas móvil terrestre, marítima y aeronáutica. Recientemente, estas antenas han sido reemplazadas por dispositivos de adaptación de antenas sintonizados electrónicamente. [ cita requerida ] La mayoría de los ejemplos fueron enrollados con alambre de cobre usando una varilla de fibra de vidrio como formador. El radiador generalmente flexible o estriado se cubre luego con un tubo termorretráctil de PVC o poliolefina que proporciona una cubierta impermeable resistente y resistente para la antena móvil terminada. La varilla de fibra de vidrio generalmente se pegaba y / o se doblaba a un accesorio de latón y se atornillaba sobre una base aislada fijada al techo de un vehículo, la protección o el soporte de la barra de apoyo. Este montaje proporcionó un plano de tierra o reflector (proporcionado por el vehículo) para un patrón de radiación vertical efectivo. [ cita requerida ]
Estos diseños populares todavía son de uso común a partir de 2018[actualizar]y el diseño de 'giro constante' originario de Australia se han adaptado universalmente como antenas receptoras de FM estándar para muchos vehículos de motor producidos en fábrica, así como el estilo básico existente de accesorios helicoidales móviles HF y VHF. Otro uso común de las hélices laterales es en la " antena de patito de goma " que se encuentra en la mayoría de las radios VHF y UHF portátiles que utilizan un conductor de acero o cobre como elemento radiante y generalmente termina en un conector tipo BNC / TNC o roscado para una extracción rápida. [ cita requerida ]
Antenas de radiodifusión helicoidales
Las antenas helicoidales especializadas de modo normal se utilizan como antenas transmisoras para estaciones de transmisión de radio y televisión FM en las bandas de VHF y UHF. [ cita requerida ]
Helicoidal de modo axial
Cuando la circunferencia de la hélice está cerca de la longitud de onda de funcionamiento, la antena funciona en modo axial . Este es un modo de onda viajera no resonante , en el que en lugar de ondas estacionarias , las ondas de corriente y voltaje viajan en una dirección, hacia arriba de la hélice. En lugar de irradiar ondas linealmente polarizadas normales al eje de la antena, irradia un haz de ondas de radio con polarización circular a lo largo del eje, fuera de los extremos de la antena. Los lóbulos principales del patrón de radiación se encuentran a lo largo del eje de la hélice, en ambos extremos. Dado que en una antena direccional solo se desea radiación en una dirección, el otro extremo de la hélice termina en una hoja de metal plana o un reflector de pantalla para reflejar las ondas hacia adelante.
En la transmisión de radio , la polarización circular se usa a menudo cuando la orientación relativa de las antenas transmisora y receptora no se puede controlar fácilmente, como en el seguimiento de animales y las comunicaciones de naves espaciales , o donde la polarización de la señal puede cambiar, por lo que las antenas helicoidales de final de carrera son utilizado con frecuencia para estas aplicaciones. Dado que las hélices grandes son difíciles de construir y difíciles de manejar y apuntar, el diseño se emplea comúnmente solo en frecuencias más altas, que van desde VHF hasta microondas .
La hélice de la antena puede girar en dos direcciones posibles: diestra o zurda, teniendo la primera la misma forma que la de un sacacorchos común. La matriz de 4 hélices en la primera ilustración usa hélices para zurdos, mientras que todas las demás ilustraciones muestran hélices para diestros. En una antena helicoidal de modo axial, la dirección de giro de la hélice determina la polarización de la onda emitida. Se utilizan dos convenciones mutuamente incompatibles para describir ondas con polarización circular , por lo que la relación entre la orientación manual (izquierda o derecha) de una antena helicoidal y el tipo de radiación polarizada circularmente que emite se describe a menudo de formas que parecen ambiguas. . Sin embargo, Kraus (el inventor de la antena helicoidal) afirma "La hélice de la izquierda responde a la polarización circular izquierda y la hélice de la derecha a la polarización circular derecha (definición de IEEE)". [2] El IEEE define el sentido de polarización como "el sentido de polarización, o la mano ... se llama diestro (zurdo) si la dirección de rotación es en el sentido de las agujas del reloj (en sentido contrario a las agujas del reloj) para un observador que mira en la dirección de propagación " [3] Por lo tanto, una hélice a la derecha irradia una onda que es a la derecha, el vector de campo eléctrico gira en el sentido de las agujas del reloj mirando en la dirección de propagación.
Las antenas helicoidales pueden recibir señales con cualquier tipo de polarización lineal , como polarización horizontal o vertical, pero al recibir señales polarizadas circularmente , la orientación de la antena receptora debe ser la misma que la antena transmisora; Las antenas polarizadas a la izquierda sufren una gran pérdida de ganancia cuando reciben señales con polarización circular a la derecha y viceversa.
Las dimensiones de la hélice están determinadas por la longitud de onda λ de las ondas de radio utilizadas, que depende de la frecuencia . Para operar en modo axial, la circunferencia debe ser igual a la longitud de onda. [4] El ángulo de paso debe ser de 13 grados, que es una distancia de paso (distancia entre cada vuelta) de 0,23 veces la circunferencia, lo que significa que el espacio entre las bobinas debe ser aproximadamente un cuarto de la longitud de onda (λ / 4). [ cita requerida ] El número de vueltas en la hélice determina qué tan direccional es la antena: más vueltas mejora la ganancia en la dirección de su eje en ambos extremos (o en 1 extremo cuando se usa una placa de tierra), a un costo de ganancia en las otras direcciones. Cuando C <λ opera más en modo normal donde la dirección de ganancia es una forma de rosquilla hacia los lados en lugar de hacia los extremos.
La impedancia terminal en modo axial varía entre 100 y 200 ohmios, aproximadamente [ cita requerida ]
donde C es la circunferencia de la hélice y λ es la longitud de onda. La adaptación de impedancia (cuando C = λ) a un cable coaxial estándar de 50 o 75 ohmios a menudo se realiza mediante una sección de línea de banda de cuarto de onda que actúa como un transformador de impedancia entre la hélice y la placa de tierra.
La ganancia directiva máxima es aproximadamente:
- [5]
donde N es el número de vueltas y S es el espacio entre vueltas. La mayoría de los diseños usan C = λ y S = 0.23 * C, por lo que la ganancia es típicamente G = 3.45 * N. En decibelios, la ganancia es.
El ancho del haz de media potencia es:
- [5]
El ancho de haz entre nulos es:
La ganancia de la antena helicoidal depende en gran medida del reflector. [6] Las fórmulas clásicas anteriores asumen que el reflector tiene la forma de un resonador circular (una placa circular con un borde) y el ángulo de paso es óptimo para este tipo de reflector. Sin embargo, estas fórmulas sobreestiman la ganancia en varios dB. [7] El paso óptimo que maximiza la ganancia para un plano de tierra plano está en el rango de 3 ° a 10 ° y depende del radio del cable y la longitud de la antena. [7]
Ver también
- Telstar
Referencias
- ^ Actas de la IRE, marzo de 1949, P.263
- ↑ Kraus, JD Antennas 2nd Ed, MacGraw Hill, 1988
- ^ IEEE Std 149-1979 (R2008), "Procedimientos de prueba estándar IEEE para antenas". Reafirmado el 10 de diciembre de 2008, aprobado el 15 de diciembre de 1977, Junta de Normas IEEE-SA. Aprobado el 9 de octubre de 2003, American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109 / IEEESTD.1979.120310 , seg. 11.1, pág. 61.
- ^ https://www.cv.nrao.edu/~demerson/helixgain/helix.htm
- ^ a b Tomasi, Wayne (2004). Sistemas de comunicación electrónica: desde los fundamentos hasta los avanzados . Jurong, Singapur: Pearson Education SE Asia Ltd. ISBN 981-247-093-X.
- ^ Djordjević, AR, Zajić, AG y Ilić, MM, “Mejora de la ganancia de antenas helicoidales dando forma al conductor de tierra”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 5, 2006, págs.138-140
- ^ a b Djordjević, AR, Zajić, AG, Ilić, MM y Stueber, GL, "Optimización de antenas helicoidales", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 48, no. 6, diciembre de 2006, págs. 107-115
- General
- John D. Kraus y Ronald J. Marhefka, "Antennas: For All Applications, Third Edition", 2002, McGraw-Hill Higher Education
- Constantine Balanis, "Teoría, análisis y diseño de antenas", 1982, John Wiley and Sons
- Warren Stutzman y Gary Thiele, "Teoría y diseño de antenas, 2ª ed.", 1998, John Wiley and Sons
enlaces externos
- Antenas helicoidales Teoría de la antena
- Los conceptos básicos de las antenas de hélice cuadrifilar de Bill Slade, microondas Orban