Una antena monopolo es una clase de antena de radio que consta de un conductor recto en forma de varilla, a menudo montado perpendicularmente sobre algún tipo de superficie conductora , llamado plano de tierra . [1] [2] [3] Se aplica la señal de excitación del transmisor , o para las antenas receptoras se toma la señal de salida al receptor , entre el extremo inferior del monopolo y el plano de tierra. Un lado de la línea de alimentación de la antena está unido al extremo inferior del monopolo, y el otro lado está unido al plano de tierra, que a menudo es la Tierra. Esto contrasta con una antena dipolo. que consta de dos varillas conductoras idénticas, con la señal del transmisor aplicada entre las dos mitades de la antena.
El monopolo se utiliza a menudo como antena resonante ; la varilla funciona como un resonador abierto para ondas de radio, oscilando con ondas estacionarias de voltaje y corriente a lo largo de su longitud. Por lo tanto, la longitud de la antena está determinada por la longitud de onda de las ondas de radio con las que se utiliza. La forma más común es el monopolo de cuarto de onda , en el que la antena es aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de las ondas de radio. Sin embargo, en la radiodifusión, las antenas monopolo de 5/8 = 0,625 de longitud de onda también son populares, porque a esta longitud un monopolo irradia una cantidad máxima de su potencia en direcciones horizontales. La antena monopolo fue inventada en 1895 por el pionero de la radio Guglielmo Marconi ; por esta razón a veces se le llama antena de Marconi . [4] [5] [6] Los tipos comunes de monopolo antena son el látigo , patito de goma , helicoidal , alambre de azar , paraguas , invertida-L y T-antena , invertida-F , plegadas antena unipole , radiador mástil y el plano de tierra antenas .
La impedancia de carga del monopolo de cuarto de onda es la mitad que la de la antena dipolo o 37,5 + j21,25 ohmios.
Historia
La antena monopolo fue inventada en 1895 y patentada en 1896 [7] por el pionero de la radio Guglielmo Marconi durante sus primeros experimentos históricos en radiocomunicación. Comenzó usando antenas dipolo inventadas por Heinrich Hertz que constaban de dos alambres horizontales idénticos que terminaban en placas de metal. Descubrió mediante un experimento que si en lugar del dipolo, un lado del transmisor y el receptor estaba conectado a un cable suspendido en el techo, y el otro lado estaba conectado a la Tierra, podría transmitir a distancias más largas. Por esta razón, el monopolo también se llama antena de Marconi , [4] [5] [6] aunque Alexander Popov la inventó de forma independiente aproximadamente al mismo tiempo. [8] [9] [10] [11]
Patrón de radiación
Como una antena dipolo , un monopolo tiene un patrón de radiación omnidireccional : irradia con la misma potencia en todas las direcciones azimutales perpendiculares a la antena. Sin embargo, la potencia radiada varía con el ángulo de elevación, y la radiación desciende a cero en el cenit del eje de la antena. Irradia ondas de radio polarizadas verticalmente .
Se puede visualizar un monopolo (derecha) como formado al reemplazar la mitad inferior de una antena dipolo vertical (c) con un plano conductor ( plano de tierra ) en ángulo recto con la mitad restante. Si el plano de tierra es lo suficientemente grande, las ondas de radio de la mitad superior restante del dipolo (a) reflejadas desde el plano de tierra parecerán provenir de una antena de imagen (b) que forma la mitad faltante del dipolo, que se suma a la radiación directa para formar un patrón de radiación dipolo. Entonces, el patrón de un monopolo con un plano de tierra infinito perfectamente conductor es idéntico a la mitad superior de un patrón dipolar, con su máxima radiación en la dirección horizontal, perpendicular a la antena.
Hasta una longitud de media longitud de onda () la antena tiene un solo lóbulo con máxima ganancia en direcciones horizontales, perpendicular al eje de la antena. Por debajo del cuarto de longitud de onda () resonancia el patrón de radiación es casi constante con la longitud. Sobre () el lóbulo se aplana, irradiando más potencia en direcciones horizontales.
Por encima de la mitad de la longitud de onda, el patrón se divide en un lóbulo principal horizontal y un segundo lóbulo cónico pequeño en un ángulo de 60 ° de elevación hacia el cielo. Sin embargo, la ganancia horizontal sigue aumentando y alcanza un máximo a una longitud de onda de cinco octavos: (Esta es una aproximación válida para una antena de espesor típico, para un monopolo infinitamente delgado, el máximo ocurre en ). El máximo ocurre en esta longitud porque la radiación de fase opuesta de los dos lóbulos interfiere destructivamente y se cancela en ángulos altos, "comprimiendo" más potencia en el lóbulo horizontal.
Sobre el lóbulo horizontal se vuelve más pequeño rápidamente y el lóbulo de ángulo alto se agranda, reduciendo la potencia irradiada en direcciones horizontales, por lo que no muchas antenas usan longitudes superiores a esta. A medida que la antena se alarga, el patrón se divide en más lóbulos, con nulos (direcciones de potencia radiada cero) entre ellos.
El efecto general de los planos de tierra eléctricamente pequeños, así como de las tierras de conducción imperfecta, es inclinar la dirección de la radiación máxima hacia ángulos de elevación más altos y reducir la ganancia. [12] La ganancia de las antenas de cuarto de onda reales con planos de tierra típicos es de alrededor de 2-3 dBi.
Ganancia e impedancia de entrada
Debido a que irradia solo hacia el espacio sobre el plano de tierra, o la mitad del espacio de una antena dipolo, una antena monopolo sobre un plano de tierra infinito perfectamente conductor tendrá una ganancia del doble (3 dB mayor que) la ganancia de una antena dipolo similar. y una resistencia a la radiación la mitad que la de un dipolo. Dado que un dipolo de media onda tiene una ganancia de 2,19 dBi y una resistencia a la radiación de 73 ohmios, un cuarto de onda () monopolo, el tipo más común, tendrá una ganancia de 2,19 + 3 = 5,19 dBi y una resistencia a la radiación de aproximadamente 36,8 ohmios. [13] La antena resona a esta longitud, por lo que su impedancia de entrada es puramente resistiva. La impedancia de entrada tiene reactancia capacitiva debajoy reactancia inductiva de a
Las ganancias dadas en esta sección solo se logran si la antena está montada sobre un plano de tierra infinito perfectamente conductor . Con planos de tierra artificiales típicos más pequeños que varias longitudes de onda, la ganancia será de 1 a 3 dBi menor, porque parte de la potencia radiada horizontal se difractará alrededor del borde del plano hacia la mitad del espacio inferior. De manera similar, sobre una tierra resistiva, la ganancia será menor debido a la potencia absorbida en la Tierra.
A medida que aumenta la longitud a su media longitud de onda () longitud de resonancia, la ganancia aumenta algo a 6,0 dBi. Dado que a esta longitud la antena tiene un nodo de corriente en su punto de alimentación , la impedancia de entrada es muy alta. Si la antena fuera infinitamente delgada, sería infinita, pero para monopolos de espesor típico es de alrededor de 800-2000 ohmios.
La ganancia continúa aumentando hasta un máximo de aproximadamente 6,6 dBi a una longitud de onda de cinco octavos. por lo que esta es una longitud popular para antenas de ondas terrestres y antenas de comunicaciones terrestres. La impedancia de entrada cae a unos 40 ohmios en esa longitud. La reactancia de la antena es capacitiva de a . Sobre la ganancia horizontal cae rápidamente porque se irradia más potencia en ángulos de elevación altos en el segundo lóbulo.
Tipos
Para las antenas monopolo que funcionan a frecuencias más bajas, por debajo de 20 MHz, el plano de tierra suele ser la Tierra; en este caso, la antena está montada en el suelo y un lado de la línea de alimentación está conectado a una toma de tierra en la base de la antena. Al transmitir antenas para reducir la resistencia de tierra, a menudo se trata de una red radial de cables enterrados que se extienden hacia afuera desde la antena. Este diseño se utiliza para las antenas transmisoras de radiador de mástil empleadas para radiodifusión en las bandas MF y LF . A frecuencias más bajas el mástil de la antena está eléctricamente corto dándole una muy pequeña resistencia a la radiación, por lo que para aumentar la eficiencia y la potencia radiada monopolos capacitivamente toploaded como el T-antena y el paraguas de la antena se utilizan.
En las frecuencias de VHF y UHF , el tamaño del plano de tierra necesario es más pequeño, por lo que se utilizan planos de tierra artificiales para permitir que la antena se monte sobre el suelo. Un tipo común de antena monopolo en estas frecuencias consiste en una antena de látigo de cuarto de onda con un plano de tierra que consta de varios alambres o varillas que irradian horizontal o diagonalmente desde su base; esto se llama antena de plano de tierra . A frecuencias de gigahercios , la superficie de metal del techo de un automóvil o la carrocería de un avión es un buen plano de tierra, por lo que las antenas de teléfonos celulares de los automóviles consisten en látigos cortos montados en el techo, y las antenas de comunicación de los aviones con frecuencia consisten en un conductor corto en un carenado aerodinámico que sobresale del fuselaje; esto se llama antena de hoja . [13]
Las antenas de látigo de cuarto de onda y de patito de goma que se utilizan con radios de mano, como walkie-talkies y radios FM portátiles, también son antenas monopolo. La antena utilizada en los teléfonos móviles es la antena F invertida , que es una variante del monopolo L invertida. Inclinarse sobre la antena ahorra espacio y la mantiene dentro de los límites de la carcasa del móvil, pero la antena tiene una impedancia muy baja. Para mejorar la coincidencia, la antena no se alimenta desde el extremo, sino desde un punto intermedio, y el extremo está conectado a tierra. En estos dispositivos portátiles, la antena no tiene un plano de tierra efectivo, el lado de tierra del transmisor simplemente está conectado a la conexión a tierra en su placa de circuito . Dado que la tierra de la placa de circuito es a menudo más pequeña que la antena, la combinación de antena / tierra puede funcionar más como una antena dipolo asimétrica que como una monopolo. La mano y el cuerpo de la persona que los sostiene pueden funcionar como un plano de tierra rudimentario.
En los dispositivos inalámbricos modernos que operan en frecuencias UHF o microondas , la antena monopolo es lo suficientemente pequeña como para que pueda encerrarse en la caja del dispositivo. Para ahorrar espacio, a menudo se fabrica con una lámina de cobre en la placa de circuito impreso del dispositivo , junto con el circuito del dispositivo. Estas antenas se conocen como antenas monopolo impresas. La antena a menudo se debe plegar para que quepa en la placa [14]
Ver también
- Antena de hoja de doble banda
- Repetidor celular
- Intensidad de señal
- Antena unipolar plegada
- Alargamiento eléctrico
Referencias
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enlaces externos
- Radiación de un monopolo de un cuarto de longitud de onda