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¿Cuál es la diferencia entre un dipolo y una antena de plano de tierra?

Este artículo muestra cómo un dipolo y una antena de plano de tierra son similares pero también diferentes.

La antena: Este dispositivo mecánico conductor es el transductor que convierte la potencia de radiofrecuencia (RF) a transmitir en los campos eléctricos y magnéticos que forman una onda de radio. También convierte la onda de radio recibida nuevamente en una señal eléctrica. Es posible un número casi infinito de configuraciones para antenas. Sin embargo, la mayoría se derivan de dos tipos básicos: antenas dipolo y plano de tierra.

Fundamentos de la antena

Una onda de radio comprende un campo eléctrico perpendicular a un campo magnético. Ambos son perpendiculares a la dirección de propagación (Fig. 1) . Una antena crea este campo electromagnético. La señal que irradia la antena se desarrolla en un transmisor y luego se envía a la antena a través de una línea de transmisión, generalmente un cable coaxial.

Fig. 1

1. Las líneas son las líneas de fuerza magnéticas y eléctricas que viajan juntas y se apoyan entre sí a medida que se mueven hacia afuera desde la antena. 

El voltaje de la señal desarrolla un campo eléctrico alrededor de los elementos de la antena. El flujo de corriente en la antena produce un campo magnético. Los campos eléctricos y magnéticos se combinan y se regeneran entre sí según las famosas ecuaciones de Maxwell, y la onda combinada se lanza desde la antena para viajar por el espacio. En el sitio receptor, la onda electromagnética induce un voltaje en la antena, que convierte la onda electromagnética nuevamente en una señal eléctrica que puede procesarse aún más.

Una consideración principal en la orientación de cualquier antena es la polarización, que se refiere a la orientación del campo eléctrico (E) con la tierra. También es la orientación de los elementos de antena con respecto a la tierra. Una antena montada verticalmente, perpendicular a la tierra, irradia una onda polarizada verticalmente. Entonces, una antena posicionada horizontalmente irradia una onda polarizada horizontalmente.

La polarización también puede ser circular. Configuraciones especiales como antenas helicoidales o de espiral pueden lanzar la onda en rotación, creando una onda polarizada circularmente. La antena puede inducir una rotación hacia la derecha o hacia la izquierda.

Idealmente, las antenas en los sitios de transmisión y recepción deberían tener la misma polarización. A frecuencias inferiores a aproximadamente 30 MHz, la onda generalmente se refleja, refracta, gira o modifica de otro modo la atmósfera, la tierra u otros objetos. Por lo tanto, la coincidencia de polarización en los dos sitios no es crítica. En las frecuencias de VHF, UHF y microondas, la polarización debe ser la misma para garantizar la máxima transferencia de señal. Y tenga en cuenta que las antenas exhiben reciprocidad, es decir, funcionan igualmente bien para transmitir o recibir.

La antena dipolo

La antena dipolo es una estructura de media longitud de onda hecha de alambre, tubería, cobre de placa de circuito impreso (PCB) o algún otro material conductor. Se divide en dos cuartos de longitud de onda iguales y se alimenta con una línea de transmisión (Fig. 2) .

Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Archivos Cargas 2013 07 0613 Wt Dantennas Fig2

2. Los patrones muestran la distribución y la fuerza del voltaje (V) y la corriente (I) en una antena dipolo.

Las líneas muestran la distribución de los campos eléctricos y magnéticos. Una longitud de onda (λ) es:

λ = 300 / f MHz

donde la longitud de onda está en Metros y la frecuencia está en MHz. La mitad de la longitud de onda es:

λ / 2 = 150 / f MHz

La longitud real generalmente se acorta dependiendo del tamaño de los conductores de antena. Una mejor aproximación a la longitud eléctrica es:

λ / 2 = 150 K / f MHz

K es un factor que relaciona el diámetro del conductor con la longitud. Es de 0,95 para antenas de cable a una frecuencia de 30 MHz o menos. O:

λ / 2 = 142 / f MHz

El valor K es menor para elementos de mayor diámetro. Para tubos de media pulgada de diámetro, K es 0.945.

La longitud es importante porque la antena es un dispositivo resonante. Para obtener la máxima eficiencia de radiación, debe ajustarse a la frecuencia de funcionamiento. Sin embargo, la antena funciona lo suficientemente bien en un rango estrecho de frecuencia como un filtro resonante.

El ancho de banda de la antena es una función de su estructura. Por lo general, se define como el rango donde la relación de onda estacionaria de la antena (SWR) es inferior a 2: 1. La ROE está determinada por la cantidad de señal reflejada desde la antena hacia abajo por la línea de transmisión que alimenta la antena (consulte “Relación de onda estacionaria” a continuación) . Es una función de la impedancia de la antena con relación a la impedancia de la línea de transmisión.

La impedancia real de la antena en su punto de alimentación central varía con la frecuencia y la altura de la antena. A resonancia y media longitud de onda sobre el suelo, la impedancia de la antena es de aproximadamente 73 Ω resistiva. Fuera de resonancia, la impedancia de la antena incluirá un componente de reactancia inductiva o capacitiva.

La línea de transmisión ideal es un par de conductores balanceados con una impedancia de 75 Ω. También se puede usar cable coaxial con una impedancia característica de 75 Ω (Z o ). También se puede usar un cable coaxial con una impedancia característica de 50 Ω, ya que es una buena combinación para la antena si está a menos de la mitad de la longitud de onda por encima del suelo.

El cable coaxial es una línea desequilibrada, ya que la corriente de RF fluirá en el exterior del blindaje coaxial, creando una RF inducida indeseable en dispositivos cercanos, aunque la antena funcionará lo suficientemente bien. El mejor método de alimentación es usar un balun en el punto de alimentación con un cable coaxial. Un balun es un dispositivo similar a un transformador que convierte las señales balanceadas en señales no balanceadas o viceversa.

El dipolo puede montarse horizontal o verticalmente según la polarización deseada. La línea de alimentación idealmente debe correr perpendicular a los elementos radiantes para evitar distorsionar el patrón de radiación, por lo que el dipolo se orienta con mayor frecuencia horizontalmente.

El patrón de radiación de una antena depende de su estructura y su montaje. La radiación física es tridimensional, pero generalmente está representada por patrones de radiación tanto horizontales como verticales.

El patrón de radiación horizontal del dipolo es una figura 8 (Fig. 3) . La señal máxima se produce en el costado de la antena. La figura 4 muestra el patrón de radiación vertical. Son patrones ideales que el suelo y cualquier objeto cercano distorsionan fácilmente.

Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Archivos Cargas 2013 07 0612 Wt Dantennas Fig3

3. Este es el patrón de radiación horizontal (campo E) de una antena dipolo de media onda. Los elementos de antena están ubicados a lo largo de la línea de 270 ° a 90 °.

Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Archivos Cargados 2013 07 0612 Wt Dantennas Fig4

4. Este es el patrón de radiación vertical que muestra la elevación de la señal desde un dipolo horizontal a media longitud de onda sobre el suelo.

La ganancia de una antena está relacionada con la direccionalidad del patrón de radiación. La ganancia generalmente se expresa en dB con respecto, por lo que alguna referencia, como una antena isotrópica, que es una fuente puntual de energía de RF que se irradia en todas las direcciones. Piense en una fuente puntual de luz que ilumina el interior de una esfera en expansión. Una antena isotrópica tiene una ganancia de 1 o 0 dB.

Si la antena forma o enfoca el patrón de radiación y lo hace más direccional, tiene ganancia sobre una antena isotrópica. Un dipolo tiene una ganancia de 2,16 dBi sobre una fuente isotrópica. En algunos casos, la ganancia de la antena se expresa con relación a una referencia dipolar en dBd.

La antena del plano de tierra

Una antena de plano de tierra es esencialmente la mitad de un dipolo montado verticalmente. El término monopolar también se usa para describir esta antena. La tierra de la tierra debajo de la antena, una superficie conductora de al menos λ / 4 en radio o un patrón de conductores λ / 4 llamados radiales, constituye la otra mitad de la antena (Fig. 5) .

Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Archivos Cargados 2013 07 0613 Wt Dantennas Fig5

5. Las antenas monopolo del plano de tierra y Marconi tienen un cuarto de longitud de onda de alto. El suelo o los radiales son la otra mitad de la antena.

Si la antena está conectada a una buena tierra, se llama antena Marconi. La estructura del suelo sirve como la otra mitad λ / 4 de la antena. Si el plano de tierra tiene el tamaño adecuado y es conductivo, el rendimiento del plano de tierra es equivalente a un dipolo montado verticalmente.

La longitud de un cuarto de onda vertical es:

λ / 4 = 75 K / f MHz

El factor K es menor que 0.95 para verticales, que generalmente se hacen con tubos más anchos.

La impedancia del punto de alimentación es la mitad que la de un dipolo o aproximadamente 36 Ω. La cifra real depende de la altura sobre el suelo. Al igual que el dipolo, el plano de tierra es resonante y generalmente tiene un componente reactivo a su impedancia primaria. La línea de transmisión más común es la coaxial de 50 Ω, ya que es relativamente buena para la impedancia de la antena con una ROE inferior a 2: 1.

La antena del plano de tierra es omnidireccional. El patrón de radiación horizontal es un círculo donde la antena irradia igualmente bien en todas las direcciones. La figura 6 muestra el patrón de radiación vertical. En comparación con el patrón de radiación vertical del dipolo, el plano de tierra tiene un ángulo de radiación más bajo, lo que le da una ventaja de propagación de mayor alcance a frecuencias inferiores a aproximadamente 50 MHz.

Resumen

Prácticamente todas las demás antenas de uso común son variaciones de las antenas dipolo o plano de tierra. Por ejemplo, una antena Yagi-Uda agrega elementos parásitos como un director y / o reflector a un dipolo para aumentar su ganancia y direccionalidad. Múltiples dipolos pueden apilarse verticalmente o disponerse en varios arreglos que aumentan enormemente la ganancia. Las antenas de TV UHF bowtie y las antenas de línea media PCB utilizadas en algunos dispositivos inalámbricos son variaciones dipolo. Las antenas de parche (microstrip) y ranura utilizadas en frecuencias de microondas también son derivados dipolares.

Además, se pueden disponer dos o más antenas verticales del plano de tierra para producir una antena más direccional con ganancia. Por ejemplo, una estación de radio AM direccional usa dos o más torres para dirigir una señal fuerte en una dirección mientras la suprime en otra.

Referencias

American Radio Relay League, The ARRL Antenna Book , 1997-98.

American Radio Relay League, The ARRL Handbook for Radio Communications , 2003.

Bruno Delorme, Antenas e Ingeniería del Sitio para Redes de Radio Móviles , Artech House, 2013.

Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Archivos Cargados 2013 07 0613 Wt Dantennas 06

6. Este es el patrón de radiación vertical de una antena de plano de tierra sobre una llamada tierra perfecta.

William Orr, Radio Handbook , 22ª edición, Howard W. Sams & Co. Inc., 1981.

Nota del traductor: Las formulas de las longitudes de onda se pasaron del sistema Inglés al Métrico Decimal para una mejor comprensión en donde la constante ” 300 ” es la velocidad de la luz en kilómetros dividida entre 1,000 para efectos de simplicidad en los cálculos.

Mario

Amante de la radio.

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