Una antena espiral es un tipo de antena de radiofrecuencia con forma de espiral , [1] : 14‑2 descrita por primera vez en 1956. [2] Las antenas espirales de Arquímedes son las más populares, mientras que las antenas espirales logarítmicas son independientes de la frecuencia: [3] la impedancia del punto de excitación, el patrón de radiación y la polarización de dichas antenas permanecen sin cambios en un gran ancho de banda. [4] Las antenas espirales están inherentemente polarizadas circularmente con baja ganancia ; se pueden utilizar conjuntos de antenas para aumentar la ganancia. Las antenas espirales se reducen en tamaño con sus devanados, lo que las convierte en una estructura extremadamente pequeña. Las cavidades con pérdidas [5] generalmente se colocan en la parte posterior para eliminar los lóbulos posteriores, porque generalmente se prefiere un patrón unidireccional en dichas antenas. Las antenas espirales se clasifican en diferentes configuraciones: espiral de Arquímedes, espiral logarítmica, espiral cuadrada , etc.
En general, las antenas pueden funcionar en tres modos diferentes: onda viajera, onda rápida y onda con fugas. Las antenas espirales utilizan los tres.
La onda viajera, formada en los brazos espirales, permite un rendimiento de banda ancha. La onda rápida se debe al fenómeno de acoplamiento mutuo que se produce entre los brazos de la espiral. La onda con fugas “pierde” la energía durante la propagación a través de los brazos espirales para producir radiación.
La teoría de anillos (teoría de bandas) explica el principio de funcionamiento de la antena espiral. La teoría establece que la antena espiral irradia desde una región activa donde la circunferencia de la espiral es igual a la longitud de onda. [6]
Al diseñar una antena espiral cuadrada, se deben tener en cuenta diferentes parámetros de diseño. Estos parámetros incluyen el espaciado entre las espiras , el ancho del brazo , el radio interior y el radio exterior . El radio interior se mide desde el centro de la espiral hasta el centro de la primera espira, mientras que el radio exterior se mide desde el centro de la espiral hasta el centro de la espira más exterior. Además de estos parámetros de diseño, las antenas espirales tienen frecuencias de funcionamiento más bajas ( y más altas . Aquí corresponde a la velocidad de la luz en el metal de la antena, determinada principalmente por la permitividad eléctrica del sustrato sobre el que reposa la espiral y su recubrimiento (si lo hay).
En un sistema de coordenadas polares, la espiral crece a lo largo del eje y del eje simultáneamente. Las espirales arquemedianas que se utilizan con frecuencia satisfacen una ecuación particularmente simple donde corresponde al factor de crecimiento y corresponde al factor de multiplicación. La consecuencia es un espaciamiento igual entre vueltas sucesivas, lo que limita el ancho de los brazos espirales, que generalmente se mantiene constante. También se pueden utilizar otras opciones de forma de espiral, como espirales logarítmicas que satisfacen ; los brazos espirales resultantes están más espaciados en las vueltas externas, lo que puede acomodar mejor los brazos que se ensanchan significativamente.
Se pueden obtener diferentes diseños de antena en espiral variando el número de vueltas de cada brazo, el número de brazos, el tipo de espiral, el espaciamiento entre sus vueltas, la variación del ancho de su(s) brazo(s) y el(los) material(es) que la rodean, como el sustrato sobre el que se apoya.
La antena suele tener dos brazos espirales conductores que se extienden desde el centro hacia el exterior. La dirección de rotación de la espiral define la dirección de polarización de la antena. También se pueden incluir espirales adicionales para formar una estructura multiespiral. La antena puede ser un disco plano, con conductores que se asemejan a un par de resortes de reloj anidados de forma suelta, o las espirales pueden extenderse en una forma tridimensional como una rosca de tornillo.
La salida de una antena espiral de dos o cuatro brazos es una línea balanceada . Si se desea una sola línea de entrada o salida (por ejemplo, una línea coaxial con conexión a tierra ), se agrega un balun u otro transformador para alterar el modo eléctrico de la señal.
Por lo general, la espiral tiene una cavidad en su parte posterior, es decir, hay una cavidad de aire o material no conductor o vacío, rodeada de paredes conductoras detrás de la espiral. Una cavidad con la forma y el tamaño adecuados cambia el patrón de la antena para recibir y transmitir en una sola dirección, lejos de la cavidad.
La espiral se puede imprimir o grabar sobre un medio dieléctrico elegido específicamente, cuya permitividad se puede utilizar para alterar la frecuencia para un tamaño determinado. Los medios dieléctricos como Rogers RT Duroid ayudan a reducir el tamaño físico de la antena. Los sustratos delgados con mayor permitividad pueden lograr el mismo resultado que los sustratos gruesos con menor permitividad. El único problema con estos materiales es su menor disponibilidad y sus altos costos. [7]
Las antenas espirales transmiten ondas de radio con polarización circular y reciben ondas con polarización lineal en cualquier orientación, pero atenúan drásticamente las señales con polarización circular recibidas con la rotación opuesta. Una antena espiral rechaza las ondas con polarización circular de un tipo, mientras que recibe perfectamente las ondas con la otra polarización.
Una de las aplicaciones de las antenas espirales es la comunicación de banda ancha. Otra aplicación de las antenas espirales es la monitorización del espectro de frecuencias. Una antena puede recibir en un ancho de banda amplio, por ejemplo, una relación de 5:1 entre la frecuencia máxima y la mínima. Normalmente se utiliza un par de antenas espirales en esta aplicación, con parámetros idénticos excepto la polarización, que es opuesta (una está orientada hacia la derecha y la otra hacia la izquierda). Las antenas espirales son útiles para la radiogoniometría de microondas. [8]
