Una antena helicoidal es una antena que consta de uno o más hilos conductores enrollados en forma de hélice . Una antena helicoidal hecha de un hilo helicoidal, el tipo más común, se llama monofilar , mientras que las antenas con dos o cuatro hilos en hélice se llaman 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 funcionar en uno de dos modos principales: normal o axial.
En el modo normal o antena helicoidal de lado ancho , 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 un 1/4 onda vertical y el patrón de radiación , [ cita requerida ] similar a estas antenas es omnidireccional , con máxima radiación en ángulos rectos al eje de la hélice. Para diseños monofilares la radiación está polarizada linealmente paralela al eje de la hélice. Estas se utilizan para antenas compactas para radios bidireccionales portátiles de mano, así como para radios móviles montados en vehículos , y en mayor escala para antenas de transmisión de televisión UHF. En implementaciones bifilares o cuadrifilares, se puede lograr radiación polarizada circularmente de lado ancho.
En la antena helicoidal de modo axial o de onda longitudinal , 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 . Estas se utilizan para la comunicación por satélite. El funcionamiento en modo axial fue descubierto por el físico John D. Kraus [1].
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 de modo normal . La antena actúa de manera similar a una antena monopolar , 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 añadida 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 utilizar como monopolos eléctricamente cortos , una alternativa a las antenas de látigo cargadas en el centro o en la base , en aplicaciones en las que 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 alcance de comunicación de la hélice será menor que el de una antena de tamaño completo. Su tamaño compacto hace que las antenas helicoidales sean útiles como antenas para equipos de comunicaciones móviles y portátiles en las bandas 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 1 /4Una antena de ondas de radio de 27 MHz tiene 2,7 m (110 pulgadas; 8,9 pies) de largo y es físicamente bastante inadecuada para aplicaciones móviles. El tamaño reducido de una antena helicoidal 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 los 50 Ω nominales a una impedancia base de entre 25 y 35 Ω. Esto no parece ser adverso para el funcionamiento o la adaptación con una línea de transmisión normal de 50 Ω , siempre que la alimentación de conexión sea el equivalente eléctrico de una 1 /2 longitud de onda a la frecuencia de operación. [ cita requerida ]
Otro ejemplo del tipo que se utiliza en las comunicaciones móviles es el de espiras constantes espaciadas , en el que uno o más devanados lineales diferentes se enrollan en un único formador y se espacian de modo que se proporcione un equilibrio eficiente entre la capacitancia y la inductancia para el elemento radiante a una frecuencia de resonancia particular. Muchos ejemplos de este tipo se han utilizado ampliamente para la 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, se han producido en masa muchos millones de estas "antenas helicoidales" para su uso principalmente en vehículos móviles y alcanzaron su pico de producción durante la época de auge de la radio CB, entre la década de 1970 y fines de la de 1980, y se utilizan en todo el mundo.
Las versiones multifrecuencia con tomas manuales enchufables se han convertido en el pilar de las comunicaciones HF de modulación de banda lateral única (SSB) multibanda con cobertura de frecuencia en todo el espectro de HF desde 1 MHz a 30 MHz con 2 a 6 puntos de toma de frecuencia dedicados sintonizados en frecuencias dedicadas y asignadas en las bandas de móviles terrestres, marinos y de aeronaves. Recientemente, estas antenas han sido reemplazadas por dispositivos de adaptación de antenas sintonizados electrónicamente. [ cita requerida ] La mayoría de los ejemplos se enrollaron con alambre de cobre utilizando 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 resistente e impermeable para la antena móvil terminada. Luego, la varilla de fibra de vidrio generalmente se pegaba y/o engarzaba a un accesorio de latón y se atornillaba sobre una base aislada fijada al techo de un vehículo, a la protección o al soporte de la barra de protección. Este montaje proporcionaba un plano de tierra o reflector (proporcionado por el vehículo) para un patrón de radiación vertical efectivo. [ cita requerida ]
Estos diseños populares todavía se usan comúnmente en 2018 [actualizar]y el diseño de giro constante originario de Australia se ha adaptado universalmente como antenas de recepción de FM estándar para muchos vehículos de motor producidos en fábrica, así como el estilo básico existente de antenas helicoidales móviles HF y VHF del mercado de accesorios. Otro uso común de las hélices laterales es en la llamada antena de patito de goma que se encuentra en la mayoría de las radios portátiles VHF y UHF que utilizan un conductor de acero o cobre como elemento radiante y generalmente terminan en un conector de estilo BNC/TNC o de tornillo para una extracción rápida. [ cita requerida ]
Las antenas helicoidales de modo normal especializadas (ver foto) se utilizan como antenas de transmisión para estaciones de transmisión de televisión en las bandas VHF y UHF. [2] : 342 Estas consisten en un conductor helicoidal alrededor de un poste de acero tubular, montado sobre aisladores separadores. El elemento consta de dos hélices de igual longitud, una derecha y otra izquierda, unidas en el centro. [2] : 362 La varilla y la superficie del poste debajo de ella actúan como una línea de transmisión con fugas , irradiando ondas de radio perpendiculares al poste. La antena se alimenta en la parte inferior y, a diferencia de otras helicoidales de modo normal, funciona como una antena de onda viajera , con la amplitud de la corriente disminuyendo al subir por el eje a medida que se irradia la energía. En la parte superior, la corriente disminuye 40 dB, por lo que no hay mucha reflexión. Para radiar perpendicularmente, la longitud de cada vuelta debe ser un múltiplo de la longitud de onda , en la mayoría de las antenas 2 longitudes de onda. La antena tiene un ancho de banda de sólo 6-7%, por lo que para hacerla ajustable a diferentes frecuencias el elemento está dividido en múltiples "bahías" verticales, con un "collar" de ajuste de fase entre cada una, para mantener la fase constante a lo largo de la longitud de la torre.
Cuando la circunferencia de la hélice está cerca de la longitud de onda de operación, la antena opera 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 desde el punto de alimentación en una antena transmisora y hacia abajo de la hélice hacia el punto de alimentación en una antena receptora. En lugar de radiar ondas polarizadas linealmente normales al eje de la antena, irradia un haz de ondas de radio con polarización circular a lo largo del eje, hacia los extremos de la antena. Los lóbulos principales del patrón de radiación están a lo largo del eje de la hélice, hacia ambos extremos. Dado que en una antena direccional solo se desea radiación en una dirección, el otro extremo de la hélice termina en una lámina de metal plana o un reflector de pantalla para reflejar las ondas hacia adelante.
En la transmisión por radio , la polarización circular se utiliza a menudo cuando la orientación relativa de las antenas transmisoras y receptoras no se puede controlar fácilmente, como en el seguimiento de animales y las comunicaciones con naves espaciales , o cuando la polarización de la señal puede cambiar, por lo que las antenas helicoidales de longitud de onda se utilizan con frecuencia para estas aplicaciones. Dado que las hélices grandes son difíciles de construir y difíciles de manejar para dirigir 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: hacia la derecha o hacia la izquierda, la primera tiene la misma forma que la de un sacacorchos común. El conjunto de 4 hélices de la primera ilustración utiliza hélices hacia la izquierda, mientras que todas las demás ilustraciones muestran hélices hacia la derecha. 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 las ondas con polarización circular , [ cita requerida ] por lo que la relación entre la lateralidad (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, JD Kraus (el inventor de la antena helicoidal) afirma "La hélice hacia la izquierda responde a la polarización circular izquierda y la hélice hacia la derecha a la polarización circular derecha (definición IEEE)". [3] El IEEE define el sentido de polarización como:
De este modo, una hélice dextrógira irradia una onda que es dextrógira, y el vector del 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 lateralidad de la antena receptora debe ser la misma que la de la antena transmisora; las antenas polarizadas a la izquierda sufren una grave pérdida de ganancia cuando reciben señales polarizadas circularmente 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. [5] El ángulo de paso debe ser de 13°, que es una distancia de paso (distancia entre cada vuelta) de 0,23 veces la circunferencia, lo que significa que el espaciado entre las bobinas debe ser aproximadamente un cuarto de la longitud de onda ( la /4 ). [ cita requerida ] El número de vueltas en la hélice determina qué tan direccional es la antena: más vueltas mejoran la ganancia en la dirección de su eje en ambos extremos (o en un extremo, cuando se usa una placa de tierra), a costa de la ganancia en las otras direcciones. Cuando C < λ, opera más en modo normal donde la dirección de ganancia tiene forma de rosquilla hacia los lados en lugar de hacia afuera por los extremos.
La impedancia terminal en modo axial varía entre 100 y 200 Ω, 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 Ω se realiza a menudo mediante una sección de línea de banda de un cuarto de onda que actúa como un transformador de impedancia entre la hélice y la placa de tierra.
La ganancia directiva máxima es aproximadamente: [6]
donde N es el número de vueltas y S es el espacio entre vueltas. La mayoría de los diseños utilizan C = λ y S = 0,23 C , por lo que la ganancia suele ser G = 3,45 N . En decibeles , la ganancia es
El ancho del haz de media potencia es: [6]
El ancho del haz entre nulos es:
La ganancia de la antena helicoidal depende en gran medida del reflector. [7] Las fórmulas clásicas anteriores suponen que el reflector tiene la forma de un resonador circular (una placa circular con un borde) y que el ángulo de inclinación es óptimo para este tipo de reflector. Sin embargo, estas fórmulas sobreestiman la ganancia en varios dB . [8] El ángulo de inclinación óptimo que maximiza la ganancia para una superficie plana está en el rango de 3 a 10° y depende del radio del cable y de la longitud de la antena. [8]
