Una antena de torniquete , o antena de dipolo cruzado, [1] es una antena de radio que consta de un conjunto de dos antenas dipolo idénticas montadas en ángulo recto entre sí y alimentadas en cuadratura de fase ; las dos corrientes aplicadas a los dipolos están desfasadas 90°. [2] [3] El nombre refleja la noción de que la antena parece un torniquete cuando se monta horizontalmente. La antena se puede utilizar en dos modos posibles. En modo normal, la antena irradia ondas de radio polarizadas horizontalmente y perpendiculares a su eje. En modo axial, la antena irradia radiación polarizada circularmente a lo largo de su eje.
Como antenas de transmisión de televisión se utilizan antenas de torniquete de modo normal especializadas llamadas supertorniquete o antenas de murciélago . Los torniquetes de modo axial se utilizan ampliamente para antenas de estaciones terrestres de satélite en las bandas VHF y UHF , ya que la polarización circular se utiliza a menudo para las comunicaciones por satélite, ya que no es sensible a la orientación de la antena del satélite en el espacio.
La antena de torniquete fue inventada por George Brown en 1935 [2] y descrita en estudios académicos en 1936. [4] La historia de las patentes revela la popularidad de la antena de torniquete a lo largo de los años. [5]
La antena se puede utilizar en dos modos diferentes: modo normal y modo axial . [ cita necesaria ]
En direcciones perpendiculares a su eje, la antena irradia ondas de radio polarizadas linealmente ( polarizadas horizontalmente cuando el eje de la antena es vertical). Esto se llama modo normal . El patrón de radiación , una superposición de los dos patrones dipolares, es casi omnidireccional pero en realidad tiene "forma de hoja de trébol", con cuatro pequeños máximos en los extremos de los elementos. El patrón se aparta de la omnidireccionalidad en sólo un ±5 por ciento. [3] La radiación en estas direcciones horizontales a menudo aumenta al apilar verticalmente múltiples antenas de torniquete (llamadas "bahías") alimentadas en fase. Esto aumenta la ganancia al fortalecer la radiación en las direcciones horizontales deseadas, pero provoca una cancelación parcial de la radiación en direcciones verticales, lo que reduce la energía desperdiciada irradiada hacia el cielo o hacia la Tierra. Estas antenas de torniquete apiladas de modo normal se utilizan en frecuencias VHF y UHF para transmisiones de televisión y FM.
Dado que los primeros torniquetes inventados por Brown funcionaban en este modo, el torniquete de modo normal a veces se denomina antena de torniquete George Brown . [3]
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Fuera de los extremos del eje de la antena, perpendicular al plano de los elementos, la antena irradia ondas de radio con polarización circular (CP). Esto se llama modo axial . La radiación de un extremo está polarizada circularmente hacia la derecha y el otro extremo está polarizada circularmente hacia la izquierda. Qué extremo produce qué polarización está determinado por la fase de las conexiones de alimentación. Dado que en una antena direccional sólo se desea un haz, en una antena de modo axial simple se agrega una superficie conductora plana, como un reflector de pantalla metálica, un cuarto de longitud de onda detrás de los elementos cruzados. [1] Las ondas en esa dirección se reflejan hacia atrás 180° y la reflexión invierte el sentido de polarización, por lo que las ondas reflejadas refuerzan la radiación hacia adelante. [1] Por ejemplo, si las ondas de radio radiadas hacia adelante están polarizadas circularmente hacia la derecha, las ondas radiadas hacia atrás estarán polarizadas circularmente hacia la izquierda. El reflector plano invierte el sentido de polarización, por lo que las ondas reflejadas están polarizadas circularmente a la derecha. Al ubicar el reflector λ/4 detrás de los elementos, las ondas directa y reflejada están en fase y se suman. La adición del reflector aumenta la radiación axial en un factor de 2 (3 dB).
Otra forma común de aumentar la radiación en modo axial es reemplazar cada dipolo con una matriz Yagi .
En una antena con polarización circular, es importante que la dirección de polarización de las antenas transmisora y receptora sea la misma, ya que una antena con polarización circular hacia la derecha sufrirá una grave pérdida de ganancia al recibir ondas de radio polarizadas circularmente hacia la izquierda, y viceversa. viceversa.
Las antenas de torniquete de modo axial se utilizan a menudo para antenas de satélite y misiles, [6] ya que la polarización circular se utiliza en las comunicaciones por satélite . [ cita necesaria ] Esto se debe a que con ondas polarizadas circularmente la orientación relativa de los elementos de la antena no afecta la ganancia.
Para que la antena funcione, los dos dipolos deben ser alimentados con corrientes de igual magnitud en cuadratura de fase , es decir, las fases de las ondas sinusoidales deben estar separadas 90°. [3] Esto se hace con técnicas de línea de alimentación o agregando reactancia en serie con los dipolos. [3]
Un método popular para alimentar los dos dipolos en una antena de torniquete es dividir la señal de RF de la línea de transmisión en dos señales iguales con un divisor de dos vías y luego retrasar una de ellas 90 grados de longitud eléctrica adicional. Cada fase se aplica a uno de los dipolos. [3]
Al modificar la longitud y la forma de los dipolos, la impedancia terminal combinada presentada a un único punto de alimentación puede lograr una resistencia pura y producir corrientes en cuadratura en cada dipolo. [3] [6] Este método de cambiar las dimensiones físicas del elemento de antena para producir corrientes en cuadratura se conoce como alimentación de torniquete . [1]
La patente original de Brown describía el apilamiento vertical de múltiples antenas de torniquete para crear una antena omnidireccional polarizada horizontalmente de alta ganancia para transmisiones de radio. [3] [2] Se utilizaron para algunas de las primeras antenas de transmisión de FM en la década de 1930. Sin embargo, la mayoría de las antenas de transmisión de FM modernas utilizan polarización circular, por lo que la intensidad de la señal no variará con la orientación de la antena del receptor.
Una innovación posterior implicó cambiar la forma de los elementos dipolo, de varillas simples a formas más amplias, para aumentar el ancho de banda de la antena. [7] Las primeras antenas de transmisión de televisión utilizaban elementos con "forma de cigarro", como se muestra en la imagen de arriba de la antena RCA del Empire State Building de 1939. Una forma común hoy en día es la antena de ala de murciélago o supertorniquete , utilizada para transmisiones de televisión en las bandas VHF o UHF [8]. La forma de ala de murciélago de cada elemento produce una antena con un ancho de banda de impedancia amplio. [1] Por lo general, se apilan verticalmente hasta ocho antenas de alas de murciélago y se alimentan en fase para crear una antena omnidireccional de alta ganancia para transmisiones de televisión. [3] [1] Se necesitaba un ancho de banda amplio en la banda baja de transmisión de televisión analógica VHF, ya que el ancho de banda del canal de televisión de 6 MHz era aproximadamente el 10% de la frecuencia. [1]
La polarización circular se utilizó para la comunicación de naves espaciales (satélites y misiles), ya que la polarización circular no es sensible a la orientación relativa de las antenas y la antena del vehículo espacial podría tener cualquier orientación con respecto a la antena terrestre. A menudo se utilizaban antenas de torniquete Yagi de alta ganancia para la estación terrestre.
El programa estadounidense de misiles Nike utilizó el modo axial para la telemetría y utilizó la técnica del dipolo modificado para forzar las corrientes en cuadratura. [6]
Planes de construcción para ATA (antena de torniquete asimétrica)
El torniquete es la antena resonante más antigua y popular para transmisiones VHF.