Una antena tipo paraguas es una antena monopolo de cable de carga superior capacitiva , que consiste en la mayoría de los casos en un mástil alimentado en el extremo de tierra, al que se conectan varios cables radiales en la parte superior, inclinados hacia abajo. [1] Un lado de la línea de alimentación que suministra energía desde el transmisor está conectado al mástil y el otro lado a un sistema de tierra (puesta a tierra) de cables radiales enterrados en la tierra debajo de la antena. Se utilizan como antenas transmisoras por debajo de 1 MHz, en las bandas MF , LF y particularmente VLF , en frecuencias lo suficientemente bajas como para que sea poco práctico o inviable construir una antena monopolo de cuarto de onda de tamaño completo. El extremo exterior de cada alambre radial, que desciende desde la parte superior de la antena, está conectado mediante un aislante a una cuerda o cable de soporte anclado al suelo; Los alambres radiales también pueden soportar el mástil como tirantes . Los cables radiales hacen que la antena parezca la estructura de alambre de un paraguas gigante (sin la tela), de ahí el nombre.
La antena está sostenida por un mástil central tubular o de celosía de acero . La parte superior del mástil está unida a un anillo de alambres radiales equiespaciados que se extienden diagonalmente hasta cerca del suelo, donde cada uno está unido con un aislante de tensión a un trozo de alambre o cuerda no radiante que está anclado al suelo. Los cables tipo paraguas también pueden servir estructuralmente como tensores para soportar el mástil. Existen varios métodos diferentes para alimentar energía desde el transmisor a la antena:
En la alimentación de base, el mástil se apoya en un aislante cerámico grueso que lo mantiene aislado del suelo, y la línea de alimentación del transmisor está unida a la base del mástil. El mástil de acero conductor sirve como radiador monopolo. Alternativamente, en las antenas de alta potencia, el mástil está conectado a tierra, los cables tipo paraguas están aislados donde se conectan al mástil central y están unidos a cables de radiador verticales que cuelgan paralelos al mástil y que se alimentan en la parte inferior. Esta construcción se utiliza en antenas de alta potencia en las que el voltaje muy alto de la antena dificultaría el aislamiento del mástil del suelo. [2] [3] [4]
Debajo de la antena hay un gran sistema de puesta a tierra conectado al lado opuesto de la línea de alimentación, que consta de cables enterrados en la tierra que se extienden radialmente desde la base del mástil hasta el borde de los cables del paraguas.
Alternativamente, en alimentación radial, la antena puede recibir energía aplicando la corriente del transmisor a los extremos de uno o más de los cables radiales en lugar del mástil. En este caso el mástil central está puesto a tierra. Al igual que con los alimentadores de alambre, esto evita la necesidad de un aislador de soporte del mástil y tampoco requiere un aislador en los cables de alimentación para las luces de advertencia de aeronaves del mástil . Esta construcción se utilizó en tres grandes antenas tipo paraguas para el obsoleto sistema de navegación Omega que operaba entre 10 y 14 kHz , para eliminar el muy difícil problema de aislar la base del mástil contra el potencial de la antena de 200 kV.
Dado que la antena es más corta que la longitud resonante de un cuarto de longitud de onda, tiene capacitancia . Para cancelar la reactancia capacitiva y hacerla resonante para que pueda recibir energía de manera eficiente, se conecta un inductor de adaptación de impedancia llamado bobina de carga en serie con la línea de alimentación en la base de la antena.
El mástil vertical, aislado del suelo, o los cables verticales del radiador, funciona como una antena monopolo resonante . [2] [3] [4] En las bajas frecuencias utilizadas, la altura del mástil es mucho menor que su longitud de resonancia, un cuarto de longitud de onda ( ), por lo que constituye una antena eléctricamente muy corta ; Tiene una resistencia a la radiación muy baja y sin los cables de carga superior sería un radiador muy ineficiente. La corriente oscilante del transmisor sube por el mástil y se divide aproximadamente en partes iguales entre los cables de carga superior. Se refleja en los extremos de los cables y regresa por el mástil. La corriente saliente y reflejada se superponen, formando una onda estacionaria que consta de la parte de cola de una onda sinusoidal .
Debido a los reflejos del suelo y la ubicación simétrica de los cables de carga superior, medidos lejos de la antena, las ondas de radio irradiadas desde los cables de radios en forma de paraguas se cancelan en gran medida entre sí, por lo que los propios cables de radios casi no irradian energía de radio. En cambio, los cables tipo paraguas funcionan como una carga superior capacitiva que reemplaza parte o la totalidad de la capacitancia que proporcionaría la parte superior de un mástil de cuarto de onda de longitud completa. Los cables de tierra enterrados o tendidos en la tierra debajo de la antena funcionan como la placa inferior correspondiente del "condensador" gigante. La capacitancia agregada aumenta la corriente en el mástil vertical debido a la carga adicional requerida para cargar y descargar la carga superior cada mitad del ciclo de RF. En el mejor de los casos, esto puede duplicar la corriente total y cuadruplicar la potencia radiada, aumentando la señal hasta 6 dB del nivel que tendría sin carga superior.
Para desconectar la gran reactancia capacitiva de la antena y hacerla resonante en la frecuencia de operación para que pueda recibir energía de manera eficiente, se coloca un inductor grande ( bobina de carga ) en la línea de alimentación en serie con la antena, en su base. El otro lado de la línea de alimentación del transmisor está conectado al sistema de tierra. La antena y la bobina forman un circuito sintonizado . Su gran reactancia y baja resistencia suelen dar a la antena un factor Q alto , por lo que tiene un ancho de banda estrecho sobre el que puede funcionar. En las grandes antenas tipo paraguas utilizadas en la banda de muy baja frecuencia , el ancho de banda de la antena puede ser inferior a 100 hercios .
A continuación se muestran varias variaciones de antena tipo paraguas con mástil con conexión a tierra desarrolladas por el ejército de EE. UU. en la década de 1970 para su uso en la banda de baja frecuencia .
Las antenas tipo paraguas irradian ondas de radio polarizadas verticalmente en un patrón de radiación omnidireccional , con igual potencia emitida en todas las direcciones horizontales, con una intensidad de señal máxima radiada en direcciones horizontales, cayendo monótonamente con un ángulo de elevación a cero en el cenit. Debido a la gran carga superior, suelen ser más eficientes que otras antenas comunes de carga superior, la antena "plana" o 'T' , en bajas frecuencias, y se utilizan ampliamente en la banda VLF .
Las ondas terrestres son ondas polarizadas verticalmente que se alejan de la antena horizontalmente justo por encima del suelo. Las antenas tipo paraguas son buenas antenas de onda terrestre y se utilizan como antenas de radiodifusión en las bandas MF y LF .
La ganancia de una antena tipo paraguas sobre un terreno perfectamente conductor, al igual que otras antenas monopolo eléctricamente cortas, es de aproximadamente 3,52 dBi si es significativamente más corta que
Dado que los cables diagonales están inclinados hacia abajo, la corriente en ellos tiene un componente vertical. [3] Esta corriente va en dirección opuesta a la corriente en el mástil, por lo que lejos del mástil las ondas de radio radiadas por él están desfasadas 180° con las ondas de radio del mástil, y las anulan parcialmente. Así, los cables tipo paraguas protegen parcialmente el mástil, reduciendo la potencia irradiada. Con suficientes cables de paraguas, se bloquean todas las ondas de radio emitidas por la parte del mástil que se encuentra encima de la parte inferior del paraguas, y la única radiación proviene de la parte del mástil que está debajo del paraguas.
Debido a su gran carga superior capacitiva, las antenas tipo paraguas son algunos de los diseños de antena más eficientes en bajas frecuencias y se utilizan para transmisores en las bandas LF y VLF para ayudas a la navegación y comunicaciones militares. Son de uso común para estaciones comerciales de transmisión AM de onda media y onda larga . Están en servicio antenas tipo paraguas con alturas de 15 a 460 metros. [ cita necesaria ] Las antenas paraguas más grandes son las antenas trideco (abajo) construidas para estaciones de transmisión naval VLF que se comunican con submarinos sumergidos. En las instalaciones de comunicaciones alemanas VLF se utilizan ocho antenas tipo paraguas de 350 metros de altura, que funcionan a unos 20 kHz con una alta eficiencia de radiación, aunque son inferiores a1/ 40 longitud de onda alta. [ cita necesaria ]
Con la progresiva adopción mundial de dos nuevas bandas de radioaficionados a 630 metros y 2200 metros , los aficionados con el espacio adecuado han reanudado el uso de este diseño.
La antena trideco es una enorme antena tipo paraguas especializada que se utiliza en algunos transmisores militares de alta potencia a muy baja frecuencia (VLF). [5] [6] En una antena tipo paraguas convencional, el uso de cables de sujeción inclinados como carga superior capacitiva tiene algunas desventajas: En primer lugar, dado que los cables tipo paraguas deben estar anclados al suelo, su longitud es limitada. A bajas frecuencias, la longitud de los cables de carga superior requerida es mucho más larga que la que se puede usar para los cables de sujeción; sin mástiles de soporte adicionales, los cables se hundirían hasta el suelo. En segundo lugar, como los cables están inclinados, la corriente en ellos tiene un componente vertical. Esta corriente vertical va en dirección opuesta a la corriente en el mástil, por lo que las ondas de radio que irradia están desfasadas 180° con la radiación del mástil, y la anula parcialmente.
En el diseño trideco, los cables de carga superiores se extienden horizontalmente desde la parte superior del mástil central, sostenidos por un anillo de 12 mástiles que rodean el mástil central, para crear una "placa condensadora" de alambre radial paralela a la Tierra, impulsada en el centro. [7] [8] Los cables de carga superior tienen la forma de seis paneles con forma romboidal (diamante) que se extienden simétricamente desde el mástil central en ángulos de 60°, dando a la antena la forma de una estrella de seis puntas cuando se ve desde arriba. En lugar de utilizar el mástil central como radiador, cada panel está conectado a un cable de radiador vertical al lado del mástil central, y los seis cables del radiador se alimentan en fase en la base. Esto elimina el difícil problema de aislar el mástil del suelo con los voltajes extremadamente altos utilizados. También permite la posibilidad de cortar la alimentación a uno de los paneles, y bajarlo al suelo para su mantenimiento mientras el resto de la antena está en funcionamiento. Enterrado en el suelo debajo de la antena hay un enorme sistema de tierra radial, que forma la "placa" inferior del condensador con la carga superior. La antena debe ser muy grande en las frecuencias VLF utilizadas; los mástiles de soporte tienen entre 250 y 300 metros (820 y 980 pies) de altura y la carga superior tiene aproximadamente 1900 metros (6200 pies) de diámetro.
La antena trideco fue desarrollada para transmisores navales de alta potencia, que transmiten en frecuencias entre 15 y 30 kHz a potencias de hasta 2 megavatios, para comunicarse con submarinos sumergidos en todo el mundo. Es el diseño de antena más eficiente encontrado hasta ahora para este rango de frecuencia, logrando eficiencias del 70-80% mientras que otros diseños de antena VLF tienen una eficiencia del 15-30% debido a la baja resistencia a la radiación del monopolo eléctricamente corto . [8] La antena fue inventada por Boynton Hagaman de Development Engineering Co. (DECO) y se instaló por primera vez en Cutler, Maine en 1961. [9] La inspiración para el diseño fue la antena tipo paraguas del transmisor Goliath de 1 megavatio construido por la Alemania nazi. marina en 1943 en Kalbe, Sajonia-Anhalt , Alemania. Hoy en día, las antenas trideco están ubicadas en algunas bases militares alrededor del mundo, como la estación de radio naval Cutler en Maine, EE. UU.; Estación de comunicaciones navales Harold E. Holt , Exmouth, Australia; y la estación de radio Anthorn , Anthorn, Reino Unido. Se ubicó una antena modificada de 3 paneles en NSS Annapolis , Annapolis, Maryland, pero fue dada de baja en 1990.
Las antenas tipo paraguas se inventaron durante la era de la telegrafía inalámbrica , entre 1900 y 1920, y se utilizaron con transmisores de chispa en bandas de onda larga para transmitir información mediante código Morse . Se utilizaron bajas frecuencias para las comunicaciones transcontinentales de larga distancia y las antenas eran eléctricamente cortas , por lo que se utilizaron antenas de carga superior capacitiva. Antenas tipo paraguas desarrolladas a partir de grandes antenas capacitivas de múltiples hilos utilizadas por Guglielmo Marconi durante sus esfuerzos por lograr una comunicación transatlántica confiable.
Una de las primeras antenas que utilizó este diseño fue el mástil tubular de 130 m (420 pies) erigido en 1905 por Reginald Fessenden para su transmisor experimental de chispa en Brant Rock, Massachusetts, con el que realizó la primera transmisión transatlántica bidireccional, comunicándose con una antena idéntica en Machrihanish , Escocia. [10] Los cables conectados a la parte superior (4 u 8, dependiendo de la fuente) estaban conectados eléctricamente al mástil y se extendían diagonalmente hasta la superficie, donde estaban aislados del suelo. Otro ejemplo temprano es la antena tipo paraguas construida en 1906 por Adolf Slaby en la estación transmisora de Nauen , la primera estación de radio de largo alcance de Alemania, que consta de una torre de radiador de celosía de acero de 100 metros (330 pies) con 162 cables tipo paraguas sujetos a la parte superior, anclados por cáñamo. cuerdas al suelo a 200 m de la torre. Las pequeñas antenas tipo paraguas fueron ampliamente utilizadas con transmisores portátiles por los cuerpos de señales militares durante la Primera Guerra Mundial , ya que no había posibilidad de instalar antenas de cuarto de onda de tamaño completo.
Se utilizaron antenas tipo paraguas en la mayoría de los transmisores del Sistema de Navegación OMEGA , que operaban alrededor de 10 kHz, en las estaciones Decca Navigator y en las estaciones LORAN-C , que operaban a 100 kHz con mástiles centrales de aproximadamente 200 metros de altura, antes de que se cerraran esos sistemas.
