Una antena monopolo es una clase de antena de radio que consta de un conductor recto en forma de varilla, a menudo montado perpendicularmente sobre algún tipo de superficie conductora , llamada plano de tierra . [1] [2] [3] La señal de conducción del transmisor se aplica, o para antenas receptoras, se toma la señal de salida al receptor , entre el extremo inferior del monopolo y el plano de tierra. Un lado de la línea de alimentación de la antena está conectado al extremo inferior del monopolo y el otro lado está conectado al plano de tierra, que suele ser la Tierra. Esto contrasta con una antena dipolo que consta de dos barras conductoras idénticas, con la señal del transmisor aplicada entre las dos mitades de la antena.
El monopolo se utiliza a menudo como antena resonante . La varilla funciona como un resonador abierto para ondas de radio y oscila con ondas estacionarias de voltaje y corriente a lo largo de su longitud. Por lo tanto, la longitud de la antena se determina en función de la longitud de onda de las ondas de radio deseadas. La forma más común es el monopolo de un cuarto de onda , en el que la longitud de la antena es aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de las ondas de radio. Sin embargo, en las antenas monopolo de radiodifusión, longitudes iguales a5/8Las longitudes de onda también son populares porque en un monopolo esta longitud maximiza la potencia radiada perpendicular al eje del radiador, lo que con un radiador vertical optimiza la eficiencia para la transmisión terrestre. La antena monopolo fue inventada en 1895 por el pionero de la radio Guglielmo Marconi ; por este motivo a veces se la llama antena Marconi . [4] [5] [6]
La impedancia de carga del monopolo de cuarto de onda es la mitad que la de la antena dipolo o 37,5 ohmios .
Los tipos comunes de antena monopolo son
La antena monopolo fue inventada en 1895 y patentada en 1896 [7] por el pionero de la radio Guglielmo Marconi durante sus primeros experimentos históricos en comunicación por radio. Comenzó utilizando antenas dipolo inventadas por Heinrich Hertz que consistían en dos cables horizontales idénticos terminados en placas de metal. Descubrió mediante un experimento que si en lugar del dipolo, un lado del transmisor y el receptor estaba conectado a un cable suspendido sobre su cabeza, y el otro lado estaba conectado a la Tierra, podía transmitir a distancias más largas. Por esta razón, el monopolo también se llama antena Marconi , [4] [5] [6] aunque Alexander Popov la inventó de forma independiente aproximadamente al mismo tiempo. [8] [9] [10] [11]
Al igual que una antena dipolo suspendida verticalmente , un monopolo tiene un patrón de radiación omnidireccional : irradia con igual potencia en todas las direcciones acimutales perpendiculares a la antena. La potencia radiada varía con el ángulo de elevación, y la radiación cae a cero en el cenit del eje de la antena. Irradia ondas de radio polarizadas verticalmente . Dado que los dipolos verticales de media onda deben tener su centro elevado al menos un cuarto de onda por encima del suelo, mientras que los monopolos deben montarse directamente en el suelo, los patrones de radiación de los monopolos se ven más afectados por la resistencia de la tierra, y el patrón de radiación con elevación inherentemente difiere.
Se puede visualizar un monopolo ( derecha ) formado reemplazando la mitad inferior de una antena dipolo vertical (c) con un plano conductor ( plano de tierra ) en ángulo recto con la mitad restante. Si el plano de tierra es lo suficientemente grande, las ondas de radio de la mitad superior restante del dipolo (a) reflejadas desde el plano de tierra parecerán provenir de una antena de imagen (b) que forma la mitad faltante del dipolo, lo que se suma a la radiación directa para formar un patrón de radiación dipolar. Entonces, el patrón de un monopolo con un plano de tierra infinito y perfectamente conductor es idéntico a la mitad superior de un patrón dipolo.
Hasta una longitud de media longitud de onda ( ), la antena tiene un solo lóbulo con ganancia máxima en direcciones horizontales, perpendiculares al eje de la antena. Por debajo de la resonancia del cuarto de longitud de onda ( ), el patrón de radiación es casi constante con la longitud. Arriba ( ) el lóbulo se aplana, irradiando más potencia en direcciones horizontales.
Por encima de media longitud de onda, el patrón se divide en un lóbulo principal horizontal y un segundo lóbulo cónico pequeño en un ángulo de elevación de 60° hacia el cielo. Sin embargo, la ganancia horizontal sigue aumentando y alcanza un máximo en una longitud de cinco octavos de longitud de onda: (esta es una aproximación válida para una antena de espesor típica, para un monopolo infinitamente delgado el máximo ocurre en ). El máximo se produce a esta longitud porque la radiación de fase opuesta procedente de los dos lóbulos interfiere de forma destructiva y se cancela en ángulos elevados, "comprimiendo" más potencia en el lóbulo horizontal.
Ligeramente por encima, el lóbulo horizontal se hace más pequeño rápidamente y el lóbulo de ángulo alto se hace más grande, lo que reduce la potencia radiada en direcciones horizontales y, por tanto, reduce la ganancia. Debido a esto, no muchas antenas utilizan longitudes superiores a 0,625 de onda . A medida que la antena se hace más larga, el patrón se divide en más lóbulos, con nulos (direcciones de potencia radiada cero) entre ellos.
El efecto general de los planos de tierra eléctricamente pequeños, así como de las tierras de tierra imperfectamente conductoras, es inclinar la dirección de la radiación máxima hacia ángulos de elevación más altos y reducir la ganancia. [12] La ganancia de las antenas de cuarto de onda reales con sistemas terrestres típicos es de alrededor de 2 a 3 dBi.
Debido a que irradia solo hacia el espacio sobre el plano de tierra, o la mitad del espacio de una antena dipolo, una antena monopolo sobre un plano de tierra infinito perfectamente conductor tendrá una ganancia del doble (3 dB mayor que) la ganancia de una antena dipolo similar. , y una resistencia a la radiación la mitad que la de un dipolo. Dado que un dipolo de media onda tiene una ganancia de 2,19 dBi y una resistencia a la radiación de 73 ohmios, un cuarto de onda ( 1/ 4 λ ) el monopolo tendrá una ganancia de 2,19 + 3,0 = 5,2 dBi y una resistencia a la radiación de aproximadamente 36,5 ohmios. [13] La antena es resonante a esta longitud, por lo que su impedancia de entrada es puramente resistiva. La impedancia de entrada tiene una reactancia capacitiva por debajo 1/ 4 λ y reactancia inductiva de 1/ 4 a1/ 2 λ .
Las ganancias dadas en esta sección sólo se logran si la antena se monta sobre un plano de tierra infinito perfectamente conductor . Con planos de tierra artificiales típicos más pequeños que varias longitudes de onda, la ganancia será de 1 a 3 dBi menor, porque parte de la potencia radiada horizontal se difractará alrededor del borde del plano hacia el medio espacio inferior, donde se disipará en el suelo. De manera similar, sobre una tierra resistiva, la ganancia será menor debido a la energía absorbida por la tierra.
A medida que aumenta la longitud hasta acercarse a media longitud de onda (1/ 2 λ ) – la siguiente longitud de resonancia – la ganancia aumenta un poco, hasta 6,0 dBi . Dado que a esta longitud la antena tiene un nodo de corriente en su punto de alimentación , la impedancia de entrada es muy alta. Una antena hipotética infinitamente delgada tendría una impedancia infinita, pero para un espesor finito de monopolos típicos es de alrededor de 800 a 2000 ohmios; alto, pero manejable alimentándolo a través de un transformador elevador sustancial.
La ganancia horizontal continúa aumentando hasta un máximo de aproximadamente 6,6 dBi en una longitud de cinco octavos de longitud de onda. 5/ 8 λ , por lo que esta es una longitud popular para antenas de onda terrestre y antenas de comunicación terrestre, para frecuencias en las que es factible un tamaño de antena mayor. La impedancia de entrada cae a unos 40 ohmios en esa longitud. La reactancia de la antena es capacitiva de 1/ 2 a3/ 4 λ . Sin embargo, arriba 5/ 8 λ la ganancia horizontal cae rápidamente porque progresivamente se irradia más potencia en ángulos de elevación elevados en el segundo lóbulo.
Para antenas monopolo que funcionan a frecuencias más bajas, por debajo de 20 MHz, el plano de tierra suele ser la Tierra; en este caso la antena es un mástil vertical montado en el suelo sobre un aislante para aislarlo eléctricamente del suelo. Un lado de la línea de alimentación está conectado al mástil y el otro a una tierra en la base de la antena. En las antenas de transmisión para reducir la resistencia del suelo, suele ser una red radial de cables enterrados que se extienden hacia afuera desde un terminal cerca de la base de la antena. Este diseño se utiliza para las antenas transmisoras de radiadores de mástil utilizadas para transmisiones de radio en las bandas MF y LF . En frecuencias más bajas, el mástil de la antena es eléctricamente corto , lo que le da una resistencia a la radiación muy pequeña , por lo que para aumentar la eficiencia y la potencia radiada se utilizan monopolos capacitivamente cargados en la parte superior, como la antena T y la antena tipo paraguas .
En las frecuencias VHF y UHF , el tamaño del plano de tierra necesario es menor, por lo que se utilizan planos de tierra artificiales para permitir que la antena se monte sobre el suelo. [14] Un tipo común de antena monopolo en estas frecuencias para montaje en mástiles o estructuras consiste en una antena de látigo de un cuarto de onda con un plano de tierra que consta de 3 o 4 cables o varillas de un cuarto de onda de largo que irradian horizontal o diagonalmente desde su base. conectado al lado de tierra de la línea de alimentación; esto se llama antena de plano de tierra . En frecuencias de gigahercios , la superficie metálica del techo de un automóvil o de la carrocería de un avión constituye un buen plano de tierra, por lo que las antenas de teléfonos celulares de los automóviles consisten en látigos cortos montados en el techo, [14] y las antenas de comunicación de los aviones con frecuencia consisten en un conductor corto en un carenado aerodinámico. sobresaliendo del fuselaje; esto se llama antena de lámina . [13]
Las antenas de látigo de cuarto de onda y patito de goma que se utilizan con radios portátiles como walkie-talkies y radios FM portátiles también son antenas monopolo. En estos dispositivos portátiles, la antena no tiene un plano de tierra efectivo, el lado de tierra del transmisor simplemente está conectado a la conexión a tierra en su placa de circuito . Dado que la tierra de la placa de circuito suele ser más pequeña que la antena, la combinación de antena y tierra puede funcionar más como una antena dipolo asimétrica que como una monopolo. La mano y el cuerpo de la persona que los sostiene pueden funcionar como un plano de tierra rudimentario.
Los dispositivos inalámbricos y los teléfonos móviles utilizan una variante monopolo llamada antena F invertida . [15] El elemento monopolo está doblado paralelo al área de tierra en la placa de circuito , por lo que puede encerrarse en la carcasa del dispositivo; Por lo general, la antena está fabricada con una lámina de cobre sobre la propia placa de circuito impreso . [15] [16] Esta geometría le daría a la antena una impedancia muy baja si fuera accionada en la base. Para mejorar la coincidencia de impedancia con el circuito de alimentación (normalmente una impedancia de 50 ohmios ), la antena se alimenta en derivación , la línea de alimentación se conecta a un punto intermedio a lo largo del elemento y el extremo del elemento se conecta a tierra.
