La antena de polo J , más conocida como antena J , [1] es una antena de transmisión omnidireccional vertical utilizada en las bandas de frecuencia de onda corta . Fue inventada por Hans Beggerow en 1909 para su uso en dirigibles Zeppelin . [2] Arrastrada detrás del dirigible, consistía en un solo radiador de cable de media longitud de onda de largo, en serie con un trozo de sintonización de línea de transmisión paralela de cuarto de onda que hace coincidir la impedancia de la antena con la línea de alimentación . En 1936, esta antena comenzó a usarse para transmisores terrestres con el elemento radiante y la sección de adaptación montada verticalmente, lo que le da la forma de la letra "J", [3] y en 1943 se la denominó antena J. [1] Cuando la sección de media onda radiante está montada horizontalmente, en ángulo recto con el trozo de adaptación de cuarto de onda , la variación generalmente se llama antena Zepp . [4]
La antena J-pole es una antena omnidireccional de media onda alimentada por el extremo que se adapta a la línea de alimentación mediante un trozo de línea de transmisión paralela de cuarto de onda en cortocircuito . [5] [1] [6] Para que una antena transmisora funcione de manera eficiente, absorbiendo toda la potencia proporcionada por su línea de alimentación, la antena debe estar adaptada en impedancia a la línea; debe tener una resistencia igual a la impedancia característica de la línea de alimentación . Una antena de media onda alimentada en un extremo tiene un nodo de corriente en su punto de alimentación, lo que le da una impedancia de entrada muy alta de alrededor de 1000–4000 ohmios . [5] Esto es mucho más alto que la impedancia característica de las líneas de transmisión, por lo que requiere un circuito de adaptación de impedancia entre la antena y la línea de alimentación.
Un stub de cuarto de onda en cortocircuito, una línea de transmisión de un cuarto de la longitud de onda con sus conductores en cortocircuito en un extremo, tiene un nodo de alta impedancia similar en su extremo abierto, lo que hace una buena combinación con la antena. La impedancia de entrada vista en un punto a lo largo del stub varía continuamente, disminuyendo monótonamente desde este valor alto hasta cero en el extremo en cortocircuito. Por lo tanto, se puede obtener cualquier valor de impedancia de entrada conectando la línea de alimentación al punto adecuado a lo largo del stub. Un brazo del stub se extiende media longitud de onda para formar la antena. Al conectar la línea de alimentación de la antena al punto adecuado a lo largo de la línea de transmisión, el stub transformará esta impedancia hacia abajo para que coincida con la impedancia más baja de la línea de alimentación, lo que permite que la antena se alimente de energía de manera eficiente. [6] Durante la construcción, el punto de conexión adecuado para la línea de alimentación se encuentra deslizando la conexión de la línea de alimentación de un lado a otro a lo largo del stub mientras se monitorea la ROE hasta que se obtiene una coincidencia de impedancia (ROE mínima). [1] [6] Al ser una antena de media onda, proporciona una pequeña ganancia de poco menos de 1 dB sobre una antena de plano de tierra de cuarto de onda. [7]
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Principalmente un dipolo, la antena J-pole exhibe un patrón principalmente omnidireccional en el plano horizontal (H) con una ganancia promedio en el espacio libre cercana a 2,2 dBi (0,1 dBd) . [8] Las mediciones y la simulación confirman que el stub de cuarto de onda modifica la forma circular del patrón del plano H aumentando ligeramente la ganancia en el lado del elemento stub J y reduciendo ligeramente la ganancia en el lado opuesto al elemento stub J. [8] [9] En ángulos rectos al J-stub, la ganancia está más cerca del promedio general: alrededor de 2,2 dBi (0,1 dBd). [8] El ligero aumento sobre la ganancia de 2,15 dBi (0 dBd) de un dipolo representa la pequeña contribución al patrón realizada por el desequilibrio de corriente en la sección de adaptación. [8] El patrón en la elevación (o plano E ) revela una ligera elevación del patrón en la dirección del elemento J mientras que el patrón opuesto al elemento J es principalmente de lado ancho. [9] El efecto neto de la perturbación causada por el stub de cuarto de onda es una ganancia aproximada del plano H de 1,5 a 2,6 dBi (-0,6 dBd a 0,5 dBd). [9]
Al igual que todas las antenas, el J-pole es sensible a los objetos conductores de electricidad en sus campos de inducción [10] (también conocido como región reactiva de campo cercano [11] ) y debe mantener una separación suficiente para minimizar estas interacciones de campo cercano como parte de las consideraciones de instalación típicas del sistema. [12] El ramal de línea de transmisión paralela de cuarto de onda tiene un campo electromagnético externo con una fuerza y un tamaño proporcionales al espaciado entre los conductores paralelos. [13] Los conductores paralelos deben mantenerse libres de humedad, nieve, hielo y deben mantenerse alejados de otros conductores, incluidos bajantes, marcos de ventanas de metal, tapajuntas, etc., a una distancia de dos a tres veces el espaciado entre los conductores del ramal paralelo. [4] El J-pole es muy sensible a las estructuras de soporte conductoras y logrará el mejor rendimiento sin unión eléctrica entre los conductores de la antena y la estructura de montaje. [14] [15]
La antena consta de dos conductores metálicos rectos y paralelos, uno3/4 de una longitud de onda y la otra 1/4 de una longitud de onda larga a la frecuencia de operación, cortocircuitados juntos en la parte inferior. [ cita requerida ] Los materiales de construcción típicos incluyen tubos de metal, [1] línea de escalera o doble conductor . [16] Dado que la sección de adaptación debe actuar como una línea de transmisión, los conductores paralelos no deben estar separados por más de 0,02 longitudes de onda. [17]
La antena J-pole y sus variantes pueden alimentarse con una línea balanceada. [1] Se puede utilizar una línea de alimentación coaxial si incluye un medio para suprimir las corrientes de RF de la línea de alimentación. [14] [18] El punto de alimentación del J-pole está en algún lugar entre la parte inferior cerrada de baja impedancia y la parte superior abierta de alta impedancia del conector J. [1] [3] Entre estos dos extremos está disponible una adaptación a cualquier impedancia entre los puntos de baja y alta impedancia. [1] [3]
El diseño del polo J funciona bien cuando se alimenta con una alimentación equilibrada (a través de balun , transformador o estrangulador) y no existe conexión eléctrica entre sus conductores y los soportes circundantes. [14] [15] La documentación histórica de la antena J sugiere que el extremo inferior del trozo coincidente tiene potencial cero con respecto a tierra y se puede conectar a un cable de conexión a tierra o un mástil sin efecto en el funcionamiento de la antena. [1] Investigaciones posteriores confirman la tendencia del mástil o del cable de conexión a tierra a extraer corriente de la antena, lo que puede estropear el patrón de la antena. [19] Un enfoque común extiende el conductor por debajo de la parte inferior del polo J, lo que da como resultado corrientes de RF adicionales e indeseables que fluyen por cada parte de la estructura de montaje. [14] Esto modifica el patrón de antena de campo lejano [19] típicamente, pero no siempre, elevando los lóbulos primarios por encima del horizonte, lo que reduce la eficacia de la antena para el servicio terrestre. [15] Las antenas de polo J con conexión eléctrica a sus soportes a menudo no funcionan mejor, y a menudo son mucho peores, que la antena monopolo más simple . [14] Un ramal de desacoplamiento del mástil reduce las corrientes del mástil. [19] [20] [21] [22]
Una variación del J-pole es la antena Slim Jim , también conocida como G2BCX Slim Jim , [23] que está relacionada con el J-pole de una manera similar a cómo un dipolo plegado está relacionado con un dipolo . [24] El Slim Jim es una de las muchas formas de formar un J-Pole. [24] Introducido por Fred Judd (G2BCX) en 1978, el nombre se derivó de su construcción delgada y del stub coincidente tipo J ( J Integrated Matching ) . [ 23]
La variante Slim Jim de la antena J-pole tiene características y rendimiento similares a una antena de media onda simple o plegada e idéntica a la construcción convencional J-pole. [24] Judd informó que Slim Jim produce un ángulo de despegue más bajo y un mejor rendimiento eléctrico que una 5/8Antena de plano de tierra de longitud de onda, [ 23] sin embargo, otras pruebas y análisis muestran que las antenas Slim Jim no tienen ninguna ventaja de rendimiento sobre una antena J-pole convencional de un solo cable. [9] [24] Las antenas Slim Jim hechas de línea de transmisión en escalera utilizan el conductor paralelo existente para el elemento dipolo plegado, [9] pero en la variación de tubería de cobre, Slim Jim requiere casi el doble de material, por lo que no ofrece ningún beneficio de rendimiento. [9]
La ganancia aproximada en el plano H del Slim Jim es de 1,5 a 2,6 dBi (−0,6 dBd a 0,5 dBd). [9]
La variante Super-J de la antena J-pole añade otro radiador de media onda colineal por encima de la J convencional y conecta los dos con un ramal de fase para asegurar que ambas secciones de media onda verticales irradien en fase actual. [25] El ramal de fase entre las dos secciones de media onda suele ser del estilo Franklin . [25] [26] [27]
La antena Super-J comprime el ancho del haz vertical y tiene más ganancia que el diseño convencional de polo J. [28] Ambas secciones radiantes tienen una separación insuficiente para aprovechar al máximo los beneficios de los arreglos colineales, lo que da como resultado un poco menos de los 3 dB óptimos sobre una antena convencional de polo J o de media onda. [28] [29]
La ganancia aproximada en el plano H de la antena Super-J es de 4,6 a 5,2 dBi (2,4 dBd a 3,1 dBd). [29]
La antena J colineal mejora la Super-J al separar las dos secciones de media onda radiantes para optimizar la ganancia utilizando una bobina de fase. [29] La ganancia resultante está más cerca de los 3 dB óptimos en comparación con una antena J-pole o de media onda convencional. [29]
La ganancia aproximada en el plano H de la antena Collinear J es de 4,6 a 5,2 dBi (2,4 dBd a 3,1 dBd). [29]
El gráfico compara la ganancia del plano E de las tres variaciones anteriores con la antena J convencional.
La antena J convencional y la variante SlimJIM son casi idénticas en cuanto a ganancia y patrón. La Super-J revela el beneficio de poner en fase y orientar correctamente un segundo radiador por encima del primero. La J colineal muestra un rendimiento ligeramente superior al de la Super-J.
La antena J básica resuena en el tercer armónico de su frecuencia de diseño más baja. [30] Operación de una 3/2Las longitudes de onda de esta manera producen un patrón de antena desfavorable para el funcionamiento terrestre. [31]
Para abordar el cambio de patrón, existe una variedad de técnicas para restringir supuestamente una antena J que opera en o cerca del tercer armónico de modo que solo una media onda esté activa en el radiador por encima del stub. Todas implican el uso de un estrangulador de alta impedancia en el primer bucle de voltaje. [31] Estos métodos no alcanzan el objetivo, ya que estrangular un punto de alta impedancia con una alta impedancia permite que la energía pase por el estrangulador. [31] [32]