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Una antena de látigo es una antena que consta de un alambre o varilla recta y flexible. El extremo inferior del látigo está conectado al receptor o transmisor de radio . Una antena de látigo es una forma de antena monopolo . La antena está diseñada para ser flexible para que no se rompa fácilmente, y el nombre se deriva del movimiento en forma de látigo que exhibe cuando se la perturba. Las antenas de látigo para radios portátiles suelen estar hechas de una serie de tubos metálicos telescópicos entrelazados, por lo que pueden retraerse cuando no están en uso. Los látigos más largos, fabricados para montarse en vehículos y estructuras, están hechos de una varilla flexible de fibra de vidrio alrededor de un núcleo de alambre y pueden tener hasta 11 m (35 pies) de largo.
La longitud ideal de la antena de látigo está determinada por la longitud de onda de las ondas de radio con las que se utiliza. El tipo más común es el látigo de cuarto de onda , que mide aproximadamente 1 /4 longitud de onda larga, pero pueden ser más largas o más cortas según el diseño, a diferencia delas antenas compactas eléctricamente cortas 1/ 10 longitud de onda larga, hasta 5 /8 longitud de onda para mejorar la directividad.
Los látigos son el tipo más común de antena monopolo y se utilizan en las bandas de radio de frecuencia más alta HF , VHF y UHF . Se utilizan ampliamente como antenas para radios portátiles, teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , radios FM , equipos de sonido y dispositivos habilitados para Wi-Fi , y se conectan a vehículos como antenas para radios de automóviles y radios bidireccionales para vehículos de ruedas y para aviones. Las versiones más grandes montadas en techos, balcones y mástiles de radio se utilizan como antenas de estaciones base para radioaficionados y despachadores de policía, bomberos, ambulancias, taxis y otros vehículos.
La antena de látigo es una antena monopolo y, al igual que un dipolo vertical, tiene un patrón de radiación omnidireccional , que irradia igual potencia de radio en todas las direcciones azimutales (perpendicular al eje de la antena), y la potencia radiada disminuye con el ángulo de elevación a cero en el eje de la antena. . [1] Las antenas de látigo de menos de media longitud de onda, incluido el látigo común de un cuarto de onda, tienen un solo lóbulo principal y con un plano de tierra perfectamente conductor debajo, la intensidad máxima del campo es en direcciones horizontales, cayendo monótonamente a cero en el eje. . Con un plano de tierra pequeño o imperfectamente conductor o sin plano de tierra debajo, el resultado general es inclinar el lóbulo principal hacia arriba de modo que la potencia máxima ya no se irradie horizontalmente sino en ángulo hacia el cielo.
Las antenas de más de media longitud de onda tienen patrones que constan de varios "lóbulos" cónicos; con máximos de radiación en varios ángulos de elevación; cuanto mayor es la longitud eléctrica de la antena, más lóbulos tiene el patrón.
Un látigo vertical irradia ondas de radio polarizadas verticalmente , con el campo eléctrico vertical y el campo magnético horizontal.
Las antenas de látigo verticales se utilizan ampliamente para comunicaciones de radio no direccionales en la superficie de la Tierra, donde la dirección hacia el transmisor (o el receptor) es desconocida o cambia constantemente, por ejemplo en receptores de radio FM portátiles , walkie-talkies y antenas bidireccionales. radios en vehículos. Esto se debe a que transmiten (o reciben) igualmente bien en todas las direcciones horizontales, mientras irradian poca energía de radio hacia el cielo, donde se desperdicia.
Las antenas de látigo normalmente se diseñan como antenas resonantes ; la varilla actúa como resonador de ondas de radio, con ondas estacionarias de voltaje y corriente reflejadas hacia adelante y hacia atrás desde sus extremos. Por lo tanto, la longitud de la varilla de la antena está determinada por la longitud de onda ( ) de las ondas de radio utilizadas. La longitud más común es aproximadamente un cuarto de la longitud de onda ( ), llamada "látigo de cuarto de onda" (aunque a menudo se acorta mediante el uso de una bobina de carga ; consulte Látigos eléctricamente cortos a continuación). Por ejemplo, las antenas de látigo de cuarto de onda comunes utilizadas en las radios FM en los EE. UU. miden aproximadamente 75 cm (2,5 pies) de largo, que es aproximadamente un cuarto de la longitud de las ondas de radio en la banda de radio FM , que miden entre 2,78 y 3,41 m. (9 a 11 pies) de largo.
Los látigos de media onda ( largos) que tienen mayor ganancia , y los látigos de cinco octavas ondas ( largos) que tienen la ganancia horizontal máxima que puede lograr un monopolo, también son longitudes comunes.
La ganancia y la impedancia de entrada de la antena dependen de la longitud del elemento de látigo, en comparación con la longitud de onda, pero también del tamaño y la forma del plano de tierra utilizado (si corresponde). Una antena vertical de cuarto de onda que trabaje contra un terreno infinito perfectamente conductor tendrá una ganancia de 5,19 dBi y una resistencia a la radiación de aproximadamente 36,8 ohmios . Sin embargo, esta ganancia nunca se alcanza en las antenas reales a menos que el plano de tierra tenga muchas longitudes de onda de diámetro. 2 dBi es más típico para un látigo con un plano de tierra. Los látigos montados en vehículos utilizan la piel metálica del vehículo como plano de tierra. En los dispositivos portátiles generalmente no se proporciona un plano de tierra explícito y el lado de tierra de la línea de alimentación de la antena simplemente está conectado a tierra (común) en la placa de circuito del dispositivo. [2] Por lo tanto, la propia radio sirve como un plano de tierra rudimentario. Si el chasis de la radio no es mucho más grande que la propia antena, la combinación de látigo y radio funciona más como una antena dipolo asimétrica que como una antena monopolo . [3] [4] La ganancia será algo menor que la de un dipolo o un látigo de un cuarto de onda con un plano de tierra de tamaño adecuado.
Los látigos que no están montados en la radio generalmente se alimentan con un cable coaxial de impedancia de 50 ohmios o 75 ohmios. En las antenas transmisoras, la impedancia de la antena debe coincidir con la línea de alimentación para obtener la máxima transferencia de potencia.
Una antena de látigo de media onda (longitud de ) tiene una ganancia algo mayor que una de cuarto de onda, pero tiene un nodo de corriente en su punto de alimentación en la base de la varilla, por lo que tiene una impedancia de entrada muy alta. Si fuera infinitamente delgada, la antena tendría una impedancia de entrada infinita, pero el ancho finito proporciona a los típicos y prácticos látigos de media onda una impedancia de 800 a 1500 ohmios. Estos generalmente se alimentan a través de un transformador de adaptación de impedancia o una sección de adaptación de un cuarto de onda (por ejemplo, la antena de polo J ). Una ventaja es que, como actúa como dipolo, no necesita un plano de tierra.
La ganancia horizontal máxima de una antena monopolo se logra a una longitud de cinco octavos de longitud de onda, por lo que esta también es una longitud popular para los látigos. Sin embargo, a esta longitud el patrón de radiación se divide en un lóbulo horizontal y un segundo lóbulo pequeño en un ángulo de 60°, por lo que la radiación en ángulos altos es deficiente. La impedancia de entrada es de unos 40 ohmios.
En una antena de látigo que no está montada sobre una superficie conductora, como una montada en un mástil, la falta de ondas de radio reflejadas desde el plano de tierra hace que el lóbulo del patrón de radiación se incline hacia el cielo, por lo que se irradia menos energía en posición horizontal. direcciones, indeseables para la comunicación terrestre. [5] Además, la impedancia desequilibrada del elemento monopolar provoca corrientes de RF en el mástil de soporte y en el exterior del conductor de protección de tierra de la línea de alimentación coaxial, lo que hace que estas estructuras irradien ondas de radio, lo que generalmente tiene un efecto nocivo en el patrón de radiación. .
Para evitar esto, con látigos estacionarios montados en estructuras, a menudo se utiliza un "plano de tierra" artificial que consta de tres o cuatro varillas de un cuarto de longitud de onda conectadas al lado opuesto de la línea de alimentación, que se extiende horizontalmente desde la base del látigo. [5] Esto se llama antena de plano de tierra . [6] Estos pocos elementos de cable corto sirven para recibir la corriente de desplazamiento del elemento accionado y devolverla al conductor de tierra de la línea de transmisión, haciendo que la antena se comporte como si tuviera un plano conductor continuo debajo.
La resistencia a la radiación de una antena plana de tierra de cuarto de onda con cables de tierra horizontales es de alrededor de 22 ohmios, una mala coincidencia con la línea de alimentación del cable coaxial , y el lóbulo principal del patrón de radiación todavía está inclinado hacia el cielo. A menudo (ver imágenes), las varillas del plano de tierra están inclinadas hacia abajo en un ángulo de 45 grados, lo que tiene el efecto de bajar el lóbulo principal del patrón de radiación, por lo que se irradia más energía en direcciones horizontales y aumenta la impedancia de entrada para un Buena combinación con cable coaxial estándar de 50 ohmios . Para combinar con el cable coaxial de 75 ohmios, los extremos del plano de tierra se pueden girar hacia abajo o se puede utilizar un elemento accionado monopolo plegado.
Para reducir la longitud de una antena de látigo y hacerla menos engorrosa, a menudo se le añade un inductor ( bobina de carga ) en serie. Esto permite que la antena sea mucho más corta que la longitud normal de un cuarto de longitud de onda y aún sea resonante , al cancelar la reactancia capacitiva de la antena corta. Esto se llama látigo eléctricamente corto . La bobina se agrega en la base del látigo (llamado látigo con carga base) o ocasionalmente en el medio (látigo con carga central). En la forma más utilizada, la antena de patito de goma , la bobina de carga se integra con la antena misma haciendo el látigo con una hélice estrecha de alambre elástico. La hélice distribuye la inductancia a lo largo de la antena, mejorando el patrón de radiación y también la hace más flexible. Otra alternativa que se utiliza ocasionalmente para acortar la antena es agregar un "sombrero de capacidad", una pantalla metálica o cables radiantes, al final. Sin embargo, todos estos látigos eléctricamente cortos tienen menor ganancia que un látigo de cuarto de onda de longitud completa.
La operación multibanda es posible con bobinas a aproximadamente la mitad o un tercio y dos tercios que no afectan mucho a la antena en la banda más baja, pero crea el efecto de dipolos apilados en una banda más alta (generalmente ×2 o ×3 frecuencia).
A frecuencias más altas [a], el cable coaxial de alimentación puede subir por el centro de un tubo. La unión aislada del tubo y el látigo se alimenta desde el coaxial y el extremo inferior del tubo por donde entra el cable coaxial tiene un soporte aislado. Este tipo de látigo vertical es un dipolo completo y, por tanto, no necesita plano de tierra. Por lo general, funciona mejor en varias longitudes de onda sobre el suelo, de ahí la limitación normalmente a las bandas de microondas.
