Una antena de bucle es una antena de radio que consiste en un bucle o bobina de alambre, tubo u otro conductor eléctrico , que para transmitir se alimenta generalmente mediante una fuente de energía equilibrada o para recibir se alimenta mediante una carga equilibrada. Dentro de esta descripción física hay dos (posiblemente tres) tipos distintos:
Para la descripción de los bucles grandes en esta sección, se supone que la frecuencia de funcionamiento de la radio está sintonizada con la primera resonancia de la antena de bucle. En esa frecuencia, una longitud de onda de espacio libre completo es ligeramente menor que el perímetro del bucle, que es el tamaño más pequeño que puede alcanzar un bucle "grande". [2]
Las antenas de bucle autorresonantes para las llamadas frecuencias de onda "corta" son relativamente grandes, con un perímetro apenas mayor que la longitud de onda de operación prevista, por lo tanto, para diámetros de bucles circulares de aproximadamente 175 pies (53 m) en el más grande, alrededor de 1,8 MHz . A frecuencias más altas, sus tamaños se vuelven más pequeños, cayendo a un diámetro de aproximadamente 11 pies (3,4 m) a 30 MHz.
Las antenas de bucle de gran tamaño pueden considerarse como un dipolo plegado cuyos cables paralelos se han dividido y abierto en una forma ovalada o poligonal . La forma del bucle puede ser un círculo, un triángulo, un cuadrado, un rectángulo o, de hecho, cualquier polígono cerrado, pero para que haya resonancia, el perímetro del bucle debe ser ligeramente mayor que una longitud de onda. [2]
Las antenas de bucle pueden tener forma de círculo, cuadrado o cualquier otra forma geométrica cerrada que permita que el perímetro total sea ligeramente mayor que una longitud de onda. La forma más popular en radioaficionados es la antena cuádruple o "quad", un bucle autorresonante de forma cuadrada de modo que pueda construirse con alambre tendido a través de un marco de soporte en forma de ' × '. Puede haber uno o más bucles adicionales apilados en paralelo al primero como elemento(s) director(es) y/o reflector(es) "parásitos" , creando un conjunto de antenas que es unidireccional con una ganancia que aumenta con cada elemento parásito adicional. Este diseño también puede girarse 45 grados hasta obtener una forma de diamante apoyada sobre un marco en forma de ' + '. Los bucles triangulares (' △ ') también se han utilizado para bucles verticales, ya que pueden apoyarse en un solo mástil. [2] Un rectángulo dos veces más alto que su ancho obtiene una ganancia ligeramente mayor y también coincide directamente con 50 Ω si se utiliza como un solo elemento. [2] : § 9.6.2
A diferencia de una antena dipolo , la polarización de una antena de bucle resonante no es obvia a partir de la orientación del bucle en sí, sino que depende de la ubicación de su punto de alimentación. [e] Si un bucle orientado verticalmente se alimenta en la parte inferior, su radiación estará polarizada horizontalmente; alimentarlo desde el costado lo hará polarizar verticalmente.
El patrón de radiación de una antena de bucle de primera resonancia alcanza su punto máximo en ángulo recto con respecto al plano del bucle. A medida que la frecuencia avanza hacia la segunda y tercera resonancias, la radiación perpendicular se desvanece y surgen lóbulos fuertes cerca del plano del bucle. [3] (pág. 235)
En las frecuencias de onda corta más bajas, un bucle completo es físicamente bastante grande, y su única instalación práctica es "acostada", con el plano del bucle horizontal al suelo y el cable de antena sostenido a la misma altura relativamente baja por mástiles a lo largo de su perímetro. [2] Esto da como resultado una radiación polarizada horizontalmente, que alcanza su punto máximo hacia la vertical cerca del armónico más bajo; ese patrón es bueno para la comunicación NVIS regional , pero desafortunadamente no suele ser útil para hacer contactos a escala continental.
Por encima de los 10 MHz, el bucle tiene aproximadamente 10 metros de diámetro y resulta más práctico montarlo "de pie", es decir, con el plano del bucle en vertical, para dirigir su haz principal hacia el horizonte. Si la frecuencia es lo suficientemente alta, el bucle puede ser lo suficientemente pequeño como para sujetarlo a un rotador de antena , para rotar en esa dirección como se desee. En comparación con un dipolo o un dipolo plegado, un bucle vertical grande desperdicia menos energía radiando hacia el cielo o el suelo, lo que da como resultado una ganancia aproximadamente 1,5 dB mayor en las dos direcciones horizontales preferidas.
Generalmente se obtiene una ganancia adicional (y un patrón de radiación unidireccional ) con un conjunto de estos elementos, ya sea como un conjunto de radiación longitudinal activada o en una configuración Yagi , en la que solo uno de los bucles es activado por la línea de alimentación y todos los bucles restantes son reflectores y directores "parásitos" . Esta última configuración se utiliza ampliamente en la radioafición en "quad" (ver foto).
En ocasiones se utilizan bucles de una longitud de onda de baja frecuencia "acostados" para la comunicación NVIS local. A esto se le denomina a veces " cuadrado perezoso ". Su patrón de radiación consiste en un solo lóbulo recto hacia arriba (la radiación hacia el suelo que no se absorbe se refleja hacia arriba). El patrón de radiación y, especialmente, la impedancia de entrada se ven afectados por su proximidad al suelo.
Si se alimenta con frecuencias más altas, la impedancia de entrada de la antena generalmente incluirá una parte reactiva y un componente resistivo diferente, lo que requiere el uso de un sintonizador de antena . A medida que la frecuencia aumenta por encima del primer armónico, el patrón de radiación se divide en múltiples lóbulos que alcanzan su punto máximo en ángulos más bajos en relación con el horizonte, lo que es una mejora para la comunicación a larga distancia para frecuencias muy por encima del segundo armónico del bucle.
Una antena de halo se describe a menudo como una antena dipolo de media onda que se ha doblado en un círculo. Aunque podría categorizarse como un dipolo doblado, tiene un patrón de radiación omnidireccional casi igual al de un pequeño bucle. El halo es más eficiente que un pequeño bucle, ya que es una antena más grande a1/ 2 onda en circunferencia con su resistencia a la radiación desproporcionadamente mayor . [f] Debido a su resistencia a la radiación mucho mayor, un halo presenta una buena adaptación de impedancia al cable coaxial de 50 ohmios , y su construcción es menos exigente que la de un bucle pequeño, ya que el fabricante no está obligado a tener un cuidado tan extremo para evitar pérdidas por conductores mediocres y resistencia de contacto. [4]
A las 1/ 2 onda, la antena de halo está cerca o en el límite extremadamente alto del rango de tamaño para bucles “pequeños”, pero a diferencia de la mayoría de los bucles pequeños de gran tamaño, se puede analizar con técnicas simples tratándola como un dipolo doblado .
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En las bandas VHF y superiores, el diámetro físico de un halo es lo suficientemente pequeño como para utilizarse eficazmente como antena móvil.
El patrón de radiación horizontal de un halo horizontal es casi omnidireccional (con una precisión de 3 dB o menos) y eso se puede equilibrar haciendo el bucle un poco más pequeño y agregando más capacitancia entre las puntas de los elementos. Eso no solo equilibrará la ganancia, sino que también reducirá la radiación ascendente, que en el caso de VHF normalmente se desperdicia: se irradia al espacio.
Los halos captan menos interferencias de chispas eléctricas cercanas que los monopolos y dipolos (por ejemplo, el ruido de encendido de los vehículos). [5]
Aunque tiene una apariencia superficial diferente, la antena de halo se puede analizar convenientemente como un dipolo (que también tiene una parte que irradia media onda con un alto voltaje y una corriente cero en sus extremos) que se ha doblado en un círculo. El simple uso de los resultados del dipolo simplifica enormemente los cálculos y, para la mayoría de las propiedades, son los mismos que los de un halo. El rendimiento del halo también se puede modelar con técnicas utilizadas para bucles de transmisión "pequeños" de tamaño moderado similares, pero por brevedad, ese análisis complicado a menudo se omite en los artículos introductorios sobre antenas de bucle (desafortunadamente, esta omisión típica deja a las personas con mucha experiencia ignorantes de las propiedades de los bucles pequeños "grandes").
Algunos autores consideran erróneamente que el espacio en el bucle de la antena de halo es lo que la distingue de una antena de bucle pequeño, ya que no hay conexión de CC entre los dos extremos. Pero esa distinción se pierde en RF ; los extremos de alto voltaje doblados juntos están acoplados capacitivamente y la corriente de RF cruza el espacio como corriente de desplazamiento . El espacio en el halo es eléctricamente equivalente al condensador de sintonización en un bucle pequeño, aunque la capacitancia incidental involucrada no es tan grande. [g]
Los bucles pequeños son "pequeños" en comparación con su longitud de onda operativa. A diferencia del patrón de las antenas de bucle grandes, la recepción y la intensidad de la radiación de los bucles pequeños alcanzan su punto máximo dentro del plano del bucle, en lugar de hacerlo de forma perpendicular a él. [3] : 235
Al igual que todas las antenas que son físicamente mucho más pequeñas que la longitud de onda operativa, las antenas de bucle pequeñas tienen una resistencia de radiación pequeña que se ve eclipsada por las pérdidas óhmicas , lo que da como resultado una eficiencia de antena deficiente . Por lo tanto, se utilizan principalmente como antenas receptoras en frecuencias más bajas (longitudes de onda de decenas a cientos de metros). Al igual que una antena dipolo corta , la resistencia de radiación es pequeña. La resistencia de radiación es proporcional al cuadrado del área:
donde A es el área encerrada por el bucle, λ es la longitud de onda y N es el número de vueltas del conductor alrededor del bucle.
Debido al exponente más alto que las antenas lineales (área del bucle al cuadrado ≈ perímetro a la 4.ª potencia, frente a longitud del dipolo y el monopolo al cuadrado = 2.ª potencia), la caída de R rad con un tamaño reducido es más extrema. [6] : 5‑11 La capacidad de aumentar la resistencia a la radiación R rad mediante el uso de múltiples vueltas es análoga a hacer un dipolo a partir de dos o más líneas paralelas para cada brazo del dipolo (" dipolo plegado ").
Los bucles pequeños tienen ventajas como antenas receptoras en frecuencias inferiores a 10 MHz. [7] Aunque las pérdidas de un bucle pequeño pueden ser altas, la misma pérdida se aplica tanto a la señal como al ruido, por lo que la relación señal-ruido de recepción de un bucle pequeño puede no sufrir en estas frecuencias más bajas, donde el ruido recibido está dominado por el ruido atmosférico y estático en lugar del ruido interno del receptor . La capacidad de rotar de manera más manejable una antena más pequeña puede ayudar a maximizar la señal y rechazar la interferencia. Se utilizan varias técnicas de construcción para garantizar que las direcciones nulas de los bucles receptores pequeños sean "nítidas", incluida la adición de blindaje roto de los brazos del bucle y el mantenimiento del perímetro alrededor de 1/ 10 longitud de onda (o 1 /4 onda como máximo). En cambio, los perímetros de los bucles de transmisión pequeños se hacen lo más grandes posible, hasta 1 /3 ola (o incluso 1 /2 si es posible), con el fin de aprovechar al máximo su eficiencia generalmente pobre, aunque al hacerlo se sacrifiquen nulos agudos.
La antena de bucle pequeño también se conoce como bucle magnético [ cita requerida ] ya que la respuesta de un bucle receptor eléctricamente pequeño es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través del bucle. [8] A frecuencias más altas (o longitudes de onda más cortas), cuando la antena ya no es eléctricamente pequeña, la distribución de corriente a través del bucle puede dejar de ser uniforme y la relación entre su respuesta y los campos incidentes se vuelve más complicada. [8] En el caso de la transmisión, los campos producidos por un bucle eléctricamente pequeño son los mismos que un "dipolo magnético infinitesimal" cuyo eje es perpendicular al plano del bucle. [3] : 235
Debido a su escasa resistencia a la radiación, las propiedades de los bucles pequeños tienden a optimizarse con mayor frecuencia que las de las antenas de tamaño completo, y las propiedades optimizadas para la transmisión no son exactamente las mismas que para la recepción. Con las antenas de tamaño completo, la reciprocidad entre la transmisión y la recepción generalmente hace que las distinciones no sean importantes, pero dado que algunas propiedades de RF importantes para la recepción difieren de las de la transmisión (en particular por debajo de los 10~20 MHz), los bucles pequeños destinados a la recepción tienen ligeras diferencias con los bucles pequeños de transmisión. Se analizan por separado en las dos subsecciones siguientes, aunque muchos de los comentarios se aplican a ambos.
Si el perímetro de una antena de bucle es mucho más pequeño que las longitudes de onda operativas previstas, digamos 1 /8 a 1/ 100 de una longitud de onda – entonces la antena se llama un pequeño bucle receptor , ya que las antenas de bucle tan pequeñas solo son prácticas para recibir. Varios factores de rendimiento, incluida la potencia recibida, escalan en proporción al área del bucle. Para un área de bucle dada, la longitud del conductor (y por lo tanto su resistencia de pérdida neta ) se minimiza si el perímetro es circular, lo que hace que un círculo sea la forma óptima para bucles pequeños. Los bucles receptores pequeños se utilizan típicamente por debajo de los 14 MHz donde domina el ruido atmosférico natural y creado por el hombre. Por lo tanto, la relación señal-ruido de la señal recibida no se verá afectada negativamente por una baja eficiencia siempre que el bucle no sea excesivamente pequeño.
Un diámetro típico de los bucles de recepción con "centros de aire" es de entre 30 y 100 cm (1 y 3,5 pies). Para aumentar el campo magnético en el bucle y, por lo tanto, su eficiencia, al mismo tiempo que se reduce en gran medida el tamaño, la bobina de cable a menudo se enrolla alrededor de un núcleo magnético de varilla de ferrita ; esto se llama antena de bucle de ferrita . Estas antenas de bucle de ferrita se utilizan en casi todos los receptores de transmisión AM con la notable excepción de las radios de automóviles , [ cita requerida ] ya que la antena para la banda AM debe estar fuera del chasis metálico obstructivo del automóvil.
Las antenas de bucle pequeñas también son populares para la radiogoniometría , en parte debido a su "nulo" extremadamente nítido y claro a lo largo del eje del bucle: cuando el eje del bucle apunta directamente al transmisor, la señal objetivo desaparece abruptamente. [9]
La resistencia de radiación R rad de un bucle pequeño es generalmente mucho menor que la resistencia de pérdida R ℓoss debido a los conductores que componen el bucle, lo que genera una baja eficiencia de la antena . [h] En consecuencia, la mayor parte de la potencia entregada a una antena de bucle pequeño se convertirá en calor por la resistencia de pérdida, en lugar de realizar un trabajo útil expulsando ondas de radio o recogiéndolas.
El desperdicio de energía es indeseable para una antena transmisora, sin embargo, para una antena receptora, la ineficiencia no es importante en frecuencias inferiores a unos 15 MHz. En estas frecuencias más bajas, el ruido atmosférico (estático) y el ruido artificial ( interferencia ) incluso una señal débil de una antena ineficiente es mucho más fuerte que el ruido térmico interno o el ruido de Johnson generado en los propios circuitos del receptor de radio, por lo que la señal débil de una antena de bucle se puede amplificar sin degradar la relación señal-ruido , ya que ambos se magnifican por el mismo factor de amplificación. [10]
Por ejemplo, a 1 MHz, el ruido artificial puede ser 55 dB superior al umbral de ruido térmico. Si la pérdida de una antena de bucle pequeña es de 50 dB (como si la antena incluyera un atenuador de 50 dB), la ineficiencia eléctrica de esa antena tendrá poca influencia en la relación señal-ruido del sistema receptor .
Por el contrario, en frecuencias más bajas, de alrededor de 20 MHz y superiores, una antena con una pérdida de 50 dB podría degradar la relación señal-ruido recibida hasta en 50 dB, lo que resulta en un rendimiento terrible.
Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia no hay necesidad de sufrir un mal rendimiento: en las frecuencias más altas y silenciosas, las longitudes de onda se vuelven lo suficientemente cortas como para que una antena de halo sea lo suficientemente pequeña como para ser factible: a 20 MHz tiene un poco menos de 8 pies (2,4 m) de diámetro y se encoge proporcionalmente a medida que aumenta la frecuencia. Por lo tanto, cuanto más silenciosa sea la frecuencia ascendente, más conveniente es reemplazar un pequeño bucle receptor con halos más grandes, pero aún relativamente compactos . Es principalmente un sustituto directo de un pequeño bucle receptor, pero con una recepción de señal superior. [i]
Sorprendentemente, el patrón de radiación y recepción de un bucle pequeño es perpendicular al de un bucle autorresonante grande (cuyo perímetro es cercano a una longitud de onda). Dado que el bucle es mucho más pequeño que una longitud de onda, la corriente en cualquier momento es casi constante alrededor de la circunferencia. Por simetría, se puede ver que los voltajes inducidos en los devanados del bucle en lados opuestos del bucle se cancelarán entre sí cuando llegue una señal perpendicular al eje del bucle. Por lo tanto, hay un nulo en esa dirección. [11] En cambio, el patrón de radiación alcanza su pico en direcciones que se encuentran en el plano del bucle, porque las señales recibidas de fuentes en ese plano no se cancelan del todo debido a la diferencia de fase entre la llegada de la onda al lado cercano y al lado lejano del bucle. Aumentar esa diferencia de fase aumentando el tamaño del bucle provoca un aumento desproporcionadamente grande en la resistencia de radiación y la eficiencia de la antena resultante .
Otra forma de considerar un pequeño bucle como una antena es considerarlo simplemente como una bobina inductiva acoplada al campo magnético en la dirección perpendicular al plano de la bobina, de acuerdo con la ley de Ampère . Luego, considere una onda de radio que se propaga también perpendicular a ese plano. Dado que los campos magnéticos (y eléctricos) de una onda electromagnética en el espacio libre son transversales (sin componente en la dirección de propagación), se puede ver que este campo magnético y el de una antena de bucle pequeño estarán en ángulos rectos y, por lo tanto, no estarán acoplados. Por la misma razón, una onda electromagnética que se propaga dentro del plano del bucle, con su campo magnético perpendicular a ese plano, está acoplada al campo magnético de la bobina. Dado que los campos magnéticos y eléctricos transversales de una onda electromagnética que se propaga están en ángulos rectos, el campo eléctrico de dicha onda también está en el plano del bucle y, por lo tanto, se dice que la polarización de la antena (que siempre se especifica como la orientación del campo eléctrico, no del campo magnético) está en ese plano.
Por lo tanto, montar el bucle en un plano horizontal producirá una antena omnidireccional que está polarizada horizontalmente; montar el bucle verticalmente produce una antena polarizada verticalmente, débilmente direccional, pero con nulos excepcionalmente agudos a lo largo del eje del bucle. [j] Criterios de tamaño que favorecen los bucles con un perímetro de 1 /4 Las ondas de longitud de onda o más pequeñas garantizan la nitidez del nulo de recepción del bucle. Los bucles pequeños destinados a transmitir (ver a continuación) se diseñan lo más grandes posible para mejorar la resistencia de radiación marginal, sacrificando el nulo agudo mediante el uso de perímetros tan grandes como 1 /3~ 1 /2 ola .
Dado que una antena de bucle pequeña es esencialmente una bobina, su impedancia eléctrica es inductiva, con una reactancia inductiva mucho mayor que su resistencia a la radiación. Para acoplarla a un transmisor o receptor, la reactancia inductiva normalmente se cancela con una capacitancia paralela. [k] Dado que una buena antena de bucle tendrá un factor Q alto (ancho de banda estrecho), el capacitor debe ser variable y se ajusta para que coincida con la sintonización del receptor.
Las antenas receptoras de bucle pequeño casi siempre se hacen resonar mediante un condensador de placas paralelas, lo que hace que su recepción sea de banda estrecha y sensible solo a una frecuencia muy específica. Esto permite que la antena, junto con un condensador de sintonización (variable), actúe como una etapa de entrada sintonizada para el extremo frontal del receptor, en lugar de un preselector .
Siempre que el perímetro del bucle se mantenga por debajo de aproximadamente 1 /4 onda, la respuesta direccional de las antenas de bucle pequeñas incluye un nulo agudo en la dirección normal al plano del bucle, por lo que los bucles pequeños se prefieren como antenas de radiogoniometría compactas para longitudes de onda largas.
El procedimiento consiste en girar la antena de bucle para encontrar la dirección en la que desaparece la señal (la dirección “nula”) . Dado que la anulación se produce en dos direcciones opuestas a lo largo del eje del bucle, se deben emplear otros medios para determinar en qué lado de la antena se encuentra la señal “nula” . Un método consiste en confiar en una segunda antena de bucle ubicada en una segunda ubicación, o en mover el receptor a esa otra ubicación, confiando así en la triangulación .
En lugar de la triangulación, se puede combinar eléctricamente una segunda antena dipolo o vertical con una antena de bucle o de lazo. La conexión y adaptación de la segunda antena, denominada antena sensora , cambia el patrón de radiación combinado a cardioide , con un nulo en una sola dirección (menos precisa). La dirección general del transmisor se puede determinar utilizando la antena sensora y, luego, al desconectar la antena sensora, se devuelven los nulos agudos en el patrón de la antena de bucle, lo que permite determinar un rumbo preciso.
Las antenas de bucle pequeñas tienen pérdidas y son ineficientes para transmitir, pero pueden ser antenas receptoras prácticas en la banda de transmisión de onda media (520–1710 kHz) e inferiores, donde las antenas de tamaño de longitud de onda son inviablemente grandes y la ineficiencia de la antena es irrelevante debido a las grandes cantidades de ruido atmosférico .
Los receptores de radiodifusión AM (y otras radios de baja frecuencia para el mercado de consumo) suelen utilizar pequeñas antenas de bucle, aunque se puede conectar una antena telescópica para la recepción de FM. [12] Un condensador variable conectado a través del bucle forma un circuito resonante que también sintoniza la etapa de entrada del receptor, ya que ese condensador sigue la sintonización principal. Un receptor multibanda puede contener puntos de derivación a lo largo del devanado del bucle para sintonizar la antena de bucle en frecuencias muy diferentes.
En las radios AM construidas antes de la invención de la ferrita a mediados del siglo XX, la antena podía constar de docenas de vueltas de cable montadas en la pared trasera de la radio (una antena helicoidal plana ) o en un estante separado, giratorio y del tamaño de un mueble, rodeado de cable (una antena de marco) .
Las antenas de bucle de ferrita se fabrican enrollando un alambre fino alrededor de una varilla de ferrita . Se utilizan casi universalmente en receptores de transmisión AM. [12] (p 23) [d] Otros nombres para este tipo de antena son antena de bucle , antena de varilla de ferrita o antena, ferroceptor o antena ferrod . A menudo, en frecuencias de onda media y onda corta más bajas , se utiliza alambre Litz para el bobinado para reducir las pérdidas por efecto pelicular . Se utilizan patrones elaborados de "tejido de canasta" en todas las frecuencias para reducir la capacitancia entre devanados en la bobina, asegurando que la auto-resonancia del bucle esté muy por encima de la frecuencia de operación, de modo que actúe como un inductor eléctrico que puede resonar con un condensador de sintonización, y con una consecuente mejora del factor Q del bucle .
La inclusión de un núcleo permeable magnéticamente aumenta la resistencia a la radiación de un pequeño bucle, [1] mitigando la ineficiencia debido a las pérdidas óhmicas. Como todas las antenas pequeñas, estas antenas son diminutas en comparación con su área efectiva . Una antena de bucle de radiodifusión AM típica enrollada en ferrita puede tener un área de sección transversal de solo 1 cm2 ( 0,16 pulgadas cuadradas) a una frecuencia en la que una antena ideal (sin pérdidas) tendría un área efectiva unos cientos de millones de veces mayor. Incluso teniendo en cuenta las pérdidas resistivas en una antena de varilla de ferrita, su área de recepción efectiva puede superar el área física del bucle en un factor de 100. [13]
Los bucles de transmisión pequeños son “pequeños” en comparación con una longitud de onda completa, pero considerablemente más grandes que un bucle “pequeño” de solo recepción. Se utilizan normalmente en frecuencias entre 14 y 30 MHz. A diferencia de los bucles de recepción, los tamaños de los bucles de transmisión pequeños deben aumentarse para longitudes de onda más largas, a fin de evitar que la resistencia a la radiación caiga a niveles inutilizablemente bajos; sus tamaños más grandes difuminan o borran los nulos especialmente nítidos que proporcionan los bucles de recepción pequeños.
Un bucle de transmisión generalmente consta de una sola vuelta de conductor de gran diámetro; suelen ser redondos u octogonales para proporcionar el área máxima encerrada para un perímetro determinado, maximizando así la resistencia a la radiación . Los bucles más pequeños son mucho menos eficientes que el extraordinario rendimiento de los bucles autorresonantes de tamaño completo, [14] o la eficiencia moderada de los monopolos , dipolos y halos , pero donde no hay espacio disponible para un bucle de onda completa o un dipolo de media onda , los bucles pequeños pueden proporcionar comunicaciones adecuadas con una eficiencia baja, pero tolerable. [15] [16]
Una pequeña antena de bucle de transmisión con un perímetro de 10% o menos de la longitud de onda tendrá una distribución de corriente relativamente constante a lo largo del conductor, [1] y el lóbulo principal estará en el plano del bucle, por lo que mostrará el nulo fuerte familiar en el patrón de radiación de pequeños bucles de recepción. Los bucles de cualquier tamaño entre el 10% y el 30% de una longitud de onda en perímetro, hasta casi exactamente el 50% en circunferencia , se pueden construir y sintonizar con un condensador en serie para resonancia, pero su corriente no uniforme reducirá o eliminará el nulo del patrón de los bucles pequeños. Se requiere un condensador para una circunferencia menor a media onda, un inductor para bucles de más de media onda y menos de una onda completa.
Los bucles en el rango de tamaño de los bucles de transmisión pequeños pueden no tener la corriente uniforme de los bucles muy pequeños ni la corriente sinusoidal de los bucles grandes y, por lo tanto, no se pueden analizar utilizando los supuestos útiles para los bucles de recepción pequeños ni las antenas de bucle de onda completa. El rendimiento se determina de manera más conveniente utilizando el análisis NEC . Las antenas dentro de este rango de tamaño incluyen el halo (ver arriba) y el bucle G0CWT (Edginton). Para abreviar, los artículos introductorios sobre antenas de bucle pequeñas a veces limitan la discusión a bucles de circunferencia más pequeña que 1/ 10 longitud de onda , ya que para bucles con circunferencias mayores que1/ 10 Lasuposición simplificadora de una corriente uniforme alrededor de todo el bucle se vuelve insosteniblemente inexacta. Dado que el halo más grande también tiene un análisis simple, las antenas de bucle pequeñas de tamaño moderado y su análisis complicado a menudo se omiten, dejando a muchos constructores de antenas bien informados en la oscuridad con respecto al rendimiento que se puede obtener con bucles moderadamente pequeños.
Los pequeños bucles alineados verticalmente se utilizan en la radio móvil terrestre militar , en frecuencias entre 3 y 7 MHz, debido a su capacidad de dirigir la energía hacia arriba, a diferencia de una antena de látigo convencional . Esto permite la comunicación por ondas ionosféricas de incidencia casi vertical (NVIS) hasta 300 km (190 millas) en regiones montañosas. Para NVIS, una eficiencia de radiación típica de alrededor del 1% es aceptable, porque las rutas de señal se pueden establecer con 1 W de potencia radiada o menos, lo que es factible cuando se utiliza un transmisor de 100 W.
En el ámbito militar, la antena puede construirse con uno o dos conductores de 2,5 a 5 cm (1 a 2 pulgadas) de diámetro. El bucle en sí suele tener un diámetro de 1,8 m (6 pies).
Un problema práctico con los bucles pequeños como antenas de transmisión es que un bucle de transmisión pequeño no solo tendrá una corriente muy grande que lo atravesará, sino que también tendrá un voltaje muy alto a través del capacitor (normalmente miles de voltios ), incluso cuando se alimenta con solo unos pocos vatios de potencia de transmisión. Cuanto más pequeño sea el bucle (en longitudes de onda), mayor será el voltaje. Esto requiere un capacitor resonante bastante caro y físicamente grande con un gran voltaje de ruptura , además de tener una pérdida dieléctrica mínima (normalmente requiere un capacitor de entrehierro o incluso un capacitor variable de vacío ).
Si se aumenta el diámetro del bucle, se reducirá el voltaje de separación y se mejorará la eficiencia; sin embargo, todas las demás mejoras de eficiencia tenderán a aumentar el voltaje de separación: la eficiencia se puede aumentar haciendo el bucle con un conductor más grueso; otras medidas para reducir la resistencia de pérdida del conductor incluyen soldar o soldar con soldadura fuerte las conexiones, en lugar de soldar con soldadura blanda. Pero como la reducción de la resistencia de pérdida aumenta la Q de la antena, la consecuencia de una mejor eficiencia es un voltaje aún mayor a través del capacitor en la separación del bucle. Para una frecuencia dada, un bucle pequeño más pequeño es más peligroso que un bucle pequeño más grande y, perversamente, un bucle de transmisión pequeño comparativamente eficiente es más peligroso que uno ineficiente.
Los problemas de quemaduras y descargas de RF que plantea la carga capacitiva de pequeños bucles son más graves que los de la carga inductiva de látigos cortos o antenas dipolo . [l] El alto voltaje de la antena generalmente es problemático solo en el extremo superior de la bobina de carga de un látigo, ya que se distribuye a lo largo de la longitud extendida de la bobina, mientras que los altos voltajes en las placas del condensador de un bucle están (idealmente) al máximo en todas las superficies de la placa. Además, las puntas de alto voltaje de los monopolos y dipolos generalmente se montan en lo alto y fuera del alcance, lo que limita las oportunidades de quemaduras por radiofrecuencia. Por el contrario, las antenas de bucle pequeñas / "magnéticas" toleran mejor ser montadas cerca del suelo [m], por lo que todas las partes de las antenas de bucle, incluidas las partes de alto voltaje, suelen estar al alcance.
En resumen: los altos voltajes de Q alto representan una amenaza mayor en bucles pequeños que en la mayoría de las otras antenas pequeñas y exigen mayor precaución, incluso para potencias de transmisión muy bajas.
Además de otras técnicas comunes de adaptación de impedancia , como la adaptación gamma, a veces se adapta la impedancia de los bucles pequeños de recepción y transmisión conectando la línea de alimentación a un bucle de alimentación aún más pequeño dentro del área rodeada por el bucle principal. Aunque puede/debería seguir estando conectado a través del sistema de tierra, esto deja al bucle principal sin otra conexión de CC al transmisor. [16] El bucle de alimentación y el bucle principal son efectivamente las bobinas primaria y secundaria de un transformador , con energía en el campo cercano acoplada inductivamente desde el bucle de alimentación al bucle principal, que a su vez está conectado al condensador resonante e irradia la mayor parte de la potencia de la señal.
Si tanto el bucle principal como el de alimentación son de una sola vuelta, la relación de transformación de impedancia de los bucles anidados es casi exactamente la relación de las áreas de los dos bucles por separado, o el cuadrado de la relación de sus diámetros (suponiendo que tienen la misma forma). Los bucles de alimentación típicos son 1 /8 a 1 /5 el tamaño del bucle principal de la antena, que da relaciones de transformación de 64:1 a 25:1, respectivamente. Ajustar la proximidad y el ángulo del bucle de alimentación con respecto al bucle principal y distorsionar la forma del alimentador, ambos producen cambios pequeños a moderados en la relación de transformación y permiten un ajuste fino de la impedancia del punto de alimentación. Para bucles principales con múltiples vueltas, más utilizados para frecuencias de onda media , el bucle de alimentación puede ser de una o dos vueltas en el mismo marco que las vueltas del bucle principal, en cuyo caso la relación de transformación de impedancia es casi el cuadrado de la relación del número de vueltas en cada bucle.
Algunas de las llamadas "antenas" se parecen mucho a las antenas de bucle genuinas , pero están diseñadas para acoplarse al campo cercano inductivo, a distancias de 1 a 2 metros (3 a 7 pies), en lugar de transmitir o recibir ondas electromagnéticas de larga distancia en el campo lejano radiativo . Debido a esta diferencia, las "antenas" de campo cercano no son antenas de radio en absoluto (cuando funcionan correctamente para el propósito para el que están diseñadas).
Asimismo, las bobinas de acoplamiento utilizadas para sistemas de carga inductiva , independientemente de que se utilicen en frecuencias de radio bajas o altas , quedan excluidas de este artículo, ya que no son (o idealmente, no deberían ser) antenas de radio .
Los sistemas de calefacción por inducción , las cocinas de inducción y las etiquetas y lectores RFID interactúan mediante inducción magnética de campo cercano en lugar de ondas transmitidas por campo lejano . Por lo tanto, estrictamente hablando, no son antenas de radio.
Aunque no son antenas de radio, estos sistemas funcionan en frecuencias de radio e implican el uso de pequeñas bobinas magnéticas, que en el sector se denominan "antenas". Sin embargo, es más útil considerarlas como análogas a los devanados de los transformadores acoplados de forma flexible . Aunque las bobinas magnéticas de estos sistemas inductivos a veces parecen indistinguibles de las pequeñas antenas de bucle analizadas anteriormente, dichos dispositivos solo pueden funcionar en distancias cortas y están diseñados específicamente para evitar la transmisión o recepción de ondas de radio . Debido a que los sistemas de calentamiento inductivo y los lectores RFID solo utilizan campos magnéticos alternos de campo cercano , sus criterios de rendimiento son diferentes a los de las antenas de radio de campo lejano analizadas en este artículo.
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