Una antena monopolar es una clase de antena de radio que consiste en 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 accionamiento del transmisor se aplica, o para las 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 a menudo es la Tierra. Esto contrasta con una antena dipolo que consta de dos conductores de varilla idénticos, 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. La longitud de la antena, por lo tanto, se determina en función de la longitud de onda de las ondas de radio deseadas. La forma más común es el monopolo de 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, se utilizan longitudes iguales a5/8Las longitudes de onda también son populares porque en un monopolo esta longitud maximiza la potencia radiada perpendicularmente 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 esta razón a veces se la llama antena Marconi . [4] [5] [6]
La impedancia de carga del monopolo de cuarto de onda es la mitad de la de la antena dipolo o 37,5 ohmios .
Los tipos más comunes de antena monopolo son
La antena monopolar 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 dipolares inventadas por Heinrich Hertz que consistían en dos cables horizontales idénticos terminados en placas de metal. Descubrió experimentalmente que si en lugar del dipolo, un lado del transmisor y el receptor se conectaba a un cable suspendido en lo alto y el otro lado se conectaba a la Tierra, podría 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 la misma 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 de media onda verticales 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 en la tierra, y el patrón de radiación con la elevación difiere inherentemente.
Se puede visualizar ( derecha ) la formación de un monopolo al reemplazar la mitad inferior de una antena dipolar vertical (c) por 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, que se suma a la radiación directa para formar un patrón de radiación dipolar. Por lo tanto, el patrón de un monopolo con un plano de tierra infinito y perfectamente conductor es idéntico a la mitad superior de un patrón dipolar.
Hasta una longitud de media longitud de onda ( ), la antena tiene un solo lóbulo con máxima ganancia en direcciones horizontales, perpendiculares al eje de la antena. Por debajo de la resonancia de un cuarto de longitud de onda ( ), el patrón de radiación es casi constante con la longitud. Por encima de ( ), el lóbulo se aplana, irradiando más potencia en direcciones horizontales.
Por encima de la mitad de la longitud de onda, el patrón se divide en un lóbulo principal horizontal y un segundo lóbulo cónico pequeño en un ángulo de 60° de elevación 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 típico, para un monopolo infinitamente delgado el máximo ocurre en ). El máximo ocurre en esta longitud porque la radiación de fase opuesta de los dos lóbulos interfiere destructivamente y se cancela en ángulos altos, "comprimiendo" más energía en el lóbulo horizontal.
El lóbulo ligeramente superior al 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 lo tanto, reduce la ganancia. Debido a esto, no muchas antenas utilizan longitudes superiores a 0,625 ondas . 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 conexiones a 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 de tierra típicos es de alrededor de 2 a 3 dBi.
Debido a que irradia solo en el espacio sobre el plano de tierra, o la mitad del espacio de una antena dipolo, una antena monopolar 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 de radiación la mitad de la de un dipolo. Dado que un dipolo de media onda tiene una ganancia de 2,19 dBi y una resistencia de radiación de 73 ohmios, un cuarto de onda ( 1/ 4 λ ) monopolo tendrá una ganancia de 2,19 + 3,0 = 5,2 dBi y una resistencia de 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 reactancia capacitiva por debajo de 1/ 4 λ y reactancia inductiva de 1/ 4 a 1/ 2 λ .
Las ganancias que se indican en esta sección solo se consiguen si la antena está montada 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 la mitad inferior del espacio, donde se disipará en el suelo. De manera similar, sobre una tierra resistiva, la ganancia será menor debido a la potencia absorbida en la tierra.
A medida que aumenta la longitud hasta aproximarse a la mitad de la longitud de onda ( 1/ 2 λ ) – la siguiente longitud resonante – la ganancia aumenta un poco, a 6,0 dBi . Dado que en esta longitud la antena tiene un nodo de corriente en su punto de alimentación , la impedancia de entrada es muy alta. Una antena hipotética infinitesimalmente delgada tendría una impedancia infinita, pero para el espesor finito de monopolos típicos es de alrededor de 800–2000 ohmios; alta, pero manejable alimentando a través de un transformador elevador sustancial.
La ganancia horizontal continúa aumentando hasta un máximo de aproximadamente 6,6 dBi en una longitud de onda de cinco octavos . 5/ 8 λ, por lo que esta es una longitud popular para antenas de ondas terrestres y antenas de comunicación terrestre, para frecuencias en las que es posible un tamaño de antena más grande. La impedancia de entrada cae a aproximadamente 40 ohmios en esa longitud. La reactancia de la antena es capacitiva desde 1/ 2 a 3/ 4 λ . Sin embargo, por encima de 5/ 8 λ la ganancia horizontal cae rápidamente porque progresivamente se irradia más potencia en ángulos de elevación altos en el segundo lóbulo.
En el caso de las antenas monopolares que funcionan a frecuencias más bajas, por debajo de los 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 toma de tierra en la base de la antena. En las antenas de transmisión, para reducir la resistencia de tierra, a menudo se trata de 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 de transmisión con radiador de mástil empleadas para la transmisión de radio en las bandas de MF y LF . A frecuencias más bajas, el mástil de la antena es eléctricamente corto , lo que le da una resistencia de radiación muy pequeña , por lo que para aumentar la eficiencia y la potencia radiada se utilizan monopolos con carga superior capacitiva, como la antena en 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 por encima del suelo. [14] Un tipo común de antena monopolar en estas frecuencias para montaje en mástiles o estructuras consiste en una antena de látigo de cuarto de onda con un plano de tierra que consta de 3 o 4 cables o varillas de un cuarto de onda de longitud que irradian horizontal o diagonalmente desde su base conectada 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 la carrocería de un avión constituye un buen plano de tierra, por lo que las antenas de teléfonos móviles 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 que sobresale del fuselaje; esto se llama antena de cuchilla . [13]
Las antenas de látigo de cuarto de onda y las antenas tipo patito de goma que se utilizan con radios portátiles, como walkie-talkies y radios FM portátiles , también son antenas monopolares. 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 de 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 un monopolo. La mano y el cuerpo de la persona que las sostiene pueden funcionar como un plano de tierra rudimentario.
Los dispositivos inalámbricos y los teléfonos celulares utilizan una variante monopolar llamada antena F invertida . [15] El elemento monopolar se dobla en paralelo al área de tierra en la placa de circuito , por lo que puede encerrarse en la caja del dispositivo; generalmente, la antena se fabrica con una lámina de cobre en la propia placa de circuito impreso . [15] [16] Esta geometría le daría a la antena una impedancia muy baja si se accionara 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 en cambio a un punto intermedio a lo largo del elemento y el extremo del elemento se conecta a tierra.
