Una antena de cuadro es una antena de radio que consiste en un bucle o bobina de alambre, tubo u otro conductor eléctrico , que para transmitir generalmente se alimenta de una fuente de energía balanceada o para recibir alimenta una carga balanceada. Dentro de esta descripción física existen dos (posiblemente tres) tipos distintos:
Para la descripción de bucles grandes en esta sección, se supone que la frecuencia operativa de la radio está sintonizada con la primera resonancia de la antena de bucle. A esa frecuencia, una longitud de onda completa en el espacio libre es ligeramente más pequeña que el perímetro del bucle, que es lo más pequeño que puede ser un bucle "grande". [2]
Las antenas de bucle autorresonantes para las llamadas frecuencias de onda "corta" son relativamente grandes, con un perímetro ligeramente mayor que la longitud de onda de funcionamiento prevista, por lo que para bucles circulares los diámetros oscilan entre aproximadamente 175 pies (53 m) como máximo y 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 cuadro grandes 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 la 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 de poco más de una longitud de onda. La forma más popular en la radioafición es la antena cuádruple o "quad", un bucle autorresonante en forma cuadrada que puede construirse con alambre tendido a través de un marco de soporte en forma de ' × '. Puede haber uno o más bucles adicionales apilados paralelos al primero como director 'parásito' y/o elemento(s) reflector(es) , creando un conjunto de antenas que es unidireccional con ganancia que aumenta con cada elemento parásito adicional. Este diseño también se puede girar 45 grados hasta formar un diamante sostenido sobre un marco con forma de ' + '. Los bucles triangulares (' △ ') también se han utilizado para bucles verticales, ya que pueden sostenerse desde un solo mástil. [2] Un rectángulo dos veces más alto que su ancho obtiene una ganancia ligeramente mayor y también iguala 50 Ω directamente si se usa 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 por 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 un lado lo polarizará verticalmente.
El patrón de radiación de una antena de cuadro 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 resonancia, la radiación perpendicular se desvanece y surgen fuertes lóbulos 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 "acostado en plano", con el plano del bucle horizontal al suelo y el cable de la 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 regional NVIS , pero desafortunadamente no es generalmente útil para establecer contactos a escala continental.
Por encima de unos 10 MHz, el bucle tiene aproximadamente 10 metros de diámetro, y resulta más práctico montar el bucle "de pie", es decir, con el plano del bucle vertical, para dirigir su haz principal hacia el horizonte. Si la frecuencia es lo suficientemente alta, el bucle podría ser lo suficientemente pequeño como para conectarlo a un rotador de antena , a fin de girar en esa dirección como se desee. En comparación con un dipolo o un dipolo plegado, un bucle vertical grande desperdicia menos energía irradiando hacia el cielo o el suelo, lo que resulta en aproximadamente 1,5 dB más de ganancia en las dos direcciones horizontales preferidas.
Generalmente se obtiene una ganancia adicional (y un patrón de radiación unidireccional ) con una serie de elementos tales como un conjunto de endfire impulsado o en una configuración Yagi , donde solo uno de los bucles es impulsado por la línea de alimentación y todos los bucles restantes son " reflectores y directores "parásitos" . Este último se usa ampliamente en radioaficionados en la configuración "quad" (ver foto).
A veces se utilizan bucles de una longitud de onda de baja frecuencia "acostados" para la comunicación NVIS local . A esto a veces se le llama quad perezoso . Su patrón de radiación consta de un solo lóbulo 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 requerirá 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 con respecto al horizonte, lo que supone una mejora para las comunicaciones de larga distancia para frecuencias muy por encima del segundo armónico del bucle.
Una antena de halo a menudo se describe como una antena dipolo de media onda que se ha doblado formando un círculo. Aunque podría clasificarse como un dipolo curvado, tiene un patrón de radiación omnidireccional casi igual al de un bucle pequeño. El halo es más eficiente que un bucle pequeño, ya que es una antena más grande en1/ 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 coincidencia de impedancia con el 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 tanto cuidado para evitar pérdidas por Conductores mediocres y resistencia de contacto. [4]
En1/ 2 onda, la antena de halo está cerca o en el límite extremo 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 usarse efectivamente como antena móvil.
El patrón de radiación horizontal de un halo horizontal es casi omnidireccional (dentro de 3 dB o menos) y eso se puede igualar haciendo el bucle un poco más pequeño y agregando más capacitancia entre las puntas del elemento. Esto no sólo igualará la ganancia, sino que también reducirá la radiación hacia arriba, que en VHF normalmente se desperdicia: se irradia hacia el 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 superficialmente diferente, la antena de halo puede analizarse convenientemente como un dipolo (que también tiene una parte radiante de media onda con alto voltaje y corriente cero en sus extremos) que ha sido doblado en un círculo. El simple uso de resultados dipolo simplifica enormemente los cálculos y para la mayoría de las propiedades son las mismas que las de un halo. El rendimiento de Halo también se puede modelar con técnicas utilizadas para bucles de transmisión "pequeños" similares y de tamaño moderado, pero para abreviar, ese análisis complicado a menudo se omite en los artículos introductorios sobre antenas de bucle.
Algunos escritores consideran erróneamente que el espacio en el bucle de la antena de halo la distingue de una antena de bucle pequeña, ya que no hay conexión de CC entre los dos extremos. Pero esa distinción se pierde en RF ; los extremos de alto voltaje muy doblados están acoplados capacitivamente y la corriente de RF cruza el espacio como corriente de desplazamiento . La brecha en el halo es eléctricamente equivalente al capacitor de sintonización en un bucle pequeño, aunque la capacitancia incidental involucrada no es tan grande. [gramo]
Los bucles pequeños son "pequeños" en comparación con su longitud de onda operativa. Contrariamente al patrón de las antenas de bucle grandes, la intensidad de recepción y radiación de los bucles pequeños alcanza su punto máximo dentro del plano del bucle, en lugar de hacerlo en un costado (perpendicular). [3] : 235
Como ocurre con todas las antenas que son físicamente mucho más pequeñas que la longitud de onda operativa, las antenas de bucle pequeñas tienen una pequeña resistencia a la radiación que se ve eclipsada por las pérdidas óhmicas , lo que resulta en una eficiencia deficiente de la antena . Por ello se utilizan principalmente como antenas receptoras en frecuencias más bajas (longitudes de onda de decenas a cientos de metros). Como una antena dipolo corta , la resistencia a la radiación es pequeña. La resistencia a la 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 cuarta potencia, frente a longitud de dipolo y monopolo al cuadrado = segunda potencia), la caída en R rad con 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 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 verse afectada en estas frecuencias más bajas, donde domina el ruido recibido. por ruido atmosférico y estático en lugar de 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 mantener el perímetro alrededor.1/ 10 longitud de onda (o 1 /4 onda como máximo). En cambio, los perímetros de los pequeños bucles de transmisión se hacen lo más grandes posible, hasta 1 /3 ola (o incluso 1 /2si es posible), para aprovechar al máximo su generalmente pobre eficiencia, aunque hacerlo sacrifica fuertes nulos.
La antena de bucle pequeño también se conoce como bucle magnético [ cita necesaria ] 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] En 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 ya no 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 los de 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 más a menudo que las antenas de tamaño completo, y las propiedades optimizadas para transmitir no son exactamente las mismas que para recibir. Con antenas de tamaño completo, la reciprocidad entre transmisión y 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 (particularmente por debajo de aproximadamente 10 ~ 20 MHz), los bucles pequeños destinados a la recepción tienen ligeras diferencias con los de la transmisión. pequeños bucles de transmisión. Se analizan por separado en las dos subsecciones siguientes, aunque muchos de los comentarios se aplican a ambas.
Si el perímetro de una antena de cuadro es mucho más pequeño que las longitudes de onda operativas previstas, digamos 1 /8a1/ 100 de una longitud de onda, entonces la antena se llama antena de bucle pequeño , y bucles tan pequeños casi siempre solo se usan para recibir. Varios factores de rendimiento, incluida la potencia recibida, aumentan en proporción al área del bucle. Para un área de bucle determinada, la longitud del conductor (y por lo tanto su resistencia a la pérdida neta ) se minimiza si el perímetro es circular, lo que hace que un círculo sea la forma óptima para bucles pequeños. Normalmente se utilizan pequeños bucles de recepción por debajo de 3 MHz, donde domina el ruido atmosférico natural y provocado por el hombre. Por 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 bucles receptores 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 tanto, su eficiencia, al tiempo que se reduce considerablemente el tamaño, la bobina de alambre suele enrollarse 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 de AM con la notable excepción de las radios de los automóviles , [ cita requerida ] ya que la antena de la banda AM debe estar fuera del chasis metálico que obstruye el automóvil.
Las antenas de bucle pequeñas también son populares para 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 a la radiación R rad de un bucle pequeño es generalmente mucho menor que la resistencia a la pérdida R ℓoss debido a los conductores que componen el bucle, lo que lleva a una eficiencia deficiente de la antena . [h] En consecuencia, la mayor parte de la potencia entregada a una pequeña antena de cuadro se convertirá en calor debido a la pérdida de resistencia, en lugar de realizar un trabajo útil.
El desperdicio de energía no es deseable para una antena transmisora; sin embargo, para una antena receptora, la ineficiencia no es importante en frecuencias inferiores a aproximadamente 15 MHz. En estas frecuencias más bajas, el ruido atmosférico (estático) y el ruido artificial ( interferencia de radiofrecuencia ). Incluso una señal débil de una antena ineficiente es mucho más fuerte que el ruido térmico interno o el ruido Johnson generado en los propios circuitos del receptor de radio, por lo que la señal débil desde una antena de cuadro se puede amplificar sin degradar la relación señal-ruido . [10]
Por ejemplo, a 1 MHz el ruido provocado por el hombre podría estar 55 dB por encima del ruido mínimo térmico. Si la pérdida de una antena de cuadro 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 silenciosas de aproximadamente 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 daría como resultado un rendimiento terrible.
Sorprendentemente, el patrón de radiación y recepción de un bucle pequeño es perpendicular al de un bucle grande autorresonante (cuyo perímetro está cerca de una longitud de onda). Como 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 tanto, hay un nulo en esa dirección. [11] En cambio, el patrón de radiación alcanza su punto máximo 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. el lazo. Aumentar esa diferencia de fase aumentando el tamaño del bucle provoca un aumento desproporcionadamente grande en la resistencia a la radiación y la eficiencia de la antena resultante .
Otra forma de ver un pequeño bucle como antena es considerarlo simplemente como una bobina inductiva que se acopla al campo magnético en la dirección perpendicular al plano de la bobina, según 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 pequeña antena de cuadro estarán en ángulo recto y, por tanto, no acoplado. Por la misma razón, una onda electromagnética que se propaga dentro del plano de la espira, con su campo magnético perpendicular a ese plano, está acoplada al campo magnético de la bobina. Dado que los campos magnético y eléctrico transversales de una onda electromagnética que se propaga forman ángulos rectos, el campo eléctrico de dicha onda también está en el plano del bucle y, por tanto, la polarización de la antena (que siempre se especifica como la orientación de la onda eléctrica) , no el campo magnético) se dice que está en ese plano.
Así, montar el bucle en un plano horizontal producirá una antena omnidireccional polarizada horizontalmente; Montar el bucle verticalmente produce una antena débilmente direccional, polarizada verticalmente, pero con nulos excepcionalmente nítidos a lo largo del eje del bucle. [i] Criterios de tamaño que favorecen los bucles con un perímetro de 1 /4 onda o más pequeña aseguran la nitidez de la recepción nula del bucle. Los bucles pequeños destinados a transmitir (ver más abajo) se diseñan lo más grandes posible para mejorar la resistencia marginal a la radiación, sacrificando el nulo agudo mediante el uso de perímetros tan grandes como 1 /3~ 1 /2 ola .
Dado que una antena de cuadro pequeño es esencialmente una bobina, su impedancia eléctrica es inductiva, con una reactancia inductiva mucho mayor que su resistencia a la radiación. Para acoplarse a un transmisor o receptor, la reactancia inductiva normalmente se cancela con una capacitancia en paralelo. [j] Dado que una buena antena de cuadro tendrá un factor Q alto (ancho de banda estrecho), el condensador debe ser variable y ajustarse para que coincida con la sintonización del receptor.
Las antenas receptoras de bucle pequeño casi siempre hacen resonar utilizando un condensador de placas paralelas, lo que hace que su recepción sea de banda estrecha, sensible sólo 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 .
Mientras 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 se prefieren los bucles pequeños como antenas radiogoniométricas compactas para longitudes de onda largas.
El procedimiento consiste en girar la antena de cuadro para encontrar la dirección en la que la señal desaparece: la dirección "nula" . Dado que la nulidad ocurre en dos direcciones opuestas a lo largo del eje del bucle, se deben emplear otros medios para determinar en qué lado de la antena está la señal "anulada" . Un método consiste en confiar en una segunda antena de cuadro ubicada en una segunda ubicación, o mover el receptor a esa otra ubicación, confiando así en la triangulación .
En lugar de triangulación, se puede combinar eléctricamente una segunda antena dipolo o vertical con una antena de bucle o de varilla. Llamada antena sensora , conectar y combinar la segunda antena cambia el patrón de radiación combinado a un cardioide , con un nulo en una sola dirección (menos precisa). La dirección general del transmisor se puede determinar utilizando la antena de detección y luego, al desconectar la antena de detección, se devuelven los nulos agudos en el patrón de la antena de cuadro, lo que permite determinar un rumbo preciso.
Las antenas de cuadro pequeñas generan pérdidas y son ineficientes para transmitir, pero pueden ser antenas receptoras prácticas en la banda de transmisión de onda media (520-1710 kHz) e inferior, donde las antenas del tamaño de longitudes de onda son inviablemente grandes y la ineficiencia de la antena es irrelevante, debido a grandes cantidades de ruido atmosférico .
Los receptores de transmisión AM (y otras radios de baja frecuencia para el mercado de consumo) generalmente usan antenas de cuadro pequeñas, incluso cuando 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 a medida que ese condensador rastrea 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 consistir en docenas de vueltas de cable montadas en la pared trasera de la radio (una antena helicoidal plana ) o una antena separada, giratoria y del tamaño de un mueble. bastidor enrollado con alambre: 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 loopstick , antena de varilla de ferrita o aérea, ferroceptor o antena ferrod . A menudo, en frecuencias de onda media y onda corta más baja , se utiliza alambre Litz para el bobinado para reducir las pérdidas por efecto de piel . Se utilizan patrones elaborados de "tejido de cesta" en todas las frecuencias para reducir la capacitancia entre devanados en la bobina, asegurando que la autorresonancia del bucle esté muy por encima de la frecuencia de funcionamiento, de modo que actúe como un inductor eléctrico que puede resonar con un condensador de sintonización. , y con la consiguiente mejora del factor Q del bucle .
La inclusión de un núcleo magnéticamente permeable aumenta la resistencia a la radiación de un bucle pequeño, [1] mitigando la ineficiencia debida a las pérdidas óhmicas. Como todas las antenas pequeñas, estas antenas son pequeñas en comparación con su área efectiva . Una antena de cuadro de radio de transmisión AM típica enrollada en ferrita puede tener un área de sección transversal de sólo 1 cm 2 (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 exceder 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 sólo recepción. Normalmente se utilizan en frecuencias entre 14 y 30 MHz. A diferencia de los bucles receptores, los tamaños de los bucles transmisores pequeños deben ampliarse para longitudes de onda más largas, a fin de mantener una resistencia a la radiación adecuada, y su mayor tamaño difumina o borra el nulo especialmente nítido que se encuentra en los bucles receptores pequeños.
Un bucle de transmisión normalmente consta de una sola vuelta de conductor de gran diámetro; Por lo general, son redondos u octogonales para proporcionar un área cerrada máxima para un perímetro determinado, maximizando así la resistencia a la radiación . Los más pequeños de estos bucles 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 hay espacio para un bucle de onda completa o un bucle de media onda. El dipolo de onda no está disponible, los bucles pequeños pueden proporcionar comunicaciones aceptables. [15] [16]
Una pequeña antena de bucle transmisora con un perímetro del 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 mostrarán la fuerte nula. familiar en el patrón de radiación de pequeños bucles receptores. Se pueden construir y sintonizar bucles de cualquier tamaño entre el 10% y el 30% de una longitud de onda en el perímetro, hasta casi exactamente el 50% en la circunferencia , con un condensador en serie para resonancia, pero su corriente no uniforme reducirá o eliminará el patrón de los bucles pequeños. nulo. Se requiere un condensador para una circunferencia inferior 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 ni la corriente uniforme de los bucles muy pequeños ni la corriente sinusoidal de los bucles grandes y, por lo tanto, no pueden analizarse utilizando las suposiciones útiles para los bucles receptores pequeños ni para las antenas de bucle de onda completa. El rendimiento se determina mejor con 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 pequeño a veces limitan la discusión a bucles de circunferencia más pequeña que1/ 10 longitud de onda , ya que para bucles con circunferencias mayores que1/ 10 Sin embargo, la suposición simplificadora de una corriente uniforme alrededor de todo el circuito se vuelve insosteniblemente inexacta. Dado que el halo más grande también tiene un análisis simple, las antenas de bucle pequeño de tamaño moderado y su complicado análisis 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 militar terrestre-móvil , 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 onda ionosférica de incidencia casi vertical (NVIS) hasta 300 km (190 millas) en regiones montañosas. Para NVIS es aceptable una eficiencia de radiación típica de alrededor del 1%, porque las rutas de señal se pueden establecer con 1 W de potencia radiada o menos, algo factible cuando se utiliza un transmisor de 100 W.
En uso militar, la antena se puede construir utilizando 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 transmisoras es que un bucle transmisor pequeño no sólo tendrá una corriente muy grande a través de él, sino que también tendrá un voltaje muy alto a través del capacitor (generalmente miles de voltios ), incluso cuando se alimente con solo unos pocos. vatios de potencia del transmisor. Cuanto más pequeño sea el bucle (en longitudes de onda), mayor será el voltaje. Esto requiere un condensador resonante bastante caro y físicamente grande con un voltaje de ruptura grande , además de tener una pérdida dieléctrica mínima (normalmente requiere un condensador de entrehierro o incluso un condensador de vacío variable ).
Hacer que el bucle tenga un diámetro mayor reducirá el voltaje del espacio, además de mejorar la eficiencia; sin embargo, todas las demás mejoras de eficiencia tenderán a aumentar el voltaje del espacio: la eficiencia se puede aumentar haciendo el bucle con un conductor más grueso; Otras medidas para reducir la resistencia a las pérdidas del conductor incluyen soldar o soldar las conexiones, en lugar de soldar. Pero debido a que la reducción de la resistencia a las pérdidas 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 surgen por la carga capacitiva de bucles pequeños son más graves que los de la carga inductiva de antenas dipolo o de látigo corto : para antenas eléctricas (lineales), la adaptación mediante una bobina de carga también genera altos voltajes en los extremos de la antena. y en la bobina de carga, sin embargo, a diferencia de los condensadores, la diferencia de alto voltaje se distribuye uniformemente a lo largo de la bobina y, como precaución, generalmente se hace intencionalmente físicamente más larga y delgada que la forma rechoncha más eficiente. El alto voltaje generalmente es problemático solo en el extremo superior de la bobina cuando se extiende a lo largo de la longitud extendida de la bobina, mientras que los altos voltajes en las placas del capacitor son (idealmente) máximos en todas las superficies de la placa. Además, las puntas de alto voltaje de los monopolos y dipolos suelen estar montadas en lo alto y fuera de su alcance, lo que limita las oportunidades de quemaduras por radiofrecuencia. Por el contrario, las antenas de cuadro pequeñas toleran mejor ser montadas cerca del suelo, por lo que sus partes de alto voltaje suelen estar al alcance de la mano. Por lo tanto, los altos voltajes provenientes de Q alto representan una mayor amenaza en bucles pequeños que la mayoría de las otras antenas pequeñas, y exigen mayor precaución, incluso para potencias de entrada muy bajas.
Además de otras técnicas comunes de adaptación de impedancia, como la adaptación gamma, a veces se adaptan las impedancias de los bucles pequeños de recepción y transmisión conectando la línea de alimentación a un bucle alimentador aún más pequeño dentro del área rodeada por el bucle principal. Esto deja al bucle principal sin conexión eléctrica de CC al transmisor. [16] La combinación es, en efecto, un transformador, con potencia en el campo cercano acoplada inductivamente desde el bucle de alimentación al bucle principal, que a su vez está conectado al condensador resonante y es responsable de irradiar la mayor parte de la potencia.
Si tanto el bucle principal como el alimentador 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 tengan el mismo forma). Los bucles de alimentación típicos son 1 /8a 1 /5el tamaño del bucle principal de la antena, que da relaciones de transformación de 64:1 a 25:1, respectivamente. Ajustar la proximidad del bucle de alimentación al bucle principal y distorsionar su forma produce cambios pequeños a moderados en la relación de transformación y permite 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 alimentador puede tener una o dos vueltas en el mismo marco que las vueltas del bucle principal, en cuyo caso la relación de transformación de impedancia es el cuadrado de la relación del número de enciende cada bucle.
Algunas antenas se parecen mucho a bucles, pero están diseñadas para acoplarse con el campo cercano inductivo (en distancias de un metro (3,3 pies) o dos (6,6)) en lugar de transmitir o recibir ondas electromagnéticas de larga distancia en el campo radiativo lejano. -campo.
El uso de bobinas de acoplamiento para sistemas inductivos, incluido su uso en LF y HF , está fuera del alcance de este artículo.
Los sistemas de calentamiento inductivo , las estufas de cocina por inducción y las etiquetas y lectores RFID interactúan mediante inducción magnética de campo cercano en lugar de ondas transmitidas de campo lejano . En sentido estricto, no son antenas de radio.
Aunque no son antenas de radio, estos sistemas funcionan en radiofrecuencias e implican el uso de pequeñas bobinas magnéticas, que en el comercio se denominan "antenas". Sin embargo, es más útil considerarlos como análogos de los devanados de los transformadores débilmente acoplados . Aunque las bobinas magnéticas de estos sistemas inductivos a veces parecen indistinguibles de las pequeñas antenas de cuadro analizadas anteriormente, dichos dispositivos sólo 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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