Una antena helicoidal es una antena que consta de uno o más cables conductores enrollados en forma de hélice . Una antena helicoidal hecha de un alambre helicoidal, el tipo más común, se llama monofilar , mientras que las antenas con dos o cuatro alambres en hélice se llaman bifilares , o cuadrifilares , respectivamente.
En la mayoría de los casos, las antenas helicoidales direccionales se montan sobre un plano de tierra , mientras que los diseños omnidireccionales pueden no estarlo. La línea de alimentación está conectada entre la parte inferior de la hélice y el plano de tierra. Las antenas helicoidales pueden funcionar en uno de dos modos principales: normal o axial.
En el modo normal o antena helicoidal lateral , el diámetro y el paso de la antena son pequeños en comparación con la longitud de onda . La antena actúa de manera similar a un dipolo o monopolo eléctricamente corto , equivalente a un1/4La onda vertical y el patrón de radiación , [ cita necesaria ] similar a estas antenas, es omnidireccional , con radiación máxima en ángulo recto con respecto al eje de la hélice. Para diseños monofilares, la radiación está polarizada linealmente paralela al eje de la hélice. Se utilizan para antenas compactas para radios bidireccionales portátiles y móviles montadas en vehículos y, en mayor escala, para antenas de transmisión de televisión UHF. En implementaciones bifilares o cuadrifilares, se puede realizar radiación polarizada circularmente de costado.
En el modo axial o antena helicoidal de extremo a extremo , el diámetro y el paso de la hélice son comparables a una longitud de onda. La antena funciona como una antena direccional que irradia un haz desde los extremos de la hélice, a lo largo del eje de la antena. Irradia ondas de radio polarizadas circularmente . Estos se utilizan para la comunicación por satélite. El funcionamiento en modo axial fue descubierto por el físico John D. Kraus [1]
Si la circunferencia de la hélice es significativamente menor que una longitud de onda y su paso (distancia axial entre espiras sucesivas) es significativamente menor que un cuarto de longitud de onda, la antena se denomina hélice de modo normal . La antena actúa de manera similar a una antena monopolo , con un patrón de radiación omnidireccional , irradiando igual potencia en todas las direcciones perpendiculares al eje de la antena. Sin embargo, debido a la inductancia añadida por la forma helicoidal, la antena actúa como un monopolo cargado inductivamente ; en su frecuencia de resonancia es más corto que un cuarto de longitud de onda. Por lo tanto, las hélices de modo normal se pueden utilizar como monopolos eléctricamente cortos , una alternativa a las antenas de látigo con carga central o de base , en aplicaciones donde un monopolo de cuarto de onda de tamaño completo sería demasiado grande. Al igual que con otras antenas eléctricamente cortas, la ganancia y, por tanto, el alcance de comunicación de la hélice será menor que la de una antena de tamaño completo. Su tamaño compacto hace que las helicoidales sean útiles como antenas para equipos de comunicaciones móviles y portátiles en las bandas HF, VHF y UHF. [ cita necesaria ]
[ cita necesaria ] La carga proporcionada por la hélice permite que la antena sea físicamente más corta que su longitud eléctrica de un cuarto de longitud de onda. Esto significa que por ejemplo un 1 /4La antena de onda a 27 MHz mide 2,7 m (110 pulgadas; 8,9 pies) de largo y es físicamente bastante inadecuada para aplicaciones móviles. El tamaño reducido de una hélice proporciona el mismo patrón de radiación en un tamaño físico mucho más compacto con sólo una ligera reducción en el rendimiento de la señal.
Un efecto de utilizar un conductor helicoidal en lugar de uno recto es que la impedancia de adaptación cambia de la impedancia base nominal de 50 Ω a entre 25 y 35 Ω. Esto no parece ser adverso para el funcionamiento o la compatibilidad con una línea de transmisión normal de 50 Ω , siempre que la alimentación de conexión sea el equivalente eléctrico de una 1 /2 longitud de onda a la frecuencia de operación. [ cita necesaria ]
Otro ejemplo del tipo utilizado en comunicaciones móviles es el de giro constante espaciado en el que uno o más devanados lineales diferentes están enrollados en un único formador y espaciados para proporcionar un equilibrio eficiente entre capacitancia e inductancia para el elemento radiante a una frecuencia de resonancia particular. . Muchos ejemplos de este tipo se han utilizado ampliamente para radio CB de 27 MHz con una amplia variedad de diseños originados en los EE. UU. y Australia a finales de los años 1960. Hasta la fecha, muchos millones de estas "antenas helicoidales" se han producido en masa para uso principalmente en vehículos móviles y alcanzaron su pico de producción durante los tiempos de auge de la radio CB entre los años 1970 y finales de los 1980 y se utilizaron en todo el mundo.
Las versiones multifrecuencia con derivaciones enchufables manuales se han convertido en el pilar de las comunicaciones HF con modulación de banda lateral única (SSB) multibanda con cobertura de frecuencia en todo el espectro HF de 1 MHz a 30 MHz con de 2 a 6 puntos de derivación de frecuencia dedicados. sintonizados en frecuencias dedicadas y asignadas en las bandas móvil terrestre, marítima y aérea. Recientemente, estas antenas han sido reemplazadas por dispositivos de adaptación de antenas sintonizados electrónicamente. [ cita necesaria ] La mayoría de los ejemplos se enrollaron con alambre de cobre utilizando una varilla de fibra de vidrio como formador. Luego, el radiador, generalmente flexible o estriado, se cubre con un tubo termorretráctil de PVC o poliolefina que proporciona una cubierta impermeable resistente y resistente para la antena móvil terminada. Luego, la varilla de fibra de vidrio generalmente se pegaba y/o engarzaba a un accesorio de latón y se atornillaba sobre una base aislada fijada al techo de un vehículo, a una protección o a un soporte de barra parachoques. Este montaje proporcionó un plano de tierra o reflector (proporcionado por el vehículo) para un patrón de radiación vertical efectivo. [ cita necesaria ]
Estos diseños populares todavía son de uso común a partir de 2018 [actualizar]y el diseño de giro constante originario de Australia se ha adaptado universalmente como antenas receptoras de FM estándar para muchos vehículos de motor producidos en fábrica, así como el estilo básico existente de helicoidales móviles HF y VHF del mercado de accesorios. Otro uso común de las hélices laterales es la llamada antena de patito de goma que se encuentra en la mayoría de las radios VHF y UHF portátiles que utilizan un conductor de acero o cobre como elemento radiante y generalmente terminan en un estilo BNC/TNC o un conector atornillado para una extracción rápida. [ cita necesaria ]
Las antenas helicoidales de modo normal especializadas se utilizan como antenas transmisoras para estaciones de transmisión de radio y televisión FM en las bandas VHF y UHF. [ cita necesaria ]
Cuando la circunferencia de la hélice está cerca de la longitud de onda de operación, la antena opera en modo axial . Este es un modo de onda viajera no resonante , en el que en lugar de ondas estacionarias , las ondas de corriente y voltaje viajan en una dirección, hacia arriba por la hélice desde el punto de alimentación en una antena transmisora y hacia abajo por la hélice hacia el punto de alimentación en una antena receptora. En lugar de irradiar ondas polarizadas linealmente normales al eje de la antena, irradia un haz de ondas de radio con polarización circular a lo largo del eje, desde los extremos de la antena. Los lóbulos principales del patrón de radiación están a lo largo del eje de la hélice, en ambos extremos. Dado que en una antena direccional sólo se desea radiación en una dirección, el otro extremo de la hélice termina en una lámina metálica plana o en una pantalla reflectora para reflejar las ondas hacia adelante.
En la transmisión de radio , la polarización circular se utiliza a menudo cuando la orientación relativa de las antenas transmisora y receptora no se puede controlar fácilmente, como en el seguimiento de animales y en las comunicaciones de naves espaciales , o donde la polarización de la señal puede cambiar, por lo que se utilizan antenas helicoidales de extremo a extremo. frecuentemente utilizado para estas aplicaciones. Dado que las hélices grandes son difíciles de construir y difíciles de manejar y dirigir, el diseño se emplea comúnmente sólo en frecuencias más altas, desde VHF hasta microondas .
La hélice de la antena puede girar en dos direcciones posibles: hacia la derecha o hacia la izquierda, teniendo la primera la misma forma que la de un sacacorchos común. El conjunto de 4 hélices de la primera ilustración utiliza hélices izquierdas, mientras que todas las demás ilustraciones muestran hélices derechas. En una antena helicoidal de modo axial, la dirección de giro de la hélice determina la polarización de la onda emitida. Se utilizan dos convenciones mutuamente incompatibles para describir ondas con polarización circular , por lo que la relación entre la orientación lateral (izquierda o derecha) de una antena helicoidal y el tipo de radiación polarizada circular que emite a menudo se describe de maneras que parecen ambiguas. . Sin embargo, JD Kraus (el inventor de la antena helicoidal) afirma: "La hélice izquierda responde a la polarización circular izquierda y la hélice derecha a la polarización circular derecha (definición IEEE)". [2] El IEEE define el sentido de polarización como:
Así, una hélice dextrógira irradia una onda dextrógira, y el vector del campo eléctrico gira en el sentido de las agujas del reloj mirando en la dirección de propagación.
Las antenas helicoidales pueden recibir señales con cualquier tipo de polarización lineal , como polarización horizontal o vertical, pero al recibir señales con polarización circular la orientabilidad de la antena receptora debe ser la misma que la de la antena transmisora; Las antenas polarizadas a la izquierda sufren una grave pérdida de ganancia cuando reciben señales polarizadas circularmente a la derecha, y viceversa.
Las dimensiones de la hélice están determinadas por la longitud de onda ( λ ) de las ondas de radio utilizadas, que depende de la frecuencia . Para funcionar en modo axial, la circunferencia debe ser igual a la longitud de onda. [4] El ángulo de paso debe ser de 13°, que es una distancia de paso (distancia entre cada vuelta) de 0,23 veces la circunferencia, lo que significa que el espacio entre las bobinas debe ser aproximadamente un cuarto de la longitud de onda ( λ /4). [ cita necesaria ] El número de vueltas en la hélice determina qué tan direccional es la antena: más vueltas mejora la ganancia en la dirección de su eje en ambos extremos (o en un extremo, cuando se usa una placa de tierra), a un costo de ganar en otras direcciones. Cuando C < λ funciona más en modo normal donde la dirección de ganancia tiene forma de rosquilla hacia los lados en lugar de hacia los extremos.
La impedancia terminal en modo axial oscila entre 100 y 200 Ω, aproximadamente [ cita necesaria ]
donde C es la circunferencia de la hélice y λ es la longitud de onda. La adaptación de impedancia (cuando C = λ ) al cable coaxial estándar de 50 o 75 Ω a menudo se realiza mediante una sección de línea de un cuarto de onda que actúa como un transformador de impedancia entre la hélice y la placa de tierra.
La ganancia directiva máxima es aproximadamente:
donde N es el número de vueltas y S es el espacio entre vueltas. La mayoría de los diseños utilizan C = λ y S = 0,23 C , por lo que la ganancia suele ser G = 3,45 N. En decibelios , la ganancia es
El ancho del haz a media potencia es:
El ancho de haz entre nulos es:
La ganancia de la antena helicoidal depende en gran medida del reflector. [6] Las fórmulas clásicas anteriores suponen que el reflector tiene la forma de un resonador circular (una placa circular con un borde) y el ángulo de paso es óptimo para este tipo de reflector. Sin embargo, estas fórmulas sobreestiman la ganancia en varios dB . [7] El paso óptimo que maximiza la ganancia para un plano de tierra plano está en el rango de 3 a 10° y depende del radio del cable y la longitud de la antena. [7]
