Antena T

Una antena en forma de "T" , "T-aerial" o "antena plana" es una antena de radio monopolar que consta de uno o más cables horizontales suspendidos entre dos mástiles de radio o edificios de soporte y aislados de ellos en los extremos. ^[1]^[2] Un cable vertical está conectado al centro de los cables horizontales y cuelga cerca del suelo, conectado al transmisor o receptor . La forma de la antena se asemeja a la letra "T", de ahí el nombre. La potencia del transmisor se aplica, o el receptor se conecta, entre la parte inferior del cable vertical y una conexión a tierra . ^[1]

Una antena estrechamente relacionada es la antena en forma de L invertida . Es similar a la antena en forma de T, excepto que el cable de alimentación vertical, en lugar de estar unido al centro de los cables de carga superior horizontales, está unido a un extremo. El nombre proviene de su parecido con una letra "L" invertida (Γ). La antena en forma de T es una antena omnidireccional , que irradia la misma potencia de radio en todas las direcciones azimutales, mientras que la antena en forma de L invertida es una antena débilmente direccional , con la máxima potencia de radio radiada en la dirección del cable de carga superior, en el extremo con el alimentador unido.

Las antenas en 'T' y en L invertida se utilizan normalmente en las bandas de VLF , LF , MF y onda corta , ^[3]^[4]^{: 578–579}^[2] y se utilizan ampliamente como antenas de transmisión para estaciones de radioaficionados , ^[5] y estaciones de radiodifusión AM de onda larga y onda media . También se pueden utilizar como antenas receptoras para escuchar en onda corta . Funcionan como antenas monopolares con carga superior capacitiva; otras antenas de esta categoría incluyen las antenas paraguas y triáticas. Se inventaron durante las primeras décadas de la radio, en la era de la telegrafía inalámbrica , antes de 1920.

Cómo funciona

La antena tipo "T" se entiende más fácilmente porque tiene tres partes funcionales:

Carga superior: La sección superior del cable horizontal (a veces llamada sombrero de capacitancia ) actúa como una placa de un capacitor.
Radiador: El cable vertical que transporta corriente desde el punto de alimentación en la base hasta la parte superior; la corriente desequilibrada en el segmento vertical genera las ondas de radio emitidas.
Sistema de tierra: Los cables enterrados en el suelo debajo de la antena o, a veces, los cables suspendidos a unos pocos pies sobre el suelo (un contrapeso ) actúan como la otra placa del capacitor.

Los cables de la carga superior suelen estar dispuestos simétricamente; las corrientes que fluyen en los cables simétricos de dirección opuesta del sombrero de copa cancelan los campos de los demás y, por lo tanto, no producen radiación neta, y la misma cancelación ocurre de la misma manera en el sistema de tierra. En principio, el sombrero de capacitancia ( sombrero de copa ) y su sistema de tierra homólogo ( contrapeso ) podrían construirse para que sean imágenes especulares uno del otro. Sin embargo, la facilidad de simplemente colocar cables en el suelo o elevados unos pocos pies por encima del suelo, a diferencia del desafío práctico de sostener los cables horizontales del sombrero de copa en lo alto, en el vértice de la sección vertical, generalmente significa que el sombrero de copa generalmente no se construye tan grande como el contrapeso . Además, cualquier campo eléctrico que llegue al suelo antes de que sea interceptado por el contrapeso desperdiciará energía calentando el suelo, mientras que los campos eléctricos dispersos en lo alto del aire simplemente se extenderán un poco más al aire libre sin pérdidas, antes de que finalmente alcancen los cables del sombrero de copa.

Las secciones superior y de tierra funcionan efectivamente como depósitos con carga opuesta para el almacenamiento aumentado de electrones excedentes o deficitarios , más de lo que podría almacenarse a lo largo del extremo superior del cable vertical de cabeza desnuda de la misma altura . Una mayor carga almacenada hace que fluya mayor corriente a través del segmento vertical entre la parte superior y la base, y esa corriente en el segmento vertical produce la radiación emitida por la antena en T.

'Sombrero' de capacitancia

Las secciones izquierda y derecha del cable horizontal que cruzan la parte superior de la "T" transportan corrientes iguales pero en direcciones opuestas. Por lo tanto, lejos de la antena, las ondas de radio irradiadas por cada cable están desfasadas 180° con respecto a las ondas del otro cable y tienden a cancelarse. Existe una cancelación similar de las ondas de radio reflejadas desde el suelo. Por lo tanto, los cables horizontales no irradian (casi) ninguna potencia de radio. ^[4]^{: 554}

En lugar de radiar, los cables horizontales aumentan la capacitancia en la parte superior de la antena. Se requiere más corriente en el cable vertical para cargar y descargar esta capacitancia adicional durante el ciclo de oscilación de RF. ^[6]^[4]^{: 554} Las corrientes aumentadas en el cable vertical ( ver dibujo a la derecha ) aumentan efectivamente la resistencia a la radiación de la antena y, por lo tanto, la potencia de RF radiada. ^[6]

La capacitancia de carga superior aumenta a medida que se agregan más cables, por lo que a menudo se utilizan varios cables horizontales paralelos, conectados entre sí en el centro donde se une el cable vertical. ^[5] Debido a que el campo eléctrico de cada cable incide en los de los cables adyacentes, la capacitancia adicional de cada cable agregado disminuye . ^[5]

Eficiencia de la carga superior capacitiva

El cable de carga superior horizontal puede aumentar la potencia radiada de 2 a 4 veces (3 a 6 dB ) para una corriente de base dada. ^[6] En consecuencia, la antena en "T" puede radiar más potencia que un monopolo vertical simple de la misma altura. De manera similar, una antena receptora en "T" puede interceptar más potencia de la misma intensidad de señal de onda de radio entrante que la antena vertical de la misma altura.

En antenas construidas para frecuencias cercanas o inferiores a 600 kHz ^[b] , la longitud de los segmentos de cable de una antena suele ser más corta que un cuarto de longitud de onda ^[c][ ⁠ 1 /4⁠   $λ$ ≈ 125 m (410 pies) ^[c] a 600 kHz ^[b]] , la longitud más corta de cable recto sin carga que logra resonancia .^{[5] En esta circunstancia, una antena en "T" es un}monopolo vertical, eléctricamente corto y con carga superior capacitiva.^[4]^{: 578–579}

A pesar de sus mejoras con respecto a una vertical corta, la típica antena en "T" todavía no es tan eficiente como una de altura completa . 1 /4⁠   $λ$ ^[c]monopolo vertical , ^[5] y tiene un $Q$ más alto y por lo tanto un ancho de banda más estrecho . Las antenas 'T' se utilizan normalmente a bajas frecuencias donde la construcción de una antena vertical de cuarto de onda de tamaño completo no es práctica, ^[2]^[7] y el cable radiante vertical es a menudo muy corto eléctricamente : solo una pequeña fracción de una longitud de onda de largo, ⁠1/10⁠ $λ$ o menos. Una antena eléctricamente corta tiene una reactancia de base que es capacitiva y, aunque la carga capacitiva en la parte superior reduce la reactancia capacitiva en la base, generalmente queda algo de reactancia capacitiva residual. Para antenas de transmisión que deben desactivarse mediante reactancia inductiva agregada de una bobina de carga , de modo que la antena pueda recibir energía de manera eficiente.

Las partes rojas son aisladores , las marrones son mástiles de soporte. La línea de alimentación al transmisor o receptor está conectada en F. Las cargas superiores multihilo utilizadas en B , C , E y G aumentan la capacitancia a tierra y, por lo tanto, la resistencia a la radiación y la potencia de salida; a menudo se utilizan como antenas de transmisión. La construcción de jaula de C y G iguala la corriente en los cables, lo que reduce la resistencia.

Patrón de radiación

Dado que el cable vertical es el elemento radiante real, la antena irradia ondas de radio polarizadas verticalmente en un patrón de radiación omnidireccional , con igual potencia en todas las direcciones azimutales. ^[8] El eje del cable horizontal hace poca diferencia. La potencia es máxima en una dirección horizontal o en un ángulo de elevación poco profundo, disminuyendo a cero en el cenit. Esto la convierte en una buena antena en frecuencias LF o MF , que se propagan como ondas terrestres con polarización vertical, pero también irradia suficiente potencia en ángulos de elevación más altos para ser útil para la comunicación de ondas ionosféricas ("salto"). El efecto de la mala conductividad del suelo es generalmente inclinar el patrón hacia arriba, con la máxima intensidad de señal en un ángulo de elevación más alto.

Antenas transmisoras

En los rangos de longitud de onda más largos, donde normalmente se utilizan antenas "T", las características eléctricas de las antenas generalmente no son críticas para los receptores de radio modernos; la recepción está limitada por el ruido natural, en lugar de por la potencia de la señal recogida por la antena receptora. ^[5]

Las antenas de transmisión son diferentes y la impedancia del punto de alimentación ^[d] es fundamental: la combinación de reactancia y resistencia en el punto de alimentación de la antena debe coincidir con la impedancia de la línea de alimentación y, más allá de ella, con la etapa de salida del transmisor. Si no coincide, la corriente enviada desde el transmisor a la antena se reflejará de vuelta a la línea de alimentación desde la antena, lo que creará una condición llamada ondas estacionarias en la línea. Esto reduce la potencia irradiada por la antena y, en el peor de los casos, puede dañar el transmisor.

Resistencia reactiva

Cualquier antena monopolar que sea más corta que ⁠ 1 /4La  onda tiene una reactancia capacitiva ; cuanto más corta es, mayor es esa reactancia y mayor es la proporción de la corriente de alimentación que se reflejará de vuelta hacia el transmisor. Para conducir eficientemente la corriente hacia una antena de transmisión corta, debe hacerse resonante (libre de reactancia), si la sección superior aún no lo ha hecho. La capacitancia generalmente se cancela mediante una bobina de carga adicional o su equivalente; la bobina de carga se coloca convencionalmente en la base de la antena para facilitar la accesibilidad, conectada entre la antena y su línea de alimentación.

La sección superior horizontal de una antena en 'T' también puede reducir la reactancia capacitiva en el punto de alimentación, sustituyendo una sección vertical cuya altura sería de aproximadamente ⁠ 2 /3 su longitud; [ ^9] si es lo suficientemente larga, elimina completamente la reactancia y evita cualquier necesidad de una bobina de carga en el punto de alimentación.

A frecuencias medias y bajas , la alta capacitancia de la antena y la alta inductancia de la bobina de carga, en comparación con la baja resistencia a la radiación de la antena corta, hacen que la antena cargada se comporte como un circuito sintonizado de alto $Q$ , con un ancho de banda estrecho en el que permanecerá bien adaptado a la línea de transmisión, en comparación con un ⁠ 1 /4⁠   $λ$ monopolo. ^[c]

Para funcionar en un amplio rango de frecuencias, la bobina de carga a menudo debe ser ajustable y ajustada cuando se cambia la frecuencia para limitar la potencia reflejada hacia el transmisor . La alta $Q$ también provoca un alto voltaje en la antena, que es máximo en los nodos de corriente en los extremos del cable horizontal, aproximadamente $Q$ veces el voltaje del punto de excitación. Los aisladores en los extremos deben estar diseñados para soportar estos voltajes. En los transmisores de alta potencia, la potencia de salida a menudo está limitada por el inicio de la descarga de corona de los cables. ^[10]

Resistencia

La resistencia a la radiación es la resistencia equivalente de una antena debido a su radiación de ondas de radio; para un monopolo de cuarto de onda de longitud completa, la resistencia a la radiación es de alrededor de 25 ohmios . ^{[ cita requerida ]} Cualquier antena que sea corta en comparación con la longitud de onda operativa tiene una resistencia a la radiación menor que una antena más larga; a veces catastróficamente, mucho más allá de la mejora máxima del rendimiento proporcionada por una antena T. Entonces, a bajas frecuencias, incluso una antena "T" puede tener una resistencia a la radiación muy baja, a menudo menos de 1 ohmio , ^[5]^[11] por lo que la eficiencia está limitada por otras resistencias en la antena y el sistema de tierra. La potencia de entrada se divide entre la resistencia a la radiación y las resistencias "óhmicas" del circuito antena + tierra, principalmente la bobina y la tierra. La resistencia en la bobina y particularmente en el sistema de tierra debe mantenerse muy baja para minimizar la potencia disipada en ellos.

Se puede observar que a bajas frecuencias el diseño de la bobina de carga puede ser un desafío: ^[5] debe tener alta inductancia pero pérdidas muy bajas en la frecuencia de transmisión ( $Q$ alto ), debe transportar altas corrientes, soportar altos voltajes en su extremo no conectado a tierra y ser ajustable. ^[7] A menudo está hecho de alambre litz . ^[7]

En frecuencias bajas, la antena requiere una buena conexión a tierra de baja resistencia para ser eficiente. La conexión a tierra de RF se construye típicamente como una estrella de muchos cables radiales de cobre enterrados unos 30 cm (1 pie) en la tierra, que se extienden desde la base del cable vertical y se conectan entre sí en el centro. Lo ideal es que los radiales sean lo suficientemente largos como para extenderse más allá de la región de corriente de desplazamiento cerca de la antena. En frecuencias VLF , la resistencia del suelo se convierte en un problema y el sistema de conexión a tierra radial generalmente se eleva y se monta a unos pocos pies sobre el suelo, aislado de él, para formar un contrapeso .

Circuito equivalente

La potencia radiada (o recibida) por cualquier antena vertical eléctricamente corta, como la antena en "T", es proporcional al cuadrado de la altura efectiva de la antena, ^[5] por lo que la antena debe construirse lo más alta posible. Sin el cable horizontal, la distribución de la corriente de RF en el cable vertical disminuiría casi linealmente hasta cero en la parte superior ( ver el dibujo "a" anterior ), lo que daría una altura efectiva de la mitad de la altura física de la antena. Con un cable de carga superior de "capacidad infinita" ideal, la corriente en la vertical sería constante a lo largo de su longitud, lo que daría una altura efectiva igual a la altura física, aumentando así la potencia radiada cuatro veces para el mismo voltaje de alimentación. Por lo tanto, la potencia radiada (o recibida) por una antena en "T" se encuentra entre un monopolo vertical de la misma altura y hasta cuatro veces esa altura.

La resistencia a la radiación de una antena T ideal con una capacidad de carga superior muy grande es ^[6]

R_{\mathsf {R}}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,}{\lambda }}\right)^{2}\,

Por lo tanto, la potencia radiada es

P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\lambda }}\right)^{2}

dónde

h

es la altura de la antena,

λ

es la longitud de onda, y

I

₀ es la corriente de entrada RMS en amperios.

Esta fórmula muestra que la potencia radiada depende del producto de la corriente base por la altura efectiva, y se utiliza para determinar cuántos metros-amperios se requieren para lograr una cantidad determinada de potencia radiada.

El circuito equivalente de la antena (incluida la bobina de carga) es la combinación en serie de la reactancia capacitiva de la antena, la reactancia inductiva de la bobina de carga y la resistencia de radiación y las demás resistencias del circuito de conexión a tierra de la antena. Por lo tanto, la impedancia de entrada es

Z=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}+j\omega L_{\mathsf {\ell .c.}}-{\frac {1}{\,j\omega C_{\mathsf {ant.}}\,}}~,

dónde

R

_C es la resistencia óhmica de los conductores de la antena (pérdidas de cobre)

R

_D son las pérdidas dieléctricas en serie equivalentes

R

_ℓ.c. es la resistencia en serie de la bobina de carga

R

_G es la resistencia del sistema de tierra

R

_R es la resistencia a la radiación

C

_ant. es la capacitancia aparente de la antena en los terminales de entrada

L

_ℓ.c. es la inductancia de la bobina de carga.

En resonancia, la reactancia capacitiva de la antena es cancelada por la bobina de carga, por lo que la impedancia de entrada en resonancia $Z$ ₀ es simplemente la suma de las resistencias en el circuito de la antena ^[12].

Z_{0}=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,

La eficiencia de la antena en resonancia, $η$ , es la relación entre la potencia radiada y la potencia de entrada de la línea de alimentación. Como la potencia disipada como radiación o como calor es proporcional a la resistencia, la eficiencia viene dada por

\eta ={\frac {R_{\mathsf {R}}}{\,R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}}

Antena plana multisintonizada de 1,9 kilómetros (1,2 millas) del histórico transmisor VLF de 17 kHz de Grimeton , Suecia

Se puede observar que, dado que la resistencia a la radiación suele ser muy baja, el principal problema de diseño es mantener bajas las demás resistencias en el sistema antena-tierra para obtener la máxima eficiencia. ^[12]

Antena de sintonización múltiple

La antena plana multisintonizada es una variante de la antena en forma de "T" que se utiliza en transmisores de baja frecuencia y alta potencia para reducir las pérdidas de potencia en tierra. ^[7] Consiste en una carga superior capacitiva larga que consta de varios cables paralelos sostenidos por una línea de torres de transmisión, a veces de varios kilómetros de largo. Varios cables radiadores verticales cuelgan de la carga superior, cada uno conectado a su propia tierra a través de una bobina de carga. La antena se activa en uno de los cables radiadores o, más a menudo, en un extremo de la carga superior, llevando los cables de la carga superior en diagonal hacia el transmisor. ^[7]

Aunque los cables verticales están separados, la distancia entre ellos es pequeña en comparación con la longitud de las ondas LF , por lo que las corrientes en ellos están en fase y pueden considerarse como un radiador. Dado que la corriente de la antena fluye hacia el suelo a través de $N$ bobinas de carga y conexiones a tierra paralelas en lugar de una, la resistencia equivalente de la bobina de carga y la conexión a tierra, y por lo tanto la potencia disipada en la bobina de carga y la conexión a tierra, se reduce a ⁠1/  $norte$  ⁠ el de una simple antena 'T'. ^[7] La antena se utilizó en las potentes estaciones de radio de la era de la telegrafía inalámbrica , pero cayó en desgracia debido al gasto de múltiples bobinas de carga.

Véase también

Notas al pie

^ En resonancia la corriente es la parte de cola de una onda estacionaria sinusoidal . En el monopolo "a", hay un nodo en la parte superior de la antena donde la corriente debe ser cero. En la parte superior "b", la corriente fluye hacia el cable horizontal en ambas direcciones desde el medio, aumentando la corriente en la parte superior del cable vertical. La resistencia de radiación y, por lo tanto, la potencia radiada en cada uno, es proporcional al cuadrado del área de la parte vertical de la distribución de corriente.
^ ab 600 kHz está cerca del extremo inferior de la banda de transmisión AM en las frecuencias medias .
^ abcd La letra griega lambda , $λ$ , es el símbolo convencional de la longitud de onda .
^ La impedancia es la suma compleja de reactancia y resistencia ; todas ellas, solas o en combinación, limitan la transmisión de corriente a través de la parte eléctrica que impide el paso y provocan cambios de voltaje en su punto de conexión.

Referencias

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