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Una antena de látigo es una antena que consiste en un alambre o varilla flexible y recto. El extremo inferior del látigo está conectado al receptor o transmisor de radio . Una antena de látigo es una forma de antena monopolar . La antena está diseñada para ser flexible de modo que no se rompa fácilmente, y el nombre se deriva del movimiento similar al de un látigo que exhibe cuando se la perturba. Las antenas de látigo para radios portátiles a menudo están hechas de una serie de tubos metálicos telescópicos entrelazados, de modo que se puedan retraer cuando no se usan. Las antenas de látigo más largas, hechas para montarse en vehículos y estructuras, están hechas de una varilla de fibra de vidrio flexible alrededor de un núcleo de alambre y pueden tener hasta 11 m (35 pies) de largo.
La longitud de una antena de látigo está determinada por la longitud de onda de las ondas de radio con las que se utiliza. Su longitud varía desde antenas compactas eléctricamente cortas1/ 10 longitud de onda larga , hasta 5 /8 longitud de onda para mejorar la directividad. El tipo más común es el látigo de cuarto de onda , que es aproximadamente 1 /4 longitud de onda larga.
Las antenas de látigo son el tipo más común de antena monopolar y se utilizan en las bandas de radio de frecuencia más alta HF , VHF y UHF . Se utilizan ampliamente como antenas para radios portátiles, teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , radios FM , equipos de música y dispositivos habilitados para Wi-Fi , y se colocan en vehículos como antenas para radios de automóviles y radios bidireccionales para vehículos con ruedas y para aeronaves. Las versiones más grandes montadas en techos, balcones y mástiles de radio se utilizan como antenas de estación base para radioaficionados y despachadores de policía, bomberos, ambulancias, taxis y otros vehículos.
La antena de látigo es una antena monopolar y, al igual que un dipolo vertical, tiene un patrón de radiación omnidireccional , que irradia la misma potencia de radio en todas las direcciones acimutales (perpendiculares al eje de la antena), y la potencia radiada disminuye con el ángulo de elevación hasta cero en el eje de la antena. [1] Las antenas de látigo de menos de la mitad de la longitud de onda, incluida la antena de látigo de cuarto de onda común, tienen un solo lóbulo principal y, con un plano de tierra perfectamente conductor debajo, la intensidad de campo máxima está en direcciones horizontales y disminuye monótonamente hasta cero en el eje. Con un plano de tierra pequeño o imperfectamente conductor o sin plano de tierra debajo, el resultado general es inclinar el lóbulo principal hacia arriba, de modo que la potencia máxima ya no se irradia horizontalmente, sino en un ángulo hacia el cielo.
Las antenas con una longitud de onda superior a media tienen patrones que consisten en varios "lóbulos" cónicos; con máximos de radiación en varios ángulos de elevación; cuanto mayor sea la longitud eléctrica de la antena, más lóbulos tendrá el patrón.
Un látigo vertical irradia ondas de radio polarizadas verticalmente , con el campo eléctrico vertical y el campo magnético horizontal.
Las antenas verticales de látigo se utilizan ampliamente para la comunicación por radio no direccional en la superficie de la Tierra, donde la dirección hacia el transmisor (o el receptor) es desconocida o cambia constantemente, por ejemplo, en receptores de radio FM portátiles, walkie-talkies y radios bidireccionales en vehículos. Esto se debe a que transmiten (o reciben) igualmente bien en todas las direcciones horizontales, mientras que irradian poca energía de radio hacia el cielo, donde se desperdicia.
Las antenas de látigo normalmente están diseñadas como antenas resonantes ; la varilla actúa como un resonador para las ondas de radio, con ondas estacionarias de voltaje y corriente reflejadas de ida y vuelta desde sus extremos. Por lo tanto, la longitud de la varilla de la antena está determinada por la longitud de onda ( ) de las ondas de radio utilizadas. La longitud más común es aproximadamente un cuarto de la longitud de onda ( ), llamada "látigo de cuarto de onda" (aunque a menudo se acorta mediante el uso de una bobina de carga ; vea Látigos eléctricamente cortos a continuación). Por ejemplo, las antenas de látigo de cuarto de onda comunes que se usan en las radios FM en los EE. UU. miden aproximadamente 75 cm (2,5 pies) de largo, que es aproximadamente un cuarto de la longitud de las ondas de radio en la banda de radio FM , que tienen de 2,78 a 3,41 m (9 a 11 pies) de largo.
Los látigos de media onda ( largos), que tienen mayor ganancia , y los látigos de cinco octavos de onda ( largos), que tienen la máxima ganancia horizontal alcanzable por un monopolo, también son longitudes comunes.
La ganancia y la impedancia de entrada de la antena dependen de la longitud del elemento de látigo, en comparación con una longitud de onda, pero también del tamaño y la forma del plano de tierra utilizado (si lo hay). Una antena vertical de cuarto de onda que trabaja contra una tierra infinita perfectamente conductora tendrá una ganancia de 5,19 dBi y una resistencia de radiación de aproximadamente 36,8 ohmios . Sin embargo, esta ganancia nunca se alcanza en antenas reales a menos que el plano de tierra tenga muchas longitudes de onda de diámetro. 2 dBi es más típico para un látigo con un plano de tierra de Los látigos montados en vehículos utilizan la piel metálica del vehículo como plano de tierra. En los dispositivos portátiles, por lo general, no se proporciona un plano de tierra explícito, y el lado de tierra de la línea de alimentación de la antena solo se conecta a tierra (común) en la placa de circuito del dispositivo. [2] Por lo tanto, la radio en sí misma sirve como un plano de tierra rudimentario. Si el chasis de la radio no es mucho más grande que la antena en sí, la combinación de látigo y radio funciona más como una antena dipolo asimétrica que como una antena monopolo . [3] [4] La ganancia será algo menor que la de un dipolo o un látigo de cuarto de onda con un plano de tierra de tamaño adecuado.
Los látigos que no están montados en la propia radio suelen alimentarse con una línea de alimentación de cable coaxial de 50 ohmios o 75 ohmios de impedancia. En las antenas de transmisión, la impedancia de la antena debe coincidir con la línea de alimentación para obtener la máxima transferencia de potencia.
Una antena de látigo de media onda (longitud de ) tiene una ganancia algo mayor que una antena de látigo de cuarto de onda, pero tiene un nodo de corriente en su punto de alimentación en la base de la varilla, por lo que tiene una impedancia de entrada muy alta. Si fuera infinitamente delgada, la antena tendría una impedancia de entrada infinita, pero el ancho finito le da a las antenas de látigo de media onda prácticas y típicas una impedancia de 800 a 1500 ohmios. Estas suelen alimentarse a través de un transformador de adaptación de impedancia o una sección de adaptación de un trozo de cuarto de onda (por ejemplo, la antena de polo J ). Una ventaja es que, debido a que actúa como un dipolo, no necesita un plano de tierra.
La ganancia horizontal máxima de una antena monopolar se logra a una longitud de cinco octavos de longitud de onda, por lo que también es una longitud popular para antenas tipo látigo. Sin embargo, a esta longitud, el patrón de radiación se divide en un lóbulo horizontal y un segundo lóbulo pequeño en un ángulo de 60°, por lo que la radiación en ángulos altos es deficiente. La impedancia de entrada es de alrededor de 40 ohmios.
En una antena de látigo no montada sobre una superficie conductora, como una montada sobre un mástil, la falta de ondas de radio reflejadas desde el plano de tierra hace que el lóbulo del patrón de radiación se incline hacia el cielo, por lo que se irradia menos potencia en direcciones horizontales, lo que no es deseable para la comunicación terrestre. [5] Además, la impedancia desequilibrada del elemento monopolar provoca corrientes de RF en el mástil de soporte y en el exterior del conductor de protección de tierra de la línea de alimentación coaxial, lo que hace que estas estructuras irradien ondas de radio, lo que generalmente tiene un efecto perjudicial en el patrón de radiación.
Para evitar esto, con látigos estacionarios montados en estructuras, a menudo se utiliza un "plano de tierra" artificial que consiste en tres o cuatro varillas de un cuarto de longitud de onda conectadas al lado opuesto de la línea de alimentación, que se extienden horizontalmente desde la base del látigo. [5] Esto se llama antena de plano de tierra . [6] Estos pocos elementos de cable cortos sirven para recibir la corriente de desplazamiento del elemento impulsado y devolverla al conductor de tierra de la línea de transmisión, haciendo que la antena se comporte de alguna manera como si tuviera un plano conductor continuo debajo de ella.
La resistencia de radiación de una antena de plano de tierra de cuarto de onda con cables de tierra horizontales es de alrededor de 22 ohmios, una mala adaptación a la línea de alimentación del cable coaxial , y el lóbulo principal del patrón de radiación todavía está inclinado hacia el cielo. A menudo (ver imágenes) las varillas del plano de tierra están inclinadas hacia abajo en un ángulo de 45 grados, lo que tiene el efecto de bajar el lóbulo principal del patrón de radiación para que se irradie más potencia en direcciones horizontales y aumente la impedancia de entrada para una buena adaptación al cable coaxial estándar de 50 ohmios . Para adaptarse al cable coaxial de 75 ohmios, los extremos del plano de tierra se pueden girar hacia abajo o se puede utilizar un elemento accionado por monopolo plegado.
Para reducir la longitud de una antena de látigo y hacerla menos engorrosa, a menudo se le añade un inductor ( bobina de carga ) en serie. Esto permite que la antena sea mucho más corta que la longitud normal de un cuarto de longitud de onda y que siga siendo resonante , cancelando la reactancia capacitiva de la antena corta. Esto se llama látigo eléctricamente corto . La bobina se añade en la base del látigo (llamado látigo cargado en la base) o, ocasionalmente, en el medio (látigo cargado en el centro). En la forma más utilizada, la antena de patito de goma , la bobina de carga se integra con la propia antena haciendo el látigo con una hélice estrecha de alambre elástico. La hélice distribuye la inductancia a lo largo de la longitud de la antena, mejorando el patrón de radiación y también la hace más flexible. Otra alternativa que se utiliza ocasionalmente para acortar la antena es añadir un "sombrero de capacidad", una pantalla metálica o cables radiantes, en el extremo. Sin embargo, todos estos látigos eléctricamente cortos tienen una ganancia menor que un látigo de cuarto de onda de longitud completa.
La operación multibanda es posible con bobinas de aproximadamente la mitad o un tercio y dos tercios que no afectan mucho a la antena en la banda más baja, pero crean el efecto de dipolos apilados en una banda más alta (generalmente frecuencia ×2 o ×3).
En frecuencias más altas [a], el cable coaxial de alimentación puede subir por el centro de un tubo. La unión aislada del tubo y el cable coaxial se alimenta desde el cable coaxial y el extremo inferior del tubo, donde entra el cable coaxial, tiene un soporte aislado. Este tipo de cable coaxial vertical es un dipolo completo y, por lo tanto, no necesita plano de tierra. Por lo general, funciona mejor a varias longitudes de onda por encima del suelo, de ahí la limitación normalmente a las bandas de microondas.
