antena T

Una antena en 'T' , antena en 'T' o antena plana es una antena de radio monopolo 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 se conecta el receptor , entre la parte inferior del cable vertical y una conexión a tierra . ^[1]

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

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

Cómo funciona

Se entiende más fácilmente que la antena tipo 'T' tiene tres partes funcionales:

Carga superior: La sección superior del cable horizontal (a veces llamada sombrero de capacitancia ) actúa como la 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 del suelo (un contrapeso ) actúan como la otra placa del condensador.

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 cada uno 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 entre sí. Sin embargo, la facilidad de simplemente colocar los cables en el suelo o elevarlos 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, normalmente significa que el sombrero de copa suele estar no construido tan grande como el contrapeso . Además, cualquier campo eléctrico que alcance el suelo antes de ser interceptado por el contrapeso desperdiciará energía calentando el suelo, mientras que los campos eléctricos perdidos en lo alto del aire simplemente se extenderán un poco más hacia el aire libre sin pérdidas, antes de llegar finalmente al suelo. alambres del sombrero de copa.

Las secciones superior y de tierra funcionan efectivamente como depósitos con cargas opuestas para aumentar el almacenamiento de electrones en exceso o déficit , más de lo que podría almacenarse a lo largo del extremo superior del cable vertical con cabeza desnuda de la misma altura . Una mayor carga almacenada hace que fluya una 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 T.

'sombrero' de capacitancia

Las secciones izquierda y derecha del cable horizontal a lo largo de la parte superior de la 'T' transportan corrientes iguales pero con direcciones opuestas. Por lo tanto, lejos de la antena, las ondas de radio radiadas por cada cable están desfasadas 180° con 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) energía de radio. ^[4]^{: 554}

En lugar de irradiar, 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} El aumento de corrientes en el cable vertical ( ver dibujo a la derecha ) aumenta 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 usan 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 el de los cables adyacentes, la capacitancia adicional de cada cable agregado disminuye . ^[5]

Eficiencia de carga superior capacitiva.

El cable de carga superior horizontal puede aumentar la potencia radiada de 2 a 4 veces (de 3 a 6 dB ) para una corriente base determinada. ^[6] En consecuencia, la antena 'T' puede irradiar más potencia que un simple monopolo vertical de la misma altura. De manera similar, una antena T receptora puede interceptar más potencia de la misma intensidad de señal de onda de radio entrante que una 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 metros (410 pies)^[c] a 600 kHz^[b]] ,la longitud más corta de cable recto descargado que lograresonancia. ^[5]monopoloverticaleléctricamente cortocon 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} $Q$ mayory por tanto un ancho de banda más estrecho . Las antenas en 'T' se utilizan normalmente en frecuencias bajas donde no es práctico construir una antena vertical alta de cuarto de onda de tamaño completo,^[2]^[7] y el cable radiante vertical suele ser muy corto desde el punto de vista eléctrico : sólo una pequeña fracción de un longitud de onda larga,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 sintonizarse mediante una reactancia inductiva adicional de una bobina de carga , para que la antena pueda recibir energía de manera eficiente.

Las partes rojas son aislantes , las marrones son mástiles de soporte. Las cargas superiores de varios cables 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 usan como antenas de transmisión. La construcción de jaula C y G iguala la corriente en los cables, reduciendo 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 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 con ondas ionosféricas ("salto"). El efecto de una mala conductividad del suelo generalmente es inclinar el patrón hacia arriba, con la intensidad máxima de la señal en un ángulo de elevación más alto.

Antenas transmisoras

En los rangos de longitud de onda más largos donde normalmente se utilizan antenas en '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, más que por la potencia de la señal captada por la antena receptora. ^[5]

Las antenas transmisoras son diferentes y la impedancia del punto de alimentación ^[d] es crítica: 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 coinciden, la corriente enviada desde el transmisor a la antena se reflejará en la línea de alimentación de la antena, creando una condición llamada ondas estacionarias en la línea. Esto reduce la potencia radiada por la antena y, en el peor de los casos, puede dañar el transmisor.

Resistencia reactiva

Cualquier antena monopolo que sea más corta que 1 /4 la onda tiene una reactancia capacitiva ; cuanto más corto sea, mayor será la reactancia y mayor será la proporción de la corriente de alimentación que se reflejará hacia el transmisor. Para conducir corriente de manera eficiente a una antena transmisora corta, se debe hacer resonante (libre de reactancia), si la sección superior aún no lo ha hecho. La capacitancia generalmente se anula mediante una bobina de carga adicional o su equivalente; la bobina de carga se coloca convencionalmente en la base de la antena para mayor 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 largo, elimina completamente la reactancia y evita cualquier necesidad de una bobina de carga en el punto de alimentación.

En 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 con $Q$ alto , con un ancho de banda estrecho sobre el cual permanecerá bien. coinciden con la línea de transmisión, en comparación con una 1 /4  $λ$ monopolo. ^[C]

Para operar en un amplio rango de frecuencia, la bobina de carga a menudo debe ser ajustable y ajustada cuando se cambia la frecuencia para limitar la potencia reflejada hacia el transmisor . El alto $Q$ 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 conducción. Los aisladores en los extremos deben diseñarse para soportar estos voltajes. En los transmisores de alta potencia, la potencia de salida suele estar 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 necesaria ]} 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 de manera catastrófica, mucho más allá de la mejora máxima de rendimiento proporcionada por una antena T. Entonces, a bajas frecuencias, incluso una antena en '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 las bobinas y particularmente en el sistema de tierra debe mantenerse muy baja para minimizar la potencia disipada en ellas.

Se puede observar que a bajas frecuencias el diseño de la bobina de carga puede ser un desafío: ^[5] debe tener una inductancia alta pero pérdidas muy bajas en la frecuencia de transmisión ( $Q$ alta ), debe transportar altas corrientes, soportar altos voltajes en su extremo sin conexión a tierra. terminar y ser ajustable. ^[7] A menudo está hecho de alambre litz . ^[7]

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

Circuito equivalente

La potencia radiada (o recibida) por cualquier antena vertical eléctricamente corta, como la antena 'T', es proporcional al cuadrado de la altura efectiva de la antena, ^[5] por lo que la antena debe estar lo más alta posible. Sin el cable horizontal, la distribución de corriente de RF en el cable vertical disminuiría casi linealmente hasta cero en la parte superior ( consulte el dibujo "a" arriba ), dando una altura efectiva de la mitad de la altura física de la antena. Con un cable de carga superior ideal de “capacitancia infinita”, la corriente en la vertical sería constante a lo largo de su longitud, dando una altura efectiva igual a la altura física, aumentando así la potencia radiada cuatro veces para el mismo voltaje de alimentación. Así, la potencia radiada (o recibida) por una antena en 'T' se sitúa 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 capacitancia de carga superior muy grande es ^[6]

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

entonces la potencia radiada es

P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2}\aproximadamente 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\ lambda }}\derecha)^{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 y la altura efectiva, y se utiliza para determinar cuántos metros-amperios se necesitan para lograr una determinada cantidad 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 a la radiación y otras resistencias del circuito antena-tierra. Entonces 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.

Rℓ.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.

No

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

Lℓ.c

_.es la inductancia de la bobina de carga.

En resonancia, la bobina de carga cancela la reactancia capacitiva de la antena, por lo que la impedancia de entrada en resonancia $Z$ ₀ es solo 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. Dado que la potencia disipada como radiación o 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 de sintonización múltiple de 1,9 km (1,2 millas) del histórico transmisor Grimeton VLF de 17 kHz , 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 otras resistencias en el sistema antena-tierra para obtener la mayor eficiencia. ^[12]

Antena sintonizada múltiple

La antena plana de sintonización múltiple es una variante de la antena 'T' utilizada en transmisores de alta potencia y baja frecuencia para reducir las pérdidas de energía en tierra. ^[7] Consiste en una larga carga superior capacitiva que consta de múltiples cables paralelos sostenidos por una línea de torres de transmisión, a veces de varios kilómetros de largo. Varios cables verticales del radiador cuelgan de la carga superior, cada uno conectado a su propia tierra a través de una bobina de carga. La antena se conecta a uno de los cables del radiador o, más a menudo, a 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 solo radiador. Dado que la corriente de la antena fluye hacia el suelo a través de $N$ bobinas de carga paralelas y masas en lugar de una, la resistencia equivalente de la bobina de carga y de tierra, y por lo tanto la potencia disipada en la bobina de carga y tierra, se reduce a1/  $norte$  el de una simple antena en 'T'. ^[7] La antena se utilizó en las potentes estaciones de radio de la era de la telegrafía inalámbrica , pero ha caído en desgracia debido al gasto de múltiples bobinas de carga.

Ver también

Notas a pie de página

^ En resonancia, la corriente es la parte de la 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 a la radiación y por 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 para longitud de onda .
^ La impedancia es la suma compleja de reactancia y resistencia ; todos estos, solos o en combinación, limitan la transmisión de corriente a través de la parte eléctrica obstaculizadora y provocan cambios de voltaje en su punto de conexión.

Referencias

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