La antena unipolar plegada es un tipo de antena de radiador de mástil monopolar que se utiliza como antena de transmisión principalmente en la banda de onda media para estaciones de radiodifusión AM . Consiste en una varilla o mástil metálico vertical montado sobre un sistema de conexión a tierra que consta de cables enterrados y conectado en su base a este. El mástil está rodeado por una "falda" de cables verticales unidos eléctricamente en la parte superior del mástil o cerca de ella. Los cables de la falda están conectados por un anillo metálico cerca de la base del mástil, y la línea de alimentación que alimenta la energía del transmisor está conectada entre el anillo y el suelo.
Se ha utilizado mucho para renovar torres de estaciones de radiodifusión AM de onda media en los Estados Unidos y otros países. Cuando una estación de radio AM comparte una torre con otras antenas, como las antenas de radiodifusión FM , el unipolo plegado suele ser una buena opción. Dado que la base de la torre se conecta al sistema de tierra, a diferencia de una torre de radiador de mástil común en la que la base está a alto voltaje , las líneas de transmisión a cualquier antena montada en la torre, así como las líneas eléctricas de iluminación de aeronaves , pueden tenderse por el costado de la torre sin necesidad de aisladores. [1]
La antena unipolar plegada fue ideada por primera vez para uso en radiodifusión por John H. Mullaney, un pionero de la radiodifusión estadounidense e ingeniero consultor. [2] Fue diseñada para resolver algunos problemas difíciles con las instalaciones de antenas de transmisión de onda media (MW), modulación de frecuencia (FM) y modulación de amplitud (AM) existentes.
Dado que los unipolos plegados se utilizan con mayor frecuencia para renovar antenas de transmisión antiguas, la primera subsección a continuación describe una antena monopolo típica utilizada como punto de partida. La subsección que sigue a continuación describe cómo se agregan los cables de faldón circundantes para convertir una torre de transmisión común en un unipolo plegado.
La imagen de la derecha muestra una pequeña antena unipolar plegada construida a partir de una torre monopolar triangular existente; tiene sólo tres cables verticales que componen su "falda".
Una antena de transmisión monopolar típica para una estación de radio AM es un radiador de mástil alimentado en serie ; un mástil de celosía de acero vertical que se energiza y irradia ondas de radio. Un lado de la línea de alimentación que alimenta la energía del transmisor a la antena está conectado al mástil, el otro lado a un sistema de tierra (electricidad) que consiste en cables enterrados que irradian desde un terminal junto a la base del mástil. El mástil está sostenido por un aislante cerámico grueso que lo aísla eléctricamente del suelo. Las regulaciones de la FCC de EE. UU. requieren que el sistema de tierra tenga 120 cables radiales enterrados de cobre o bronce fosforoso de al menos un cuarto de longitud de onda de largo; generalmente hay una pantalla de tierra en las inmediaciones de la torre. Para minimizar la corrosión, todos los componentes del sistema de tierra están unidos entre sí, generalmente mediante soldadura fuerte o soldadura de plata de moneda .
El mástil tiene cables tensores diagonales unidos a él, anclados a anclajes de hormigón en el suelo, para sostenerlo. Los cables tensores tienen aisladores de tensión para aislarlos eléctricamente del mástil, para evitar que el alto voltaje llegue al suelo. Para evitar que los cables tensores conductores alteren el patrón de radiación de la antena, a veces se insertan aisladores de tensión adicionales en las líneas para dividirlas en una serie de segmentos cortos, eléctricamente separados, para garantizar que todos los segmentos sean demasiado cortos para resonar en la frecuencia de funcionamiento.
En EE. UU., la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) exige que las mediciones de potencia del transmisor para una sola torre alimentada en serie se calculen en este punto de alimentación como la corriente al cuadrado multiplicada por la parte resistiva de la impedancia del punto de alimentación.
Las antenas monopolares eléctricamente cortas tienen baja resistencia y alta reactancia capacitiva (negativa). Dependiendo de los receptores deseados y del terreno circundante, y particularmente dependiendo de las ubicaciones de amplias extensiones de agua abierta, una antena más larga puede tender a enviar señales en direcciones que son cada vez más ventajosas, hasta el punto en que la altura eléctrica de la antena excede aproximadamente 5/ 8 longitudes de onda altas.
La reactancia es cero solo para torres ligeramente más cortas que 1/ 4 longitud de onda , pero la reactancia en cualquier caso aumentará o disminuirá dependiendo de la humedad, el polvo, la espuma salada o el hielo que se acumule en la torre o su línea de alimentación. Independientemente de su altura, el sistema de alimentación de la antena tiene un sistema de adaptación de impedancia alojado en un pequeño cobertizo en la base de la torre (llamado " cabaña de sintonización " o "cabaña de acoplamiento" o "cabaña de hélice"). La red de adaptación se ajusta para unir la impedancia de la antena a la impedancia característica de la línea de alimentación que la une al transmisor. Si la torre es demasiado corta (o demasiado alta) para la frecuencia, la reactancia capacitiva (o inductiva) de la antena se cancelará con la reactancia opuesta por la red de adaptación , además de aumentar o disminuir la resistencia del punto de alimentación de la antena para que coincida con la impedancia característica de la línea de alimentación . Las limitaciones combinadas de la red de adaptación , los cables de tierra y la torre pueden hacer que el sistema tenga un ancho de banda estrecho ; En casos extremos, los efectos del ancho de banda estrecho pueden ser lo suficientemente graves como para restar fidelidad de audio a la transmisión de radio.
Las antenas eléctricamente cortas tienen una baja resistencia a la radiación , lo que hace que la pérdida normal en otras partes del sistema sea relativamente más costosa en términos de potencia de transmisión perdida. Las pérdidas en el sistema de tierra, la(s) red(es) de adaptación, los cables de alimentación y la estructura de la torre están todas en serie con la corriente de alimentación de la antena, y cada una de ellas desperdicia una parte de la potencia de transmisión al calentar el suelo o el metal de la torre.
Heurísticamente, los cables del faldón exterior del unipolo pueden considerarse como segmentos unidos de varias bobinas altas, estrechas y de una sola vuelta , todas conectadas en paralelo, con el mástil central completando el lado final de cada vuelta. [ cita requerida ] De manera equivalente, cada cable del faldón forma un trozo de cable paralelo , siendo el mástil el otro "cable" paralelo ; el extremo cerrado en la parte superior del trozo, donde el faldón se conecta al mástil, forma un inductor de trozo de línea de transmisión . De cualquier manera que se lo mire, el efecto de los cables del faldón es agregar reactancia inductiva al mástil de la antena, lo que ayuda a neutralizar la reactancia capacitiva de un mástil corto. [ cita requerida ]
En el caso normal de un monopolo corto, la reactancia inductiva introducida por los cables del faldón disminuye a medida que disminuye la frecuencia y aumenta la reactancia capacitiva del mástil desnudo. Al aumentar la frecuencia, hasta la frecuencia en la que el faldón es un cuarto de longitud de onda, la reactancia inductiva aumenta y la reactancia capacitiva disminuye. Por lo tanto, en el caso de una antena corta, la inductancia del faldón y la capacitancia del mástil solo pueden cancelarse en una única frecuencia, ya que las magnitudes de la reactancia aumentan y disminuyen de manera opuesta con la frecuencia.
Con un mástil de antena más largo, de al menos un cuarto de onda de altura, las reactancias se pueden configurar de manera más elaborada: se puede hacer que las reactancias contrarias se cancelen entre sí en más de una frecuencia, al menos en parte, y que aumenten y disminuyan aproximadamente en la misma cantidad. El equilibrio aproximado entre las reactancias opuestas se suma para reducir la reactancia total de toda la antena en las frecuencias disminuidas (y aumentadas), ampliando así el ancho de banda de baja reactancia de la antena. [1] [a] Sin embargo, no hay nada particularmente notable en que una antena más larga tenga un ancho de banda de baja reactancia más amplio.
Si la mayor parte de la corriente de radio desequilibrada puede hacerse fluir por los cables del faldón, en lugar de por el mástil, el anillo exterior de cables del faldón también agregará efectivamente ancho eléctrico al mástil, lo que también mejorará el ancho de banda al hacer que las corrientes desequilibradas en el unipolo funcionen como una " antena de jaula ".
Generalmente, los unipolos plegados se construyen modificando una antena monopolo existente, y no todas las mejoras posibles de unipolo se pueden lograr en cada monopolo.
La falda resultante que envuelve el mástil se conecta solo en la parte superior de la torre, o en algún punto intermedio cerca de la parte superior, y al anillo conductor aislado que rodea la base de la torre; los cables de la falda permanecen aislados del mástil en todos los demás puntos a lo largo de toda su longitud. [1] [3]
Las corrientes balanceadas y desequilibradas son importantes para comprender las antenas, porque la corriente desequilibrada siempre irradia, y la corriente balanceada de espaciado cercano nunca irradia. El siguiente esquema de cómo funciona una antena unipolar considera por separado las corrientes balanceadas y desequilibradas que fluyen a través de la antena. La suma de las dos es la corriente real observada en cualquier conductor.
Por el principio de superposición eléctrica , las corrientes totales que fluyen en la antena se pueden considerar divididas en la suma de corrientes independientes balanceadas y desequilibradas. Las partes balanceadas y desequilibradas de las corrientes de la antena se suman para formar el perfil de corriente "real"; equivalentemente, si llamamos a la corriente "real" medida que fluye a través del mástil y a la suma de todas las corrientes "reales" medidas en los cables del faldón (por simetría, asumiendo que todas son iguales), entonces las partes balanceadas y desequilibradas de las corrientes "reales" son
Yendo en sentido inverso, las corrientes "verdaderas" en el mástil y el faldón, de las corrientes conceptuales equilibradas y desequilibradas son
Entonces, a modo de ejemplo, desde un punto de vista simplificado, la distinción entre una antena y su línea de alimentación es que la corriente equilibrada fluye de forma antiparalela en la línea de alimentación, que no irradia, y se recanaliza hacia caminos vectoriales paralelos desequilibrados dentro de la antena, que sí irradian.
El comportamiento eléctrico del faldón y el mástil puede considerarse similar al de una línea de alimentación coaxial , en la que el faldón corresponde al blindaje exterior del cable coaxial y el mástil actúa como cable central o conductor central. La conexión del faldón y el mástil en la parte superior actúa como un cortocircuito en el extremo del cable coaxial virtual y, como el "coaxial" tiene, por diseño, una longitud de menos de un cuarto de onda en el punto de conexión, es efectivamente un trozo cortocircuitado inductivo . Independientemente de los tamaños y el espaciado del faldón y el mástil configurados, que determinan la impedancia vista por la corriente equilibrada , la corriente de alimentación que circula a través del faldón y el mástil produce una diferencia de voltaje entre la parte superior y el punto de alimentación del faldón y entre la parte superior y el plano de tierra que es la mitad de la diferencia de voltaje entre el punto de alimentación y la tierra (posiblemente con variaciones extremadamente menores).
La única corriente considerada hasta ahora es la equilibrada: la misma corriente de alimentación total sube por los cables del faldón mientras fluye hacia abajo a través del mástil hasta el punto de alimentación a nivel del suelo (o viceversa), y de regreso a través de la línea de alimentación (equilibrada), formando un circuito cerrado eléctricamente. Los campos magnéticos de la corriente que fluye hacia arriba son iguales y opuestos a la corriente que fluye hacia abajo, por lo que los campos magnéticos (casi) todos se cancelan y, en consecuencia, las corrientes equilibradas (en su mayoría) no irradian. Entonces, la situación en la antena después de considerar solo la corriente de alimentación equilibrada es que crea una diferencia de voltaje entre la parte superior de la antena y el plano de tierra , y nada en términos de ondas de radio. Esa diferencia de voltaje sirve como un excitador eléctrico de una corriente desequilibrada.
Si se considera la antena por separado desde el "punto de vista" de cualquier corriente desequilibrada potencial, se observa un voltaje desequilibrado entre el punto de conexión cerca de la parte superior del mástil y el plano de tierra en la base de la antena. (Para el análisis de RF, la ruta de retorno a través del punto de alimentación a la radio se trata como una ruta virtual a tierra, ignorando la corriente de alimentación equilibrada). Las corrientes equilibradas autocanceladas no afectarán eléctricamente a las corrientes desequilibradas (aparte de haber creado la diferencia de voltaje en común para todas), aunque sí se suman para formar el perfil de corriente "real" en la antena.
Hay dos posibles caminos que la corriente desequilibrada puede tomar en respuesta a la diferencia de voltaje entre la parte superior y la inferior: hacia abajo (o hacia arriba) a través del mástil, o hacia abajo (o hacia arriba) a través de los cables del faldón. Debido a que las corrientes a lo largo de cada camino son impulsadas por el mismo voltaje, fluirán en la misma dirección. La corriente se divide en proporción a la admitancia ( impedancia recíproca ) de cada camino a tierra. La cantidad de corriente a lo largo de cada camino está determinada por los tamaños y la cantidad de los cables a lo largo de cada camino y, en cierta medida, la impedancia mutua de los conductores adyacentes (cables del mástil y del faldón) y las corrientes que fluyen en esos cables (las corrientes paralelas en los cables adyacentes desplazan los campos magnéticos de los demás, lo que dificulta el paso de la corriente). Toda corriente desequilibrada irradia; la radiación de los diversos caminos de corriente vectorial-paralelos se suma.
En comparación con las corrientes equilibradas a través de los mismos dos conductores, la impedancia eléctrica que contrarresta el flujo de corrientes desequilibradas es muy alta: aproximadamente 500~600 Ω y más, dependiendo principalmente del diámetro del cable, pero también aumenta con corrientes paralelas más cercanas o más grandes en cables adyacentes. La impedancia contra el flujo de corrientes equilibradas es de aproximadamente 300~500 Ω y menor, dependiendo principalmente del espaciamiento entre los cables, y disminuye cuando los cables están más juntos. En consecuencia, el flujo de corriente equilibrada tenderá a ser de mayor magnitud que su contraparte desequilibrada, y la diferencia se hace mayor cuanto más cerca estén los conductores espaciados.
El diseño eléctrico de una antena unipolar consiste en elegir el tamaño y la cantidad de los cables de la faldilla, sus longitudes y (si es posible) el tamaño del mástil central, para ajustar las impedancias relativas (o admitancias) de la corriente balanceada y desequilibrada, con el fin de maximizar la radiación y presentar una impedancia de punto de alimentación balanceada sin reactancia para la línea de alimentación. (Otras consideraciones de diseño, como el costo de los materiales y la facilidad de montaje, pueden llevar a elecciones subóptimas para el rendimiento eléctrico).
Debido a la gran cantidad de parámetros de diseño libres, en comparación con otros tipos de antenas, se puede fabricar una variedad sumamente diversa de antenas unipolo diferentes, y su rendimiento será diferente. A diferencia de una antena de uso común, como el doblete simple , no existe una cifra de rendimiento "unipolo típico". Dicho esto, sin embargo, las pruebas de campo que se analizan a continuación muestran que cuando solo se considera la eficiencia de la antena , la potencia radiada por potencia alimentada a un unipolo es casi la misma que la de una antena monopolo común con la misma altura: Aparte de la ventaja de poder adaptar la impedancia del punto de alimentación, no parece haber un rendimiento inherentemente superior para los unipolos en comparación con un monopolo básico. La única ventaja del diseño unipolo se reduce a que tiene un sistema de adaptación de impedancia del punto de alimentación integrado y configurable de manera elaborada .
Cuando un unipolar plegado bien hecho reemplaza una antena decrépita o con un diseño original deficiente, habrá por supuesto una mejora en el rendimiento; la mejora repentina puede ser causa de una superioridad inferida erróneamente en el diseño.
Los experimentos muestran que el rendimiento de los unipolos plegados es el mismo que el de otros diseños monopolares: las comparaciones directas entre los unipolos plegados y las antenas verticales más convencionales de la misma altura, todas bien hechas y con anchos de radiador casi equivalentes, no muestran esencialmente ninguna diferencia en el patrón de radiación en las mediciones reales de Rackley, Cox, Moser y King (1996) [4] y de Cox y Moser (2002). [5]
El ancho de banda más amplio esperado tampoco se encontró durante las pruebas de alcance de antena de varios unipolos plegados. [4] [5]
En la mayoría de los casos, se utilizaron diseños unipolares plegados para reemplazar una antena alimentada por derivación (un diseño de antena de transmisión diferente que también tiene una base conectada a tierra). Una antena "alimentada por derivación" (o "de cable inclinado") consta de una torre conectada a tierra con la parte superior de una línea de alimentación de un solo cable inclinada unida a un punto del mástil que da como resultado una coincidencia aproximada con la impedancia deseada en el otro extremo del cable de alimentación inclinado. [1] [b] [c]
Si una antena unipolar plegada bien hecha reemplazara a una antena inclinada vieja, los ingenieros de la estación podrían notar una marcada mejora en el rendimiento. [ cita requerida ] Tales mejoras pueden haber provocado conjeturas de que las antenas unipolares plegadas tenían ganancias de potencia u otras características maravillosas, pero esas suposiciones no están respaldadas por cálculos de ingeniería de radio.
Los emplazamientos de las antenas monopolares montadas en el suelo requieren un mantenimiento del paisaje: mantener las malas hierbas y el césped que cubren los cables de tierra de la antena lo más cortos posible, ya que las plantas verdes entre la torre de la antena y el sistema de tierra de la antena disiparán la potencia de las ondas de radio que pasan a través de ellas, lo que reducirá la eficiencia de la antena. Se afirmaba que los emplazamientos de antenas monopolares plegadas se veían menos afectados por las malas hierbas y el césped alto sobre los cables de tierra que causan atenuación en otros diseños de antenas monopolares , pero las mediciones no muestran tal ventaja. [4] [5]
Una posible mejora con respecto a la antena unipolar plegada básica es la antena unipolar "autorresonante", descrita en la patente estadounidense 6.133.890 . [d]
Otra posible mejora del unipolo plegado se describe en la patente estadounidense 4.658.266 , que se refiere a una forma de plano de tierra diseñada con más cuidado para su uso con todos los tipos de monopolos (incluyendo sólo incidentalmente los unipolos plegados).
